【正文】 廉價(jià)的煤電供應(yīng)，保證了鋁電解的長久地經(jīng)濟(jì)效益[11]。具有充裕、穩(wěn)定而廉價(jià)的電力供應(yīng)條件，是電解鋁廠廠址選擇必須首先考慮的因素。評(píng)選出經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、環(huán)境效益最優(yōu)的廠址，總結(jié)過去的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，廠址選擇應(yīng)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(yīng)；靠近原料生產(chǎn)基地或產(chǎn)品消費(fèi)主要地點(diǎn)；發(fā)達(dá)的交通運(yùn)輸基礎(chǔ)；合適的建設(shè)場(chǎng)地條件；滿足環(huán)境保護(hù)的要求；良好的外部協(xié)作環(huán)境；良好的地理?xiàng)l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(chǎn)經(jīng)營和發(fā)展，還影響地區(qū)的交通運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鎮(zhèn)建設(shè)等的發(fā)展。建造時(shí)要采用高質(zhì)量的砌筑材料和進(jìn)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(yīng)產(chǎn)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(zhì)中氟化鈉起反應(yīng)置換出鈉。這些破損現(xiàn)象彼此相互聯(lián)系，可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。同時(shí)碳陰極下部的耐火磚和保溫材料中也發(fā)生嚴(yán)重變化，鋼質(zhì)槽殼也伴有嚴(yán)重變形或破裂。鋁電解槽破損停槽的主要標(biāo)志為槽內(nèi)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(zhì)陰極棒已被鋁液侵蝕，此時(shí)需停槽大修。 使用壽命鋁電解槽的陰極內(nèi)襯在使用一段時(shí)期后就會(huì)破損，這時(shí)候便需停槽大修。預(yù)焙陽極鋁電解槽用帶有筋板的鋁板構(gòu)成多片單槽罩或整體槽罩，將電解槽密封。氣體回收裝置 側(cè)插棒自焙陽極鋁電解槽帶有鋼質(zhì)卷簾或吊門，將電解槽加以密閉，由排煙管將煙氣導(dǎo)出?，F(xiàn)代化大容量預(yù)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(jìn)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(jī)構(gòu)。打洞加料自動(dòng)進(jìn)行，間隔時(shí)間短的不過3min，長者為1～2h。下料機(jī)構(gòu)包括4～6個(gè)打殼錘頭和相同數(shù)量的定量加料倉。陽極碳?jí)K表面噴一層鋁液以防止其氧化，也有不噴鋁液的。鋁導(dǎo)桿與鋼爪通常采用爆炸焊聯(lián)接，鋼爪置入碳?jí)K上的洼穴(碳碗)中，鋼爪和碳碗間澆注磷生鐵。陽極碳?jí)K組由陽極碳?jí)K、鋼爪和鋁導(dǎo)桿三部分組成。由陽極碳?jí)K組和陽極升降機(jī)構(gòu)組成。與此同時(shí)靠輔助升降機(jī)構(gòu)以精確的相等速度提升陽極框套的位置，其結(jié)果是陽極框套的位置移動(dòng)等于零，它相對(duì)于槽殼并未作任何移動(dòng)，但陽極可以下降，補(bǔ)償其消耗。陽極有兩套提升機(jī)構(gòu)。鋼質(zhì)導(dǎo)電棒由上部垂直插入陽極糊內(nèi)，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(nèi)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(zhì)導(dǎo)電片來與陽極大母線聯(lián)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(nèi)。陽極框架由鋼板和型鋼焊接而成。(1)側(cè)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(yù)焙陽極鋁電解槽的側(cè)部保溫層有所減薄，以利于凝結(jié)固體電解質(zhì)作為保護(hù)層。槽膛側(cè)壁有一層或兩層陰極碳?jí)K。有些電解槽為提高爐底導(dǎo)電性和減去縱向中縫，特意采用通長陰極碳?jí)K，其中放置一根通長陰極棒。陰極碳?jí)K組在槽殼內(nèi)排成兩行，碳?jí)K組與碳?jí)K組間用碳糊搗固或用碳糊漿液灌注。陰極碳?jí)K組由陰極碳?jí)K同埋設(shè)其中的導(dǎo)電鋼棒(陰極棒)組成。槽膛底部是一層陰極碳?jí)K，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?jí)K、側(cè)部碳?jí)K、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(jié)構(gòu)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(jìn)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(jīng)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(chǎn)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(xiàn)代鋁電解生產(chǎn)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(yù)焙陽極的消耗使得其中的雜質(zhì)被還原后以硅、鐵、鈦、釩等元素雜質(zhì)進(jìn)入到鋁液中，故對(duì)預(yù)焙陽極的理化指標(biāo)要求嚴(yán)格，在化學(xué)成分上要求灰分越低越好，尤其是對(duì)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(yù)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(shí)使用預(yù)焙陽極后槽電壓降低，更有利于電解槽大型化和自動(dòng)化控制。預(yù)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(jié)劑)，經(jīng)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(duì)爐幫形成起礦化劑作用，但在降低電解質(zhì)溫度，改善電解質(zhì)性質(zhì)，分離炭渣，提高電流效率和電解質(zhì)導(dǎo)電率方面比氟化鈣的作用更為明顯，實(shí)踐證明這是一種較好的添加劑。新槽啟動(dòng)時(shí)多添加氟化鈣，它的作用主要是對(duì)爐幫的形成有好處，可使?fàn)t幫比較堅(jiān)固，同時(shí)也可降低電解質(zhì)的初晶溫度，從而降低電解溫度。但在多數(shù)工廠用碳酸鈉代替氟化鈉，這樣更加經(jīng)濟(jì)。因氟化鋁用量也較大，它沒有熔化溫度，只有升華溫度，沸點(diǎn)為183℃，易揮發(fā)和飛揚(yáng)，故在向槽內(nèi)添加時(shí)應(yīng)注意操作方法。(2)氟化鋁氟化鋁(AlF3)是一種白色的細(xì)微粉末，屬菱形六面體結(jié)構(gòu)，其顆粒比氧化鋁稍大, 流動(dòng)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(chǎn)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(shí)稱為中性，分子比大于3時(shí)稱為堿性，小于3時(shí)稱為酸性，~。冰晶石的分子式為Na3AlF6，或?qū)懗?NaF因此現(xiàn)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(diǎn)為1012177。(1)冰晶石冰晶石分天然和人造兩種。167。生產(chǎn)每噸鋁所需的Al2O3量，從理論上計(jì)算等于1889 kg。其中αAl2O3含量達(dá)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(yīng)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(duì)于保證電解過程正常進(jìn)行和提高氣體凈化效率，關(guān)系很大。P2O5等高價(jià)氧化物雜質(zhì)則會(huì)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(zhì)，如二氧化硅、三氧化二鐵都會(huì)優(yōu)先還原，還原出來的 Si 和 Fe等雜質(zhì)進(jìn)入鋁內(nèi)，從而使鋁的品位降低，且降低電流效率；而那些電位比鋁負(fù)的元素的氧化物雜質(zhì)，如氧化鈉、氧化鈣會(huì)分解冰晶石，使電解質(zhì)組成發(fā)生改變并增加氟鹽消耗量。為了取得良好的生產(chǎn)指標(biāo)，對(duì)氧化鋁的要求是非常嚴(yán)格的，主要體現(xiàn)在化學(xué)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(yàn)，采用炭陽極開溝槽、TiB2可濕潤陰極、惰性陽極、導(dǎo)流式或雙極多室式新型結(jié)構(gòu)電解槽[7]等新工藝新技術(shù)新材料新設(shè)備。對(duì)鋁電解產(chǎn)生的廢渣、廢槽襯等廢物料實(shí)行有價(jià)成分再生回收并循環(huán)利用，或?qū)ζ渥鰺o害化處理，減輕鋁電解工業(yè)廢物對(duì)環(huán)境污染。開發(fā)應(yīng)用抗熔體滲透的槽襯耐火材料、熱電偶套管、優(yōu)質(zhì)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(shù)，實(shí)現(xiàn)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(gòu)成的固相電解質(zhì)槽膛內(nèi)型穩(wěn)定合理。應(yīng)用了半連續(xù)傳感器實(shí)時(shí)在線檢測(cè)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(shù)學(xué)模型、傳感器、控制和新材料等功能化技術(shù)水平較高。h/t(Al)，槽壽命達(dá)2000天。其具有如下幾個(gè)特點(diǎn)[6]：(1)陽極電流密度較高，單位陰極面積產(chǎn)能大。h/t(Al)。國外大容量(300 kA以上)，主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)：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(yù)計(jì)將開展RA500電解槽試驗(yàn)。該系列是在原300 kA電解槽技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)的第二代超大型電解槽，該槽日產(chǎn)量3t，電流效率94%，電耗13800 kW繼法國AP18和AP30型電解槽技術(shù)后，AP50技術(shù)[6]已問世。 世界鋁電解工業(yè)技術(shù)現(xiàn)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(shù)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(shí)，加強(qiáng)廢物料廢鋁的無害化和資源化處理，實(shí)現(xiàn)資源再生和循環(huán)利用，進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和擴(kuò)大產(chǎn)品種類。槽左右?？偟膩碚f，目前就我國電解鋁整體生產(chǎn)狀態(tài)而言，能源綜合利用效率要比國際先進(jìn)水平低15%左右，主要表現(xiàn)在：電流效率相差23個(gè)百分點(diǎn)；噸鋁電耗相差300~800kwh；電解鋁用陽極生產(chǎn)過程能耗相差30kg/t左右；噸電解鋁陽極消耗相差3060kg(折合標(biāo)準(zhǔn)煤約75~150kg)；電槽槽壽命相差1000天左右；我國300kA級(jí)的特大型預(yù)焙鋁電解槽投入工業(yè)應(yīng)用的時(shí)間短，又不能完全照搬以前在大型預(yù)焙槽上的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)(這些經(jīng)驗(yàn)也有很大局限性)。隨著電解槽容量的不斷擴(kuò)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(rèn)為的陰極炭素材料質(zhì)量方面的原因外，電解槽的設(shè)計(jì)、筑爐材料、筑爐質(zhì)量、焙燒啟動(dòng)、正常生產(chǎn)操作及生產(chǎn)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(gè)系列產(chǎn)能可達(dá)20萬噸以上)，巨大的用電負(fù)荷集中在一個(gè)生產(chǎn)系列上(一般達(dá)40萬kW以上)，電解系列生產(chǎn)的任何波動(dòng)都會(huì)造成電網(wǎng)或自備電廠較大的影響，甚至威脅供電安全?！鄶?shù)在大負(fù)荷、小電網(wǎng)環(huán)境下運(yùn)行，安全隱患多。 ——實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)差。大容量電解槽的開發(fā)，使我國鋁電解技術(shù)總體上達(dá)到了國際先進(jìn)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(shù)問題，與我國鋁電解技術(shù)自70年代末引進(jìn)160kA中間下料預(yù)焙槽技術(shù)之后，從消化國外技術(shù)開始，揭開了我國現(xiàn)代鋁電解技術(shù)發(fā)展的序幕，以鋁電解槽熱電磁力特性及磁流體數(shù)學(xué)模型研究為核心，在工藝、材料、過程控制及配套技術(shù)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(jìn)一步的研究完善和工業(yè)性的試驗(yàn)。我國第一個(gè)500kA系列的288臺(tái)電解槽于2011年在甘肅連城建成、投產(chǎn)?，F(xiàn)代鋁電解槽正向大型化發(fā)展，電解槽由20世紀(jì)70年代的10萬A發(fā)展到現(xiàn)在的35萬~50萬A，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在電解槽上的應(yīng)用，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)大大提高。電解法早期采用小型預(yù)焙電解槽，1923年側(cè)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(chǎn)指標(biāo)隨之好轉(zhuǎn)，促進(jìn)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(chǎn)并取得良好的生產(chǎn)指標(biāo)。瑞士冶煉公司也在同時(shí)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(zhì)中，通入直流電，進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)得到金屬鋁。1886年美國霍爾(Hall)和法國埃魯(Heroult)通過實(shí)驗(yàn)不約而同地申請(qǐng)了冰晶石氧化鋁熔鹽電解法煉鋁的專利，獲得批準(zhǔn)。直到1867年發(fā)明了發(fā)電機(jī)，并在1880年加以改進(jìn)之后，實(shí)現(xiàn)了三相交流輸電，這才給實(shí)現(xiàn)工業(yè)性的電解法煉鋁提供了前提條件。在采用化學(xué)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(yàn)了各種以冰晶石為基礎(chǔ)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(chǎn)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(xué)法制取。 167。同時(shí)，它還是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ么毒吆鸵恍┭b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(yīng)用。(4)耐腐蝕材料由于鋁表面有一層很堅(jiān)硬、致密的氧化鋁薄膜，所以它有很好的耐腐蝕性。它的應(yīng)用主要是用鋁合金型材制作房屋的結(jié)構(gòu)架和門窗柜櫥一類的設(shè)施，以此代木，經(jīng)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(zhì)量，這對(duì)節(jié)約燃料是非常有利的。(1)輕型結(jié)構(gòu)材料因鋁及其合金質(zhì)輕，機(jī)械性能好，易加工，所以已成為當(dāng)今制造各種交通運(yùn)輸工具的不可缺少的結(jié)構(gòu)材料。鋁工業(yè)現(xiàn)在是世界上最大的電化學(xué)冶金工業(yè)，鋁的產(chǎn)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(gòu)成合金。(7)鋁沒有磁性，不產(chǎn)生附加的磁場(chǎng)，所以在精密儀器中不會(huì)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(shí)，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(dǎo)電性僅次于銀和銅居第三位。(2)沸點(diǎn)高，液態(tài)鋁的蒸氣壓不高，沸點(diǎn)為2467℃。 鋁的性質(zhì)及用途167。當(dāng)前國內(nèi)外大部分鋁電解廠采用300kA級(jí)電解槽，本設(shè)計(jì)采用400kA大型鋁電解槽，不僅適應(yīng)了電解槽發(fā)展的大型化，而且引領(lǐng)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(chǔ)。本設(shè)計(jì)具有投資省、容量大、經(jīng)濟(jì)效益高的特點(diǎn)，單槽年產(chǎn)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(yù)焙陽極電解槽技術(shù)的研制開發(fā)成功，為我國參與國際競(jìng)爭(zhēng)，提供容量更大、技術(shù)更先進(jìn)的電解槽技術(shù)打下了良好的基礎(chǔ)[3]。與之前的300kA和350kA級(jí)的電解槽相比，400kA級(jí)大型預(yù)焙陽極鋁電解槽技術(shù)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于提高集氣效率和改善環(huán)境；采用電解廠房通風(fēng)和電解槽整體熱平衡相結(jié)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