1、年产20万吨铝电解车间毕业设计剖析年产 20 万吨铝的铝电解车间设计摘要本设计是毕业设计， 依据毕业任务书进行了一年产 20 万吨铝锭的铝 电解车间的设计。在查阅有关文献、翻阅了自己所学的相关课程下，对 我国铝工业的发展、国际炼铝的综合情况进行了简明的论述；并确定了 冰晶石熔盐电解的方案，选用并论证了 420KA 电解槽的技术经济指标。 作了厂址的选择与论证及铝电解槽的设计计算、物料平衡及能量衡算、 铝电解烟气净化及原料输送、环境保护、技术经济评价及成本核算等内 容。并绘制CAD四张，以及完成了一份毕业实习报告书。关键词：电解 铝 电解槽 毕业设计一、绪论 31.1铝的物理化学性质 31.2国
2、内外铝工业发展的现状及趋势 42.1工业布局问题 82.1.1工业布局的影响 82.1.2各工业区之间的经济协调 82.1.3厂址和居住区的规划 92.2原材料供应及交通运输条件 92.3供水供电条件及费用 102.4环境保护和节约用地问题 10三、生产工艺流程与技术经济指标的选择与论证 113.1工艺流程 113.1.1工艺流程选择的基本原则 113.1.2工艺流程图 12四、冶金计算 134.1铝电解槽的简介 134.2铝电解槽结构与计算 144.2.1阳极尺寸 144.2.2槽膛尺寸 154.2.3槽壳尺寸 154.2.4阴极炭块数目 164.2.5铝母线 164.2.6极距 174.3
3、台数的计算以及产量的衡算 174.3.1单个电解槽日产量计算 174.3.2电解槽槽数的确定 174.3.3备用槽槽数 184.3.4电流密度 184.3.5铝电解槽的电压平衡计算 184.4 物料平衡计算 194.4.1铝产量 194.4.2Al2O3 消耗量 194.4.3氟化盐的消耗量 204.4.4阳极炭块的消耗 204.4.5物料平衡列表 204.5热平衡计算 214.5.1热收入 214.5.2热支出 224.5.3热量平衡表 24第五章 铝电解槽正常生产管理 255.1电解车间的生产管理 255.1.1车间生产管理的一般法则 255.1.2车间机构及管理层次 2752 电解车间工
4、艺技术条件管理 305.2.1 槽电压管理 315.2.2铝水平及出铝管理 325.2.3极上保温料的管理 335.2.4效应管理 335.2.5效应间隔管理 375.2.6原铝质量管理 37第六章 冶金环境保护 416.1 环境保护的重要性 416.2铝电解厂烟气中的污染物及其危害 426.3铝电解的环境保护 44七、编说明书绘车间平面图及电解槽三视图 46八、结 束 语 46九、文 献 48一、绪论1.1铝的物理化学性质铝的物理性质1、银白色的轻金属 , 较软 ,2、密度 2.7g/cm3,3、 熔点 660.4 C ,沸点 2467C ,4、 它有良好的导电性和传热性 . 所以铝常用来做
5、导线 , 制造各种炊具 .5、 铝对光的反射性能良好 , 反射紫外线比银还强 , 铝越纯 , 它的反射 能力越好 ,铝的化学性质1、 和氧气反应：铝粉可燃饶 4AI+3O2=2AI2O3 (发强白光)2、 和非金属反应： 2Al+3S=Al2S33、 和热水反应：2AI+6H2O=2AI(OH)3+3H0 (反应缓慢)铝和水发生置换反应：2AI+6H2O=2AI(OH)3+3H04、 和较不活动金属氧化物反应： 3Fe3O4+8AI9Fe+4AI2O35、 和酸反应：在常温下浓硫酸和浓硝酸可使铝钝化 . 盐酸和稀硫酸 可跟铝发生置换反应 , 生成盐并放出氢气.2AI+3H2SO4(稀)=AI2
6、(SO4)3+3H2 f2AI+6HCI=2AICI3+3H2f6、 和盐溶液反应： 2AI+3Hg(NO3)2=3Hg+2AI(NO3)37、 和碱溶液反应：主要和 NaOH KOH强碱溶液反应，可看做是碱溶液先溶解掉铝表面氧化铝保护膜 2AI+2NaOH+2H2O=2NaAIO2+3H22AI+2OH-+2H2O=2AIO2-+3H2注：1. 铝和不活动金属氧化物（主要是难熔金属氧化物如 Cr2O3、V2O5以及Fe2O3等）的混合物，都叫铝热剂，在反应中铝做还原剂反应过 程放大量热 , 可将被还原的金属熔化成液态2. 铝在加热时可以跟浓硫酸或硝酸反应 , 情况较复杂不做要求1.2国内外铝
7、工业发展的现状及趋势世界金属统计局表示， 2008年全球前 10 个月铝市供应过剩 113.2 万 吨，远远超过去年同期 4.4 万吨的过剩量。值得关注的是， 12月份开始 全球铝库存增加的速度突然变快。库存的快速增加表明全球原铝供需正 在继续恶化。如今全球的原铝生产商都面临着全球经济放缓、铝库存增加、价格 下跌等困难，并且走出这样的困难需要时日。全球的原铝生产商都在大 幅度的削减生产或取消扩建计划，以平衡供需关系。 对于中国来讲，首 先，从政策环境来看，中国电解铝行业的出口限制政策持续深化，铝合 金、铝板带或将成为调整对象。与此同时，国储局伸援手收储 30 万吨电 解铝。此举对企业短期内缓解
8、经营压力、减少亏损是有利的。这次收储 价格的确定主要以企业以成本报价后再加成后确定，为 12350元/ 吨，该 价格比市场价格高 10%。但这种收储行动主要还是帮助企业度过难关， 很 难对市场价格产生实质的推动作用。其次，从经济环境来看，宏观经济 面临的国内外环境将更加趋紧，尤其是内部经济内生性变化带来的周期 性调整压力可能会明显大于 2008 年。世界经济增长周期性变化和国内周期性因素相叠加，增大了 2009 年经济进一步向下调整的压力但是，我国经济长期增长的内在条件没有改变，宏观经济政策有可 能转为中性偏松， 2009 年经济继续向下调整的幅度可能会小于 2008年。 2008年以来，工业
9、经济总体保持了平稳较快的发展态势。 08 年前三季度， 规模以上工业增加值同比增长 15.2%，增速同比减缓 3.3 个百分点。 其中 7、8、9 月增速分别为 14.7%、12.8%、11.4%，减速趋势十分明显。对于 固定资产投资，进入 2008 年以来，投资速度继续加快，前三季度，全社 会固定资产投资 116246 亿元，同比增长 27%，比上年同期加快 1.3 个百 分点。 2003-2007 年，我国房地产投资增长速度以 26.32%的速度在增长， 进入 08 年以来，受到国内信贷政策及金融危机的影响，中国房地产投资 增长速度出现了回落， 2008年1-10 月，全国完成房地产开发投
10、资 23918 亿元，同比增长 24.6%，增幅比 1-9 月回落了 1.9 个百分点。再次，从社 会环境来看，在有色金属工业协会组织召开部分骨干电解铝企业市场分 析座谈会上全体代表通过了电解铝企业联合减产“倡议书”，并承诺自 即日起一个月内逐步达到减产 5-10%的目标。并向全国电解铝企业发出倡 议，希望所有电解铝企业加入到减产行列，为电解铝行业争取一个较为 宽松的市场环境。此次联合减产，不仅可以缓解电力紧张的状况，而且 可以稳定铝价，提高企业的盈利能力。但由于目前行业并没有出现亏损， 加上在建产能较多，我们预计实际影响的产量较为有限。最后，从技术 环境来看，目前世界上所有的铝都是用电解法生
11、产出来的。电解铝工业 对环境影响较大，属于高耗能、高污染行业，但是电解铝是一种应用广 泛的金属，轻工业、电器行业、机械制造、电子行业等各行各业都离不开铝。目前电解铝的最重要的下游行业为建筑行业、交通运输业、电子 电力行业及包装行业， 其对铝金属的消耗量约占总量的 80%。随着下游行 业的发展以及应用领域的托长，电解铝应用前景广阔。 国家连续出台了 一系列政策，遏制钢铁、电解铝、水泥等行业基本建设投资过热势头。 加上氧化铝供应短缺价格居高不下。 近期爆发的能源危机导致电价上涨，及出口退税率降低等因素的影响， 电解铝企业四面受敌，这对于正处发展高峰的电解铝工业来说不亚于一 场风暴，据报道目前全国已
12、经有六十家铝厂处于停产或者部分停产状态， 电解铝企业陷入前所未有的困境。其中，电解铝价格快速下跌，主要是两个方面的原因，一是电解铝 行业产能过剩，另一方面是经济危机使来自于汽车、房地产等下游行业 的需求大幅减少。 目前中国电解铝产量过剩情况如此严重除了需求下降 的因素外，中国电解铝行业的非理性扩张也是一个重要的原因。从中国 的资源量来看，中国铝土矿基础储量只有 7 亿吨左右，只占世界的 2.3%， 按照现在的发展速度，中国的铝土资源只能维持 10 年左右，因此行业的 调整已是必然。如今电解铝的主要原料氧化铝价格都已经在行业平均成 本价以下。从 08年 9月份以来，包括氧化铝、电力及各类辅料在内
13、的几 乎所有成本都出现下降，其中氧化铝和辅料的价格下跌尤为迅速。考虑 到原料和辅料价格进一步下跌的可能性，以及由于煤炭价格下跌，拥有 自备电厂的电解铝厂将在成本上拥有优势，国内电解铝的平均生产成本 有进一步下降至 15000元/ 吨，但由于中国铝土矿的稀缺性，中国电力紧 张的情况仍将长期存在，因此电解铝生产成本再大幅下降的可能性不大。从电解铝产业竞争态势来看，第一，进入者的威胁。目前中国氧化 铝完全能够满足国内电解铝生产的需要，并出现供应过剩。氧化铝供求 弹性低，出现过剩将促使氧化铝生产商向下游电解铝行业延伸产业链。 第二，购买者分析。电解铝行业的购买方即铝消费者，在中国随着经济 的复苏，中国
14、城市化进程中基础设施、公共事业、住房和汽车等消费品， 将极大地带动国内铝消费需求，而中国旺盛的铝消费是推动电解铝产量 增长的根源。第三，替代品分析。为了调节供需矛盾，作为电解铝一部 分替代品的再生铝加大了加工生产力度，但国内废铝回收比例并不高， 原材料供应量不足致使废铝的进口数量居高不下。第四，行业内现有竞 争者分析。目前电解铝行业处于高速发展阶段，行业集中度不断提升二、厂址的选择与论证 厂址选择对工业企业的建设速度、建厂投资、生产发展、经济效益、 环境保护及工农关系都能具有重要意义。2.1工业布局问题2.1.1工业布局的影响 建设一座电解厂，对全国的供应业布局、一个地区或一个城市的合 理发展
15、、各工业区之间的经济协调及农业发展等起着重要作用，应根据 工业布局大分散、小集中、多搞小城市的方针，按工农结合，城乡结合， 有利生产，生活方便的原则，进行厂址选择和居住区的规划，使之符合 供应业布局总体规划及城市建设规划要求。2.1.2各工业区之间的经济协调 我国地域辽阔，经济发展水平差距较大，不仅表现为东、中、西部 三大地带间的巨大差距，而且还表现为三大地带内部各省区之间的差距。 特别是改革开放以来得以 快速发展的东部沿海地带，其内部各省区之 间、新兴工业区和老工业区之间以及各省区内部之间也存在发展差距。 由于不同区域的资源禀赋和社会经济条件不同，因 而，各具独特的经济 潜力和相对优势。区域
16、经济协调发展理论认为：地区间分工应建立在发 挥各自优势的基础上，中央和地方政府应积极支持和促成这种分工的形 成; 国家对地区的倾斜政策与国家的产业政策和地区优势有机地结合起 来，即对重点发展地区的优势产业或国家重点支持发展的产业进行倾斜， 对其他产业不予倾 斜，国家加快条件较好地区发展的同时，也要重视落 后地区的发展，将地区差距控制在社会能够承受的范围内。2.1.3厂址和居住区的规划我选择的厂址位于位于秦晋豫黄河金三角中心一一山西省永济市境内中条山北麓。图红1位置S7MIL04“席施_aeuEHE14UXB1*/ iESM三门蛭帀SlRiUSi轻曙WJE西Tie_, gEE3冲山衙邹池鼻雪EE
17、住2.2原材料供应及交通运输条件铝电解厂是连续性的，物料吞吐量一般较大，大型冶炼厂每昼夜要处理数千吨物料，如不及时吞吐，势必影响生产，因此在选择厂址时， 必须充分考虑交通问题，为了减少运输费用，在保证良好的运输条件下, 应使厂址尽可能接近原材料基地和销售市场。原材料供应：山西铝矿资源丰富，氧化铝厂分布很多，多分布在山西南部，原料的供应充足。运输的条件：在省道S336上建造，与其他县之间运输可以走国道 G59与 国道G209,交通运输非常方便，而且厂之间距离短，运输成本低。2.3供水供电条件及费用 铝电解厂是大量用水和耗电多的企业，例如建设一座年产 10万吨铝锭的电解厂，需要一座容量为25000
18、0KW左右的发电站做保证，因此希望 厂址附近有充分的 水源和电源。我选择的厂址是在黄河边上， 水源丰富， 借着丰富的水源，黄河上有许多水利发电站，离厂最近的发电站是三门 峡发电站，直线距离 58公里，年发电量： 13.1 亿千瓦小时，电力充足， 电度电价为 0.4812, 适合建厂。2.4环境保护和节约用地问题 冶金生产的特点之一是无意例外地产出大量造成环境污染的三废物质， 除必须有完善的三废治理工程外，必须尽量考虑在主导风向和主要水流 的下游位置，安排好三废处理厂和废渣堆放场地，要有良好的自然通风 条件，并应考虑厂址附近的居民点、城市发展规划、农牧渔业及旅游胜 地、自然资源保护区等问题，我国
19、是农业大国，人口多，土地相对少， 耕地也较少，因此在选择厂址时，必须节约用地，不占或少占耕地，不 拆除或少拆除建筑物，尽可能选择荒山野岭或坡地建厂，我所选择的厂 址符合这些条件，是在郊区的山边上建的， 可以修条 1 公里的路便和 S336 接上，交通无问题，并且不会占用耕地，不会拆除建筑，周围无以上所 说的居民点等，所以无污染问题，居民点距厂址有 2公里的距离，坐公 交车 10 分钟，四周无牧渔业及旅游胜地、 自然资源保护区等， 适合建厂。三、生产工艺流程与技术经济指标的选择与论证3.1工艺流程冶金工艺流程是指从单一的矿物原料或复杂的矿物原料经过若干工 序加工成品的过程，因此工艺流程的选择，实
20、质上就是生产方法及生产 工艺路线的选择。由于原材料原有的成分、品质等的不同，各个国家技 术水平和技术政策的差别，乃至同一国家不同地区自然条件、环保要求 等的不同，所选的工艺流程也不同，可见工艺流程的选择是一项十分复 杂的综合性的技术经济工作决策。一座新建有色冶金厂的全部设计内容， 都是围绕着确定的工艺流程而展开的，所选工艺流程在技术是否先进可 靠，经济上是否合理，将直接关系到企业的投资水平和建成后的生产水 平、经济效果乃至工厂的前途。因此，工艺流程的选择是一项十分重要 的工作。3.1.1工艺流程选择的基本原则所选工艺流程应对原料有较强的适应性，能使产品品种具有可变性 和多样性，不致因原料成分有
21、所变化而影响产品的产量和质量。所选工艺流程，应在确保产品符合国家及市场需求的前提下，能充 分利用原料中各有价元素并获得最高的金属回收率、设备利用率、劳动 生产率；能有效地进行三废治理，保护环境；能简化工艺，缩短流程， 降低能耗，从而节省投资，降低成本。3.1.2工艺流程图下图为我所选的工艺流程图：3-1氧化铝 氟化盐 阳极块 直流电铝锭合金工艺流程图3-1四、冶金计算4.1铝电解槽的简介铝电解槽是炼铝的主要设备。铝电解槽分为自焙槽、预焙槽和试验槽。预焙槽的阳极是预先焙制好的，预焙槽中又分为不连续阳极预 焙槽和连续阳极预焙槽。 不连续阳极预焙槽又分为边部下料和中间下 料槽。这两种槽尤其是后者为目
22、前铝电解生产的主力槽型。自焙槽的 阳极是电解生产中在电解槽上自行焙烧的， 按照阳极棒的插入方式又分为侧插阳极电解槽及上插阳极电解槽两种。由于自焙槽能耗大，且 电解过程中产生有害的气体不便收集而极易造成严重的环境污染， 因此这种槽型正在不断淘汰或被改造成预焙槽。 下面的图分别为不连续阳极预焙槽、连续阳极预焙槽、上插棒阳极自焙槽和侧插阳极电解槽 。图4-1不连续阳极预焙槽简图 图4-2连续阳极预焙槽简图图4-3上插棒阳极自焙槽简图 图4-4侧插阳极电解槽简图4.2铝电解槽结构与计算设计的参数（1） l=420ka（2） 阳极电流密度选择0.8A/cm2（3） 电流效率为95%（4） 阳极尺寸选15
23、50*1320*620，阴极尺寸选1600*515*450（5） 大面尺寸为300mm小面尺寸为420mm阳极炭块组间距取45mm阳极行间距取250mm阴极炭块间距用炭糊扎缝 30mm（6） 体系电压4V,阳极气体成分 CO2 75% CO 25,%排烟量 7900m 3/h4.2.1阳极尺寸阳极尺寸是铝电解槽一个重要的结构参数。一般说来，电解槽容 量越大，则阳极尺寸也要越大一些。预焙阳极炭块尺寸，视阳极排列 与组数不同，长度各异，。在这里，炭块的高度是一个主要参数。一 般倾向于采用稍高一些的炭块，综合各种因子的考虑，本设计阳极尺寸设计取为 1550*1320*620mm需要阳极面积S=420
24、000/0.8=525000cm2需要阳极炭块数 n=52500/155*132=25.65，选26块阳极，分二行排列，每行 13组。 阳极实际面积与阳极电流密度值为： S=26*155*132=531960cm2 D=420000/531960=0.7A/cm2。4.2.2槽膛尺寸取阳极到槽膛侧壁尺寸为 380mm,到槽膛端壁之距离为 420mm阳极炭块组之间距离取 45mm阳极行间距离取 250mm由此计算： 槽膛长=2*420+13*1320+12*45-40=18500mm槽膛宽=2*300+2*1550+250=3950mm槽深取 560mm4.2.3槽壳尺寸槽底内衬选择 侧部为散热
25、型结构，一般底部和上部要加强保温，在 阴极炭块底有炭素底垫（ 30mm）, 三层耐火砖（ 3*65mm）, 一层氧化铝粉（100mm ,三层保温砖（3*65mm，硅酸盐保温砖一层（65mm。由此可计算底部厚度 =450+30+3*65+100+3*65+65=1035mm 槽深=1035+560=1595mm槽壳结构有臂撑式和摇篮式两大类。摇篮架是弹性变形体，这种 槽壳受力不产生应力集中， 在电解槽的端角部位， 不能发生断裂现象， 这是摇篮式槽壳最大的优点。摇篮支架选用 360mm工字钢，厚钢板焊 接而成，槽侧壁都有一些摇篮架。 根据槽膛及槽内衬尺寸可算出槽壳尺寸：槽壳宽度 =3950+2*1
26、25+12*2+25*2+2*300=4924mm槽壳长度 =18500+2*125+2*400+2*25=19640mm槽壳深度 =560+1035+10+40+300=1945mm4.2.4阴极炭块数目槽底部阴极炭块选择采用 1600*515*450mm阴极炭块数 n=18540/(515+30)=32 炭块到端壁边缘尺寸： 18540- ( 30*31+515*32)/2=565mm 炭块到侧壁边缘尺寸 =( 3950-3370)/2=290阴极电流密度 D=420*1000/(32*200*140*2 )=0.23A/cm24.2.5铝母线 铝电解槽有阳极母线，阴极母线和立柱母线，都用
27、铝制作。铝母 线有两种：压延母线和铸造母线，后者通用于高电流的大型电解槽，铝母线的电流密度一般为 0.250.40A/mm2。电解槽阳极母线断面为 500mm 200mm面积电流为 0.35A/mm2,阳极母线采用铸造铝母线，两端用软母线连接，以便阳极母线升降， 与立柱母线的连接采用压接。立柱母线断面为 320mnX 480mm面积电流为 0.38A/mm2。阴极母线也采用铸造铝母线，远电端母线面积电流为 0.40A/mm2,近电端阴极母线经电解槽槽底沿纵向中心引出， 与远电端母线汇集引入下一台电解槽，从而使电流分布均匀，减少了母线用量，减少了大容 量电解槽产生的磁场影响。426极距所谓极距，
28、是指阴阳两极之间的距离。在工业电解槽上，浸在电解质里的阳极表面都是阳极工作面， 而槽底上的铝液表面实际上就是阴极工作面。为便于测量起见，一般取阳极底掌到铝液镜面之间的垂 直距离作为极距。工业电解槽中，提高极距，则电解质电压降有所增 大。根据实测，每提高极距10mm引起电压降增加400mV（旁插棒槽） 或350mV （预焙槽）。因此在工业生产上宜在取得高电流效率的情况 下，保持尽可能低的极距，以便减少单位铝产量的电能消耗量。本设 计取极距为4.0cm。4.3台数的计算以及产量的衡算4.3.1单个电解槽日产量计算电解槽日产原铝量按下式计算 P=0.3356I n t x 10（t/d ）铝产量：P
29、=0.3356*420000*95%*0.001=133.9kg/ 槽 h每年每个槽子的产量=133.9*365*24=1172964kg/ 槽年= 1172.964槽年4.3.2电解槽槽数的确定工作槽数的确定年产铝 20万吨，则电解槽台数 N计算如下N=l00000 =200000/1172.964=170 台Qa433备用槽槽数备用槽槽数经验公式13Nn二20OOt=17O*3O/2OOO=2.55 取 3 台t此处取为3O天4.3.4电流密度VW=.3356 X 103(KW h/t)式中：V 电解槽平均电压 取4 V4W=-3356 X 103 = 12689(KW h/t)4.3.5
30、铝电解槽的电压平衡计算工业电解槽的电流消耗率，与电流效率和平均电压两个因素有关，降低平均电压或提高电流效率都能够减少电解槽的电能消耗率。电解槽的平均电压 V=呂际+ Vw+ V阴+ V电解质+ V母线+ V效应+ V联(1)实际分解电压即极化电压，就是AI2Q理论分解电压与阳极过热电压和阴极过热电压之和。采用炭阳极进行电解时，AI2Q理论分解电压是1.11.2V,取1.15V现代大型预焙槽的阳极过电压大约是 0.40.5V。取其值为0.45V。则实际分解电压为1.60V。(2)电解质电压电解质电压可根据柯鲁鲍夫提出的经验公式计算: V电解质=S+2(A+E)*( L+2.5)式中S阳极的截面积
31、，cm 2;L 极间距离，cm;本设计阳极与阴极距离4.0 4.5cm,这里计算取 4.2cm;2 (A+B) 阳极周长，cm;?电解质比电阻，Q - cm,电解质的分子比在2.12.3之间时,取其值为0.53 Q cm。4.4物料平衡计算4.4.1铝产量铝产量：P=0.3356*420000*95%*0.001=133.9kg/ 槽 h4.4.2AI2O3 消耗量产出1吨铝所需氧化铝=1000*102/54=1888.9kg/tAL2O3消耗量比理论多1.56.0%，取1吨消耗为1930kg,AL2O3的槽/ 时消耗量=133.9*1930*0.001=258.43kg/ 槽时AL2O3的理论槽 / 时消耗量=133.9*1888.9=252.92AL2O3损失量=258.4-252.92=5.48443氟化盐的消耗量以下是生产每吨铝的消耗:需要冰晶石 5*133.9/1000=0.67 kg需要氟化铝 25*13
