鋁電解主要技術(shù)經(jīng)濟指標的選擇論證報告目錄TOC\o"1-3"\h\u27192鋁電解主要技術(shù)經(jīng)濟指標的選擇論證報告 1106441.1電流密度的選擇與論證 154331.2電解質(zhì)成分的選擇與論證 242991.1.1電解質(zhì)成分 2285541.1.2電解質(zhì)分子比 4307511.3電流效率 4256881.4電解溫度 4287871.5極距 5291211.6陽極效應系數(shù) 5299901.7電解質(zhì)水平和鋁液水平 6113851.8電解槽壽命 6316571.9電能的消耗 6鋁電解的主要技術(shù)經(jīng)濟指標包括：電流密度、分子比、電流效率、電解溫度、極距、陽極效應系數(shù)、、電解質(zhì)水平和鋁液水平、電解槽壽命、噸鋁直流電耗等。1.1電流密度的選擇與論證陽極的電流密度D陽極表示通過每單位面積陽極炭塊的電流強度，單位是A/cm2，故電流密度的大小很大程度上取決于電流強度的大小。我們需要通過鋁廠的生產(chǎn)要求、技術(shù)水平、周邊環(huán)境、當?shù)匦袠I(yè)政策等諸多因素確定出最佳的電流密度范圍，它是鋁電解槽設(shè)計中的一項重要指標。電流密度較小時有利于降低直流電耗和槽電壓、維持鋁電解槽的正常運行，但這樣的小容量鋁電解槽由于電流密度過小，使得鋁電解槽各尺寸相對過大，相對散熱損失也比大型槽大很多，反而使其能耗相對于整個體系而言更大而增加了鋁電解成本，與電解鋁行業(yè)的大型化趨勢相悖。所以為了降低鋁電解成本，我們需要在一定范圍內(nèi)增加陽極的電流密度，使大型化鋁電解槽不斷增大容量，以獲得更高的經(jīng)濟效益。我國大型預焙陽極鋁電解槽的陽極電流密度不太高，一般為0.70A/cm2，而國外可以達到0.80A/cm2及以上，產(chǎn)量和生產(chǎn)效率高很多，但是陽極電流密度太高會導致電流效率下降，參考相關(guān)文獻后得知，某500kA鋁電解槽的電流密度為0.804A/cm2，而本次設(shè)計的是520kA大容量預焙陽極鋁電解槽，故選擇陽極電流密度D陽極1.2電解質(zhì)成分的選擇與論證電解質(zhì)是鋁電解過程中氧化鋁反應的媒介，為電解反應提供了一個穩(wěn)定的環(huán)境，它的溫度決定了整個槽膛內(nèi)部的溫度，而且它的導電性關(guān)系到生產(chǎn)過程是否能夠連續(xù)、正常地進行下去。一般要求它在較小的電壓降下使內(nèi)部離子快速遷移至陰陽兩極而實現(xiàn)整個電路的閉合循環(huán)，故它關(guān)系到電解槽的生產(chǎn)能力。不同的鋁廠電解質(zhì)成分也有差別，電解質(zhì)成分的差別會影響到電解質(zhì)的物理化學性能。常見的電解質(zhì)成分有氧化鋁、冰晶石、氟化鈣、氟化鎂、氟化鋁等，選擇適當?shù)碾娊赓|(zhì)成分并確定其濃度很重要。1.1.1電解質(zhì)成分（1）氧化鋁。Al2O3是鋁電解過程中最主要的原材料，是產(chǎn)品鋁的主要來源。依據(jù)經(jīng)驗，氧化鋁在電解質(zhì)中的濃度在適當范圍內(nèi)時，增大其濃度，電流效率會隨之增大；而氧化鋁在電解質(zhì)中的濃度不足百分之一點五時，減小其濃度，電流效率也會隨之增大，特別是接近陽極效應時，電流效率大于百分之九十四。濃度在百分之三點五以下，電流效率大于百分之九十；濃度在百分之二到百分之三，電流效率在百分之九十三到百分之九十四之間。因此在實際生產(chǎn)中應該使氧化鋁濃度較低以獲得高的電流效率和低的直流電耗，也要注意不能使氧化鋁濃度過低而引起陽極效應，造成鋁電解槽的電壓降快速上升而使經(jīng)濟效益下降。因此，本設(shè)計取工業(yè)鋁電解中比較常用的1.5%~3.5%作為氧化鋁的濃度。（2）氟化鹽（添加劑）鋁電解過程中一般要添加很多如氟化鹽等等的輔助原料。氟鹽一般指AlF3和冰晶石（Na3AlF6），冰晶石可以用來降低熔點，也包括氟化鋰（LiF）、氟化鎂（MgF2）、氟化鈣（CaF2）、氟化鉀（KF）等，可按照實際需求進行添加劑含量的調(diào)整。根據(jù)相關(guān)文獻，在某廠鋁電解槽中隨機選擇50臺進行抽樣分析，主要分析這50臺槽中電解質(zhì)的過熱度和成分比例，其結(jié)果如下表2-1所示：如表2-1所示，該系列鋁電解槽的電解質(zhì)一次結(jié)晶溫度比較高，將近940℃，過熱度等于電解溫度減去初晶溫度，表中過熱度已經(jīng)達到16.6℃，電解溫度也相應地比較高，這樣會增加噸鋁直流電耗。若想降低電解溫度，可以通過降低一次結(jié)晶溫度或者使過熱度保持在8~12℃來實現(xiàn)，這樣可以有效減少鋁電解槽能耗。但是需要注意的是，在通過改善電解質(zhì)成分來降低一次結(jié)晶溫度和過熱度的同時，需要保證氧化鋁在電解質(zhì)中的溶解能力始終良好并且有效提高槽內(nèi)熔體的電導率，這樣才能最終實現(xiàn)電解溫度的降低。氟化鈣、氟化鉀、氟化鎂、氟化鋰等都可以降低電解質(zhì)的一次結(jié)晶溫度，其中氟化鋰不僅可以使電解反應在更低的溫度下進行，還能增強電解質(zhì)溶液的電導率，但是在工業(yè)鋁電解中一般不直接添加氟化鋰和氟化鉀，因為它們通常是由原料氧化鋁自己帶入電解質(zhì)中的。不同的鋁電解企業(yè)原料鋁所攜帶的各元素含量并不相同，氟化鋰含量自然也不相同。即便同一個鋁廠，在不同的地方訂購的原料氧化鋁中氟化鋰的含量也不相同，因此在工業(yè)鋁電解生產(chǎn)前，這些鋁業(yè)公司需周期性對這些原料進行氟化鋰含量檢測，從而確定各添加劑的用量。某鋁廠對五個原料訂購點的氟化鋰含量進行了檢測，分別為0.0005%、0.075%、0.080%、0.053%、0.075%。若電解質(zhì)中氟化鋰含量達到3.5%，由于氟化鋁會降低氧化鋁在冰晶石中的溶解度，且一次結(jié)晶溫度也不能過低，則氟化鋰含量不能過高，須與氧化鋁原料自身攜帶的氟化鋁搭配使用。在一年多的混配生產(chǎn)后，該廠得到了優(yōu)化后的電解質(zhì)成分數(shù)據(jù)，如下表2-2所示。該電解質(zhì)中氟化鋰含量已經(jīng)達到預設(shè)的目標。綜上所述，為了降低噸鋁直流電耗，起到節(jié)能減耗的作用，本設(shè)計中取Al2O3為3.26％、CaF2為5.15％、MgF2為0.42％、LiF為3.24％.1.1.2電解質(zhì)分子比電解質(zhì)分子比是是電解質(zhì)中氟化鈉與氟化鋁的分子數(shù)之比，用符號K來表達。當分子比減小時，氧化鋁在電解質(zhì)中的溶解度會變小，鈉離子在電解質(zhì)中的活動能力減弱，但電流效率會上升，且一次結(jié)晶反應的溫度會下降。在實際工業(yè)生產(chǎn)中，電解質(zhì)的分子比通常在2.1~2.5區(qū)間內(nèi)。國際上大型預焙陽極鋁電解槽的分子比通常小于2.5，噸鋁直流電耗一般為一千三百五十千瓦時，此時的電流效率可達百分之九十五以上；但是分子比也不能低于1.1，否則會在陰極產(chǎn)生沉淀導致多余的壓降消耗。本次設(shè)計選擇電解質(zhì)分子比為1.2。1.3電流效率電流效率是鋁電解過程的一項重要指標，它是指實際鋁電解過程中得到的產(chǎn)品鋁量與理論上應該得到的產(chǎn)品鋁量之比，用理論上應當供給的電量除以實際生產(chǎn)過程中供給的電量也可以算出電流效率的數(shù)值。由于陰極上生成的鋁可能發(fā)生二次反應且存在少量其它離子在陰極放電而造成電流空耗，所以電流效率一般低于100%。當前的電解槽效率的國際平均水平一般在88%~95%區(qū)間，通常在94%左右，故本次設(shè)計取電流效率為95%。電流效率是決定鋁電解過程生產(chǎn)工藝與設(shè)備選擇是否符合產(chǎn)業(yè)要求的有效標志。1.4電解溫度電解溫度與初晶溫度和過熱度有關(guān)，受電解質(zhì)成分的影響。分子比在2.2~2.4范圍內(nèi)對應的一次反應溫度在930~940℃范圍內(nèi)，加上約10℃的過熱度，實際鋁電解生產(chǎn)中，電解溫度一般在940~950℃1.5極距電解槽的極距也是至關(guān)重要的一個生產(chǎn)指標，恰當?shù)臉O距對電解過程是十分有益的，可以提高電流效率，而差的極距則影響整個槽子的生產(chǎn)運行。顯然，極距指的是一段距離，從陽極炭塊的底部至產(chǎn)物鋁液的上液面之間的距離。這一段垂直距離便足以影響電解槽的生產(chǎn)效率，而極距的值會隨著電解質(zhì)和鋁液二者的穩(wěn)定情況產(chǎn)生不同的數(shù)值，我們選取中間的數(shù)值作為極距的取值。在過去的情況下，大家普遍認為較高的極距會對生產(chǎn)產(chǎn)生有利影響，因為大的極距代表著熔體的儲存量也相對較大，這樣就可以將熱量充分地保留在電解槽內(nèi)，減少了因為電解溫度不足而導致的電量消耗過大，但是，對于現(xiàn)代化鋁電解來說，計算機控制的使用已經(jīng)可以滿足電解槽對這一操作的需求，并且在成本和精確度的方面也比加大極距的方法來的更加理想。工業(yè)生產(chǎn)中鋁電解槽的極距一般在4~5cm，本次設(shè)計取極距為4.5cm。1.6陽極效應系數(shù)陽極效應產(chǎn)生于陽極炭塊的底面，由于陽極氣體不斷產(chǎn)生卻無法及時排除而造成的情況，這一情況的發(fā)生直接影響整個電解槽的正常生產(chǎn)，甚至由于局部電壓過大，導致設(shè)備故障，引起停槽檢修的后果。然而，對于避免這類事故的發(fā)生，我們應從其發(fā)生原因來分析，從源頭上減少發(fā)生。而其原因在于電解質(zhì)中氧化鋁的含量過低導致陽極炭塊上的界面張力增加，使得電解質(zhì)無法與之進行潤濕，也就出現(xiàn)了產(chǎn)生的陽極氣體無法從上面排走，而是形成一排的氣泡附著在表面，使之與熔體的接觸面積急劇減小，相應的，陽極密度大大增加，在一個很短的時間內(nèi)便會超出臨界電流密度，發(fā)生此效應。產(chǎn)生的原因包括氧化鋁添加量不足，而當上一次的陽極效應為未完全被消除而引發(fā)引發(fā)新的效應產(chǎn)生。在發(fā)生陽極效應時，我們可以根據(jù)電解內(nèi)情況進行判斷：（1）陽極表面可以用看到耀眼的小型火花；（2）電解槽槽電壓瞬間增加；（3）電解質(zhì)熔體表面不再沸騰；（4）效應警示燈閃爍；目前國際先進水平所對應的陽極效應系數(shù)大約是

0.1次/（槽·日），而國內(nèi)陽極效應的平均水平大約在

0.3

次/（槽·

日）左右。故在本次設(shè)計中取值為

0.25次/（槽·

日）。1.7電解質(zhì)水平和鋁液水平在鋁電解過程中，陰極不斷有產(chǎn)品鋁析出，由于鋁液和電解質(zhì)密度不同，所以分為兩層。電解質(zhì)水平是指電解質(zhì)熔體在槽中的高度，而鋁液水平則是在陰極生成的產(chǎn)品鋁液的高度。電解質(zhì)水平和鋁液水平都不宜太高也不宜太低，前者高一點有利于防止在底部生成沉淀，但太高則會使陽極炭塊在電解質(zhì)中浸入部分過長，在陽極生成的二氧化碳氣體或者一氧化碳氣體不容易排出去，可能會出現(xiàn)陽極長包現(xiàn)象，也可能促使產(chǎn)品鋁在陽極發(fā)生二次反應而造成無謂的損耗；后者可以起到促進電解槽散熱的作用，但是如果過高的話會使槽體散熱過快造成槽底驟冷，生成沉淀，甚至造成病槽，過低則影響鋁電解槽正常散熱，使槽底過熱、側(cè)處的伸腿熔化，水平電流增加進而使槽體磁場不穩(wěn)，故它在實際生產(chǎn)中不管過高還是過低都會造成電流效率的下降本次設(shè)計取鋁液水平30~32cm，取電解質(zhì)水平20~22cm