輕金屬冶金學(xué)課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　《輕金屬冶金學(xué)》課程設(shè)計(jì)</p><p>　　題 目： 輕金屬冶金學(xué)課程設(shè)計(jì) </p><p>　　系 部： 建筑與資源工程系 </p><p>　　班 級(jí)： 0 9軟件冶金2班 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： &

2、lt;/p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)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(chǎn)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(xiàn)代生產(chǎn)方法5</p><p>　　1.3 電解槽簡(jiǎn)介6</p><p>　　1.4 現(xiàn)代鋁電解槽

4、結(jié)構(gòu)7</p><p>　　1.4.1 預(yù)焙陽(yáng)極電解槽7</p><p>　　1.4.2 自焙陽(yáng)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(chǎn)方法12</p><p>　　第二章 鋁電解槽正常生產(chǎn)保持的技術(shù)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(zhì)成分13</p><p>　　2.5 電解質(zhì)水平和鋁液水平15</p><p>　　2.6 陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)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(guò)程17</p><p>　　3.2 陽(yáng)極過(guò)程17</p><p>　　第四章 鋁電解槽計(jì)算18</p><p>　　4.1 陽(yáng)極結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇與計(jì)算18</p><p>

7、　　4.2 電解槽槽體結(jié)構(gòu)選擇計(jì)算18</p><p>　　4.3 陰極結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇及計(jì)算20</p><p>　　4.4 鋁電解槽導(dǎo)電部件的選擇與計(jì)算20</p><p>　　第五章 設(shè)計(jì)心得22</p><p>　　第六章 附圖《中間下料式預(yù)焙陽(yáng)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(jì)末被陸續(xù)發(fā)展后，十九世紀(jì)初才得以分離為單獨(dú)的金屬，本世紀(jì)才開(kāi)始工業(yè)生產(chǎn)。然而輕金屬的生產(chǎn)迅速，鋁的產(chǎn)量在1956年超過(guò)了銅，躍居有色金屬之首，成為產(chǎn)量?jī)H次于鋼鐵的金屬。</p><p>　　在國(guó)家優(yōu)先發(fā)展鋁的方針指導(dǎo)下，我國(guó)鋁工業(yè)走過(guò)了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程，已形成地質(zhì)、采礦、選礦、冶煉、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、教

9、育、科研、設(shè)計(jì)、施工、商務(wù)貿(mào)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(chǎng)和一批中小電解鋁廠(chǎng)，帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。</p><p>　　我國(guó)已躋身于世界鋁的生產(chǎn)大國(guó)和消費(fèi)大國(guó)，在世界綠葉中占有舉足輕重的地位。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)許多部門(mén)對(duì)鋁的需求不斷擴(kuò)大，產(chǎn)不足需的矛盾日益突出。</p><p>　　

10、從歷史發(fā)展的趨勢(shì)看，20世紀(jì)80年代以來(lái)世界鋁的產(chǎn)量與消費(fèi)基本上是同步增長(zhǎng)。世界鋁的產(chǎn)量從1976年的1286.3萬(wàn)t上升到1985年的1542.9萬(wàn)t，同期消費(fèi)量從1407.6萬(wàn)t上升到1613.8萬(wàn)t。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，世界原產(chǎn)鋁產(chǎn)量從1992年的1853萬(wàn)t上升到2003年的2737.7萬(wàn)t，年均遞增3.6%，同期中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)分別從125.4萬(wàn)t、413.7萬(wàn)t、145.7萬(wàn)t，上升到519.4萬(wàn)t、566.7萬(wàn)t、1

11、91.6萬(wàn)t，年均遞增13.8%、29%、25%，日本從243.2萬(wàn)t下降到202.3萬(wàn)t，年均遞減1.7%。2004年世界產(chǎn)原鋁2920萬(wàn)t，同比增加了6.4%，2005年達(dá)到3191萬(wàn)t同比增長(zhǎng)9.3%，同期消費(fèi)量為3162萬(wàn)t，增長(zhǎng)4.7%。</p><p>　　我國(guó)正處于工業(yè)化中期階段，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展進(jìn)程加快，對(duì)鋁的需求日益增長(zhǎng)，20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)原鋁消費(fèi)年均以16%的速度遞增。據(jù)中國(guó)有色

12、金屬工業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，我國(guó)對(duì)原鋁的消費(fèi)2010年達(dá)880萬(wàn)t、2020年將達(dá)到1300萬(wàn)t。對(duì)氧化鋁的需求到2010年達(dá)2040萬(wàn)t、2020年為2600萬(wàn)t。目前我國(guó)已成為世界首位的原鋁生產(chǎn)大國(guó)與消費(fèi)大國(guó)。</p><p>　　我國(guó)鋁土礦以一水硬鋁石為主，礦石鋁硅比以中等級(jí)居多，鋁硅比為>10、7~10、4~7、<4的資源儲(chǔ)量分別占保有儲(chǔ)量的3.9%、26.1%、59.5%和7.5%。我國(guó)鋁土礦資源的突

13、出特點(diǎn)是高鋁、高硅、高鐵，決定了氧化鋁生產(chǎn)工藝流程長(zhǎng)、能耗大、成本高，雖經(jīng)濟(jì)科技攻關(guān)，開(kāi)發(fā)出適合中國(guó)鋁資源特點(diǎn)的燒結(jié)法、混聯(lián)法、拜耳法生產(chǎn)工藝，并已經(jīng)運(yùn)用到生產(chǎn)時(shí)間中且取得較好的成效，但就整體而言，我國(guó)氧化鋁生產(chǎn)與國(guó)外先進(jìn)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(guó)氧化鋁工業(yè)快速發(fā)展的重要原因。據(jù)最近資料顯示按人均占有鋁土礦資源儲(chǔ)量計(jì)算，我國(guó)僅有400KG（而世界平均水平為4000

14、KG），只相當(dāng)于世界人均的10%。根據(jù)需求預(yù)測(cè)，未來(lái)的20年我國(guó)累計(jì)鋁消費(fèi)將達(dá)到1.7億t，未來(lái)30年將達(dá)到3.3億t，如果這些消費(fèi)全由國(guó)內(nèi)供礦，現(xiàn)有儲(chǔ)量和基礎(chǔ)儲(chǔ)量將無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)20年的需要。</p><p>　　目前我國(guó)鋁土礦正規(guī)開(kāi)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(dá)50%以上，資源浪費(fèi)很大。我國(guó)鋁土礦目前主要是私營(yíng)小規(guī)模群采，約占全國(guó)冶金用鋁土礦的65%，是國(guó)有礦山產(chǎn)量的2倍，采礦

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

16、。</p><p>　　由于市場(chǎng)需求的拉動(dòng)，加上前些年氧化鋁加個(gè)較低和電力供應(yīng)充足，原鋁廠(chǎng)不足需加個(gè)上揚(yáng)，企業(yè)獲利頗豐，我國(guó)電解鋁近年來(lái)成為投資熱點(diǎn)，全國(guó)不少省市競(jìng)相發(fā)展電解鋁，2001年、2002年，年均凈增產(chǎn)能100萬(wàn)t/a，2003年達(dá)到凈增200萬(wàn)t/a,到2004年達(dá)到原鋁產(chǎn)量667萬(wàn)t，2005年以來(lái)在建和擬建項(xiàng)目的總能力為500萬(wàn)t/a以上。</p><p>　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，20

17、04年我國(guó)電解鋁產(chǎn)量達(dá)到699.4萬(wàn)t，而氧化鋁的產(chǎn)量增長(zhǎng)有限，缺口600萬(wàn)t以上。國(guó)際氧化鋁從2002年底價(jià)格一路攀升，兩三年前氧化鋁的平均價(jià)格每噸在2000元左右，而現(xiàn)在漲到4300~4700元/t，一度超過(guò)5000元/t。使得電解鋁成本上升了5000元/左右。我國(guó)2005年進(jìn)口氧化鋁平均價(jià)4650元/t,中國(guó)鋁業(yè)公司進(jìn)口平均價(jià)為4100元/t,由于電價(jià)每千瓦時(shí)上浮4分，造成原鋁價(jià)成本上漲600元，每生產(chǎn)1t電解鋁約耗2t氧化鋁，約

18、耗1.5萬(wàn)KW·h電。</p><p>　　國(guó)內(nèi)電解鋁產(chǎn)能擴(kuò)張，重復(fù)建設(shè)，市場(chǎng)疲軟，需求不振，氧化鋁、電價(jià)一漲再漲，鋁價(jià)一路走低，是一些企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益下滑，經(jīng)濟(jì)虧損，生產(chǎn)難以為繼。我國(guó)鋁業(yè)在有色金屬工業(yè)中具有舉足輕重的地位。國(guó)外優(yōu)質(zhì)價(jià)廉的礦產(chǎn)品進(jìn)口，尤其是我國(guó)的短缺資源進(jìn)口，滿(mǎn)足了國(guó)內(nèi)加工制造業(yè)的生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)日益增長(zhǎng)的需求，降低我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的總成本，但過(guò)量進(jìn)口對(duì)國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)呈弱勢(shì)的資源產(chǎn)業(yè)造成了嚴(yán)重的沖擊，

19、對(duì)國(guó)家資源安全不利。</p><p>　　鋁工業(yè)是有色金屬工業(yè)中關(guān)聯(lián)度高、用量大、對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展有著重大影響的產(chǎn)業(yè)。要從戰(zhàn)略的高度，用科學(xué)的發(fā)展觀(guān)統(tǒng)領(lǐng)全局，從深化體制、優(yōu)化結(jié)構(gòu)，從地質(zhì)、采礦、選礦、加工合理高效節(jié)約利用鋁土礦資源，從產(chǎn)供銷(xiāo)各個(gè)環(huán)節(jié)規(guī)范市場(chǎng)秩序，嚴(yán)格執(zhí)法，加強(qiáng)礦管整頓力度，以下就四點(diǎn)提出建議：</p><p>　　跨世紀(jì)以來(lái)，鋁廢雜料的回收量增長(zhǎng)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(wàn)t上升到1985年的416.7萬(wàn)t，其中美國(guó)、日本、德國(guó)、意大利、法國(guó)、英國(guó)回收鋁產(chǎn)量分別從112.4萬(wàn)t、38.3萬(wàn)t、29.63萬(wàn)t、16.6萬(wàn)t、10.7萬(wàn)t、19.8萬(wàn)t上升到157.5萬(wàn)t、80.8萬(wàn)t、58.8萬(wàn)t、34.2萬(wàn)t、16.4萬(wàn)t15萬(wàn)t。發(fā)展再生鋁產(chǎn)業(yè)可以充分實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用資源，改善環(huán)境、節(jié)約能源、投資小見(jiàn)效快，是一項(xiàng)有利于緩解我國(guó)鋁資源需求緊缺的舉措，提高資源的自給

21、率，降低對(duì)國(guó)外資源的依存度，是實(shí)現(xiàn)“綠色工程”的有效舉措。</p><p>　　走出國(guó)門(mén)，充分利用國(guó)外鋁土礦資源，鼓勵(lì)有實(shí)力的企業(yè)，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合到鋁土礦資源豐富的國(guó)家建立原料供應(yīng)基地，通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)勘探，投資合作或投資辦礦，簽訂長(zhǎng)期供貨合同，多渠道增加氧化鋁供應(yīng)量，發(fā)展我國(guó)鋁工業(yè)。</p><p>　　鋁的生產(chǎn)技術(shù)也在不斷完善，消耗指標(biāo)的大幅度降低使鋁的價(jià)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(shè)計(jì)主要講述鋁的電解生產(chǎn)過(guò)程的基本理論、工藝設(shè)備和生產(chǎn)特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)的闡述。</p><p>　　鋁電解生產(chǎn)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(gè)階段，最初是化學(xué)法煉鋁階段，1825年德國(guó)人韋勒先用鉀汞齊，后來(lái)用鉀還原無(wú)水氯化

23、鋁制得金屬鋁，1845年法國(guó)人戴維爾用鈉還原NaCl·AlCl混合鹽也得到金屬鋁，并在法國(guó)進(jìn)行小規(guī)模生產(chǎn)，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(chǎng)制鋁，應(yīng)用化學(xué)法練出的金屬鋁共約200噸。</p><p>　　1886年美國(guó)霍爾和法國(guó)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(zhuān)利，開(kāi)創(chuàng)了電解法煉鋁階段，最初是采用小型預(yù)焙電解槽，本世紀(jì)初葉出現(xiàn)了小型側(cè)部導(dǎo)電的自焙陽(yáng)極電

24、解槽，電解槽的容量（電流強(qiáng)度）也逐漸由最初的2kA發(fā)展至50kA或更高，本世紀(jì)四十年代出現(xiàn)了上部側(cè)電的自焙陽(yáng)極電解槽。</p><p>　　本世紀(jì)五十年代以后，大型預(yù)焙陽(yáng)極電解槽的出現(xiàn)，使電解煉鋁技術(shù)邁向了向大型化現(xiàn)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(shè)計(jì)、安裝、操作控制都建立在現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)上。電解煉鋁的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和環(huán)境保護(hù)水平都全然改觀(guān)、遠(yuǎn)非往昔可比，一百多年來(lái)，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(chǔ)上，但是無(wú)論是理論上還是工藝上都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并且在繼續(xù)向前發(fā)展。</p><p>　　1.2 現(xiàn)代生產(chǎn)方法</p><p>　　現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)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(zhì)，以碳素體作為陽(yáng)極，鋁液作為陰極，通入強(qiáng)大的直流電后，在950℃-970℃下，在電解槽內(nèi)的兩極上進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，既電解?；瘜W(xué)反應(yīng)主要通過(guò)

26、這個(gè)方程進(jìn)行：2Al2O3==4Al 3O2。 陽(yáng)極：2O2ˉ-4eˉ=O2↑陰極:Al3 3eˉ=Al。陽(yáng)極產(chǎn)物主要是二氧化碳和一氧化碳?xì)怏w，其中含有一定量的氟化氫等有害氣體和固體粉塵。為保護(hù)環(huán)境和人類(lèi)健康需對(duì)陽(yáng)極氣體進(jìn)行凈化處理，除去有害氣體和粉塵后排入大氣。陰極產(chǎn)物是鋁液，鋁液通過(guò)真空抬包從槽內(nèi)抽出，送往鑄造車(chē)間，在保溫爐內(nèi)經(jīng)凈化澄清后，澆鑄成鋁錠或直接加工成線(xiàn)坯.型材等。</p><p>　　其生產(chǎn)工藝流

27、程如下圖：</p><p>　　1.3 電解槽簡(jiǎn)介</p><p>　　鋁電解槽簡(jiǎn)介 (1)鋁電解槽的演變?cè)阡X電解工業(yè)中，電解槽的大小，一般也稱(chēng)電解槽的容量，皆以其電流強(qiáng)度的大小表示。鋁電解槽的電流強(qiáng)度，也是經(jīng)歷了由小到大逐步增加的過(guò)程。第二次世界大戰(zhàn)前，世界各國(guó)鋁廠(chǎng)的系列電解槽的電流強(qiáng)度，在2-5萬(wàn)安培，戰(zhàn)后到1952年發(fā)展到6-8萬(wàn)安培。20世紀(jì)80年代初期發(fā)展到15-20萬(wàn)

28、安培，目前則已達(dá)到30萬(wàn)安培以上，并已開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)更大容量的電解槽。 ①第一階段（初期的預(yù)焙槽） 在鋁電解法投入工業(yè)生產(chǎn)初期，電解槽很小，電流強(qiáng)度低，使用的陽(yáng)極是預(yù)焙的石墨或碳素制成的，陽(yáng)極電流密度高達(dá)6-7A/cm2，電耗增高至90000 kW.h/t鋁，生產(chǎn)成本高，鋁價(jià)昂貴。例如，1888年時(shí)用于生產(chǎn)的是4000A的電解槽，電解槽有一個(gè)方形陽(yáng)極，陽(yáng)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(shí)電解槽的電流強(qiáng)度就已經(jīng)達(dá)到55000A，有預(yù)焙陽(yáng)極22塊，陽(yáng)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(kāi)始采用8000A的旁插槽。美國(guó)在1927</p><p>　?、鄣谌A段（上插槽） 上插槽在20世紀(jì)40年代開(kāi)始試用，60年代初期擴(kuò)展到一些產(chǎn)鋁國(guó)家。與旁插槽相比它的優(yōu)點(diǎn)是： a.導(dǎo)電系統(tǒng)進(jìn)一步有所簡(jiǎn)化；

30、 b.電解槽和陽(yáng)極的操作便于機(jī)械化、自動(dòng)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(yīng)大一些的電流強(qiáng)度。 上插槽也有嚴(yán)重不足之處： a.電解槽上部結(jié)構(gòu)，陽(yáng)極提升機(jī)等機(jī)械設(shè)備復(fù)雜； b.二次陽(yáng)極燒結(jié)質(zhì)量不好，影響生產(chǎn)效率，電耗較大，陽(yáng)極事故相對(duì)較多； c.在集氣罩里的陽(yáng)極側(cè)部易氧化，易產(chǎn)生裂紋和裂縫。</p><p>　?、艿谒碾A段（現(xiàn)代

31、預(yù)焙槽） 預(yù)焙槽有兩種類(lèi)型，一是邊部加料式，一是中間加料式。初期預(yù)焙槽經(jīng)過(guò)很多改進(jìn)，并用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)行裝備，出現(xiàn)了現(xiàn)代預(yù)焙槽，目前世界上新建鋁廠(chǎng)幾乎全部采用現(xiàn)代預(yù)焙電解槽。它的優(yōu)點(diǎn)是，能適應(yīng)更大的電流強(qiáng)度，電耗更低，上部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械化自動(dòng)化程度高，環(huán)保條件好。缺點(diǎn)是有15％-20%的殘極需處理，陽(yáng)極要事先預(yù)制好，這就使陽(yáng)極的成本大為提高。</p><p><b>　　現(xiàn)代鋁電解槽結(jié)構(gòu)</b&

32、gt;</p><p>　　工業(yè)鋁電解槽幾乎都由相類(lèi)似部分構(gòu)成，陽(yáng)極裝置、陰極裝置、母線(xiàn)系統(tǒng)和集氣系統(tǒng)，鋁電解槽按槽底裝置的結(jié)構(gòu)劃分為有底槽和無(wú)底槽，按導(dǎo)電方式可劃分為單端進(jìn)電和雙端進(jìn)電槽，按集氣方式劃分為敞開(kāi)式和密閉式集氣槽。</p><p>　　1.4.1 預(yù)焙陽(yáng)極電解槽</p><p>　　現(xiàn)代預(yù)焙陽(yáng)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(yù)焙槽的陰極裝置，母線(xiàn)裝置和槽罩等方面是相同的，所不同的是后者配備有自動(dòng)打殼和下料裝置。</p><p>　　1.4.1.1 陽(yáng)極炭塊組</p><p>　　陽(yáng)極炭塊組包括陽(yáng)極導(dǎo)桿、鋼爪和炭塊三個(gè)部分。</p><p>　　鋁導(dǎo)桿用夾緊在陽(yáng)極大母線(xiàn)上。有三種炭塊組：?jiǎn)螇K組、雙塊組和三塊組。鋁導(dǎo)桿用鋁合金制作。鋼爪與鋁導(dǎo)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(guó)鋁廠(chǎng)采用爆炸焊。</p><p>　　陽(yáng)極炭塊用振動(dòng)機(jī)成型。炭塊呈長(zhǎng)方形，炭塊上有加工的炭碗，鋼爪分別插入皮炭碗中，陽(yáng)極炭塊上一般噴涂鋁作保護(hù)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(zhǎng)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(cè)壁有一層炭塊和一層耐火磚，有的還在側(cè)部炭塊之內(nèi)壁上炭糊搗固成斜坡，構(gòu)成人造“伸腿”，用來(lái)保護(hù)側(cè)部炭塊并收縮鋁液鏡面。近來(lái)在大型電解槽上，特別是在中部下料的預(yù)焙槽上，側(cè)部保溫磚有所減薄，以適應(yīng)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(méi)在炭塊內(nèi)的鋼質(zhì)導(dǎo)電棒構(gòu)成，導(dǎo)電棒的數(shù)目可為一根或兩根，在導(dǎo)電棒與炭塊之間用生鐵澆鑄。陰極炭塊組在槽內(nèi)長(zhǎng)短交錯(cuò)排成兩行。有些電解槽為了提高槽底導(dǎo)電性，特意采用通長(zhǎng)的陰極炭塊，其中放置兩根通長(zhǎng)的導(dǎo)電棒。</p><p>　　1.4.1.3 母線(xiàn)結(jié)構(gòu)</p><p>　　電解槽母線(xiàn)是電解槽的帶電構(gòu)件，由陽(yáng)極母、陰極母線(xiàn)及立柱母線(xiàn)三個(gè)部分組成，都是用鋁制作。鋁母線(xiàn)有兩種：

37、壓延母線(xiàn)和鑄造母線(xiàn)。后者通常用于高電流的大型電解槽。</p><p>　　電解槽母線(xiàn)的配置方式有多種多樣，而選擇哪種配置方式，則根據(jù)電解槽的類(lèi)型，容不得量和在廠(chǎng)房中的配置而定。選擇母線(xiàn)時(shí)必須遵循下述原則：母線(xiàn)的經(jīng)濟(jì)電泫密度；磁場(chǎng)對(duì)電解過(guò)程影響最??；在不破壞其余槽子運(yùn)行的情況下，能盡快地將任何一臺(tái)電解槽與電路切斷或接通。</p><p>　　大型預(yù)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(xiàn)的配置方式前者采用雙端進(jìn)電或四端進(jìn)電；后者采用單端進(jìn)電。</p><p>　　1.4.2 自焙陽(yáng)極電解槽</p><p>　　1.4.2.1 自焙陽(yáng)極側(cè)插棒式電解槽</p><p>　　自焙陽(yáng)極側(cè)插棒式電解槽適用于中小型電解鋁廠(chǎng)。目前，我國(guó)中小鋁廠(chǎng)采用這種結(jié)構(gòu)的電解槽。由于這種電解槽熱損失多，故要加強(qiáng)保溫。</p><p>

39、　　基礎(chǔ) 側(cè)插棒式電解槽的電流強(qiáng)度一般為40000A以下，為了保溫一般采用無(wú)底槽殼，電流強(qiáng)度為60000A以上的一般采用有底槽殼，無(wú)底槽是直接安裝在磚基礎(chǔ)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(chǔ)有充分可靠的電絕緣。</p><p>　　陰極 電解槽通常采用長(zhǎng)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(nèi)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(yīng)加強(qiáng)保溫措施。對(duì)保溫材料的選擇和鋪設(shè)的層數(shù)及位置，不同的槽型有所差異。這里僅就中型槽說(shuō)明槽體的大致結(jié)構(gòu)；槽殼內(nèi)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(hù)耐火磚層免受電解質(zhì)的侵蝕。自焙陽(yáng)極電解槽在炭素墊上安裝的陰極炭塊組及電解

41、槽側(cè)壁內(nèi)襯結(jié)構(gòu)、材料與預(yù)焙陽(yáng)極電解槽相同。</p><p>　　關(guān)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(yù)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(yáng)極 炭陽(yáng)極外面有鋁箱和鋼質(zhì)框架，炭陽(yáng)極由液體糊和堅(jiān)實(shí)的固體炭構(gòu)成。陽(yáng)極體下的錐體在電解過(guò)程中伴隨身的消耗而逐漸升高，因而在止面的鋁箱內(nèi)必須周期性的添加陽(yáng)極糊，確保陽(yáng)極工作的連續(xù)性。陽(yáng)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(zhǎng)方框形。它起著盛裝陽(yáng)極糊和保護(hù)下部錐體不被氧化的作用。隨著陽(yáng)極消耗須在上部定期鉚接新的鋁箱。</p><p>　　陽(yáng)極棒用軟鋼制作，直徑為60～80mm，長(zhǎng)度為750～800mm，從陽(yáng)極側(cè)面插入與水平成15～20°

44、角，共有四排。其中上面兩排榨不導(dǎo)電，屬于備用導(dǎo)電母線(xiàn)。</p><p>　　上部金屬結(jié)構(gòu) 上部金屬結(jié)構(gòu)包括：支柱、平臺(tái)、氧化鋁料斗、陽(yáng)極升降機(jī)構(gòu)、槽簾和排煙管道。四個(gè)支柱裝在槽殼的四角上，它的作用在于承擔(dān)全部金屬結(jié)構(gòu)、陽(yáng)極和導(dǎo)電母線(xiàn)的重量。</p><p>　　導(dǎo)電母線(xiàn)和絕緣設(shè)施 鋁電解槽的陽(yáng)極母線(xiàn)、陰極母線(xiàn)和立柱母均用鋁板制作，但是，陽(yáng)極小母線(xiàn)采用銅板和軟銅片焊成。由于銅板價(jià)格較貴，

45、故銅母線(xiàn)電流密度較大，一般為1A·cm，約為鋁母線(xiàn)電流密度的3～4倍。</p><p>　　由于鋁電解廠(chǎng)房?jī)?nèi)系列電壓很高，電流密度很大，所以金屬結(jié)構(gòu)之間或金屬結(jié)構(gòu)與鋁母線(xiàn)之間都有絕緣設(shè)施，以防短路。</p><p>　　1.4.2.2 自焙陽(yáng)極上插棒式電解槽</p><p>　　自焙陽(yáng)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(cè)插槽相

46、仿。上插槽的陽(yáng)極裝置是由炭素陽(yáng)極體、陽(yáng)極框套和陽(yáng)極升降機(jī)構(gòu)組成。雖然它的陽(yáng)極也是連續(xù)陽(yáng)極，但是陽(yáng)極棒卻是從陽(yáng)極頂部插入。陽(yáng)極棒一般是鋁鋼組合棒，鋁合金導(dǎo)桿連接在鋼棒的上端。陽(yáng)極棒在陽(yáng)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(dǎo)桿與陽(yáng)極母線(xiàn)大梁之間用夾具夾緊。陽(yáng)極母線(xiàn)系鑄鋁母線(xiàn)，用縱向的鋼梁加固，它既作導(dǎo)電體，又作承重梁。鋁鋼陽(yáng)極棒與側(cè)插槽所用的鋼陽(yáng)極棒不同，它不僅導(dǎo)電率高，而且有助于穩(wěn)定電解槽

47、的電磁場(chǎng)，因?yàn)殛?yáng)極棒的鋁部分沒(méi)有磁性。炭陽(yáng)極的外圍有陽(yáng)極框套，陽(yáng)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(yáng)極框套下緣四周設(shè)有鑄鐵的集氣罩，它延伸到槽面的氧化鋁保溫層內(nèi)，他陽(yáng)極氣體匯聚起來(lái)，并將其排送到槽面對(duì)角位置上的兩個(gè)燃燒器內(nèi)。陽(yáng)極氣體中的一氧化碳和瀝青揮發(fā)分在燃燒器內(nèi)燃燒，然后連同氟氣一起排入凈化裝置，進(jìn)行氣體凈化回收。</p><p>　　陽(yáng)極內(nèi)發(fā)生的焦化作用，形成

48、了燒結(jié)錐體。陽(yáng)極體總高一般在125cm左右，其中液體糊中心高度為15cm左右，陽(yáng)極棒通過(guò)上層的液體糊一直插到陽(yáng)極錐體之內(nèi)，其主要不同點(diǎn)是拔棒后遺留下來(lái)的孔洞由上層的陽(yáng)極糊來(lái)填充，結(jié)果生成“二次陽(yáng)極”，對(duì)陽(yáng)極質(zhì)量有一定的影響。</p><p>　　陽(yáng)極升降機(jī)構(gòu)分主提升機(jī)構(gòu)和副提升機(jī)構(gòu)，這兩套提升裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)速度相等。陽(yáng)極主提升機(jī)構(gòu)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(yùn)動(dòng)桿固定在懸吊的水平母線(xiàn)大梁上。

49、因而主提升機(jī)構(gòu)可以升降陽(yáng)極，陽(yáng)極副提升機(jī)構(gòu)的螺旋起重器固定在水平母線(xiàn)上，絲桿座固定在陽(yáng)極框套上，所以副提升機(jī)構(gòu)可以升降陽(yáng)極框套。</p><p>　　在電解過(guò)程中陽(yáng)極逐漸消耗。為了保持恒定極距，需要開(kāi)動(dòng)主提升機(jī)構(gòu)使整個(gè)陽(yáng)極下降，這時(shí)，為使陽(yáng)極框套的位置不變，同樣需要開(kāi)動(dòng)副提升機(jī)構(gòu)使陽(yáng)極框套以同一速度上升。這樣，陽(yáng)極框套的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為零，它相對(duì)于電解槽槽殼和電解質(zhì)結(jié)殼的位置就保持不變。</p>&l

50、t;p>　　有些上插槽在陽(yáng)極框套的兩側(cè)安裝了自動(dòng)打殼機(jī)，用計(jì)算機(jī)控制。</p><p>　　1.4.2 各種槽型的比較</p><p>　　在電解過(guò)程中，陽(yáng)極以大約每小時(shí)0.8~1.0mm的速度連續(xù)消耗著。在自焙陽(yáng)極電解槽上，定期向鋁箱內(nèi)補(bǔ)充陽(yáng)極糊，因而陽(yáng)極可以連續(xù)使用（連續(xù)預(yù)焙陽(yáng)極除外）。所以，自焙陽(yáng)極的連續(xù)性正好適應(yīng)了電解生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性。</p><p>

51、;　　但是，自焙陽(yáng)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(chǎng)房?jī)?nèi)外的空氣，這是一個(gè)很大的缺點(diǎn)。所以需要采取密閉裝置和排煙凈化設(shè)施。預(yù)焙陽(yáng)極已經(jīng)在焙燒爐內(nèi)焙燒過(guò)，它的瀝青煙氣正好在焙燒過(guò)程中用作燃料，不再在電解槽上散發(fā)出來(lái)。因此，采用預(yù)焙槽的電解廠(chǎng)房煙害小些。當(dāng)然，預(yù)焙槽也需要密閉和氣體凈化設(shè)施，以排除有害氣體。</p><p>　　以機(jī)械化和自動(dòng)化程度而論，目前預(yù)焙槽為最好，特別是中部下料型的

52、預(yù)焙槽，上插槽次之，有些上插槽也有自動(dòng)下料裝置。</p><p>　　從陽(yáng)極電壓損失方面來(lái)看，預(yù)焙陽(yáng)極的電壓降只有0.3V，而自焙陽(yáng)極直接在電解槽上焙燒，由于其焙燒溫度較低，故陽(yáng)極電壓降較大。側(cè)插棒陽(yáng)極為0.4V，上插棒陽(yáng)極為0.5V。</p><p>　　從基建投資來(lái)看，預(yù)焙槽的上部金屬結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，因而這種電解槽的造價(jià)稍低。但是，采用預(yù)焙槽的工廠(chǎng)需要一整套的陽(yáng)極成型、焙燒和裝配鋼爪的設(shè)

53、備，需要一筆額外投資，在大型廠(chǎng)內(nèi)興建預(yù)焙槽是適宜的。上插槽的部金屬結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，要求較高的機(jī)械化程度，投資也大，唯有側(cè)插槽投資省些。</p><p>　　小型電解槽熱損失大，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)差些，勞動(dòng)強(qiáng)度也大，單槽產(chǎn)能低，但磁場(chǎng)影響?。淮笮碗娊獠鄞艌?chǎng)影響大些，但各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)均好，勞動(dòng)生產(chǎn)率高，機(jī)械化、自動(dòng)化程度高。</p><p>　　1.5 采用的生產(chǎn)方法</p>&

54、lt;p>　　經(jīng)過(guò)上面的討論，本設(shè)計(jì)采用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法，電解生產(chǎn)鋁。所采用的鋁電解槽為中間下料預(yù)焙陽(yáng)極電解槽。</p><p>　　第二章 鋁電解槽正常生產(chǎn)保持的技術(shù)條件</p><p><b>　　2.1槽電壓</b></p><p>　　它是陽(yáng)極母線(xiàn)到陰極母線(xiàn)之間的電壓降，它由與電解槽并聯(lián)的直流電壓表來(lái)指示。槽電壓的數(shù)值包括

55、電解槽的極化電壓值和各部分導(dǎo)體的電壓降值。槽電壓根據(jù)電壓表的讀書(shū)控制，一般為3.8~4.3V，這與電解槽類(lèi)型有關(guān)，預(yù)焙槽較自焙槽低一些，槽電壓實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的原則是能夠隨生產(chǎn)操作的進(jìn)行，及時(shí)而準(zhǔn)確的完成電壓調(diào)節(jié)，因而實(shí)現(xiàn)了節(jié)電和增產(chǎn)。</p><p>　　當(dāng)其他條件不變時(shí) ,槽電壓的升高會(huì)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(zhǎng)時(shí)間不變 ,鋁電解槽將通過(guò)對(duì)環(huán)境散熱量的增加對(duì)體系進(jìn)行調(diào)節(jié) ,最終達(dá)到新的熱

56、平衡。</p><p><b>　　2.2極距</b></p><p>　　極距是指陽(yáng)極和陰極兩極之間的距離。工業(yè)上測(cè)量是用極距鉤檢測(cè)陽(yáng)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(jù)實(shí)測(cè)每提高1mm，引起電壓降增加40mV(側(cè)插槽)或35mV(預(yù)焙槽)，極距對(duì)電流效率的影響，只有在極距較低時(shí)才明顯表現(xiàn)出來(lái)。而在極距超過(guò)一定限度后，極

57、距增加，電流效率提高不多，并且不能達(dá)到100%，而是有一個(gè)差值，這個(gè)差值就是在該條件下電流損失的一個(gè)固定量。另外，起點(diǎn)也不是零點(diǎn)，而是當(dāng)極距減小到一定程度后，電流效率即為零，此時(shí)的極距稱(chēng)之為“臨界極距”，</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)量的電能消耗量。否則極距增加，將會(huì)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(dòng)控制），使極距縮短是適宜的，

58、否則在極距過(guò)大時(shí)還會(huì)使電解質(zhì)過(guò)熱，使槽電壓增加，增加電能消耗。所以選擇極距時(shí)必須從電流效率和電能效率的綜合結(jié)果來(lái)選擇。</p><p><b>　　2.3電解溫度</b></p><p>　　在生產(chǎn)上把電解質(zhì)溫度視為電解溫度，并作為重要的技術(shù)條件，一般取950~970oC，大約高出電解質(zhì)的出晶點(diǎn)15~20oC，電解溫度對(duì)電流效率影響特別強(qiáng)烈，隨溫度升高，按指數(shù)規(guī)律加速

59、擴(kuò)散過(guò)程，鋁損失相應(yīng)增加。同時(shí)電能和物料消耗量也增多，大大提高了生產(chǎn)成本，因此，現(xiàn)代鋁工業(yè)應(yīng)當(dāng)采用較低的電解質(zhì)，以便降低電解溫度。</p><p><b>　　2.4電解質(zhì)成分</b></p><p>　　工業(yè)鋁電解質(zhì)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(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)采用的添加劑(Ca

60、F2,MgF2和FLi等) 3%~5%.當(dāng)電解質(zhì)的摩爾比為2.6~2.8，并有5%上述添加劑時(shí)，可以獲得良好的技術(shù)指標(biāo)。這種弱酸性電解質(zhì)具有較低的初晶點(diǎn)，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(jié)殼也酥松易打碎。電解質(zhì)內(nèi)氧化鋁的濃度在打殼終了時(shí)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(shí)現(xiàn)的。采取中間自動(dòng)打殼下料的加工方法，就能使電解質(zhì)中的氧化鋁含量穩(wěn)定在某

61、一較高的濃度內(nèi)，這對(duì)穩(wěn)定電解過(guò)程，提高電流效率會(huì)非常有利。</p><p>　　（1） NaF/AlF3摩爾比 當(dāng)有過(guò)剩的AlF3時(shí)（即摩爾比小于3時(shí)）電流效率提高，這是由于電解質(zhì)中AlF3過(guò)剩使鋁液——電解質(zhì)的界面張力增大，也使鋁在電解質(zhì)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(zhì)中，Na+的放電及鋁自電解質(zhì)中取代鈉的反應(yīng)減弱：</p><p>　　6NaF + Al ==

62、 3Na2F + AlF3</p><p>　　6Na+ + Al == 3Na2+ + Al3+</p><p>　　但電解質(zhì)過(guò)酸，則又使生成低價(jià)氟化鋁的反應(yīng)增強(qiáng)，增加鋁的損失：</p><p>　　2Al + AlF3 == 3AlF</p><p>　　2Al + Al3+ == 3Al+</p><p>　　所

63、以，現(xiàn)代工業(yè)鋁電解槽一般采用酸性的電解質(zhì)，其N(xiāo)aF/AlF3摩爾比在2.5~2.7之間。</p><p>　?。?） Al2O3濃度 關(guān)于Al2O3濃度對(duì)電流效率影響的研究結(jié)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(jié)論。但多數(shù)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(shí)際意義在于：在采用連續(xù)下料時(shí)，應(yīng)設(shè)法避開(kāi)電流效率最低值所相對(duì)應(yīng)的氧化鋁濃度，而采用其兩

64、側(cè)的某一相應(yīng)值。</p><p>　?。?） 雜質(zhì) 雜質(zhì)對(duì)電流效率的影響也是不能忽視的，原料氧化鋁、氟化鹽、陽(yáng)極糊中都能帶進(jìn)雜質(zhì)而嚴(yán)重降低電流效率。電解質(zhì)中有TiO2、V2O5、P2O5存在，電流效率降低最多，其它雜質(zhì)如Fe2O3、SiO2等亦有影響，但較小。因?yàn)殁C、鈦、磷的氧化物能被鋁還原為低價(jià)氧化物，這些低價(jià)氧化物轉(zhuǎn)移到電解質(zhì)與空氣接觸界處而重新氧化變成高價(jià)氧化物，以后又重新被鋁還原為低價(jià)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(chǎn)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)防雜質(zhì)混入。</p><p>　　2.5電解質(zhì)水平和鋁液水平</p><p>　　槽內(nèi)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(zhì)的高度決定陽(yáng)極浸入電解質(zhì)的深度。增加陽(yáng)極浸入深度則陽(yáng)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(zhì)水平過(guò)高，則陽(yáng)極浸入電解質(zhì)必然

66、要加深，這樣陽(yáng)極四周有較多的電流通過(guò)，使溫度升高，上口槽幫形成比較困難，會(huì)造成側(cè)部漏電降低電流效率；如電解質(zhì)水平過(guò)低，槽內(nèi)電解質(zhì)熱穩(wěn)定性小，條件稍有變動(dòng)容易造成槽子過(guò)冷或過(guò)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(zhì)水平通常保持16~18cm，中部下料大型預(yù)焙槽電解質(zhì)水平通常保持20cm，槽內(nèi)電解質(zhì)量約7~8t。槽內(nèi)經(jīng)常保持有一層液體鋁能保護(hù)槽底炭塊，減少生成炭化鋁，其次，鋁是熱的良導(dǎo)體，鋁液能把陽(yáng)極底部中央部位多余的熱

67、量，通過(guò)這層良導(dǎo)體傳輸?shù)疥?yáng)極四周，使槽內(nèi)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(chǎng)產(chǎn)生的作用力，槽內(nèi)鋁液水平一般保持在20cm左右。</p><p><b>　　2.6陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)</b></p><p>　　如前所述，發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)，電壓從3.8~4.3V瞬間升高到25~30V，有時(shí)達(dá)到50V，在整個(gè)效應(yīng)期間信號(hào)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(yīng)時(shí)出現(xiàn)其他情況，則表明電解槽生產(chǎn)過(guò)程異常，如果發(fā)生效應(yīng)時(shí)電壓僅10~15V，信號(hào)燈“暗淡”，則表示電解槽處于過(guò)熱狀態(tài)；如果效應(yīng)時(shí)電壓忽高忽低，信號(hào)燈“閃爍”，則表示電解槽內(nèi)存在局部短路，槽膛內(nèi)型不規(guī)整或冷槽的情況；如果效應(yīng)時(shí)電壓高達(dá)50~100V，信號(hào)燈燈光異常明亮，則表示電解槽處于過(guò)冷狀態(tài)，如果電解槽能夠按照預(yù)定的加料程序發(fā)生正常的陽(yáng)極效應(yīng)，則表明生產(chǎn)情況正常。與此相反，沒(méi)有規(guī)律超前、滯后發(fā)生或長(zhǎng)期不發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)，則表示電

69、解槽生產(chǎn)情況不正常。因此，鋁廠(chǎng)有時(shí)利用陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生檢查并調(diào)整槽的生產(chǎn)， 如溶解氧化鋁減少槽內(nèi)沉淀，分離炭渣，修整槽膛內(nèi)型，提高電流效率等。但是發(fā)生效應(yīng)時(shí)，槽電壓很高，電能大量消耗，以180KA現(xiàn)代化大容量電解槽為例，如果效應(yīng)電壓為30V，正常工作電壓為4.0V，效應(yīng)持續(xù)時(shí)間為1.5min時(shí)，則每次陽(yáng)極效應(yīng)多耗費(fèi)的電能應(yīng)為：</p><p>　　同時(shí)，造成電解質(zhì)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(yīng)引起電流下降，槽溫降低，系列破產(chǎn)。</p><p>　　綜上所述，陽(yáng)極效應(yīng)對(duì)鋁電解有利也有弊，權(quán)衡這兩方面的作用，應(yīng)適當(dāng)?shù)南拗撇p少陽(yáng)極效應(yīng)，這對(duì)進(jìn)一步穩(wěn)定生產(chǎn)、降低電耗和增加產(chǎn)能是非常有必要的，一般電解槽取陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)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(qiáng)度不變而陰極面積（鋁液鏡面）變化，例如，電解槽中結(jié)殼伸腿的收縮和長(zhǎng)大。第二，陰極面積不變電流強(qiáng)度變化。第一種情況陰極鋁液鏡面縮小時(shí)，由于金屬的溶解與擴(kuò)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(qiáng)度變化時(shí)，陰極氣體量變化，因而使電解質(zhì)的攪拌強(qiáng)度變化。</p><p>　　(2) 陽(yáng)極電流密度 這里也有兩種情況，第一，電流強(qiáng)度不變，

72、改變陽(yáng)極面積；第二，陽(yáng)極面積不變，改變電流強(qiáng)度。這兩種情況在實(shí)際生產(chǎn)中也經(jīng)常碰到。比如，“加寬陽(yáng)極”就屬于第一種情況，而強(qiáng)化生產(chǎn)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(shí)，電流效率下降；而在電流密度減小時(shí)，電流效率增加。對(duì)于第一種情況來(lái)說(shuō)，在陽(yáng)極面積加大時(shí)，氣體的速度減弱，因而時(shí)攪拌強(qiáng)度減小，使溶解金屬擴(kuò)散變慢，電流效率提高；對(duì)于第二種情況來(lái)說(shuō)，在增加電流強(qiáng)度時(shí)，氣體的析出量增加，因而攪拌加強(qiáng)，電流效率

73、降低。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中選擇的電流密度為0.7A/cm2.</p><p>　　上述技術(shù)條件最主要的是電流強(qiáng)度，還有槽電壓。其余技術(shù)條件都與系列電流強(qiáng)度和槽電壓密切關(guān)聯(lián)，它們的作用不同，有主有次，因此，在電解生產(chǎn)中必須根據(jù)實(shí)際情況，切實(shí)掌握好主要技術(shù)條件，調(diào)整次要技術(shù)條件，使之與主要技術(shù)條件緊密配合，保持生產(chǎn)平穩(wěn)正常地進(jìn)行，保證良好的技術(shù)指標(biāo)。</p><

74、p>　　第三章 電解原理</p><p><b>　　3.1陰極過(guò)程</b></p><p>　　鈉離子是電流的主要傳遞著，所傳輸?shù)碾娏髡伎傠娏鞯?9%。在單一熔鹽點(diǎn)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(lái)確定，但是在復(fù)雜的熔鹽點(diǎn)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(shí)陽(yáng)離子電位更正，則放電的可能性越大，反之亦然。因此

75、，在復(fù)雜的熔鹽點(diǎn)解系統(tǒng)中，就有可能出現(xiàn)其他的離子放電的現(xiàn)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(fù)，同時(shí)，鋁在陰極放電時(shí)并不存在很大的過(guò)電壓，因此陰極析出的，是鋁。陰極反應(yīng)為：</p><p>　　Al（配離子）+3e=Al</p><p>　　熔體中并不含有單獨(dú)的Al，鋁是包含在氟氧配離子中。因此，鋁離子在放電錢(qián)首先發(fā)生含鋁

76、配離子的離解。</p><p>　　然而，隨著電解的進(jìn)行鈉和氯電位的差值會(huì)發(fā)生變化，隨著電解質(zhì)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(dāng)兩者電位差趨于零時(shí)，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(chǎn)中，宜采用酸性點(diǎn)解體系，在較低的溫度下點(diǎn)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(yáng)極過(guò)程</b></p><p>　　冰晶石-氧化鋁體系中，陽(yáng)極與陰極不同，炭陽(yáng)極本省就參與電化學(xué)反應(yīng)。鋁點(diǎn)解時(shí)的陽(yáng)極過(guò)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(yáng)極發(fā)生反應(yīng)生成二氧化碳。</p><p>　　2O（配離子）+ C－4e=CO</p><p>　　因此，陽(yáng)極產(chǎn)物是二氧化碳，有實(shí)驗(yàn)表

78、明除了在電流密度很低的情況下，陽(yáng)極氣體幾乎是純二氧化碳，在工業(yè)點(diǎn)解槽中，陽(yáng)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(yáng)極空隙中以及溶解在電解質(zhì)中的鋁在氧化反應(yīng)所致。</p><p>　　第四章 鋁電解槽計(jì)算</p><p>　　鋁電解槽計(jì)算包括：結(jié)構(gòu)計(jì)算、電壓平衡計(jì)算及能量平衡計(jì)算。這里僅通過(guò)實(shí)例介紹大型中間下料預(yù)焙陽(yáng)極電解槽的結(jié)構(gòu)計(jì)算。其電流強(qiáng)度為：I=

79、210KA，陽(yáng)極電流密度選擇0.7A/cm2 。</p><p><b>　　鋁電解槽結(jié)構(gòu)計(jì)算</b></p><p>　　4.1 陽(yáng)極結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇與計(jì)算</p><p>　　(1) 陽(yáng)極斷面尺寸 陽(yáng)極炭塊規(guī)格為 1400 × 685 × 500</p><p>　　S = = 30

80、0000㎝ 故需陽(yáng)極碳?jí)K數(shù)</p><p>　　n = = 31.3</p><p>　　取32塊陽(yáng)極。分兩行排列。每行16組炭塊。</p><p>　　陽(yáng)極實(shí)際面積與陽(yáng)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(yáng)極到槽膛側(cè)壁（大面）尺寸為380mm，到槽膛壁（小面）之距離為460mm，陽(yáng)極炭塊組間距取45mm，陽(yáng)極行間距取250mm，由此可計(jì)算：</p><p>　　槽膛長(zhǎng)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(jié)構(gòu)選擇計(jì)算</p><p>　　鋁電解槽槽體結(jié)構(gòu)大致分為三部分：槽殼、槽內(nèi)襯及槽底。</p><p>　　4.2.1槽內(nèi)襯選擇與計(jì)算</p>

83、<p>　　槽側(cè)部?jī)?nèi)襯選擇 側(cè)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(cè)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(nèi)襯選擇 側(cè)部為散熱型結(jié)構(gòu)，一般底部和上部要堅(jiān)強(qiáng)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(jì)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(jì)算陰極炭塊側(cè)部到槽膛側(cè)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(cè)壁邊緣尺寸 = = 220 mm</p><p>　　4.2.3 槽殼結(jié)構(gòu)及尺寸</p><p>　　槽殼結(jié)構(gòu)有壁撐式和搖籃式兩大類(lèi)。搖籃架是彈性變形體，這種槽殼受力不產(chǎn)生應(yīng)力集中，在電解槽的端角部位，不能發(fā)生斷裂現(xiàn)象，這是搖籃式槽殼最大的優(yōu)點(diǎn)，搖籃支架選用360mm工字鋼、厚鋼板焊制而成

87、，槽側(cè)壁及端壁都設(shè)有搖籃架。</p><p>　　依據(jù)槽膛及槽內(nèi)襯尺寸可以算出槽殼尺寸：</p><p>　　槽殼寬度 = 3810 + 2× 150（內(nèi)襯）+ 2×12（鋼板）+ 2× 25（伸縮縫）=4184mm</p><p>　　槽殼長(zhǎng)度 = 12555 + 2 × 150（內(nèi)襯）+ 2 × 12（鋼板）+

88、2 × 25（伸縮縫）=12929 mm</p><p>　　槽殼深度 = 560 + 1035（槽底部?jī)?nèi)襯厚度）+ 12（鋼板）+ 40（槽沿板）=1647 mm</p><p>　　4.3 陰極結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇及計(jì)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(shí)，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(shù)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?jí)K結(jié)果是相同的。</p><p>　　4.4 鋁電解槽導(dǎo)電部件的選擇與計(jì)算</p>

90、;<p>　　4.4.1 陽(yáng)極部分導(dǎo)電部件的選擇與計(jì)算</p><p>　　(1) 陽(yáng)極橫母線(xiàn) 取母線(xiàn)電流密度為0.334 A/cm,母線(xiàn)的橫截面積為：</p><p>　　S = = = 157186 mm</p><p>　　母線(xiàn)規(guī)格為520×230 mm時(shí)，選用1片。母線(xiàn)配置采用雙端進(jìn)電，可減小磁場(chǎng)對(duì)電解槽鋁液的影響。</

91、p><p>　　(2) 陽(yáng)極軟母線(xiàn) 取軟母線(xiàn)經(jīng)濟(jì)電流密度為0.22 A/ mm(一般為0.2～0.3 A/ mm),軟母線(xiàn)規(guī)格為600×2 mm ，可算出軟母線(xiàn)的片數(shù)為：</p><p>　　n = = 175 片</p><p>　　(3) 陽(yáng)極導(dǎo)桿 陽(yáng)極組數(shù)經(jīng)計(jì)算為32組，陽(yáng)極導(dǎo)桿為32根，取陽(yáng)極導(dǎo)桿斷面尺寸為130×130 mm 。導(dǎo)桿電流

92、密度為</p><p>　　d= = 0.388 A/mm</p><p>　　4.4.2 陰極部分導(dǎo)電部件的選擇與計(jì)算</p><p>　　陰極鋼棒 根據(jù)陰極鋼棒數(shù)及其斷面尺寸，可以計(jì)算陰極鋼棒電流密度：</p><p>　　d= = 0.17 A/mm</p><p>　　(2) 陰極大母線(xiàn) 陰極大母線(xiàn)規(guī)格遠(yuǎn)

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(xiàn) 陰極小母線(xiàn)規(guī)格200×2 mm ,小母線(xiàn)電流密度為0.42 A/mm，則陰極小母線(xiàn)片數(shù)為：</p><