CN1419611A - 生产铝的电解工厂的设备布置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用Hall－Heroult方法生产铝的电解厂的布置，这种布置能够减少重的流动路径如液态铝流动的长度。本发明的特征在于该厂包括：至少一个包括排列成行的电解单元的液态铝生产区(H)和一些特殊的操作区，其中(C)区集中了阳极组件的放置和回收设备，(B)区集中了电解液的放置和回收设备，(A)区集中了液态铝加工设备；还包括在所述操作区之间传送重的中间产品(如液态铝)的运输装置，和至少一个为全部或部分重中间产品运输装置保留的流通区(101、102、103、104、105、106、110、111、112、113)。

Description

生产铝的电解工厂的设备布置

技术领域

本发明涉及用Hall-Heroult工艺通过热电解生产铝的工厂，还特别涉及这种工厂的设备布置。

背景技术

金属铝是通过热电解进行工业生产的，即根据著名的Hall-Heroult工艺，通过一种叫做电解液的熔化冰晶石液体中的氧化铝溶液的电解来生产。电解液在一些槽中，这些槽包括一个钢制槽箱和一个位于槽底部的阴极组件，槽箱的内部覆盖耐火和/或绝缘材料。含碳材料的阴极部分浸在电解液中。每个槽和它们的阴极形成一个电解单元。通过电极和阴极元件在电解液和液体铝的薄层中流动的电解电流产生还原铝的反应，并且还可以通过焦耳效应将电解液的温度保持在950℃左右。

最现代的工厂在一个叫做电解车间的厂房中有大量排列成行的电解单元，这些电解单元通过一个连接导线串联电连接，以优化工厂的占地。电解槽一般排列形成2个或多条平行的生产线，通过端部导线使这些生产线电连接。因此，电解电流从一个电解单元串联通过到下一个电解元。导线的长度和重量尽可能地小，以限制相应的投资和运行成本，特别是减少导线中由于焦耳效应产生的损失。导线的布置还应全部或部分减少或补偿电解电流产生的磁场效应。

运行时，电解厂包括一系列的流动，其中有原料流(氧化铝、碳粉、沥青(brai))、中间产品流(固化电解液硬壳、阳极组件……)、最终产品流(液态和/或固态铝)、人员流(行人或驾驶自动机械的人员)、能量流(尤其是电流)、拆除产品流(尤其是阳极槽箱的炉子)、工具流、电解槽组成部分流(如阴极或槽箱)和维修材料流。有些流动基本是连续的(如原料流)，有些是几乎连续的(如液态铝、阳极组件和固化电解液)，有些基本上是间断的(如阴极流或槽箱流)。

这些不同的流动是电解工艺产生的。例如，Hall-Heroult工艺导致还原氧化铝的电化学反应时消耗碳制阳极；这种消耗需要定期提供新的阳极，并更换电解单元的已经损耗的阳极，这就产生从阳极制造地点向电解槽的新阳极组件流和从电解槽向处理和回收地点的损耗阳极组件流。

发明内容

提出的问题

由于工厂赢利的原因，人们一方面力求降低投资和运行成本，另一方面力求同时得到尽可能高的强度和法拉第效率，同时保留甚至改进电解单元的运行条件，并考虑一系列的技术约束。

特别是，电解工厂的运行产生的一些流动可以沿特殊的输送装置进行流通，氧化铝和排出气体的流动常常就是这种情况，它们一般通过形成管网的特殊管道进行输送。但是也有几种物流与其他流动使用共同的流通通道和/或使用人员进出的通道，液体金属流、碳化产品(如阳极组件)和固体电解液(硬壳、流出和回收的电解液)的流动(叫做“重流”)就是这种情况。一般说来，这些一般主要是间断的重流借助机动机械通过流通通道(在厂房内、外)进行输送，这些通道沿着电解槽，人员也使用这些通道。同一工作空间中的物质、材料和人员的大量运动共处还形成了对改进工作条件和安全的限制。多种流动需要注意管理和/或特殊的环境加重了这些问题。

另外，当努力提高工厂的生产率时，工厂承受的流动密度和设备与流动之间的物理作用问题的影响迅速增加。例如，由于电流强度增加，电解槽产量的增加导致流动密度、磁相互作用和要输送的单位负荷的迅速增加。

因此，本申请人寻求考虑不同约束的工厂布置，这种布置导致降低投资和维护的成本，并可以提高工厂的生产能力。

发明描述

本发明的目的是用Hall-Heroult工艺生产铝的电解厂的布置，所述工厂包括至少一个生产液态铝的区域H，这种布置的特征在于包括：

—一些特殊的后勤操作区，如安放阳极组件的放置和回收设备的区域C、一个安放电解液放置和回收设备的区域B、和安放液态铝处理设备的区域A；

—用于沿确定的中间流动在所述操作区之间输送所述重中间产品，如液态铝、阳极组件和固体电解液的输送装置；

—至少一个全部或部分留给所述重中间产品输送装置的流通区域。

在寻找公知的电解厂遇到的问题的解决方法时，申请人产生了一方面重新组合某些设备和重的流动，另一方面使用一个保留流通区的想法，这样可以减少路径的长度，避免兼容性低的流动在一起，如重的流动和人员流动。因此，符合本发明的布置可以同时优化有潜在危险的电解厂主要重流动经过的距离，同时又考虑流动和设备之间物理作用的影响。

另外，存在一个保留的流通区域可以通过限制人员在这个区域的移动而更好地控制安全性和操作者的操作条件。它还可以更好地控制工艺协调、控制操作管理和有些重流动要求的环境条件，如从电解槽取出的损耗阳极组件流，这些电解槽可能需要抽吸装置和排出物处理装置。

附图说明

图1、2、3、6a、7a、8a、9a、10a与老的工艺有关。图4、5、6b、7b、8b、9b、10b与本发明有关。

图1表示老工艺电解厂的布置。图2表示电解车间沿图1的A-A平面的横剖面。图3表示一个电解单元沿图2的B-B平面的横剖面。图4表示一个符合本发明的电解厂的布置。图5表示一个符合本发明的保留流通区的实施例。图6至10表示阳极组件流(图6)、液体和固体电解液(图7)、液态金属流(图8)、原料和最终产品流(图9)和人员流动(图10)，在图1所示老工艺的工厂中为图6a、7a、8a、9a、10a，在图4所示的符合本发明的优选实施例的工厂布置中为图6b、7b、8b、9b、10b。

如图1所示，老工艺的电解厂一般包括：一个含有通常串联排列的电解槽(未示出)的液态铝生产区H；放置和回收阳极组件的设备11、12、13、14、15、16；放置和回收电解液的设备13、14、15、17；液态铝处理设备20、21、22；和用于维修生产设备的装置31、32、33、34、35以及至少一个管理楼36。一方面，所述的放置和回收阳极组件的设备、所述的放置和回收电解液的设备和所述的液态铝处理设备一般都位于工厂的隔离区，另一方面，所述的用于维护生产设备的装置和管理楼却分布在整个工厂中。

液态铝生产区(H)一般包括：一些成对的电解车间1，一般为2个或4个平行布置的车间，电解槽的供电装置2，氧化铝供应装置3、4，工艺排出气体处理装置5，平行于电解车间的流通通道6和进出电解车间的装置7。电解车间可以包括一个(或几个)传输车间8，便于人员的流动以及可能的某些设备和工具的运输。每个电解车间1包括至少一个电解槽作业线(未示)，一条作业线的电解槽数量可以高至上百个。

放置阳极组件的设备最经常地包括：原料供应装置11、16，用于制造阳极块和装配阳极组件以及回收损耗阳极的设备12、13，和进出装置14。制造阳极块的设备12主要包括原始阳极的成形装置和阳极的烧结装置(一般包括一个旋转炉)。阳极组件回收设备1 5包括分离阳极和阳极棒的装置和粉碎耗损阳极块的装置，以便把它们回收用于新的阳极块产品中。

液态铝处理设备20、21、22一般包括一个铸造厂和一些进出装置21。生产设备的维护和维修装置一般在不同的厂房31、32、33、34、35中，并且分布在厂区中。流通通道6、61、62、63经过全厂。

如图2所示，电解车间1一般包括：一个屋顶71，一系列电解槽40，一个沿电解槽的通道10和一个用于在电解槽上进行操作的行车70。如图3所示，电解槽40一般包括：一个内部衬有耐火材料42a、42b的金属槽箱41，含碳化材料阴极组件43，阳极组件55，承载结构53，用于回收正在运行的电解槽排出流体的装置51和给电解槽供应氧化铝和/或AlF3的装置50。阳极组件55一般包括一个阳极块47a、47b和一个杆49a、49b。每个杆49a、49b一般包括一个固定阳极块47a、47b的多足爪48a、48b。

运行时，电解槽包括：一个液态铝床44，一个液体电解液床45和一个以固体电解液和氧化铝为基础的盖子46。为了避免同时更换所有阳极组件，阳极组件的更换程序一般设计为使它们的损耗程度不同(图3中，阳极块47b比阳极块47a损耗得更快)。电解电流从阳极块流向阴极件。阴极电流由导电杆52回流。

图6a、7a、8a分别表示一个旧工艺工厂的阳极组件流FC1、FC2、固体电解液流FB1、FB2、FB3、FB4和液态铝流FA1、FA2。

固体电解液流包括2个组成部分：称为“前处理”的电解液流FB1、FB2(用粗线表示)，它们是从电解槽抽出的多余电解液；和称为“破碎”的电解液流FB3、FB4(用虚线表示)，其相当于处理后的电解液。如图中所示，这些重的流动一般沿通道6流动，人员也定期使用这些通道。另外，这些流动都很复杂，并且包括电解车间1的内、外部分之间的物质运动和迂回的路线FC2、FB2、FB3、FA2。特别是这些流动沿容纳电解槽作业线的厂房内的通道10和厂外的通道6进行，并且包括沿进出通道7的许多进出运动。

具体实施方式

发明的详细描述

按照本发明的用Hall-Heroult方法生产铝的电解厂包括：至少一个含有一些排列成行的电解槽液态铝生产区H，阳极组件的放置和回收设备，电解液的放置和回收设备，和液态铝处理设备，所述电解厂的布置的特征在于包括：

—特殊后勤操作区，其中一个区C集放阳极组件的放置和回收设备，一个区B集放电解液的放置和回收设备，一个区A集放液态铝处理设备；

—在所述操作区之间按照确定的中间流HC1-HC7、HB1-HB12、HA1-HA7输送所述重的中间产品的运输装置，所述中间产品主要包括液态铝、阳极组件和固体电解液；

—至少一个部分或全部留给所述重的中间产品的运输装置的流通区域101、102、103、104、105、106、110、111、112、113。

在下面的描述中，“保留流通区”还指仅有一个保留流通区的情况。参考数“100”以组合的方式表示不同的保留流通区101、102、103、104、105、106、110、111、112、113。

如图6b、7b、8b所示，全部或部分重的流动通过保留流通区100传送。如箭头所示，阳极组件流HC1-HC7的一个特点是双向流(图6b)，即新的和损耗的阳极组件可以在同一通道但沿相反方向流动，而固体电解液流HB1-HB12和液态金属流HA1-HA7一般为单向(图7b和8b)，即固体电解液不会沿同一通道返回到H区，液态金属一般也不会返回到电解槽。

根据本发明，至少一种指定的重中间产品优选地完全在一个为它保留的流通区内输送。优选的是，主要的重中间产品，即液态铝、阳极组件和固体电解液优选完全在至少一个保留流通区内输送。优选至少2种所述重中间产品共用至少一个保留流通区101、102、110、111、112、113。

保留流通区100优选特别装备所述重的流动的流通设备。

符合本发明的布置还可以包括使设备的不同部分进出并可以维修这些设备的通道9。

根据本发明的一个变换方式，至少一个叫做“维修”的后勤操作区E可以全部或部分把维修和维护和这些作业的整体重新组合在一起。根据本发明的另一个变换方式，至少一个叫做“管理”的后勤操作区D可以把管理作业全部或部分组合在一起，优选的是，将其全部组合在一起。管理区可以包括流动管理和/或中间产品质量控制的设备。符合本发明的布置还有利地包括至少一个“维修”作业区E和至少一个管理作业区D。

保留流通区100优选都位于一个高度上，例如可以位于电解车间1的侧通道10的高度。保留流通区也可以包括不同的高度。例如，所述区域的一部分可以位于所述侧通道10的高度，另一部分可以位于电解车间1外的地面80上。这些流动区也可以包括叠置的高度。例如它们可以包括一个侧通道10的高度和一个位于侧通道以下的高度72，每个高度可以用于输送不同的流动。

至少一个保留流通区101、102、103与至少2个所述操作区连接，优选与3个操作区以及有可能的所有这些操作区连接，这样可以使重的流动沿保留通道在所述操作区之间有效流通。

如图5所示，在本发明的推荐实施例中，至少一个“横向”保留流通区101、102与所述电解槽作业线垂直。优选至少一个“主要”保留流通区101、102通过每个液态铝生产区H的重心。

另外，阳极组件的放置和回收区C、电解液的放置和回收区B、液态铝处理区A和有可能的，维修区E通过至少一个横向的和/或主要的保留流通区101、102、103与液态铝生产区H连接。有利的是，只有一个横向和/或主要流通区，这样可以限制投资，并更好地控制流动。

有可能的话，至少一个“侧向”保留流通区110、111、112、113可以沿着电解车间1内的所述电解槽作业线伸展。有可能的话，这些侧向区域可以位于流通通道10上的其它高度上。

优选的是，符合本发明的布置另外包括至少一个有特殊包层的厂房121、122，用于遮护某些保留流通区，如某些横向区101、102。有包层的厂房可以避免一般的结冰、雨水以及温度和湿度有关的问题。

保留流通区100可以包括一些用于在操作区之间，特别是在电解车间和后勤区A、B、C、D、E之间输送重的流动的装置。这些装置有利地包括运输和放置特殊零件的往返工具，如：

—浇铸设备(用于把液态金属从电解槽中取出来)以及电解槽与液态金属处理区A或维修保养区E之间的液态金属包(空的或装满的)；

—C区与电解槽之间的新阳极组件的托板；

—电解槽与C区(除了阳极组件的回收设备外还可以包括电解液的回收设备)之间的或朝向维修区E的耗损阳极组件的托板；

—电解液的容器(浇铸件或要回收的硬壳)，其可以集成在阳极组件托板上；

—板形设备和电解槽维修工具(用于一系列或一个特殊电解槽停止或起动时突然进行的操作)。

运输装置可以限制中间储存区，如一般为阳极的冷却和为液态金属包设置的区域。运输装置还可以管理紧张的流动，特别是在考虑到自动化作业的本发明的变换例中。但是，根据本发明，重的流动也可以包括中间储存场所。

运输装置有利地与装卸装置连接。运输装置可以包括具有容易实现自动化的传送带，或者包括一般由人驾驶的机动机械。

所述沿重的流动的中间产品的运输装置可以包括一个轨道网。这些轨道可以有利地位于电解厂房的重型结构外，保证每个生产区与工厂的其他操作区的联系。活动机械能以可能的自动化的方式位于这个轨道网上。

另外，操作者驾驶的机动机械也可以在一个或几个流动通道中的保留区100以外的其他特殊通道上移动。

电解车间还可以包括辅助的运输或维修装置。例如，每个车间可以包括那些可以装卸电解槽的槽箱(装内衬前、后)和/或来往于维修车间的大型结构的维修行车。保留流动区100偶尔也可以用于运输重型设备，如行车或电解槽的槽箱，这些设备不属于正常重流动的一部分。这些例外作业尤其发生在一个电解槽停工或起动时，或停放电解槽服务机械以便维修电解槽时。

有可能的话，符合本发明的工厂还可以包括那些在紧靠厂房建筑物的道路上行驶的服务机械。

如图6b所示，阳极组件流可以包括几个分支HC1-HC7。有些分支HC1-HC4沿着电解槽，并优选在车间1内流通。共同分支HC5、HC6、HC7可以回收来自多个分支的流动。优选的是，阳极组件流包括一个在阳极组件的放置和回收区C的内分支HC7。在图6b所示的情况下，新阳极组件流(向电解槽方向)和损耗阳极组件流(从电解槽来)遵循基本相同的路径(但方向相反)，C区内除外。C区优选还包括一个将烧结的阳极块和回收的或新的阳极棒装配成阳极组件的装置，和/或分离阳极块(损耗的或有缺陷的)和阳极棒的装置。

C区可以包括一整套阳极块制造装置，如浆料车间、阳极块的成形装置和旋转烧结炉。这种组合可以使设备布置紧凑，这样可以集中那些生产碳粉的作业以及装卸和加工装置。

也可以在一个现场以外的不同工厂制造阳极块，在这种情况下，C区可以只包括阳极块的装卸和储存装置这样的装置。

特别是还可以重新组合C区和B区。这种组合可以更有效地回收从电解槽中取出的损耗阳极组件上的固化电解液硬壳。另外，这种组合可以一起输送损耗阳极组件和从电解槽中取出的固体电解液硬壳。

如图7b所示，固体电解液流也可以包括几个分支HB1-HB12。流动包括与“处理前”的电解液有关的分支HB1-HB7和与“破碎”即处理后的电解液有关的分支HB8-HB12。有些分支HB1-HB4沿着电解槽，并优选在车间1内流动。共同分支HB5、HB6、HB7可以回收来自多个分支的流动。优选的是，电解液流包括一个在电解液的放置和回收区域内的内分支HB7，这里只简化表示。

如图8b所示，液态金属流也可以包括几个分支HA1-HA7。有些分支HA1-HA4沿着电解槽，并优选在车间1内流动。共同分支HA5、HA6、HA7可以回收来自多个分支的流动。液态金属流包括一个在液态铝处理区内的内分支HA7，这里只简化表示。

液态铝处理区A可以包括一个铸造装置，液态金属可以在其中加工、处理和成型。根据本发明的一个变换例，铸造装置位于一个现场以外的不同工厂中，处理区A可以只包括少量的装置，如液态金属的装卸装置和可能有的冷却装置。

如图9b所示，符合本发明的电解厂还包括：

—输运装置，用于输送原料，如氧化铝，其方式为按确定的进入流，如氧化铝流FA0和碳流FC0从工厂的进入点E1、E2运输到相应的操作区；

—输运装置，用于按确定的输出流FM从操作区向输出点S1输送最终产品，如铸铝产品。

如图10b所述，在正常情况下，人员流动(用箭头表示)不使用保留流通区100。但是，人员可以在与这些区域平行的通道上流动，并且需要的话，可以进入保留区，以便进行维修和排除故障的作业。阴影部分相当于留给办公室的空间。符合本发明的工厂优选包括不妨碍保留区1 00的人员流动通道6、61、62、63。人员在电解车间内移动和工作，不占用位于保留流通区内的保留通道。可以通过位于不同高度的通道例如地下通道、天桥、楼梯、自动楼梯和升降机避免保留区与人员流动区之间的交叉点。

特殊运输装置可以设在平行或重叠的区域内，这些区域不妨碍保留流通区。例如，活动吊车可以设在某些保留区的上方，以便在生产区H与维修区E之间输送某些服务机械或槽箱。

根据本发明的又一个优选实施例，至少一种重中间产品完全通过至少一个自动车辆输送，每个所述车辆通过至少一个中央导航系统进行控制，这个系统能够保证监视所述重中间产品流的数量和运动。

优点

本发明可以大大限制通向电解车间的进入通道7的数量。

本发明可以更有效地分配工厂的操作区(或部门)之间的运输。特别是可以使厂房靠近并发展操作区之间的协同。它还避免原料或转化产品的大量中间储存，因此减少发生与运输有关的事故的危险。

本发明可以使人员避免了某些并不复杂的，重复的装卸工作。另外，本发明还可限制赋予操作者和服务机械的操作种类和数量，因此可以提高电解槽服务工作的质量和规律性，从而也从整体上提高了工业生产工艺的操作性能。

本发明还可以避免，复杂机械-特别是为电解槽服务的机械-也用于有时距离长且运输频率高的简单线路上的大负荷运输功能。本发明还可以避免电解车间内集中装卸重的流动，因此减少建设成本，并减少运行障碍，这些障碍的很大一部分是由于设备的不同故障或人为错误的累积作用。

本发明还可以使简单重复的工作自动化，在老工艺的工厂中，这些工作是通过一些也用于复杂的和难于自动化的工作的机械来保证的。

本发明可以大大减少进出结构、楼梯、天桥以及与它们有关的系统和设备，如照明、防火保护、空调/采暖和/或通讯。

Claims (22)

1.用Hall-Heroult方法生产铝的电解厂(10)的布置，所述电解厂(10)包括：至少一个液态铝生产区(H)，所述生产区(H)包括排列成行的电解槽；阳极组件的放置和回收设备；电解液的放置和回收设备；液态铝处理设备；所述布置的特征在于包括：

—特殊后勤操作区，其中一个区(C)安放阳极组件的放置和回收设备，一个区(B)安放电解液的放置和回收设备，一个区(A)安放液态铝的处理设备；

—在所述操作区之间按照确定的中间流(HC1-HC7，HB1-HB12，HA1-HA7)输送所谓重中间产品的装置，所述中间产品包括液态铝、阳极组件和固体电解液；

—至少一个全部或部分留给所述重中间产品运输装置的流通区(101、102、103、104、105、106、110、111、112、113)。

2.按照权利要求1的布置，其特征在于，至少一个重中间产品完全在至少一个保留流通区(101、102、103、104、105、106、110、111、112、113)内输送。

3.按照权利要求1的布置，其特征在于，液态铝、阳极组件和固体电解液完全在至少一个保留流通区(101、102、103、104、105、106、110、111、112、113)内输送。

4.按照权利要求1或3的布置，其特征在于，至少2个不同的重中间产品共用至少一个保留流通区(101、102、110、111、112、113)。

5.按照权利要求1至4之一的布置，其特征在于，另外还包括至少一个所谓的“维修”后勤操作区(E)，所有或部分维修作业组合在这个区。

6.按照权利要求1至5之一的布置，其特征在于，另外还包括至少一个所谓的“管理”后勤操作区(D)，所有或部分管理作业组合在这个区。

7.按照权利要求1至6之一的布置，其特征在于，所述阳极组件的放置和回收区(C)另外包括阳极块制造装置。

8.按照权利要求1至7之一的布置，其特征在于，所述阳极组件的放置和回收区(C)和所述电解液的放置和回收区(B)组合在一起。

9.按照权利要求1至8之一的布置，其特征在于，至少一个保留流通区(101、102、103)与至少3个所述作业区连接。

10.按照权利要求1至8之一的布置，其特征在于，至少一个保留流通区(100)与所有所述操作区连接。

11.按照权利要求1至10之一的布置，其特征在于，至少一个所谓的“横向”的保留流通区(101、102)与所述电解槽作业线基本垂直。

12.按照权利要求11的布置，其特征在于，每个后勤区通过至少一个横向保留流通区(101、102)与每个液态铝生产区(H)连接。

13.按照权利要求1至10之一的布置，其特征在于，至少一个所谓的“主要”的保留流通区(101、102、103)通过每个液态铝生产区(H)的重心。

14.按照权利要求13的布置，其特征在于，每个后勤区通过至少一个主要保留流通区(101、102、103)与每个液态铝生产区(H)连接。

15.按照权利要求1至14之一的布置，其特征在于，另外包括至少一个特殊包层的厂房(121、122)，用于容纳至少一个主要保留流通区(101、102)。

16.按照权利要求1-13之一的布置，其特征在于，至少一个保留流通区(110、111、112、113)沿着所述电解槽的生产线。

17.按照权利要求1至16之一的布置，其特征在于，所述运输装置是自动化的。

18.按照权利要求1至17之一的布置，其特征在于，所述运输装置包括至少一个往返机械。

19.按照权利要求1至18之一的布置，其特征在于，所述运输装置包括装卸装置。

20.按照权利要求1至19之一的布置，其特征在于，所述运输装置包括一个轨道网。

21.按照权利要求1至20之一的布置，其特征在于，所述运输装置包括至少一个传送带。

22.按照权利要求1至21之一的布置，其特征在于，至少一种重中间产品完全通过至少一个自动车辆输送；并且，每个车辆通过一个中央导航系统进行控制，该系统能够保证所述重中间产品流的数量和运动的监控。

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