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300kA~400kA大型铝电解槽。
先进的300kA~350kA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、安全的焙烧启动技术，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
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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定了基础。
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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ⅢA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2.70~2.71g/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(2.80~2.85)×10-8Ω?m，在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0.2~12μm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。 (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。
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§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
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§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(Векетов)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- 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，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，各项经济技术指标
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