（冶金工程专业论文）200ka大型预焙铝电解槽技术创新与应用的研究.pdf

亟茎焦延塞 描璺 摘要 本文针对山东铝业股份公司电解铝厂6 0 k a 自焙槽环保节能改造 项目，全面论述了在技改工程中2 0 0 k a 大型预焙槽的技术创新与应 用。对2 0 0 k h 预焙槽工艺设计和2 0 0 k a 预焙槽的生产技术参数的确定， 2 0 0 k h 预焙槽的生产操作工艺进行了详细的论证，研究和探索2 0 0 k a 预焙槽创新技术与实践应用，总结了2 0 0 k a 预焙槽的通电、焙烧、启 动技术。并通过实践生产和电解工艺设计计算都证明了整个系列运行 平稳可靠，技术经济指标先进，全面完成了6 0 k a 自焙槽改造技术创 新应用研究的目标和任务。 2 0 0 k a 大型预焙槽技术创新与应用的研究，综合了国内先进的预 焙槽技术和生产工艺，采用先进的物理场设计，窄加工面技术，科学 的阳极升降技术，先进的氧化铝超浓相输送配套系统，优化配置了阴 极母线，采用了改良型船型摇篮槽壳，采用槽侧部s i ，n 4 结合s i c 复 合内衬材料，槽底部和底侧部分别采用干式防渗料和新型低水防渗浇 注料替代耐火转和氧化铝层及边部耐火泥浆，采用机械化专用辅助 提升机构抬升阳极母线等。生产工艺方面，采用了新型的模糊联接工 艺，焦粒焙烧工艺，高分子比冰晶石装炉，湿法无效应启动工艺，启 动后期采用了延迟换极法等。 实践证明，2 0 0 k a 预焙槽系列电流效率平均达到9 4 以上，比 6 0 k a 自焙槽的指标提高了5 。原铝直流电耗达到1 3 2 0 0k w h t a i ， 比6 0 k a 自焙槽降低9 0 0 k w h t a 1 左右。烟气集气效率达9 9 ，粉尘 净化效率9 9 9 9 ，实现氟气的零排放。 山东铝业股份公司电解铝厂2 0 0 k a 预焙槽技术创新与应用，电 解铝产能由5 5 万吨提高到7 5 万吨。 关键词铝电解槽，阳极，焙烧，模糊联接 题鲎焦逢塞 墓塞揎璺 a b s t r a c t f o c u s i n go nt h ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n e n e r g ys a v i n g r e c o n s t r u c ti o np r o j e c tt o6 0 k as s d e r b e r gc e llo fa l u m i n i u m s m e l t e ro fs h a n d o n ga l u m i n i u mc o ，l t d ，t h i sa r t i c l ed i s c u s s e d t h et e c h n o l o g yi n n o v a t i o n a p p l i c a t i o no f2 0 0 k ap r e b a k ec e l l u s e di nt h et e c h n o l o g yr e c o n s t r u c t i o np r o j e c t d e t a i l e d d i s c u s s i o n sw e r es p e c i a l l ym a d eo nt h et e c h n o l o g yd e s i g n ，t h e s e l e c t i o no ft h et e c h n i c a lp a r a m e t e r si np r o d u c t i o np r o c e s sa n d t h eo p e r a t i o nt e c h n o l o g yo ft h e2 0 0 k ap r e b a k ec e l l i t r e s e a r c h e dt h ei n n o v a t i o nt e c h n o l o g ya n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n o f2 0 0 k ap r e b a k ec e l l ，s u m m a r i z e dt h ec u r r e n ta d d i n gt h r o u g h ， b a k i n g ，s t a r tu pt e c h n o l o g yo f2 0 0 k ap r e b a k ec e l l p r o d u c t i o n p r a c t i c e s m e l t e rp r o c e s sd e s i g n i n gc a l c u l a t i o np r o v e dt h a t t h ew h o l ep o t l i n ei ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，r u n n i n gw i t ha d v a n c e d t e c h n o l o g i c a l e c o n o m i c a lp a r a m e t e r s ：t h e r e f o r et h et a r g e t a n dt a s ko ft h er e s e a r c ho nt h ei n n o v a t i o n a p p l i c a t i o no f6 0 l ( a s s d e r b e r gc e l lt e c h n i c a lr e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yw e r ef u l l y r e a l i z e d t h er e s e a r c ht o2 0 0 k al a r g ep r e b a k ec e l lt e c h n o l o g y i n n o v a t i o n a p p l i c a t i o n i n t e g r a t e dd o m e s t i ca d v a n c e d p r e b a k ec e l lt e c h n o l o g ya n dp r o d u c t i o nt e c h n o l o g y ，a p p l i e d a d v a n c e dp h y s i c a lf i e l dd e s i g n ，n a r r o ww o r k i n ga r e at e c h n o l o g y s c i e n t i f i ca n o d e sl i f t i n gt e c h n o l o g y ，a d v a n c e di n t e g r a t e d d e n s ep h a s ec o n v e y i n gs y s t e m ，o p t i m i z e dt h ec a t h o d eb u s b a r d i s t r i b u t i o n ，a p p l l e di m p r o v e ds h i p s t y l ec r a d l ec e l l c o n t a i n e rf r a m e s i d el i n e rm a t e r i a lc o m p o s e db ys i 3 n 4 s i c c o m p l e x a tb o t t o ma n db o t t o ms i d eo ft h ec e l l t h er e f r a c t o r y b r i c k sa n da l u m i n al a y e r ，s i d er e f r a c t o r yf l u r r yw e r er e p l a c e d c o r r e s p o n d i n 9 1 yb yd r ya n t i p e n e t r a t i o nm a t e r i a la n dn e wl o w m o i s t u r ea n t i - p e n e t r a t i o nc a s t i n gm a t e r i a l m e c h a n i z e d s p e c i a la s s i s t a n tl i f t i n gs y s t e mw a su s e dt o1 i f ta n o d eb u s b a r p r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya p p l i e dm o d e r nf u z z yc o n n e c t i o n ，c o k e g r a n u l eb a k i n g ，h i g hm o l e c u l er a t i oc r y o l i t el o a d i n g ，1 i q u i d l i l 塑生垡盈塞甚塞擅璺 m e t h o dn oa n o d ee f f e c ts t a r t u p ，d e l a y e da n o d ee x c h a n g ea tt h e l a t es t a r t u ps t a g e ，e t c p r o d u c t i o np r a c t i c e p r o v e dt h a tt h e2 0 0 k ap r e - b a k e d p o t l i n eh a sc u r r e n te f f i c i e n c ya b o v e9 4 5 h i g h e rt h a nt h a t o ft h e6 0 k as s d e r b e r gc e l i s ，d i r e c tc u r r e n te l e c t r i c i t y c o n s u m p t i o np e ru n i to fp r i m a r ya l u m i n i u mo f1 3 2 5 0 k w h t a 1 ， 8 5 0 k w h t a il o w e rt h a nt h a to ft h e6 0 k as s d e r b e r gc e l l s i t s g e n e r a la ce l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o np e ru n i to fa l u m i n i u mi n g o t i s1 4 1 0 0k w h t a 1 e m i s s i o no fa l lk i n d so fp o l l u t i o n si si n t h e1 i m i to fg b 6 2 9 7 1 9 9 6 t h eg e n e r a le m i s s i o ns t a n d a r df o r t h ep o l l u t i o nt ot h ea i r ，w i t ht h eg a sc o l l e c t i o nr a t eo f9 9 ， p o w d e rc l e a n i n gr a t eo f9 9 9 9 ，p l u st h ez e r oe m i s s i o n o f f l u o r i d eg a s t h et e c h n o l o g yi n n o v a t i o n a p p l i c a t i o no f2 0 0 k ap r e b a k e c e l1sb yt h es m e l t e ro fs h a n d o n ga l u m i n i u mc o ，l t d ，e x p a n d e d t h ea l u m i n i u mc a p a c i t yf r o m5 5 ，0 0 0m tt o7 5 ，0 0 0m t k e yw o r d sa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l ，a n o d e ， b a k i n g ， f u z z yc o n n e c t i o n v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：叁! 堑日期：题年上月丝日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根 据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：塑二塑导师签名日期：硷尘年旦月丝日 亟主焦迨盘笠! 童缝逢 第1 章绪论 1 1 研究背景 山东铝业股份有限公司电解铝厂采用6 0k a 自焙槽工艺始建于1 9 5 8 年。多 年来几经改造，其主要技术指标均得以长足发展，为我国的铝电解工业发展作出 了重要贡献。但是，随着全社会节能环保意识的不断增强，侧插自焙阳极电解槽 已越来越不能适应社会发展的要求。由于自焙槽自身的结构特点，难以实现自动 化控制和较好的解决电解烟气污染的问题，因此技术经济指标较差，生产成本也 相对较高。自焙槽与预焙槽在电流效率上相差约4 5 ，直流电耗相差 1 0 0 0 k w h t h l 左右，造成对能源与资源的浪费。 目前，电解铝厂有一、二、三三个电解生产车间，其中一、二电解为一个电 解生产系列，共有2 2 4 台6 0 k h 自焙阳极电解槽，产能为3 5 k t ；三电解单独为一 个电解生产系列，有9 4 台8 0 k h 预焙阳极电解槽，产能为2 0 k t 。阳极糊车间担负 着为电解铝生产提供阳极糊及铝用预焙阳极炭块的任务。企业有自成体系、比较 完整的与生产建设相配套的服务设施。 山东铝业公司2 0 0 0 年环境监测年报表表明，在对厂区及生活区环境空气质 量监测，t s p 日均浓度范围为0 1 6 1 1 5 3 8 m g n m a ，两个测点均出现超标现象； h f 日均浓度范围为0 0 0 4 0 0 0 1 m g n m 3 ，两个测点均出现超标现象。其中h f 的 污染主要来源于电解铝厂6 0 k h 自焙槽烟气。由于自焙槽密闭效果差、集气效 率低，只有6 0 左右，因此大部分污染物没有经过净化系统而直接排放。目前， 一、二电解车间的排氟量为6 3 k g t a 1 ，粉尘1 9 9 k g t h l ，沥青烟1 9 1 k g t h l ， 对铝厂周围的环境造成极大危害。1 。几年来，为解决污染问题，公司虽采取多项 措施并为此付出了沉重代价，但效果甚微，现行的湿法净化工艺运行费用高达 3 0 0 元t a 1 ，但环保却难以达标0 1 。 随着能源的日益紧张和全社会环境意识的不断提高，对企业实现“高效、高 产、低耗、清洁生产”的要求日趋紧迫，也使自焙槽能耗高、效率低、效益差、 缺乏竞争力、劳动环境差、污染严重的弊端愈发凸现“1 。1 9 9 9 年1 月国家经贸委 以中华人民共和国经贸委员会( 第6 号) 发布了淘汰落后生产能力、工艺 和产品目录( 第一批) ，其中6 0 k h 以下自焙槽生产工艺已被列为淘汰品种。 1 9 9 9 年1 2 月3 0 日，国家经贸委发布中华人民共和国国家经贸委员会第1 6 号令， 发布淘汰落后生产能力、工艺和产品的目录( 第二批) ，自2 0 0 0 年1 月1 日起施行，其中环保不能达标的自焙槽电解铝生产工艺及设备将予淘汰。 因此，自焙槽铝厂要解决生存问题，关键在于实施技术改造，烟气治理，走 题生焦迨塞 箜! 主缝迨 预焙化之路，走铝电联产之路，以降低生产成本，顺应国家的产业政策，唯有如 此，企业才有出路s ，。 为此，本研究课题拟对电解铝厂自焙槽实施预焙化改造，采用2 0 0 k h 预焙阳 极电解槽取代6 0 k a 自焙槽，以彻底解决自焙槽烟气的环境污染问题，改善工人 的劳动条件，为提高电解铝厂技术装备水平，实现低耗高效奠定基础；同时为贯 彻国务院发布的关于环境保护若干问题的规定中提出的我国所有工业污染源 排放污染物要限期达到国家或地方规定的标准，各地区主要污染物排放总量要 控制在国家规定的标准内。 1 2 改造的必要性和有利条件 首先，电解铝厂自焙槽改造项目是清洁生产和环境保护的需要。改造后的电 解铝厂，全部采用大型预焙阳极电解生产工艺，可使沥青烟的排放量降低为0 ， 大大降低对环境的污染程度。同时，含有h f 、粉尘等的烟气可经过全密闭干法 烟气净化系统处理后达标排放，改变原有自焙槽烟气大部分不经过净化系统而直 接排放的局面，改善工人的操作环境，实现清洁生产，同时对铝厂及周边环境的 改善也有很大的推动作用。 其次，电解铝厂自焙槽改造也是企业节能降耗、降低成本的需要。采用2 0 0 k a 预焙槽电解生产工艺，电流效率可达9 4 至9 5 ，相比6 0 k a 自焙槽( 8 9 ) 有显 著提高；原铝直流电耗可达1 3 3 0 0 k w h t a 1 以下，比6 0 k h 自焙槽降低1 0 0 0 k w h 以上，对企业的节能降耗将起到积极作用“1 。 第三，电解铝厂自焙槽改造是企业长期稳定发展的需要。6 0 k a 侧插自焙槽 铝电解工艺是国家明文规定要取消的落后铝电解生产工艺，在国内已无立足之 地，实施对铝电解槽的改造，正是针对国家的产业政策而采取的举措之一，可以 避免企业因国家的政策被迫停产造成的人员富余及资产闲置的不良局面，提高企 业的技术装备水平，保持企业的长期健康稳定发展“。 本次节能环保改造的有利条件有如下几方面： 一是国家对电解铝行业的产业政策要求。国务院关于环境保护的若干问题 的决定及国家经贸委公布的淘汰落后生产能力、工艺和产品的目录等文件， 是本研究课题的依据，也是本次改造项目最根本的有利条件。 二是中国铝业公司在纽约及香港证券交易所的成功上市和山东铝业股份有 限公司在上交所的上市可为本项目提供充足的资金来源。 三是山东铝业公司有一套完整的科研开发、试验生产、设计施工、设备制作、 经营管理和服务系统，能以较快的速度、较省的投资、较好的质量完成项目的建 塑芏焦迨塞笠! 至堡盈 设和生产任务，投产后能较快的达产达标。 四是山东铝业股份有限公司有自己的氧化铝生产基地，2 0 0 4 年产量达到1 0 0 万吨，因此本项目的生产原料氧化铝供应十分充裕，且改造后能使公司的产品结 构更趋向于合理。 五是本项目的机修、维修和辅助生产系统可利用公司现有的各种设施和力 量，既减少了投资，降低了成本，又方便了生产。 六是山东铝业股份有限公司地处山东半岛，淄博市铁路、公路交通发达，地 理位鼍重要，原材料及工业产品的运输畅通无阻，是本项目的又一有利条件。 1 3 改造设计的原则 首先要把国家对电解铝行业的产业政策要求，国务院关于环境保护的若干 问题的决定及国家经贸委公布的淘汰落后生产能力、工艺和产品的目录等 文件的精神、原则和要求，落实到本项目的可行性研究工作中来。 其次要充分利用原有设备，生产和公用系统的富余能力，尽量挖掘企业内部 潜力、发挥企业的综合优势，做到少投入、多产出。总体安排、统筹规划，滚动 实施，优化经济技术指标，提高经济效益。 三是要采用先进的工艺和新型的节能设备。工艺和设备的起点要高，以良好 的经济效益提高产品在市场上的竞争能力。 四是要继续发扬企业的“自力更生、艰苦奋斗”的传统精神，增大自制设备 和自行安装施工的比例，力求节约建设投资和加快建设进度，早建成、早达标达 产，争取更好的综合经济效益。 五要牢固树立爱护环境、美化环境的观念，生产过程中产生的“三废”要经 过处理，达到国家规定的排放标准后排放。 1 4 改造方案 山东铝业股份有限公司电解铝厂节能环保改造工程计划对一、二电解车间 2 2 4 台6 0 k a 的自焙槽进行改造，自西向东将其改造为1 0 2 台2 0 0 k a 的预焙槽， 年产5 5 k t ，产品方案为普通重熔铝锭或合金锭。 本次改造的主要内容有： ( 1 ) 拆除一、二电解车间现有的2 2 4 台6 0 k a 自焙槽，自西向东建设1 0 2 台2 0 0 k a 预焙槽，改造完毕，电解铝厂一、二电解车间有2 0 0 k a 预焙槽1 0 2 台，三电解车 间有8 0 l ( a 预焙槽9 4 台。改造过程要遵循边改造、边投产的原则，以尽量减少改 造过程对电解铝厂产量的影响。 亟生焦坌墨箜! 主缱坌 ( 2 ) 拆除原跨度为2 1 m ，长3 9 9 m 的老厂房，该厂房建于1 9 5 8 年，为砖混结构， 屋梁凹陷，腐蚀严重，全部梁架虽于1 9 9 1 年采用钢筋拉紧加固，但又多次出现 下垂，改造已迫在眉睫，故拟新建3 8 0 m 长，2 4 m 跨度的新厂房，二层结构。 ( 3 ) 拆除原有运行费用高、环保不达标的湿法净化系统，新建两组工艺简单、 运行费用低的干法净化系统及氧化铝超浓相输送系统，负责1 0 2 台2 0 0 k a 预焙槽 氧化铝供应及烟气净化，三电解车间烟气净化仍由原有的湿法净化系统完成。 ( 4 ) 新建阳极炭块生产组装车间，同时对原有炭素生产系统进行技术改造。 1 5 建设规模和产品方案 1 5 1 产品市场预测 铝是一种国际贸易金属，由于其具有重量轻、易导电、抗腐蚀、易加工等性 能，在当今的经济领域成为广泛应用于各类产品的基本金属之一，为仅次于钢铁 之外的第二大金属材料。 1 5 2 铝的生产情况 据统计，到2 0 0 1 年底，共有2 4 5 个电解铝厂( 其中中国占1 2 2 家) 正在运 行，总生产能力2 7 2 4 3 k t a 。在世界原铝生产国家中，美国、俄罗斯和中国是原 铝产能最大的国家，其中仅美国就有铝电解生产企业2 3 家，生产能力为 4 2 1 l k t a ；俄罗斯有电解铝企业1 1 家，生产能力为3 2 1 5 k t a ；中国1 9 9 9 年有 电解铝企业1 2 2 家，年产量为2 6 1 8 k t a ；到2 0 0 1 年增长到3 4 3 0 k t a ，铝总产能 4 2 6 0 k t a 。超过美国和俄罗斯，截止到2 0 0 2 年底，全国共有1 3 2 家铝厂年产量 达到4 3 3 6k t a ，跃居世界第一位。1 。 表卜1近十年我国铝产能和产量表 t a b l e l 一1 t h ea l u m i n i u my i e l dt a b l ei i lr e c e n tt e ny e a r si nc h i n a 1 5 3 铝的消费 9 0 年代全球铝消费经历了三个时期。1 9 9 0 1 9 9 2 年下降，1 9 9 3 1 9 9 5 年 上升，1 9 9 6 1 9 9 8 年下降，1 9 9 9 2 0 0 0 年上升。据美国美林证券公司统计，2 0 0 0 塑芏焦逢塞笠! 至缱煎 年全球经济增长率达到3 3 ，其中美国达到3 2 ，亚洲和拉美分别达到6 和 3 3 ，虽然从2 0 0 1 年开始，世界经济呈现衰退迹象，但预计随着美国、欧洲、 日本等世界主要经济体的经济形势在2 0 0 2 年下半年开始出现转机，在全球经济 好转的带动下，2 0 0 2 年世界铝需求将继续呈快速增长之势0 1 。 中国是世界最大的发展中国家，人口1 3 亿，随着经济发展和生活水平的提 高，消费水平也在提高，巨大的消费市场是支撑我国电解铝工业发展的基础。自 1 9 9 0 年以来，我国铝的消费以1 6 速度增长，预测到2 0 0 5 年原铝消费在5 0 0 万 吨左右。尽管我国铝产量虽已跃居世界第一位，但我国一直是铝的净进口国，每 年国家都需耗用大量外汇进口铝。据统计，截止到2 0 0 0 年我国累计进口原铝 8 5 4 7 k t 。 近几年，我国铝的生产量和消费量基本处于平衡状态，但增幅有所加快。 从总量分析，我国铝的消费水平仍处于世界发达国家的初级阶段，据测算，目前 我国年人均铝消费量为2 7 k g 左右，大大低于世界年人均4 k g 铝的消费水平，这 说明我国铝的消费领域还有待开发，市场潜力仍很大。 由于铝工业是对矿产资源、能源特别是电力有较高要求的产业，所以在其 发展初期，其产区主要在美国、西欧等经济发达国家。随着世界经济的不断发展， 特别是发展中国家经济的快速增长，其产区逐渐转向矿产资源丰富、电力供应充 足、劳动力价格低廉的发展中国家。另外，铝的消费领域也在逐步扩大，从最初 的军工、航空航天、电力、机械等传统消费领域转向建筑、交通运输及包装等行 业，其中以汽车业和建筑业对铝的潜在需求量为最大。今后几年铝消费量和工业 产量均将有较大的增长。 1 5 4 建设规模与产品方案 综合上述产品市场预测和铝的生产消费情况，结合山东铝业股份有限公司的 目前实际，本项目的建设规模为改造后2 0 0 k a 预焙槽的年产能达到5 5 k t m 加 上三电解9 4 台8 0 k a 预焙槽产能2 0 k t a ，电解铝厂生产规模将达到7 5 k t a ，增 加部分产品方案为重熔用铝锭，其质量标准如表卜2 所示 亟芏焦造塞箍! 童绪造 牌号 杂质( ) a l ( )f es ic uc a m g其他每种总和 6 塑生焦盈塞箜! 主堡垫鲑擅剑堑墨丝丝 第2 章铝电解槽创新与改造 2 1 工艺方案的选择论证 众所周知，国内外广泛使用的铝电解生产工艺目前仍然是熔盐电解法。即以 氧化铝为原料溶于熔融的冰晶石中作为电解质，以炭素材料作为阴极和阳极，通 以直流电进行电解，从而获得金属铝。该法技术成熟可靠，已有百年生产历史“。 目前，国内外应用电解法生产金属铝的电解槽主要有自焙槽和不连续预焙槽 两大类，而不连续预焙槽又有边部下料、半连续中间下料，小预焙和大预焙等若 干类型1 。所以自焙槽改造成预焙槽就有若干种工艺方案可供选择。 当然，自焙槽可以改造成小预焙槽，长城铝业公司的电解铝厂已成功地把 6 0 k a 自焙槽改造成7 5 k a 预焙槽新槽型，运用了国内电解槽设计中成熟而先进的 理论和技术，在此基础上，又有多项创新，其主要特点是： ( 1 ) 环保各项污染物排放均达到g b 6 2 9 7 - 1 9 9 6 “大气污染物综合排放标 准”，其烟气集气效率达9 7 ，粉尘净化效率9 9 9 9 ，全氟净化效率9 9 ，较好 地解决了烟气污染问题n 。 ( 2 ) 电流强度可达7 5 8 5 k a ，阳极电流密度0 7 2 4 0 7 6 7 a c m 2 ，电流效 率考核，运行四个月平均9 1 6 1 ，直流电耗1 3 6 6 9 k w h t a l ，提高了产量和经济 效益m 1 。 但是，随着世界铝电解技术的不断进步，电解槽向大容量化发展的趋势近年 来已明显增强，目前现代化的大型预焙槽电流效率有的已高达9 5 9 6 。我国的 铝电解技术伴随着计算机和铝电解“三场”技术研究的不断发展也取得了可喜 的进展，设计先进、技术一流的大型预焙阳极电解槽不断投入生产，取得了较好 的经济效益。 铝电解槽的容量越大，虽然投资较大，但运行成本较低，根据我国目前的经 济状况及电解技术的水平，本人认为2 0 0 k a 电解槽不仅在经济上是合理的，而且 在先进性方面也有时代的特征。 2 0 0 k a 级大型预焙电解槽采用先进的电、磁及磁流体动力学数学模型及计算 机模型技术，采用“大面四点进电”的母线配置，使电解槽获得最佳的磁流体动 力学效果和稳定性。设计上采用了合理的槽内衬和槽壳结构，选用新型炭素材料 和防渗保温辅助材料，确保电解生产过程中电解槽的稳定热平衡，使其形成一个 稳定的槽膛内形，防止电解质对槽内衬的侵蚀，大大提高了电解槽的寿命“。 另外，2 0 0 k a 级大型预焙阳极电解槽设计有先进的计算机控制系统，运用“模 糊控制技术和铝电解专家系统”，采用当今先进的“四低一高”电解铝生产工艺 塑生垡迨圭笠2 主堡垫鲢擅剑堑鱼丛堡 制度，使该款槽型的综合技术水平达到了国内先进水平。 综上所述，对山东铝业股份有限公司电解铝厂节能环保改造项目来讲，选用 2 0 0 k a 级大型预焙阳极电解槽替换6 0 k h 侧插自焙阳极电解槽无论从技术上，还 是经济上都是比较合理的。本次设计电解槽的电流效率为9 4 ，直流电耗 1 3 2 5 0 k w h t a l ，在国内属领先水平。 2 2 电解铝工艺流程概述 铝电解生产所用的氧化铝用火车运至电解铝厂，由稀相输送系统直接吹送至 氧化铝储槽内。部分氧化铝经电解烟气净化系统后成为载氟氧化铝，由气力提升 机送入载氟氧化铝贮槽，载氟氧化铝与氟化铝经配料计量系统按比例掺配后，再 由超浓相输送系统送至每台电解槽的料箱内，按工艺过程需要自动加入电解槽内 的电解质中。 铝电解生产用的阳极组，由阳极组装车间供给。生产过程中的残极，从电解 槽上换下，清理后送往阳极组装车间处理。在阳极组装车间，残极经残极压脱机、 磷铁环压脱机处理后，残极炭块送往碳素厂残极处理工段处理后，作为生产原料 使用。铝导杆按工艺要求处理后，与新阳极重新组装成阳级组。残极上的电解质， 在炭素厂残极处理工段经破碎后，由汽车送至电解车间的电解质贮槽，作为电解 槽换极时的覆盖料。 铝电解生产所用的直流电能，由毗邻的整流所通过连接铝母线导入串联的电 解槽。 电解槽产出的液态铝，经真空抬包负压吸出，送往铸造车间。 在铸造车间，将铝液注入混合炉，并按产品牌号的要求，进行合理调配、精 炼和静置，由铝锭连续铸机组浇铸成铝锭。产品经质量检验、打捆、称重后由内 燃叉车送入成品堆场。工艺流程图如图2 1 。 为检查原材料的成分及产品的质量，设计有专门为铝生产服务的化验室。 2 3 电解铝工艺综合技术经济指标的确定 电解铝生产工艺技术经济指标的确定是一项非常重要的设计工作，涉及到 整个技术改造项目的经济效益和社会效益，本着实事求是的原则，在多方比较、 深入研究的基础上，确定了本次技术改造的主要技术经济指标，如下表2 一l 所示。 堡圭丝造塞一 笙! 主 堡塾鲢擅剑堑当丝堡 r 一一。一一。一一一一一1 供电系统 交流电 8 ；i 鬻贽 冰晶石氟化铝氧化铝 图2 - 1电解铝工艺流程图 f i 9 2 1t h ef 1 0 wc h a r to fa l u m i n i u me l e c t r o l y s is 9 亟主焦坌圭墓2 童 塑垫鲤擅剑堑生丛造 表2 - 1 电解铝工艺综合技术经济指标 t a b l e 2 1t h ec o m p r e h e n s i v et e c h n ic a la n de c o n o m ic a li n d e xo fa l u m i n i u me l e c tr o l y s is 项目 指标值 原铝产量( t a ) 铝锭产量( t a ) 安装电解槽台数( 台) 备用槽台数( 台) 系列电流强度( k a ) 槽平均电压( v ) 电流效率( ) 单槽日产原铝量( k g d ) 原铝直流电耗( k w h t a 1 ) 氧化铝单耗( k g t - a 1 ) 氟化铝单耗( k g t a 1 ) 冰晶石单耗( k g t a 1 ) 阳极炭块毛耗( k g t a 1 ) 阳极炭块净耗( k g t a 1 ) 槽内衬平均寿命( 天) 效应系数( 次日台) 铝锭铸造损失( ) 2 4 电解车间改造设计 本工程拟对一、二电解车间实施技术改造，拆除原有的2 2 4 台6 0 k a 侧插自 焙槽，新建1 0 2 台2 0 0 k a 预焙槽。 2 4 1 铝电解槽设计 2 4 1 1 槽壳 电解生产过程中，由于电解质不断侵蚀渗入炭块及基底砌体内，盐结晶不断 生成和增加，固体体积扩大，从而产生垂直和水平应力，使槽壳变形和扭曲倾斜 “。因此，电解槽槽壳强度与槽内衬寿命的长短有直接的关系。为了抵制垂直的 和水平的应力，必须选择合理的槽壳结构，使槽壳具有较大的刚性，克服产生的 6 8 7 4 5 o 0 霪| 至 ： 脚 舛 m 抛 m 拢 4 暮i m 啪 吣 塑茔垡迨塞星2 童焦垫鲤擅剑堑生堕量 应力，减小变形。 本设计采用强度大、技术成熟的船形摇篮槽壳，槽壳刚性大，变形小，能达 到延长槽寿命的目的。 2 4 1 2 内衬 槽内衬最佳热场设计应使电解质9 0 0 。c 等温线位于阴极钢棒以下，8 0 0 。c 等 温线位于保温层以上，如图2 2 所示。根据电解槽的热平衡计算，确定电解槽内 衬的材料及厚度。 图2 - 2 阴极热场分配图 f i g2 - 2 t h ea l l o c a t i o nc h a r to fc a t h o d eh e a tf i e l d 2 0 0 k a 电解铝内衬设计如下：槽膛侧部为一层侧部炭块，采用碳化硅结合氮 化硅新材料，侧部炭块与阴极炭块之间的边缝捣制成坡型，形成人造伸腿，有利 于形成槽帮。槽底部阴极炭块( 采用石墨化材料) 四周与槽壳间，采用防渗浇注 料，除保温效果好外，尚允许有一定的弹性变形，有利于减少阴极炭块裂纹和延 长槽寿命。槽壳底板内层为硅酸钙板，再上为保温砖层。为防止电解质渗透破坏 保温层，在阴极炭块底下与保温砖层间铺实一层干式防渗料，如图2 3 所示： 经热场计算，这种形式的槽内衬，热场分布处于最佳状态。 亟主生焦迨塞笠! 至 堡垫鲤擅剑堑兰选堡 2 4 1 3 母线配置 母线配置的设计是一个十分复杂的综合性问题，它不仅需要考虑到磁场的优 图2 - 32 0 0 1 ( h 电解槽内衬结构图 f i g2 - 3 t h es t r u c t u r ec h a r to f2 0 0 k aa l u m i n i u mc e l l1 i n e r 化设计，而且还要考虑到母线设计时电工问题、结构问题及生产操作问题。不仅 要考虑到正常生产的情况，也要考虑到短路时的情况，即所设计的母线配置及断 面不仅满足正常生产时电流分配，而且在短路时，应尽量不增加另外的短路母线 来满足短路情况下的电流分配。 本设计全面考虑了上述因素，经过多方案的优化筛选，采用大面四点的母线 进电方式，四个立柱母线电流均等供电，每个立柱母线电流为5 0 0 0 0 a ，如图2 4 所示。 11 图2 - 42 0 0 k a 电解槽母线配置图 f i g2 - 4 t h ea 1 1 0 c a t i o nc h a r to fa l u m i n i i i g ic o n d u c t o to f2 0 0 k aa l u m i i l i u m c e l l 塑生焦迨圭 星2 童堡垫篮擅剑堑生丛堡 2 4 1 4 阳极升降机构 2 0 0 k h 电解槽的阳极升降机构，包括5 5 k w 的双出轴电机，左右各一套蜗 杆，滚珠丝杆、三角板起重器、起重器支架和阳极母线吊挂等。如图2 5 所示。 升降行程4 0 0 m m ，升降速度l o o m m m i n ，总起重量为6 0 t 。 图2 - 5 预焙阳极电解槽阳极升降装置 f i g2 - 5 t h e h o is t i n gm e c h a n is mo fp r e b a k ec e l la n o d e 2 4 1 5 打壳下料机构 2 0 0 k h 预焙槽为中间点式下料槽，设计采用最新一代筒式定容下料器。该装 置动作灵活，定容准确，密封好，打壳有力，锤头在电解质中停留时间短，能形 成有效的孔洞，氧化铝能有效地导入孑l 洞中心。 根据流动场计算结果，在阳极组夹缝与中缝交叉点设四个下料点，均在流 动场的旋环内。每点每次下料定量1 8 k g ，采用计算机多模式智能控制每次下料 问隔时间，保持槽内电解质中氧化铝浓度的基本恒定，以获得较高的电流效率。 2 4 1 6 铝电解槽主要结构参数和部分经济指标 表2 2 列出了铝电解槽主要结构参数和部分经济指标情况。 塑鲎焦逢垂笠! 主 堡塾鲢撞剑堑墨选造 表2 - 2 铝电解槽主要结构参数和部分经济指标 t a b l e 2 2 t h em a i ns t i u c t u r ep a r a m e t e ra n de c o n o l l l i c a li n d e xo fa l u m i n l l mr e d u c t i o n c e l l 参数名称要求及设计指标 电流强度( k a ) 阳极母线进电方式 阳极母线设计 阳极面积( m 。) 阳极电流密度( a c m 2 ) 槽膛面积( 开) 单位槽膛面积产量( k g 2 d ) 阳极炭块尺寸( m m ) 阳极组数( 组) 大面加工面宽( m m ) 小面加工面宽( m m ) 槽膛深( m m ) 阳极升降装置 阳极提升速度( m m m i n ) 阳极升降行程( 哪) 升降电机功率( k w ) 打壳间隔时间( m i n ) 每次下料量( k g ) 下料器方式 下料点数( 个) 槽壳结构 槽外形尺寸( m m ) 阳极效应系数( 次台目) 电流效率( ) 直流电耗( k w h t a 1 ) 槽内衬平均寿命( 天) 单槽日产原铝量( k g 台日) 单位产量用钢量( t t a 1 ) 单位产量用钢量( t t a 1 ) 2 0 0 大面、四点 考虑到邻列母线影响及磁屏蔽 2 7 7 2 0 7 2 2 3 7 8 1 0 6 = 4 0 0 7 8 3 7 7 8 1 5 0 0 6 6 0 5 8 0 2 8 3 0 0 4 2 0 4 7 0 滚珠丝杆加三角板传动 1 0 0 4 0 0 5 5 1 7 9 1 8 2 1 8 k g 定容点式 4 船型摇篮槽壳 1 1 5 9 4 4 7 3 8 o 3 9 4 1 3 2 0 0 1 8 0 0 1 5 1 4 0 1 0 9 o 0 5 5 2 4 2 电解车间配置 拆除一、二电解西部3 9 9 m 长的老电解厂房，新建3 8 0 m 长、跨度为2 4 m 的二 层楼式厂房，每栋厂房自西向东安装5 1 台2 0 0 k a 预焙阳极电解槽，设置一个生 产系列，槽中心间距为6 2 m 。电解槽排烟管从厂房两侧接入净化总排烟管道。 每栋厂房内配置电解多功能天车2 台，并设有电解槽上料的气控设备和出 塑主茎焦迨塞笠2 至堡堑鲢擅剑堑生丛堡 铝服务用的真空管道。 2 5 氧化铝及氟化盐贮运系统 氧化铝及氟化盐贮运系统的任务是贮存氧化铝和氟化盐，并按生产所需及 时送至电解槽上的料箱中。 整个系统包括：火车站台卸料系统、氟化盐仓库、新鲜及载氟氧化铝双层贮 槽、配料站及氧化铝超浓相输送系统。 氧化铝经稀相输送系统吹送至双层贮槽中的新鲜氧化铝贮仓。氟化盐从厂外 运至厂内的氟化盐仓库，采用气力稀相输送系统，用旋流泵将其吹送至双层贮槽 中的氟化盐贮仓。 两座新鲜及载氟氧化铝双层贮槽位于两栋电解厂房中间，钢筋混凝土结构。 上层为载氟氧化铝贮槽，内设一氟化盐贮仓，贮槽下的空间为供配料和超浓相输 送系统使用。空问之下是新鲜的氧化铝贮槽，贮槽下的空间是风机房。 配料站设在双层贮槽中部，其功能是将载氟氧化铝按照一定的比例送入超浓 相输送系统给电解槽加料，并将载氟氧化铝供给电解多功能天车。配料站由配料、 天车加料两个系统组成。 电解多功能天车通常装运载氟氧化铝，在更换阳极时作电解槽的保温料。风 动流槽将载氟氧化铝吹送至车间的天车加料器上，加入电解多功能天车的料仓 中。 配料系统采用先进的配料技术，分别将氟化盐和载氟氧化铝经配料送入超浓 相输送系统。该技术具有定量精确、物料无泄漏、无机械运行部件、使用寿命长、 维护简便等优点。 氧化铝超浓相输送系统主要是利用粉料在流态化时转变成流体的性质，再根 据能量转换原理将粉料流体在输送槽内进行输送。输送槽被透气板分成上下两 层，其中下层为气室，上层装氧化铝。风机的低压空气将在气室中通过透气板均 匀分布在上层的氧化铝中，使其流态化，而穿过氧化铝层的低压空气则由平衡料 柱排出。经过流态化的氧化铝成为一种流体，利用氧化铝贮槽的势能差形成压强 梯度，可以分步地在输送槽内传递，将经配料混合后的物料送至电解槽槽上料箱。 本次改造工程一、二电解各设一套输送系统，担负着电解车间1 0 2 台2 0 0 k h 电解槽氧化铝供应。氧化铝超浓相输送系统每天可定时向电解槽上供料，并定时 或根据充料情况修正加料。每天充料时间4 6 h 。车间末端电解槽设料位计指示 加料状态。 氧化铝超浓相输送系统主要有以下优点： 塑生焦迨圭笙! 圭堡垫鲢擅剑堑量选垫 1 设备简单可靠，寿命可达2 0 年以上； 2 氧化铝流速低，仅为0 卜0 3 m s ，无氧化铝破损 3 无运动的机械部件，维护费用低： 4 投资小，能耗低； 5 低压风源，普通风机可满足要求； 6 极易实现自动化。 2 6 电解槽槽型的选择论证 铝电解槽是铝电解生产的主要设备，它的确定是与整个电解铝厂的规模、投 资等多项因素有关，在很大程度上代表着电解铝厂的技术水平。由于能源的紧张 及环保要求的日趋严格，国际铝工业发展的总趋势是采用高产能、高效率、节省 投资、节省能源、采用计算机智能化控制打壳下料和采用新的阴阳极技术及新材 料的大容量中间点式下料预焙阳极电解槽。 大型预焙阳极电解槽代表着国内铝电解发展的技术水平，无论从投资、节能 降耗、自动化程度及环境保护等方面来说，都具有中小型预焙槽及自焙槽无可比 拟的优越性，尤其是大型预焙槽的设计一般均采用国际上通用的设计软件和计算 模型，进行物理场仿真计算和各种参数的优化设计t 作从而使母线的