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1、200KA预焙阳极铝电解槽阳极组设计-图文金属冶金学专业课课程设计一200kA预焙阳极铝电解槽阳极组设计第一章绪论20世纪80年代以前，工业铝电解的发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100150kA;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22000kW2h降低至15000kW2h;电流效率由7080%逐步提高到8590%。1980年开始，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，
2、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1290013200kW2h,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，对电解槽能量参数每5进行采样，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30OkA）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
3、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不足造成的。尽管如此，总的经济状况还是良好的。90年代以来，电解槽的技术发展有如下特点：（1）电流效率达到96%；（2）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；（3）阳极的消耗方面，炭阳极净耗降低到0.397kgkg-A1；（4）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，否则金属质量和槽寿命都会受负面影响；（5）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
4、国的电解铝工业可自1954年第一家铝电解厂（抚顺铝厂）投产算起，至2022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基础。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一35OkA预焙槽为例，主要技术经济指标为：电流效率94.43乐直流电耗13310kW2ht-Al;阳极净耗397kgt-Al,-1-金属冶金学专业课课程设计一20OkA预焙阳极铝电解槽阳极组设计第二章现
5、代铝电解槽结构及预焙阳极炭块2.1现代铝电解槽结构现代铝工业已基本淘汰了自焙阳极铝电解槽，并主要采用容量在16OkA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结构、上部结构、母线结构和电气绝缘四大部分。各类槽工艺制度不同，各部分结构也有较大差异。图27是我国一种200kA预焙阳极铝电解槽结构图1。图2-1我国一种200kA预焙阳极铝电解槽结构图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
6、极内衬2.1.1上部结构槽体（金属槽壳）之上的金属结构部分，统称上部结构，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。L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-2-金属冶金学专业课课程设计一20OkA预焙阳极铝电解槽阳极组设
7、计和马达组成。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结构的桁架上，其行程为400mm,在门式架上装有与电机转动有关的回转计，可以精确显示阳极母线的行程值。3.承重结构承重桁架如图2-7所示，下部为门式支架，上部为桁架，整体用钱链连接在槽壳上，桁架起着支承上部结构的其它部分和全部重量的作用。图2-2一种200kA预焙阳极铝电解槽承重桁架结构图桁架；2-支架或门；3-较接点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
8、中央空间部位，每次打壳下料的间隔时间为6012Omin。打壳机构分为锄刀型、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结构盖板和槽周若干块可人工移动的铝合金槽罩密封，分别由若干块大面罩、角部罩和小面罩组成。槽子产生的烟气由上部结构下方的集气箱汇集到支烟管，再进入墙外总烟管而到净化系统。为了保证换阳极和出铝打开部分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，当电解槽打开槽罩作业时，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达到98%o2.1.2
9、阴极结构电解铝工业所言的阴极结构中的阴极，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-3-金属冶金学专业课课程设计一200kA预焙阳极铝电解槽阳极组设计标（包括槽寿命）产生决定性的作用。阴极结构包括：槽壳结构，内衬结构。2.1.3母线结构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。
10、阳极母线属于上部结构中的一部分，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，若直流窜入交流系统，会引起设备事故，需进行交、直流隔离。因此，电解槽许多部位须要进行绝缘。2.2预焙阳极炭块的基本概述在铝电解生产中，由于所采用的冰晶石一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
11、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一一炭阴极和炭阳极。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应的任务，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成本；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紧密相关。铝电解生产对炭素阳极的基本要求如下: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应活性，以求达到降低炭耗、延长阳极更换时间、减少电解槽含炭渣量的目的。2 .要求阳
12、极具有良好的电化学性能，以求达到提高阳极电化学反应活性，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，以求达到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24个阳极炭块及导杆、钢爪等组成。预焙阳极多为间断式，每组阳极可使用1828天。当阳极炭块被电解反应消耗到原有高度25%左右时，为了避免钢爪熔化，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”。我国贵州铝厂、青海铝厂、郑州铝厂、抚顺铝厂、白银铝厂、包头铝厂都有预焙阳极电解槽系
13、列，总生产能力达40万to正在建设的郑州轻金属研究院沁阳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-4-金属冶金学专业课课程设计一20OkA预焙阳极铝电解槽阳极组设计等。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口。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
14、方面着手。我国的铝用预焙阳极主要朝以下三个方面发展：1.环境保护由于铝电解工业发展的诸多问题，导致了我国目前铝用预焙阳极发展的无序状态，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，如青海铝厂、贵州铝厂、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发展起来的预焙阳极生产厂都没有采取环保措施。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反应器技术等，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
15、、煨后石油焦的破碎、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，主要表现在罐式煨烧炉余热排空，焙烧炉燃烧系统没有实现自动控制技术，此外，还有相当一部分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，达到节能降耗、降低生产成本、提质提产是各个生产企业寻求发展的方向。目前，我们应大力推广已-5-金属冶金学专业课课程设计一20OkA预焙阳极铝电解槽阳极组设计成熟的燃烧余热利用技术，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
16、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发展，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。-6-金属冶金学专业课课程设计一20OkA预焙阳极铝电解槽阳极组设计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阳极组的基本结构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832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
