200KA预焙阳极铝电解槽阳极组设计

..优选绪论20世纪80年代以前，工业铝电解的开展经历了几个重要阶段，其标志的变化有：电解槽电流由24kA、60kA增加至100～150kA；槽型主要由侧插棒式〔及上插棒式〕自焙阳极电解槽改变为预焙阳极电解槽；电能消耗由吨铝22000kW·h降低至15000kW·h；电流效率由70～80%逐步提高到85～90%。1980年开场，电解槽技术突破了175KA的壁垒，采用了磁场补偿技术，配合点式下料及电阻跟踪的过程控制技术，使电解槽能在氧化铝浓度变化范围很窄的条件下工作，为此逐渐改进了电解质，降低了温度，为最终获得高电流效率和低电耗创造了条件。在以后的年份中，吨铝最低电耗曾降低到12900～13200kW·h，阳极效应频率比以前降低了一个数量级。80年代中叶，电解槽更加大型化，点式下料量降低到每次2kg氧化铝，采用了单个或多个废气捕集系统，采用了微机过程控制系统，对电解槽能量 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 每5s进展采样，还采用了自动供料系统，减少了灰尘对环境的影响。进入90年代，进一步增大电解槽容量，吨铝投资较以前更节省，然而大型槽〔特别是超过300kA〕能耗并不低于80年代初期较小的电解槽，这是由于大型槽采取较高的阳极电流密度，槽内由于混合效率不高而存在氧化铝的浓度梯度；槽寿命也有所降低，因为炉帮状况不理想，并且随着电流密度增大，增加了阴极的腐蚀，以及槽底沉淀增多，后者是下料的频率比较高，而电解质的混合程度缺乏造成的。尽管如此，总的经济状况还是良好的。90年代以来，电解槽的技术开展有如下特点：电流效率到达96%；电解过程的能量效率接近50%，其余的能量成为电解槽的热损而耗散；阳极的消耗方面，炭阳极净耗降低到0.397kg/kg-Al；尽管设计和材料方面都有很大的进步，然而电解槽侧部仍需要保护性的炉帮存在，否那么金属质量和槽寿命都会受负面影响；维护电解槽的热平衡〔和能量平衡〕更显出重要性，既需要确保极距以产生足够的热能保持生产的稳定，又需要适当增大热损失以形成完好的炉帮，提高槽寿命。我国的电解铝工业可自1954年第一家铝电解厂〔XX铝厂〕投产算起，至2021年已有56年历史，在电解槽设计中，已掌握"三场〞仿真技术，在模拟与优化方面采用了ANSYS和MHD等软件；能较好的处理电解槽的磁场、流场、热-电平衡等问题，为大型和特大型预焙槽的设计和制造奠定了根底。我国近几年开发应用的200kA及其以上容量的大型预焙铝电解槽均取得了较好的技术经济指标，以目前已开发应用的最大容量铝电解槽--350kA预焙槽为例，主要技术经济指标为：电流效率94.43%；直流电耗13310kW·h/t-Al；阳极净耗397kg/t-Al。第二章现代铝电解槽构造及预焙阳极炭块2.1现代铝电解槽构造现代铝工业已根本淘汰了自焙阳极铝电解槽，并主要采用容量在160kA以上的大型预焙阳极铝电解槽〔预焙槽〕。工业铝电解槽通常分为阴极构造、上部构造、母线构造和电气绝缘四大局部。各类槽工艺制度不同，各局部构造也有较大差异。图2-1是我国一种200kA预焙阳极铝电解槽构造图[1]。图2-1我国一种200kA预焙阳极铝电解槽构造图1-混凝土支柱；2-绝缘块；3,4-工字钢；5-槽壳；6-阴极窗口；7-阳极炭块组；8-承重支架或门；9-承重桁架；10-排烟管；11-阳极大母线；12-阳极提升机构；13-打壳下料装置；14-出铝打壳装置；15-阴极炭块组；16-阴极内衬2.1.1上部构造槽体〔金属槽壳〕之上的金属构造局部，统称上部构造，它分为承重桁架，阳极提升装置，打壳下料装置，阳极组，集气和排烟装置。1.阳极炭块组阳极组由炭块、钢爪和铝导杆组成，炭块有单块组和双块组之分，按钢爪数量有四爪和三爪两种。钢爪与炭块用磷生铁浇注连接，与铝导杆一般采用铝-钢爆炸焊连接。与单块组不同的是，双块组使用一根铝导杆连接着两块阳极。2.阳极升降装置预焙槽阳极提升装置有两种，一种是螺旋起重器式的升降机构；另一种是滚珠丝杠三角板式的阳极升降机构。阳极提升装置为螺旋起重器升降机构，它由螺旋起重机、减速机、传动机构和马达组成。4个螺旋起重机与阳极大母线相连，由传动轴带动起重机，传动轴与减速箱齿轮通过联轴节相连，减速箱由马达带动。当马达转动时便通过传动机构带动螺旋起重机升降阳极大母线，固定在大母线上的阳极随之升降。提升装置安装在上部构造的桁架上，其行程为400mm，在门式架上装有与电机转动有关的回转计，可以准确显示阳极母线的行程值。3.承重构造承重桁架如图2-7所示，下部为门式支架，上部为桁架，整体用铰链连接在槽壳上，桁架起着支承上部构造的其它局部和全部重量的作用。图2-2一种200kA预焙阳极铝电解槽承重桁架构造图桁架；2-支架或门；3-铰接点4.加料装置预焙铝电解槽上使用线下料装置，多数位于两排阳极中央空间部位，每次打壳下料的间隔时间为60～120min。打壳机构分为铡刀型、刀齿混合型，按照一定间距固定在槽纵向中央可升降的工字钢梁上，其上部安装线加料定容器。定容器由两条钢组成，两端用轴联接。5.集气装置预焙槽由上部构造盖板和槽周假设干块可人工移动的铝合金槽罩密封，分别由假设干块大面罩、角部罩和小面罩组成。槽子产生的烟气由上部构造下方的集气箱聚集到支烟管，再进入墙外总烟管而到净化系统。为了保证换阳极和出铝翻开局部槽罩作业时烟气不大量外逸，支烟管上装有可调节烟气流量的控制阀，当电解槽翻开槽罩作业时，将可调节阀开到最大位置，此时排烟量是平时的2.5倍，使作业时烟气捕集率仍能保证到达98%。2.1.2阴极构造电解铝工业所言的阴极构造中的阴极，是指盛装电解熔体〔包括熔融电解质与铝液〕的容器，包括槽壳及其所包含的内衬砌体，而内衬砌体包括与熔体直接接触的底部炭素〔阴极炭块为主体〕与侧衬材料，阴极炭块中的导电棒、底部炭素以下的耐火材料与保温材料。阴极的设计与建造的好坏对电解槽的技术经济指标〔包括槽寿命〕产生决定性的作用。阴极构造包括：槽壳构造，内衬构造。2.1.3母线构造整流后的直流电通过铝母线引入电解槽上，槽与槽之间通过铝母线串联而成，所以，电解槽有阳极母线、阴极母线、立柱母线和软带母线；槽与槽之间、厂房与厂房之间还有联络母线。阳极母线属于上部构造中的一局部，阴极母线排布在槽壳周围或底部，阳极母线与阴极母线之间通过联络母线、立柱母线和软母线连接，这样将电解槽一个一个地串联起来，构成一个系列。2.1.4绝缘设施在电解槽系列上，系列电压达数百伏至上千伏。尽管人们把零电压设在系列中点，但系列两端对地电压仍高达500V左右，一旦短路，易出现人身和设备事故。而且，电解用直流电，槽上电气设备用交流电，假设直流窜入交流系统，会引起设备事故，需进展交、直流隔离。因此，电解槽许多部位须要进展绝缘。2.2预焙阳极炭块的根本概述在铝电解生产中，由于所采用的冰晶石—氧化铝熔盐电解体系具有温度高、腐蚀性强等特点，作为阴、阳两极的导电材料，消耗量非常大。迄今为止能够抵御这种强高温熔盐的腐蚀、且价格低廉而又具有良好导电的，唯有炭素制品。因此，铝工业上均采用炭素电极——炭阴极和炭阳极。阳极在电解槽的上部，是铝电解槽的心脏，它承担向电解槽导入直流电和参与电化学反响的任务，阳极质量和工作状况的好坏，直接影响着铝电解生产的主要工艺技术指标，诸如能量效率和电流效率，同时也直接影响着铝电解的生产本钱；此外，炭阳极质量优劣与铝电解生产过程的稳定性和工人的劳动强度严密相关。铝电解生产对炭素阳极的根本要求如下：1.要求阳极具有良好的物理化学性能，减少阳极对空气和二氧化碳反响活性，以求到达降低炭耗、延长阳极更换时间、减少电解槽含炭渣量的目的。2.要求阳极具有良好的电化学性能，以求到达提高阳极电化学反响活性，降低电解过程中电能消耗的目的。3.要求阳极杂质含量要少，以免在电解过程中进入成品而影响产品质量。4.要求阳极质量更均匀、更稳定，以求到达电解槽稳定操作和进一步降低阳极效应系数的目的。铝电解预焙阳极由预先焙烧好的多个阳极炭块组成，每个阳极炭块组由2～4个阳极炭块及导杆、钢爪等组成。预焙阳极多为连续式，每组阳极可使用l8～28天。当阳极炭块被电解反响消耗到原有高度25％左右时，为了防止钢爪熔化，必须将旧的一组阳极炭块吊出，用新的炭块组取代，取出的炭块称为"残极〞。我国XX铝厂、XX铝厂、XX铝厂、XX铝厂、XX铝厂、XX铝厂都有预焙阳极电解槽系列，总生产能力达40万t。正在建立的XX轻金属研究院沁阳280kA预焙阳极电解试验厂，将成为我国铝电解工业试验基地。预焙阳极的操作主要有吊出残极、清理残极、新炭块组组装、安装新炭块组等。由于预焙阳极操作简单，没有沥青烟害，易于机械化操作，易于电解槽大型化和高效益[1]。因此，国内外新建大型铝厂多采用此种阳极。2.3改善阳极炭块质量的途径尽管我们在阳极的物理化学及电化学性能方面开展了许多应用研究，但由于受原料和现行生产工艺等客观条件的限制，我国的阳极质量还是不能很好地满足生产的要求。要改变目前铝电解用炭阳极的不良工作状况，应从如下几方面着手。首先，是从根本上对铝电解用阳极进展"革命〞，那就是采用"惰性阳极技术〞。长期的生产实践说明，传统的炭阳极最大的缺陷就在于它是属于消耗性电极，由此导致其必须进展周期性的更换，这样必然会带来多方面的问题：其一是大量的优质炭素原材料被消耗，这是原料的浪费；其二是由于需要定期更换，导致电解槽电流分布和电解槽电解用炭阳极的综合性能热平衡经常遭到破坏，建立新的平衡需要补充热量，这是能源的浪费；其三是炭阳极在工作过程中具有很高的过电位，导致电解槽工作电压提高，也就是增加了电解过程中的能耗；其四是由于炭阳极在使用过程中不均匀氧化和炭粒脱落，使电解质中积累炭渣，导致电解电流效率降低；另外，阳极的经常更换也增加了工人的劳动强度和工时。作者认为在研究预焙阳极改性技术的过程中，以下几点不容无视：1〕添加剂原料的来源要广，价格要相对低廉；2〕添加剂合成要简单，易于工业生产；3〕添加剂的合成应尽量与阳极生产工艺相结合,可节省人力和设备的投入；4〕添加剂的参加不对电解产品构成污染[2]。2.4我国铝用预焙阳极生产开展趋势我国的铝用预焙阳极主要朝以下三个方面开展：1.环境保护由于铝电解工业开展的诸多问题，导致了我国目前铝用预焙阳极开展的无序状态，尤其是众多自焙铝电解槽的改造，大有将铝电解工业的污染转移到阳极生产工业的趋势。我国除少数与大型电解铝厂自己配套的炭素厂，如XX铝厂、XX铝厂、平果铝厂等采用了较先进的环保技术外，大多数由阳极糊生产厂而开展起来的预焙阳极生产厂都没有采取环保 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 。随着国家对环保政策的日益严格及人们对环保意识的提高，我国已建、扩建、在建及拟建的预焙阳极生产厂将采取先进的环保技术，如VIR反响器技术等，完全解决预焙阳极焙烧的环境污染问题；对于沥青熔化时的烟气污染，预焙阳极废残品的破碎、煅后石油焦的破碎、筛分等的粉尘污染以及球磨系统的噪音等尚需进一步开发研究治理技术。2.节约能源我国众多的预焙阳极生产厂，较普遍地存在着能耗高的问题，主要 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现在罐式煅烧炉余热排空，焙烧炉燃烧系统没有实现自动控制技术，此外，还有相当一局部企业采用落后的倒焰窑焙烧技术，与国际先进水平存在较大差距，阳极能耗消费是国际先进水平的2倍。为此，采用新型的节能技术，到达节能降耗、降低生产本钱、提质提产是各个生产企业寻求开展的方向。目前，我们应大力推广已成熟的煅烧余热利用技术，积极引进与消化焙烧炉自动燃烧新技术，使我国的预焙阳极生产的能耗降低30％～50％。3.提高预备阳极生产质量尽管我国铝用预焙阳极生产得到迅猛开展，但所生产的预焙阳极质量〔除极少数出口的外〕与国际先进水平相比仍有较大差距，应努力全面提高预焙阳极质量[3]。第三章阳极炭块在铝电解生产中的重要性及生产工艺3.1阳极组的根本构造阳极炭块的组装是将阳极导杆，铸钢爪和预备阳极炭块组合为一体的工艺过程。阳极炭块组一般为单块组，也有双块组或三块组，铝电解槽由8～32组阳极炭块组构成。铝导杆用铝合金〔95%Al+5%Si〕制作。铝导杆与钢梁之间的联接用爆炸焊，钢梁下面焊接圆柱形钢爪。阳极炭块有安放钢爪抓头的炭碗。用振动成型生产的阳极炭块一般在振膜上油专门制炭碗的装置，成型，制碗一次完成。阳极炭块一般使用周期为20～28天，阳极炭块直接放在铝电解槽的电解质中，并参与阳极反响。每个预备阳极炭块组由三个局部组合而成，即铝导杆，铸钢爪和预焙阳极炭块。它们之间〔导杆和铸钢爪之间〕通过焊接，磷生铁浇注连接为一体，阳极炭块组如图4-1所示。图3-1"单块组-四爪〞阳极组构造示意图预焙阳极〔CarbonPrebakeAnode〕是预焙阳极电解槽的重要组成局部，它由多组阳极炭块组和阳极提升机构局部组成，它参与电化学反响并把电流导入电解槽内。每组阳极炭块由1～3块阳极炭块，阳极铝导杆和钢爪预先组成，其中以单块阳极组使用最为普遍。炭块的数量和尺寸根据电解槽的容量和电流密度而定〔一般为10～40组〕。这些炭块组在槽内成堆地排列在阳极水平母线的左右两侧，炭块组的铝导杆靠可转动的卡具固定在水平母线上，铝导杆起着输送电流和吊挂组的双重作用。阳极提升机构是升降阳极的机构。随着炭阳极的消耗，阳极机构带动阳极炭块组下降，当降至最低位置时，借助阳极提升机构，通过转接母线作业把水平母线提高，以保证在电解过程中阳极升降机构连续带动阳极炭块组下降，使阴阳极间的间距相对稳定。现代大型预焙阳极多采用自动控制。3.2阳极炭块在铝电解生产中的重要性长期的生产实践说明，炭阳极质量的优劣，直接或间接影响着铝电解的各项经济技术指标，诸如电流效率、电能消耗、阳极炭耗等。因此，炭阳极在电解铝工业中不可防止地处于举足轻重的地位，一直被业内人士看成为铝电解槽的"心脏〞。首先，阳极质量的好坏直接影响着铝电解生产的主要工艺技术指标，诸如能量效率和电流效率，同时也直接影响着铝电解的生产本钱；其次，炭阳极质量的优劣与铝电解生产过程中的稳定性和工人的劳动强度严密相关；再者，炭阳极在工作中对环境的污染程度已经越来越受到人们的关注，其中尤其是针对自焙阳极铝电解的生产技术方面，国内外均采取了一系列甚至是强制性的措施。随着世界铝电解技术的快速开展和环保意识的增强，适宜于规模化操作和大型化生产以及环境污染相对较轻的预焙槽电解铝技术已经成为世界铝电解技术的主流。在我国，从20世纪90年代后期就明确规定，要在新世纪初根本停顿自焙槽电解炼铝，这标志着我国的铝电解工业将由过去的自焙槽生产为注意转化成向大型预焙槽方向快速开展。但是，阳极的"质量问题〞仍然将是阻碍我国铝电解整体水平向世界先进水平靠拢的主要障碍之一，进一步提高我国阳极生产工艺技术或者在现有工艺技术条件的根底上改善作为预焙铝电解槽"心脏〞的炭阳极的物理化学和电化学性能指标，可以有效地降低铝电解的生产本钱，稳定铝电解生产操作和提高铝电解生产效率，对促进我国铝电解工业的开展，提高我国铝工业在国际市场上的竞争力有着不可轻视的作用[4]。3.3阳极炭块的生产工艺流程阳极炭块的生产工艺包括原料的预碎、煅烧、破碎、筛分分级、配料，粘结剂的预处理、混捏，混捏后的糊料成型、焙烧及清理加工，工艺流程图见图5-1所示。图3-2阳极炭块生产工艺流程碳素原料在隔绝空气的条件下进展高温处理的过程。国内煅烧石油焦的主要设备有罐式煅烧炉和回转窑。罐式煅烧炉根据物料与加热气流的流动方向，可分为顺流式罐式煅烧炉和逆流式罐式煅烧炉两种。煅烧石油焦的真空密度为1.99～2.03g/cm3，粉末电阻率小于650uΩ·m-1。我国石油焦的煅烧多在碳素厂或铝厂进展。破碎筛分破碎和筛分是指将煅烧石油焦破碎，按照配方要求筛分和磨粉分成不同粒级的料，装入各自的料仓内的过程。配料按既定的配方进展。配方根据原料、产品的种类及性能要，通过科学实验和工业实践而得到。不同产品的配方是不同的。阳极糊的典型配方见表3-1：沥青含量占总糊料的〔28±3〕℅。表3-1阳极糊的典型配方粒能/mm+4-4+2-2+1-1粉料含量/℅﹤223±313±3余量483预焙阳极炭块的配方有大颗粒配方和小颗粒配方两种，沥青含量根据干料配方和成型工艺而有所不同，一般为16℅～18℅。混捏的目的是使各种不同颗粒的骨料均匀混合，使熔化的沥青浸润颗粒外表，并渗入焦炭内部的孔隙。在粘结剂粘结力的作用下，所有颗粒互相粘结起来，形成具有塑形的糊料，有利于成型。一般用中温煤沥青时混捏温度为〔145±5〕℃，用高温煤沥青时混捏温度为〔18±5〕℃。常用的混捏设备是连续式的混捏锅或连续混捏机。阳极糊的成型较简单，铸成500kg以上大块或15kg以下的小块后冷却，使用时直接加载电解槽上部即可。但干阳极糊通常为1kg以下的球型小块。阳极炭块通常用两种方法成型：震动成型和挤压成型。挤压成型设备采用水压机或油压机；振动成型采用专用的振动成型机组。振动成型法是目前大型铝电解厂制造阳极炭块广泛采用的方法，生产率高，生产炭块质量好，且可直接之城炭碗。80年代我国引进了先进的多工位振动成型机组，在一个可转的工作平台上，连续完成下料、振动成型、脱模推出工序，使成型得以连续进展，大大提高了生产效率。阳极炭块的焙烧目的是排出挥发分、使粘结剂焦化并与固体颗粒结实地粘结在一起，提高炭块的机械强度和导电性能。生阳极块经板式输送机送入焙烧车间,经碳块编组站编为7块一组，置于专用的编组架上，产品装炉时由多功能机组一次夹2组碳块〔共14块〕装入焙烧炉。填充料的装、出炉操作,采用1台多功能机组和1台填充料专用装出炉机组共同完成。生阳极的焙烧采用一台54室敞开式焙烧炉,共设3个火焰系统,每个火焰系统6室运转,焙烧曲线为26～30h/室,每个炉室8个炉箱,炉箱尺寸5300mm(长)×800mm(宽)×5600mm(深),每箱装3层,每层装7块,每个炉室装168块。焙烧炉用焦炉煤气作为燃料。按编制的时间表,将装好生阳极炭块的焙烧炉室接入加热系统，加热系统烟气温度为1200℃，整个加热升温过程用计算机进展控制。经156～180小时完成加热焙烧后切断热源脱离加热系统,对炉室进展强制冷却,冷却到规定的时间后出炉。生阳极炭块装入焙烧室时，需要在炭块四周和顶部填充焦粉，以防止炭块在高温焙烧时接触空气氧化。加热系统的火道采用负压运行，局部填充焦粉、生阳极炭块高温焙烧过程原料沥青中的挥发份等从焙烧室缝隙吸入火道被燃烧。阳极焙烧分4个区，工作区-冷却区-加热区-预热区。6个室一周转。工作区为1个室，冷却区为1个室，加热区为1个室，预热区为3个室。工作区为装、出阳极区，冷却在冷却区由鼓风机强制通风冷却，风在冷却阳极的同时，自身也得到预热，热风作为加热区的一次空气助燃，燃烧后的废气进入预热区预热阳极。焙烧阳极出炉时,首先用填充料装出炉机组去除覆盖在阳极上的填充料,然后用多功能机组将两个炉箱内的阳极〔共14块〕一次吊出送到清理站解组并清理，由阳极清理机组的机械刮刀机械清理，同时抽风吸尘。经清理及测试后合格的阳极炭块送到碳块库由堆垛天车堆垛贮存，外售。在焙烧过程中,从焙烧炉排出的含有沥青焦油及粉尘的焙烧烟气进入净化系统处理。炭阳极的焙烧对生产出高质量的预焙阳极起着重要的作用[5]。第四章阳极电流密度及阳极炭块单块截面积计算4.1阳极电流密度的选择电流密度作为电解槽设计与计算的根底，是一个十分重要的问题。如何选择电解槽的电流密度，将对电解槽今后产生的技术经济指标产生直接影响。对于电解槽的生产而言，最适宜的电流密度，应根据槽子选用材料、厂房通风情况、综合生产工艺技术条件最后得出一个可行的 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们，较低的电流密度有利于保持平稳的情况和较低的电耗。电解槽电流密度的这种变化，主要反映在技术上的要求，即：在容量较小的电解槽上，由于电流密度较低，而其散热损失相对较大，因此，必须提高电流密度，并缩小电解槽的散热外表。这样，才能保持在所有要求条件下的能量平衡。而容量较大的电解槽，由于散热损失相对较小，而随着电流密度的降低，槽电压也相对降低，电耗随之降低，这种表现出经济上的某些合理性[6]。阳极电流密度一般为0.72～0.78A/cm2,综合考虑取平均值D阳极=0.75A/cm2。4.2炭块单块截面积的计算阳极炭块水平面积,是根据电解槽容量大小、阳极数量以及阳极电流密(0.72～0.78A/cm2)参数控制来确定的。其长宽比的合理范围为:1≤长宽比≤2.3。在现代大型预焙槽的设计中,为了提高电解槽单位面积的产能,通过减小加工面和中缝尺寸尽可能地增大阳极面积,为强化电流创造条件[6]。本次设计采用单块阳极。4.2.1阳极炭块的长度(L)的选择阳极炭块的长度决定于槽整体阳极宽度，160～320kA预焙槽阳极长度以1400mm～1600mm为宜。老槽强化生产，提高电流强度，在不改变电流密度的情况下加长阳极长度。综合考虑取阳极炭块长度L=1450mm。4.2.2阳极炭块的宽度〔W〕的选择如果选择阳极块过宽,那么必须采用双排钢爪,在选用750mm～1000mm宽碳块,就应该考虑双排钢爪,必然使钢爪总断面及用钢量增加,使钢爪在生产中散发大量热量,在大型预焙槽构造设计选用单排钢爪的660mm宽阳极是可行且合理的,在300kA～350kA预焙槽选用双块每块宽度660mm左右的设计也是合理的。阳极宽度选择，应该根据电流效率，阳极净耗。换级的频率综合考虑。还要考虑与阴极炭块宽度匹配。目前，我国大型预焙槽〔160～350kA〕的阳极宽度根本上都是660mm〔双阳极组中的阳极块也为660mm〕[1]。所以，综合考虑，本次设计取阳极块的宽度W=660mm。长宽比=1450/660=2.19﹤2.3，所以符合要求。阳极炭块的高度〔H〕的选择阳极碳块高度大小,决定换极周期,换极作业的劳动消耗、阳极的毛耗量以及阳极本体电压降、阳极散热与保温。阳极炭块的高度影响到以下几个方面：〔1〕换极周期。换极周期是指一块新阳极的工作天数；〔2〕阳极电压降。阳极电压降随着阳极高度的升高而增大，所以会增大电解耗能；〔3〕阳极保温。阳极高度过高，不利于阳极上覆盖的氧化铝的保温作用，即不利于电解槽热平衡的稳定；〔4〕电解槽上部构造。阳极高度越大，那么电解槽立柱母线越高，上部金属构造的位置被抬高，荷重加大；〔5〕阳极电流密度。阳极高度越大，从阳极侧面流出的电流相对于阳极底部流出的电流的比例更大，这对电解技术经济指标不利。根据炭块高度〔H〕的公式：H=残极量+母线行程〔400mm〕1〕残极量选择的依据：保证有足够的垂直电流，尽量降低水平电流。预焙阳极碳块在电解槽上使用以后的参与局部。在阳极炭块的使用周期你诶，随着阳极被逐渐消耗，阳极机构带动阳极炭块的下降，以保证电解槽稳定的极距。当使用一定时间后，炭块已变得很薄〔约13～18厘米〕，为防止阳极钢爪被电解质熔化，必须更换更换新的阳极炭块组。取出的这些参与炭块成为残极。残极量一般式阳极炭块量的15%～25%.2〕根据经历，残极量一般取为150mm故H=150mm+400mm=550mm每块阳极炭块的水平截面积S炭块=1450×660=957000mm2阳极高度消耗速度〔hc〕为：hc=式中：8.054—系数〔它等于铝的电化当量乘以每日的24小时，即0.3356×24〕；hc——阳极消耗速度；cm/d；d阳——阳极电流密度；A/cm2；λ——电流效率%；取90%；Wc——阳极净耗量；kg/吨-Al；取400kg/t-Al；dc——阳极假密度；g/cm3。取1.55g/cm3hc=8.054×0.75×90%×400×10-3/1.55=1.40cm/dλ=〔H-HL〕/hc式中：λ—换极周期；取28d；hc—阳极高度消耗速度；cm/d；H—阳极炭块总高；cm；HL—残极高度；一般取15cm。H=λ×hc+HL=1.40×28+150mm=543mm，所以阳极炭块高度可取550mm。4.2.4预焙阳极铝电解槽采用单块组设计预焙阳极炭块〔L×W×H〕选为L=1450mm；W=660mm；H=550mm。即L×W×H=1450×660×550mm。每块阳极炭块的水平截面积S炭块=1450×660=957000mm2第五章阳极组各部件构件材质及尺寸的选择及计算5.1预焙阳极炭块的L×W×H，强度等各项指标的计算阳极面积的计算S阳=I/D阳极=200000÷0.75cm2=266667cm2阳极炭块数目的计算N=S阳/S炭块=266667cm2÷9570cm2=27.86〔块〕取N=28，即阳极炭块28组，分为两行，每行14组验证电流密度D阳1=200000/〔9570×28〕=0.746A/cm2相对误差△=(D阳极-D阳1)/D阳极=[(0.75-0.746)/0.75]×100％=0.53％<5％，符合要求。因此，阳极炭块的长宽分别为：L=1450mm，W=660mm。5.2钢爪的形状、爪数、直径、材质、截面积的选择阳极电压降和阳极电流分布的均匀性,除受阳极尺寸、形状影响外,还与钢爪直径、钢爪数量和钢爪在阳极上的配置形式有关。阳极钢爪在预备铝电解生产过程中，是一个异电体，强大的电流要通过，同时要起到支撑和联接铝导杆的作用，而且处在腐蚀气氛环境中。因此，阳极钢爪应具备以下良好性能，才能满足电解铝生产的使用要求：电阻率低，导电性能良好。具有一定的抗腐蚀性能，延长使用寿命。具有一定的强度和吃催稳定性，在电解过程中变形小。5.2.1钢爪的形状目前，我国的大型预焙槽钢爪横梁一般采用横截面为正方形的ZG25铸钢，钢梁的长度根据阳极炭块的长度而定并且比炭块的长度要小。所以，综合考虑，本次设计取钢梁L×W×H=1200mm×160mm×160mm。钢爪截面的形状有长方形，正方形或圆形，我国的大型预焙槽一般采用圆形或正方形。根据本次设计要求，钢爪的形状采用圆形。5.2.2钢爪的数量通常用钢爪数量与阳极截面积之比—钢爪载荷(m2/爪)来决定钢爪数量。在直径一样情况下,钢爪载荷大,每爪电流密度高,阳极电压降高,因此降低钢爪载荷有利于降低阳极电压降。但另一方面,由于降低钢爪载荷,钢爪数量相应增加,增加了修复及浇铸的工作量。实践证明,钢爪载荷随电解槽容量的增大而增大,对于大容量的电解槽,钢爪载荷应控制在0.16～0.3m2/爪范围。通常<0.25m2/爪较理想[6]。本次采用四个钢爪经计算,本设计的钢爪载荷=36.3m2/(28×4)≈0.3m2/爪，符合要求。5.2.3钢爪的直径和炭碗孔径的选择影响钢爪直径选取的一个关键指标,是铁-炭接触压降。它是浇铸铁与炭碗界面间,接触点电流密度增大以及存在杂质等现象而产生的,也是构成阳极压降的一个重要组成局部。它的大小取决于铸铁和炭块间的真实接触面积,即钢爪直径和炭碗孔尺寸。计算公式如下:Uc=d·rcUc—铁-炭接触压降,mVd—铁-炭接触电流密度,A/cm2rc—铁-炭接触比电阻,Ω·mm2/m所以增加钢爪直径,相应地增加炭碗孔径,便能增加铁2炭接触面积,降低电压降。阳极炭块一般为长方体，在其导电方向的上外表有2～4个直径为160～180mm、深度一般为80～120mm的圆槽，俗称炭碗。为提高铸铁与炭块的结合力，炭碗内壁加工有斜槽，一般炭碗有6道斜槽，槽呈上宽下窄的楔形，槽深20～25mm，倾斜角为70°～75°。炭碗是影响钢爪直径选取的一个关键指标，是铁炭接触压降。炭碗是影响钢爪直径选取的一个关键指标，是铁炭接触压降。它是浇铸铁与炭碗界面间，接触点电流密度增大以及存在杂质等现象而产生的，也是构成阳极压降的一个重要组成局部。它的大小取决于铸件和炭块的真实接触面积，即钢爪直径和炭碗孔尺寸。钢爪直径越大散热面越大，减小钢爪直径有利于减少热损失，节省能耗。所以钢爪直径不宜太大，即钢爪电流密度不宜太低。但钢爪直径假设太小，电流密度增高，接触电压降又会增大。在生产中对阳极组装钢爪的尺寸要求是：钢爪长度不小于260mm，各钢扑偏离中心线不大于10mm，钢爪直径不小于135mm，铸铁环厚度不小于10mm。目前，我国的钢爪电流密度一般按照0.1A/mm2左右选取,计算时取0.1A/mm2,根据通过的电流计算出钢爪的截面[6]。钢爪截面截面积的计算：导杆电流I导杆=200000A/28=7142.86A一个铝导杆接四个钢爪，那么每个钢爪通过的电流I爪=7142.86/4=1785.715A。所以，每个钢爪的截面积=1785.715/0.1=17857.15mm2。钢爪的直径d=√17857.15×4/3.14≈150mm,取钢爪的直径150mm。钢爪直径、炭碗直径与接触压降的合理配合范围应为:120≤钢爪直径≤180mm20≤炭碗间隙≤40mm综合考虑，取钢爪长度330mm、直径150mm、。取炭碗外孔径220mm，内孔径200mm，高度120mm，槽深30mm。5.2.4钢爪的材质主钢爪头为ZG25材质的铸钢件。根据阳极炭块组炭块的多少，抓头有三爪头、四爪头、六爪头等形式，抓头呈直线排列或矩形排列，每块炭块至少与两个爪头相连接。铝导杆与铸钢爪之间通过铝---钢爆炸焊块〔也有直接将铝杆与钢爪爆炸在一起〕连接。采用ZG25铸钢[6]。5.2.5钢爪截面积的计算本次设计钢爪的截面形状为圆形，直径是150mm，即D=150mm。根据圆的面积公式S=π〔D/2〕2，带入公式得S=1/4×3.14×1502=17662.5mm2。由于每个阳极炭块有四个钢爪，所以每个阳极炭块上钢爪总截面积：S爪=4×S=4×17662.5=70650mm25.3铝导杆的长度、截面积的选择，并进展校核铝导杆一般用一级铝及铝合金拉铸而成，铝导杆用铝合金〔95℅Al+5℅Si〕制作。其横截面为矩形，尺寸以通过它的电流大小而定，按经济电流密度选取，一般按为40A/cm2选取。我国常用的铝导杆横截面积为矩形或正方形。本次设计采用铝导杆的横截面积为正方形。铝导杆上与水平大母线接触的导电面，需经过加工，要求平直面光滑，外表少氧化膜，以减少接触电阻[6]。铝导杆与钢梁之间的连接用爆炸焊，钢梁下面焊接圆柱形钢爪。长度一般取1600～1800mm，综合考虑取1600mm。截面积的计算：导杆电流I导杆=200000A/28=7142.86A铝导杆的电流密度为0.4A/mm2，那么截面积S导杆=7142.86/0.4mm2≈18000mm2，那么铝导杆的宽=√18000=134.16㎜2，综合考虑取铝导杆的尺寸为140×140mm。所以，铝导杆截面积是19600mm2。5.4炭块与爪头的联结方法〔铸造磷生铁浇注，带炭领〕的选择铝电解阳极组装用磷生铁，其特征在于：增加磷生铁的碳含量，使碳当量接近4.3，硫含量要少于0.12%；将磷生铁的硅、磷含量分别降低0.5～1.5%和0.3～0.5%；添加0.5～2.5%金属锑等改性元素；因此，该熔炼温度降至1250～1350℃，延长工频炉寿命和减小能耗；铁环平均压脱力减小近1倍；试验极的铁-碳压降比普通极平均降低30mV左右；降低了阳极组装快废品率。当用电解质碎块封盖阳极钢爪时，电解质上炕后，高温熔融电解质由块状壳面的缝隙中渗透到阳极钢爪四周，将钢爪侵蚀，或钢爪四壳面过空且未及时砸实，造成钢爪被熔化。使用炭领即阳极保护环，阳极保护环，是借鉴自备电解槽技术将预焙槽残极经过破碎后，参加大约12%的粘结剂〔煤沥青〕，经混捏成型，组装到预焙槽阳极钢爪上。利用电解槽的热量，使保护环经过软化→排出→分解→聚合→焦化后，到达足够的强度，有效抵御电解质的侵蚀与冲刷，到达防止阳极钢爪被侵蚀的目的。第六章阳极组的改进6.1钢爪的变形问题在生产时,阳极炭块、钢爪、钢爪横梁均处于高温热场环境中,必然产生热膨胀,通过160kA和180kA槽上阳极温度的测量得知,钢爪横梁的温度平均为330℃;钢爪与炭块接触点的温度平均为610℃。由于钢在550℃时,屈服应力为σs=300kg/cm2,钢爪与炭块联接点平均工作温度下应力为:σ=αΔTE=114×10-5×(610°-20°)×2×105=1652kg/cm2说明钢爪已处于蠕变状态,在受到外力作用时,将产生塑性变形。在工作状态下,钢爪梁和钢爪受热膨胀的情况,这个膨胀力通过铸铁传到炭块断面。假设炭块的膨胀与钢爪、钢爪梁同向相等,那么钢爪与炭块之间不会产生相对变形;假设炭块膨胀小于钢爪及钢爪梁变形,那么炭块将给钢爪一个束缚力。图6-1钢爪梁受热变形图设它们的热膨胀力分别为R梁、R炭,由于钢与炭的线胀系数之比α炭/α梁=1/5；温差之比ΔT炭/ΔT梁=(610-20)/(330-20)=2,所以,ΔLT梁>ΔLT炭,R梁>R炭,钢爪受到的作用力R=R梁-R炭>0,钢爪受束缚产生向内弯曲的塑性变形。炭块的膨胀力R炭是一个定值,所以,钢爪梁的膨胀力R梁越小(即越接近R炭),那么使得钢爪塑性变形的作用力R就越小,钢爪变形小[7]。6.2设计思路在电解槽上部空间允许的条件下,将钢爪梁设计成如图9-2的形式，是一种减小钢爪变形的有效方法。改变横梁的伸长方向,与水平呈45度夹角，梁的热膨胀力被分解成水平力和垂直力,垂直方向不受约束,而水平方向的力可以减小,因而热膨胀变形减小。这种形式的钢爪梁在国外有着广泛运用。减小钢爪的变形不仅可以减少维修工作量,提高钢爪的再利用率,也利于保证浇铸质量。图6-2改造型钢爪梁第七章阳极组电压降的计算阳极组电压降是铝电解槽内的重要参数之一。在生产中，阳极组电压降的测量主要目的是为技术改进提供资料，因而只在需要时测定[8]。7.1根本数据的查询铝的电阻率[1]ρ〔t〕=0.029〔1+0.004×t〕钢的电阻率[1]ρ〔t〕=0.143〔1+0.00423×t〕表7-1我国最新预焙阳极质量 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 [1]牌号物化性能表观密度/g-3真密度/g-3耐压强度/MPaCO2反响性/％室温电阻率/μΩ·m-1线胖胀系数/K-1灰分含量/％不小于不大于TY-11.532.0432.080.0555.0×10-60.5TY-21.502.0030.070.0606.0×10-60.8所以，综合考虑，采用牌号为TY-1，室温电阻率取50μΩ·m-1。表7-2各材料接点压降[4]材料接触情况面积电流〔A/cm2〕压降(mV)Al-Al焊接略高于本体金属Al-Al压接5～1051～5Al-钢焊接3～5Al-钢压接5～1020～35碳生铁-石墨铸造30～507.2根本参数的计算1.铝导杆电压降导杆电流I导杆=200000A/28=7142.86A电阻率ρ〔t〕=0.029〔1+0.004×t〕=0.029〔1+0.004×60〕=0.03596Ω·m-1·mm-2电阻R导杆=ρL/S=0.03596×1.6/(140×140)=2.935×10-6ΩU导杆=I导杆R导杆=7142.86×2.935×10-6=20.96mV2.卡具接触压降〔含压接方法的选择〕卡具接触压降=30mV3.钢爪及钢梁电压降钢梁L×W×H=990mm×150mm×150mm钢梁的电阻率ρ〔t〕=0.143〔1+0.00423×200〕=0.143〔1+0.00423×200〕=0.264Ω·m-1·mm-2钢梁的电阻R钢梁=ρL/S=0.264×0.99/(150×150)=1.162×10-5Ω钢梁的电压降U钢梁=I钢梁R钢梁=7142.86A×1.162×10-5=83.0mV4.铝钢连接处电压降铝钢连接处电压降=4mV5.炭碗处电压降炭碗处电压降=40mV6.阳极本身电压降〔V预阳〕阳极碳块尺寸大小L×W×H=1450mm×660mm×550mm阳极碳块的电阻率取50μΩ·m-1阳极碳块本身的电阻为0.55m×50μΩ·m-1=27.5μΩ阳极炭块本身的电压降=27.5μΩ×7142.86A=196.43mV表7-3阳极组各部件电压降统计表铝导杆电压降20.96mV卡具接触电压降30mV钢爪及钢梁电压降83.0mV铝钢联结处电压降4mV炭碗处电压降40mV阳极本身电压降196.43mV总结炭阳极在电解铝工业中的地位可谓是举足轻重，它一直被业内人士看成为铝电解槽的"心脏〞。阳极质量对电解槽生产状况、生产铝的品味、吨铝阳极消耗、电能消耗、电流效率等密切相关。因此，设计者对阳极碳块的质量要求必须有严格的准那么。阳极构造的设计以降低电压降为主。本次设计中，在确定电解槽容量200kA及阳极电流密度0.75A/cm2的根底上，设计的阳极炭块的尺寸L×W×H=1450×660×550mm。这主要考虑阳极炭块电压降与炭块工作周期的合理配合。钢爪的配置要与阳极碳块的几何尺寸匹配。钢爪直径的选择要利于电流均匀分布和较短的电流导程，从而降低阳极电压降。在本次课程设计中，根据钢爪上通过的电流密度，计算出钢爪的直径150mm。钢爪及炭碗直径的选取以降低铁和炭接触压降和减少热损为依据。综合考虑取炭碗外径220mm，内径200mm，高120mm，槽深20。对于在高温环境下工作的阳极钢爪，通过改变钢爪横梁的伸长方向,本次设计钢梁伸长方向与水平呈45度夹角，以此来减少水平方向的热膨胀力。这样，可以将钢爪的热变形控制在设计公差范围内，提高钢爪的重复利用率。阳极组电压降是铝电解槽内重要参数之一，它为生产中技术和工艺的改进提供了重要资料。通过这次课程设计，我们对于炭阳极的重要作用有了更加深刻的认识，使我们的专业只是更加丰富，这些都为我们今后的工作或者进一步的学习打下了良好的根底。致谢在本次课程设计中，我的指导教师阙教师和马腾学长对我精心的指导，在他们的帮助下我完成了课程设计。在此，我衷心的向我的指导教师和学长表示感谢！参考文献[1]X亚翔，李劼.现代铝电解[M]，冶金工业，2021。[2]王平甫，炭阳极及其对铝电解生产的影响[J]，XX轻金属研究院，2003。[3]姜玉敬，我国铝用预焙阳极炭块生产现状及开展趋势预测[J]，中国长城铝业公司，2001。[4]有色冶金炉设计手册编委会，有色冶金炉设计手册，冶金工业，2000。[5]董保卫，预焙阳极生产工艺的现状及开展方向[J]，2001年3期。[6]周丹，阳极构造设计探析[J]〔XX铝镁设计研究院，XXXX550001〕。[7]霍岱明，预焙阳极铝电解槽阳极与阴极炭块尺寸的优化设计[J]〔XX铝镁设计研究院，XXXX110001〕。[8]朱丹青，电解铝降低阳极碳耗的途径与措施[J]，XX铝镁设计研究院，2021。