第頁(yè)1緒論1.1鋁的發(fā)現(xiàn)及提取1.1.1鋁的發(fā)現(xiàn)鋁是一種分布極廣，在自然界隨處可見的一種金屬，它在土地中的百分占比大約為8

%(重量)，僅僅位于氧和硅的后面，排在了第三位。鋁的化學(xué)性質(zhì)尤其活躍，自然而然，在生產(chǎn)生活中很難檢測(cè)到元素狀態(tài)的鋁。目前，已探明的含鋁礦化合物有250多種，其中最容易發(fā)現(xiàn)的是硅酸鹽族。在鋁工業(yè)中，煉鋁原料一般約定俗成，都選用鋁土礦。1.1.2化學(xué)法提取鋁蘭格朗島的奧斯特最先找到提純鋁的方法。他量取少許鉀汞齊，去跟無(wú)水氯化鋁發(fā)生反應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)束后，出現(xiàn)了一大堆灰顏色的金屬細(xì)末。他在打磨生成物時(shí)，其出現(xiàn)銀顏色的金屬光澤，但當(dāng)時(shí)他并不知道這是金屬鋁。1827年德國(guó)科學(xué)家維勒嘗試用鉀替換鉀汞齊來跟無(wú)水氯化鋁反應(yīng)，同樣，產(chǎn)生了非常少的金屬細(xì)末。1854年他判斷出該物質(zhì)的熔點(diǎn)不高。在之后，法國(guó)人德維爾研制了純度更高的金屬鋁，并在家鄉(xiāng)創(chuàng)辦了一座很小的煉鋁廠。不久之后，一個(gè)沙俄商人提出，用鎂來參與冰晶石的反應(yīng)，進(jìn)而生產(chǎn)出工業(yè)鋁。這一改變被一家鎂廠青睞并推廣開來。隨后的日子里，化學(xué)法逐步走下神壇。在此期間，大約生產(chǎn)了兩百噸鋁。1.1.3電解法提取鋁電解法煉鋁起源于19世紀(jì)50年代。當(dāng)時(shí)電解氯化鋁或者氯化鈉絡(luò)鹽，來生產(chǎn)鋁。但那時(shí)候，還不能產(chǎn)生足夠大的電流，所以沒法進(jìn)一步推廣。美國(guó)人申請(qǐng)了融鹽電解法的專利。而這是鋁工業(yè)很長(zhǎng)一段時(shí)間僅有的煉鋁法。在19世紀(jì)80年代末期，美國(guó)發(fā)明了兩臺(tái)預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽，就是采用這種專利。每天就能產(chǎn)鋁二十余公斤。瑞士公司利用水力發(fā)電站的電力，采用相同專利生產(chǎn)金屬鋁。別國(guó)相繼使用這個(gè)專利生產(chǎn)鋁。現(xiàn)如今，金屬鋁的年產(chǎn)量遙遙領(lǐng)先其它有色金屬。1.2鋁的性質(zhì)及用途1.2.1鋁的性質(zhì)鋁是有色輕金屬，純白色。不含雜質(zhì)的鋁質(zhì)軟，因此，有非常好的可塑性和延展性，熔點(diǎn)和沸點(diǎn)很高，所以是電和熱的優(yōu)良導(dǎo)體;由于金屬鋁的外表面為層極為致密的氧化膜，故而，它被酸侵蝕的可能性不大，但堿可以將鋁溶解。1.2.2鋁的用途由于鋁的優(yōu)良性質(zhì)，它的應(yīng)用極廣。下面從以下幾方面介紹：(1)交通業(yè)。鋁是民用航空工業(yè)和運(yùn)輸業(yè)不可或缺的重要原材料。飛機(jī)的原材料有八成以上跟鋁有密切關(guān)系，航天飛機(jī)中有九成是鋁的合金。大約九成以上的卡車都有著鋁合金的車身。此外，在軌道和海運(yùn)方面，中國(guó)大部分的地鐵車廂和大多數(shù)冷藏車廂都有鋁合金的身影，輪船也是如此。(2)建筑業(yè)。新蓋的建筑大部分都使用了鋁制品，不僅因?yàn)槠鋬?yōu)良的抗氧化性能，自然界數(shù)一數(shù)二的強(qiáng)度使得它在防地震建筑方面大放異彩。(3)餐飲業(yè)。世界上大部分的餐飲用具都有鋁制品的身影，因?yàn)椴讳P鋼材料和鐵制品的熱效力只有它的三分之一。各領(lǐng)域的用鋁量占比見圖1.1。圖1.1鋁在各行業(yè)應(yīng)用量分布1.3國(guó)內(nèi)外鋁工業(yè)概況截至2002年，我國(guó)鋁工業(yè)生產(chǎn)能力為334萬(wàn)噸，而實(shí)際產(chǎn)量甚至達(dá)到了343萬(wàn)噸。按國(guó)別統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)原鋁的國(guó)家有45個(gè)。2001年，年生產(chǎn)能力最大的10個(gè)國(guó)家依次為美國(guó)(425.7萬(wàn)t)、俄羅斯(347.1萬(wàn)t)、中國(guó)(333.6萬(wàn)t)、加拿大(276.5萬(wàn)t)、澳大利亞(179.1萬(wàn)t)、巴西(127.8萬(wàn)t)、挪威(103.7萬(wàn)t)、南非(68.4萬(wàn)t)、印度(67.2萬(wàn)t)、德國(guó)(64.7萬(wàn)t)。但是，從2003年起，我國(guó)一躍成為了世界第一產(chǎn)鋁大國(guó)。全球最大的鋁廠是俄羅斯布拉茨克鋁廠，其年生產(chǎn)能力為94萬(wàn)t，而且年生產(chǎn)能力等于或大于40萬(wàn)t的鋁廠有12個(gè)。[3]1.4鋁電解原理及生產(chǎn)流程原理是直流電通入電解槽，在陽(yáng)極和陰極上起電化學(xué)反應(yīng)，電解產(chǎn)物在陰極上析出AL，陽(yáng)極上是CO2和CO。生產(chǎn)流程是將鋁液和電解質(zhì)分開，經(jīng)過商品加工處理，就生產(chǎn)出來可以售賣的成品鋁。1.5鋁電解槽1.5.1鋁電解槽的發(fā)展煉鋁的主要設(shè)備還是鋁電解槽。在這一百多年的鋁工業(yè)歷史當(dāng)中，鋁電解的生產(chǎn)工藝不斷被改良，這其中最重要的改良之一就是提高電解槽的生產(chǎn)效能。改良的部分就是增大電解槽的尺寸。以此提高電流強(qiáng)度。另外值得注意的是，噸鋁消耗掉的電量也遠(yuǎn)低于過往。這其中的原因是方方面面的，主要得益于整流設(shè)備不停的更新?lián)Q代。此外，改良了電極生產(chǎn)的同時(shí)，大力完善電解生產(chǎn)技術(shù)，都離不開機(jī)械自動(dòng)化程度技術(shù)的高速發(fā)展。在早期，鋁廠一般選擇小型預(yù)配槽，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的生產(chǎn)水平相對(duì)較低。在上世紀(jì)二十年代，連續(xù)自培電極型被鋁工業(yè)發(fā)揚(yáng)光大。這一進(jìn)步，代表鋁預(yù)培陽(yáng)極的發(fā)展進(jìn)入新的篇章。但缺點(diǎn)也隨推廣而被發(fā)現(xiàn)，主要是它會(huì)排放大量污染氣體，此外，過高的電壓降也是不小的困擾。在上世紀(jì)五十年代，對(duì)原有的小型預(yù)焙槽進(jìn)行改良處理，使之大型化和現(xiàn)代化，成為新式預(yù)焙槽。同時(shí)，連續(xù)預(yù)焙陽(yáng)極電解槽的問世使鋁工業(yè)發(fā)展徹底高速起飛。1.5.2選擇預(yù)培陽(yáng)極電解槽的原因在1.5.1中出現(xiàn)的四種電解槽各有優(yōu)劣。在鋁工藝生產(chǎn)流程中，陽(yáng)極不停的被損耗掉。自焙陽(yáng)極定期補(bǔ)充陽(yáng)極糊，使得陽(yáng)極不會(huì)消耗殆盡，而預(yù)焙陽(yáng)極一定會(huì)有消耗殆盡的一天，不能無(wú)休止的使用(連續(xù)預(yù)焙陽(yáng)極例外，但因?yàn)榧夹g(shù)問題，近年來已經(jīng)被停止生產(chǎn))。所以自焙陽(yáng)極可以重復(fù)使用導(dǎo)致該電解槽在電解生產(chǎn)過程的具有可重復(fù)性。凡事有利有弊，自焙陽(yáng)極在鋁工藝生產(chǎn)流程中，有很大的污染問題。反之，預(yù)焙陽(yáng)極因?yàn)閱为?dú)焙燒過，它排放的污染物正好當(dāng)作動(dòng)力能源使用，不會(huì)污染環(huán)境。此外，以機(jī)械自動(dòng)化發(fā)展程度來看，目前預(yù)焙槽仍是是最佳選擇。1.6本設(shè)計(jì)的提出意義及所設(shè)計(jì)電解槽的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)1.6.1設(shè)計(jì)提出意義及主要內(nèi)容我國(guó)的鋁電解技術(shù)蓬勃發(fā)展，從一無(wú)所有，到現(xiàn)在頭部工廠已經(jīng)在諸多老牌工業(yè)革命國(guó)家的鋁產(chǎn)業(yè)中遙遙領(lǐng)先，但我國(guó)大多數(shù)中等規(guī)模鋁廠由于投入不足，照比其他國(guó)家同規(guī)模鋁廠發(fā)展緩慢。因此本設(shè)計(jì)期望設(shè)計(jì)出符合鋁工業(yè)技術(shù)指標(biāo)的電解槽。通過對(duì)30萬(wàn)噸500 kA預(yù)配鋁電解槽的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的選擇論證，設(shè)計(jì)出陽(yáng)極尺寸為1600mm×680mm×550mm，陰極尺寸為3370mm×660mm×450mm的預(yù)培鋁電解槽。在電流效率為93.4%，陽(yáng)極電流密度為0.709A/cm2，單槽日產(chǎn)量為3785.568(kg/槽·d)，電解槽總數(shù)量91臺(tái)條件下對(duì)本設(shè)計(jì)的噸鋁成本進(jìn)行核算。1.6.2所設(shè)計(jì)的電解槽的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)(1)容量高:

計(jì)算出500

kA電解槽的單槽日產(chǎn)鋁高達(dá)3785.56千克;(2)電流效率高:

500kA預(yù)焙陽(yáng)極電解槽的電流效率為93.5%;(3)投資少:500k預(yù)焙陽(yáng)極電解槽車間相比同規(guī)模160kA車間能省下19%的預(yù)算，比200

kA車間能省下6%

;(4)能耗少:500kA預(yù)焙陽(yáng)極電解槽生產(chǎn)1t鋁的直流電耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于13320kWh;(5)污染少:500

kA預(yù)焙陽(yáng)極電解槽的含氟化合物排放量將到0.7

kg以下。因此本設(shè)計(jì)符合產(chǎn)量高、效率高、投資少、能耗少、污染少等技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)。2正常生產(chǎn)的技術(shù)參數(shù)2.1主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的選擇論證正常生產(chǎn)比較重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有:電流效率、電解溫度、極距、電解質(zhì)成分、陽(yáng)極電流密度、鋁液水平、電解質(zhì)水平、陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)等。2.1.1電流效率電流效率是鋁電解正常生產(chǎn)最重要的技術(shù)參數(shù)。在工藝生產(chǎn)時(shí)，鋁會(huì)因?yàn)榉N種原因損耗，所以電流效率一定達(dá)不到百分之百。目前全球不同鋁廠的電流效率均在九成以上，本設(shè)計(jì)最終敲定電流效率的數(shù)值是93.5%。2.1.2各物質(zhì)在電解質(zhì)中占比本設(shè)計(jì)的電解質(zhì)成分為:分子比2.1~2.3,CaF2含量為5%，MgF2含量為2.0%，氧化鋁濃度為1.5%~2%。2.1.3電解溫度物質(zhì)組分比一定時(shí)，電解溫度為940~950℃。2.1.4極距本設(shè)計(jì)選極距為4.3cm。2.1.5陽(yáng)極電流密度電流密度也是正常生產(chǎn)重要的技術(shù)參數(shù)。本設(shè)計(jì)中陽(yáng)極電流密度選0.709A/cm2。2.1.6電解質(zhì)水平和鋁液水平本設(shè)計(jì)的電解質(zhì)水平選為24cm,鋁液水平為20cm。2.1.7陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)對(duì)陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)的要求為不大于0.3

次/槽·日即可。陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生后的持續(xù)時(shí)間確定為5min。2.2綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的計(jì)算2.2.1電解槽壽命論證本設(shè)計(jì)槽壽命為1800天，即1800/365=4.9年。2.2.2單槽日產(chǎn)量設(shè)計(jì)電流強(qiáng)度為500

kA，電流效率為93.5%，則(I是電流強(qiáng)度，η是電流效率，τ是電解時(shí)間。)2.2.3電解槽數(shù)量Np為生產(chǎn)槽數(shù)，Nr為大修槽數(shù)，Ne為備用槽數(shù)，TN為槽壽命，Qh是年產(chǎn)量，n為大修槽數(shù)，tn為大修時(shí)間。根據(jù)下列公式，計(jì)算電解槽數(shù)量。(K一般為1~2，取為1.5，大修時(shí)間tr=60天)2.2.4槽結(jié)構(gòu)計(jì)算(1)陽(yáng)極尺寸本設(shè)計(jì)陽(yáng)極尺寸=1600mm×680mm

×550mm,共四個(gè)鋼爪，S鋼爪=0.236m2·個(gè)-1。(2)槽膛深度當(dāng)今，全球各地區(qū)槽膛的深淺一般在400

~

500

mm才是主流。故本設(shè)計(jì)所選取的槽腔深度為500

mm。部分鋁廠的槽膛深度見表2.2。[11]表2.2一些鋁廠的槽膛深度廠名或類型槽型系列電流/KA槽膛深度/mm青海鋁廠預(yù)配槽280550包頭鋁廠預(yù)配槽160500包頭鋁廠三期預(yù)配槽135500SBLY-59預(yù)配槽70450LB-68預(yù)配槽60580青銅峽鋁廠上插槽80420(3)陽(yáng)極到槽幫距離陽(yáng)極到槽幫的位置遠(yuǎn)近會(huì)導(dǎo)致電解槽工作能力的強(qiáng)弱。本設(shè)計(jì)陽(yáng)極到縱側(cè)槽幫(大面)300cm，陽(yáng)極到橫側(cè)槽幫(小面)400cm，中縫為200

mm。

表2.3部分鋁廠陽(yáng)極至槽幫的距離廠家或類型槽型系列電流/KA至大面距離至小面距離青海預(yù)配槽160525595包頭預(yù)配槽135450500SBLY25側(cè)插槽60550550LB68側(cè)插槽60550550(4)槽結(jié)構(gòu)計(jì)算本設(shè)計(jì)中I=500kA，η陽(yáng)=0.70A

/cm2。L陽(yáng)極炭塊=1600

mm

×680

mm×550

mm。陽(yáng)極的斷面數(shù)值S陽(yáng)總=500000/

0.70=714285.7142857cm2n=714285.7142857

/

160×68=65.65本設(shè)計(jì)選擇66塊陽(yáng)極，車間兩橫行擺放，一行炭塊組數(shù)為33。S陽(yáng)=66×160×68=718080cm2D陽(yáng)=500000

/

718080=0.709A

/cm2校核無(wú)誤。②槽膛尺寸L槽膛側(cè)壁=300mm，L槽膛端壁=400mm，L炭塊組=40mm，L行間距=200mm。2.2.5耐火材料與炭糊本設(shè)計(jì)為底部保溫，側(cè)部散熱型，所以耐火材料的側(cè)部散熱要好，底部既能保溫也要避免電解質(zhì)和鋁液泄漏。傳統(tǒng)的電解槽陰極內(nèi)襯為耐火磚+保溫磚+氧化鋁粉。本設(shè)計(jì)的防滲層是干式防滲料，而不是以往的氧化鋁層。干式防滲料的防滲機(jī)理是電解過程中生成的Na和NaF滲透至防滲料時(shí)與防滲料生成霞石類物質(zhì)，可以有效保護(hù)下層材料免受電解質(zhì)侵蝕，從而延長(zhǎng)電解槽使用壽命2.2.6水的需求量及電能本設(shè)計(jì)中，生產(chǎn)需要的水是

4642

m3/d，生活中需要的水是173

m3/d，循環(huán)所使用的水是40695

m3/d。生產(chǎn)中排掉的水是2068

m3/d，生活中排掉的水是173

m3/d，重復(fù)水利用率高達(dá)90%。本設(shè)計(jì)主要靠電能，國(guó)內(nèi)國(guó)內(nèi)同級(jí)別車間每生產(chǎn)一噸鋁所耗費(fèi)的直流電大約是120kWh。2.3鋁電解生產(chǎn)中主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的確定各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表2.4所示表2.4技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)列表技術(shù)指標(biāo)參數(shù)備注電流強(qiáng)度500KA給定值電解槽數(shù)91臺(tái)另有4臺(tái)備用電流效率93.5%給定值陽(yáng)極電流密度0.709A/cm2電解溫度940~950℃極距4.3cm鋁水平20cm電解質(zhì)水平24cm陽(yáng)極效益系數(shù)≤0.3電能消耗率13200kWh/t-AL非交流電耗平均電壓4.059V氧化鋁單耗1950kWh/t-AL陽(yáng)極碳?jí)K單耗450kWh/t-AL消耗量冰晶石單耗15kWh/t-AL氟化鋁單耗25kWh/t-AL氟化鎂單耗4kWh/t-AL分子比2.1~3.1單槽日產(chǎn)量3785.568kg非實(shí)際生產(chǎn)數(shù)值

3物料平衡3.1物料平衡計(jì)算3.1.1鋁產(chǎn)量I=500kA，η=93.5%。計(jì)算一小時(shí)電解槽產(chǎn)量：3.1.2氧化鋁消耗量(按年每噸鋁計(jì)算)計(jì)算氧化鋁理論上消耗量3.1.3氟化鹽的需求量需要噸鋁冰晶石15kg/t；需要氟化鋁25kg/t；需要氟化鎂4kg/t；需要氟化鈣3kg/t，需要氟化鋰3kg/t則:3.1.4陽(yáng)極碳?jí)K的需求量實(shí)際工藝流程中陽(yáng)極釋放的是氣態(tài)二氧化碳和一氧化碳，其中二氧化碳約占75%。陽(yáng)極碳?jí)K的實(shí)際需求量比上述數(shù)值高兩成左右，本設(shè)計(jì)碳消耗450kg/t。C實(shí)=450×157.73×10-3=70.97kg/槽·h，單槽每小時(shí)消耗為70.97kg。碳損失為：鋁=157.73kg/槽·h;二氧化碳=165.25kg/槽·h;一氧化碳=36.47kg/槽·h。3.2物料平衡表根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算得出下表3.1：由表3.1可見，物料總收入和支出基本平衡表3.1物料平衡表反應(yīng)物/(kg·h-1)生成物/(kg·h-1)氧化鋁307.58冰晶石2.37冰晶石2.37氟化鋁3.94氟化鋁3.94氟化鈣0.47氟化鈣0.47氟化鋰0.47氟化鋰0.47陽(yáng)極碳?jí)K70.97CO2165.25CO36.47氧化鋁9.64炭10.88合計(jì)386.43合計(jì)386.434電壓平衡本設(shè)計(jì)的電能消耗率，由平均電壓和電流效率兩方面起作用，降低V低或提高η都能阻止過高的電能消耗率。電解槽的平均電壓V=4.1實(shí)際分解電壓Al2O3的理論分解電壓取1.15V，預(yù)焙槽的陽(yáng)極過電壓取0.4V。E實(shí)際=1.5V。4.2電解質(zhì)電壓電解質(zhì)電壓可根據(jù)柯魯鮑夫提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:△V質(zhì)=△V求得電解質(zhì)電壓為1.523V，即1523mV

4.3陽(yáng)極電壓降4.3.1陽(yáng)極大母線電壓降取大母線平均溫度t=66℃，ρo=0.0280Ω·mm2/m，α=0.0038，由此計(jì)算得:前面計(jì)算得到陽(yáng)極導(dǎo)桿33根，每根導(dǎo)桿的電流負(fù)荷為:I=選擇功率法求電壓降，則陽(yáng)極大母線長(zhǎng)為:L=680×16+40×15=11160mm。此式中陽(yáng)極塊長(zhǎng)度為680，預(yù)焙陽(yáng)極間距離為40。大母線長(zhǎng)度的二分之一是5580mm。V=I=R=ρ△V4.3.2陽(yáng)極軟母線電壓降軟母線數(shù)值為600mm×2mm,距離為1500mm,t=60℃,則:△V4.3.3陽(yáng)極立柱母線電壓降通過實(shí)測(cè)得到焊接點(diǎn)，平衡母線，壓接鋁板的電壓降4.3.4陽(yáng)極炭塊組電壓降(1)陽(yáng)極導(dǎo)桿電壓降△V導(dǎo)桿=i×ρt×(2)預(yù)焙炭塊壓降(3)卡具電壓降12mV(4)鋁—鋼爆炸焊接區(qū)電壓降8mV,鋼爪壓降19mV,鋼—炭接觸壓降110mV。4.4陰極電壓降4.4.1槽底電壓降△V槽底=[L電流通過陰極炭塊路徑的長(zhǎng)度L導(dǎo)按下式計(jì)算:將上面兩個(gè)值代人下式中:△V槽底4.4.2陰極軟母線電壓降△V陰軟=0.0376×4.4.3槽周陰極母線電壓降取槽周陰極母線電壓數(shù)值最大時(shí):4.4.4焊點(diǎn)壓降陰極鋼棒鋁棒爆炸焊壓降取

3

mV，鋁棒

與軟母線焊

點(diǎn)之間壓降取5mV。4.5陽(yáng)極效應(yīng)分?jǐn)傠妷航店?yáng)極效應(yīng)分?jǐn)偟碾妷航蛋聪率竭M(jìn)行計(jì)算:陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)取0.3次/槽·日，每次持續(xù)時(shí)間為5min，電壓由4V升至35V,可計(jì)算出:△V4.6連接母線壓降槽外母線均攤電壓降取60mV。根據(jù)以上計(jì)算，可編制電解槽電壓平衡表如表4.1所示。表4.1500kA預(yù)焙陽(yáng)極電解槽電壓平衡表電壓組成電解槽組分組分電壓降，mV工作電壓（發(fā)熱）陽(yáng)極部分鋁—鋼焊點(diǎn)鋼—炭接點(diǎn)立柱母線鋁導(dǎo)桿陽(yáng)極陰極軟母線陽(yáng)極軟母線卡具鋼爪1011049.3631.70123.612.3620.251124110123.624陰極部分陰極軟母線槽底壓降槽周陰極母線陰極各接點(diǎn)15.04351.8126.318351.8剩余部分分解電壓電解質(zhì)1523155015231550工作電壓總計(jì)陽(yáng)極效應(yīng)連接母線3966.4232.36032.3總計(jì)4058.72總計(jì)3714.7

5電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.1概述5.1.1電解槽構(gòu)造及各部分主要作用本設(shè)計(jì)為500kA中心下料預(yù)焙電解槽。陰極結(jié)構(gòu)是槽的槽體部分，重要組成部分是槽殼和內(nèi)襯砌體。上部結(jié)構(gòu)可分為承重桁架、陽(yáng)極提升裝置、打殼下料裝置、陽(yáng)極母線和陽(yáng)極組、集氣和排煙裝置。母線結(jié)構(gòu)鋁電解槽有陽(yáng)極母線、陰極母線、立柱母線和軟帶母線，槽之間、廠房之間還有聯(lián)絡(luò)母線。電解槽電氣絕緣在電解槽系列上。

系列電壓達(dá)數(shù)百伏甚至上千伏，因此電解槽許多部位需要進(jìn)行絕緣。5.1.2陰極特點(diǎn)(1)陰極結(jié)構(gòu)型式采用半石墨質(zhì)陰極炭塊砌筑，其炭塊間接逢以及炭塊周圍的邊逢用炭糊搗固成陰極結(jié)構(gòu)。陰極炭塊下部用耐火磚及保溫磚砌筑。(2)陰極炭塊的特點(diǎn)本設(shè)計(jì)所采用的陰極炭塊跟陽(yáng)極炭塊的寬度相同，陽(yáng)極與陰極的投影重疊。可以使槽的電位場(chǎng)分布均勻，磁場(chǎng)導(dǎo)致的誤差減少，搖籃架數(shù)量亦降低，可以使鋼材成本降低。5.2陽(yáng)極結(jié)構(gòu)5.2.1鋁導(dǎo)桿陽(yáng)極導(dǎo)桿數(shù)等于陽(yáng)極組數(shù)，為33根，本設(shè)計(jì)中陽(yáng)極鋁導(dǎo)軒是130nm×130mm×2278mm。d

5.2.2爆炸焊結(jié)構(gòu)鋁導(dǎo)桿與鋼板的聯(lián)結(jié)采用鋁鋼爆炸焊，鋼板下面焊接圓柱型鋼爪。鋁板取165×165×2mm3,鋼板取165

×165

×40

mm3。5.2.3鋼爪鋼爪頭直徑為160mm,長(zhǎng)280mm。陽(yáng)極炭塊是四個(gè)鋼爪頭為一組，鋼爪占有陽(yáng)極面積為0.236m2/個(gè)，鋼爪間距為200mm。炭塊頂部的炭孔是用來裝配爪頭，孔直徑為200mm,深100mm。5.2.4陽(yáng)極炭塊陽(yáng)極炭塊尺寸為:1400mm×600mm×500mmH殘=160mm，η=93.5%，η陽(yáng)=0.709AVcm2，陽(yáng)極凈耗為450kg/t-AL,則可算出換極周期為:γ=10γ=ρ陽(yáng)極炭塊=1.6g/cm

3，H殘=16cm，陽(yáng)極炭塊共用去140×60×(50-16)×1.6=456960g＝456.960kg換極周期為:可消耗陽(yáng)極總重量?jī)煞N方式計(jì)算結(jié)果相同，都是25天。設(shè)殘極高度為14000

mm,寬度為600

mm,則殘極高度為:H殘=140×60×50?14=15.88mm5.3陰極結(jié)構(gòu)5.3.1陰極結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇及計(jì)算本設(shè)計(jì)采用通長(zhǎng)陰極炭塊，規(guī)格為3370mm×660mm×450mm。取陰極炭塊到槽膛端壁的長(zhǎng)度為420mm，塊間糊扎縫為40mm，計(jì)算陰極炭塊的數(shù)量炭塊到端壁邊緣的長(zhǎng)度為420mm炭塊到側(cè)壁邊緣的長(zhǎng)度為165mm陰極鋼棒4480

mm

×200

mm

×150

mm，極電流密度一般取0.

18

~0.25A/mm2，選擇D陰=0.20

A/mm2，極截面積為:

S

=500000/0.

20

=1075000

mm2陰極鋼棒數(shù)為:

175000/(150×110×2)=32.

58;故取32根陰極鋼棒。效驗(yàn)陰極鋼棒的電流密度為:

d

=

500000/(150x110x32x2)=0.473A/mm2=47.3A/cm2根據(jù)上文可算出槽殼尺寸:4074

mm5.4母線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中，母線的作用不止是充當(dāng)導(dǎo)體，由它引起的磁場(chǎng)才是最重要的。鋁液想要穩(wěn)定存在就需要穩(wěn)定的磁場(chǎng)，而鋁液穩(wěn)定了，鋁在生產(chǎn)中需要的氧氣就少，同時(shí)電流的效率也會(huì)增加。所以母線磁場(chǎng)穩(wěn)定非常重要，延緩鋁液的流動(dòng)速度。除此之外，鋁母線花費(fèi)的錢占總成本的四分之一，母線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是本設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重點(diǎn)。本設(shè)計(jì)的配置方法為大面四點(diǎn)進(jìn)電。盡可能的削弱磁場(chǎng)對(duì)本實(shí)驗(yàn)的影響。

6車間人數(shù)及成本6.1車間人數(shù)車間人數(shù)是保證生產(chǎn)需要的前提下，用最合理的人數(shù)盡可能的提高效率。兼顧生產(chǎn)的同時(shí)，必須遵循《勞動(dòng)法》，合理安排車間人數(shù)及工作時(shí)間。(1)對(duì)生產(chǎn)崗位人數(shù)的選取需要考慮不同工種和勞動(dòng)量強(qiáng)弱；(2)學(xué)歷不同的勞動(dòng)力盡可能發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避缺點(diǎn)；(3)各車間的管理者一般是總?cè)藬?shù)的5％；(4)交接班需考慮各自的工作性質(zhì)和工作條件，本設(shè)計(jì)車間環(huán)境一般是高溫多塵。因此本設(shè)計(jì)采用6小時(shí)工作制。6.2成本計(jì)算電解鋁的成本計(jì)算首先要考慮的是：氧化鋁、電能消耗、氟化鹽和陽(yáng)極炭塊，以下將逐步分析各個(gè)生產(chǎn)因素的價(jià)格，從而算出一噸電解鋁的理論成本價(jià)及總成本首先查閱資料，收集各原材料單價(jià)：氧化鋁（2500），各氟化鹽均價(jià)（5800），冰晶石（5000），電費(fèi)（0.24），重油（1500）。氯化鋁的價(jià)鉻=氯化鋁單耗量×單價(jià)=1200×5.64=6563.4元氯化鹽的價(jià)鉻=氯化鹽單耗×單價(jià)=5800×0.032=120元陽(yáng)極炭塊的價(jià)鉻=陽(yáng)極炭塊單耗×單價(jià)=100×10.88＝1088生產(chǎn)噸鋁成本=各原材料價(jià)鉻+電價(jià)＋工人工資＋動(dòng)力燃料＋制造費(fèi)用＋年折舊費(fèi)因此，可計(jì)算出噸鋁成本為12200元。而目前市面鋁價(jià)為16000元每噸。因此本設(shè)計(jì)具有經(jīng)濟(jì)可行性。

表7.1各個(gè)生產(chǎn)因素價(jià)格表項(xiàng)目成本氯化鋁6563.4氯化鹽120陽(yáng)極炭塊1088電價(jià)7100生產(chǎn)噸鋁成本12200.14總成本130007電解鋁廠的煙氣凈化與環(huán)境保護(hù)7.1鋁電解與環(huán)境保護(hù)7.1.1鋁電解生產(chǎn)過程的環(huán)境負(fù)荷沉重鋁的用使用范圍極廣，鋁和鋁合金材料的消費(fèi)量只比鋼鐵材料少。然而鋁材也是各種工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)環(huán)保危害最大的工業(yè)材料之一。每次生產(chǎn)過程中的能量損耗大約為生產(chǎn)鋼的4到5倍，僅僅只有廢水排放量少于鋼材，其中，尤其CO2的生產(chǎn)量更是使其它工業(yè)材料望其項(xiàng)背。而在鋁電解工藝流程中，除了溫室效應(yīng)氣體，有害氣體、粉塵等，還將排放大量含氟陰極廢舊內(nèi)襯，這種物質(zhì)會(huì)嚴(yán)重破壞生態(tài)平衡。故而，鋁產(chǎn)業(yè)的環(huán)境治理始終是一項(xiàng)大事。而其中，本設(shè)計(jì)生產(chǎn)帶來的環(huán)保問題尤其惡劣。主要是治理難度大，煙氣凈化設(shè)施會(huì)使噸鋁成本增大。但目前，伴隨鋁工業(yè)生產(chǎn)，產(chǎn)生的破壞環(huán)境的物質(zhì)有非常嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，這必然讓減少鋁工業(yè)對(duì)環(huán)境造成的負(fù)荷成為建立鋁廠的一項(xiàng)重要議程，是決策者選擇清潔生產(chǎn)工藝和研究煙氣治理技術(shù)。7.1.2鋁電解的環(huán)境負(fù)荷特點(diǎn)鋁工藝流程中主要的環(huán)境負(fù)荷：1.鋁電解對(duì)環(huán)境的影響。2.鋁電解過程中會(huì)有大量能源被使用，當(dāng)它們?nèi)紵龝r(shí)和鋁電解過程中的帶電反應(yīng)都會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。3.鋁工業(yè)原材料損耗對(duì)應(yīng)的是間接的環(huán)境污染。7.2電解鋁生產(chǎn)的污染源由第8.1節(jié)可知，對(duì)環(huán)境影響最大的是鋁電解過程本身。本設(shè)計(jì)將會(huì)討論這一部分的污染源頭和它的治理方法。在電解鋁的工藝中，主要污染物是氣態(tài)和固態(tài)的氟化物。其它物質(zhì)有CO、CO2和SO2。此外，最有危害的污染物是過氟化物，這是溫室氣體中破壞力最強(qiáng)的。[7]7.2.1氟化物的來源氟化物有以下幾個(gè)來源：(1)熔融鋁電解質(zhì)的蒸氣。(2)氣態(tài)氟化物主要是HF。(3)當(dāng)電解過程接近發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生過氟化炭CF和C2F6(4)電解槽加入氟化鹽時(shí)由于飛揚(yáng)所產(chǎn)生粉塵進(jìn)入煙氣中，造成含氟粉塵的污染。7.2.2氟化物的危害(1)氟化物對(duì)人體健康和動(dòng)物的影響易溶解的氟化物，危害作用一般是最大的。氟離子是各種細(xì)胞的毒物，因此它對(duì)人體的細(xì)胞有一定影響。牙齒和骨骼的氟中毒，是長(zhǎng)期接觸氟化物所致。其中牙齒的氟中毒會(huì)使牙齒發(fā)生永久性的缺陷，這其中的罪魁禍?zhǔn)拙褪氢}化不完全。而骨骼氟中毒的情況，是高頻率與含氟化物量高的環(huán)境接觸。但在鋁電解工藝流程中，國(guó)內(nèi)外發(fā)生上述現(xiàn)象的可能性極小。這幾種癥狀只會(huì)發(fā)生在沒有監(jiān)管的排放氟化物的鋁廠，在當(dāng)今社會(huì)，基本不會(huì)出現(xiàn)。出現(xiàn)頻率最高的是支氣管炎。(2)對(duì)農(nóng)作物的影響過多氟化物會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物的產(chǎn)量降低，從而降低其品質(zhì)。主要機(jī)理是存在于空氣中的氟化物通過農(nóng)作物的葉片氣孔進(jìn)入農(nóng)作物，或以顆粒物的形式積落在農(nóng)作物的葉子表面，對(duì)以該植物為食的動(dòng)物也會(huì)有風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)葉尖和葉緣出現(xiàn)傷斑，就可以猜測(cè)是否是氟化物濃度高，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成枯斑癥。氟化物對(duì)農(nóng)作物的影響，不僅是肉眼可以發(fā)現(xiàn)的癥狀，對(duì)植物發(fā)育更是會(huì)加以阻礙，延緩生長(zhǎng)以及光合作用速率。相同濃度的氟化物比SO2的毒性大20～100倍，[11]7.3污染物排放控制在鋁電解工藝流程中對(duì)有害物排放如何控制要從兩方面走，首先要把落后的生產(chǎn)工藝技術(shù)與設(shè)備逐步淘汰，這樣可以在工業(yè)源頭把控有害物的排放量，達(dá)成環(huán)境保護(hù)的要求。其次，要采用最先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)，讓工藝流程的每一步都更自動(dòng)化和智能化，就可以使污染物的排放被有效控制住。7.3.1廢氣排放控制鋁本設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的廢氣主要HF。處理辦法是使用鋁的氧化物，來除去HF。氟化物排放和揮發(fā)濃度，顆粒物粉塵排放濃度都可以達(dá)標(biāo)。7.3.2廢水排放控制首先是要掌握排水量，使鋁電解過程中的水盡可能循環(huán)利用，達(dá)到90％以上。而在鋁電解工藝流程中產(chǎn)生的廢棄用水通過集中污水處理后，經(jīng)檢測(cè)達(dá)標(biāo)后可充當(dāng)循環(huán)水。經(jīng)過集中處理后達(dá)到一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)后，生活污水才可以被二次使用。7.3.3固廢處置我國(guó)目前的處理方式是渣場(chǎng)存放。電解槽的大修渣場(chǎng)，一般選取其四周來搭建導(dǎo)流截洪溝，來