【正文】 鋁電解的長久地經濟效益[11]。具有充裕、穩(wěn)定而廉價的電力供應條件，是電解鋁廠廠址選擇必須首先考慮的因素。評選出經濟效益、社會效益、環(huán)境效益最優(yōu)的廠址，總結過去的實踐經驗，廠址選擇應遵循一定的基本原則：符合鋁工業(yè)的總體布局；充足的電、水能源供應；靠近原料生產基地或產品消費主要地點；發(fā)達的交通運輸基礎；合適的建設場地條件；滿足環(huán)境保護的要求；良好的外部協作環(huán)境；良好的地理條件[10]。第二章 廠址選擇與論證廠址的選擇不僅直接影響基建投資、生產經營和發(fā)展，還影響地區(qū)的交通運輸、環(huán)境保護、農業(yè)生產和城鎮(zhèn)建設等的發(fā)展。建造時要采用高質量的砌筑材料和進行精確的施工。為了延長鋁電解槽的使用壽命，要從多方面采取措旎。鈉是由兩種反應產生的，一種是鈉離子在陰極上放電生成的，另一種是鋁和電解質中氟化鈉起反應置換出鈉。這些破損現象彼此相互聯系，可能會同時出現。同時碳陰極下部的耐火磚和保溫材料中也發(fā)生嚴重變化，鋼質槽殼也伴有嚴重變形或破裂。鋁電解槽破損停槽的主要標志為槽內鋁液中鐵含量連續(xù)不斷的增加以至于超過1％，表明碳陰極已發(fā)生破損，鋼質陰極棒已被鋁液侵蝕，此時需停槽大修。 使用壽命鋁電解槽的陰極內襯在使用一段時期后就會破損，這時候便需停槽大修。預焙陽極鋁電解槽用帶有筋板的鋁板構成多片單槽罩或整體槽罩，將電解槽密封。氣體回收裝置 側插棒自焙陽極鋁電解槽帶有鋼質卷簾或吊門，將電解槽加以密閉，由排煙管將煙氣導出?，F代化大容量預焙陽極鋁電解槽一般采用橫向排列，母線配置采用多端(4端或5端)進電方式。鋁母線的配置方式，視電解槽的排列方式和容量的不同而異。 母線裝置由陽極母線、陰極母線和立柱母線組成。大容量鋁電解槽的陽極升降，一般選用蝸輪絲杠或滾珠絲杠搖板式機構。打洞加料自動進行，間隔時間短的不過3min，長者為1～2h。下料機構包括4～6個打殼錘頭和相同數量的定量加料倉。陽極碳塊表面噴一層鋁液以防止其氧化，也有不噴鋁液的。鋁導桿與鋼爪通常采用爆炸焊聯接，鋼爪置入碳塊上的洼穴(碳碗)中，鋼爪和碳碗間澆注磷生鐵。陽極碳塊組由陽極碳塊、鋼爪和鋁導桿三部分組成。由陽極碳塊組和陽極升降機構組成。與此同時靠輔助升降機構以精確的相等速度提升陽極框套的位置，其結果是陽極框套的位置移動等于零，它相對于槽殼并未作任何移動，但陽極可以下降，補償其消耗。陽極有兩套提升機構。鋼質導電棒由上部垂直插入陽極糊內，分4排插入，高度分若干層次。陽極框套由鋼板和型鋼焊接而成，框套內填充陽極糊。(2)上插棒自焙陽極鋁電解槽的陽極裝置。陽極棒用銅質導電片來與陽極大母線聯接。陽極棒一般有4排，排向距離200mm，其中下面的兩排棒通電，上面的兩排作為后備。角度插入陽極糊內。陽極框架由鋼板和型鋼焊接而成。(1)側插棒自焙陽極鋁電解槽的陽極裝置。167。近年來，大型鋁電解槽，特別是中部加料預焙陽極鋁電解槽的側部保溫層有所減薄，以利于凝結固體電解質作為保護層。槽膛側壁有一層或兩層陰極碳塊。有些電解槽為提高爐底導電性和減去縱向中縫，特意采用通長陰極碳塊，其中放置一根通長陰極棒。陰極碳塊組在槽殼內排成兩行，碳塊組與碳塊組間用碳糊搗固或用碳糊漿液灌注。陰極碳塊組由陰極碳塊同埋設其中的導電鋼棒(陰極棒)組成。槽膛底部是一層陰極碳塊，其下面依次是炭素墊、耐火磚層和保溫磚層，有的用氧化鋁或其他保溫材料取代保溫磚層或部分保溫磚層。槽殼用型鋼和鋼板焊成。 陰極裝置 由槽殼、陰極碳塊、側部碳塊、耐火磚和保溫材料組成。 鋁電解槽與電解槽系列工業(yè)鋁電解槽的基本結構主要包括陰極裝置、陽極裝置、母線裝置和氣體回收裝置等[8]。圖11 鋁電解槽系列配置圖為了減少鋁工業(yè)溫室氣體的排放，全球鋁工業(yè)也致力于研制惰性陽極和惰性陰極等鉛電解新工藝，一旦成功，將在節(jié)能減排上取得新進展。陽極氣體中含有70%~80% CO2和20%~30%CO，還含有少量氟化物和SO2等氣固混合物，經過凈化之后，廢氣排放入大氣，收回的固體氟化物返回電解槽[5]。電解產物在陰極上是鋁液，陽極上是CO2和CO氣體。 鋁電解過程描述 現代鋁電解生產主要采取冰晶石氧化鋁熔鹽電解法，采用炭素陽極和炭素陰極。因預焙陽極的消耗使得其中的雜質被還原后以硅、鐵、鈦、釩等元素雜質進入到鋁液中，故對預焙陽極的理化指標要求嚴格，在化學成分上要求灰分越低越好，尤其是對硅、鐵、鎳、釩、鈉、硫等的控制，在物理性能上要求比電阻和氣孔率要小。采用預焙陽極的好處是避免了自焙陽極在電解過程中有瀝青煙和其他有害氣體的散發(fā)，同時使用預焙陽極后槽電壓降低，更有利于電解槽大型化和自動化控制。預焙陽極炭塊是利用一定粒度、配比的石油焦和殘極，與一定比例的煤瀝青(黏結劑)，經過混捏、成型、焙燒而成的陽極炭塊。167。(5)氟化鎂氟化鎂(MgF2)和氟化鈣的作用基本相似，對爐幫形成起礦化劑作用，但在降低電解質溫度，改善電解質性質，分離炭渣，提高電流效率和電解質導電率方面比氟化鈣的作用更為明顯，實踐證明這是一種較好的添加劑。新槽啟動時多添加氟化鈣，它的作用主要是對爐幫的形成有好處，可使爐幫比較堅固，同時也可降低電解質的初晶溫度，從而降低電解溫度。但在多數工廠用碳酸鈉代替氟化鈉，這樣更加經濟。因氟化鋁用量也較大，它沒有熔化溫度，只有升華溫度，沸點為183℃，易揮發(fā)和飛揚，故在向槽內添加時應注意操作方法。(2)氟化鋁氟化鋁(AlF3)是一種白色的細微粉末，屬菱形六面體結構，其顆粒比氧化鋁稍大, 流動性次之，它是冰晶石氧化鋁熔液的一種添加劑。目前，冰晶石是鋁電解生產中最理想的一種熔劑。氟化鈉與氟化鋁的摩爾比稱為冰晶石的分子比，分子比為3時稱為中性，分子比大于3時稱為堿性，小于3時稱為酸性，~。冰晶石的分子式為Na3AlF6，或寫成3NaF因此現代鋁工業(yè)則使用合成的人造冰晶石，為灰白色的粉末，易黏于手，不溶于水，熔點為1012177。(1)冰晶石冰晶石分天然和人造兩種。167。生產每噸鋁所需的Al2O3量，從理論上計算等于1889 kg。其中αAl2O3含量達到80%。其中α Al2O3含量少于10%~15%，γAl2O3含量較高，具有較大的活性，適于在干法凈化中用來吸附 HF 氣體，在半連續(xù)下料的電解槽上載氟氧化鋁可用作原料，故砂型氧化鋁得到廣泛應用。砂型氧化鋁呈球狀，顆粒較粗，安息角小，只有30176。這些物理性能取決于氧化鋁晶體的晶型、形狀和粒度。在氣體凈化中，要求它具有較好的活性和足夠的比表面積，從而能夠有效地吸收氟化氫氣體。(2)物理性能工業(yè)氧化鋁的物理性能，對于保證電解過程正常進行和提高氣體凈化效率，關系很大。P2O5等高價氧化物雜質則會降低電流效率。在電解過程中，那些電位比鋁正的元素的氧化物雜質，如二氧化硅、三氧化二鐵都會優(yōu)先還原，還原出來的 Si 和 Fe等雜質進入鋁內，從而使鋁的品位降低，且降低電流效率；而那些電位比鋁負的元素的氧化物雜質，如氧化鈉、氧化鈣會分解冰晶石，使電解質組成發(fā)生改變并增加氟鹽消耗量。為了取得良好的生產指標，對氧化鋁的要求是非常嚴格的，主要體現在化學純度和物理性能上。氧化鋁有7種晶型，最常見的是αAl2O3，又稱剛玉型氧化鋁。167。167。為了大幅度提高電解法能量效率和減少二氧化碳排放量，國外開展力求降低陰陽極之間電壓降的工業(yè)試驗，采用炭陽極開溝槽、TiB2可濕潤陰極、惰性陽極、導流式或雙極多室式新型結構電解槽[7]等新工藝新技術新材料新設備。對鋁電解產生的廢渣、廢槽襯等廢物料實行有價成分再生回收并循環(huán)利用，或對其做無害化處理，減輕鋁電解工業(yè)廢物對環(huán)境污染。開發(fā)應用抗熔體滲透的槽襯耐火材料、熱電偶套管、優(yōu)質炭素陰陽極、可濕潤陰極和惰性陽極等新型材料。在高電流密度、高槽電壓、高電解溫度條件下，通過槽電壓、分子比和過熱度的軟件程序控制技術，實現電解槽的能量平衡、物料平衡和液固相平衡，即過熱度和爐幫伸腿構成的固相電解質槽膛內型穩(wěn)定合理。應用了半連續(xù)傳感器實時在線檢測控制溫度、過熱度、分子比、熔體高度和氧化鋁濃度。國外鋁電解的數學模型、傳感器、控制和新材料等功能化技術水平較高。h/t(Al)，槽壽命達2000天。其具有如下幾個特點[6]：(1)陽極電流密度較高，單位陰極面積產能大。h/t(Al)。國外大容量(300 kA以上)，主要經濟技術指標：電流效率93%~95%，直流電耗13000~13500 kW目前正在開發(fā)450~500kA電解槽,預計將開展RA500電解槽試驗。該系列是在原300 kA電解槽技術基礎上開發(fā)的第二代超大型電解槽，該槽日產量3t，電流效率94%，電耗13800 kW繼法國AP18和AP30型電解槽技術后，AP50技術[6]已問世。 世界鋁電解工業(yè)技術現狀目前，電解鋁工業(yè)仍以改善和提高霍爾埃魯法電解槽技術水平為主，著力于節(jié)能減排，降低能耗、物耗和原鋁成本，在從源頭上就減少氣固廢物料污染的同時，加強廢物料廢鋁的無害化和資源化處理，實現資源再生和循環(huán)利用，進一步提高產品質量和擴大產品種類。槽左右?？偟膩碚f，目前就我國電解鋁整體生產狀態(tài)而言，能源綜合利用效率要比國際先進水平低15%左右，主要表現在：電流效率相差23個百分點；噸鋁電耗相差300~800kwh；電解鋁用陽極生產過程能耗相差30kg/t左右；噸電解鋁陽極消耗相差3060kg(折合標準煤約75~150kg)；電槽槽壽命相差1000天左右；我國300kA級的特大型預焙鋁電解槽投入工業(yè)應用的時間短，又不能完全照搬以前在大型預焙槽上的相關經驗(這些經驗也有很大局限性)。隨著電解槽容量的不斷擴大，槽壽命問題就更加突出。影響我國大型槽槽壽命的問題除了我國普遍認為的陰極炭素材料質量方面的原因外，電解槽的設計、筑爐材料、筑爐質量、焙燒啟動、正常生產操作及生產管理等方面均存在一些問題。由于大容量電解槽一般系列規(guī)模較大(一個系列產能可達20萬噸以上)，巨大的用電負荷集中在一個生產系列上(一般達40萬kW以上)，電解系列生產的任何波動都會造成電網或自備電廠較大的影響，甚至威脅供電安全?！鄶翟诖筘摵伞⑿‰娋W環(huán)境下運行，安全隱患多。 ——實際運行指標差。大容量電解槽的開發(fā)，使我國鋁電解技術總體上達到了國際先進水平，電解鋁工業(yè)的面貌發(fā)生了根本的改變。許多突出的技術問題，與我國鋁電解技術自70年代末引進160kA中間下料預焙槽技術之后，從消化國外技術開始，揭開了我國現代鋁電解技術發(fā)展的序幕，以鋁電解槽熱電磁力特性及磁流體數學模型研究為核心，在工藝、材料、過程控制及配套技術等方面展開了廣泛深入的研究工作。這些新工藝新方法有待進一步的研究完善和工業(yè)性的試驗。我國第一個500kA系列的288臺電解槽于2011年在甘肅連城建成、投產。現代鋁電解槽正向大型化發(fā)展，電解槽由20世紀70年代的10萬A發(fā)展到現在的35萬~50萬A，隨著計算機技術在電解槽上的應用，各項經濟技術指標大大提高。電解法早期采用小型預焙電解槽，1923年側插陽極棒自焙陽極電解槽發(fā)明后，電解槽的電解容量增大，生產指標隨之好轉，促進了鋁工業(yè)的發(fā)展，1952年上插陽極棒連續(xù)自焙陽極電解槽系列投產并取得良好的生產指標。瑞士冶煉公司也在同時采用該法煉鋁。電解法原理就是將氧化鋁溶解在熔融的冰晶石電解質中，通入直流電，進行電化學反應得到金屬鋁。1886年美國霍爾(Hall)和法國埃魯(Heroult)通過實驗不約而同地申請了冰晶石氧化鋁熔鹽電解法煉鋁的專利，獲得批準。直到1867年發(fā)明了發(fā)電機，并在1880年加以改進之后，實現了三相交流輸電，這才給實現工業(yè)性的電解法煉鋁提供了前提條件。在采用化學法煉鋁期間，1854年德國本生(Bunsen)和法國德維爾(Deville)繼英國戴維(Davy)之后研究電解法煉鋁，試驗了各種以冰晶石為基礎的混合熔鹽與氧化鋁的電解法。1865年, 俄國別開托夫(Векетов)提議用鎂還原冰晶石來生產鋁。1854年，法國德維爾(Deville) 用鈉代替鉀還原NaClAlCl3配合鹽，制取金屬鋁。金屬鋁最初用化學法制取。 167。同時，它還是人們日常生活中常用炊具和一些裝飾品的主要原材料。(5)食品包裝材料因鋁是無毒性的金屬材料，所以在食品包裝方面也得到了廣泛應用。(4)耐腐蝕材料由于鋁表面有一層很堅硬、致密的氧化鋁薄膜，所以它有很好的耐腐蝕性。它的應用主要是用鋁合金型材制作房屋的結構架和門窗柜櫥一類的設施，以此代木，經久耐用，美觀大方。此外，國防工業(yè)、宇宙航空航天工業(yè)的用鋁量也在日益增長。 kg鋼材，這樣就大大減輕了車體的質量，這對節(jié)約燃料是非常有利的。(1)輕型結構材料因鋁及其合金質輕，機械性能好，易加工，所以已成為當今制造各種交通運輸工具的不可缺少的結構材料。鋁工業(yè)現在是世界上最大的電化學冶金工業(yè)，鋁的產量在金屬中僅次于鋼鐵，居有色金屬之首。167。(10)鋁沒有毒性，可以用作食品包裝。鋁的再生利用率高，易與多種金屬構成合金。(7)鋁沒有磁性，不產生附加的磁場，所以在精密儀器中不會起干擾作用。℃)。固體和液體鋁的電阻率均隨溫度降低而減小，靠近0 K時，鋁的電阻率接近零。(4)電阻率小，純度為99%~%的鋁電阻率為(~)108Ω?m，在常用金屬中鋁的導電性僅次于銀和銅居第三位。(2)沸點高，液態(tài)鋁的蒸氣壓不高，沸點為2467℃。 鋁的性質及用途167。當前國內外大部分鋁電解廠采用300kA級電解槽，本設計采用400kA大型鋁電解槽，不僅適應了電解槽發(fā)展的大型化，而且引領著世界鋁電解行業(yè)發(fā)展方向，為我國鋁電解走國際化路線奠定了基礎。本設計具有投資省、容量大、經濟效益高的特點，單槽年產鋁量可增加100多噸，并且有利于提高集氣效率和改善環(huán)境。400kA大型預焙陽極電解槽技術的研制開發(fā)成功，為我國參與國際競爭，提供容量更大、技術更先進的電解槽技術打下了良好的基礎[3]。與之前的300kA和350kA級的電解槽相比，400kA級大型預焙陽極鋁電解槽技術具有以下創(chuàng)新點：優(yōu)化設計了合理的母線配置，提高了大型槽磁流體穩(wěn)定性；采用5段上煙道結構設計，有利于提高集氣效率和改善環(huán)境；采用電解廠房通風和電解槽整體熱平衡相結合、搖籃架與槽殼整體焊接、槽殼外部焊接散熱片、電解槽小面采用搖籃架與槽殼焊接、電解槽槽殼和內襯整體位于操作