170-KA的铝电解槽的设计

目录一．铝工业的介绍1.铝电解工业现状……………………………………………………….12.电解铝工业的发展趋势…………………………………………………23.全球电解铝市场供求状况………………………………………………3二．熔盐电解1.熔盐电解质…………………………………………………………42.影响熔盐电解质的因素……………………………………………5三．电解生产工艺流程…………………………………………………6四．铝电解槽的设计计算1.阳极结构参数的选择与计算………………………………………….…72.电解槽槽体结构选择计算………………….…………….….……….…83.阴极结构参数的选择及计算……………………………….………….…9五.铝电解槽导电部件的选择计算1.阳极部分导电部件的选择与计算…………………………….….………102.阴极部分导电部件的选择与计算…………………………………….…11六.铝电解槽电压平衡计算1.阳极部分…………………………………………………………..…122.电解质电压降…………………………………………………………133.阴极部分电压降………………………………………………………144.阳极效应分摊电压……………………………………………………155.连接母线压降…………………………………………………………16七.电解槽电压平衡表………………………………………………17八.铝电解槽工作制度………………………………………………18九.设计心得…………………………………………………………19十．附图………………………………………………………………20170KA的铝电解槽的设计一．铝工业的介绍由于铝电解生产需要大量的电能，故降低单位铝产量的电能消耗量是历来追求的目标。在铝工业生产初期，每千克铝电耗量高达30～40kwh-1。以后，随着供电设备的更新，电解槽生产能力的增大，阳极和导电母线电流密度的减小，电解槽结构的改进和生产操作的改善，电耗率亦相应地有所降低，现在一般电耗率为13～15kwh-1/kg，有的甚至降低到12.5kwh-1/kg。1.铝电解工业现状本世纪八十年代以来，国外新增电解系列已普遍采用大型预焙阳极电解槽，系列电流强度普遍达到180～350kA，吨铝直流电耗降至12900～14000kw.h.t-1。目前，西方国家用于生产的电解槽最大电流强度为350kA，且绝大多数企业为280～320kA的超大型预焙槽，电流效率平均达到了94％～96％。近年来，我国新建槽多采用180～300kA的大型槽，改造旧槽因投资等方面的原因，多采用75kA或160～240kA之间的槽型，其技术与世界先进水平比仍有一定的差距，到目前为止，国内仅有少数企业采用技术上与世界一流企业基本同步的280～320kA之间的槽型。目前，我国生产使用的铝电解槽，最大的槽型是电流强度为350kA的槽型(应用于平果铝业公司)，还有电流强度仅24kA的槽型，我国电解槽电流效率平均仅为86％～90％。2003年底全国833.82万t产能中，280kA以上特大型预焙槽产能为152.6万t，占总产能的18.3％；160～240kA大型预焙槽产能为387.1万t，占总产能的46．5％；小型预焙槽产能为190.24万t，占总产能的22.8％；还有103.88万t产能仍然是使用落后的自焙槽，占总产能的12.5％。可见，虽然通过引进、消化、吸收国外先进技术和装备，我国电解铝行业整体装备水平有显著提高，但是，我国还有约100万t的自焙槽和约200万t的小型预焙槽，约占全国总产能的35％，这些低档次的生产技术设备，虽然具有生产工艺简单、投资省、见效快等优点，但技术装备水平较低，能耗、原材料消耗高，环境污染严重，技术经济指标较差。表1—32000—2006全球电解铝市场供求状况项目2000200120022003200420052006产量（万吨）2442244526092801292530813280消费量（万吨）2484240825502748291530503300供求（“-”号表示消费缺口）-4213675875369131-12表1—42005年底我国按电流强度区分的电解槽数量、产量和能力电流强度实有槽数2005年底开工数生产能力产量个个万t万t合计21740178161020777.8其中320—350kA59655653.547.9280—300kA35542774265.7159.0115—240kA102208976526.4460.510—90kA71005512174.4110.4电解铝工业的发展趋势（1）世界铝工业的组织结构日趋规模化、集团化、国际化此外，目前世界上新建铝企业的规模都比较大。西方新建或改造电解铝的起步规模平均在25-50万吨之间。如加拿大铝业公司投资19亿美元正在建设的阿尔玛（Alma）铝厂，年产能40万吨；2001年6月，由比利顿（Billiton）矿业公司控股的莫桑比克铝冶炼公司，投资10亿美元建设与一期相同的原铝能力25.3万吨；法国普基铝业公司计划在委内瑞拉建设一个年产能达46万吨的电解铝厂；几内亚拟在未来4-5年内投资25亿美元新建一个年产能达30万吨的电解铝厂及相关项目。年产50万吨电解铝的海湾巴林铝厂拟扩产到70万吨规模。扩大产能的目的是节约成本，提高劳动生产率，加强竞争力。（2）铝电解槽日趋大型化或超大型化，其科技含量、智能化程度越来越高冰晶石-氧化铝电解法发明110多年来，电解槽设计逐渐合理，容量大幅度增加，其科技含量、智能化程度越来越高，发展大型或超大型高效率、智能化的铝电解槽已经成为当今电解铝企业技术进步的标志和趋势，世界铝电解工业的技术及装备水平已经有了很大提高，在生产规模、电解槽容量、计算机应用、机械化和自动化程度以及烟气治理等方面都有了较大的进步变化。（3）电解铝生产的技术经济指标向着高产、优质、低耗、长寿和低污染的方向加快进步西方国家先进电解铝技术的发展，体现在技术经济指标的先进性上：1）槽型大，电流强度达到300kA以上；2）电流效率高，一般达到94%-95%，个别企业已经提高到96%；3）吨铝直流电耗低，一般为13200-13400kWh，个别企业已经降低到13000kWh。（4）世界铝工业向电力充裕廉价、铝土矿资源丰富的地区转移目前，世界原铝生产成本中电费占据相当大的比重，因此，如何降低发电成本和电价，降低原铝生产电耗，是绿工业生存和发展的重要研究课题。虽然日本是铝的消费大国，但铝产量却一直下降。日本现在主要靠在海外投资来获取金属铝，仍保持人均年耗铝28kg的高水平。日本铝工业的衰落，除资源贫乏之外，最主要的是能源短缺，铝用石油电价高达7.5美分/kWh，超过国际铝业平均用电价格2.0-2.1美分/kWh数倍。日本铝工业的兴衰发人深思，电价渐渐变成左右铝工业发展的制约因素。当今世界铝工业被迫向电力充裕廉价的地区转移，向铝土矿资源丰富区域和发展中国家转移。二．熔盐电解在电化顺序中，极为活泼的金属不能从盐类的水溶液中获得。因为在水溶液中，该金属将与水作用而析出氢，并生成该金属的氢氧化物。抽取此类金属，当以热还原法有困难时，经常采用电解该金属的熔融盐或溶于熔盐的氧化物。有时熔盐电解是某些金属惟一的制备方法。如铝钙铍锂钠等均以熔盐电解法制备。许多稀有金属也可用熔盐电解法制得，如钍铌锆钽等利用电能加热并转换为化学能，将某些金属的盐类熔融并作为电解质进行电解，以提取和提纯金属的过程。熔盐电解在19世纪初已开始应用，随着熔盐电化学的迅速发展，至19世纪末期就以工业规模生产铝、镁等轻金属。以后，又用于稀有金属的生产。酸只有在水溶液中才可以电解1.熔盐电解质熔盐是熔融状态的盐类，其中主要是卤化物。熔盐是离子熔体，有较高的电导率；在比熔点稍高的温度时，晶体结构虽然由于热运动而松散、溃乱，但在一定的距离内仍保持一定的有序性，称为近程序结构。在电解中使用的熔盐电解质应该具有较低的熔点，适当的粘度、密度、表面张力，足够高的电导率，以及相当低的挥发性和不溶解被电解出来的金属熔体等性质。为了达到这些要求，常常使用由几种盐类组成的混合物。它们常具有比纯组分更低的熔点,但也有不少例外。所以，必须通过实验来选择适当的混合盐组成。通常，电解镁用NaCl-KCl-MgCl2混合熔盐；电解铝用Na3AlF6-Al2O3混合熔盐。电解钽则用K2TaF7-Ta2O5混合熔盐；电解铍用BeF2·NaF-BaF2或NaCl-BeCl2混合熔盐。2.影响熔盐电解的因素和水溶液电解质一样，当熔融电解质与金属接触时，两者之间将产生一定的电势差，即电极电势。在同一熔盐中插入两个电极，并利用外加电压通过直流电，当电压达到一定的数值时，熔盐中的某些组分将分解，平衡状态下化合物开始分解的电压称为分解电压（表1）。常见金属的电化当量见表2。熔盐的性质和它的组成、金属离子和阴离子的性质都会影响电化顺序中各金属的相对位置。在大多数情况下，熔盐电解的电流效率低于水溶液电解。影响电流效率的因素有：温度、电流密度、极间距离和电解质的性质。其中电解质对金属的溶解是降低电流效率的主要因素之一。某些金属可与其高价化合物作用，生成低价化合物，例如：CaCl2+Ca─→2CaClAlCl3+2Al─→3AlCl低价化合物重溶于熔盐中，并易被空气或阳极析出的气体氧化而成为高价化合物，因而引起更多的金属被溶解，降低电流效率。此外，析出的金属也可从熔盐中置换出其他金属，而溶解于熔盐中。阴极反应熔盐电解时阴极上进行的反应为：Men+＋ne─→Me式中Me为金属,n为得失电子数。当熔盐温度高于金属的熔点时，所得金属为液态。在工业生产中，有时液态金属即成为阴极表面，如电解铝；由于工艺要求及电解槽构造的不同，有时生成的液态金属迅速自金属阴极离开，如电解镁、锂、钠等。若熔盐温度低于金属熔点时，所得金属为固态。随着条件的不同，可以得到金属粉末、片状晶体或薄层覆盖物。由于高熔点金属的广泛应用，熔盐电解法在这些金属的制备中也获得更大的进展。如铍、锆、钽、铌、钍等都可用此法制备。阳极反应在电沉积时常使用碳电极作为阳极,而在电解精炼时则使用粗金属电极。使用碳电极时,如MgCl2的电解，阳极反应可以使氯离子放电而析出氯气：2Cl-─→Cl2↑＋2e也可以是碳与氧的化合,如Al2O3在冰晶石熔体中的电解，生成CO或CO2：2O2-＋C─→CO2↑＋4e在电解精炼中，粗金属作为阳极，其反应为：Me─→Men+＋ne电极电势较被提取金属为正的杂质将不溶解，而电极电势较被提取金属为负的杂质，虽溶解于熔盐内，但不能在阴极析出，从而起到提纯的作用。三．电解生产工艺流程1.电解原理工业生产铝，主要采用冰晶石—氧化铝熔盐电解发。主要设备是电解槽，电解法原理为：直流电流通入电解槽，在阳极和阴极上起电化学反应，电解产物在阴极上析出率，阳极上是co2（约75%~80%）和co（约20%~25%）.电解槽内，电解质通常有冰晶石。氧化铝和添加剂组成，电解温度为940~950，密度为2.1g|cm3，铝液密度为2.3g、cm3，二者因密度差而分我上下层，铅液用真空抬包抽出，经过净化。澄清和配料之后，浇铸成商品铝锭。其纯度课达含铝量99.5%~99.8%.阳极气体中含有少量有害的氟化物和沥青烟气，经净化后，废气排入大气，收回的载氟氧化氯返回电解槽。铝电解工艺流程如图所示工业铝电解槽槽型有侧插棒自焙阳极铝电解槽(见电解槽)、上插棒自焙铝电解槽(图1)和预焙阳极铝电解槽(图2)，三者各有特点。自焙阳极铝电解槽按其阳极消耗情况定期地从上部添加阳极糊，利用电解槽运行产生的热量，将新加入的阳极糊焙烧成为坚实的固体阳极。阳极因此能连续使用，正好与电解的连续过程相适应。但自焙阳极铝电解槽在铝电解运行中焙烧阳极时散发出有害的沥青烟气，污染生产厂房和外部环境，回收烟气并加以净化较为困难，回收净化费用也较高。预焙阳极铝电解槽使用预先焙烧过的阳极，待阳极消耗到一定的高度时就要更换。把旧阳极取出，换上新阳极，不能连续使用。由此产生了残极，而且