本科毕业设计--年产20万吨铝锭300ka预焙阳极铝电解车间设计.doc

毕业设计论文
年产20万吨铝锭300kA预焙阳极铝电解车间设计
摘要
当今的铝电解工业正在向着槽容量大型化发展。大型预焙阳极铝电解槽上通过的强大电流会产生强大的磁场,磁场与电解质及铝液中的电流相互作用产生强大的电磁力,使铝液发生循环流动。这不仅会降低电流效率,也给生产操作带来一定困难。铝液流场分布的好坏对电流效率、吨铝电耗、阳极消耗、槽寿命、阳极效应系数等生产指标有着重要影响。因此,对铝液流场进行仿真具有重要的研究意义和实用价值。本文针对不同槽膛内形计算出相应的铝液流场。总结归纳300kA铝电解槽铝液流场的分布规律,并分析产生各种结果的原因。这些结论可以为铝电解槽的生产操作和优化设计提供理论依据。
关键词：300kA；铝电解槽；双阳极；大面五点进电；

The design of 300 kA pre-baked anode electrolytic work shop with an annual output of 200,000 tons of aluminum ingots

Abstract
The electrolytic aluminum industry is towards the development of large scale tank capacity. Large scale prebaked anode aluminum electrolytic tank by the strong currents will generate a strong magnetic field, magnetic field and the electrolyte and aluminum liquid in the current interactions generate powerful electromagnetic force, so that the aluminum liquid circulating flow. This will not only reduce the current efficiency, but also bring some difficulties. The quality of aluminum liquid flow field distribution on current efficiency, energy consumption, tons of aluminum anode consumption, service life of the cell, the anode effect coefficient has an important effect on the production index. Therefore,it is very significant to research Aluminum liquid flow by simulating. According to different slot bore shape to calculate the flow field of molten aluminum to summary of 300kA aluminum electrolytic aluminum liquid flow distribution and analyse various results. These conclusions can provide aluminum electrolyzer production operation and theoretical basis for optimal design.

Key words: 300kA；aluminium electrolysis cell；Double anode；Bedding face five into electricity

目 录

摘要 1
ABSTRACT 2
1 绪论 1
1.1 铝电解工业的概述 1
1.2 现代铝电解技术 1
1.3 国内外铝工业现状与发展 3
1.3.1 国外铝工业的现状 3
1.3.2 我国铝工业的发展状况 5
1.4 铝电解的发展趋势 14
1.4.1 世界铝工业的组织结构日趋规模化、集团化、国际化 14
1.4.2 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 15
1.4.3 电解铝生产的技术经济指标向着高产、优质、低耗、长寿和低污染的方向加快进步 15
1.4.4 世界铝工业向电力充裕廉价、铝土矿资源丰富的地区转移 15
2 厂址的选择与论证 17
2.1 工业布局问题 17
2.2 原材料供应及交通运输条件 17
2.3 供水、供电条件 17
2.4 环境保护和节约用地问题 17
2.5 厂址的工程地质及水文地质条件 18
2.6 厂址的协作条件 18
3. 工艺设计 19
3.1 电解铝生产 19
3.1.1 铝电解的基本原理 19
3.1.2 铝电解的生产系统、工艺流程 20
3.1.3 电解铝生产原料 21
3.1.4 主要技术经济指标的选择论证 25
3.2 槽型的选择论证 26
3.3 主要技术条件及技术经济指标的选择论证 27
3.3.1 电解质成分 27
3.3.2 电解质温度 29
3.3.3 电流效率 31
3.3.4 极距 34
3.3.5 阳极电流密度 34
3.3.6 铝液水平、电解质水平、阳极效应系数 35
3.5 主要技术经济指标的确定 36
3.6 铝电解槽结构常数的选择与结构计算 36
3.7 槽膛尺寸 39
3.8 阴极结构 40
3.9 槽衬、槽底、砌筑材料尺寸的确定 42
3.10 电解槽导电部件的确定与计算 43
3.11 主要技术经济指标的确定 48
4. 综合技术经济指标的计算 50
4.1 单槽日产量 50
4.2 电解槽数量 50
5. 平衡与计算 51
5.1 物料平衡计算 51
5.2 电压平衡计算 53
5.2.1 实际分解电压 53
5.2.2 电解质电压 53
5.2.3 阳极电压降 53
5.2.4 阴极电压降 55
5.2.5 阳极效应分摊电压降 56
5.2.6 连接母线压降 56
5.3 能量平衡与计算 56
5.3.1 能量平衡计算的基本概念 57
5.3.2 能量收入项的计算 58
5.3.3 能量支出项的计算 59
6.辅助篇 73
6.1 铝电解槽破损的特征、检测与维护 73
6.1.1 电解槽阴极破损的特征 73
6.1.2 破损槽的维护 76
7. 铝电解车间平面设计 79
参考文献 80
致 谢 81
附件1 外国文献 82
附件2 中国翻译 87

91

1 绪论
1.1 铝电解工业的概述
铝是世界上最丰富的金属元素。金属铝具有耐腐蚀、易导电、密度小和延展性好等特点，其优良的物理化学特性使得它被广泛地应用于建筑、包装、交通、电力和航空航天等领域，是保障国民经济持续、快速发展的重要原材料之一，一次铝工业呈现风波发展之势。2004年我国氧化铝产量达710万吨，居世界第二位；电解铝产量670万吨，居世界第一位；铝的表观消费量约597万吨，居世界第一为。以上数据表明，我国已成为世界铝生产、消费大国。
1.2 现代铝电解技术
炼铝方法的发展可分为两个时期：最初是化学法，其后是电解法。铝的工业化生产开始于1855年，当时法国人戴维尔用钠代替钾还原氯化铝，制得金属铝。由于拿破伦三世预见到它在轻型铠甲中的潜在应用而使铝的军事应用获得政府支持。然而，直到冰晶石-氧化铝熔盐电解法实现工业应用之前，仅生产出少量的铝。
1854年德国人本森（R.Bunsen）用电解NaAlCl4熔盐制得了金属铝。当时，由于电价格太高而且不能获得大电流，因而不能进行工业电解试验。1867年发明了发电机并在1880年加以改进，这种电源才可用于工业生产。1883年美国布拉雷（Bradley）提出冰晶石-氧化铝熔盐电解方案。三年之后即1886年，美国的C.M. Hall和法国的P.L.T. Héroult都在当年通过实验申请了冰晶石-氧化铝熔盐电解法的专利。这就是历来称呼的霍尔-埃鲁特法。这一方法的要点仍是近代铝冶金工业的基础。自从1886年发明了冰晶石-氧化铝熔盐电解法之后，1888年11月Hall在美国Pittsburgh建厂实现工业化生产，1889年Héroult在瑞士Neuhausen建厂生产铝，这就是电解法工业生产铝的开始。1888年8月奥地利科学家拜尔（Karl Joseph Bayer）申请了从铝土矿提取氧化铝的专利。与此同时，瑞士冶金公司利用莱茵河上的水力发电，获得了廉价的电力。由此，霍尔-埃鲁特法、拜尔法以及廉价的电力推进了美国和欧洲铝工业的发展，于是，电解法很快取代了化学法。化学法总共生产了约200吨铝，前后约30年，该工艺在19世纪末逐渐被淘汰。以后，其它各国相继采用冰晶石-氧化铝熔盐电解法炼铝。英国开始于1890年，德国1898年，奥地利1899年，挪威1906年，意大利1907年，西班牙1927年，前苏联1931年，中国1938年。冰晶石-氧化铝熔盐电解法发明一百多年来，全世界的铝产量已有很大的增长。1890年是化学法和电解法的交替时代，原铝的产量只有180吨左右。1970年达到1000万吨，1980年1625万吨，2000年突破了2400万吨,2007年已超过3250万吨。
冰晶石-化铝熔盐电解法自从十九世纪末页以来，已有一百多年的历史了。在此期间，铝电解的生产技术有了重大的发展，这主要表现在持续增加电解槽的生产能力方面。
在铝工业生产初期（1888～1900年间），曾采用4000～8000安培小型电解槽，其每昼夜的铝产量不过24～28kg，20世纪90年代大型电解槽的电流强度达到28～30万A，每昼夜的铝产量可达2030～2170kg。铝电解的电流效率，在铝工业生产初期低于80%，20世纪90年代一般达到90%，有的达到92%。
电解槽电流强度的持续加大，显然是与整流设备的更新，电极生产的改进，电解槽设计与生产操作的改善密切相关。在铝工业生产的初期，曾采用小型直流发电机，电流只有数千安培，后来，改用了水银整流器，现代则普遍采用了大功率高效率的硅整流器组，系列电流强度因此增加到30万A，而整流效率达到95～98%。
此外，在铝工业生产初期，电解槽曾采用小型预焙阳极，这跟当时电机工业的生产状况相适应。后来，在20世纪初（1909年），生产生产铁合金的电弧炉上出现了连续自焙电极，铝工业从二十年代开始也采用了这种型式电极作为阳极，这就是侧插棒式自焙阳极。随后，为了扩大阳极尺寸和简化阳极操作，在四十年代又发展了上插棒式自焙阳极。自焙阳极的采用，标志着铝电解槽结构型式发展的第二个阶段。但是，由于自焙阳极的电耗较高，并且因为电极工业的高度机械化可制造大型预焙炭块，所以从五十年代中期开始有了两项重大的改进，这就是改造了小型预焙阳极电解槽，使之成为现代化的大型预焙阳极电解槽，与此同时还试验并采用了连续预焙阳极。预焙阳极电解槽的现代化是铝电解槽发展的第三阶段。
侧插棒式和上插棒式自焙阳极电解槽，最近数十年来也在不断地发展。20世纪90年代侧插棒槽的电流强度一般是6～8万A，而上插棒槽达到10～15万A。
因此，现代铝工业上有两类四种型式的电解槽：
自焙阳极电解槽：侧插棒式，上插棒式。预焙阳极电解槽：不连续式，连续式。除了上述的四种型式电解槽之外，还有一种多室电解槽，它既可以用于氯化铝电解，又可以用于氧化铝电解，20世纪90年代尚处于试验阶段。计算机控制技术已经广泛应用于各种型式电解槽。
铝电解槽在增大生产能力的同时，原铝的质量也有了明显的提高，有的达到99.85%Al。由于铝电解生产需要大量的电能，故降低单位铝产量的电能消耗是历来全力以赴的目标。在铝工业生产的初期，每kgAl电耗高达30～40kWh/kg。以后，随着电解槽生产能力的增加、阳极和导电母线的电流密度的减小，电解槽结构的改进和生产操作的改善，电耗率亦相应地有所降低，20世纪90年代以来一般为每千克Al电耗率13～15kWh/kg，有的甚至降低到12.5kWh/kg。
目前炼铝的方法仍以冰晶石-氧化铝熔盐电解法为主。多年以来，为了探索新的炼铝方法，曾经试验了多种炼铝新方法，如碳热法，氯化铝法等，虽然取得了一定的进展，但在可预见的将来都还不能在经济上和规模上与电解法相匹敌。
1.3 国内外铝工业现状与发展
1.3.1 国外铝工业的现状
本世纪八十年代以来，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180～350kA，吨铝直流电耗降至12900～14000 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280～320 kA的超大型预焙槽，电流效率平均达到了94％ ～96％。近年来，我国新建槽多采用180～300 kA的大型槽，改造旧槽因投资等方面的原因，多采用75kA或160～240 kA之间的槽型，其技术与世界先进水平比仍有一定的差距，到目前为止，国内仅有少数企业采用技术上与世界一流企业基本同步的280～320kA之间的槽 型。目前，我国生产使用的铝电解槽，最大的槽型是电流强度为350kA的槽型(应用于平果铝业公司)，还有电流强度仅24kA的槽型，我国电解槽电流效率 平均仅为86％～90％。2003年底全国833.82万t产能中，280kA以上特大型预焙槽产能为152.6万t，占总产能的18.3％； 160～240 kA大型预焙槽产能为387.1万t，占总产能的46．5％ ；小型预焙槽产能为190.24万t， 占总产能的22.8％；还有103.88万t产能仍然是使用落后的自焙槽，占总产能的12.5％。可见，虽然通过引进、消化、吸收国外先进技术和装备，我 国电解铝行业整体装备水平有显著提高，但是，我国还有约100万t的自焙槽和约200万t的小型预焙槽，约占全国总产能的35％ ，这些低档次的生产技术设备，虽然具有生产工艺简单、投资省、见效快等优点，但技术装备水平较低，能耗、原材料消耗高，环境污染严重，技术经济指标较差。进入20世纪90年代以来，世界铝产量持续保持增长，铝产量从1900 年的1935万t增加到2003年的2794.6万t，与1900年相比，年均增长3.4%。随着近几年铝工业的技术及装备水平的提高，全球产量增长迅猛。全世界原铝生产国从1995年的43个增加2003年的45个，电解企业从1995年的137个增加到2003 年的272 个(中国147个)，截止到2003年末，全世界金属铝总生产能力达3300 万t (中国833万t)，实际产量为2794.6万t (中国550万t)，比2002年增长7.1%。按1995年铝产量排名，居前4位的依次是美国337.5万t，俄罗斯272.2万t，加拿大217.2万t，中国186.9万t。从2001年至今，全球最大产铝国是中国。2003 年居二、三、四位的依次是俄罗斯、加拿大、美国。目前，我国已由铝的净进口国变为铝的净出口国。2003年，我国净出口电解铝49.27万t，首次成为世界原铝输出国。中国铝工业的高速发展，引起了世界瞩目，产量居世界第一、消费居世界第二的中国铝工业，将由粗放经营向着集约化经营转变，将逐渐由世界铝工业大国向着世界铝工业强国迈进。
表1 2000—2006全球电解铝市场供求状况
项目
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
产量（万吨）
2442
2445
2609
2801
2925
3081
3280
消费量（万吨）
2484
2408
2550
2748
2915
3050
3300
供求（“-”号表示消费缺口）
-421
367
587
536
91
31
-12
2005年底我国按电流强度区分的电解槽数量、产量和能力
电流强度
实有槽数
2005年底开工数
生产能力
产量
个
个
万t
万t
合计
21740
17816
1020
777.8
其中
320—350kA
596
556
53.5
47.9
280—300kA
3554
2774
265.7
159.0
115—240kA
10220
8976
526.4
460.5
10—90kA
7100
5512
174.4

2003年全球原铝(含铝合金)的消费为2716.8万t，比2002年增长7.7%。消费增长速度最快的国家和地区依次为中国(24.7%)、其他亚洲国家(11.8%)和拉丁美洲(11.2%)。西方世界消费增长速度则仍然较慢，不过日本铝消费增长却达到了4.5%，基本摆脱了长期下滑的趋势。目前铝的最大消费国是美国，其次为中国。自20世纪80年代中起，我国铝的消费开始发生变化，特别是进入20世纪90年代后，铝在建筑、交通运输和包装三大领域逐渐成为象发达国家那样的铝消费主体，近几年汽车制造、电网改造等行业用铝量也大幅增长。铝消费量已从1990年的83万t上升到2003年的550万t，2003年的消费量是1990年的6倍多。
从表1看出，虽然目前世界原铝的库存仍处于历史高位，但随着世界就经济复苏后消费量的迅速增加，预计今后几年，铝会由供应过剩逐步转变为供需基本持平甚至小量短缺。因为：尽管铝产能在扩张，但从长远来预测，随着世界经济的进一步复苏，国内外铝消费状况有望长期保持旺盛的增长势头，从而支持铝价相对坚挺，这将促使世界铝产量持续增长；近几年，全球经济复苏拉动世界需求增长，资源和能源相对短缺，电价和氧化铝价格居高不下，各国环保要求不断提高，铝生产成本不断增加，过渡产能扩张铝供大于求等因素，都对电解铝企业的利润空间造成压缩，这将使一些小铝厂或电价、氧化铝价格高的生产厂家难以支撑而减产甚至关闭停产，从而使铝产业投资过热得到降温，铝产量增速放缓，铝消费量相对加快，这将促使铝市场从供应过剩向着供需基本持
平甚至小量短缺的方向发展；
表2 2007-2011年世界原铝产量

占世界产量1/5的中国，对世界铝的供求状况有着举足轻重的影响，随着我国限制钢铁、电解铝、水泥行业盲目扩张以及银根紧缩的宏观政策出台，我国电解铝产能低水平盲目猛增的势头已经得到了有效控制，这将促使占世界产能1/4的中国铝工业加快实现由粗放型向集约型的转变。因此，在世界和我国金属铝供求关系正在发生有利于铝产业良性发展的这种背景下，年轻的世界铝工业将方兴未艾，前景看好。
1.3.2 我国铝工业的发展状况
1 中国电解铝铝工业发展历程
中国电解铝工业50 年的发展历程大致可以分为三个阶段：  
第一阶段从中国第一家电解铝厂－抚顺铝厂1952年4月开工建设到70年代末期，可以认为是中国电解铝工业的发展初期。1952 年当抚顺铝厂一期工程开工建设时，其设计产能仅为年产1.5万吨。1958年中共中央、国务院分布了《关于大力发展铜铝工业的指示》，铝被定为国民经济的第二大金属材料。从此，国家开始对铝工业的发展给予巨大的政策支持和资金扶持，使中国铝电解工业开始走上了发展轨道。这一时期，贵州铝厂、兰州铝厂、包头铝厂、青铜峡铝厂、连城铝厂 、郑州铝厂电解分厂等相继建成投产，初步形成了八大铝厂的生产格局。电解技术基本是以旁插和上插自焙阳极铝电解梢工艺和设备为主，产量达到了36 万吨。50-60 年代中国电解自焙槽主要缺点是电流效率低、能耗高、劳动生产力低，特别是电解槽密闭性能差，电解烟气中含有大量的沥青挥发物，对生产操作和环境污染影响极大。70年代中后期，我国自行设计并建造了135 KA中间下料预焙阳极铝电解槽系列。在1979年贵州铝厂扩建过程中，引进了日本当时还处于试验阶段的160 KA 中间下料预焙阳极电解槽技术。从此，中国电解铝工业的技术水平开始有了很大的提高。     
第二阶段从80年代改革开放到90年代初，是中国电解铝工业步入常规发展时期。1982 年在国家“优先发展铝”的方针指导下，一些建于60-70年代的铝厂开始纷纷进行改扩建，以提高生产规模和效率。如贵州铝厂与贵阳铝镁设计研究院合作开发了186 KA大容量、高效能预焙槽；包头铝厂兴建了135 KA预焙槽系列；青海铝厂在吸收消化贵州铝厂技术的基础上建成了20万吨电解铝厂等。这一系列项目的相继建成，预示着中国铝工业开始向规模化大生产方向发展。与此同时，在市场利益的驱动下，一些具有电力优势和铝土矿优势的地区也纷纷投资兴建了一批小型60KA白焙槽电解铝厂。这段时期，全国电解铝的产量由70 年代末的36万吨发展到1992年的109万吨，使中国电解铝生产首次突破厂100万吨大关。      
第三阶段从1992 年到跨入新世纪，是中国电解铝工业步入世界铝工业生产大国阶段。这一阶段主要有四个特征：一是发展速度跃居世界前列。仅用10年时间，中国电解铝产量就从1992年的109万吨迅速发展到2001年的342.46万吨，形成了中国铝业公司、青铜峡铝业公司、兰州铝业公司、山东铝业公司、包头铝业公司、山西关铝公司、焦作万方铝业公司等为代表的大型铝生产企业。全球排名从1991年的第六位跃居为2001年第一，成为世界生产大国，并首次由净进口国成为净出口国；二是技术趋于先进。近几年中国新建和改扩建的电解铝工程都采用200 KA以上的大型预焙槽，230KA、280 KA、300 KA预焙槽型、干法净化、氧化铝自动下料和浓相输送、电解槽智能化控制等先进技术被广泛应用，2001年160 KA以上电解槽产量超过150万吨，占全部产量的45％左右，技术经济指标达到或接近国际水平；三是生产规模日趋扩大。在1995 年全国电解铝生产企业就达到了53家，电解铝产能197万吨，产量168万吨。到2001年，中国的原铝产能达到了433万吨，跃居到世界第一位，占全球总产能的15.7％。到2002 年中国电解铝企业猛增到138 家，产能546 万吨，产量432.1 万吨，在全球排名第一。2001-2002 年中国电解铝生产能力和产量的增长极大程度地弥补了西方世界的原铝产能关闭对市场的影响，中国原铝产量在世界所占份额也不断上升，1995年份额不足10％，2002年就达到了20.4％。在2003年产量继续增长到541.9万吨，同比增长25.4％，占世界总产的24.7％。即使如此，中国电解铝生产和投资在2003 年仍然大幅扩张，2003年有在建项目47个，建设规模约500 万吨，投资额约350 亿元。四是除国家重点铝厂迅速发展之外，以各种渠道集资筹办的地方铝厂(私人资本、中外合资、乡镇企业、地方国营等)发展更加迅猛。  
    由于生产铝需要消耗大量的电能，所以我国的铝生产企业基本上集中在西部地区。在2002 年中国排名前六的铝生产省份是河南、甘肃、贵州、山东、青海和山西；2003 年前六分别是河南、山东、青海、甘肃、山西和贵州。其中河南铝产量180.3 万吨，占全国产量的22％，山东104.9 万吨，占总产量13％，其他几省产量在7-8％范围。
2 中国电解铝生产规模和分布
从产能规模上看，截止2003年底，中国电解铝总产能达到833.82万吨，平均产能规模为5.67万吨/年，虽然比2002年的平均水平4.07万吨/年有较大程度的提高，但是还远远低于国外近20万吨/年产能的平均规模。2002年美国铝业产量达到了343.2 万吨，而同期占有中国原铝产量最大份额的中国铝业只有73.5万吨，仅相当于美铝的五分之一强。
中国电解铝企业数量超过了国外企业数量的总和。2003年底达到了147 家，分布在除北京、上海、天津、广东、海南和西藏外的25 个省（市、区），在陇海铁路沿线比较集中，形成一个密集的铝工业带。河南省的电解铝企业数量为22 家，位于全国数量的首位；企业数量超过10 家的有山东、山西、青海、湖北和湖南5 个省。其中2003 新建成的12 家电解铝企业分布在全国8 个省（市、区），有5 家位于山东省内。从经济区分布看，主要集中在华西和华中地区，经济发达的环渤海、长三角、珠江三角洲产量较少。  
    中国电解铝厂家平均规模超过10万吨的有4个省市：宁夏、内蒙、甘肃和辽宁；平均规模在5-10万吨的有8个省；2-5万吨的有5个省，还有8个省的平均规模不到2 万吨。把产能和数量结合在一起，2003年的特点是高产能企业数目有了显著增加，产能超过10万吨的企业比上年增加13家达到30家。2003年底，在全国147 家电解铝企业中，产能超过30万吨的2 家；产能在10-30万吨的28 家；产能在1-10万吨之间的最多，有91家，占总数的61.9%；剩下26 家的产能在1 万吨以下。
表3  2003 年各省铝产量所占份额  

资料来源：《中国铝业》 

表4  2003 年各经济区电解铝产量分布  

1 国内外铝工业发展技术的进步
铝电解工艺经过百余年的生产实践，尤其是由于近20年来现代科学技术的飞速发展，使人们对铝电解过程有了更深入的认识。特别是计算机技术的发展及在电解铝工艺上的应用，为电解槽建立起热、电、磁力和流动等物理场的各种数学模型，使槽型设计更科学化和生产过程控制更自动化。代表世界先进潮流的280kA以上的高效大型预焙槽，就是在上述科技进步的基础上开发研制的。
（1） 国外高效大型预焙槽的发展和技术特点
90年代以来，国外电解铝工业高新技术进步很快，其主要表现在电解槽容量大型化、高效化，技术经济指标和劳动生产率提高，槽寿命延长和环保条件改善等方面。
据资料介绍，国外电流强度达到280kA以上的超大容量电解槽比较著名的有3种槽型，即法国彼施涅铝业公司的300kA预焙槽(AP30型)、美铝公司的300kA预焙槽(A-817型)、俄罗斯和德国联合铝的300kA预焙槽(CA300/VAW型)。这些高效低耗长寿的大型预焙槽及其工艺技术堪称90年代高新技术，现已成为21世纪铝工业的主流。大型预焙槽AP30技术现已成为新建铝厂的依据和样板。
国外280型预焙槽的特点主要是：1)指标先进：电流效率为94.6%，直流电耗为13240kWh/t-Al，净炭耗为419kg/t-Al，电流密度0.74A/cm2，密闭效率98%，排氟量0.7kg/t-Al，全员劳动生产率390t/人·年；2)5根立柱进电，有尺寸为1450×650×560mm的预焙炭块40组，槽寿命超过6年；3)连续化自动化程度高：微机控制4点打壳下料、出铝、更换阳极、提升母线；4)采用超浓相输送方式输送载氟氧化铝：载氟氧化铝用超浓相输送系统往槽上的料仓中供料，使槽上料箱永远保持满仓，与电解槽内要求的氧化铝浓度及下料速度相适应。

表5 2003年全国十大铝冶炼企业铝产量 单位：吨

资料来源：《中国铝业》
法国彼施涅铝业公司开发的280kA的预焙槽，1991年改进成300kA的AP30型预焙槽进行推广应用。AP30型预焙槽的特点主要是：1)与280型槽相比，投资相同，但产量提高了；2)为适应300kA的电流改变了AP28型的阳极系统，增大阳极炭块面积，由原来40块减少到20块，用20根阳极导杆单独控制阳极，阳极电流密度0.78A/cm2；3)采用半石墨化阴极，重新设计槽侧部保温层结构，建立高电流密度下的热平衡；4)每套打壳加料器装有2个气缸，保证打壳和加料两种功能独立运作；5)加料点位置选在电解质旋流速度快的地方，以保证下到电解质中的物料快速扩散和溶解，减少炉底沉淀；6)固体电解质用自动加料装置送到槽上，与氟化铝一起通过重力点式加料器加入槽内；7)采用装置有分流器的焦粒预热焙烧灌熔体电解质的方法，以50h快速平稳启动，可以防止槽子热震冲击和渗铝引发的早期破损现象出现，提高槽寿命；8)电解槽操作依靠计算机实行自适应控制，使极距、槽温度、氧化铝浓度和分子比等参数技术条件的变化始终保持在狭窄的范围内，保持电解槽在设定的最佳状态下平稳高效运行；9)长期生产统计出的工艺技术参数和技术条件是：槽温度955-959%，过剩氟化铝11.6%，阳极效应系数0.23次/槽·日。
选择AP30型槽电解系列槽数为264、288、300台时，使单位投资接近最佳值，最佳生产规模为21.5万t/a，最高产能可达到50万t/a。例如，加拿大阿鲁特铝厂AP30型槽系列电压1135V，电流强度295kA，槽电压4.3V，电流效率95%，直流电耗13500kWh/t-Al，净炭耗420kg/t-Al，氧化铝单耗1920kg/t-Al，阳极效应系数0.2-0.3次/槽·日，日产量2240kg。再如法国敦刻尔克厂，电流强度295kA，电流效率95%，直流电耗13000kWh/t-Al。
（2）我国大型预焙槽技术取得的进步
20世纪70年代末，我国(贵州铝厂)从国外引进了160kA中间下料预焙槽技术，并应用于贵州铝厂和云南铝厂的技改工程中，指标达到电流效率91.5%，原铝直流电耗13594kWh/t-Al，阳极炭毛耗590kg/t-Al和净耗421kg/t-Al，氧化铝单耗1940kg/t-Al，冰晶石12kg/t-Al，氟化铝24kg/t-Al，创国内指标领先水平和达到国际20世纪80年代水平。我国180kA大型预焙槽主要技术特点：1)4立柱进电式母线配置。应用母线优化设计软件设计出非对称性4点进电母线配置，使槽内磁场分布、铝液界面状态和流速等方面，比引进160kA槽有很大改善。而186kA槽实测值为13.5cm/s。2)单围带摇篮托架式槽壳结构。3)螺杆起重机式上部结构。4)交错进行4点定容下料系统。5)窄炉膛375mm加工距离和200mm中缝设计。6)28组单块阳极，炭块尺寸1450×660×540mm。7)18组通常半石墨化炭阴极，炭块尺寸3250×515×450mm，每块阴极4根扁钢棒。8)铝液预热焙烧启动，获得适宜的工艺技术条件是：工作电压4.04V，电解温度950%，分子比2.4-2.6，氧化铝浓度2%-3%，铝液和电解质水平分别为18-20cm和22-24cm，阳极效应系数0.72次/槽·日180kA大型预焙槽开发成功，说明我国已具有开发设计和研制大型预焙槽的技术水平和能力，使我国现代大型化预焙槽技术又进了一大步。
1996年，我国成功开发了280kA中间点式下料超大型预焙阳极电解槽，并在河南沁阳试验工厂投产。槽设计上选用了摇篮托架槽壳，多点筒式下料，5点进电等多项新技术；槽启动上采用焦粒预热焙烧方法灌熔体电解质启动。通过鉴定验收的指标是：电流效率约93%和直流电耗13124kWh/t-Al，净炭耗420kg/t-Al，达到了20世纪90年代国际先进水平。这些成功开发的项目投入系列运行后，生产指标好、控制水平高，基本代表了中国铝电解的技术水平。
1997年，320kA超大型预焙槽技术开发成功，1999年6月在广西平果铝业公司试验工厂投产。280kA-320kA大型预焙槽的成功开发是我国铝工业史上的里程碑，这标志着我国大型预焙槽技术开始跻身国际先进行列。
2001年6月，由沈阳铝镁设计研究院开发研制的SY300(300kA)预焙阳极铝电解槽，在河南伊川铝厂新建256台，规模20万t/a，2002年11月电解槽全部投产。全系列连续6个月实际生产运行的平均指标为：电流效率为93.76%，直流电耗为13544kwh/t-Al，达到了国际先进水平。目前，我国在20-25万t/a规模的新建或改扩建项目均采用本技术，该成果已在河南伊川铝厂、河南万基铝业、山东南山集团铝厂、山西关铝股份有限公司、包头东方希望铝业公司、中国铝业股份公司山西分公司、宁夏中宁秦毅实业有限公司、内蒙古霍煤鸿骏铝业有限公司、云南铝业公司等10个铝厂采用，共计13.5个系列，安装3310台电解槽，总产能达282万t/a。世界上著名的法国彼施涅铝业公司开发的AP30(300kA)电解槽，在全世界推广应用总计槽数为3700多台，而我国的SY300电解槽已应用3310台，该槽型已成为我国铝电解生产的主导槽型。
（3） 我国铝工业与国际领先水平比较
1） 我国铝工业整体技术水平与国际先进水平比仍有较大差距
目前，西方国家用于生产的电解槽最大电流强度为320kA，且绝大多数企业为280-320kA的超大型预焙槽，电流效率平均达到了94%-96%。
近年来，我国新建槽多采用180-300kA的大型槽，改造旧槽因投资等方面的原因，多采用75kA或160-240kA之间的槽型，其技术与世界先进水平比仍有一定的差距，到目前为止，国内仅有少数企业采用技术上与世界一流企业基本同步的280-320kA之间的槽型。目前，我国生产使用的铝电解槽，最大的槽型是电流强度为320kA的槽型(应用于平果铝业公司)，还有电流强度仅24kA的槽型，我国电解槽电流效率平均仅为86%-90%。2003年底全国833.82万t产能中，280kA以上特大型预焙槽产能为152.6万t，占总产能的18.3%；160-240kA大型预焙槽产能为387.1万t，占总产能的46.5%；小型预焙槽产能为190.24万t，占总产能的22.8%；还有103.88万t产能仍然是使用落后的自焙槽，占总产能的12.5%。可见，虽然通过引进、消化、吸收国外先进技术和装备，我国电解铝行业整体装备水平有显著提高，但是，我国还有约100万t的自焙槽和约200万t的小型预焙槽，约占全国总产能的35%，这些低档次的生产技术设备，虽然具有生产工艺简单、投资省、见效快等优点，但技术装备水平较低，能耗、原材料消耗高，环境污染严重，技术经济指标较差。
2) 我国最先进的大型预焙槽技术接近国际领先水平
从表2可以看出，我国最先进的大型预焙槽与国际领先水平的西方国家的大型预焙槽相比，其各项技术经济指标都比较接近，只是电耗特别是槽阳极消耗和阴极寿命有比较大的差别。
3) 我国先进大型槽与国际领先水平的主要差距
目前，国内先进的大型预焙阳极铝电解槽，与国际领先的高效节能大型预焙阳极铝电解槽的差距主要表现在，阳极消耗量较大、槽寿命较低。这与阳极质量、槽阴极结构与材料以及槽生产操作等有很大关系。
① 阳极质量。国际上，现代化大型预焙阳极电解槽的炭阳极净耗为400kg/(t-Al)左右，这主要得益于高品质的阳极质量。目前，中国的沥青和石油焦质量较差，虽说近年来阳极生产工艺及装备水平有了很大提高，但与国际先进水平相比，阳极质量仍有较大的差距，对电解生产指标的提高有很大的影响。
② 阴极结构及材料。阴极结构的设计与材料的选用对铝电解槽阴极内衬的寿命影响
很大。炭-氮化硅侧壁内衬加上槽侧下部和底部的防渗透内衬结构，已被很多大型预焙槽铝厂采用。
表6 国外先进技术指标

对于阴极炭块的质量问题，法国彼施涅公司曾在3000多台大型预焙槽上，使用不同厂商提供的15种类型的阴极炭块进行研究，主要选取了典型的无烟煤、半石墨质、石墨质和石墨化阴极炭块进行试验。试验结果表明：在正确合理的设计、施工和生产操作的前提下，石墨化阴极炭块良好的机械、导电、导热性能可以使铝电解槽得到最佳的技术指标和良好的经济回报率，只是其磨蚀速度略高于无烟煤或半石墨质阴极炭块。
3 世界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表现在如下五个方面：
（1） 世界铝工业的组织结构日趋规模化、集团化、国际化。
先进企业实行联合、兼并、重组和强强联合，组成超大规模的铝业集团，世界铝工业发展日趋规模化、集团化、国