三层液铝精炼电解槽技术开发实施方案.docx
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三层液铝精炼电解槽技术开发实施方案
大容量高效节能型三层液铝精炼电解槽
技术开发总实施方案
（讨论稿）
电解铝厂、轻研所
2001年5月25日
、项目名称：
大容量高效节能型三层液铝精炼电解槽技术开发承担单位：
电解铝厂、轻研所
方案执笔：
***
二、项目目标与主要技术经济指标、达标措施随着国民经济的不断发展，市场对精铝的需求量不断增加，目前国内对精铝的年需求量约为2万吨左右。
这是由于精铝的一些特殊性质而决定的。
精铝比普铝具有更好的导电性、导热性、可塑性、反光性和抗腐蚀性，另外铝也是导磁性非常小的物质，并且纯度越高，导磁性愈小，所以精铝及高纯铝在低温电工技术、低温电磁构件和电子工业领域内，有着特殊的用途，其中电子工业生产电解电容器所消耗的精铝量约为精铝产量的70—80%。
我国的三层液铝电解精炼工业是在第一个五年计划期间开始起步的，虽然此生产工艺在我国已有近50年的发展历史，但在槽容量及能耗方面与世界先进水平相比仍有很大差距，且自动化程度低、劳动强度大、能耗高、劳动生产率低。
目前我国仅有贵州铝厂（0.8kt/年）和乌鲁木齐铝厂（5kt/年）有三层液铝精炼电解槽在运行，而且电流强度最大为30KA，总产能只有0.58万吨，远远满足不了国民经济建设与发展的需要，每年还需要相当数量的进口，因此增大精铝的产量很有必要。
对于我厂来说，由于现在的铝精炼电解槽和电解工艺还存在很多缺点，因此简单的扩产是不适宜的，这些缺点表现为：
（1）槽容量偏小。
我厂目前的铝精炼电解槽的电流强度只有14.6KA，而国外铝精炼电解槽的电流强度一般为30—60KA，据有关报道，前苏联已有75KA、100KA的三层液铝精炼电解槽系列在生产。
我厂三层液铝精炼电解槽因槽容量偏小，而保温性能又较差，为了维持热平衡，不得不采用高电流密度（0.7—0.75A/cm2），这使得热损失相当大，并且其它一些指标也随之变差。
一般而言，随槽容量加大，电流密度变小，槽电压也相应降低，热损失减小，因而可使电耗率降低，电能效率提高。
（2）能耗偏高。
目前我厂铝精炼电解槽的直流电单耗为18500—18600kwt/t-Al，而国外铝精炼电解槽的电耗通常为14000—18000kwt/t-Al，有资料报导国外目前最好的能耗指标为10000kwt/t-Al以下。
这说明我厂的精铝生产技术与国外先进技术相比，存在相当大的差距。
（3）无烟气收集净化系统
我厂的铝精炼电解槽无烟气收集净化系统，这不仅恶化了工作环境，而且使氟盐消耗量居高不下，目前的氟盐消耗以氟计为22kg/t-
AI。
此外，这种电解槽还面临着日益严格的环保要求的挑战。
（4）使用固体铝作为阴极。
由于我厂铝精炼电解槽采用的是固体铝而不是石墨作为阴极，因此为了减少固体铝阴极出现打火的现象，铝精炼电解槽面也就没有采用保温盖板，这使得槽面的热损失非常大。
通过对两台电解槽进行测定发现，槽面热损失占到了槽全部热损失的一半以上。
精铝槽的热平衡测试结果见表1。
表1精铝槽热平衡表
项目
7#
14#
输入电能
284882.4KJ/h
100%
284882.4KJ/h
100%
执
八、、
损失
精铝槽上部
165436.63
58.07%
150785.055©/h
52.93%
精铝槽侧部
38126.288
KJ/h
13.38%
39577.321KJ/h
13.89%
精铝槽底部
64098.54KJ/h
22.50%
75038.024KJ/h
26.34%
精铝槽内部熔化热
5504.884KJ/h
1.93%
5504.884KJ/h
1.93%
精铝铝液带走热
3639.618KJ/h
1.28%
4172.794KJ/h
1.47%
平衡误差
8076.44KJ/h
2.84%
9804.322KJ/h
3.44%
（5）槽寿命偏短
目前我厂铝精炼电解槽的槽寿命只有3—3.5年，而且都是由于铝精炼电解槽料室底部入口处石墨板的损坏而导致停槽大修的，通过刨炉发现，大修槽的阳极内衬并没有损坏，这说明我厂铝精炼电解槽与普通电解槽的停槽大修原因截然不同，但是也有部分电解槽的寿命达到5—6年，据车间人员介绍，筑炉质量也是影响槽寿命的关键因素。
（6）机械化、自动化水平偏低。
我厂铝精炼电解槽自70年代建成投产以来，硬件上基本上未进行大的改进，工人劳动强度较大，劳动生产率也较低。
（7）电解质体系有待于进一步优化和改进现行三层液铝电解精炼工业中，所使用的电解质为纯氟化物
（NaF-AIF3-BaF2-CaF2）与氟氯化物（NaF-AIF3-BaCb-NaCI）两种，我国的精铝生产厂都采用的是氟氯化物电解质。
在工业应用的范围内，
虽该种电解质与纯氟化物电解质相比导电性较好，熔点和密度较低，但缺点是吸水性较强，并且BaCl2脱水时易产生HF和HCI气体，此外该电解质表面张力较小。
在工业电解条件下，氟氯化物电解质由于水解，电解质各组份的消耗量都很大，并且易产生较多的电解质渣。
纯氟化物电解质的优点是具有较大的表面张力，更易于阴极铝珠的汇集长大，提高阴极电流效率，虽然其导电率较差，但可通过添加锂盐来弥补这一不足。
电解试验还表明，用NaF-AIF3-BaF2-CaF2体系生产
的精铝质量优于NaF-AIF3-BaCl2-NaCI体系生产的精铝。
此外使用纯氟化物电解质还有利于废烟气的净化。
三层液铝电解精炼技术处于国际领先的日本住友化学株式会社的精铝槽采用的就是纯氟化物电解质。
一些国家三层液铝精炼电解质组成见表2。
表2三层液铝精炼电解质成分
参数
法国
前苏联
美国
瑞士
匈牙利
日本
贵铝
BaCb，
%
55
60
60
60
BaF2，
%
1
35
16
35.0
NaF，
%
14
17
27
18
17
10.0
17
AIF3，
%
26
23
35
48
23
41.4
18
CaF2，
%
16
13.6
NaCI，
%
5
0—5
3
5
5
LiF，%
0—4
我厂的三层液铝精炼电解槽系列自七十年代建成投产以来，除了在1991年对电解质成份进行了改进试验（添加NaCI）并取得成功以外，基本上没有进行其他大的改进，由于该种电解槽的上述缺点造成精铝的生产成本较高，而精铝价格相对于极易波动的普铝价格来说相对稳定，因此开发大容量高效节能型三层液铝精炼电解槽技术势在必行。
（一）项目目标和主要技术经济指标
本项目目标是研究开发出具有国际先进水平的大容量高效节能型三层液铝精炼电解槽。
该三层液铝精炼电解槽的主要技术经济指标如下：
1）电流强度：
60KA
2）阴极电流效率：
＞98%
3）直流电单耗：
＜14000kwh/t-Al
4）氟化盐单耗（以氟计）：
＜20kg/t-Al
5）槽寿命：
＞1500天
（二）达标措施
1）电解槽阴极采用人造高功率石墨电极（直径300-400mm），为防
止石墨在高温下氧化，在石墨电极表面喷涂精铝作保护层。
供应部门要严把质量关，要按要求提供高功率石墨电极，石墨电极产品应附带检测报告。
不同功率石墨电极的物理化学性能指标见表
3,从表3可见，高功率石墨电极具有电阻率较小、真密度较大、
灰分低的特点，适合于作精铝槽阴极。
表3不同功率石墨电极的物理化学性能指标
项目
公称直径/mm
400—500
400—500
500—700
普通功率石墨电极
高功率石墨电极
超咼功率石墨电极
电阻率/m
（不大于）电极
9.0—11.0
6—7
4.5—5.8
抗弯强度/MPa不小于）电极
6.40
9.8
9.0—12.5
抗拉强度/Mpa电极
6.0—8.0
弹性模量/GPa不大于）:
电极
9.30
12.0
6.0—9.5
灰分/%（不大于）:
0.5
0.3
1.0
真密度/g•cm3（不小于）:
2.20
2.21
2.22
密度/g•cm3（不小于）:
电极
1.52
1.60
1.64—1.71
线膨胀系数/C-1
30—100C电极
100—600C
电极
2.9X10-6
2.2X10-6
（0.2—0.6）X10-6
2）电解槽槽面及加料口采用内部填以绝热材料（如硅酸铝纤维）的双层铝盖加以保温，以减少槽面热损失和防止阳极合金在槽温下降时出现凝固。
3）由于所开发的铝精炼电解槽容量较大，因此可在槽的两端砌上加料室，加料室通过水平槽沟和槽膛相通。
目前我厂铝精炼电解槽的停槽大修都是由于料室内衬破损而非阳极碳块破损而引起的，因此在新开发的大容量高效节能型铝精炼电解槽中可通过用氧化镁板代替石墨板来防止料室内衬的过早破损，从而达到延长槽寿命的目的。
4）我厂目前铝电解精炼过程中所采用的是氟氯化物体系电解质，对纯氟化物体系电解质研究甚少，而国外技术经济指标先进的三层液铝精炼厂有采用纯氟化物电解质的，并且纯氟化物系电解质还具有一些比较明显的优点，因此，我们应对纯氟化物电解质进行深入的研究，在充分研究的基础上，可先在现有的14.6KA的铝精炼电解槽中进行试验，并与氟氯化物电解质进行对比。
5）提高精炼电解生产过程的机械化和自动化，如控制石墨电极的升降，虹吸出铝等。
6）精炼电解槽配备烟气收集净化系统。
7）精炼电解槽采用高导电率阳极碳块（即目前230KA试验槽所用的高导电率阴极碳块）。
8）精炼电解槽采用新型保温材料（如蛭石保温砖等）加强保温，减少热损失。
9）加铝方式由加固体铝改为加液体铝。
10）寻求合作伙伴以研究和优化电解质配方，设计大容量高效节能型三层液铝精炼电解槽。
三、项目内容
1、调研追踪国际上最新的三层液铝精炼电解技术，并加以分析研究。
2、对铝精炼纯氟化物电解质最佳电解质成分进行研究。
深入研究
NaF—AIF3—BaF2—CaF?
系的物化性质，重点是初晶温度，导电率和密度，研究的范围应比较广泛，NaF为8—20%,AIF3为35—
48%,BaF?
为18—40%,CaF?
为8—18%，以便于寻求到较为理想的电解质成分。
电解质成分研究要求4月份完成，通过调研发现，目前北京科技大学比较具备合作条件,该校具备试验研究手段,并且该校冶金学院副院长卢惠民博士读博士期间一直从事低温电解质的研究,对氯氟化物电解质和氟化物电解质都进行过比较深入的研究,我们可派人一同参与电解质成分优化试验研究,同时也购入相应的试验设备用于验证试验和今后电解质的改进试验研究。
3、寻找到较为理想的纯氟化物电解质后,先在现有的14.6KA三层
液精炼电解槽上进行工业试验,并与目前使用的氟氯化物电解质进行对比，比较两者之间的优缺点。
在14.6KA三层液精炼电解槽上进行氟化物电解质工业试验时，为了不影响整个系列的正常生产，只能在保持系列电流不变的情况下，根据这种电解质的导电率调整极距以保持电解槽热平衡不变。
4、在现有的14.6KA三层液精炼电解槽上进行用四根高功率石墨电极代替四根固体铝阴极并在槽面和料室进口采用保温盖板进行保温的试验。
试验所用的石墨电极直径35—40cm,长35cm,表面喷涂5—10mm厚的精铝以防止氧化，石墨电极的电流密度为3.79—2.90A/cm2。
采用保温盖板后进行热平衡测试，同样为了不影响整个系列的正常生产,进行试验时也要在系列电流不变的情况下根据热平衡的变化调整极距。
5、在前面几项工作都取得成功和明显进展的情况下,着手设计大容量高效节能型三层液铝精炼电解槽。
（1）电流强度的设计与选择从技术经济角度来看,槽容量增大,则生产成本降低,因为槽容量增大,可使基建投资减小、劳动生产率提高、槽本身热损失相对减小,从而使生产成本降低,但是电流强度也不是越大越好,电流强度过大又会产生一系列负面影响,因此存在一个较佳值的问题,目前国外60—65KA、75KA的三层液铝精炼电解槽的生产技术已相当成熟,国内30KA的三层液铝精炼电解槽生产系列也已投产有10年了,因此,我们可将这次大容量高效节能型三层液铝精炼电解槽的电流强度定位于60KA。
（2）电流密度的设计与选择电流密度也是铝精炼电解槽的一个重要技术参数,以生产发展的总趋势来看,随着电解槽电流强度的提高,则电流密度降低。
电流密度的这种变化,主要是反映了技术上的要求,即：
在小精炼电解槽上,由于电流强度较低,而其散热损失相对较大,因此,迫不得已必须采取高电流密度,这样,才能保持住在所要求条件下的能量平衡，我厂目前的14.6KA三层液精炼电解槽就属于这种情况（电流密度为0.7—0.75A/cm2）。
而大容量电解槽，由于散热损失相对较小,则可以在较低一些的电流密度下维持适宜条件下的能量平衡。
而随着电流密度的降低,槽电压也相应降低,电耗随之下降,并且精铝质量也会有所提高,但同时电流密度的降低又会使精炼电解槽的尺寸加大,使基建投资增加,折旧形式反映到成本上,又使成本增加,因此,在一定条件下,应有一个最适宜的电流密度。
国外先进的大容量铝精炼电解槽的电流密度为0.4—0.5A/cm2，我们可参考这一数值。
（3）阴极的设计与选择
该电解槽阴极采用高功率石墨电极（石墨电极与固体铝阴极的比较见表4），在该电极上钻孔并开有小槽嵌入铝棒且与阴极母线连接，人造石墨电极采用直径为30—40cm的圆柱状物，成两列配置，在考虑成本的前提下应尽可能多地配置石墨电极，因为石墨电极数量越多，则电极之间的间隙也就越窄，槽电流分布也就越均匀，电解质和铝液的波动也就越小，这对提高电流效率和精铝纯度会起到更佳的效果，为防止石墨电极氧化，在其表面喷涂精铝作为保护层。
表4石墨电极与固体铝阴极的比缺
优缺点
阴极
优点
缺点
石墨电极
1、不受电解槽容量限制，适用于大容量电解槽。
2、生产稳定，便于管理，无固体铝阴极打火现象。
1、石墨灰份进入液体精铝
2、电压降较大
3、石墨电极消耗，增加产品成本
固体铝阴极
1、无灰份进入精铝
2、阴极电压降较小
1、阴极上固一液接触电压降变化大
2、各电极的导电量不均匀而发生打火并发出响声等，甚至造成事故
3、热损失量大
（4）优化母线配置
由于所开发的是大容量铝精炼电解槽，因此必须考虑到磁场的不良影响，而减轻磁场影响的一个重要手段是优化母线配置。
（5）在槽面设计采用保温盖板，减少槽面散热。
（6）选择采用高导电率的阴极碳块和保温性能好的保温材料。
四、试验所需设备仪器一览表表3中设备仪器只供实验室所用
表3试验所需设备仪器一览表
测电解质初晶点仪器
一套
测是解质导电率仪器
一套
测电解质密度仪器
一套
五、主要原材料、燃料及动力消耗量石墨电极、氟化盐、保温材料等。
六、项目经费概算及构成
费用名称
金额（元）
新增设备及非标准设备制作费
300,000
原材物料费用
300,000
外委加工
45,000
水电费
10,000
差旅费
20,000
技术咨询费
60,000
技术资料费
5,000
修理费用
10,000
因试验引起的产品质量波动或
槽破损造成的损失
200,000
不可预见费
50,000
合计
1,000,000
注：
以上费用只包含试验室试验费用和14.6KA精铝槽上各种工业试验费用，而60KA铝精炼电解槽的设计费用未包括其中。
七、经济效益估算与分析：
本项目立足于国内自主开发，项目获得成功后，若用于建造年产能为3000吨的新系列，将显著降低投资成本，若电流效率提高1—
2%,直流电耗降低4500kwh/t-Al以上，槽寿命延长到1500天以上，则年增经济效益400万元以上。
该项目的成功将使我国原铝的三层液电解精炼技术达到世界先进水平。
由于该项目是在工业精铝槽上进行的工业试验项目，因此有可能造成产品质量产生波动，因此请技术处、企管处、质管处酌情考核生产指标。
八、实措进度及具体措施
1、2001年1月一5月，收集资料，编写并论证实施方案，联系合作单位。
2、2001年6月，购买各种原材物料，对精铝槽进行磁场测试。
在试验室对纯氟化物电解质进行研究，并推荐一种适于工业电解槽使用的纯氟化物电解质组分。
3、2001年7月一11月，在14.6KA三层液精炼电解槽上进行各种
工业试验。
3.12001年7月，设计加工制作14.6KA三层液精炼电解槽槽面和料室进口保温盖板，并进行石墨表面喷涂精铝及石墨阴极钢爪与铝导杆爆炸焊连接试验，购买试验用原材料。
3.22001年8月一11月，在14.6KA铝精炼电解槽中进行高功率石墨电极代替固体铝阴极，槽面及料室进口采用保温盖板的试
验。
石墨电极直径350-400mm。
进行热平衡和电平衡测试。
3.32001年7月—11月，现在母槽上制备一定数量的纯氟化物电解质，然后在14.6KA铝精炼电解槽中进行优选出的纯氟化物电解质的工业试验，同时进行热平衡和电平衡测试。
3.42001年6月-2002年7月，在一台大修槽上进行新型保温材料（即电解铝厂试验车间原186KA试验电解槽所用的保温砖）应用试验。
3.42001年12月，对各种试验进行总结评价或阶段性总结评价。
42002年1月-3月，进行60KA铝精炼电解槽的设计。
52002年8月，对内衬材料改进试验进行总结。
九、配合单位及具体工作
1、炭素厂：
负责石墨阴极的钻孔，钢爪的浇注，钢爪与铝导杆的爆炸焊连接。
2、工贸总公司热喷涂中心：
负责石墨阴极的喷铝。
3、其他工作由电解铝厂和轻研所共同负责。
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