年产15万吨电解铝的铝电解车间设计.docx

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年产15万吨电解铝的铝电解车间设计

年产15万吨电解铝的铝电解

车间设计

专业：

冶金工程

学生：

王鹏

指导老师：

党晓娥

设计总说明

我国是当今世界的产铝大国，铝的性能优越，并且可以与其他多种金属构成各式各样的合金，在国民经济的各个部门广泛应用，成为不可缺少的金属材料。

现代铝工业有三个主要生产环节：

（1）从铝土矿提取纯氧化铝

（2）用冰晶石—氧化铝熔盐电解法生产金属铝（3）铝加工。

此外还有两个辅助环节：

炭素电极制造和氟盐生产。

铝电解槽是炼铝的主要设备，本文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进行了计算，以熟悉铝电解过程，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运输方案确定。

本文也介绍了电解过程物理化学反应，铝电解质体系的性质，电解槽的启动和常规作业流程以及电解车间设计的基本原理。

关键词：

铝，电解槽，能量平衡，设计

AluminumPlantDesignofAnnualOutput150,000TonsAluminum

Speciality:

metallurgicalengineering

Student:

WangPeng

Instructor:

DangXiaoE

DesignDescription

Chinaistheworld'slargestaluminumproducingcountries,Al'ssuperiorperformance,andtheotherwithawiderangeofmetalalloys,inthenationaleconomywideruseofthevariousdepartments,becomeanindispensablemetalmaterials.

ModernAluminumIndustrialproductionhasthreemaincomponents:

（1）Extractfromthebauxite-alumina

（2）withcryolite-moltenaluminumelectrolysisaluminumproduction（3）aluminiumfabrication.Therearealsotwosupplementarylinks:

carbonelectrodemanufacturingandfluoridesaltproduction.

Lianlvaluminiumcellisthemainequipment,thepaperintheanalysisofalargenumberofliteratureandfieldresearchonthebasisofaluminiumcellstructureofthedesign,electrolyticaluminumproductionprocessoftheenergybalanceiscalculatedtofamiliarwiththealuminumElectrolysisprocess,andinthecalculationonthebasisofmajorequipmentselectionandworkshopgraphicdesignandthetotaltransportschemefortheplans.Thispaperalsointroducedtheelectrolyticprocessofphysicalandchemicalreactions,electrolytealuminumnatureofthesystem,thestart-upcellandconventionalelectrolysisprocessesandthebasicprinciplesofdesignworkshops.

Keywords:

Aluminum,EnergyBalance,ElectricCell，Design

1绪论

1.1铝及相关介绍

1.1.1铝的简介

1.1.1.1铝的发现

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，这就大大有利於这种新金属

1854年，法国化学家德维尔把铝矾土、木炭、食盐混合，通人氯气后加热得到NaCl，AlCl3复盐，再将此复盐与过量的钠熔融，得到了金属铝。

这时的铝十分珍贵，据说在一次宴会上，法国皇帝拿破仑第三独自用铝制的刀叉，而其他人都用银制的餐具。

泰国当时的国王曾用过铝制的表链；1955年巴黎国用博览会上，展出了一小块铝，标签上写到：

“来自粘土的白银”，并将它放在最珍贵的珠宝旁边，直到1889年，伦敦化学会还把铝和金制的花瓶和杯子作为贵重的礼物送给门捷列夫。

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混合物制得了金属铝，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。

1.1.1.2铝的特性

铝及其合金的优良特点是其外观好、质轻，可机加工性、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。

铝的密度只有2.7g/cm3，约为钢、铜或黄铜的密度（分别为7.83g/cm3，8.93g/cm3），的1/3。

在大多数环境条件下，包括在空气、水（或盐水）、石油化学和很多化学体系中，铝能显示优良的抗腐蚀性[1]。

铝的表面具有高度的反射性。

辐射能、可见光、辐射热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，抛光後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。

铝通常显示出优良的电导率和热导率，具有高电阻率的一些特定铝合金也已经研制成功，这些合金可用於如高转榘的电动机中。

铝由於它的优良电导率而常被选用。

在重量相等的基础上，铝的电导率近於铜的两倍。

铝合金的热导量率大约是铜的50-60%，这对制造热交换器、蒸发器、加热电器、炊事用具，以及汽车的缸盖与散热器皆为有利。

铝是非铁磁性的，这对电气工业和电子工业而言是一重要特性。

铝是不能自燃的，这对涉及装卸或接触易燃易爆材料的应用来说是重要的。

铝无毒性，通常用於制造盛食品和饮料的容器。

它的自然表面状态具有宜人的外观。

它柔软、有光泽，而且为了美观，还可着色或染上纹理图案。

一些铝合金在强度上超过结构钢材，但是纯铝及某些铝合金的强度和硬度极低。

在现代生活中，铝已经广泛地应用在建筑行业中。

可机加工性:

铝的可机加工性是优良的。

在各种变形铝合金和铸造铝合金中，以及在这些合金产出後具有的各种状态中，机加工特性的变化相当大，这就需要特殊的机床或技术。

可成形性:

这是铝及许多铝合金较重要的特性之一。

特定的拉伸强度、屈服强度、可延展性和相应的加工硬化率支配着允许变形量的变化。

商业上可提供的铝合金在不同形态下成形性的额定值取决於成形的工艺方法。

这些额定值在作金属加工特性的定性对照中仅能起大致的指导作用，即不能定量地作为成形性的极值。

可锻性:

铝合金可以锻造成形状与品种繁多的锻件，它们的最终部件锻造设计标准的选择范围（基於预定的用途）是很宽的。

连接铝可用各式各样的方法连接，包括熔焊、电阻焊、硬焊、软焊、粘结以及诸如铆接和栓接之类的机械方法。

可回收性:

铝具有极高的回收性,再生铝的特性舆原生铝几乎没有别。

这点使铝成为环保人仕的宠儿。

铝最重要的特性是质轻，比重2.7,密度约为一般金属的1/3。

而常用铝导线的导电度约为铜的61%，铝也有很高的导热度，为银的一半，纯铝熔点摄氏660度。

虽然纯铝极软且富延展性，但仍可靠冷加工及作成合金来使它硬化，常用的合金元素是铜、镁、锰、铬、矽、铁。

因为对许多化学药品有抗药性及在室外使用的耐久性，铝是一种很有用的金属。

黏土状的铝土矿是铝的重要来源，铝土矿含有50-60%的氧化铝，制造一磅铝约需要10千瓦的小时的电力，因此廉价的电对炼铝工业非常重要。

铝最大的用途是在运输和建筑业。

铝广泛地用在各种交通工具的制造上，在建筑业上，由于铝在空气中的稳定性和阳极处理后的极佳外观而受到很大的应用高强度钢线补强的铝缆，厨房用具则是铝最早的用途，在今日仍为一个极为广大的市场。

基于其化学抗药性，铝特别适合用在化学药品制造和储运的构件上，铝对氧的亲合力很高，故也大量用于钢和铁的除氧剂。

世界上的产铝量集中于美国、前苏联、加拿大、澳洲、巴西、挪威，上列国家的产铝量占全球产量的60%以上。

铝的供应来源除了新铝外，回收铝也占有很高的比例，回收铝又分为旧料回收（主要来源是饮料罐和汽车废件）、新料回收（加式过程中的铝屑）两种。

由于环保意识升高，回收铝量年年创新高。

1980年代未期以来，世界铝价就不断重挫，其中最大的原因就是苏联瓦解后为换取外汇而对西方大量输出铝，最明显的影响就是LME的库存量由1990年底的315，600吨暴升到144万吨以上。

由于铝的化学性质好，所以取代了很多原料既有用途，如饮料罐和建材，美国铝的最大消耗是发生在制罐和馐业，约占全美用量的28%，接着是运输业约19%，再来是房屋和建筑业约18%。

铝最重要的特性是质轻，比重2.7,密度约为一般金属的1/3。

而常用铝导线的导电度约为铜的61%，铝也有很高的导热度，为银的一半，纯铝熔点摄氏660度。

虽然纯铝极软且富延展性，但仍可靠冷加工及作成合金来使它硬化，常用的合金元素是铜、镁、锰、铬、矽、铁。

因为对许多化学药品有抗药性及在室外使用的耐久性，铝是一种很有用的金属。

黏土状的铝土矿是铝的重要来源，铝土矿含有50-60%的氧化铝，制造一磅铝约需要10千瓦的小时的电力，因此廉价的电对炼铝工业非常重要。

铝最大的用途是在运输和建筑业。

铝广泛地用在各种交通工具的制造上，在建筑业上，由于铝在空气中的稳定性和阳极处理后的极佳外观而受到很大的应用高强度钢线补强的铝缆，厨房用具则是铝最早的用途，在今日仍为一个极为广大的市场。

基于其化学抗药性，铝特别适合用在化学药品制造和储运的构件上，铝对氧的亲合力很高，故也大量用于钢和铁的除氧剂。

世界上的产铝量集中于美国、前苏联、加拿大、澳洲、巴西、挪威，上列国家的产铝量占全球产量的60%以上。

铝的供应来源除了新铝外，回收铝也占有很高的比例，回收铝又分为旧料回收（主要来源是饮料罐和汽车废件）、新料回收（加式过程中的铝屑）两种。

由于环保意识升高，回收铝量年年创新高。

1980年代未期以来，世界铝价就不断重挫，其中最大的原因就是苏联瓦解后为换取外汇而对西方大量输出铝，最明显的影响就是LME的库存量由1990年底的315，600吨暴升到144万吨以上。

由于铝的化学性质好，所以取代了很多原料既有用途，如饮料罐和建材，美国铝的最大消耗是发生在制罐和馐业，约占全美用量的28%，接着是运输业约19%，再来是房屋和建筑业约18%。

1.1.1.3废铝的回收再利用

铝是目前世界上除钢铁外用量最大的金属。

在有色金属中，铝无论在储量、产量、用量方面均属前位。

1997年世界铝的生产量和使用量分别达到2200万吨及2300万吨。

我国改革开放以来，铝工业得到了飞速发展，产量由改革开放初期的1983年44。

5万吨猛增到1998年的243万吨。

铝的使用范围十分广泛。

民用、军用、建筑、运输、交通、电子电讯、家用电器、电力、机械……,各行各业中铝合金属几乎无所不在。

随着产量、使用量的增加，废弃铝制品量也越来越大。

而且，许多铝制品都是一次性使用，从制成产品至产品丧失使用价值时间较短。

因此，这些废弃杂料成了污染之源。

如何利用再生问题十分迫切。

铝从矿石到成金属，再到制成品成本极高、耗能巨大。

仅电解一道工序生产一吨金属铝就需13000-15000瓩一小时电。

而由废弃金属铝再生、再用能使能耗、辅料消耗大大降低，节约资源、成本。

因此，废弃铝的回收、再利用，无论从节约地球上资源、节约能耗、成本，缩短生产流程周期，还是从环境保护、改善人类生态环境等各方面都具有十分巨大的意义[2]。

再生铝在主要发达国铝的生产中地位日益突出。

发达国家原铝与再生铝的占有比已接近或超出1:

1。

正因如此，废弃Al的回收再生已成为世界各国的十分重视的工作，并已成为一项重要的产业。

然而，铝合金的回收及再生又是一项十分复杂的技术工作，各种铝制品使用范围宽广，使用分散，如何回收集中、分类，再来实现再生加工等均是十分繁杂庞大的工程。

其次，全世界不同合金成份，不同性能的合金数以百计，其中许多合金中的成份元素相互排斥，互不兼容。

如何以最简易的方法、最低成本、最有效的工艺使废弃Al再生成成份合乎理想合金要求、性能满足使用，质量能达到或按近原生材料水平的再生利用技术是世界各国本行业的追求目标。

目前发达国家已形成完善的废杂铝收集、管理、分检系统，适应不断扩大的市场需求，发达国家在生产中不断推出新的技术创新举措，如低成本的连续熔炼和处理工艺，使低品位废杂铝升级的工艺等，用废杂铝已能大量制造供铸造、压铸、轧制及作母合金用的再生铝锭，最大的铸锭重13.5吨，其中重熔二次合金锭（RSI）用于制造易拉罐专用薄板，薄板的质量已使每支易拉罐的重量下降到只有14克左右，某些再生铝还用于制造计算机软盘驱动器的框架。

但是我国对废杂铝的回收再生在观念及认识的程度上，却未深化到美、日等发达国家的地步,我国最大也是亚洲最大的再生铝企业是位于上海市郊的上海新格有色金属有限公司,该公司虽然有两组50吨的熔炼静置炉，一组40吨燃油熔炼静置炉；一台12吨的燃油回转炉，这些50吨的炉子不但是中国目前最大的再生铝熔炼炉，而且跻身于亚洲最大的再生铝熔炼炉行列。

但是，在一些环措施与工艺技术水平上，即使是新格公司的水平处于国内领先地位，但也仍然属于国外八十年代的水平，至于一些规模小、产量低、环保措施不力的企业还是占大多数，技术改造和环保设施在落实上可以说是困难重重。

全球原铝的消费已近2200万吨，美、欧和日本是消费增长最快、市场开发最为活跃的地区。

铝产品的消费结构结构看,80年代以前，制造业和建筑业是铝的最大消费市场。

但进入90年代后，特别是90年代后期，交通运输业开始占据主导地位。

我国1990年后原铝工业获得高速发展，到1998年电解铝铝锭的产量已达243.5万t，消费量为242.54万t，产量持平，消费市场看好，自行车、我国电工部门用铝量约占全国铝耗量的确/3,我国近十余年来，铝质饮料罐的生产和消费量增长极快。

目前年销售量大约50亿只/年。

95年我国饮料罐用带材约10万吨，其中国产1.2万吨，其余全部进口。

我国近十余年来，铝质饮料罐的生产和消费量增长极快。

目前年销售量大约50亿只/年。

95年我国饮料罐用带材约10万吨，其中国产1.2万吨，其余全部进口。

中国铝工业正处于快速发展阶段,中国废铝回收率目前为32%,但不久将快速提升至70%。

中国2001年回收废铝总计918,000。

1998年为536,000。

2001年中国原铝产量为343万,1998年为242万,同期的消费分别为365万和242万。

国际铝业协全球铝回收委员会会主席JurgGerber称,中国铝回收潜力巨大。

我国的珠江三角洲和长江三角洲地区为主要消费和加工区，北方的津京塘地区也有意定量的分布。

有些废铝经过熔炼加工后做成各种型材、摩托车配件如轮箍、发动机配件等返销国外。

珠江三角洲以广东南海地区最为集中，南海是中国最大的铝型材生产基地，在全国型材产区中，广东占70%，在广东型材产区中，南海占65%，在中国型材加工工业中仍占据绝对优势地位。

在95年高峰期出现数百家铝型材加工厂，之后逐渐减少。

2001年约有220家营业中铝材厂，其中大沥镇占151家。

一般来说，铝锭所占比重大，部分废铝（来自俄、美）也占据部分市场。

长江三角洲的江苏、浙江、上海就逐步成为废杂有色金属再生利用的集中区域，其中又以浙江最为集中，再生铝加工企业和再生铝生产企业中，有年产０．３－３万吨铝加工产品的中型企业６家，年产０．５万－３万吨再生铝的中型企业８家，其余均为小型企业。

中型再生铝加工企业和再生铝生产企业数分别占企业总数的７．７９％和６．１５％，废杂铝的利用量分别占铝加工、再生铝生产废杂铝总量的３２．４％和３７．３４％。

但废杂铝的利用，仍以小型企业为主，无一大型企业，缺乏行业龙头[3]。

1.1.1.4铝的用途

铝广泛的应用于各种建筑中，如桥梁、塔楼和储罐等。

虽然结构钢型材与板材的基建投资费用较低，但当人们考虑到工程的结构特点、独特的建筑设计、质轻和（或）抗腐蚀性时，通常采用了铝。

铝可用于桥梁与公路的辅助结构上，如桥梁栏杆、公路护栏、照明标准件、交通指挥塔、交通标志和连接围栏等。

铝也普遍用于桥梁结构上，特别是长墩距桥梁或活动桥梁的平衡装置和升桥的施工中。

脚手架、爬梯、变电所构筑物及其它公用工程构筑物，常使用的铝材形式主要是结构型材和特殊挤压型材。

吊车、输送机和重载装卸系统包含了大量的铝材。

储水大罐常用铝合金建造，以增强抗腐蚀性并形成引人注意的外观。

包装业一直是用铝的市场之一，且发展最快。

包装业产品包括家用包装材料、软包装和食品容器、瓶盖、软管、饮料罐与食品罐。

铝箔颇适用于包装，箔制盒，包用于盛食品与药剂，并可作家用。

变形铝制品和铸造铝制品在汽车结构中应用颇广。

每台汽车的典型铝用量约70kg（150lb），此数可望急剧增加，因为普遍的节省燃料的要求迫使如此，而且人们还不断强调回收铝的重要性。

卡车由于重量的限制及人们想增加有效载重量的愿望，制造商已增加铝在驾驶室、拖车和卡车设计中的应用。

由于使用挤压的车身纵梁、车架下梁和横梁，卡车自重已减小。

挤压的或模板及锻造的驾驶盘已常见。

铁路车辆铝用于制造铁路底卸年、冷冻车和槽车铝亦广泛用于铁路客车，特别是那些公共交通系统的车辆。

海上应用铝普及于各种各样的海上应用中，包括船舶的主要受力构件如船体与舱面室，以及其它应用如烟囱外壳、舱盖、窗框、空气出口、舷梯、信道、船尾、甲板、通风设备、船用家具、以铝代用的五金器材、燃料罐及面表光亮的平整件。

航空航天铝实际上用于飞机、导弹和宇宙飞船工业的所有部分－制造机身、引擎、附件、液体燃料和氧化剂的容器设备。

铝因其高强度/密度之比率、抗腐蚀性和重量功效而得到广泛应用，特别是用在压缩的设计中。

耐用消费品:

家用电器由于铝制品质量轻、外观美观、具有对各种形式加工的适应性以及便宜的制造加工费用，因此铝广泛应用于家用器具中，质轻是它重要的特性，可适应于真空吸尘器、电熨斗、便?

式洗碟机及食品加工机与搅拌器的要求。

家具质轻、低维护费用、抗蚀、经久耐用和美丽的外观是铝制家具的主要优点。

机械与设备:

铝材也被广泛地应用在:

加工设备纺织设备煤矿机械移动式灌溉管与工具

铝及其合金可以用已知的所有方法浇铸成铸件或加工成材。

铝及其合金的加工产品可以划分为两类：

一类是通用产品，包括薄板、厚板、箔、棒材、线材、管材以及结构型材，其中板材可细分为圆棒和非圆形棒，其中管材可细分为标准圆管和非标准圆形管。

另一类是非通用的产品，这是为了某个特定用途而设定的产品，包括挤压型材、锻件、冲挤件、铸件、冲压件、粉末冶金（P/M）零件、机加工件和铝基复合材料。

挤压件其是挤压固体金属通过开孔模而生产出来的。

具有轴对称的设计件特别适合于用挤压形式生产。

使用现行的工艺，也能挤压复杂的、有心轴的和不对称的外形，精密挤压可显出非同寻常的严格呎吋和表面光洁度，工件的主要呎吋通常不需要机加工；挤压后产品的精度可容许用简单的切割、礸孔、扩孔和其它小量的机加工来达到。

挤压、挤压与拉拔结合生产的无缝管可与机械制造的有缝管和焊接管相匹敌。

1.1.2我国铝土矿分布状况

1.1.2.1我国铝土矿资源概况及分布

我国有310处铝土矿产地，主要为：

山西省的克俄、石公、相王、西河底、太湖石、郭偏梁一雷家苏、宽草坪；河南省的曹窑、马行沟、贾沟、石寺、竹林沟、夹沟、支建；山东省的淄博；广西壮族自治区的平果那豆；贵州省的遵义（团溪）、林歹、小山坝等铝土矿区。

1.1.2.2资源状况

截至1996年末，我国已探明铝土矿矿区310处，分布于全国19个省、自治区、直辖市。

铝土矿保有储量达到22.73亿t，其中A+B+C级7.05亿t，占总保有储量的31%。

图3.9.1示出了我国1960～1995年铝土矿保有储量和A+B+C级储量增长状况。

　　据美国矿业局《MineralCommoditySummaries》1996年资料，全世界铝土矿储量为230亿t，储量基础为280亿t，其中铝土矿资源比较丰富的国家有：

澳大利亚（储量基础79亿t）、几内亚（储量基础59亿t）、巴西（储量基础29亿t）、牙买加（储量基础20亿t）、印度（储量基础12亿t）、匈牙利（储量基础9亿t）。

我国铝土矿的数量和质量都不及上述国家，如以我国A+B+C级储量（工业储量）和这些国家的储量基础相比，远在它们之后。

　　我国铝土矿资源还是比较丰富的，华北地台、扬子地台、华南褶皱系及东南沿海四个成矿区都具有较好的铝土矿成矿条件，尤以晋中-晋北、豫西-晋南、黔北-黔中三个成矿带成矿条件较好，资源远景也大；桂西-滇东及川南-黔北等成矿带也有一定的远景。

有关部门根据已有地质条件和成矿条件分析，我国铝土矿资源总量预计可达50亿t。

1.1.2.3资源特点

我国铝土矿除了分布集中外，以大、中型矿床居多。

储量大于2000万t的大型矿床共有31个，其拥有的储量占全国总储量的49%；储量在2000～500万t之间的中型矿床共有83个，其拥有的储量占全国总储量的37%，大、中型矿床合计占到了86%。

　　我国铝土矿的质量比较差，加工困难、耗能大的一水硬铝石型矿石占全国总储量的98%以上。

在保有储量中，一级矿石（Al2O360%～70%，Al/Si≥12）只占1.5%，二级矿石（Al2O351%～71%，Al/Si≥9）占17%，三级矿石（Al2O362%～69%，Al/Si≥7）占11.3%，四级矿石（Al2O3＞62%，Al/Si≥5）占27.9%，五级矿石（Al2O3＞58%，Al/Si≥4）占18%，六级矿石（Al2O3＞54%，Al/Si≥3）占8.3%，七级矿石（Al2O3＞48%，Al/Si≥6）占1.5%，其余为品级不明的矿石。

　　我国铝土矿的另一个不利因素是适合露采的铝土矿矿床不多，据统计只占全国总储量的34%。

　　与国外红土型铝土矿不同的是，我国古风化壳型铝土矿常共生和伴生有多种矿产。

在铝土矿分布区，上覆岩层常产有工业煤层和优质石灰岩。

在含矿岩系中共生有半软质粘土、硬质粘土、铁矿和硫铁矿。

铝土矿矿石中还伴生有镓、钒、锂、稀土金属、铌、钽、钛、钪等多种有用元素。

在有些地区，上述共生矿产往往和铝土矿在一起构成具有工业价值的矿床。

铝土矿中的镓、钒、钪等也都具有回收价值。

　　我国铝土矿的最后一个特点是，地质工作程度比较高，截至1994年底，我国铝土矿保有储量中属于勘探阶段的占32.5%，属于详查阶段的占55.8%，两者合计，详查以上工作程度的储量占