400kA预焙槽铝电解车间设计_本科毕业设计(论文) .doc
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1、I 400kA 预焙槽铝电解车间设计 摘 要 大型化是当今世界铝电解技术发展的大趋势。在现有的 320kA350kA 大型铝电解槽基础上,进一步开发并建设高效、稳定和 更为节能的 400kA 大型铝电解槽技术是当今世界各大铝业公司研究和 追求的目标。并且我国已经有多家铝电解企业已经建成 400kA 级铝电 解生产线。 我们紧随时代步伐,设计了 400kA 预焙槽铝电解车间。车间设计 包括厂址选择、电解槽设计、电压平衡、能量平衡劳动定员及成本核 算等。该设计的年产量为 22 万吨,电流效率高达 94%。经过多方论证 厂址选择伊川县工业园区。 关键词:铝电解槽,物料平衡,能量平衡,电压平衡,车间设
2、计 II The Design of 400kA Pre-baked Anode Aluminum Reduction Plant ABSTRACT Large-scale is the general trend of aluminium electrolysis technological development in the world nowadaysDeveloping more efficient, more stable and more energy-saving 400kA aluminium reduction cell technology,based on the ex
3、isting 320kA350kA aluminium reduction cell,is the goal studied and chased by worldwide major aluminium companiesAnd there are a few aluminum electrolysis enterprises that have built 400kA grade aluminum electrolytic production line Following the pace of times,we complete the design of the 400kA pre-
4、baked aluminum electrolysis workshopThe designs include site-selection, designs of electrolyzers,voltage balance, energy balance,labor quota and cost accounting and so onYield of the design reaches to the annual output of 220000 tons,and the current efficiency as high as 94%After many discussions,we
5、 decide to choose Yichuan County Industrial Park as the site KEY WORDS:aluminum reduction cell,material balance, energy balance,voltage balance,the design of workshop III 目 录 前 言 1 第一章 铝电解简介 3 1.1 铝的性质及用途 3 1.1.1 铝的性质 3 1.1.2 铝的用途 3 1.2 铝电解简史及发展现状 4 1.2.1 铝电解简史 4 1.2.2 我国铝电解技术发展现状 .6 1.2.3 世界铝电解工业技术
6、现状 7 1.3 铝电解用原料与原材料 9 1.3.1 铝电解原料 氧化铝 9 1.3.2 铝电解熔剂 氟化盐 .10 1.3.3 铝电解预焙阳极炭块 .11 1.4 铝电解过程描述 .12 1.5 铝电解槽与电解槽系列 .13 1.5.1 阴极装置 .13 1.5.2 阳极装置 .13 1.5.3 母线装置 .14 1.5.4 使用寿命 .15 第二章 厂址选择与论证 .16 2.1. 电力供应 16 2.2. 运输系统 16 2.3. 外围服务 17 2.4. 环境和土地 17 第三章 技术经济 .18 3.1 主要技术经济指标的选择论证 .18 IV 3.2 综合经济技术指标的计算 .1
7、9 3.3 主要经济技术指标的确定与列表 .21 第四章 物料平衡 .23 4.1 物料平衡的计算 .23 4.2 物料平衡列表 .24 第五章 电解槽结构的设计 .26 5.1 概述 .26 5.2 阳极结构 .26 5.3 阴极结构 .27 5.3.1 槽壳 .27 5.3.2 内衬及保温绝热结构 .28 5.4 母线结构 .29 5.4.1. 阳极母线 29 5.4.2. 阴极母线 31 5.4.3 短路母线 .32 第六章 电压平衡 .33 6.1 实际分解电压 .33 6.2 电解质电压 .33 6.3 阳极电压降 .34 6.3.1 阳极大母线电压降 .34 6.3.2 阳极软母线
8、电压降 .34 6.3.3 阳极立柱母线电压降 .35 6.4 阴极电压降 .36 6.4.1 槽底电压降 .36 6.4.2 阴极软母线电压降 .37 6.4.3 槽周阴极母线电压降 37 6.4.4 焊点压降 .37 6.5 阳极效应分摊电压降 .37 6.6 连接母线压降 .38 第七章 能量平衡 .40 V 7.1 计算方法与基础条件 40 7.2 能量平衡计算 .40 7.2.1 热量输入计算 40 7.2.2 热量支出计算 .41 7.3 能量平衡列表 .51 第八章 劳动定员及成本核算 .53 8.1 劳动定员 .53 8.2 成本核算 .53 第九章 环境保护和安全生产 .55
9、 9.1 环境与卫生 .55 9.2 安全生产 .55 结 论 .57 参考文献 58 致 谢 .59 1 前 言 自上世纪 80 年代以来,我国电解铝技术取得了很大的发展,尤 其在大型预焙铝电解槽的设计技术、制造技术、生产技术等领域形成 了自己的大型铝电解技术体系,开发成功了 300kA400kA 大型铝电解 槽。 先进的 300kA350kA 大型预焙槽及其配套技术得到了广泛应用, 从而减少了能量消耗和环境污染,但与国外先进电解槽相比较,我国 电解槽在设计、制作、电解槽单位面积产铝量及吨铝直流电耗等方面 还存在一定差距 1。 我国自主研发的 400kA 级大型预焙阳极铝电解槽技术,于 08
10、 年 由中国铝业兰州分公司、沈阳铝镁设计研究院研制开发获得成功。并 与 2008 年 3 月 21 日通过了由中国有色金属工业协会组织的科学技术 成果鉴定。现安装于中国铝业兰州分公司 SY400 电解槽 2,技术指标 先进,同比 350kA,300kA 电解槽具备投资省,经济效益高的特点, 能够满足建设技术起点高、装备先进、大规模的铝电解系列,单系列 产能超过 320kt/a 以上,为中国铝工业的国际化奠定坚实的基础。同 时 SY400 电解技术具备是世界领先水平的电解技术,是当前世界系列 生产电流强度最大,单槽产量最大,综合指标最先进并具有自主知识 产权的铝电解槽。 与之前的 300kA 和
11、 350kA 级的电解槽相比,400kA 级大型预焙阳 极铝电解槽技术具有以下创新点:1、优化设计了合理的母线配置, 提高了大型槽磁流体稳定性;2、采用 5 段上烟道结构设计,有利于 提高集气效率和改善环境;3、采用电解厂房通风和电解槽整体热平 衡相结合、摇篮架与槽壳整体焊接、槽壳外部焊接散热片、电解槽小 面采用摇篮架与槽壳焊接、电解槽槽壳和内衬整体位于操作面下等技 术,保证了大型电解槽的热稳定性,改善了劳动环境;4、采用阴极 炭块与阳极炭块投影相对应的技术,有利于阳极和阴极的电流分布均 匀;5、采用了电解槽全面控制和标准化操作体系,有效控制电解槽 热平衡与物料平衡,开发了适应大型槽稳定、安全
12、的焙烧启动技术, 2 形成了 400kA 电解槽生产操作管理技术;6、采用四种不同品质阴极 炭块进行工业试验,均达到了 400kA 电解槽试验目标。使用 30%石墨 质阴极炭块的电解槽,阳极电流密度也达到了 0.82A/cm2,石墨化阴 极炭块的电解槽还有进一步提高电流强度的潜力。400kA 大型预焙阳 极电解槽技术的研制开发成功,为我国参与国际竞争,提供容量更大、 技术更先进的电解槽技术打下了良好的基础 3。 400kA 级铝电解车间设计,是适应了我国铝电解行业的发展现状 及十二五规划总体要求:淘汰 100 千安及以下电解铝预焙槽,确立绿 色发展的理念,提升工业节能发展水平,推广新型阴极结构
13、铝电解槽、 新型导流结构铝电解槽、高阳极电流密度超大型铝电解槽,到 2015 年,新型结构铝电解槽普及率将达到 80%以上 4。本设计具有投资省、 容量大、经济效益高的特点,单槽年产铝量可增加 100 多吨,并且有 利于提高集气效率和改善环境。同时,采用电解槽全面控制和标准化 操作体系,有效控制了电解槽平衡与物料平衡,还采用一套适应大型 电解槽稳定、安全的焙烧技术,形成了一套与大型电解槽配套的生产 操作管理技术。当前国内外大部分铝电解厂采用 300kA 级电解槽,本 设计采用 400kA 大型铝电解槽,不仅适应了电解槽发展的大型化,而 且引领着世界铝电解行业发展方向,为我国铝电解走国际化路线奠
14、定 了基础。 3 第一章 铝电解简介 1.1 铝的性质及用途 1.1.1 铝的性质 铝是一种银白色的轻金属,位列元素周期表第三周期A 族,原 子序数 13,原子量 26.9814,其主要特性如下: (1)熔点低,铝的熔点与纯度有密切关系,纯度 99.996%的铝熔点 为 660。 (2)沸点高,液态铝的蒸气压不高,沸点为 2467。 (3)密度小,铝的密度只有钢的 1/3,常温下工业纯铝的密度为 2.702.71g/cm3,随温度升高,铝的密度随之降低,在 950时铝液 的密度为 2.303 g/cm3。 (4)电阻率小,纯度为 99%99.5%的铝电阻率为(2.802.85)10- 8m,在
15、常用金属中铝的导电性仅次于银和铜居第三位。铝中添加 其他元素,都会增大铝的电阻率。固体和液体铝的电阻率均随温度降 低而减小,靠近 0 K 时,铝的电阻率接近零。 (5)铝具有良好的导热能力,铝的导热性能差不多是不锈钢的十 倍,在 20时, 铝的热导率为 2.1 W/(cm)。 (6)铝具有良好的反光性能,特别是对于波长为 0.212m 的光 线。 (7)铝没有磁性,不产生附加的磁场,所以在精密仪器中不会起 干扰作用。 4 (8)铝易于加工,可用一般的方法把铝切割、焊接或黏接,铝易 于压延和拉丝。铝的再生利用率高,易与多种金属构成合金。 (9)铝具有良好的防腐蚀性,铝表面在空气中和氧易结合成一层
16、 牢固的氧化铝薄膜,这层氧化铝薄膜是连续的、无孔的,阻止了铝的 进一步氧化,提高了铝的抗氧化和抗腐蚀能力。 (10)铝没有毒性,可以用作食品包装。 (11)铝再生循环利用率高,是一种节能储能绿色环保型金属。 1.1.2 铝的用途 由于铝具有质轻、良好的导热性和导电性、可加工性以及构成高 强度、耐腐蚀性的合金和可再生循环利用等优良的性能,因而铝成为 有色金属中应用最广泛的金属,是仅次于钢铁的第二大金属。铝工业 现在是世界上最大的电化学冶金工业,铝的产量在金属中仅次于钢铁, 居有色金属之首。它的应用主要表现在下面几个方面。 (1)轻型结构材料 因铝及其合金质轻,机械性能好,易加工,所以已成为当今制
17、造 各种交通运输工具的不可缺少的结构材料。近年来汽车工业用材料要 求向体形小、 质量轻的方向发展,所以用铝量不断增加。每千克铝 材可代替2.2 kg 钢材,这样就大大减轻了车体的质量,这对节约燃料 是非常有利的。另外,火车车厢、轮船船体等也都采用大量的铝材。 此外,国防工业、宇宙航空航天工业的用铝量也在日益增长。 (2)建筑工业材料 铝材已在建筑方面得到广泛的应用。它的应用主要是用铝合金型 材制作房屋的结构架和门窗柜橱一类的设施,以此代木,经久耐用, 美观大方。 (3)电气工业材料 因铝质轻,导电又好,所以铝在电力输配、器件制造等方面已成 为制造电线、电缆、电容器、整流器、母线以及无线电器材的
18、主要材 料。 (4)耐腐蚀材料 由于铝表面有一层很坚硬、致密的氧化铝薄膜,所以它有很好的 5 耐腐蚀性。在化学工业上常用铝及其合金制造各种反应器、储槽和管 道等。 (5)食品包装材料 因铝是无毒性的金属材料,所以在食品包装方面也得到了广泛应 用。目前以大型的仓库储槽、容缸到小型的食品罐头盒子及零用包装 铝箔都有铝的应用。同时,它还是人们日常生活中常用炊具和一些装 饰品的主要原材料。 1.2 铝电解简史及发展现状 1.2.1 铝电解简史 铝在地壳中的含量高达8%,几乎占地壳中全部金属总量的三分之 一。金属铝最初用化学法制取。1825年丹麦化学家奥斯特 (H.C.Oersted)用钾汞齐还原无水氯
19、化铝,得到一种灰色的金属粉 末,在研磨石呈现金属光泽,这是人类首次得到金属铝。 1854年,法国德维尔(Deville) 用钠代替钾还原 NaCl-AlCl3配合 盐,制取金属铝。1855年,在巴黎附近建成了世界上第一座炼铝厂。 1865年, 俄国别开托夫 ()提议用镁还原冰晶石来生产 铝。这一方案后来在德国 Gmelingen 铝镁工厂里被采用。 在采用化学法炼铝期间,1854年德国本生(Bunsen)和法国德维尔 (Deville)继英国戴维(Davy)之后研究电解法炼铝,试验了各种以冰 晶石为基础的混合熔盐与氧化铝的电解法。但那时的试验是用蓄电池 作为电源,不能获得较大的电流,而且价格很
20、贵,因此电解法不能做 工业性的试验。直到1867年发明了发电机,并在1880年加以改进之后, 实现了三相交流输电,这才给实现工业性的电解法炼铝提供了前提条 件。 1883 年,美国 Bradley 提出利用氧化铝可溶于熔融冰晶石的特 性来电解冰晶石-氧化铝熔盐的方案,但未获得专利。1886年美国霍 尔(Hall)和法国埃鲁(Heroult)通过实验不约而同地申请了冰晶石-氧 化铝熔盐电解法炼铝的专利,获得批准。这就是历来所称的 Hall- 6 Heroult(霍尔-埃鲁)法,简称 H-H 法。电解法原理就是将氧化铝溶解 在熔融的冰晶石电解质中,通入直流电,进行电化学反应得到金属铝。 1888年
21、,美国匹兹堡电解厂开始用冰晶石-氧化铝熔盐电解法炼 铝。瑞士冶炼公司也在同时采用该法炼铝。与化学法相比,电解法成 本比较低,而且产品质量好,故沿用至今。电解法早期采用小型预焙 电解槽,1923年侧插阳极棒自焙阳极电解槽发明后,电解槽的电解容 量增大,生产指标随之好转,促进了铝工业的发展,1952年上插阳极 棒连续自焙阳极电解槽系列投产并取得良好的生产指标。1954年我国 抚顺铝厂投产,采用当时前苏联设计的60 kA 侧插阳极棒自焙阳极电 解槽,年产铝2.5万 t。 现代铝电解槽正向大型化发展,电解槽由20世纪70年代的10万 A 发展到现在的35万50万 A,随着计算机技术在电解槽上的应用,各
22、项 经济技术指标大大提高。目前,法国有6台电流强度达500kA 的电解槽 在进行工业应用试验。我国第一个500kA 系列的288台电解槽于2011年 在甘肃连城建成、投产。 除此法外,世界各国科学家也一直在研究许多的炼铝新方法,如: 电热法炼铝、氯化铝电解法、矿石直接炼铝法、高炉炼铝法、锰还原 法、惰性阳极和可湿润阴极电解槽等。这些新工艺新方法有待进一步 的研究完善和工业性的试验。 1.2.2 我国铝电解技术发展现状 许多突出的技术问题,与我国铝电解技术自 70 年代末引进 160kA 中间下料预焙槽技术之后,从消化国外技术开始,揭开了我国现代铝 电解技术发展的序幕,以铝电解槽热电磁力特性及磁
23、流体数学模型研 究为核心,在工艺、材料、过程控制及配套技术等方面展开了广泛深 入的研究工作。九十年代以来,在基础理论、大型铝电解槽开发以及 工程应用取得了一系列成果,开发成功了 280、320kA 以上的特大型 电解槽技术,使铝工业的技术进步令人注目。大容量电解槽的开发, 使我国铝电解技术总体上达到了国际先进水平,电解铝工业的面貌发 生了根本的改变。然而由于我们在跟踪国际电解铝技术发展过程中实 7 现了跨越式发展这一特点,大型槽技术尚未经过生产过程的逐步完善 的过程,在生产实用技术领域缺乏应有的技术积累和支撑,因此仍存 在国际水平仍有较大差距 5。 实际运行指标差。 由于开发时间短,对我国大型
24、铝电解槽在生产领域的深层次开发 明显不足,致使实际运行指标的生产指标与国际先进水平还有较大差 距。 多数在大负荷、小电网环境下运行,安全隐患多。 铝电联营是我国电解铝企业发展的趋势之一,但同时在技术上也 存在相应的问题。由于大容量电解槽一般系列规模较大(一个系列产 能可达 20 万吨以上),巨大的用电负荷集中在一个生产系列上(一般 达 40 万 kW 以上),电解系列生产的任何波动都会造成电网或自备电 厂较大的影响,甚至威胁供电安全。 缺乏建立在对阴极破损机理与规律透彻掌握基础上的“精细 设计”技术和提高槽寿命的综合技术措施,电解槽难以达到设计寿命, 早期破损率高。 影响我国大型槽槽寿命的问题
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