PAGEPAGE38鋁電解槽設計計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u14930鋁電解槽設計計算案例 1226671.1鋁電解槽的槽型選擇 1250591.2.1陽極炭塊尺寸的選擇 2307261.2.2陽極炭塊數(shù)目的計算 3175491.3上部結(jié)構(gòu) 44691.3.1承重桁架 4128791.3.2陽極提升裝置 4135971.3.3打殼下料裝置 5185451.3.4陽極組的基本結(jié)構(gòu) 6291641.3.5電解槽集氣排煙裝置 9263751.4陰極結(jié)構(gòu) 1079991.4.1槽殼結(jié)構(gòu) 10111181.4.2內(nèi)襯及保溫絕熱材料 10138331.4.3陰極結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇與計算 11244941.5母線結(jié)構(gòu) 12167851.5.1母線結(jié)構(gòu)及配置 1235561.5.2陽極母線 12265321.5.3陰極母線 1382361.5.4短路母線 15244271.6電氣絕緣 151.1鋁電解槽的槽型選擇鋁電解槽大致上經(jīng)歷過兩個發(fā)展階段，一個階段是包括側(cè)插棒式自焙陽極鋁電解槽與上插棒式自焙陽極鋁電解槽在內(nèi)的自焙槽階段，另一個階段則是包括不連續(xù)式自焙陽極鋁電解槽和連續(xù)式自焙陽極鋁電解槽在內(nèi)的預焙槽階段。前者的優(yōu)勢有很多，如所需基建時間不長、操作與管理方便、投資少等，在鋁電解工業(yè)發(fā)展初期很受青睞。隨著科學技術(shù)的進步，計算機控制技術(shù)慢慢滲入到鋁生產(chǎn)過程中，產(chǎn)量比較低且難以機械化大型化的自焙槽漸漸被人們放棄。加之自焙槽生產(chǎn)過程中污染物排放量大，不符合當今社會綠色環(huán)保的理念，勞動強度還大，人們越來越傾向于發(fā)展槽容量上升空間大、機械化智能化水平較高且相對來說節(jié)能環(huán)保的預焙陽極鋁電解槽。故本次設計選用中心點式下料預焙陽極鋁電解槽，圖3-1為一種200kA該類型的鋁電解槽。1.2陽極炭塊尺寸與數(shù)目1.2.1陽極炭塊尺寸的選擇（1）陽極炭塊的長度的選擇。預備陽極鋁電解槽的寬度基本決定了陽極炭塊的長度，160～500kA

槽炭陽極的長度一般在1400～1600

毫米。就當前預焙陽極電解槽的結(jié)構(gòu)來說，為了提高鋁產(chǎn)量，在不變動電解槽其他結(jié)構(gòu)尺寸的基礎上，加長陽極炭塊長度，電流強度也隨之增強，根據(jù)相關(guān)文獻資料及經(jīng)驗，本次設計選取陽極炭塊長度為

L=1750mm。（2）陽極炭塊的寬度的選擇。若陽極炭塊寬度值過高，會阻礙陽極處氣體的排出，從而電流效率會降低不少；若陽極炭塊寬度值太低，換用陽極的時間會縮短，增加生產(chǎn)成本。我國一些大型預焙槽采用寬度為

660mm的陽極炭塊，法國AP30槽及AP18槽分別采用寬度為680mm和1000mm的陽極炭塊，美鋁采用的陽極炭塊寬度值有720mm、760mm、780mm

及

800mm。結(jié)合多種因素考慮之后，本次設計取陽極炭塊寬度

為W=740mm。長寬比=1750/740=2.36，符合規(guī)范。

（3）陽極炭塊的高度的選擇。陽極炭塊的高度是由好多方面的因素綜合決定的。它既不能太高也不能太低，高一點確實會使它的使用時間變長，單位時間內(nèi)更換陽極的次數(shù)可以有所減少，但是如果它太高會使整個上部結(jié)構(gòu)也不得不增高，增加桁架的承重，增加陽極電壓降，散熱損失也增大，破壞鋁槽的熱量平衡，不利于節(jié)能減耗。陽極炭塊的高度太低則會使陽極更換頻率增大，造成人力、物力的浪費，且若不能即使降殘極更換，極有可能造成鋼爪熔化，破壞陽極組結(jié)構(gòu)。

陽極炭塊高度（H）的計算式如下：H=殘極量+母線行程（400mm）隨著鋁電解過程的進行，陽極炭塊由于參與陽極反應，因此它會被慢慢消耗變薄，極距變大，陽極提升裝置就會在計算機的控制下將母線下移，母線也會帶動著陽極炭塊下移來補上之前的消耗距離，是極距基本保持不變。但是陽極炭塊的長度有限，不能無止境消耗下去，當它變薄至一定程度，就需要用新的同規(guī)格陽極炭塊將它替換，否則會使插入炭塊中的鋼爪暴露到電解質(zhì)中，引起鋼爪熔化。被替換的殘余炭塊被稱為殘極，其高度稱為殘極量。本次設計中殘極量即殘余炭塊高度取

250mm，則陽極炭塊高度為殘極量和母線行程的和

：H=殘極量+母線行程（400mm）1.2.2陽極炭塊數(shù)目的計算本次設計的電流強度(即槽容量)I=520kA，陽極的電流密度已經(jīng)設為D陽

=0.82A/cm由電流強度與陽極電流密度的比值可求得陽極炭塊的總面積為：S陽=520000D四舍五入取n=50，即所需陽極炭塊數(shù)目為50個，分為兩行，則每行25個。每兩個陽極炭塊為一個陽極炭塊組，則共有25組陽極炭塊組。通過槽容量與陽極炭塊數(shù)及陽極炭塊的橫截面積的比值求出電流密度進行驗證：

D其相對誤差為：

Δ陽極炭塊尺寸：L=1750mm，W=740mm，H=650mm。1.3上部結(jié)構(gòu)鋁電解槽的上部結(jié)構(gòu)是指槽體上方的金屬結(jié)構(gòu)，包括陽極提升裝置、承重桁架、打殼下料裝置、集氣和排煙裝置、陽極母線和陽極組。1.3.1承重桁架承重桁架大體有兩大部分，即上部和下部，下面部分是與門外形類似的立柱架，而上面部分則是桁架，一種用一些直桿構(gòu)成的三角形框架連接而成的很穩(wěn)定的橫梁結(jié)構(gòu)，可以節(jié)約材料。整個桁架通過鉸鏈與槽殼相連接，承重桁架由于其堅固的結(jié)構(gòu)設計，可以穩(wěn)穩(wěn)地支撐陽極大母線和陽極組的重量。以本章開始部分所介紹的200kA預焙槽為例(圖3-1)介紹承重桁架，如圖3-2所示，下面部分為門字形立柱，上面部分為桁架，整個桁架通過鉸鏈與槽殼相連接。桁架起著支撐陽極大母線和陽極組重量的作用。1.3.2陽極提升裝置前面已經(jīng)介紹過螺旋起重器式提升裝置和滾珠絲杠三角板式提升裝置，兩者各有優(yōu)勢。本次設計采用如圖3-3所示陽極提升裝置。1.3.3打殼下料裝置打殼下料裝置的主要作用是將電解質(zhì)在陽極形成的表面結(jié)殼打破，然后打開下料裝置將氧化鋁添進入電解質(zhì)中以補充調(diào)整氧化鋁濃度，使其保持在一個最佳范圍內(nèi)。打殼下料裝置自從鋁電解槽投產(chǎn)以來經(jīng)過很多次更新?lián)Q代，現(xiàn)在所使用的打殼下料裝置一般為點式下料機（我國一般為筒式下料機，也是點式下料機的一種），由與原料傳輸裝置相連的料箱及點式下料器組成。根據(jù)氧化鋁輸送濃度的不同，氧化鋁的傳輸裝置分為稀相、濃相和超濃相傳輸裝置，該裝置與點式下料機的上部料箱相連，原料通過氣力傳動泵從料倉吹入下料箱。在提倡節(jié)能環(huán)保的今天，我們開始選擇越來越高濃度的氧化鋁傳輸裝置，因此本次設計選取超濃相氧化鋁傳輸裝置，與上部料箱相連，定時定量地為料箱補充原料；同時計算好點式下料機地數(shù)量、定容規(guī)格和下料間隔時間，半連續(xù)式“按需下料”，以控制電解質(zhì)中氧化鋁的濃度。本次設計中，給每一臺預焙陽極鋁電解槽設置七套打殼下料裝置，其中一套是出鋁打殼裝置，另外六套則是采用如圖3-4所示的打殼下料裝置圖（圖中僅展示了打殼裝置部分。1.3.4陽極組的基本結(jié)構(gòu)陽極組是鋁電解槽的重要組成結(jié)構(gòu)，自下而上由陽極炭塊（單塊組桿炭一對一或雙塊組桿炭一對二）、鋼爪、鋼梁和鋁導桿依次連接，陽極炭塊與鋼爪（三爪或四爪）之間采用磷生鐵澆鑄形成炭碗的方式連接，而鋼梁（與鋼爪一體）與鋁導桿之間通過鋼-鋁爆炸焊的方式焊接。本次設計所采用的陽極組為如圖3-5所示的四爪單塊組結(jié)構(gòu)，每一個鋁導桿用四爪型鋼爪連接一個陽極炭塊。（1）鋁導桿

鋁導桿是橫截面為正方形或者矩形的一種鋁合金長桿，本次設計采用正方形橫截面，它通過鋼爪把陽極炭塊抓牢并固定在長母線上，隨長母線上下移動。鋁導桿起著傳遞電流給鋼爪和陽極炭塊的作用，故其與橫母線的導電接觸面應當盡量除去氧化物薄膜使表面光滑，降低此處的接觸電壓降。我們求算鋁導桿尺寸時一般通過算每根鋁導桿上流過的電流值與鋁導桿電流密度的比值來確定，一般取d導桿=0.4A所以流過鋁導桿的電流為：I故正方形橫截面的鋁導桿橫截面面積是：S則鋁導桿的長和寬為導桿橫截面積的開二次方=26000=161.25mm，取鋁導桿的正方形橫截面尺寸為160×160mm；此外，工業(yè)生產(chǎn)中故本次設計中鋁導桿的尺寸為

2050mm×160mm×160mm。（2）鋁-鋼爆炸復合焊結(jié)構(gòu)導桿與鋼爪的鋼梁之間通過鋁-鋼爆炸復合焊片連接。爆炸焊片中鋁焊片的大小為

240mm×240mm×20mm，鋼焊片的大小為

240mm×240mm×30mm。（3）鋼梁及鋼爪本次設計鋼梁尺寸選擇為

1320mm×180mm×180mm，其橫截面選為圓形。鋼爪的直徑不可以太大也不可以太小，直徑太大會加大鋼爪的熱損失，增加電解過程能耗；而直徑太小則會使通過鋼爪的電流增大，電流密度也增大，在鋼爪處的電壓降增大，造成能量損失。一般在工業(yè)生產(chǎn)中陽極鋼爪長度要大于等于250mm，鋼爪直徑要大于等于130mm?，F(xiàn)在，我國的鋼爪電流密度平均值一般取0.1A/mm2，即計算過程中取I由電流與電流密度比值求得單個鋼爪橫截面積為：S對橫截面積開方獲得鋼爪直徑為：d=2（4）磷生鐵陽極炭塊與鋼爪之間必須通過金屬液澆鑄成炭碗的方式連接在一起，通常采用的金屬液為磷含量很低約為1%左右的一種鑄鐵，即磷生鐵。在陽極炭塊與陽極鋼爪組裝過程中，磷生鐵配方是確保組裝質(zhì)量的重要因素。磷生鐵配方直接影響陽極上槽后運行的穩(wěn)定性、鐵碳壓降以及磷鐵環(huán)的壓脫難易程度[4-12-13]。連接鋼爪與炭塊的磷生鐵應該流動性良好、熱膨脹系數(shù)大、電阻較小且在溫度比較低時容易脆斷。因此，對磷生鐵的常規(guī)五大元素C、Si、Mn、P、S進行優(yōu)化調(diào)整，優(yōu)化調(diào)整前后的磷生鐵成分見表3-1。從表3-1可以看出，優(yōu)化調(diào)整后的磷生鐵的各元素成分達到了標準成分的預期要求。磷生鐵成分優(yōu)化后，鐵水流動性良好。同時應用某公司研發(fā)的新型機械旋轉(zhuǎn)攪拌式蘸石墨機，提高了石墨煤油攪拌的均勻性及陽極鋼爪表面石墨層形成的穩(wěn)定性。陽極上槽后運行穩(wěn)定，從未出現(xiàn)過陽極脫落的現(xiàn)象。經(jīng)測量分析，陽極鐵炭壓降至137mV降低至96mV，這表明，優(yōu)化磷生鐵成分在降低陽極鐵炭壓降方面起到了良好的節(jié)能效果。（5）炭碗由于本次設計所采用的陽極炭塊為四爪型單塊組，且陽極炭塊是長方體形的，因此在陽極炭塊上面應當有四個與鋼爪的澆鑄連接處，這種連接處我們一般稱它為炭碗，是一種半球形炭孔。在實際生產(chǎn)中，炭碗的半徑一般為80~90mm，深度為80~110mm。本次設計采用炭碗外徑為220mm，內(nèi)徑為200mm，深度為100mm，炭碗中心距為380mm。（6）預焙陽極炭塊本設計使用的預焙陽極炭塊尺寸是

1750mm×740mm×650mm。殘極高度取

250mm。由前面的計算已經(jīng)知道本設計槽的實際電流密度是0.803A/cm2，電流效率是

95%，則可以算出炭高的消耗速度REF_Ref2351\n\h[14]（hc）為：h式中：

8.054???系數(shù);hd

陽

η???Wc

???陽極凈耗量，取

430kg/t?Al；

則炭高的消耗速率為：h則換極周期REF_Ref2351\n\h[14]為：λ=H?H殘hchcH——陽極炭塊總高，cm；H殘——殘極高度，本設計取

250mm。則λ=1.3.5電解槽集氣排煙裝置鋁電解過程中會產(chǎn)生大量煙氣和粉塵，集氣排煙裝置的作用便是將槽內(nèi)煙氣由集氣箱集聚到支煙管，再到外部總煙管進行集中處理，消除有害氣體，回收有用物質(zhì)，還能依據(jù)各廠的實際情況進行不同程度的余熱回收利用。集氣煙道分為單煙道和雙煙道，本次設計采用單煙道集氣排煙裝置，它由排煙管、頂部及側(cè)部密封鋁罩構(gòu)成。1.4陰極結(jié)構(gòu)在鋁電解工藝中，陰極結(jié)構(gòu)是鋁電解槽的一個重要組成部分，它指的是陽極炭塊下方承載并容納電解質(zhì)熔體和鋁液的容器，包括槽殼及內(nèi)襯砌體兩部分，槽殼以及槽膛與之間的陰極炭塊、陰極鋼棒、側(cè)部內(nèi)襯、底部內(nèi)襯等都屬于陰極結(jié)構(gòu)。陰極結(jié)構(gòu)的構(gòu)造方式及其設計的合理性、科學性直接決定該鋁電解槽的各技術(shù)指標與經(jīng)濟指標。1.4.1槽殼結(jié)構(gòu)槽殼是鋁電解槽中剛度和強度都很大的一個容納內(nèi)襯結(jié)構(gòu)和槽膛結(jié)構(gòu)的部分，它需要支撐整個電解槽的重量，過去鋁電解工業(yè)生產(chǎn)中常采用無底槽殼，而現(xiàn)在常采用框式或者托架式的有底槽殼，本次設計中采用托架式槽殼。因為鋁電解過程是在高溫下進行反應，故槽殼不止承擔整個槽體的重量，還要承受內(nèi)襯結(jié)構(gòu)及其它槽體結(jié)構(gòu)高溫下造成的應力作用，因此鋁電解槽槽殼尺寸及材料的選擇就顯得尤為重要。由于框式槽殼比較廢鋼材，且在力的作用下容易變形，所以它僅適用于中小容量槽。而托架式槽殼抗變形能力強，支架結(jié)構(gòu)在保證穩(wěn)固程度的前提下還節(jié)省了鋼材的使用量，計算機系統(tǒng)還能對其局部變形進行分析和處理，所以大型預焙陽極鋁電解槽一般選用托架式槽殼。故本設計中也采用托架式（即搖籃式）槽殼。1.4.2內(nèi)襯及保溫絕熱材料鋁電解槽內(nèi)襯材料的選擇十分重要，其對槽體的耐火、保溫、絕熱、絕緣起到很重要的作用，一般有碳質(zhì)、耐火、保溫、防滲、連接等多種材料種類?；窘Y(jié)構(gòu)有整體、半整體搗固型及砌筑型三類，本次設計選擇搗固糊接縫的砌筑型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。（1）電解槽側(cè)部內(nèi)襯的選擇

鋁電解槽一般通過側(cè)部散熱，頂部及底部則要通過選擇合適的保溫耐熱材料對鋁電解槽進行保溫。所以槽體側(cè)部通常放入側(cè)部炭塊來進行散熱。鋁電解的反應在高溫環(huán)境下進行，為了防止陽極炭塊在高溫下體積膨脹而造成側(cè)部內(nèi)襯變形，一般要在炭塊和鋁電解槽中間留有一定距離，這個距離稱作伸縮縫的大小。側(cè)部爐幫的產(chǎn)生可以起到保護電解質(zhì)的作用，而伸腿可以促進側(cè)部爐幫的生成，因此我們需要在底部側(cè)部炭塊之間放置一個碳質(zhì)人造伸腿。本次設計選取側(cè)部炭塊的厚度為

125mm，伸縮縫為5mm，槽殼為

12mm。（2）電解槽底部內(nèi)襯的選擇上面部分已經(jīng)提到要通過選擇合適的保溫耐熱材料對鋁電解槽的頂部及底部進行保溫。槽底內(nèi)襯由上而下依次為（×號后面的數(shù)表示該種內(nèi)襯材料要鋪的層數(shù)）：

65mm×2

耐火磚，用

2mm

的Al2O3粉填充這兩層耐火磚；65mm×1

干式防滲料，防止槽膛內(nèi)部的電解質(zhì)熔體滲漏且與少量滲漏熔體結(jié)合生成問過防滲層，可使氟鹽消耗量大大降低、電解槽使用時間有所延長；65mm×1.4.3陰極結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇與計算由于鋁電解過程中需要通入直流電，再加上設備中通入的交流電，故槽體內(nèi)部有磁場存在，鋁液界面在磁場的作用下產(chǎn)生發(fā)生變形。通過參考文獻可得，當陰極炭塊寬度與陽極炭塊寬度相等的時候可以降低磁場對鋁液的變形作用REF_Ref2844\n\h[16]。故本次設計中陽極炭塊與陰極炭塊寬度選取同樣的尺寸，使用長炭塊作為陰陽兩極，其中陰極炭塊的大小設為

3750mm×740mm×450mm。

陰極炭塊與端壁之間的距離選取

420mm，兩個陰極炭塊之間的距離選取

40mm。通過方程式可計算出陰極炭塊的數(shù)量（20300為后續(xù)計算中槽膛長度）：20300?40×n?1203000?40×4300?3750綜合考慮后，選用鋼棒尺寸5100mm×240mm×180mm；根據(jù)經(jīng)驗選用陰極電流密度0.18～0.25A/mm2，即DS=5200000.242166666.67240×d=1.5母線結(jié)構(gòu)1.5.1母線結(jié)構(gòu)及配置電解槽內(nèi)由于各母線結(jié)構(gòu)的分布位置、形態(tài)及作用不同一般分為4種，即軟帶母線、陰極母線、陰極母線、立柱母線。陽極母線分為陽極橫母線和陽極軟母線，陽極炭塊組固定到陽極橫母線上，陽極橫母線將電流傳導給陽極炭塊，同時支撐整個陽極組的重量；陽極軟母線則一端連接陽極橫母線，另一端連接立柱母線；立柱母線還和陰極母線相連，陰極母線分布在槽殼底部及四周；連接各槽與各廠房之間的母線稱為聯(lián)絡母線。這些母線通過有規(guī)律的連接，把各電解槽串聯(lián)成一個有機序列。母線結(jié)構(gòu)所用材料為鋁母線，由于鑄造鋁（對應鑄造母線）可以減小母線的電流密度和電壓降，減少成本，所以它在母線結(jié)構(gòu)中更常用，壓延鋁（壓延母線）只有在母線特殊結(jié)構(gòu)中才會使用。母線在鋁電解槽的所有成本中占比很大，構(gòu)造合理的母線結(jié)構(gòu)十分重要，通常通過先進的計算機技術(shù)分析槽內(nèi)磁場來獲得合適的母線排列、進電方式以平衡槽內(nèi)磁場。1.5.2陽極母線（1）陽極橫母線本次設計中陽極橫母線的進電方式選擇“四端進電”，故通過陽極大母線的電流強度為I8（I表示電解槽容量），再通過其與所選取的電流密度

0.332A/mmSm=I8檢驗陽極橫母線電流密度，得：D=（