輕金屬冶金學課程設計

1、<p>　　《輕金屬冶金學》課程設計</p><p>　　題 目： 輕金屬冶金學課程設計 </p><p>　　系 部： 建筑與資源工程系 </p><p>　　班 級： 0 9軟件冶金2班 </p><p>　　學 號： &

2、lt;/p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導老師： </p><p>　　2012年6月20日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　緒 論….……

3、………………………………………...…...…...………………...2</p><p>　　第一章 鋁電解生產工藝的介紹5</p><p>　　1.1 電解方法的發(fā)展歷史5</p><p>　　1.2 現代生產方法5</p><p>　　1.3 電解槽簡介6</p><p>　　1.4 現代鋁電解槽

4、結構7</p><p>　　1.4.1 預焙陽極電解槽7</p><p>　　1.4.2 自焙陽極電解槽9</p><p>　　1.4.2 各種槽型的比較11</p><p>　　1.5 采用的生產方法12</p><p>　　第二章 鋁電解槽正常生產保持的技術條件12</p><p

5、>　　2.1 槽電壓12</p><p>　　2.2 極距13</p><p>　　2.3 電解溫度13</p><p>　　2.4 電解質成分13</p><p>　　2.5 電解質水平和鋁液水平15</p><p>　　2.6 陽極效應系數15</p><p>

6、　　2.7 電流密度16</p><p>　　第三章 電解原理17</p><p>　　3.1 陰極過程17</p><p>　　3.2 陽極過程17</p><p>　　第四章 鋁電解槽計算18</p><p>　　4.1 陽極結構參數的選擇與計算18</p><p>

7、　　4.2 電解槽槽體結構選擇計算18</p><p>　　4.3 陰極結構參數的選擇及計算20</p><p>　　4.4 鋁電解槽導電部件的選擇與計算20</p><p>　　第五章 設計心得22</p><p>　　第六章 附圖《中間下料式預焙陽極電解槽圖》</p><p><b>　

8、　緒 論</b></p><p>　　在有色金屬之中，輕金屬發(fā)展較晚，十八世紀末被陸續(xù)發(fā)展后，十九世紀初才得以分離為單獨的金屬，本世紀才開始工業(yè)生產。然而輕金屬的生產迅速，鋁的產量在1956年超過了銅，躍居有色金屬之首，成為產量僅次于鋼鐵的金屬。</p><p>　　在國家優(yōu)先發(fā)展鋁的方針指導下，我國鋁工業(yè)走過了半個世紀的發(fā)展歷程，已形成地質、采礦、選礦、冶煉、產品開發(fā)、教

9、育、科研、設計、施工、商務貿易、較完整的工業(yè)體系，先后建成撫順、山東、鄭州、貴州、蘭州、青海、白銀、陜西、包頭、青銅峽、平果、云南、焦作扥一批電解鋁廠和一批中小電解鋁廠，帶動了相關產業(yè)的發(fā)展。</p><p>　　我國已躋身于世界鋁的生產大國和消費大國，在世界綠葉中占有舉足輕重的地位。隨著我國經濟的快速發(fā)展，國民經濟許多部門對鋁的需求不斷擴大，產不足需的矛盾日益突出。</p><p>　　

10、從歷史發(fā)展的趨勢看，20世紀80年代以來世界鋁的產量與消費基本上是同步增長。世界鋁的產量從1976年的1286.3萬t上升到1985年的1542.9萬t，同期消費量從1407.6萬t上升到1613.8萬t。進入20世紀90年代以來，世界原產鋁產量從1992年的1853萬t上升到2003年的2737.7萬t，年均遞增3.6%，同期中國、美國、德國分別從125.4萬t、413.7萬t、145.7萬t，上升到519.4萬t、566.7萬t、1

11、91.6萬t，年均遞增13.8%、29%、25%，日本從243.2萬t下降到202.3萬t，年均遞減1.7%。2004年世界產原鋁2920萬t，同比增加了6.4%，2005年達到3191萬t同比增長9.3%，同期消費量為3162萬t，增長4.7%。</p><p>　　我國正處于工業(yè)化中期階段，隨著我國經濟和社會發(fā)展進程加快，對鋁的需求日益增長，20世紀90年代以來，我國原鋁消費年均以16%的速度遞增。據中國有色

12、金屬工業(yè)協(xié)會預測，我國對原鋁的消費2010年達880萬t、2020年將達到1300萬t。對氧化鋁的需求到2010年達2040萬t、2020年為2600萬t。目前我國已成為世界首位的原鋁生產大國與消費大國。</p><p>　　我國鋁土礦以一水硬鋁石為主，礦石鋁硅比以中等級居多，鋁硅比為>10、7~10、4~7、<4的資源儲量分別占保有儲量的3.9%、26.1%、59.5%和7.5%。我國鋁土礦資源的突

13、出特點是高鋁、高硅、高鐵，決定了氧化鋁生產工藝流程長、能耗大、成本高，雖經濟科技攻關，開發(fā)出適合中國鋁資源特點的燒結法、混聯(lián)法、拜耳法生產工藝，并已經運用到生產時間中且取得較好的成效，但就整體而言，我國氧化鋁生產與國外先進水平相比仍有較大差距。</p><p>　　鋁土礦資源的保障程度差是制約我國氧化鋁工業(yè)快速發(fā)展的重要原因。據最近資料顯示按人均占有鋁土礦資源儲量計算，我國僅有400KG（而世界平均水平為4000

14、KG），只相當于世界人均的10%。根據需求預測，未來的20年我國累計鋁消費將達到1.7億t，未來30年將達到3.3億t，如果這些消費全由國內供礦，現有儲量和基礎儲量將無法滿足未來20年的需要。</p><p>　　目前我國鋁土礦正規(guī)開采的比例不到50%。而采富棄貧、采大棄小、采易棄難、亂采濫挖高達50%以上，資源浪費很大。我國鋁土礦目前主要是私營小規(guī)模群采，約占全國冶金用鋁土礦的65%，是國有礦山產量的2倍，采礦

15、方法落后，回采率不到30%，最低12%。</p><p>　　據統(tǒng)計，我國電解鋁工業(yè)到2002年已建成電解鋁廠133家，總生產能力520萬t/a,平均產能規(guī)模3.9萬t/a，原鋁產能在10萬t/a以上的有17家（其中達到20萬t/a的有貴州鋁廠和青海鋁廠），2003年我國電解鋁廠增至147家之多，平均規(guī)模5.7萬t/a，產電解鋁556.3萬t，達產率僅66.72%，產量占同期世界原鋁2737.7萬t的20.32%

16、。</p><p>　　由于市場需求的拉動，加上前些年氧化鋁加個較低和電力供應充足，原鋁廠不足需加個上揚，企業(yè)獲利頗豐，我國電解鋁近年來成為投資熱點，全國不少省市競相發(fā)展電解鋁，2001年、2002年，年均凈增產能100萬t/a，2003年達到凈增200萬t/a,到2004年達到原鋁產量667萬t，2005年以來在建和擬建項目的總能力為500萬t/a以上。</p><p>　　據統(tǒng)計，20

17、04年我國電解鋁產量達到699.4萬t，而氧化鋁的產量增長有限，缺口600萬t以上。國際氧化鋁從2002年底價格一路攀升，兩三年前氧化鋁的平均價格每噸在2000元左右，而現在漲到4300~4700元/t，一度超過5000元/t。使得電解鋁成本上升了5000元/左右。我國2005年進口氧化鋁平均價4650元/t,中國鋁業(yè)公司進口平均價為4100元/t,由于電價每千瓦時上浮4分，造成原鋁價成本上漲600元，每生產1t電解鋁約耗2t氧化鋁，約

18、耗1.5萬KW·h電。</p><p>　　國內電解鋁產能擴張，重復建設，市場疲軟，需求不振，氧化鋁、電價一漲再漲，鋁價一路走低，是一些企業(yè)經濟效益下滑，經濟虧損，生產難以為繼。我國鋁業(yè)在有色金屬工業(yè)中具有舉足輕重的地位。國外優(yōu)質價廉的礦產品進口，尤其是我國的短缺資源進口，滿足了國內加工制造業(yè)的生產和經濟建設日益增長的需求，降低我國經濟發(fā)展的總成本，但過量進口對國內競爭呈弱勢的資源產業(yè)造成了嚴重的沖擊，

19、對國家資源安全不利。</p><p>　　鋁工業(yè)是有色金屬工業(yè)中關聯(lián)度高、用量大、對國民經濟社會發(fā)展有著重大影響的產業(yè)。要從戰(zhàn)略的高度，用科學的發(fā)展觀統(tǒng)領全局，從深化體制、優(yōu)化結構，從地質、采礦、選礦、加工合理高效節(jié)約利用鋁土礦資源，從產供銷各個環(huán)節(jié)規(guī)范市場秩序，嚴格執(zhí)法，加強礦管整頓力度，以下就四點提出建議：</p><p>　　跨世紀以來，鋁廢雜料的回收量增長迅速，鋁二次資源的比重日益

20、提高。世界廢鋁回收量從1975年的254.2萬t上升到1985年的416.7萬t，其中美國、日本、德國、意大利、法國、英國回收鋁產量分別從112.4萬t、38.3萬t、29.63萬t、16.6萬t、10.7萬t、19.8萬t上升到157.5萬t、80.8萬t、58.8萬t、34.2萬t、16.4萬t15萬t。發(fā)展再生鋁產業(yè)可以充分實現循環(huán)利用資源，改善環(huán)境、節(jié)約能源、投資小見效快，是一項有利于緩解我國鋁資源需求緊缺的舉措，提高資源的自給

21、率，降低對國外資源的依存度，是實現“綠色工程”的有效舉措。</p><p>　　走出國門，充分利用國外鋁土礦資源，鼓勵有實力的企業(yè)，強強聯(lián)合到鋁土礦資源豐富的國家建立原料供應基地，通過風險勘探，投資合作或投資辦礦，簽訂長期供貨合同，多渠道增加氧化鋁供應量，發(fā)展我國鋁工業(yè)。</p><p>　　鋁的生產技術也在不斷完善，消耗指標的大幅度降低使鋁的價格在常用有色金屬之中按體積而言是比較便宜的。

22、</p><p>　　本設計主要講述鋁的電解生產過程的基本理論、工藝設備和生產特點進行系統(tǒng)的闡述。</p><p>　　鋁電解生產工藝的介紹</p><p><b>　　電解方法的發(fā)展歷史</b></p><p>　　鋁冶金發(fā)展大致可分為三個階段，最初是化學法煉鋁階段，1825年德國人韋勒先用鉀汞齊，后來用鉀還原無水氯化

23、鋁制得金屬鋁，1845年法國人戴維爾用鈉還原NaCl·AlCl混合鹽也得到金屬鋁，并在法國進行小規(guī)模生產，隨后羅西和別凱托夫分別用鈉和鎂還原冰晶石煉鋁成功，用此方法建廠制鋁，應用化學法練出的金屬鋁共約200噸。</p><p>　　1886年美國霍爾和法國埃魯特不約而同地提出了利用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法煉鋁的專利，開創(chuàng)了電解法煉鋁階段，最初是采用小型預焙電解槽，本世紀初葉出現了小型側部導電的自焙陽極電

24、解槽，電解槽的容量（電流強度）也逐漸由最初的2kA發(fā)展至50kA或更高，本世紀四十年代出現了上部側電的自焙陽極電解槽。</p><p>　　本世紀五十年代以后，大型預焙陽極電解槽的出現，使電解煉鋁技術邁向了向大型化現代化發(fā)展的新階段，電解槽的容量已發(fā)展到280kA以上，電解槽的設計、安裝、操作控制都建立在現代技術的基礎上。電解煉鋁的技術經濟指標和環(huán)境保護水平都全然改觀、遠非往昔可比，一百多年來，電解煉鋁雖然仍舊是

25、建立在霍爾埃魯特冰晶石-氧化鋁熔鹽電解的基礎上，但是無論是理論上還是工藝上都取得了長足的進步，并且在繼續(xù)向前發(fā)展。</p><p>　　1.2 現代生產方法</p><p>　　現代鋁工業(yè)生產采用冰晶石—氧化鋁融鹽電解法。熔融冰晶石是溶劑，氧化鋁作為溶質，以碳素體作為陽極，鋁液作為陰極，通入強大的直流電后，在950℃-970℃下，在電解槽內的兩極上進行電化學反應，既電解?；瘜W反應主要通過

26、這個方程進行：2Al2O3==4Al 3O2。 陽極：2O2ˉ-4eˉ=O2↑陰極:Al3 3eˉ=Al。陽極產物主要是二氧化碳和一氧化碳氣體，其中含有一定量的氟化氫等有害氣體和固體粉塵。為保護環(huán)境和人類健康需對陽極氣體進行凈化處理，除去有害氣體和粉塵后排入大氣。陰極產物是鋁液，鋁液通過真空抬包從槽內抽出，送往鑄造車間，在保溫爐內經凈化澄清后，澆鑄成鋁錠或直接加工成線坯.型材等。</p><p>　　其生產工藝流

27、程如下圖：</p><p>　　1.3 電解槽簡介</p><p>　　鋁電解槽簡介 (1)鋁電解槽的演變在鋁電解工業(yè)中，電解槽的大小，一般也稱電解槽的容量，皆以其電流強度的大小表示。鋁電解槽的電流強度，也是經歷了由小到大逐步增加的過程。第二次世界大戰(zhàn)前，世界各國鋁廠的系列電解槽的電流強度，在2-5萬安培，戰(zhàn)后到1952年發(fā)展到6-8萬安培。20世紀80年代初期發(fā)展到15-20萬

28、安培，目前則已達到30萬安培以上，并已開始研究開發(fā)更大容量的電解槽。 ①第一階段（初期的預焙槽） 在鋁電解法投入工業(yè)生產初期，電解槽很小，電流強度低，使用的陽極是預焙的石墨或碳素制成的，陽極電流密度高達6-7A/cm2，電耗增高至90000 kW.h/t鋁，生產成本高，鋁價昂貴。例如，1888年時用于生產的是4000A的電解槽，電解槽有一個方形陽極，陽極電流密度為6.4A/cm2，槽電壓為10V，電耗為42000kW.h/t鋁

29、。但1933年時電解槽的電流強度就已經達到55000A，有預焙陽極22塊，陽極電流密度降至1.01A/cm2，電耗降至20000 kW.h/t鋁。 ②第二階段（旁插槽） 早在1923年挪威就開始采用8000A的旁插槽。美國在1927</p><p>　　③第三階段（上插槽） 上插槽在20世紀40年代開始試用，60年代初期擴展到一些產鋁國家。與旁插槽相比它的優(yōu)點是： a.導電系統(tǒng)進一步有所簡化；

30、 b.電解槽和陽極的操作便于機械化、自動化； c.集氣罩密閉性好，抽出氣體量小，有利于凈化處理； d.能適應大一些的電流強度。 上插槽也有嚴重不足之處： a.電解槽上部結構，陽極提升機等機械設備復雜； b.二次陽極燒結質量不好，影響生產效率，電耗較大，陽極事故相對較多； c.在集氣罩里的陽極側部易氧化，易產生裂紋和裂縫。</p><p>　　④第四階段（現代

31、預焙槽） 預焙槽有兩種類型，一是邊部加料式，一是中間加料式。初期預焙槽經過很多改進，并用現代科學技術進行裝備，出現了現代預焙槽，目前世界上新建鋁廠幾乎全部采用現代預焙電解槽。它的優(yōu)點是，能適應更大的電流強度，電耗更低，上部結構簡單，機械化自動化程度高，環(huán)保條件好。缺點是有15％-20%的殘極需處理，陽極要事先預制好，這就使陽極的成本大為提高。</p><p><b>　　現代鋁電解槽結構</b&

32、gt;</p><p>　　工業(yè)鋁電解槽幾乎都由相類似部分構成，陽極裝置、陰極裝置、母線系統(tǒng)和集氣系統(tǒng)，鋁電解槽按槽底裝置的結構劃分為有底槽和無底槽，按導電方式可劃分為單端進電和雙端進電槽，按集氣方式劃分為敞開式和密閉式集氣槽。</p><p>　　1.4.1 預焙陽極電解槽</p><p>　　現代預焙陽極電解槽按其加料方式不同可分為兩種：邊部打殼下料電解槽；中

33、部打殼下料電解槽。這兩種預焙槽的陰極裝置，母線裝置和槽罩等方面是相同的，所不同的是后者配備有自動打殼和下料裝置。</p><p>　　1.4.1.1 陽極炭塊組</p><p>　　陽極炭塊組包括陽極導桿、鋼爪和炭塊三個部分。</p><p>　　鋁導桿用夾緊在陽極大母線上。有三種炭塊組：單塊組、雙塊組和三塊組。鋁導桿用鋁合金制作。鋼爪與鋁導桿的連接方法很多，諸如

34、電焊、摩擦焊、爆炸焊和螺栓連接。我國鋁廠采用爆炸焊。</p><p>　　陽極炭塊用振動機成型。炭塊呈長方形，炭塊上有加工的炭碗，鋼爪分別插入皮炭碗中，陽極炭塊上一般噴涂鋁作保護層。電解槽上有集氣罩。</p><p>　　1.4.1.2 陰極裝置</p><p>　　鋁電解槽通常采用長方形剛體槽殼，槽壁和槽底用型鋼加固，槽膛深度450~600mm。槽底鋪一層陰極炭

35、塊，其厚度大約是400~450mm。陰極炭塊下面是耐火磚層和保溫磚層，陰極炭塊之間一般有40~50mm寬的縫，用炭糊搗固填充。</p><p>　　在槽膛之側壁有一層炭塊和一層耐火磚，有的還在側部炭塊之內壁上炭糊搗固成斜坡，構成人造“伸腿”，用來保護側部炭塊并收縮鋁液鏡面。近來在大型電解槽上，特別是在中部下料的預焙槽上，側部保溫磚有所減薄，以適應邊部不下料之需要。</p><p>　　陰極

36、炭塊組是由陰極炭塊同埋沒在炭塊內的鋼質導電棒構成，導電棒的數目可為一根或兩根，在導電棒與炭塊之間用生鐵澆鑄。陰極炭塊組在槽內長短交錯排成兩行。有些電解槽為了提高槽底導電性，特意采用通長的陰極炭塊，其中放置兩根通長的導電棒。</p><p>　　1.4.1.3 母線結構</p><p>　　電解槽母線是電解槽的帶電構件，由陽極母、陰極母線及立柱母線三個部分組成，都是用鋁制作。鋁母線有兩種：

37、壓延母線和鑄造母線。后者通常用于高電流的大型電解槽。</p><p>　　電解槽母線的配置方式有多種多樣，而選擇哪種配置方式，則根據電解槽的類型，容不得量和在廠房中的配置而定。選擇母線時必須遵循下述原則：母線的經濟電泫密度；磁場對電解過程影響最小；在不破壞其余槽子運行的情況下，能盡快地將任何一臺電解槽與電路切斷或接通。</p><p>　　大型預焙槽一般采用橫向排列，而中型電解槽一般采用縱

38、向排列方式。母線的配置方式前者采用雙端進電或四端進電；后者采用單端進電。</p><p>　　1.4.2 自焙陽極電解槽</p><p>　　1.4.2.1 自焙陽極側插棒式電解槽</p><p>　　自焙陽極側插棒式電解槽適用于中小型電解鋁廠。目前，我國中小鋁廠采用這種結構的電解槽。由于這種電解槽熱損失多，故要加強保溫。</p><p>

39、　　基礎 側插棒式電解槽的電流強度一般為40000A以下，為了保溫一般采用無底槽殼，電流強度為60000A以上的一般采用有底槽殼，無底槽是直接安裝在磚基礎之上的，用地腳螺栓將槽殼與混凝土地基聯(lián)接加以固定。有底槽殼一般安裝在混凝土基礅上，基礅和槽殼之間鋪砌瓷板和石棉板，以保證電解槽的基礎有充分可靠的電絕緣。</p><p>　　陰極 電解槽通常采用長方形體槽殼，外部用型鋼加固。槽殼上口有槽沿板，槽沿板上焊接著擋

40、料板，用以防止原料淌出。槽殼內部砌筑保溫層和炭塊。因有底槽的槽底熱量損失較大，所以在槽底應加強保溫措施。對保溫材料的選擇和鋪設的層數及位置，不同的槽型有所差異。這里僅就中型槽說明槽體的大致結構；槽殼內部自下南昌上有二岐石棉板；二至三層硅藻土磚。二層粘土耐火磚；其中還有一層65mm厚的氧化鋁層。保溫層之上為炭塊素底墊，其作用是鋪平耐火磚表面，以便安放陰極炭塊組，并保護耐火磚層免受電解質的侵蝕。自焙陽極電解槽在炭素墊上安裝的陰極炭塊組及電解

41、槽側壁內襯結構、材料與預焙陽極電解槽相同。</p><p>　　關于陰極炭塊的斷面尺寸，目前廣泛采用的是兩種：</p><p>　　1) 400×400 mm (鋼棒一般為115×115 mm)；</p><p>　　2) 400×500 mm (鋼棒一般為115×230 mm)。</p><p>　　

42、大型預焙槽的陰極炭塊斷面尺寸515×450 mm,采用矩形雙陰極棒，</p><p>　　根鋼棒斷面65×180 mm,以降低其電流密度，能減少槽底電壓降。</p><p>　　陽極 炭陽極外面有鋁箱和鋼質框架，炭陽極由液體糊和堅實的固體炭構成。陽極體下的錐體在電解過程中伴隨身的消耗而逐漸升高，因而在止面的鋁箱內必須周期性的添加陽極糊，確保陽極工作的連續(xù)性。陽極總高一

43、般保持在140～160cm ，其中上部液體糊中心高度為40～60cm，下部錐體中心高度為90～110cm 。</p><p>　　鋁箱由1.5mm壓延鋁板制成，形狀為長方框形。它起著盛裝陽極糊和保護下部錐體不被氧化的作用。隨著陽極消耗須在上部定期鉚接新的鋁箱。</p><p>　　陽極棒用軟鋼制作，直徑為60～80mm，長度為750～800mm，從陽極側面插入與水平成15～20°

44、角，共有四排。其中上面兩排榨不導電，屬于備用導電母線。</p><p>　　上部金屬結構 上部金屬結構包括：支柱、平臺、氧化鋁料斗、陽極升降機構、槽簾和排煙管道。四個支柱裝在槽殼的四角上，它的作用在于承擔全部金屬結構、陽極和導電母線的重量。</p><p>　　導電母線和絕緣設施 鋁電解槽的陽極母線、陰極母線和立柱母均用鋁板制作，但是，陽極小母線采用銅板和軟銅片焊成。由于銅板價格較貴，

45、故銅母線電流密度較大，一般為1A·cm，約為鋁母線電流密度的3～4倍。</p><p>　　由于鋁電解廠房內系列電壓很高，電流密度很大，所以金屬結構之間或金屬結構與鋁母線之間都有絕緣設施，以防短路。</p><p>　　1.4.2.2 自焙陽極上插棒式電解槽</p><p>　　自焙陽極上插棒式電解槽在工業(yè)上已被廣泛地采用。這種電解槽的陰極裝置與側插槽相

46、仿。上插槽的陽極裝置是由炭素陽極體、陽極框套和陽極升降機構組成。雖然它的陽極也是連續(xù)陽極，但是陽極棒卻是從陽極頂部插入。陽極棒一般是鋁鋼組合棒，鋁合金導桿連接在鋼棒的上端。陽極棒在陽極橫斷水平面上按4排配置，而在垂直面上按2~4層配置，層間距離為10~12cm，鋁合金導桿與陽極母線大梁之間用夾具夾緊。陽極母線系鑄鋁母線，用縱向的鋼梁加固，它既作導電體，又作承重梁。鋁鋼陽極棒與側插槽所用的鋼陽極棒不同，它不僅導電率高，而且有助于穩(wěn)定電解槽

47、的電磁場，因為陽極棒的鋁部分沒有磁性。炭陽極的外圍有陽極框套，陽極框套由10mm厚的鋼板焊成，其下口比上口大10mm，并用垂直的和水平的型鋼加固。陽極框套下緣四周設有鑄鐵的集氣罩，它延伸到槽面的氧化鋁保溫層內，他陽極氣體匯聚起來，并將其排送到槽面對角位置上的兩個燃燒器內。陽極氣體中的一氧化碳和瀝青揮發(fā)分在燃燒器內燃燒，然后連同氟氣一起排入凈化裝置，進行氣體凈化回收。</p><p>　　陽極內發(fā)生的焦化作用，形成

48、了燒結錐體。陽極體總高一般在125cm左右，其中液體糊中心高度為15cm左右，陽極棒通過上層的液體糊一直插到陽極錐體之內，其主要不同點是拔棒后遺留下來的孔洞由上層的陽極糊來填充，結果生成“二次陽極”，對陽極質量有一定的影響。</p><p>　　陽極升降機構分主提升機構和副提升機構，這兩套提升裝置的運轉速度相等。陽極主提升機構的螺旋起重器固定在電解槽縱向兩端水泥柱的懸臂梁上，四根運動桿固定在懸吊的水平母線大梁上。

49、因而主提升機構可以升降陽極，陽極副提升機構的螺旋起重器固定在水平母線上，絲桿座固定在陽極框套上，所以副提升機構可以升降陽極框套。</p><p>　　在電解過程中陽極逐漸消耗。為了保持恒定極距，需要開動主提升機構使整個陽極下降，這時，為使陽極框套的位置不變，同樣需要開動副提升機構使陽極框套以同一速度上升。這樣，陽極框套的絕對運動速度為零，它相對于電解槽槽殼和電解質結殼的位置就保持不變。</p>&l

50、t;p>　　有些上插槽在陽極框套的兩側安裝了自動打殼機，用計算機控制。</p><p>　　1.4.2 各種槽型的比較</p><p>　　在電解過程中，陽極以大約每小時0.8~1.0mm的速度連續(xù)消耗著。在自焙陽極電解槽上，定期向鋁箱內補充陽極糊，因而陽極可以連續(xù)使用（連續(xù)預焙陽極除外）。所以，自焙陽極的連續(xù)性正好適應了電解生產過程的連續(xù)性。</p><p>

51、;　　但是，自焙陽極電解槽除了向外散發(fā)氟化物之外，還向外散發(fā)有害的瀝青煙，污染廠房內外的空氣，這是一個很大的缺點。所以需要采取密閉裝置和排煙凈化設施。預焙陽極已經在焙燒爐內焙燒過，它的瀝青煙氣正好在焙燒過程中用作燃料，不再在電解槽上散發(fā)出來。因此，采用預焙槽的電解廠房煙害小些。當然，預焙槽也需要密閉和氣體凈化設施，以排除有害氣體。</p><p>　　以機械化和自動化程度而論，目前預焙槽為最好，特別是中部下料型的

52、預焙槽，上插槽次之，有些上插槽也有自動下料裝置。</p><p>　　從陽極電壓損失方面來看，預焙陽極的電壓降只有0.3V，而自焙陽極直接在電解槽上焙燒，由于其焙燒溫度較低，故陽極電壓降較大。側插棒陽極為0.4V，上插棒陽極為0.5V。</p><p>　　從基建投資來看，預焙槽的上部金屬結構比較簡單，因而這種電解槽的造價稍低。但是，采用預焙槽的工廠需要一整套的陽極成型、焙燒和裝配鋼爪的設

53、備，需要一筆額外投資，在大型廠內興建預焙槽是適宜的。上插槽的部金屬結構比較復雜，要求較高的機械化程度，投資也大，唯有側插槽投資省些。</p><p>　　小型電解槽熱損失大，各項經濟技術指標差些，勞動強度也大，單槽產能低，但磁場影響小；大型電解槽磁場影響大些，但各項經濟技術指標均好，勞動生產率高，機械化、自動化程度高。</p><p>　　1.5 采用的生產方法</p>&

54、lt;p>　　經過上面的討論，本設計采用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法，電解生產鋁。所采用的鋁電解槽為中間下料預焙陽極電解槽。</p><p>　　第二章 鋁電解槽正常生產保持的技術條件</p><p><b>　　2.1槽電壓</b></p><p>　　它是陽極母線到陰極母線之間的電壓降，它由與電解槽并聯(lián)的直流電壓表來指示。槽電壓的數值包括

55、電解槽的極化電壓值和各部分導體的電壓降值。槽電壓根據電壓表的讀書控制，一般為3.8~4.3V，這與電解槽類型有關，預焙槽較自焙槽低一些，槽電壓實現自動控制的原則是能夠隨生產操作的進行，及時而準確的完成電壓調節(jié)，因而實現了節(jié)電和增產。</p><p>　　當其他條件不變時 ,槽電壓的升高會使電解槽體系中總熱量增加。如果槽電壓的升高幅度保持長時間不變 ,鋁電解槽將通過對環(huán)境散熱量的增加對體系進行調節(jié) ,最終達到新的熱

56、平衡。</p><p><b>　　2.2極距</b></p><p>　　極距是指陽極和陰極兩極之間的距離。工業(yè)上測量是用極距鉤檢測陽極底掌到鋁液鏡面之間的垂直距離作為極距。工業(yè)鋁電解槽極距一般保持在4cm左右。根據實測每提高1mm，引起電壓降增加40mV(側插槽)或35mV(預焙槽)，極距對電流效率的影響，只有在極距較低時才明顯表現出來。而在極距超過一定限度后，極

57、距增加，電流效率提高不多，并且不能達到100%，而是有一個差值，這個差值就是在該條件下電流損失的一個固定量。另外，起點也不是零點，而是當極距減小到一定程度后，電流效率即為零，此時的極距稱之為“臨界極距”，</p><p>　　在工業(yè)生產上，在電流效率較高的情形下保持盡可能低的極距，以便減少單位鋁產量的電能消耗量。否則極距增加，將會徒使槽電壓增高，電耗加大。因此逐步創(chuàng)造條件（比如極距自動控制），使極距縮短是適宜的，

58、否則在極距過大時還會使電解質過熱，使槽電壓增加，增加電能消耗。所以選擇極距時必須從電流效率和電能效率的綜合結果來選擇。</p><p><b>　　2.3電解溫度</b></p><p>　　在生產上把電解質溫度視為電解溫度，并作為重要的技術條件，一般取950~970oC，大約高出電解質的出晶點15~20oC，電解溫度對電流效率影響特別強烈，隨溫度升高，按指數規(guī)律加速

59、擴散過程，鋁損失相應增加。同時電能和物料消耗量也增多，大大提高了生產成本，因此，現代鋁工業(yè)應當采用較低的電解質，以便降低電解溫度。</p><p><b>　　2.4電解質成分</b></p><p>　　工業(yè)鋁電解質是由冰晶石、氧化鋁和添加劑組成。其中冰晶石82%~90%，氧化鋁約為3%~8%，游離的氟化鋁8%~10%，以及為改善電解質物理化學性質采用的添加劑(Ca

60、F2,MgF2和FLi等) 3%~5%.當電解質的摩爾比為2.6~2.8，并有5%上述添加劑時，可以獲得良好的技術指標。這種弱酸性電解質具有較低的初晶點，能夠減少鋁的溶解損失，減少鈉的析出，改善炭渣的分離情況，此外，槽面結殼也酥松易打碎。電解質內氧化鋁的濃度在打殼終了時約為4~5%，而在下次打殼前減少到2~3%。采取邊部加工的方法，保持槽中Al2O3含量不變是難以實現的。采取中間自動打殼下料的加工方法，就能使電解質中的氧化鋁含量穩(wěn)定在某

61、一較高的濃度內，這對穩(wěn)定電解過程，提高電流效率會非常有利。</p><p>　　（1） NaF/AlF3摩爾比 當有過剩的AlF3時（即摩爾比小于3時）電流效率提高，這是由于電解質中AlF3過剩使鋁液——電解質的界面張力增大，也使鋁在電解質中溶解度減小，即鋁損失減小，電流效率增加。此外在酸性電解質中，Na+的放電及鋁自電解質中取代鈉的反應減弱：</p><p>　　6NaF + Al ==

62、 3Na2F + AlF3</p><p>　　6Na+ + Al == 3Na2+ + Al3+</p><p>　　但電解質過酸，則又使生成低價氟化鋁的反應增強，增加鋁的損失：</p><p>　　2Al + AlF3 == 3AlF</p><p>　　2Al + Al3+ == 3Al+</p><p>　　所

63、以，現代工業(yè)鋁電解槽一般采用酸性的電解質，其NaF/AlF3摩爾比在2.5~2.7之間。</p><p>　　（2） Al2O3濃度 關于Al2O3濃度對電流效率影響的研究結果不大一致，在一些資料中，得出隨Al2O3含量增加電流效率一直上升的結論。但多數研究指出存在一電流效率最低值。研究電流效率隨Al2O3濃度含量的變化，其實際意義在于：在采用連續(xù)下料時，應設法避開電流效率最低值所相對應的氧化鋁濃度，而采用其兩

64、側的某一相應值。</p><p>　?。?） 雜質 雜質對電流效率的影響也是不能忽視的，原料氧化鋁、氟化鹽、陽極糊中都能帶進雜質而嚴重降低電流效率。電解質中有TiO2、V2O5、P2O5存在，電流效率降低最多，其它雜質如Fe2O3、SiO2等亦有影響，但較小。因為釩、鈦、磷的氧化物能被鋁還原為低價氧化物，這些低價氧化物轉移到電解質與空氣接觸界處而重新氧化變成高價氧化物，以后又重新被鋁還原為低價氧化物，如此循環(huán)，

65、使鋁損失增大，電流效率降低，所以，在鋁電解生產過程中應嚴防雜質混入。</p><p>　　2.5電解質水平和鋁液水平</p><p>　　槽內電解液起著溶解氧化鋁的作用，電解液的高度愈高溶解氧化鋁也愈多，但由于極距是一定的，所以電解質的高度決定陽極浸入電解質的深度。增加陽極浸入深度則陽極與電解液的接觸面積增大，使電壓降降低。但電解液水平高也有不利的一面：電解質水平過高，則陽極浸入電解質必然

66、要加深，這樣陽極四周有較多的電流通過，使溫度升高，上口槽幫形成比較困難，會造成側部漏電降低電流效率；如電解質水平過低，槽內電解質熱穩(wěn)定性小，條件稍有變動容易造成槽子過冷或過熱，并且減少了氧化鋁溶解量，容易造成氧化鋁沉淀，中型槽電解質水平通常保持16~18cm，中部下料大型預焙槽電解質水平通常保持20cm，槽內電解質量約7~8t。槽內經常保持有一層液體鋁能保護槽底炭塊，減少生成炭化鋁，其次，鋁是熱的良導體，鋁液能把陽極底部中央部位多余的熱

67、量，通過這層良導體傳輸到陽極四周，使槽內各部溫度趨于一致。并且槽底有一定厚度的鋁液還能削弱磁場產生的作用力，槽內鋁液水平一般保持在20cm左右。</p><p><b>　　2.6陽極效應系數</b></p><p>　　如前所述，發(fā)生陽極效應時，電壓從3.8~4.3V瞬間升高到25~30V，有時達到50V，在整個效應期間信號燈明亮，通常在添加氧化鋁之后迅速予以熄滅。

68、如果發(fā)生效應時出現其他情況，則表明電解槽生產過程異常，如果發(fā)生效應時電壓僅10~15V，信號燈“暗淡”，則表示電解槽處于過熱狀態(tài)；如果效應時電壓忽高忽低，信號燈“閃爍”，則表示電解槽內存在局部短路，槽膛內型不規(guī)整或冷槽的情況；如果效應時電壓高達50~100V，信號燈燈光異常明亮，則表示電解槽處于過冷狀態(tài)，如果電解槽能夠按照預定的加料程序發(fā)生正常的陽極效應，則表明生產情況正常。與此相反，沒有規(guī)律超前、滯后發(fā)生或長期不發(fā)生陽極效應，則表示電

69、解槽生產情況不正常。因此，鋁廠有時利用陽極效應的發(fā)生檢查并調整槽的生產， 如溶解氧化鋁減少槽內沉淀，分離炭渣，修整槽膛內型，提高電流效率等。但是發(fā)生效應時，槽電壓很高，電能大量消耗，以180KA現代化大容量電解槽為例，如果效應電壓為30V，正常工作電壓為4.0V，效應持續(xù)時間為1.5min時，則每次陽極效應多耗費的電能應為：</p><p>　　同時，造成電解質的溫度升高，原材料大量揮發(fā)，電流效率大大下降，電解系

70、列也因發(fā)生效應引起電流下降，槽溫降低，系列破產。</p><p>　　綜上所述，陽極效應對鋁電解有利也有弊，權衡這兩方面的作用，應適當的限制并減少陽極效應，這對進一步穩(wěn)定生產、降低電耗和增加產能是非常有必要的，一般電解槽取陽極效應系數0.1~0.5次/槽·日。</p><p><b>　　2.7 電流密度</b></p><p>　　

71、(1) 陰極電流密度 陰極電流密度的改變有兩種情況，第一，電流強度不變而陰極面積（鋁液鏡面）變化，例如，電解槽中結殼伸腿的收縮和長大。第二，陰極面積不變電流強度變化。第一種情況陰極鋁液鏡面縮小時，由于金屬的溶解與擴散面積減小，因而使鋁的總損失減小。第二種情況陰極面積不變電流強度變化時，陰極氣體量變化，因而使電解質的攪拌強度變化。</p><p>　　(2) 陽極電流密度 這里也有兩種情況，第一，電流強度不變，

72、改變陽極面積；第二，陽極面積不變，改變電流強度。這兩種情況在實際生產中也經常碰到。比如，“加寬陽極”就屬于第一種情況，而強化生產則屬于第二種情況。這兩種情況雖然作用程度不同，但效果一致。即在電流密度增加時，電流效率下降；而在電流密度減小時，電流效率增加。對于第一種情況來說，在陽極面積加大時，氣體的速度減弱，因而時攪拌強度減小，使溶解金屬擴散變慢，電流效率提高；對于第二種情況來說，在增加電流強度時，氣體的析出量增加，因而攪拌加強，電流效率

73、降低。</p><p>　　在本設計中選擇的電流密度為0.7A/cm2.</p><p>　　上述技術條件最主要的是電流強度，還有槽電壓。其余技術條件都與系列電流強度和槽電壓密切關聯(lián)，它們的作用不同，有主有次，因此，在電解生產中必須根據實際情況，切實掌握好主要技術條件，調整次要技術條件，使之與主要技術條件緊密配合，保持生產平穩(wěn)正常地進行，保證良好的技術指標。</p><

74、p>　　第三章 電解原理</p><p><b>　　3.1陰極過程</b></p><p>　　鈉離子是電流的主要傳遞著，所傳輸的電流占總電流的99%。在單一熔鹽點解中，傳輸電流的鈉離子往往在電極上放電，則要肯具它們的電極電位來確定，但是在復雜的熔鹽點解中，究竟是何種離子放電，要具體情況而定。其他條件相等時陽離子電位更正，則放電的可能性越大，反之亦然。因此

75、，在復雜的熔鹽點解系統(tǒng)中，就有可能出現其他的離子放電的現象。</p><p>　　在冰晶石—氧化鋁熔體中，純的溶出電位比純鋁的溶出電位更負，同時，鋁在陰極放電時并不存在很大的過電壓，因此陰極析出的，是鋁。陰極反應為：</p><p>　　Al（配離子）+3e=Al</p><p>　　熔體中并不含有單獨的Al，鋁是包含在氟氧配離子中。因此，鋁離子在放電錢首先發(fā)生含鋁

76、配離子的離解。</p><p>　　然而，隨著電解的進行鈉和氯電位的差值會發(fā)生變化，隨著電解質摩爾比的增大，溫度的升高，氧化鋁濃度的減少以及陰極電流 的提高等而縮小。當兩者電位差趨于零時，鈉離子就有可能與鋁離子一同放電，造成電流效率的損失。</p><p>　　在電解生產中，宜采用酸性點解體系，在較低的溫度下點解，并維持盡可能大的氧化鋁濃度，防止鈉離子在陰極的大量聚集。</p>

77、<p><b>　　3.2陽極過程</b></p><p>　　冰晶石-氧化鋁體系中，陽極與陰極不同，炭陽極本省就參與電化學反應。鋁點解時的陽極過程是配離子中的氧離子在炭極上放電析出氧氣，然后與炭陽極發(fā)生反應生成二氧化碳。</p><p>　　2O（配離子）+ C－4e=CO</p><p>　　因此，陽極產物是二氧化碳，有實驗表

78、明除了在電流密度很低的情況下，陽極氣體幾乎是純二氧化碳，在工業(yè)點解槽中，陽極氣體總含有20%-30%的一氧化碳，這是由于碳渣的存在，或二氧化碳滲入陽極空隙中以及溶解在電解質中的鋁在氧化反應所致。</p><p>　　第四章 鋁電解槽計算</p><p>　　鋁電解槽計算包括：結構計算、電壓平衡計算及能量平衡計算。這里僅通過實例介紹大型中間下料預焙陽極電解槽的結構計算。其電流強度為：I=

79、210KA，陽極電流密度選擇0.7A/cm2 。</p><p><b>　　鋁電解槽結構計算</b></p><p>　　4.1 陽極結構參數的選擇與計算</p><p>　　(1) 陽極斷面尺寸 陽極炭塊規(guī)格為 1400 × 685 × 500</p><p>　　S = = 30

80、0000㎝ 故需陽極碳塊數</p><p>　　n = = 31.3</p><p>　　取32塊陽極。分兩行排列。每行16組炭塊。</p><p>　　陽極實際面積與陽極電流密度校核值為：</p><p>　　S = 32×140×68.5 = 306880 ㎝</p><p>　　D =

81、= 0.684 A/㎝</p><p>　　(2) 槽膛尺寸取陽極到槽膛側壁（大面）尺寸為380mm，到槽膛壁（小面）之距離為460mm，陽極炭塊組間距取45mm，陽極行間距取250mm，由此可計算：</p><p>　　槽膛長度 = 2 × 460 + 16 × 685 + 15 × 45 =12555 mm</p><p>　　槽膛

82、寬度 = 2 × 380 + 2 × 1400 +250 =3810 mm </p><p>　　槽膛深度 = 560 mm</p><p>　　4.2 電解槽槽體結構選擇計算</p><p>　　鋁電解槽槽體結構大致分為三部分：槽殼、槽內襯及槽底。</p><p>　　4.2.1槽內襯選擇與計算</p>

83、<p>　　槽側部內襯選擇 側壁用一層炭塊，通常用炭糊再打一層斜坡，但“伸腿”</p><p>　　不易扎固，采用梯形側部炭塊就不用打炭糊“伸腿” 。炭塊與槽殼之間留有25mm伸縮縫，用耐火顆粒填充。</p><p>　　槽底內襯選擇 側部為散熱型結構，一般底部和上部要堅強保溫。在陰極炭塊下面有碳素底墊（30mm）,三層耐火磚（3 × 65mm），一層氧化鋁粉（10

84、0mm），三層保溫磚（3 × 65mm），硅酸鹽保溫磚一層（65mm）。由此計算：</p><p>　　底部厚度 = 450（底部炭塊） + 30 + 3 × 65 + 100 +3 × 65 +65 = 1035mm</p><p>　　槽深：1035 + 560（槽膛深）= 1595 mm</p><p><b>　　4.

85、2.2 槽底</b></p><p>　　槽底部陰極炭塊的選擇可以采用1680 × 545 × 450 mm，分兩行排列。也可以采用通常陰極炭塊，其規(guī)格3370 × 515 × 450 mm，單行排列共22組。炭塊間用炭糊扎縫（30mm），由此可計算陰極炭塊側部到槽膛側壁與端壁之間距離分別為： </p><p>　　炭

86、塊到端壁邊緣尺寸 = = 297.5 mm</p><p>　　炭塊到側壁邊緣尺寸 = = 220 mm</p><p>　　4.2.3 槽殼結構及尺寸</p><p>　　槽殼結構有壁撐式和搖籃式兩大類。搖籃架是彈性變形體，這種槽殼受力不產生應力集中，在電解槽的端角部位，不能發(fā)生斷裂現象，這是搖籃式槽殼最大的優(yōu)點，搖籃支架選用360mm工字鋼、厚鋼板焊制而成

87、，槽側壁及端壁都設有搖籃架。</p><p>　　依據槽膛及槽內襯尺寸可以算出槽殼尺寸：</p><p>　　槽殼寬度 = 3810 + 2× 150（內襯）+ 2×12（鋼板）+ 2× 25（伸縮縫）=4184mm</p><p>　　槽殼長度 = 12555 + 2 × 150（內襯）+ 2 × 12（鋼板）+

88、2 × 25（伸縮縫）=12929 mm</p><p>　　槽殼深度 = 560 + 1035（槽底部內襯厚度）+ 12（鋼板）+ 40（槽沿板）=1647 mm</p><p>　　4.3 陰極結構參數的選擇及計算</p><p>　　陰極電流密度一般取0.18～0.25 A/mm，選擇D=0.2A/mm時，陰極截面積為</p><

89、;p>　　S = = 1000000 mm</p><p>　　陰極鋼棒規(guī)格為200×140 mm ，可算出陰極棒數為</p><p>　　n = = 21.37</p><p>　　故取22根陰極鋼棒，這與前面得到的22組陰極碳塊結果是相同的。</p><p>　　4.4 鋁電解槽導電部件的選擇與計算</p>

90、;<p>　　4.4.1 陽極部分導電部件的選擇與計算</p><p>　　(1) 陽極橫母線 取母線電流密度為0.334 A/cm,母線的橫截面積為：</p><p>　　S = = = 157186 mm</p><p>　　母線規(guī)格為520×230 mm時，選用1片。母線配置采用雙端進電，可減小磁場對電解槽鋁液的影響。</

91、p><p>　　(2) 陽極軟母線 取軟母線經濟電流密度為0.22 A/ mm(一般為0.2～0.3 A/ mm),軟母線規(guī)格為600×2 mm ，可算出軟母線的片數為：</p><p>　　n = = 175 片</p><p>　　(3) 陽極導桿 陽極組數經計算為32組，陽極導桿為32根，取陽極導桿斷面尺寸為130×130 mm 。導桿電流

92、密度為</p><p>　　d= = 0.388 A/mm</p><p>　　4.4.2 陰極部分導電部件的選擇與計算</p><p>　　陰極鋼棒 根據陰極鋼棒數及其斷面尺寸，可以計算陰極鋼棒電流密度：</p><p>　　d= = 0.17 A/mm</p><p>　　(2) 陰極大母線 陰極大母線規(guī)格遠

93、端600×150 mm ,近端600×125 mm ,電流密度分別為：</p><p>　　d= = 0.583 A/mm</p><p>　　d= = 0.7 A/mm</p><p>　　(3) 陰極小母線 陰極小母線規(guī)格200×2 mm ,小母線電流密度為0.42 A/mm，則陰極小母線片數為：</p><