【正文】 —氧化鋁氧化鋁是當前冰晶石氧化鋁熔鹽電解法的唯一原料，是由礦石中提煉出來的有一定粒度要求的白色粉料，流動性很好，不溶于水，能溶解在熔融的冰晶石中，熔點2050℃，~ g/cm3， g/cm3。它主要是不斷的補充電解質(zhì)中的鋁氧氟配合離子，使其保持一定范圍的濃度，以保證電解的持續(xù)進行。(1)化學純度%的氧化鋁以及二氧化硅、三氧化二鐵、二氧化鈦、氧化鈉、氧化鈣和水等少量雜質(zhì)。水分會分解冰晶石，不僅產(chǎn)生氟化氫氣體，還會增加鋁液中的氫含量。所以鋁工業(yè)對于氧化鋁的純度提出了嚴格的要求。一般要求它具有較小的吸水性，能夠較多較快地溶解在熔融冰晶石里，粒度適宜、飛揚損失少，并且能夠嚴密地覆蓋在陽極炭塊上，當氧化鋁覆蓋在電解質(zhì)結(jié)殼上時，可起良好的保溫作用。另外，氧化鋁要有良好的流動性。按照氧化鋁的物理特性，可將其分成砂型、中間型和粉型三種。~35176。粉型氧化鋁呈片狀和羽毛狀，顆粒較細，安息角大，為45176。中間型氧化鋁介乎兩者之間。實際上由于工業(yè)氧化鋁中大約含有Al2O3 %，以及在運輸和加料過程中有飛揚和機械損失，所以生產(chǎn)每噸鋁所需的工業(yè)氧化鋁量是1920~1940 kg。 鋁電解熔劑——氟化鹽鋁電解熔劑包括冰晶石、氟化鋁、氟化鈉、氟化鎂、氟化鈣、氟化鋰等，氧化鋁可溶于由冰晶石和其他幾種氟化物組成的熔劑中，構(gòu)成氟鹽氧化鋁熔液。天然冰晶石產(chǎn)于格陵蘭島，無色或雪白色， g/cm3，℃，在自然界中貯量有限。2℃。AlF3。冰晶石是熔劑的主要成分，它的作用第一是能較好的溶解氧化鋁，并且所構(gòu)成的熔體可在純冰晶石熔點以下進行電解；第二在電解溫度下，冰晶石熔液的密度比鋁液密度要小10%，故電解出來的鋁液能沉積在槽底上面；第三冰晶石具有良好的導電性。從理論上講冰晶石在電解過程中是不消耗的，但實際上由于冰晶石中的氟化鋁被帶進電解液中的水分分解，或自身揮發(fā)，氟化鈉被電解槽內(nèi)襯吸收以及操作時的機械損失等原因，故冰晶石在生產(chǎn)過程中是有一定損耗的，在正常情況下大約每生產(chǎn)1 t鋁需耗冰晶石5~10 kg。它既可以彌補電解質(zhì)中氟化鋁的損失，又可以調(diào)整電解質(zhì)的分子比，以保證生產(chǎn)技術(shù)條件的穩(wěn)定，其單耗為20~30 kg/t(Al)。(3)氟化鈉氟化鈉(NaF)是一種白色粉末，易溶于水，同樣是電解質(zhì)的一種添加劑，但它多用于電解槽的預熱或開動初期，因為在這個時期，新槽的炭素內(nèi)襯對氟化鈉有選擇性的吸收，使電解質(zhì)的分子比急劇下降，同時裝新槽所用冰晶石的分子比又較低，而生產(chǎn)條件又要求分子比要高，以便提高爐溫，所以裝爐和開動初期，要加一定量的氟化鈉。(4)氟化鈣氟化鈣(CaF2)也是電解質(zhì)的一種添加劑，屬于面心立方結(jié)構(gòu)，熔點1423℃。氟化鈣的含量在生產(chǎn)過程中隨電解質(zhì)的損失而減少，但在生產(chǎn)中并不添加氟化鈣，這是因為原料氧化鋁中含有少量的氧化鈣，氧化鈣與電解質(zhì)中的氟化鋁反應可生成氟化鈣，所以它可自行補充累積。(6)氟化鋰氟化鋰或者碳酸鋰，對降低電解溫度和提高電解質(zhì)導電率有顯著效果，是提高電流效率和降低電耗的一種良好的添加劑，應當推廣應用。 鋁電解預焙陽極炭塊在冰晶石氧化鋁熔鹽電解生產(chǎn)中，作為導電的陰陽極的各種材料，既能良好導電，又能耐高溫、抗腐蝕，同時價格低廉的目前只有炭素材料，因此鋁工業(yè)生產(chǎn)都采用炭素材料作陰陽極和各種炭糊。其用途是做預焙電解槽的陽極。預焙陽極凈耗大約每噸鋁400~450 kg，毛耗(包括殘極)為500~550 kg。167。直流電流通入電解槽，在陰極和陽極上起電化學反應。鋁液用真空抬包抽出，經(jīng)過凈化和澄清之后，澆鑄成商品鋁錠，%~%Al?，F(xiàn)代鋁電解槽系列配置如圖11所示。167。167。通常采用長方形槽殼，槽殼型式有框架式、臂撐式和搖籃式三種。鋁電解槽的槽膛深度一般為450～600mm。陰極碳塊以碳塊組型式砌筑于電解槽內(nèi)。陰極棒與碳塊之間澆鑄磷生鐵或用碳糊搗固。但縱向中縫一般要用碳糊搗固。陰極棒通過槽殼側(cè)壁上的洞口(窗口)伸出槽殼，其末端與陰極母線連接。側(cè)部碳塊與槽殼之間用一層耐火磚或顆粒狀耐火材料填充。有的電解槽還在側(cè)部碳塊下部用碳糊搗固成斜坡狀，構(gòu)成人造伸腿，用來保護側(cè)部碳塊并收縮鋁液鏡面。 陽極裝置視槽型而異，有三種形式。由陽極框架、碳陽極糊、陽極導電棒、氧化鋁料倉及陽極升降機構(gòu)組成?？蚣軆?nèi)周為厚1mm左右的鋁板(鋁殼)，中間填充陽極糊，陽極棒從陽極框架外部與水平方向成15176。陽極棒作為導電體及懸掛陽極用。隨著陽極消耗，取出最下面的一排陽極棒，在上方插入一排新的陽極棒。陽極框架借助滑輪組或螺旋機構(gòu)懸吊在電解槽的上部金屬結(jié)構(gòu)上，因此陽極可以上下升降。由陽極框套、陽極糊和組合陽極棒及陽極升降機構(gòu)組成。陽極鋼棒為組合式，它由鋼質(zhì)導電棒與上端的鋁導桿聯(lián)接而成，一般采用爆炸焊接。組合陽極棒用夾具直接連接到陽極母線上。隨著陽極的消耗，用主升降機構(gòu)降低陽極母線大梁，亦即陽極本身的高度。(3)預焙陽極鋁電解槽的陽極裝置?，F(xiàn)代大容量中部下料鋁電解槽還配備定時打殼下料裝置和氧化鋁、氟化鋁料倉。依據(jù)槽容量大小及碳塊規(guī)格不同可有單塊組、雙塊組和三塊組。也有用碳糊搗固的。鋁導桿用夾具緊固于陽極母線梁上。加料點位于鋁電解槽的中心部位自成一列?，F(xiàn)代化鋁電解槽的下料已采用自動控制方式，保持電解質(zhì)中氧化鋁濃度波動在一個很小的范圍(2％～3％)內(nèi)。167。母線為鋁質(zhì)壓延母線或鋁質(zhì)鑄造母線。配置母線需經(jīng)過精心設計，以求減弱磁場對電解運行的有害影響并節(jié)省母線用量。中小型鋁電解槽一般采取縱向排列，母線配置采取雙端或單端進電方式。上插棒自焙陽極鋁電解槽由安裝在陽極框套下部的集氣罩將煙氣收集于燃燒氣中，經(jīng)燃燒后的煙氣排入煙道。167?，F(xiàn)代鋁電解槽的平均使用壽命可達4～5a，長者可達7～8a。鋁電解槽破損主要發(fā)生在碳陰極本體中。根據(jù)現(xiàn)場觀察，破損現(xiàn)象[9]有：(1)碳陰極中出現(xiàn)大而深的裂紋；(2)碳陰極出現(xiàn)沖蝕深坑；(3)碳陰極呈層狀剝落；(4)碳陰極向上隆起并開裂；(5)陰極棒受鋁液侵蝕并熔化，陰極棒發(fā)生變形，向上隆起；(6)槽底耐火磚和保溫材料受電解質(zhì)侵蝕，其中間部位存在棱鏡狀灰白層；(7)側(cè)部碳塊受電解質(zhì)和鋁液沖刷磨蝕產(chǎn)生孔洞；(8)鋼質(zhì)槽殼向外膨脹呈橢圓形，底部鋼板向下鼓出甚至開裂。在鋁電解過程中，鈉始終向碳陰極滲透。鈉滲透到炭素材料中導致炭素材料體積膨脹并產(chǎn)生裂紋，鋁和電解質(zhì)沿裂縫侵入陰極，最終導致停槽大修。在設計時通過精確計算，設計出強度高的槽殼，并使槽內(nèi)的熱場和磁場分布合理。操作上要采用合適的焙燒和啟動方式，并建立平穩(wěn)的正常運行制度等。所以選擇必須詳細勘察、調(diào)查研究、綜合分析、多方案比較論證。167。洛陽伊川工業(yè)園區(qū)是以伊川電力為依托，集煤—電—鋁—鋁深加工一體化的大型工業(yè)園區(qū)，廠址選于此處，將會有伊川電力為其提供充足的電能，保證電解鋁正常的生產(chǎn)。167。而且，由于工廠的人員流動、零星貨物運輸、消防保安等需要，方便的道路系統(tǒng)也是必不可少的。東園以原鋁電工業(yè)園為依托，最西接近焦柳鐵路伊川站，與伊川縣規(guī)劃伊河東縣城新區(qū)接壤，西園北至西南環(huán)高速公路，西至老洛欒路，東到洛欒快速通道。該工業(yè)園區(qū)交通便利，保障了原材料和產(chǎn)品的運輸。這里所說的外圍服務，是指地方提供的價格合理的人力資源、維修服務和其它生活保障體系。伊川縣緊鄰洛陽市，有河南科技大學、中國人民解放軍外國語學院、中國民航飛行學院洛陽分院、洛陽師范學院、洛陽理工學院等多所高校為其提供人才保障。167。因為電解鋁生產(chǎn)工藝的特殊性，生產(chǎn)過程中將排放少量HF煙氣這是電解鋁廠最主要的污染源。同時，土地是電解鋁廠建設的必要條件?？傊?，影響電解鋁廠址選擇的因素很多，綜合考慮其經(jīng)濟因素和環(huán)境因素，伊川工業(yè)園區(qū)最為適合鋁電解的生產(chǎn)，故將廠址選于此處。正常生產(chǎn)的主要技術(shù)經(jīng)濟指標包括：電流效率、電解溫度、極距、電解只成分、陽極電流密度、鋁液水平、電解質(zhì)水平、陽極效應系數(shù)等。(1) 電流效率電流效率是鋁電解生產(chǎn)過程中的一項非常重要的技術(shù)經(jīng)濟指標。本設計選取的電流效率為94%。(3) 電解溫度~，電解溫度940℃~950℃(4) 極距所謂極距，是指陰、陽兩極之間的距離。(5) 陽極電流密度。本設計的電解質(zhì)水平選為22cm~24cm，鋁業(yè)水平為20cm~22cm。?日即可。167?，F(xiàn)在國內(nèi)的較大型的電解槽壽命普遍達到1800天以上，預計可達2500天。2. 單槽日產(chǎn)量設計電流強度為400kA，電流效率為94%，則Q=103 (31) =40000010324 =（kg/槽?d）3. 電解槽數(shù)量 生產(chǎn)槽數(shù)Np=年產(chǎn)量/（Q365） (32) =220000103/（3028045365）=≈199臺 大修槽數(shù)Nr=生產(chǎn)槽數(shù)/槽壽命=199/=≈36臺 備用槽數(shù)=K大修槽數(shù)大修時間=3660/365=≈9臺（K一般取12，大修時間tr=60天） 總槽數(shù)=生產(chǎn)槽數(shù)+備用槽數(shù)=199+9=208臺4. 槽結(jié)構(gòu)計算(1) 陽極尺寸一般來說，電解槽容量越大，則陽極尺寸也要大一些。(2) 槽膛深度槽膛深度主要取決于槽中電解質(zhì)鋁液水平及操作工藝制度。(3) 陽極到槽幫的距離陽極到槽幫襯的距離對槽子影響很大。過小則不利于操作。(4) 槽結(jié)構(gòu)計算電流強度I=400kA ，陽極炭塊尺寸設計為1550mm660mm540mm。陽極實際面積與陽極電流密度校核值為： S陽 =4815566=491040cm2 D陽=400000/491040=b. 槽膛尺寸取陽極到槽幫的距離為大面300mm，小面420mm。由此可計算： 槽膛長度=2420+24660+2340=17600mm 槽膛寬帶=2300+21550+200=3900mm 槽膛深度=550mm5. 原材料消耗（按每噸鋁計）(1) 氧化鋁消耗 a. 根據(jù)化學反應式Al2O3→2Al+3/2 O2 計算理論消耗量 b. 實際消耗量 實際生產(chǎn)中由于運輸、機械、飛揚等損失，%~%。 (2) 氟化鹽的消耗根據(jù)國內(nèi)外的生產(chǎn)實踐可知冰晶石單耗為：5kg/t；氟化鋁單耗為25kg/t；氟化鎂單耗為：5kg/t；氟化鈣單耗為：4kg/t。Al2O3+12/7→2Al+9/7CO2+3/7CO實際碳消耗量為： (34)由于機械、殘極剩余等原因，陽極炭塊的實際消耗量比理論值多18%~20%，根據(jù)國內(nèi)外生產(chǎn)實踐，取實際消耗為：450kg/t。本設計采用國際上近幾年來所采用的化學防滲技術(shù)術(shù)，即采用干式防滲料作為防滲層，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氧化鋁層。鋁電解的主要能源為電源，國內(nèi)先進預焙槽的噸鋁直流電耗達13200kWh。167。 物料平衡的計算1. 鋁產(chǎn)量以一小時為計算基礎(chǔ)，平均電流強度為400kA，取平均電流密度為94%，計算單槽日產(chǎn)量： P== (41) =（槽 Al2O3理論單耗為：103=（槽h） (44) Al2O3損失量為： －=（槽則： 冰晶石消耗量為：5103=（槽h） (47) 氟化鎂消耗量為：5103=（槽h） (49)（4）陽極炭塊的消耗量根據(jù)反應方程式：Al2O3+3/2C→2Al+3/2CO2 計算理論碳耗量： (410)由于陽極副反應，實際產(chǎn)生的氣體為一氧化碳和二氧化碳的混合物，各占約25%和75%，由此計算理論實際碳耗量為： (411)生產(chǎn)CO2為： (412)CO為： 3/728?h (413)由于機械等原因，陽極炭塊的實際消耗量比理論值多18%20%，根據(jù)國內(nèi)外生產(chǎn)實踐，從優(yōu)化設計的角度考慮，取噸鋁實際碳耗為450kg/t。h) (414)單槽每小時耗碳量為：(槽h) (415)產(chǎn)出： 出鋁： (槽h) CO： (槽如表41所示為物料平衡表： 表41物料平衡表收入支出項目/（kgh1）/%氧化鋁原鋁冰晶石冰晶石氟化鋁氟化鋁氟化鎂氟化鎂氟化鈣氟化鈣陽極炭塊碳損失量CO2生成量CO生成量氧化鋁損失合計100合計100第五章 電解槽結(jié)構(gòu)的設計167。預焙槽根據(jù)下料方式可分為邊部打殼下料電解槽和中心打殼下料電解槽兩種。陰極結(jié)構(gòu)指電解槽槽體部分，由槽殼和內(nèi)襯砌體構(gòu)成。母線結(jié)構(gòu)：鋁電解槽有陽極母線、立柱母線和軟帶母線，槽之間、廠房之間還有聯(lián)絡母線。盡管人們把零電壓設在系列中點，但系列兩邊對地電壓仍高達500V左右，一旦短路，易出現(xiàn)人身和設備事故，而且，電解用直流電，槽上電氣設備用交流電，若直流竄入交流系