年产0万吨铝电解车间设计设计.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流年产0万吨铝电解车间设计设计.精品文档.湖南有色金属职业技术学院2014届毕业设计(论文、作品)题 目: 年产10万吨铝的电解车间设计 系(部):冶金材料系 专业班级:冶金1201班 姓 名:曹远鹏 指导老师:贾菁华 2014年10 月 13日目录1绪论11.1 铝的物理化学性质11.2国内外铝工业发展的现状及趋势21.2.1 国内外电解铝工业发展现状21.2.2电解铝工业发展趋势32电解铝的生产工艺流程选择32.1.1 铝电解工艺流程32.1.2铝电解的原料与辅助原料42.1.3电解铝机理83主要技术经济指标计算及设备选择102.1铝电解槽
2、的简介102.2 电解槽的设计及相关计算112.2.1单个电解槽日产量计算112.2.2电解槽槽数的确定112.2.3备用槽槽数112.2.4电解槽理论吨铝直流电耗的计算122.2.5电流密度122.3铝电解槽结构参数的确定132.3.1阳极尺寸132.3.2槽膛尺寸132.3.3槽壳尺寸142.3.4阴极炭块数目142.3.5铝母线152.3.6极距152.4铝电解槽的电压平衡计算162.4.1极化电动势162.4.2电解质电压降172.4.3阳极电压降182.4.4阴极电压降182.4.5铝母线电压降、阳极效应均摊电压降192.4.6槽平均电压194物料平衡计算(简单的冶金计算4、5部分可
3、以合在一起)203.1铝产量203.2 Al2O3消耗量203.3实际消耗量203.4氟化盐的消耗量203.5阳极炭块的消耗213.6物料平衡列表215电解铝热量平衡计算(简单的冶金计算4、5部分可以合在一起)224.1电能收入224.2能量支出:224.2.1补偿电解反应所需的能量224.2.2补偿加热原料所需的能量234.2.3 母线损失的能量234.2.4电解槽的热损失236电解铝车间配置图247参考文献26摘要电解槽是铝生产的主要设备,本设计在分析了大量文献资料和实地调研的基础上,对铝电解槽结构进行了设计计算,对生产电解铝工艺过程的能量平衡、电压平衡、物料平衡进行了计算,以熟悉铝电解过
4、程,并在计算的基础上,对主要设备进行选型和车间平面设计及总图确定。本文也介绍了铝的物理化学性质以及铝电解过程物理化学反应,铝电解质体系的性质,电解槽种类、电解槽的基本结构和其参数以及电解车间设计的基本原理。设计中选用现行铝电解工艺中较为成熟的基本工艺参数,电流强度选用比较常见的240KA,槽型选用中间下料四点下料预焙槽。电解槽的电流效率为94%,车间总生产能力为年产10万吨。编制设计说明书,绘制电解槽结构图,车间平面图和工艺流程图。关键词:铝 电解槽 能量平衡 设计 1 绪论1.1 铝的物理化学性质铝是地球上含量极丰富的金属元素,其蕴藏量在金属中居第2位。至19世纪末,铝才崭露头角,成为在工程
5、应用中具有竞争力的金属,且风行一时。航空、建筑、汽车三大重要工业的发展,要求材料特性具有铝及其合金的独特性质,这就大大有利于这种新金属。1854年,法国化学家德维尔把铝矾土、木炭、食盐混合,通入氯气后加热得到NaCl,AlCl3复盐,再将此复盐与过量的钠熔融,得到了金属铝。1886年,美国的豪尔和法国的海朗特,分别独立地电解熔融的铝矾土和冰晶石的合物制得了金属铝,奠定了今天大规模生产铝的基础。近一个世纪的历史进程中,铝的产量急剧上升,到了20世纪60年代,铝在全世界有色金属产量上超过了铜而位居首位,这时的铝已不单属于皇家贵族所有,它的用途涉及到许多领域,大至国防、航天、电力、通讯等,小到锅碗瓢
6、盆等生活用品。它的化合物用途非常广泛, 不同的含铝化合物在医药、有机合成、石油精炼等方面发挥着重要的作用。铝及其合金的优良特点是其外观好、质轻,可塑加工性、物理和力学性能好,以及抗腐蚀性好,从而使铝及铝合金在很多应用领域中被认为最为经济实用。 纯净的铝是具有银白色光泽的金属,密度为2.70g/cm,熔点为660.4,沸点为2467。铝具有良好的低温强度特性,强度随温度降低而增大,即使温度降低到-198铝仍不变脆。铝没有磁性和毒性,具有良好的延展性、导热性以及良好的反射光、热的能力;铝的导电性仅次于银和铜(导电率为铜的64%,而密度为铜的30%)。铝的表面具有高度的反射性。辐射能、可见光、辐射热
7、和电波都能有效地被铝反射,而阳极氧化和深色阳极氧化的表面可以是反射性的,也可以是吸收性的,抛光后的铝在很宽波长范围内具有优良的反射性,因而具有各种装饰用途及具有反射功能性的用途。铝元素位于元素周期表第三周期第三主族,最外层有3个电子,容易发生还原反应失去这3个最外层电子形成+3价铝离子。铝具有两性的特点,遇酸显碱性,遇碱显酸性,和碱反应生成偏铝酸盐,和酸反应生成铝盐。应指出的是,在常温下浓硫酸和浓硝酸会使铝钝化,但加热时会发生复杂的氧化还原反应;只有盐酸和稀硫酸等才会跟铝发生置换反应,生成盐并放出氢气。铝在空气中表面会生成一层致密的氧化铝保护膜,因此它不易被腐蚀,但能被碱所溶解。铝粉可燃铙,和
8、氧气反应发出强烈白光,生成氧化铝;铝能与非金属发生反应(如硫等)生成铝的化合物(如Al2S3等);铝也能与不活动金属氧化物发生反应,反应的混合物就是我们熟知的铝热剂;此外铝还能与盐溶液发生置换反应,能与热水发生缓慢的反应生成Al(OH)3并释放氢气等。1.2国内外铝工业发展的现状及趋势1.2.1 国内外电解铝工业发展现状中国铝电解技术自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,揭开了中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、大型铝电解槽开发现
9、状及工程应用取得了一系列成果,开发成功了280KA、320KA以上的特大型电解槽技术,使铝工业的技术进步令人瞩目。大容量电解槽的开发,使中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。实际运行方面比较差,由于开发时间短,对中国大型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。就中国电解铝整体生产状态而言,能源综合利用效率要比国际先进水平低15%左右,主要表现在:电流效率相差2-3个百分点;吨铝电耗相差300-800Kwh;电解铝用阳极生产过程能耗相差3kj/t左右;电解铝阳极消耗相差30-60Kg(折合标准煤约75-15
10、0Kg);电槽槽寿命相差1000天左右;阳极效应系数国际先进为0.1次/天.槽以下,中国最好水平在0.3次/天.槽左右。二十世纪八十年代以来,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。但是大型槽能耗并不低于较小的电解槽,因为槽内混合效率不高而存在氧化铝浓度梯度,下料比较频繁,电解质的混合长度不高造成的。1.2.2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
11、表现在如下几个方面3:(1)世界铝工业的组织结构日趋规模化、集团化、国际化;(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;(3)电解铝生产的指标向着高产、优质、低耗、长寿和低污染的方向加快进步;(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。2电解铝的生产工艺流程选择2.1.1 铝电解工艺流程现代铝工业生产,主要采取冰晶石氧化铝融盐电解法。直流电流通入电解槽,在阴极和阳极上起电化学反应。阴极上是铝液,阳极上是CO2和CO气体。铝液用真空抬包抽出,经过净化和澄清之后,浇铸成商品铝锭,其质量达到99.5-99.8%A1。阳极气体中大约含有70-80%CO2和20-3
12、0%CO4,还含有少量氟化物和沥青烟气,经过净化之后,废气排放入大气,收回的氟化物返回电解槽。 图1-1 铝电解生产流程简图电解铝就是通过电解得到的铝。现代电解铝工业生产采用冰晶石-氧化铝融盐电解法。熔融冰晶石是溶剂,氧化铝作为溶质,以碳素体作为阳极,铝液作为阴极,通入强大的直流电后,在950-970下,在电解槽内的两极上进行电化学反应,即电解。重要通过这个方程进行:2Al2O34Al3O2。阳极:2O24e2O2阴极: Al3+3eAl 2.1.2铝电解的原料与辅助原料 铝电解所用的原料为氧化铝,辅助原料为冰晶石、氟化铝、氟化钙、及氟化镁5。2.1.2.1 氧化铝铝电解的主体原料是氧化铝。生
13、产每吨铝所需的Al2O3量,从理论上计算等于1889kg。实际上由于工业氧化铝大约含有Al2O3 98.5左右,以及在运输和加料过程中有尘散损失,所以生产每吨铝所需的氧化铝量大约是19201940kg。氧化铝是从铝土矿、霞石、蓝晶石、明矾石、高岭石、粘土中提取出来的。我国目前主要采用铝土矿作为制取氧化铝的原料。生产氧化铝的方法主要有拜尔法、碱石灰烧结法、拜尔-烧结联合法等,具体采用何种方法,视铝土矿的性质而定。氧化铝是当前冰晶石-氧化铝熔盐电解法生产铝的主体原料。其主要作用是不断补充电解质中的铝离子(Al3+),使其保持适宜范围的浓度,以保障电解生产持续、稳定地进行a:化学纯度的要求工业氧化铝
14、中通常含有Al2O3 99左右,其他成分通常为少量的SiO2,Fe2O3,TiO2,Na2O,CaO和H2O。在电解过程中,那些电位正于铝的元素的氧化物性质,如SiO2和Fe2O3,都会被铝还原,还原出来的Si和Fe进入铝内,从而使铝的品位降低;而那些电位负于铝的元素的氧化物杂质,如Na2O和CaO会分解冰晶石,使电解质成分发生改变并增加氟盐消耗量。P2O5则会降低电流效率。水分进入电解槽内不仅可以水解冰晶石造成损失,引起电解质成分的改变,而且还要产生大量的氟化氢,恶化环境。若水分过大时,还能引起电解质爆炸,危及工人的安全。水分还会增加铝液中氢含量。所以铝工业对氧化铝的纯度提出了严格的要求。现
15、代铝电解生产对于氧化铝的化学组成提出一些新的要求6。例如,氧化铝中各项杂质的含量应符合表格1-1条件。表 1-1Na2OV2O5SiO2P2O5Fe2O3ZnOTiO20.04%0.003%0.04%0.003%0.04%0.005%0.850.753.73.9420.91.2 0.50.340中间状405035粉状6070210物料的安息角取决于它的一部分颗粒在另一部分颗粒上滑动或滚动的阻力。砂型氧化铝呈球状,颗粒较粗,平均粒度约为40-50m。安息角小,只有3050,其中Al2O3含量少于20,Al2O3含量较高,具有较大的活性,适于在干法气体净化中用来吸附HF气体,以及在半连续下料的电解
16、槽上用作原料,故目前得到广泛应用7。粉型氧化铝呈片状和羽毛状,颗粒较细,安息角大,约为45,Al2O3含量达到80。中间型氧化铝介乎二者之间。2.1.2.2铝电解的辅助原料铝电解生产中所用的氟化盐主要是冰晶石和氟化铝,此外,包括氟化钙、氟化镁、氟化锂等。在铝电解过程中,生产每吨铝的氟盐的消耗指标是:冰晶石520kg,氟化铝1530kg,氟化锂23kg。a:冰晶石铝电解所用的熔剂主要是冰晶石(3NaF-AlF3)。其中氟化钠与氟化铝的分子数之比称为冰晶石的分子比。分子比为3时,冰晶石呈中性;分子比小于3时,冰晶石呈酸性;分子比大于3时,冰晶石呈碱性。氧化铝能够溶解在由冰晶石和其它几种氟化物组成的
17、熔剂里,构成冰晶石氧化铝熔液。这种熔液在电解温度在电解温度950oC左右能够良好的导电。它的密度大约是2.1g/cm3,比同一温度下铝液的密度2.3g/cm3小10左右,因而能够保证铝液跟电解液分层。在这种熔盐里基本上不含有比铝更正电性的元素,从而能够保证电解产物铝的质量。天然冰晶石(3NaF-AlF3)产于格陵兰岛,属于单斜晶系,无色或雪白色,密度2.95,硬度2.5,熔点1010。但是它的储量有限,远远不能满足全世界铝工业的需要,所以现代铝工业采用合成冰晶石,其化学成分见表1-3。表13人造冰晶石的质量标准(GB/T 4291-1999)等 级化学成分(%)不小于杂质成分(%) 不大于FA
18、lNaSiO2Fe2O3SO42CaOP2O5H2O55030min灼减特级二级三级5353531313133232320.250.360.400.050.080.100.71.21.30.100.150.200.020.030.030.40.50.82.53.03.0b:氟化铝工业氟化铝是白色极细的粉末,不粘手。在常压下加热不熔化,但在高温下升华。工业上广泛采用氟化铝来调整电解质成分,既可弥补电解质中氟化铝的挥发损失,又可调节电解质的分子比。国家标准(GB/T4292-1999)如表1-4。表 1-4 氟化铝质量标准(GB4292-84)等级化学成分,%(质量)FAlNaSiO2+Fe2O3
19、SO42-P2O5H2O一级613040.41.20.057二级603050.51.50.057.5c:氟化钙添加氟化钙一般在焙烧装炉时用之,其作用是起到矿化剂的作用,可以加速炉帮的形成,而形成的炉帮有较为坚固。同时可以降低电解质的初晶温度,从而降低电解温度。工业用氟化钙质量要求如表1-5所示。表1-5氟化钙质量标准(YB326-70)成分等级CaF2 (%)杂质含量 (%) 不大于不小于SiO2CaCO3H2O一级二级三级四级989795930.81.01.42.01.01.21.50.50.50.50.5d:氟化镁氟化镁(MgF2)跟氟化钙作用基本相似,但氟化镁一般在电解槽启动后期添加,可
20、加速炉帮的形成。槽中添加MgF2,其作用比CaF2作用强烈,实践证明这是一种较好的添加剂。工业上对氟化镁质量要求如表1-6所示。表16 氟化镁质量标准等级化学成分(%)一级F Mg45 32SO42- SiO2 R2O3 H2O1.5 0.9 2.0 1.02.2.1电解铝机理2.2.1.1铝电解的总反应铝电解基本原理就是熔体中各种离子在阴、阳两极上的电化学行为。到目前为止,有关铝电解基本原理的两大观点分别为铝被钠置换和与Al+直接放电。两种观点的总反应方程式均为: 2Al2O3(aq)+3C(s)=4Al(l)+3CO2(g)2.2.1.2阴极反应Na3AlF6-Al2O3熔体中Na+是电流
21、的主要传递者10,所传输的电流达到总数的99%。在单一熔盐电解过程中,传输电流的离子往往就是在电极上放电的离子。但是在复杂的熔盐体系中,如Na3AlF6-Al2O3熔体究竟是何种离子放电,则要根据它们的电极电位来确定。在其他条件相等时阳离子电位愈正,则在阴极上放电的可能性愈大,反之亦然。因此,在复杂的熔盐体系电解过程中,可能出现某种离子传递大部分电流,而在电极上放电的却是另外的离子的现象。阴极上析出的金属主要是铝,即铝是一次阴极产物。阴极反应是:Al3+(配离子)+ 3e = AlNa3AlF6-Al2O3熔体中并不存在单独的Al3+,铝是包含在铝氧氟配离子中。因此,Al3+的放电之前首先发生
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