年产20万吨铝锭300kA预焙阳极铝电解车间设计.doc

1 毕业设计论文 年产 20 万吨铝锭 300ka 预焙阳极铝电解车间设计 2 摘要摘要 当今的铝电解工业正在向着槽容量大型化发展。大型预焙阳极铝电解槽上通过的 强大电流会产生强大的磁场,磁场与电解质及铝液中的电流相互作用产生强大的电磁力,使 铝液发生循环流动。这不仅会降低电流效率,也给生产操作带来一定困难。铝液流场分 布的好坏对电流效率、吨铝电耗、阳极消耗、槽寿命、阳极效应系数等生产指标有着 重要影响。因此,对铝液流场进行仿真具有重要的研究意义和实用价值。本文针对不同 槽膛内形计算出相应的铝液流场。总结归纳 300ka 铝电解槽铝液流场的分布规律,并 分析产生各种结果的原因。这些结论可以为铝电解槽的生产操作和优化设计提供理论 依据。 关键词：300ka；铝电解槽；双阳极；大面五点进电； 3 the design of 300 ka pre-baked anode electrolytic work shop with an annual output of 200,000 tons of aluminum ingots abstract the electrolytic aluminum industry is towards the development of large scale tank capacity. large scale prebaked anode aluminum electrolytic tank by the strong currents will generate a strong magnetic field, magnetic field and the electrolyte and aluminum liquid in the current interactions generate powerful electromagnetic force, so that the aluminum liquid circulating flow. this will not only reduce the current efficiency, but also bring some difficulties. the quality of aluminum liquid flow field distribution on current efficiency, energy consumption, tons of aluminum anode consumption, service life of the cell, the anode effect coefficient has an important effect on the production index. therefore,it is very significant to research aluminum liquid flow by simulating. according to different slot bore shape to calculate the flow field of molten aluminum to summary of 300ka aluminum electrolytic aluminum liquid flow distribution and analyse various results. these conclusions can provide aluminum electrolyzer production operation and theoretical basis for optimal design. key words: 300ka；aluminium electrolysis cell；double anode；bedding face five into electricity 4 目 录 摘要1 abstract.2 1 绪论1 1.1 铝电解工业的概述.1 1.2 现代铝电解技术.1 1.3 国内外铝工业现状与发展3 1.3.1 国外铝工业的现状.3 1.3.2 我国铝工业的发展状况.5 1.4 铝电解的发展趋势14 1.4.1 世界铝工业的组织结构日趋规模化、集团化、国际化.14 1.4.2 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.15 1.4.3 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.15 1.4.4 世界铝工业向电力充裕廉价、铝土矿资源丰富的地区转移.15 2 厂址的选择与论证17 2.1 工业布局问题17 2.2 原材料供应及交通运输条件17 2.3 供水、供电条件17 2.4 环境保护和节约用地问题17 2.5 厂址的工程地质及水文地质条件18 2.6 厂址的协作条件18 3. 工艺设计.19 3.1 电解铝生产19 3.1.1 铝电解的基本原理.19 3.1.2 铝电解的生产系统、工艺流程.20 3.1.3 电解铝生产原料.21 3.1.4 主要技术经济指标的选择论证.25 3.2 槽型的选择论证26 3.3 主要技术条件及技术经济指标的选择论证27 3.3.1 电解质成分.27 3.3.2 电解质温度.29 3.3.3 电流效率.31 3.3.4 极距.34 3.3.5 阳极电流密度.34 5 3.3.6 铝液水平、电解质水平、阳极效应系数.35 3.5 主要技术经济指标的确定36 3.6 铝电解槽结构常数的选择与结构计算36 3.7 槽膛尺寸39 3.8 阴极结构40 3.9 槽衬、槽底、砌筑材料尺寸的确定42 3.10 电解槽导电部件的确定与计算43 3.11 主要技术经济指标的确定48 4. 综合技术经济指标的计算.50 4.1 单槽日产量50 4.2 电解槽数量50 5. 平衡与计算51 5.1 物料平衡计算51 5.2 电压平衡计算53 5.2.1 实际分解电压.53 5.2.2 电解质电压.53 5.2.3 阳极电压降.53 5.2.4 阴极电压降.55 5.2.5 阳极效应分摊电压降.56 5.2.6 连接母线压降.56 5.3 能量平衡与计算56 5.3.1 能量平衡计算的基本概念.57 5.3.2 能量收入项的计算.58 5.3.3 能量支出项的计算.59 6.辅助篇73 6.1 铝电解槽破损的特征、检测与维护73 6.1.1 电解槽阴极破损的特征.73 6.1.2 破损槽的维护.76 7. 铝电解车间平面设计.79 参考文献80 致 谢.81 附件 1 外国文献.82 附件 2 中国翻译.87 1 1 绪论 1.11.1 铝电解工业的概述 铝是世界上最丰富的金属元素。金属铝具有耐腐蚀、易导电、密度小和延展性好 等特点，其优良的物理化学特性使得它被广泛地应用于建筑、包装、交通、电力和航 空航天等领域，是保障国民经济持续、快速发展的重要原材料之一，一次铝工业呈现 风波发展之势。2004 年我国氧化铝产量达 710 万吨，居世界第二位；电解铝产量 670 万吨，居世界第一位；铝的表观消费量约 597 万吨，居世界第一为。以上数据表明， 我国已成为世界铝生产、消费大国。 1.21.2 现代铝电解技术 炼铝方法的发展可分为两个时期：最初是化学法，其后是电解法。铝的工业化生 产开始于 1855 年，当时法国人戴维尔用钠代替钾还原氯化铝，制得金属铝。由于拿破 伦三世预见到它在轻型铠甲中的潜在应用而使铝的军事应用获得政府支持。然而，直 到冰晶石-氧化铝熔盐电解法实现工业应用之前，仅生产出少量的铝。 1854 年德国人本森（r.bunsen）用电解 naalcl4熔盐制得了金属铝。当时，由于 电价格太高而且不能获得大电流，因而不能进行工业电解试验。1867 年发明了发电机 并在 1880 年加以改进，这种电源才可用于工业生产。1883 年美国布拉雷（bradley） 提出冰晶石-氧化铝熔盐电解方案。三年之后即 1886 年，美国的 c.m. hall 和法国的 p.l.t. hroult 都在当年通过实验申请了冰晶石-氧化铝熔盐电解法的专利。这就是 历来称呼的霍尔-埃鲁特法。这一方法的要点仍是近代铝冶金工业的基础。自从 1886 年发明了冰晶石-氧化铝熔盐电解法之后，1888 年 11 月 hall 在美国 pittsburgh 建厂 实现工业化生产，1889 年 hroult 在瑞士 neuhausen 建厂生产铝，这就是电解法工业 生产铝的开始。1888 年 8 月奥地利科学家拜尔（karl joseph bayer）申请了从铝土 矿提取氧化铝的专利。与此同时，瑞士冶金公司利用莱茵河上的水力发电，获得了廉 价的电力。由此，霍尔-埃鲁特法、拜尔法以及廉价的电力推进了美国和欧洲铝工业的 发展，于是，电解法很快取代了化学法。化学法总共生产了约 200 吨铝，前后约 30 年， 该工艺在 19 世纪末逐渐被淘汰。以后，其它各国相继采用冰晶石-氧化铝熔盐电解法 炼铝。英国开始于 1890 年，德国 1898 年，奥地利 1899 年，挪威 1906 年，意大利 1907 年，西班牙 1927 年，前苏联 1931 年，中国 1938 年。冰晶石-氧化铝熔盐电解法 发明一百多年来，全世界的铝产量已有很大的增长。1890 年是化学法和电解法的交替 2 时代，原铝的产量只有 180 吨左右。1970 年达到 1000 万吨，1980 年 1625 万吨，2000 年突破了 2400 万吨,2007 年已超过 3250 万吨。 冰晶石-化铝熔盐电解法自从十九世纪末页以来，已有一百多年的历史了。在此期 间，铝电解的生产技术有了重大的发展，这主要表现在持续增加电解槽的生产能力方 面。 在铝工业生产初期（18881900 年间） ，曾采用 40008000 安培小型电解槽，其 每昼夜的铝产量不过 2428kg，20 世纪 90 年代大型电解槽的电流强度达到 2830 万 a，每昼夜的铝产量可达 20302170kg。铝电解的电流效率，在铝工业生产初期低 于 80%，20 世纪 90 年代一般达到 90%，有的达到 92%。 电解槽电流强度的持续加大，显然是与整流设备的更新，电极生产的改进，电解 槽设计与生产操作的改善密切相关。在铝工业生产的初期，曾采用小型直流发电机， 电流只有数千安培，后来，改用了水银整流器，现代则普遍采用了大功率高效率的硅 整流器组，系列电流强度因此增加到 30 万 a，而整流效率达到 9598%。 此外，在铝工业生产初期，电解槽曾采用小型预焙阳极，这跟当时电机工业的生 产状况相适应。后来，在 20 世纪初（1909 年） ，生产生产铁合金的电弧炉上出现了连 续自焙电极，铝工业从二十年代开始也采用了这种型式电极作为阳极，这就是侧插棒 式自焙阳极。随后，为了扩大阳极尺寸和简化阳极操作，在四十年代又发展了上插棒 式自焙阳极。自焙阳极的采用，标志着铝电解槽结构型式发展的第二个阶段。但是， 由于自焙阳极的电耗较高，并且因为电极工业的高度机械化可制造大型预焙炭块，所 以从五十年代中期开始有了两项重大的改进，这就是改造了小型预焙阳极电解槽，使 之成为现代化的大型预焙阳极电解槽，与此同时还试验并采用了连续预焙阳极。预焙 阳极电解槽的现代化是铝电解槽发展的第三阶段。 侧插棒式和上插棒式自焙阳极电解槽，最近数十年来也在不断地发展。20 世纪 90 年代侧插棒槽的电流强度一般是 68 万 a，而上插棒槽达到 1015 万 a。 因此，现代铝工业上有两类四种型式的电解槽： 自焙阳极电解槽：侧插棒式，上插棒式。预焙阳极电解槽：不连续式，连续式。 除了上述的四种型式电解槽之外，还有一种多室电解槽，它既可以用于氯化铝电解， 又可以用于氧化铝电解，20 世纪 90 年代尚处于试验阶段。计算机控制技术已经广泛 应用于各种型式电解槽。 铝电解槽在增大生产能力的同时，原铝的质量也有了明显的提高，有的达到 99.85%al。由于铝电解生产需要大量的电能，故降低单位铝产量的电能消耗是历来全 力以赴的目标。在铝工业生产的初期，每 kgal 电耗高达 3040kwh/kg。以后，随着 电解槽生产能力的增加、阳极和导电母线的电流密度的减小，电解槽结构的改进和生 产操作的改善，电耗率亦相应地有所降低，20 世纪 90 年代以来一般为每千克 al 电耗 3 率 1315kwh/kg，有的甚至降低到 12.5kwh/kg。 目前炼铝的方法仍以冰晶石-氧化铝熔盐电解法为主。多年以来，为了探索新的炼 铝方法，曾经试验了多种炼铝新方法，如碳热法，氯化铝法等，虽然取得了一定的进 展，但在可预见的将来都还不能在经济上和规模上与电解法相匹敌。 1.3 国内外铝工业现状与发展 1.3.1 国外铝工业的现状 本世纪八十年代以来，国外新增电解系列已普遍采用大型预焙阳极电解槽，系列 电流强度普遍达到 180350ka，吨铝直流电耗降至 1290014000 kw.h.t-1。目前， 西方国家用于生产的电解槽最大电流强度为 350 ka，且绝大多数企业为 280320 ka 的超大型预焙槽，电流效率平均达到了 94 96。近年来，我国新建槽多采用 180300 ka 的大型槽，改造旧槽因投资等方面的原因，多采用 75ka 或 160240 ka 之间的槽型，其技术与世界先进水平比仍有一定的差距，到目前为止，国内仅有少数 企业采用技术上与世界一流企业基本同步的 280320ka 之间的槽 型。目前，我国生 产使用的铝电解槽，最大的槽型是电流强度为 350ka 的槽型(应用于平果铝业公司)， 还有电流强度仅 24ka 的槽型，我国电解槽电流效率 平均仅为 8690。2003 年底 全国 833.82 万 t 产能中，280ka 以上特大型预焙槽产能为 152.6 万 t，占总产能的 18.3； 160240 ka 大型预焙槽产能为 387.1 万 t，占总产能的 465 ；小型预 焙槽产能为 190.24 万 t， 占总产能的 22.8；还有 103.88 万 t 产能仍然是使用落后 的自焙槽，占总产能的 12.5。可见，虽然通过引进、消化、吸收国外先进技术和装 备，我 国电解铝行业整体装备水平有显著提高，但是，我国还有约 100 万 t 的自焙槽 和约 200 万 t 的小型预焙槽，约占全国总产能的 35 ，这些低档次的生产技术设备， 虽然具有生产工艺简单、投资省、见效快等优点，但技术装备水平较低，能耗、原材 料消耗高，环境污染严重，技术经济指标较差。进入 20 世纪 90 年代以来，世界铝产 量持续保持增长，铝产量从 1900 年的 1935 万 t 增加到 2003 年的 2794.6 万 t，与 1900 年相比，年均增长 3.4%。随着近几年铝工业的技术及装备水平的提高，全球产量 增长迅猛。全世界原铝生产国从 1995 年的 43 个增加 2003 年的 45 个，电解企业从 1995 年的 137 个增加到 2003 年的 272 个(中国 147 个)，截止到 2003 年末，全世界 金属铝总生产能力达 3300 万 t (中国 833 万 t)，实际产量为 2794.6 万 t (中国 550 万 t)，比 2002 年增长 7.1%。按 1995 年铝产量排名，居前 4 位的依次是美国 337.5 万 t，俄罗斯 272.2 万 t，加拿大 217.2 万 t，中国 186.9 万 t。从 2001 年至今，全球 最大产铝国是中国。2003 年居二、三、四位的依次是俄罗斯、加拿大、美国。目前， 4 我国已由铝的净进口国变为铝的净出口国。2003 年，我国净出口电解铝 49.27 万 t， 首次成为世界原铝输出国。中国铝工业的高速发展，引起了世界瞩目，产量居世界第 一、消费居世界第二的中国铝工业，将由粗放经营向着集约化经营转变，将逐渐由世 界铝工业大国向着世界铝工业强国迈进。 表 1 20002006 全球电解铝市场供求状况 项目 2000200120022003200420052006 产量（万吨） 2442244526092801292530813280 消费量（万吨） 2484240825502748291530503300 供求（“-”号表示消费缺口）-421 3675875369131-12 2005 年底我国按电流强度区分的电解槽数量、产量和能力 实有槽数2005 年底开工数生产能力产量电流强度 个个万 t万 t 合计 21740178161020777.8 其中 320350ka59655653.547.9 280300ka35542774265.7159.0 115240ka102208976526.4460.5 1090ka71005512174.4 2003 年全球原铝(含铝合金)的消费为 2716.8 万 t，比 2002 年增长 7.7%。消费增 长速度最快的国家和地区依次为中国(24.7%)、其他亚洲国家(11.8%)和拉丁美洲(11.2%)。 西方世界消费增长速度则仍然较慢，不过日本铝消费增长却达到了 4.5%，基本摆脱了 长期下滑的趋势。目前铝的最大消费国是美国，其次为中国。自 20 世纪 80 年代中起， 我国铝的消费开始发生变化，特别是进入 20 世纪 90 年代后，铝在建筑、交通运输和 包装三大领域逐渐成为象发达国家那样的铝消费主体，近几年汽车制造、电网改造等 行业用铝量也大幅增长。铝消费量已从 1990 年的 83 万 t 上升到 2003 年的 550 万 t，2003 年的消费量是 1990 年的 6 倍多。 从表 1 看出，虽然目前世界原铝的库存仍处于历史高位，但随着世界就经济复苏 后消费量的迅速增加，预计今后几年，铝会由供应过剩逐步转变为供需基本持平甚至 小量短缺。因为：尽管铝产能在扩张，但从长远来预测，随着世界经济的进一步复苏， 国内外铝消费状况有望长期保持旺盛的增长势头，从而支持铝价相对坚挺，这将促使 世界铝产量持续增长；近几年，全球经济复苏拉动世界需求增长，资源和能源相对短 缺，电价和氧化铝价格居高不下，各国环保要求不断提高，铝生产成本不断增加，过 5 渡产能扩张铝供大于求等因素，都对电解铝企业的利润空间造成压缩，这将使一些小 铝厂或电价、氧化铝价格高的生产厂家难以支撑而减产甚至关闭停产，从而使铝产业 投资过热得到降温，铝产量增速放缓，铝消费量相对加快，这将促使铝市场从供应过 剩向着供需基本持 平甚至小量短缺的方向发展； 表 2 2007-2011 年世界原铝产量 占世界产量 1/5 的中国，对世界铝的供求状况有着举足轻重的影响，随着我国限 制钢铁、电解铝、水泥行业盲目扩张以及银根紧缩的宏观政策出台，我国电解铝产能 低水平盲目猛增的势头已经得到了有效控制，这将促使占世界产能 1/4 的中国铝工业 加快实现由粗放型向集约型的转变。因此，在世界和我国金属铝供求关系正在发生有 利于铝产业良性发展的这种背景下，年轻的世界铝工业将方兴未艾，前景看好。 1.3.2 我国铝工业的发展状况 1 中国电解铝铝工业发展历程 中国电解铝工业 50 年的发展历程大致可以分为三个阶段： 第一阶段从中国第一家电解铝厂抚顺铝厂 1952 年 4 月开工建设到 70 年代末期， 可以认为是中国电解铝工业的发展初期。1952 年当抚顺铝厂一期工程开工建设时，其 设计产能仅为年产 1.5 万吨。1958 年中共中央、国务院分布了关于大力发展铜铝工 业的指示 ，铝被定为国民经济的第二大金属材料。从此，国家开始对铝工业的发展给 予巨大的政策支持和资金扶持，使中国铝电解工业开始走上了发展轨道。这一时期， 贵州铝厂、兰州铝厂、包头铝厂、青铜峡铝厂、连城铝厂 、郑州铝厂电解分厂等相继 建成投产，初步形成了八大铝厂的生产格局。电解技术基本是以旁插和上插自焙阳极 铝电解梢工艺和设备为主，产量达到了 36 万吨。50-60 年代中国电解自焙槽主要缺 6 点是电流效率低、能耗高、劳动生产力低，特别是电解槽密闭性能差，电解烟气中含 有大量的沥青挥发物，对生产操作和环境污染影响极大。70 年代中后期，我国自行设 计并建造了 135 ka 中间下料预焙阳极铝电解槽系列。在 1979 年贵州铝厂扩建过程中， 引进了日本当时还处于试验阶段的 160 ka 中间下料预焙阳极电解槽技术。从此，中 国电解铝工业的技术水平开始有了很大的提高。 第二阶段从 80 年代改革开放到 90 年代初，是中国电解铝工业步入常规发展时期。 1982 年在国家“优先发展铝”的方针指导下，一些建于 60-70 年代的铝厂开始纷纷进 行改扩建，以提高生产规模和效率。如贵州铝厂与贵阳铝镁设计研究院合作开发了 186 ka 大容量、高效能预焙槽；包头铝厂兴建了 135 ka 预焙槽系列；青海铝厂在吸 收消化贵州铝厂技术的基础上建成了 20 万吨电解铝厂等。这一系列项目的相继建成， 预示着中国铝工业开始向规模化大生产方向发展。与此同时，在市场利益的驱动下， 一些具有电力优势和铝土矿优势的地区也纷纷投资兴建了一批小型 60ka 白焙槽电解铝 厂。这段时期，全国电解铝的产量由 70 年代末的 36 万吨发展到 1992 年的 109 万吨， 使中国电解铝生产首次突破厂 100 万吨大关。 第三阶段从 1992 年到跨入新世纪，是中国电解铝工业步入世界铝工业生产大国 阶段。这一阶段主要有四个特征：一是发展速度跃居世界前列。仅用 10 年时间，中国 电解铝产量就从 1992 年的 109 万吨迅速发展到 2001 年的 342.46 万吨，形成了中国铝 业公司、青铜峡铝业公司、兰州铝业公司、山东铝业公司、包头铝业公司、山西关铝 公司、焦作万方铝业公司等为代表的大型铝生产企业。全球排名从 1991 年的第六位跃 居为 2001 年第一，成为世界生产大国，并首次由净进口国成为净出口国；二是技术趋 于先进。近几年中国新建和改扩建的电解铝工程都采用 200 ka 以上的大型预焙槽， 230ka、280 ka、300 ka 预焙槽型、干法净化、氧化铝自动下料和浓相输送、电解槽 智能化控制等先进技术被广泛应用，2001 年 160 ka 以上电解槽产量超过 150 万吨， 占全部产量的 45左右，技术经济指标达到或接近国际水平；三是生产规模日趋扩大。 在 1995 年全国电解铝生产企业就达到了 53 家，电解铝产能 197 万吨，产量 168 万吨。 到 2001 年，中国的原铝产能达到了 433 万吨，跃居到世界第一位，占全球总产能的 15.7。到 2002 年中国电解铝企业猛增到 138 家，产能 546 万吨，产量 432.1 万吨， 在全球排名第一。2001-2002 年中国电解铝生产能力和产量的增长极大程度地弥补了 西方世界的原铝产能关闭对市场的影响，中国原铝产量在世界所占份额也不断上升， 1995 年份额不足 10，2002 年就达到了 20.4。在 2003 年产量继续增长到 541.9 万 吨，同比增长 25.4，占世界总产的 24.7。即使如此，中国电解铝生产和投资在 2003 年仍然大幅扩张，2003 年有在建项目 47 个，建设规模约 500 万吨，投资额约 350 亿元。四是除国家重点铝厂迅速发展之外，以各种渠道集资筹办的地方铝厂(私人 资本、中外合资、乡镇企业、地方国营等)发展更加迅猛。 7 由于生产铝需要消耗大量的电能，所以我国的铝生产企业基本上集中在西部地区。 在 2002 年中国排名前六的铝生产省份是河南、甘肃、贵州、山东、青海和山西； 2003 年前六分别是河南、山东、青海、甘肃、山西和贵州。其中河南铝产量 180.3 万吨，占全国产量的 22，山东 104.9 万吨，占总产量 13，其他几省产量在 7- 8范围。 2 中国电解铝生产规模和分布 从产能规模上看，截止 2003 年底，中国电解铝总产能达到 833.82 万吨，平均产能 规模为 5.67 万吨/年，虽然比 2002 年的平均水平 4.07 万吨/年有较大程度的提高，但 是还远远低于国外近 20 万吨/年产能的平均规模。2002 年美国铝业产量达到了 343.2 万吨，而同期占有中国原铝产量最大份额的中国铝业只有 73.5 万吨，仅相当于美铝 的五分之一强。 中国电解铝企业数量超过了国外企业数量的总和。2003 年底达到了 147 家，分布 在除北京、上海、天津、广东、海南和西藏外的 25 个省（市、区） ，在陇海铁路沿线 比较集中，形成一个密集的铝工业带。河南省的电解铝企业数量为 22 家，位于全国 数量的首位；企业数量超过 10 家的有山东、山西、青海、湖北和湖南 5 个省。其中 2003 新建成的 12 家电解铝企业分布在全国 8 个省（市、区） ，有 5 家位于山东省内。 从经济区分布看，主要集中在华西和华中地区，经济发达的环渤海、长三角、珠江三 角洲产量较少。 中国电解铝厂家平均规模超过 10 万吨的有 4 个省市：宁夏、内蒙、甘肃和辽宁； 平均规模在 5-10 万吨的有 8 个省；2-5 万吨的有 5 个省，还有 8 个省的平均规模不到 2 万吨。把产能和数量结合在一起，2003 年的特点是高产能企业数目有了显著增加， 产能超过 10 万吨的企业比上年增加 13 家达到 30 家。2003 年底，在全国 147 家电解 铝企业中，产能超过 30 万吨的 2 家；产能在 10-30 万吨的 28 家；产能在 1-10 万吨 之间的最多，有 91 家，占总数的 61.9%；剩下 26 家的产能在 1 万吨以下。 表 3 2003 年各省铝产量所占份额 资料来源：中国铝业 表 4 2003 年各经济区电解铝产量分布 8 1国内外铝工业发展技术的进步 铝电解工艺经过百余年的生产实践，尤其是由于近 20 年来现代科学技术的飞速发 展，使人们对铝电解过程有了更深入的认识。特别是计算机技术的发展及在电解铝工 艺上的应用，为电解槽建立起热、电、磁力和流动等物理场的各种数学模型，使槽型 设计更科学化和生产过程控制更自动化。代表世界先进潮流的 280ka 以上的高效大型 预焙槽，就是在上述科技进步的基础上开发研制的。 （1） 国外高效大型预焙槽的发展和技术特点 90 年代以来，国外电解铝工业高新技术进步很快，其主要表现在电解槽容量大型 化、高效化，技术经济指标和劳动生产率提高，槽寿命延长和环保条件改善等方面。 据资料介绍，国外电流强度达到 280ka 以上的超大容量电解槽比较著名的有 3 种 槽型，即法国彼施涅铝业公司的 300ka 预焙槽(ap30 型)、美铝公司的 300ka 预焙槽 (a-817 型)、俄罗斯和德国联合铝的 300ka 预焙槽(ca300/vaw 型)。这些高效低耗长寿 的大型预焙槽及其工艺技术堪称 90 年代高新技术，现已成为 21 世纪铝工业的主流。 大型预焙槽 ap30 技术现已成为新建铝厂的依据和样板。 国外 280 型预焙槽的特点主要是：1)指标先进：电流效率为 94.6%，直流电耗为 13240kwh/t-al，净炭耗为 419kg/t-al，电流密度 0.74a/cm2，密闭效率 98%，排氟量 0.7kg/t-al，全员劳动生产率 390t/人年；2)5 根立柱进电，有尺寸为 1450650560mm 的预焙炭块 40 组，槽寿命超过 6 年；3)连续化自动化程度高：微 机控制 4 点打壳下料、出铝、更换阳极、提升母线；4)采用超浓相输送方式输送载氟 氧化铝：载氟氧化铝用超浓相输送系统往槽上的料仓中供料，使槽上料箱永远保持满 仓，与电解槽内要求的氧化铝浓度及下料速度相适应。 9 表 5 2003 年全国十大铝冶炼企业铝产量 单位：吨 资料来源：中国铝业 法国彼施涅铝业公司开发的 280ka 的预焙槽，1991 年改进成 300ka 的 ap30 型预 焙槽进行推广应用。ap30 型预焙槽的特点主要是：1)与 280 型槽相比，投资相同，但 产量提高了；2)为适应 300ka 的电流改变了 ap28 型的阳极系统，增大阳极炭块面积， 由原来 40 块减少到 20 块，用 20 根阳极导杆单独控制阳极，阳极电流密度 0.78a/cm2；3)采用半石墨化阴极，重新设计槽侧部保温层结构，建立高电流密度下的 热平衡；4)每套打壳加料器装有 2 个气缸，保证打壳和加料两种功能独立运作；5)加 料点位置选在电解质旋流速度快的地方，以保证下到电解质中的物料快速扩散和溶解， 减少炉底沉淀；6)固体电解质用自动加料装置送到槽上，与氟化铝一起通过重力点式 加料器加入槽内；7)采用装置有分流器的焦粒预热焙烧灌熔体电解质的方法，以 50h 快速平稳启动，可以防止槽子热震冲击和渗铝引发的早期破损现象出现，提高槽寿命； 8)电解槽操作依靠计算机实行自适应控制，使极距、槽温度、氧化铝浓度和分子比等 参数技术条件的变化始终保持在狭窄的范围内，保持电解槽在设定的最佳状态下平稳 高效运行；9)长期生产统计出的工艺技术参数和技术条件是：槽温度 955-959%，过剩 氟化铝 11.6%，阳极效应系数 0.23 次/槽日。 选择 ap30 型槽电解系列槽数为 264、288、300 台时，使单位投资接近最佳值，最 佳生产规模为 21.5 万 t/a，最高产能可达到 50 万 t/a。例如，加拿大阿鲁特铝厂 ap30 型槽系列电压 1135v，电流强度 295ka，槽电压 4.3v，电流效率 95%，直流电耗 10 13500kwh/t-al，净炭耗 420kg/t-al，氧化铝单耗 1920kg/t-al，阳极效应系数 0.2-0.3 次/槽日，日产量 2240kg。再如法国敦刻尔克厂，电流强度 295ka，电流效率 95%， 直流电耗 13000kwh/t-al。 （2）我国大型预焙槽技术取得的进步 20 世纪 70 年代末，我国(贵州铝厂)从国外引进了 160ka 中间下料预焙槽技术， 并应用于贵州铝厂和云南铝厂的技改工程中，指标达到电流效率 91.5%，原铝直流电 耗 13594kwh/t-al，阳极炭毛耗 590kg/t-al 和净耗 421kg/t-al，氧化铝单耗 1940kg/t-al，冰晶石 12kg/t-al，氟化铝 24kg/t-al，创国内指标领先水平和达到国 际 20 世纪 80 年代水平。我国 180ka 大型预焙槽主要技术特点：1)4 立柱进电式母线 配置。应用母线优化设计软件设计出非对称性 4 点进电母线配置，使槽内磁场分布、 铝液界面状态和流速等方面，比引进 160ka 槽有很大改善。而 186ka 槽实测值为 13.5cm/s。2)单围带摇篮托架式槽壳结构。3)螺杆起重机式上部结构。4)交错进行 4 点定容下料系统。5)窄炉膛 375mm 加工距离和 200mm 中缝设计。6)28 组单块阳极，炭 块尺寸 1450660540mm。7)18 组通常半石墨化炭阴极，炭块尺寸 3250515450mm，每块阴极 4 根扁钢棒。8)铝液预热焙烧启动，获得适宜的工艺技 术条件是：工作电压 4.04v，电解温度 950%，分子比 2.4-2.6，氧化铝浓度 2%-3%，铝 液和电解质水平分别为 18-20cm 和 22-24cm，阳极效应系数 0.72 次/槽日 180ka 大 型预焙槽开发成功，说明我国已具有开发设计和研制大型预焙槽的技术水平和能力， 使我国现代大型化预焙槽技术又进了一大步。 1996 年，我国成功开发了 280ka 中间点式下料超大型预焙阳极电解槽，并在河南 沁阳试验工厂投产。槽设计上选用了摇篮托架槽壳，多点筒式下料，5 点进电等多项 新技术；槽启动上采用焦粒预热焙烧方法灌熔体电解质启动。通过鉴定验收的指标是： 电流效率约 93%和直流电耗 13124kwh/t-al，净炭耗 420kg/t-al，达到了 20 世纪 90 年代国际先进水平。这些成功开发的项目投入系列运行后，生产指标好、控制水平高， 基本代表了中国铝电解的技术水平。 1997 年，320ka 超大型预焙槽技术开发成功，1999 年 6 月在广西平果铝业公司试 验工厂投产。280ka-320ka 大型预焙槽的成功开发是我国铝工业史上的里程碑，这标 志着我国大型预焙槽技术开始跻身国际先进行列。 2001 年 6 月，由沈阳铝镁设计研究院开发研制的 sy300(300ka)预焙阳极铝电解槽， 在河南伊川铝厂新建 256 台，规模 20 万 t/a，2002 年 11 月电解槽全部投产。全系列 连续 6 个月实际生产运行的平均指标为：电流效率为 93.76%，直流电耗为 13544kwh/t-al，达到了国际先进水平。目前，我国在 20-25 万 t/a 规模的新建或改扩 建项目均采用本技术，该成果已在河南伊川铝厂、河南万基铝业、山东南山集团铝厂、 山西关铝股份有限公司、包头东方希望铝业公司、中国铝业股份公司山西分公司、宁 11 夏中宁秦毅实业有限公司、内蒙古霍煤鸿骏铝业有限公司、云南铝业公司等 10 个铝厂 采用，共计 13.5 个系列，安装 3310 台电解槽，总产能达 282 万 t/a。世界上著名的 法国彼施涅铝业公司开发的 ap30(300ka)电解槽，在全世界推广应用总计槽数为 3700 多台，而我国的 sy300 电解槽已应用 3310 台，该槽型已成为我国铝电解生产的主导槽 型。 （3） 我国铝工业与国际领先水平比较 1） 我国铝工业整体技术水平与国际先进水平比仍有较大差距 目前，西方国家用于生产的电解槽最大电流强度为 320ka，且绝大多数企业为 280-320ka 的超大型预焙槽，电流效率平均达到了 94%-96%。 近年来，我国新建槽多采用 180-300ka 的大型槽，改造旧槽因投资等方面的原因， 多采用 75ka 或 160-240ka 之间的槽型，其技术与世界先进水平比仍有一定的差距，到 目前为止，国内仅有少数企业采用技术上与世界一流企业基本同步的 280-320ka 之间 的槽型。目前，我国生产使用的铝电解槽，最大的槽型是电流强度为 320ka 的槽型(应 用于平果铝业公司)，还有电流强度仅 24ka 的槽型，我国电解槽电流效率平均仅为 86%- 90%。2003 年底全国 833.82 万 t 产能中，280ka 以上特大型预焙槽产能为 152.6 万 t，占总产能的 18.3%；160-240ka 大型预焙槽产能为 387.1 万 t，占总产能的 46.5%； 小型预焙槽产能为 190.24 万 t，占总产能的 22.8%；还有 103.88 万 t 产能仍然是使用 落后的自焙槽，占总产能的 12.5%。可见，虽然通过引进、消化、吸收国外先进技术 和装备，我国电解铝行业整体装备水平有显著提高，但是，我国还有约 100 万 t 的自 焙槽和约 200 万 t 的小型预焙槽，约占全国总产能的 35%，这些低档次的生产技术设 备，虽然具有生产工艺简单、投资省、见效快等优点，但技术装备水平较低，能耗、 原材料消耗高，环境污染严重，技术经济指标较差。 2) 我国最先进的大型预焙槽技术接近国际领先水平 从表 2 可以看出，我国最先进的大型预焙槽与国际领先水平的西方国家的大型预 焙槽相比，其各项技术经济指标都比较接近，只是电耗特别是槽阳极消耗和阴极寿命 有比较大的差别。 3) 我国先进大型槽与国际领先水平的主要差距 目前，国内先进的大型预焙阳极铝电解槽，与国际领先的高效节能大型预焙阳极 铝电解槽的差距主要表现在，阳极消耗量较大、槽寿命较低。这与阳极质量、槽阴极 结构与材料以及槽生产操作等有很大关系。 阳极质量。国际上，现代化大型预焙阳极电解槽的炭阳极净耗为 400kg/(t-al) 左右，这主要得益于高品质的阳极质量。目前，中国的沥青和石油焦质量较差，虽说 近年来阳极生产工艺及装备水平有了很大提高，但与国际先进水平相比，阳极质量仍 有较大的差距，对电解生产指标的提高有很大的影响。 12 阴极结构及材料。阴极结构的设计与材料的选用对铝电解槽阴极内衬的寿命影 响 很大。炭-氮化硅侧壁内衬加上槽侧下部和底部的防渗透内衬结构，已被很多大型预焙 槽铝厂采用。 表 6 国外先进技术指标 对于阴极炭块的质量问题，法国彼施涅公司曾在 3000 多台大型预焙槽上，使用不 同厂商提供的 15 种类型的阴极炭块进行研究，主要选取了典型的无烟煤、半石墨质、 石墨质和石墨化阴极炭块进行试验。试验结果表明：在正确合理的设计、施工和生产 操作的前提下，石墨化阴极炭块良好的机械、导电、导热性能可以使铝电解槽得到最 佳的技术指标和良好的经济回报率，只是其磨蚀速度略高于无烟煤或半石墨质阴极炭 块。 3 世界电解铝工业发展趋势 目前世界电解铝工业的发展趋势主要表现在如下五个方面： （1） 世界铝工业的组织结构日趋规模化、集团化、国际化。 先进企业实行联合、兼并、重组和强强联合，组成超大规模的铝业集团，世界铝 工业发展日趋规模化、集团化、国化。目前西方国家的铝企业正在强强联合，发展大 铝业集团，并加快产业结构调整，新建电解铝厂多数位于能源价格低廉的地区。 近年来，为了适应市场竞争，实现规模化运营，做到优势互补，扩大市场份额， 国外大型铝企业集团和跨国公司实行资本运营和生产经营紧密结合，连续不断地收购、 兼并、联合，以低成本扩张的方式，组建更大规模的企业集团。世界铝工业的规模化、 集团化、国际化趋势已十分明显。西方国家电解铝企业正在实行兼并、重组和强强联 合，组成超大规模的铝业集团。如美国铝业公司在 1998 年兼并美国阿鲁玛克斯 (alumax)公司后，2000 年 3 月，又兼并美国雷偌兹金属公司，成为集铝土矿采选、氧 化铝、电解铝和铝材加工为一体的世界铝业巨子；2000 年 6 月，加拿大铝业公司 13 (alcan)与瑞士铝业公司合并，成为世界第二大铝业集团；俄罗斯国内的铝工业也正在 进行结构调整，组建铝业集团。全球年产能大于 40 万 t 的铝及铝加工企业有 12 个， 最大规模为俄罗斯的布拉茨克(bratsk)铝厂，年产能 94 万 t。2001 年 3 月，我国新成 立的中国铝业公司，其电解铝年产能为 67.5 万 t。近两年来，通过这种联合、兼并和 重组，全球铝业跨国公司已由 10 个减少到 8 个。 此外，目前世界上新建铝企业的规模都比大。西方新建或改造电解铝的起步规模 平均在 25-50 万 t 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 t；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 t；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 t 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 t 的电解铝厂及相关项目。年产 50 万 t 电解铝的海湾 巴林铝厂拟扩产到 70 万 t 规模。扩大产能的目的是节约成，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 多年以来，电解槽设计渐趋合理，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、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。 近年来，计算机技术的应用，带动了电解过程物理场的深入研究和有关数学模型 的建立，使电解槽的设计从经验向计算机辅助设计方向发展。由于电解槽设计渐趋合 理，世界新建铝电解槽容量大幅度增加。采用大容量、高效能的智能化铝电解槽是 21 世纪电解铝技术发展的主流。这种电解槽电流强度大、单槽及系列槽的铝产量高、消 耗低、电流效率高、使用寿命长、污染低。如法国彼施涅公司的 500ka 超大型铝电解 槽；加拿大阿尔玛铝厂 300ka 的铝电解槽；委内瑞拉铝业公司 320ka 的铝电解槽。 （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 进步电解铝工业未来技术发展方向是高产、优质、低耗、长寿和低污染，其涵义分别 是：高产提高单槽及系列槽的铝产量；优质提高铝产品质量；低耗减少电解铝 的电耗和氧化铝原料及辅助物料消耗；长寿提高电解槽的寿命；低污染减少烟气 (氟化氢和二氧化硫)排放量，达到国家的环保标准。 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：1)槽型大， 电流强度达 300ka 以上；2)电流效率高：一般达到 94%-95%，个别企业已经提高到 96%；3)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 14 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，是铝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，但铝产量却从 1980 年的 110 万 t 急剧下降到 1982 年的 3.5 万 t，变成产铝小国，1989 年仅存一家蒲源铝厂。日本现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。例如加拿大、挪威、巴西、委内瑞拉、澳大利亚、中国、巴林、 南非等国家铝工业迅猛发展，使世界铝工业分布形成新的格局。 铝的产消大国美国同样因存在电价不低的缘故而没有再建新厂，有些铝厂盈利不 大而处于关停边缘。因此美国铝产量呈低落趋势。美国西部铝用水电价为 2.3 美分 /kwh，沿海铝用煤电价为 3.0 美分/kwh，它采用铝电价格挂钩的办法解决铝的用电问 题。 （5） 电解铝新技术探索不断进行 一些国家特别是西方国家企业正在研究开发电解铝的最新技术，如为减少阳极消 耗，美国铝业公司开发出的惰性阳极湿润性阴极电解技术正在进行工试验；法国彼施 涅公司开发出的 500ka 特大型电解槽正在试验工业化生产；澳大利亚新建导流式电解 槽；我国的低温铝电解技术研究等。这些新技术的探索应用，将大幅度提高单槽和系 列槽的产量，而且更加重视环保和节能，进一步降低电解成本。 1.4 铝电解的发展趋势 1.4.1 世界铝工业的组织结构日趋规模化、集团化、国际化 此外，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