铝电解生产工艺流程设计 精品.docx
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铝电解生产工艺流程设计精品
第一章概述
1.1铝电解工业现状
目前,电解铝工业仍以改善和提高霍尔-埃鲁法电解槽技术水平为主,着力于节能减排,降低能耗、物耗和原铝成本,在从源头上就减少气固废物料污染的同时,加强废物料废铝的无害化和资源化处理,实现资源再生和循环利用,进一步提高产品质量和扩大产品种类。
现代化预焙电解槽的电流强度继续向超大型化发展。
继法国AP18和AP30型电解槽技术后,AP50技术已问世。
最近,俄罗斯铝业启动了电流强度为400KA的RA400槽型电解槽系列两条。
该系列是在原300KA电解槽技术基础上开发的第二代超大型电解槽,该槽日产量3t,电流效率94%,电耗13800kW·h/t,减少33%污染物。
目前正在开发450~500KA电解槽,预计将开展RA500电解槽试验。
600~740KA超大容量电解槽也在开发研究中。
国外大容量（300KA以上）电解槽阳极电流密度为0.8A/cm2以上,主要经济技术指标:
电流效率93%~95%,直流电耗13000~13500kW·h/t（Al）;最先进的技术指标电流效率可达96%,电耗略低于13000kW·h/t（Al）。
表1-2为彼斯涅AP30—AP50电解槽发展过程中的主要设计参数和技术经济指标。
法国彼斯涅AP系列电解技术被公认为代表当今国际领先水平。
从AP电解系列技术中不难看出其具有如下几个特点:
（1）阳极电流密度较高,可达0.8A/cm2以上,单位阴极面积产能大。
（2）槽电压和电解稳定性均较高,电解质过热度都较低,不超过10℃,槽膛内形中炉帮和伸腿的固相结壳厚度稳定合理,因此电流效率高,可达95%~96%,电耗可低到13000kW·h/t（Al）,槽寿命达2000天。
（3）分子比、氧化铝和阳极效应系数低,说明其设计操作和控制技术水平高。
国外铝电解的数学模型、传感器、控制和新材料等功能化技术水平较高。
采用的物理场数学模型精确有效,电解槽结构设计质量高,槽电解运行稳定性好,电流效率可达95%~96%。
应用了半连续传感器实时在线检测控制温度、过热度、分子比、熔体高度和氧化铝浓度。
控制水平先进,控制效应系数向零目标发展。
在高电流密度、高槽电压、高电解温度条件下,通过槽电压、分子比和过热度的软件程序控制技术,实现电解槽的能量平衡、物料平衡和液固相平衡,即过热度和炉帮伸腿构成的固相电解质槽膛内型稳定合理。
这样不仅电流效率高、炭耗低,而且电解槽寿命长。
表1-2彼斯涅AP30—AP50电解槽发展过程中的主要设计参数和技术经济指标表
开发应用抗熔体渗透的槽衬耐火材料、热电偶套管、优质炭素阴阳极、可湿润阴极和惰性阳极等新型材料。
优化电解质组成,降低电解质电压降和提高电流效率。
对铝电解产生的废渣、废槽衬等废物料实行有价成分再生回收并循环利用,或对其做无害化处理,减轻铝电解工业废物对环境污染。
美国铝电解工业总排氟量达到0.7kg/t（Al）水平。
为了大幅度提高电解法能量效率和减少二氧化碳排放量,国外开展力求降低阴阳极之间电压降的工业试验,采用炭阳极开沟槽、TiB2可湿润阴极、惰性阳极、导流式或双极多室式新型结构电解槽等新工艺新技术新材料新设备。
对于可望替代现有霍尔-埃鲁特电解法的一些炼铝新工艺方法,如炭热还原法、氯化铝双极多室电解法等长远课题还在继续进行研究。
1.2铝电解工业的发展趋势
（1）世界铝工业的组织结构日趋规模化、集团化、国际化
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：
a、槽型大，电流强度达到300kA以上；b、电流效率高，一般达到94%-95%，个别企业已经提高到96%；c、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。
第二章铝电解工艺
2.1铝电解生产工艺流程
铝电解工艺流程：
现代铝工业生产采用冰晶石—氧化铝融盐电解法。
熔融冰晶石是溶剂，氧化铝作为溶质，以碳素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在950℃-970℃下，在电解槽内的两极上进行电化学反应，既电解。
化学反应主要通过这个方程进行：
2Al2O3==4Al3O2。
阳极：
2O2ˉ-4eˉ=O2↑阴极:
Al33eˉ=Al。
阳极产物主要是二氧化碳和一氧化碳气体，其中含有一定量的氟化氢等有害气体和固体粉尘。
为保护环境和人类健康需对阳极气体进行净化处理，除去有害气体和粉尘后排入大气。
阴极产物是铝液，铝液通过真空抬包从槽内抽出，送往铸造车间，在保温炉内经净化澄清后，浇铸成铝锭或直接加工成线坯.型材等。
其生产工艺流程如下图：
氧化铝氟化盐碳阳极直流电
↓↓↓↓
排出阳极气体------电解槽
↑↓↓
废气←气体净化铝液
↓↓
回收氟化物净化澄清
↓↓↓
返回电解槽 浇注轧制或铸造
↓↓
铝锭线坯或型材
方程：
电解铝就是通过电解得到的铝. 重要通过这个方程进行：
2Al2O3==通电4Al+3O2。
阳极：
2O2ˉ-4eˉ=O2↑ 阴极:
Al3++3eˉ=Al
其生产工艺流程如图2-1所示。
图2-1铝电解工艺流程图
2.2生产原料
2.2.1原料
炼铝的原料是氧化铝。
氧化铝是当前冰晶石-氧化铝熔盐电解法的唯一原料，是一种由矿石中提炼出来的有一定粒度要求的白色粉状物，熔点2050℃，沸点为3000℃，真密度为3.5-3.6g·cm-3假密度为1gcm-3.。
流动性很好，不溶于水，能溶于冰晶石熔体中，是铝电解生产中的主原料。
氧化铝有七种晶型，最常见的是α-Al2O3，又称刚玉型氧化铝。
它主要是不断的补充电解质中的铝氧氟配合离子，使其保持一定的范围浓度，以保证电解的持续进行。
为了取得良好的生产指标，对氧化铝的要求是非常严格的。
铝电解对氧化铝的化学纯度和物理性能有较高要求。
（1）化学纯度
要求氧化铝中杂质含量和水分要低。
工业氧化铝中通常含有Al2O398.5%以及少量的SiO2、Fe2O3、TiO2、Na2O、CaO和H2O。
表1-1为按化学纯度分级的国产氧化铝质量标准。
表1-1国产氧化铝质量标准（YB814-75）
产品级别
化学成分/%
代号
Al2O3含
量不少于
杂质含量不大于
SiO2
Fe2O3
Na2O
灼碱
一级
Al2O3-1
98.6
0.02
0.03
0.50
0.8
二级
Al2O3-2
98.5
0.04
0.04
0.55
0.8
三级
Al2O3-3
98.4
0.06
0.04
0.60
0.8
四级
Al2O3-4
98.3
0.08
0.05
0.60
0.8
五级
Al2O3-5
98.2
0.10
0.05
0.60
1.0
六级
Al2O3-6
97.8
0.15
0.06
0.70
1.2
（2）物理性能
通常要求他具有较小的吸水性，粒度适宜，能够较多较快的溶解在熔融冰晶石里，加料时的飞扬损失要小，并且能够严密的覆盖在阳极炭块上，防止器暴露于空气中而被氧化。
另外，氧化铝覆盖在电解质结壳上，还起良好的保温作用。
用于气体净化时，要求氧化铝具有较好的活性和足够的比表面积。
工业用氧化铝通常是两种同素异构体的混合物，即α-Al2O3和β-Al2O3.
生产每吨铝理论上需要氧化铝1889kg。
实际上由于工业氧化铝中含Al2O398.5%左右，且在运输和加料过程中还存在尘散损失，所以生产每吨铝所消耗的工业氧化铝量约为1920-1940kg。
2.2.2辅料
冰晶石是铝电解中氧化铝的熔剂，而氟化铝、氟化钙、氟化镁、氟化锂等氟化盐则用作调整和改善电解质性质的添加剂，是铝电解生产中的副原料。
氟化铝是主要的添加剂，主要用于降低电解质的分子比，从而降低电解温度。
氧化铝可溶于油冰晶石和其他几种氟化物组成的熔剂里，构成冰晶石-氧化铝熔液。
这种熔液在电解温度下能够很好的导电。
其密度大约是2.1g·cm-3，比相同温度下铝液的密度2.3g·cm-3小，而能够保证与铝液分层。
这种熔液里基本不含比更正铝电性的元素，从而能够保证铝的纯度及电流效率。
第三章技术条件及经济技术指标选择
3.1技术条件
正常生产的主要技术经济指标包括：
电流效率、电解温度、电解质水平、阳极电流密度、铝水平、极距、电解质分子比、阳极效应系数等。
这些指标互相影响，总的来说，在一定时期内尽可能地保持其相对稳定。
3.1.1电流强度
原则上说，大厂用大电流的电解槽，小厂用小电流的电解槽。
产量大的铝厂，如年产20万t以上，以大电流为好，280kA、300kA、皆可；而年产量在5-20万t的铝厂，则以160-280kA为主；年产5万t一下可选择60-160kA。
本次设计选用300kA电解槽。
3.1.2电流密度
电流密度是指单位导电面积上的电流强度D=I/S。
对于60-75kA的侧插槽，其阳极面积电流一般为0.7-0.9A·cm-2；对于80-110kA的上插槽，D阳为0.6-0.7A·cm-2；而135-180kA的预焙槽的D阳通常在0.6-0.8A·cm-2。
本设计中D阳为0.815A·cm-2。
3.1.3解质水平与铝水平
电解质水平是指电解槽中电解质的深度。
铝水平指电解槽中铝液的深度。
保证电解质水平和铝水平在一定的范围，是稳定生产的前提。
通常，电解质水平为16-22cm，而铝水平为20-30cm。
本设计选择电解质水平22-24cm，铝水平20-22cm。
3.1.4极距
极距是指阳极底面与铝液镜面间的距离。
极距的变化会引起电解质压降的变化，造成槽电压的波动，影响生产。
通常极距不小于4.0cm。
本设计选择极距4.0-4.5cm。
3.1.5电解质分子比
电解质中NaF的摩尔数与AlF3的摩尔数之比称为电解质分子比，简称分子比。
电解质分子比与电解温度相适应，一般选择高分子比的电解质，其电解温度也相应提高。
目前多选用较低分子比的电解质组成，一般为2.2-2.6。
本设计中分子比为2.2-2.5。
3.1.6电解温度
为电解能正常进行，电解温度一般至少高于电解质初晶温度20℃以上，根据槽型及电解质分子比的不同，电解温度一般在930-960℃。
本设计选择940-950℃。
3.1.7效应系数
阳极效应是熔盐电解过程中发生在阳极上的特殊现象，某一系列电解槽平均每台电解槽每天发生阳极效应的次数称为效应系数，对阳极效应系数的要求为不大于0.3次/槽·日即可。
本设计中效应系数<0.3次/（槽·日）。
3.2技术经济指标
铝电解的技术经济指标有电流效率、槽电压、原铝直流电耗、炭耗、氟化盐消耗等。
3.2.1电流效率
电流效率指某台电解槽的日产原铝量与理论日产原铝量之比。
电流效率是铝电解生产过程中的一项非常重要的技术经济指标。
目前电解炼铝的电流效率一般在88%-95%
本设计中的电流效率为94%。
3.2.2槽电压
槽电压是电解槽电压表上所指示的电压值，也称工作电压。
一般，100-150kA的上插槽，其槽电压为4.3-4.5V，60-130kA的侧插槽，其槽电压在4.2-4.4V，而180-280kA的预焙槽的槽电压为4.1-4.2V。
本设计的平均工作电压为4.25V。
3.2.3原铝直流电耗
铝电解槽内析出每吨铝所消耗的直流电能称为原铝直流电耗，就是电能消耗率。
本设计中的电能消耗率小于14000kWh/t-Al。
3.2.4炭耗
炭耗生产每吨铝消耗的阳极糊或阳极炭块的质量。
一般平均炭耗为430-600kg/t-Al。
本设计中的炭耗为500Kg/t-Al。
3.2.5氟化盐消耗
生产每吨铝所消耗的冰晶石、AlF3、LiF等氟化盐的总量，通常为20-40kg/t-Al。
本设计的氟化盐消耗为：
冰晶石5Kg/t-Al
氟化铝24Kg/t-Al
氟化钙1Kg/t-Al
本设计中的电解槽技术经济指标现列于下:
序号
指标名称
单位
数量
1
电流强度
KA
300
2
电解槽数
台
180
3
电流效率
%
95
4
阳极电流密度
A/㎝2
0.75
5
电解温度
℃
940-950
6
极距
㎝
4.0-4.5
7
铝水平
㎝
22~24
8
电解质水平
㎝
20~22
9
阳极效应系数
次/槽·日
<0.3
10
电能消耗率
kWh/t-Al
<14000
11
平均工作电压
V
4.25
12
氧化铝单耗
Kg/t-Al
1920
13
阳极碳块单耗
Kg/t-Al
500
14
冰晶石单耗
Kg/t-Al
5
15
氟化铝
Kg/t-Al
24
16
氟化钙
Kg/t-Al
1
17
分子比
2.2~2.5
18
氧化铝浓度
%
1.5~2.5
19
槽寿命
天
2000
表3-1电解槽技术经济指标
第四章冶金计算
基础数据：
产量：
10万吨/年铝锭
容量：
300KA
阳极电流密度：
0.75A/cm2
效应系数：
<0.3次/槽·日
电流效率：
95%
阳极碳块尺寸：
1550mm×660mm×550mm
单槽原铝产量：
日产300×0.95×0.3355×24=2294.82Kg
年产2294.82×365×0.001=837t
4.1铝电解槽电压的平衡计算
V平=△V槽+△V母+△V效应；
其中:
△V槽：
电解槽的工作电压；
△V母：
槽外母线电压降；
△V效应：
阳极效应分摊压降；
其中，ΔV槽=E极+△V质+△V阳+△V阴
E极=4.241-0.147×-0.0177×Al203%+0.027×MgF2%-0.001×CaF2%-0.0129×NaCl%-0.0195×LiF%+0.125×d阳-0.0022×t℃
取分子比为：
2.4;
Al2O3为2%;
CaF2，为5%;
t：
955℃
得E极=1.87V;
用该式算出的极化电压偏高，大约高出实测量0.05-0.1V，因此取E极=1.8V左右。
（1）电解质压降：
一般可由下式取得
△V质=
其中：
I：
为电流强度，（A）；S阳：
为阳极水平截面积（cm2）;△L：
为极距改变值（cm）；X：
为电解质导电率（欧-1·厘米-1）；K：
为校正值，一般取8。
（2）阳极效应分担压降：
阳极效应分担压降可按下式进行计算，即
△V效应=
其中：
K：
为阳极效应系数，（次/槽·日）；在此为0.1次/槽·日；
U效应：
为发生阳极效应时的槽电压，35（V）；
U槽：
为槽电压4.06-4.22（V）；
t：
阳极效应持续的时间（min）,在此为3min；
△V效应=（0.1×30.82×3）/1440=0.017V。
（3）阳极压降：
夹具压接压降：
6mv；
铝导杆压降：
10mv;
铝-钢爆炸焊片压降：
15mv;
钢爪压降：
50mv;
钢炭接触压牌：
70mv;
阳极炭块压牌：
200mv;
△V阳=0.35V
（4）阴极压降
△V阴=0.35V
（5）母线压降：
母线压降在槽上基本不变，其实际值取决于电解槽的母线配置及安装，母线配置一旦确定，母线本体压降即确定，各焊接点压降取决于第一次安装时焊接的质量，但立柱母线与阳极大母线同焊接点的压降每次大修后视接触面清理程序而有变化，电解槽通电后此值不会改变。
△V母=0.18V
V平=1.80+1.50+0.02+0.35+0.35+0.18=4.20V
现列电解槽平衡电压表如下：
表4-1
铝电解槽电压平衡表
300KA预赔槽
E反
1.80
△V质
1.50
△V效应
0.02
△V阳
0.35
△V阴
0.35
△V母
0.18
合计
4.20
4.2物料平衡计算
以1小时为计算基础，平均电流强度取300KA，电流效率95%
（1）电解槽铝产量：
Q=CIη=0.3355×300×0.95=95.62kg/h
（2）氧化铝的消耗量：
取Al2O3单耗为1920kg/t·Al
氧化铝实际消耗量=95.62×1.92=183.59kg/h；
氧化铝理论消耗量=95.62×1.89=180.72kg/h;
氧化铝的损失量=183.59-180.72=2.83kg/h
（3）氟盐消耗量：
取冰晶石单耗为5kg/t·Al，氟化铝单耗24kg/t·Al，氟化钙：
1kg/t·Al
冰晶石消耗量=86.01×0.005=0.48kg/h
氟化铝消耗量=86.01×0.027=2.58kg/h
氟化钙消耗量=86.01×0.001=0.095kg/h
（4）阳极炭块消耗量：
铝电解的总反应式：
Al2O3+3/（1+N）C=2Al＋3N/（1+N）CO2＋3（1-N）/（1+N）CO
其中，N：
CO2的质量分数：
当一次阳极气体的成份为100%CO2，则CO是产生的Al与作CO2用的结果，一次反应电流利用率100%，由此一次反应为Al2O3+1.5C=2Al+1.5CO2
若电流效率为η，其二次反应：
2（1-η）Al+3（1-η）CO2=（1-η）Al2O3+3（1-η）CO
N=
N=0.88
理论炭耗量=（3×12.011×95.0175）/（1.88×54）=33.94kg/h
取实际炭耗量为450kg/t·Al
实际炭耗量=450×86.005575×1000=42.75kg/h
炭损失量=42.75-33.94=8.81kg/h
炭耗指数=（36.55/30.53）×100%=126%
（5）反应生成的气体量：
CO2生成量=（3×0.88×44×95.0175）/［（1+0.88）×54］=108.72kg/h
CO的生成量=［3×（1-0.88）×28×95.0175］/［（1+0.88）×54］=9.43kg/h
现列物料平衡表如下：
表4-1物料平衡表
收入
支出
项目
㎏/h
㎏/天
㎏/年
%
项目
㎏/h
㎏/天
㎏/年
%
氧化铝
183.59
4406
1608248
83.35
原铝
86.01
1816.56
43597.44
39.29
冰晶石
0.48
11.52
4204
0.22
冰晶石
0.48
11.52
4204
0.22
氟化铝
2.58
61.92
22600
1.17
氟化铝
2.58
61.92
22600
1.18
氟化钙
0.095
2．28
832
0.03
氟化钙
0.095
2．28
832
0.04
碳块
33.55
772.08
281809
15.23
碳损
失量
8.81
211.44
77175
4.02
CO2
生成量
108.72
2609.28
952387
49.66
CO
生成量
9.43
226.32
82607
4.31
氧化
铝损失
2.83
67.92
24791
1.29
合计
220.295
5253.8
1917693
100
合计
218.919
5007.24
1208193
100
平衡
差额
0.01
246.56
709500
0
4.3能量平衡
以1小时为计算基础，取电解温度为950℃，在计算中以电解温度作为能量平衡的温度基准，并以电解槽整体作为计算体系：
由能量的平衡式：
A电=A反+A材+A损失
4.3.1电能收入
A电=U平均I=4.25×300=1275kw
4.3.2能量支出：
（1）补偿电解反应所需的能量
当电解生产的电流效率为100%时，其补偿反应热效应的能量是5.63kwh/kgAl，但电流效率不可能达到100%，因此，考虑到电流效率的电解反应是：
Al2O3+3/2ηC=2Al+3（2η-1）/2ηCO2+3（1-η）/ηCO
a．根据热力学第一定律,反应效应ΔH0T:
ΔH0T=[
（2-
）（ΔH0T）CO2+3（
-1）（ΔH0T）CO-（ΔH0T）Al2O3]
kwh/kgAl
ΔH0TCO2、ΔH0TCO、ΔH0TAl2O3——CO2、CO和Al2O3生成热（kg/mol）;3600——千焦换算成瓦时的换算系数；
经整理得：
ΔH0T=（201.33+
）
=4.34+
kwh/kgAl
因此,在单位时间内,铝的产量为0.3355Iηkg时,则补偿电解反应的热效应的能量A反:
A反=0.3355Iη（ΔH0T）=0,3355Iη（4.34+
）=0.3355
=484.78kwh/h
b．补偿加热原料所需的能量：
在电解反应中，生成2molAl（54kg）就需要1mol的Al2O3与
mol的碳，于是：
ΔH材=[（ΔH0T）Al2O3+
（Δ
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