課程設計--電解槽陰極

1、<p><b>　　第1章 概述</b></p><p>　　1.1 現代鋁電解槽結構發(fā)展趨勢</p><p>　　從1886年，Hall-Heroult的冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法，已經快有120年的歷史了，在此期間Hall-Heroult電解煉鋁的工藝和方法原理上沒有變化，然而實施Hall-Heroult冰晶石-氧化鋁熔鹽電解方法煉鋁的主體設備——Hall

2、-Heroult電解槽的結構發(fā)生了很大的變化。鋁電解生產由最初的電耗40kW.h/kg Al[電流效率75%（1889年Heroult槽）]和電耗31kW.h/kg Al[電流效率80%（1889年Hall槽）]，降到了現在的電耗12.9kW.h/kg Al（直流電耗），電流效率96%以上。電解槽的容量（電流）由最初的幾千安培，增加到了現在的500kA。電解槽的結構型式也發(fā)生了很大的變化。各類槽型的發(fā)展及演變過程參見表1-1。 <

3、/p><p>　　在Hall-Heroult冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法煉鋁誕生的近120年時間里，Hall-Heroult鋁電解槽的結構，按陽極特性可以來劃分經歷了從預焙陽極到旁插自焙陽極，到上插自焙陽極，最后又回到預焙陽極的階段，其間也出現過連續(xù)預焙陽極試驗電解槽，但未成功推廣。在Hall-Heroult電解槽的初級階段，電解槽的特點是電流小、電壓高、陽極電流大、電耗高、電流效率低、電解槽的陽極是預制的（預焙陽極）。

4、在20世紀50～70年代，上插棒自焙陽極電解槽在世界范圍得到很大的發(fā)展，其電解槽的最大電流可達到170～180kA。但由于自焙陽極電解槽的種種不可克服的缺點，故在20世紀70年代以后逐步被淘汰，取而代之的是現代的預焙陽極電解槽。</p><p>　　表1-1 各類槽型的發(fā)展及演變過程</p><p>　　幾年來，全球鋁產量和鋁消費量持續(xù)增長,世界鋁工業(yè)發(fā)展方興未艾，呈現三個明顯趨勢：一是世

5、界鋁工業(yè)的組織結構日趨規(guī)?；?、集團化和國際化；二是鋁電解槽日趨大型化或超大型化，其科技含量、智能化程度越來越高；三是電解鋁生產的技術經濟指標向著高產、優(yōu)質、低耗、長壽和低污染的方向加快進步。因此，中國鋁工業(yè)只有加快組織結構、技術結構和產品結構調整步伐，才能在激烈的國際競爭中，實現由世界鋁工業(yè)大國向世界鋁工業(yè)強國的轉變。[23] </p><p>　　1.2 所設計電解槽陰極結構的特點</p><

6、;p>　　一種異性結構鋁電解槽的陰極碳塊， 屬于鋁電解技術領域。</p><p>　　所述的異性結構鋁電解槽，是指該鋁電解槽及其陰極結構為異性。本實用新型陰極碳塊的下表面開有凹槽，用于安裝陰極鋼棒，其上表面具有若干凸起，其橫斷面為凸形或矩形。采用本實用新型的鋁電解槽可以緩解電解槽內陰極鋁液的流動速度和降低鋁液的波動高度，從而達到提高鋁電解槽的金屬鋁液面的穩(wěn)定性，減少鋁的溶解損失，提高電流效率和減少極

7、距，降低鋁電解生產電能消耗，以及在陰極底部凸起的墻體之間能形成粘稠冰晶石熔體氧化鋁的混合物或沉淀物，阻止陰極鋁液通過槽底裂紋和縫隙流入槽底，溶化鋼棒，達到延長電解槽壽命的目的。</p><p>　　第2章 鋁電解槽結構簡介</p><p>　　工業(yè)電解槽通常分為陰極結構、上部結構、母線結構和電氣絕緣四大部分。預焙槽根據下料方式可分為邊部打殼下料電解槽和中心打殼下料電解槽兩種，其不同的只是后

8、者有自動打殼和下料裝置。本設計為290kA中心下料預焙電解槽，其結構簡圖如2－1 。[6, 7]</p><p>　　圖2－1 中間下料預焙電解槽結構簡圖</p><p><b>　　2.1 上部結構</b></p><p>　　熔池上面的金屬結構部分統(tǒng)稱上部結構。它可分為門式支架及桁架、陽極提升裝置、陽極母線卡具及陽極組、中間打殼下料裝置、集

9、氣煙罩和排煙管五大部分。圖2－2為某廠200kA預焙鋁電解槽的上部結構圖。</p><p>　　圖2－2　200KA預焙陽極鋁電解槽上部結構圖</p><p>　　2.1.1 陽極炭塊組</p><p>　　預焙槽有多個陽極炭塊組，每一組包括2-3塊預制陽極炭塊。炭塊、鋼爪、鋁導桿組裝成電解槽用陽極。鋼爪由高磷生鐵澆注在炭碗里，與炭塊緊緊地粘結，鋁導桿則是采用滲鋁

10、法和爆炸焊與鋼爪焊接在一起。鋁導桿通過夾具與母線大梁夾緊，將陽極懸掛在大梁上。</p><p>　　陽極母線大梁承擔著整個陽極的重量，并將電流通過陽極輸入電解槽。它由鑄鋁制成，由升降機帶動上下移動，以調整陽極的位置。</p><p>　　預焙陽極炭塊組數取決于電解槽的電流強度，陽極電流密度以及炭塊幾何尺寸。</p><p>　　圖2－3陽極炭塊組示意圖</p&

11、gt;<p>　　2.1.2 陽極升降裝置</p><p>　　裝置如簡圖2-4。在160kA電解槽上，提升馬達為5.5kW。公稱提升重量為32噸。當起重量超過40噸時，裝在減速箱的防過載摩擦離合器打滑，使裝置得以保護。</p><p>　　螺旋起重機的行程為400mm，提升速度為100mm/min。在出鋁端小面處的門式支架上安裝有回轉計，可以以mm為單位，精確顯示陽極母線

12、的行程位置。</p><p><b>　　1——傳遞軸；</b></p><p><b>　　2——螺旋超重機；</b></p><p><b>　　3——換向器；</b></p><p><b>　　4——齒條連軸節(jié)；</b></p>&l

13、t;p><b>　　5——減速箱；</b></p><p><b>　　6——連軸節(jié)；</b></p><p><b>　　7——馬達</b></p><p>　　圖 2－4 陽極提升機構簡圖</p><p>　　2.1.3 承重結構</p><p

14、>　　承重桁架（圖2－5）下部為門式支架，上部為桁架，整體用絞鏈連接在槽殼上。桁架起著支承上部結構的其他部分和全部重量的作用。</p><p>　　圖 2－5 門式支架桁架示意圖</p><p>　　1——桁架；2——門式支架；3——鉸接點；4——槽殼</p><p>　　圖2－6　200KA預焙陽極鋁電解槽桁架結構圖</p><p&g

15、t;　　2.1.4 加料裝置</p><p>　　加料裝置由打殼和下料系統(tǒng)組成（圖2－7）。打殼裝置是為加料而打開殼面用的，它由打殼氣缸和打擊頭組成。打擊頭為一長方形鋼錘頭，通過錘頭桿與氣缸活塞相連。當氣缸充氣活塞運動時，便帶動錘頭上、下運動而打擊熔池表面結殼。</p><p>　　下料系統(tǒng)由槽上料箱、下料器組成。料箱上部與槽上風動溜槽或原料輸送管相通；筒式上料器安裝在料箱的下側部。&l

16、t;/p><p>　　筒式定容下料器由一氣缸帶動一個在鋼筒中的透氣鋼絲活塞及一個密封鋼筒下端的鐘罩組成。鐘罩與透氣活塞將鋼筒的下部隔成一個定容空間，定容車間的上端開有充料口。</p><p>　　當氣缸活塞運動到上端時，便帶動鐘罩封住鋼筒的下端，透氣活塞移動到充料口上端，即充料口打開，料箱中被流化的氧化鋁立即充滿下料器的定容室。當接到下料命令時，氣缸活塞被驅動向下運動，便帶動連在活塞桿上的透氣

17、活塞和鐘罩向下運動，此時，透氣活塞擋住了充料口，堵住了料流向定容室，而定容室中的料卻隨著鐘罩向下運動而卸入槽中。</p><p>　　此種加料裝置具有運動可靠，下料精確，使用壽命長等優(yōu)點。目前國內已開發(fā)出4.5L、1.8L和1.2L三種筒式定容下料器。某廠采用1.8L下料器，可將加料間隔縮短到3～5分鐘，可望較好地改善工藝條件和生產指標。</p><p>　　圖2－7　打殼下料裝置<

18、/p><p>　　2.1.5 集氣裝置</p><p>　　集氣及排煙裝置作用是收集電解產生的煙氣和粉塵，然后經凈化總煙道送至煙氣凈化回收。</p><p>　　集氣煙罩是由上部結構上的頂板和槽周可人工開閉的鋁合金煙罩組成，其中又包括大面煙罩、角部煙罩和小面煙罩。電解槽產生的煙氣通過上部結構的下方集氣箱進入支煙管。為防止遠離支煙管處的煙氣滯留，集氣箱上部按等阻力原理開

19、出了一排遠大近小的若干集氣孔。煙氣匯集到支煙管后經主煙管送至凈化站。</p><p>　　支煙管中設有蝶閥，蝶閥開啟的最大和最小角度在投產前設定，當槽上打開2-3塊煙罩作業(yè)時，可把蝶閥角度開到最大，使作業(yè)時煙氣也不至于外逸。電解槽煙罩密封時，煙氣的捕收效率若按規(guī)程作業(yè)可達98%。</p><p><b>　　2.2 陰極結構</b></p><p&

20、gt;　　陰極結構是指電解槽的熔體部分，由碳塊等多種貯槽材料的砌體和包圍在砌體外部的鋼殼構成。</p><p>　　2.2.1 槽殼與搖籃架</p><p>　　槽殼：內襯砌體外的鋼殼，俗稱槽殼，不僅是盛裝內襯砌體的容器，而且還承擔著克服內襯材料的高溫下產生的熱應力和化學應力，約束其內襯不發(fā)生較大變形和斷裂。因此，槽殼在熔池部位的周邊都具有較大的剛度和強度。</p><

21、;p>　　搖籃架：與小容量電解槽采用框架式槽殼不同，大容量電解槽采用剛性極大的搖籃式槽殼。所謂搖籃式結構，實質上是用17組“ㄩ”型的約束架，也就是俗稱的搖籃支架，緊密地卡住鋼板焊成的殼體。搖籃支架具有較大的剛度和強度，殼體起容器作用。搖籃支架小面最外側的兩組與殼體焊成一體，其余均為用螺栓連接的可拆卸的支架。</p><p>　　圖2－8(a) 大型預焙鋁電解槽槽殼結構圖（縱向）</p><

22、;p>　　圖2－8（b）大容量鋁電解槽槽殼結構圖(橫向)</p><p>　　2.2.2 槽內襯</p><p>　　內襯砌體包括保溫材料砌體和陰極炭塊組，其結構和尺寸是根據生產工藝要求和現有材料的性能，通過熱解析模擬計算確定的。</p><p>　　保溫耐火砌體：它由各種耐火磚、保溫磚砌筑而成。在槽殼中自下而上一般砌有2-3層石棉板，鋪有一層70mm厚的氧

23、化鋁粉，再砌上2-3層硅藻土保溫磚，2層粘土磚，搗固（熱搗或冷軋）一層炭素糊，最后按錯縫方式安放好陰極炭塊組，炭塊間的的縫隙要用底糊搗固充實。槽殼與其上的窗口（陰極棒引出口）各處，均須用水玻璃。石棉灰調和料密封，以免在生產中炭塊與空氣接觸而氧化。</p><p>　　電解槽的四側由外至里地砌有石棉板（或作為伸縮縫），耐火磚和側部炭塊。由槽壁內襯和槽底炭塊圍成的空間稱為槽膛，其深一般為500-600mm。槽膛四周下

24、部用碳糊搗固成斜坡，稱為人工伸腿，以幫助鋁液收縮于陽極投影區(qū)內。</p><p>　　圖2－9為陰極裝置結構示意圖。</p><p>　　圖2－9大型預焙陽極鋁電解槽槽內襯結構圖</p><p>　　陰極炭塊組：它包括陰極炭塊組和鋼棒。鋼棒鑲嵌在陰極碳塊的燕尾槽內，也是用高磷生鐵澆鑄，是鐵棒與炭塊連接在一起。鋁電解槽所用的陰極炭塊的品種、性能列表于表2-1</

25、p><p>　　表2-1 碳材料性能比較</p><p>　　陰極鋼棒與陰極炭塊組合類型結構見圖2－9。其中A和B比較，B較好，C型長炭塊幾乎貫穿全槽的寬度，這種炭塊接逢數目最少，可使電解質和鋁液滲出的可能性以及由于上抬和推積力所引起的機械破損可能性均可減至最少，發(fā)展趨勢是通長炭塊和通長陰極棒。 </p><p>　　A B

26、 C</p><p>　　圖2－10 陰極鋼棒與陰極炭塊組合類型</p><p><b>　　2.3 母線結構</b></p><p>　　整流后的直流電通過鋁母線引入電解槽上，槽與槽之間通過鋁母線串聯而成，所以，電解槽有陽極母線、陰極母線、立柱母線和軟帶母線；槽與槽之間、廠房與廠房之間還有聯絡母線。陽極母線屬于上部結構中的一部分，陰極母線排

27、布在槽殼周圍或底部，陽極母線與陰極母線之間通過聯絡母線、立柱母線和軟母線連接，這樣將電解槽一個一個地串聯起來，構成一個系列。當電解槽停產大修時，便利用如圖2-11所示結構使電解槽短路。</p><p>　　鋁母線有壓延母線和鑄造母線兩種，為了降低母線電流密度，減少母線電壓降，降低造價，大容量電解槽均采用大斷面的鑄造鋁母線，只在軟帶和少數異型連接處采用壓延鋁板焊接。</p><p>　　在大

28、型電解槽的設計中，母線不僅被看成是電流的導體，而且更注重它產生的磁場對生產過程的影響。為了降低磁場的影響，已出現了各種進電方式和母線配置方案。傳統(tǒng)的中小型槽通常采用縱向排列，一端進電，陰極母線沿槽兩大面直接匯集的簡單排布方式。在我國前三個160kA大型中間下料預焙槽上，均采用了橫向排列，雙端進電，出電側陰極母線沿槽大面匯流，進電側陰極匯流母線繞槽底中心然后轉直角由小面中心引出的磁場補償方案。</p><p>　　

29、1—地面；2—支撐墩；3—連接母線；4—軟帶； 5—立柱母線；6—端頭母線；7—短路片；8—軟帶</p><p>　　圖2－11 短路母線示意圖</p><p>　　近年來，人們在大型電解槽的進電方式與母線配置上作了許多研究，探索出多點進電和與之相適應的母線配置方案，這樣可更有效地降低鋁液中的垂直磁場。據稱此類配置可使鋁液中垂直磁場降低到5.0×10-4T以下，電流效率突破90

30、%。</p><p>　　2.3.1 陽極母線</p><p>　　對于單端或雙端進電的電解槽而言，其母線配置比較簡單，傳統(tǒng)的方法是采用求母線經濟電流密度的方法確定母線斷面，以這種方法是通過使母線總費用最小推導出其經濟電流密度，應用于中小型電解槽是行之有效的，其不足之處是未能考慮實際電流分配的影響。</p><p>　　隨著鋁電解槽的大型化，為了削弱大電流產生的槽

31、內磁場，多點進電和補償母線等措施被應用于大型槽的母線設計中，使得母線配置變得十分復雜，無法采用傳統(tǒng)的方法求得母線系統(tǒng)中每根母線的經濟電流密度，因而這項研究已成為大型槽開發(fā)中的一項新的研究課題。整流后的直流電通過鋁母線引入電解槽上，槽與槽之間通過鋁母線串聯而成，所以電解槽有陽極母線、陰極母線、立柱母線和軟帶母線;槽與槽之間、廠房和廠房之間還有聯絡母線。陽極母線屬于上部結構的一部分，陰極母線排布在槽殼周圍或底部，陽極母線與陰極母線之間通過聯

32、絡母線、立柱母線和軟母線連接，這樣將電解槽一個一個地串聯起來，構成一個系列。</p><p>　　在大型預槽的設計中，母線不僅被看成把電流導入引出的導體，而且更看重它所產生的磁場，母線磁場是影響槽內鋁液穩(wěn)定的重要因素，直接制約著鋁的氧化損失和電流效率指標的高低。因而所設計的母線系統(tǒng)必須很好的平衡磁場，以減少鋁液的流速和波動。另外鋁母線占電解槽基建費用的25%左右，確定合理的母線配置和結構是十分重要的。</p

33、><p>　　2.3.2 陰極母 線</p><p>　　鋁電解槽周圍的母線及內部電流在熔體中產生運動加劇了電解質中熔解鋁與陽極底部CO2的反應，降低了電流效率。同時，又導致了鋁電解槽極距的不穩(wěn)定，即鋁電解槽生產的不穩(wěn)定。隨著研究的深入，己經普遍把滿足磁流體穩(wěn)定性的要求作為評判鋁電解槽母線設計優(yōu)劣的最重要的標準。也就是說，母線的設計不僅僅是計算磁感應強度的問題，而是要進一步研究在電磁力作用下

34、熔體的穩(wěn)定性，從而保證鋁電解槽的穩(wěn)定生產。</p><p>　　依據磁流體穩(wěn)定性分析優(yōu)化設計的母線配置，除了能提供良好的生產穩(wěn)定性之外，還必須滿足以下要求:</p><p>　　(l)具有良好的經濟性，即母線的用量和電能損失的綜合費用最小。</p><p>　　(2)安全性，即在安全生產和短路狀況下，母線沒有過載現象。</p><p>　　(

35、3)簡捷性，配置簡單，容易安裝。</p><p>　　(4)方便鋁電解槽生產操作。</p><p><b>　　2.4 絕緣設施</b></p><p>　　在槽上設置道道絕緣物是保證設備和人身安全的需要,也是防止直流電旁路電解反應的需要.</p><p>　　在電解槽系列上，系列電壓達數百伏，甚至上千伏。盡管人們把零電

36、壓設在系列中點，但系列兩端的槽對地電壓仍有400-500V的電位差。一旦發(fā)生短路、接地，容易造成電器設備，特別是電子控制設備事故；一旦人手觸摸構成與地回路，還會發(fā)生人身事故。若直流竄入交流回路，也會引起設備事故。因此，電解槽許多部位須要進行絕緣。</p><p>　　具體設置絕緣物的部位是：</p><p>　?。?）為防止接地，在陰極母線（含匯流母線）——母線墩、槽殼——槽殼支柱、上部結

37、構煙管——主煙管；槽上風動溜槽——槽壁料箱、槽前空氣配管——槽上部結構、端頭槽外側的蓖型板——廠房地坪等處設有絕緣。此外還要注意工作平臺樓板是否有露出的鋼筋頭與槽殼或母線相碰。</p><p>　?。?）為隔離交、直流電，在馬達底座、回轉計底座、脈沖發(fā)生器底座處裝有絕緣。</p><p>　?。?）為防止電流旁路電解反應區(qū)，在門型支柱——槽殼、爐罩的上下端、陽極導桿——上部結構頂板、打殼氣

38、缸安裝處底座、打殼錘頭桿——集氣箱、蓖型板——支承耳之間也安有絕緣。</p><p>　　（4）在短路處，為防止一部分電流不從壓接面而從押解螺栓通過，故螺栓上也配備了絕緣的套圈和墊圈。</p><p>　　第3章 鋁電解槽結構計算</p><p>　　3.1 陽極電流密度</p><p>　　設計電解槽電流強度為290KA，陽極電流密度為0.

39、76A . cm-2。</p><p>　　電流密度是電解槽設計一個重要的參數。陽極電流密度為:</p><p>　　D陽＝I / S (A/cm2)</p><p>　　式中 I － 電解槽電流強度，A;</p><p>　　S ― 陽極面積，cm2。[16，10]</p><p>　　3.2 陽極炭塊尺寸<

40、;/p><p>　　陽極尺寸是電解槽結構的一個重要參數，一般說來，電解槽容量越大，則陽極尺寸也要大一些。我國現今160kA～320kA 預焙槽，大都采用寬度660mm ,長度1400 mm～1550 mm ,高度540 mm～550 mm的陽極炭塊。</p><p>　?。?）長度：陽極塊的長度決定于槽整體陽極寬度，160－360kA預焙槽陽極長度為1400mm－1600mm為宜。本設計方案采

41、用1450mm。</p><p>　?。?）寬度：預焙槽陽極塊過寬，將妨礙陽極氣體逸出，會導致電流效率降低;若陽極碳塊過窄則會增加陽極的更換次數。法國鋁業(yè)公司與我國大型預焙槽均采用單塊陽極寬度為660mm，因為如果選擇陽極塊過寬，則必須采用雙排鋼爪，在選用750mm－l000mm寬碳塊，就應該考慮雙排鋼爪，必然使鋼爪總斷面及用鋼量增加，使鋼爪在生產中散發(fā)大量熱量，在大型預焙槽結構設計選用單排鋼爪的660mm寬陽極

42、是可行且合理的。陽極寬度選擇，應根據電流效率，陽極凈耗、換極的頻率綜合考慮，還要考慮與陰極碳塊寬度匹配。故本設計采用660mm的陽極寬度。[17]</p><p>　　表3－1國內外大型預焙槽陽極碳塊數據</p><p>　　（3）高度：陽極碳塊高度大小，決定換極周期，換極作業(yè)的勞動消耗、陽極的毛耗量以及陽極本體電壓降、陽極散熱與保溫。在電費價格較高的情況下，在陽極電流密度為0.69一0.

43、73A/cm2較低時，不宜采用陽極塊較高之尺寸，采用陽極塊高540mm－600mm較為適宜。本設計可以采用550mm的陽極高度，。</p><p>　　換極的周期，即l臺電解槽內所有陽極塊更換完畢需多少晝夜。按統(tǒng)計數據，平均殘極高度取165mm，電流效率取94％，陽極體積密度γ取1.55g/cm3，C凈＝420kg / t·Al，根據</p><p>　　λ＝[（H－H殘）γ&#

44、183;102] / (8.052μ·D·C凈)</p><p>　　式中: 8.052 —系數(它等于0.3355×24=8.052);</p><p>　　λ —換極周期，d; </p><p>　　H —陽極總高，mm; </p><p>　　H殘—殘極高度，mm</p>

45、<p>　　μ—電流效率，% ;</p><p>　　D —陽極電流密度，A /cm2 ;</p><p>　　C凈 —陽極凈耗，kg / t·Al ;</p><p>　　γ —陽極體積密度，1.55g/cm3 。</p><p>　　代入上式，得到換極周期為24.7天，取陽極更換周期為25天。</p>&

46、lt;p>　　由上式可知，陽極毛耗隨設計的陽極高度增加而降低，換極周期隨設計陽極的高度增加而提高。換極周期隨陽極電流密度、陽極高度增加而增加(節(jié)省天車工作量)。按此結論是否會得出預焙槽陽極高度越高越好呢？實際不然，從三方面來解釋：</p><p>　?。?）陽極高度越大，則電解槽立柱母線越高，上部金屬結構位置抬高，荷重加大；</p><p>　　（2）會造成陽極電壓降增加，因為一般陽

47、極碳素部分平均電壓降140mv左右(國內常用陽極塊高度550mm)，如果采用610mm高度與540mm高度相比，陽極碳素部分電壓降升高至160mv，平均升高20mv，每噸鋁多耗電64.1kWh。</p><p>　　（3）若陽極高度過高，不利于陽極上覆蓋氧化鋁的保溫作用，由于槽內各陽極高度差較大，造成有的陽極塊側部加不上氧化鋁保溫料，使之高塊部分熱損失增加，特別是對窄加工面的電解槽更為不利。故高陽極塊保溫性能比低

48、陽極塊保溫性能差，能耗高。 [9]</p><p>　　最終炭塊尺寸取定為1450mm×660mm×550mm。</p><p><b>　　陽極炭塊組數目</b></p><p>　　陽極的組數(或塊數)直接影響著電解槽的經濟性和生產的穩(wěn)定性，還涉及到陽極焙燒爐結構的合理性。陽極數量過多必然增加陽極的更換次數。再好的母線配

49、置(磁場)也很難避免陽極更換頻繁引起的槽內電流再分配，干擾生產的穩(wěn)定性;反之，陽極數量過少，更換的次數雖減少了，但又影響了陽極氣體的排除，增加了槽內鋁的二次反應。，一個合理的陽極尺寸，不僅能滿足生產的穩(wěn)定性，而且又能提高電解槽的經濟性。[14]</p><p><b>　　陽極斷面尺寸：</b></p><p>　　S陽 =I / D＝290KA / 0.76 A&#

50、183;cm-2=381578.95cm2</p><p><b>　　故需陽極炭塊數：</b></p><p>　　n＝381578.95 /(145·66)＝39.87塊，取40塊。</p><p>　　采用單陽極結構，分兩行排列，每行20組炭塊。</p><p>　　陽極實際面積與陽極電流密度校核值為：&

51、lt;/p><p>　　S陽＝20×2×145×66＝382800 cm2</p><p>　　D陽＝I / S陽＝290000 / 382800=0.758 A/cm2</p><p><b>　　3.4槽膛尺寸 </b></p><p>　　選擇了窄爐膛操作面，提高了電解槽單位面積產能，并采

52、用電熱模擬技術及非線形槽殼結構有限單元優(yōu)化軟件，設計了先進、合理的槽內襯及槽殼結構，可以使電解槽處于較佳的熱平衡狀態(tài)，取得較長的槽壽命，槽殼變形小，材料用量省，如表3－2，表3－3所示。[13,18]</p><p>　　表3－2 350 kA 鋁電解槽主要技術參數</p><p>　　表3－3 國內外幾種槽型加工面尺寸比較</p><p>　　取陽極到槽膛側壁（大

53、面）的尺寸為340mm，到槽膛端壁（端頭）的距離為390mm，陽極炭塊組間距取40mm，陽極行間距（中縫）取200mm，由此可計算：</p><p>　　槽膛長度＝2×390+20×660+19×40＝14740mm</p><p>　　槽膛寬度＝2×340+2×1450+200＝3780mm</p><p>　　槽

54、膛深度＝550mm</p><p><b>　　3.5槽殼尺寸</b></p><p>　　1、內襯側部的構成為：</p><p>　?。?.）砌體與槽殼之間留有一定縫隙，用耐火粉進行填充；</p><p>　　（2.）側部砌兩層普通耐火磚，再用絕熱耐火混凝土澆注，陰極鋼棒與側部澆注料之間留有15mm的間隙，用耐火顆粒填

55、充；</p><p>　?。?.）側上部用一層125mm厚的側部碳塊背貼碳膠到鋼殼壁上；</p><p>　?。?.）側部碳塊頂上用80mm寬、40mm厚的鋼板緊貼住碳塊頂部焊接在槽殼上，防止碳塊上抬；</p><p>　?。?.）底部碳塊與側部砌體之間的周邊縫用專制的周圍糊扎成200mm高的人造坡形伸腿。</p><p><b>

56、　　內襯底部構成為：</b></p><p>　?。?.）底部首先鋪一層65mm的硅酸鈣絕熱板；</p><p>　　（2.）絕熱板上部砌兩層65mm的保溫磚，中間用2mm厚的氧化鋁粉填縫和整平； </p><p>　　（3.）保溫磚上部是一層65mm的干式防滲層，干式防滲層能防止電解質滲透能并與滲透的電解質發(fā)生作用生成一層堅硬的防滲層，有利于提高電解槽

57、壽命及降低氟化鹽單耗；</p><p>　　（4.）其上用灰漿砌兩層65mm的耐火磚；</p><p>　?。?.）耐火磚上直接安裝已組裝好陰極鋼棒的通長陰極碳塊組。[19]</p><p>　　槽殼長度＝14740+2×150（內襯）+2×12(鋼板)+2×25（伸縮縫）</p><p><b>　　

58、＝15114mm</b></p><p>　　槽殼寬度＝3780+2×150（內襯）+2×12(鋼板)+2×25（伸縮縫）</p><p><b>　?。?154mm</b></p><p>　　槽殼深度＝550+450（底部炭塊）+392(底部內襯)+12(鋼板)+40（槽沿板）＝1444mm<

59、/p><p>　　3.6 陰極炭塊尺寸及數量</p><p>　　我國電解鋁工業(yè)采用的陰極碳塊寬度有兩種，一種是小型電解槽100kA以下，陰極碳塊寬度為400mm。140kA－320 kA槽，一律采用515mm寬的陰極碳塊。我國在大型預焙槽中多年一貫制采用515mm陰極碳塊其合理性值得探討，更好的設計應是陰極碳塊寬度與陽極碳塊寬度相當，即電解槽陽極投影與陰極相重合。在電解槽內襯中，如果陰極碳塊

60、與陽極碳塊寬度不相當，勢必出現靠槽兩端部的陰極碳塊與陽極碳塊正投影錯位(產生內錯位或外錯位)，必然使槽兩端的陰極碳塊與其它部位碳塊導出電流不相等，造成電流分布不均，影響磁場分布。在電流與磁場的作用下，影響熔體穩(wěn)定性。所以，如果采用660mm寬的陽極塊，則陰極碳塊寬度也應采用660mm左右，這樣做不僅能使電解槽電位場分布均勻，而且可以減少電解槽殼的搖籃架，對節(jié)省鋼材以及槽殼通風冷卻易形成良好槽幫結殼均有益處。[9,10,15]</p

61、><p>　　陰極碳塊高度400mm－450mm，采用正方形陰極棒或矩形陰極棒與圓形陰極棒。前者比圓形棒應力分布差，特別是角部應力集中，易破損，圓形棒孔周圍應力分布均勻，陰極炭塊不易破損且能獲取較低鐵－碳電壓降對降低槽底壓降有顯著效果。然而采用圓形孔除了整體搗固陰極之外，這種方案在實際中有些困難。建議采用半圓形斷面。</p><p>　　由此，根據YS/T 287-1994《鋁電解用半石墨質陰

62、極炭塊》，選取陰極炭塊尺寸（長×寬×高）為3480×660×450（mm），采用通長陰極碳塊，如圖2－9中C排列方式。</p><p>　　表3－4　國內大型鋁電解槽有關設計參數</p><p>　　取陰極碳塊到槽膛端壁的距離為390mm，碳塊間的碳糊扎縫為40mm，可以計算陰極碳塊的數量n：14740—40（n—1）—660×n=390&

63、#215;2，得到n=20；</p><p>　　炭塊到槽膛端壁邊緣尺寸＝[14740－（40×19+660×20）] / 2=390mm；</p><p>　　炭塊到槽膛側壁邊緣尺寸＝（3780－3480）/ 2＝150mm。</p><p>　　陰極鋼棒規(guī)格為4750mm×160mm×200mm，陰極電流密度一般取0.18

64、—0.25A/mm2，選擇D陰=0.2 A/mm2，陰極截面面積為S=290000/0.23=1260869.57 mm2</p><p>　　陰極鋼棒數為：1260869.57/（160×200×2）=19.7；故取20根陰極鋼棒。</p><p>　　效驗陰極鋼棒的電流密度為：d=290000/（160×200×20×2）=0.226

65、A/mm2</p><p>　　每組陰極炭塊取1根陰極鋼棒，所以共有20根陰極鋼棒。鋼棒尺寸（長×寬×高）取4750×1760×200（mm）。</p><p>　　第4章 新型陰極結構設計</p><p><b>　　4.1概述</b></p><p>　　一般所用的陰極碳塊是長

66、方體，陰極碳塊的底部加工成一個槽，然后將矩形斷面的陰極鋼棒放入其中，然后在鋼棒與陰極碳塊之間的細縫搗入碳素糊，或鑄造鐵水澆鑄，使陰極鋼棒和陰極碳塊連在一起。由于安裝有陰極鋼棒的上表面是平的，陰極鋼棒安裝在陰極碳塊底面內，因此多組陰極碳塊安裝在電解槽中后，電解槽槽膛底表面是平的。陰極碳塊與陰極碳塊之間用碳素糊搗固粘結。槽膛側襯也用碳磚砌筑，有時也用氮化硅結合的碳化硅砌筑。電解過程中，槽膛的下部為鋁水，鋁水的上部有熔融的電解質，上部碳陽極插

67、入電解質熔體中。由于受陽極底表面逸出的陽極氣體和電解槽外導電體電流產生的磁場的影響，電解槽內的鋁液不穩(wěn)定，具有很大的波動性，這種不穩(wěn)定和波動性影響電解槽極距的降低，對鋁電解槽的電能消耗和電流效率產生影響。</p><p>　　為解決上述問題，次誰用新型提供一種異性結構鋁電解槽的陰極碳塊。所述的異性結構鋁電解槽，是指該鋁電解槽其陰極結構為異型。</p><p>　　此實用新型陰極碳塊的下表面

68、開有凹槽，用于安裝陰極鋼棒，其上表面具有若干凸起，其橫斷面為凸形或矩形。該若干凸起位于陰極碳塊上表面與炭塊的縱向長度方向相一致的中間或一側或兩側，凸起部分為連續(xù)或間斷，每個陰極碳塊凸起為1-8個。凸起高度為50-200mm，寬度為200-350mm。</p><p>　　該陰極碳塊材料與現有的鋁電解材料的陰極碳塊相同，即它可以是煅燒的無煙煤的碳塊，也可以是石墨質的陰極碳塊，也可以是煅燒無煙煤與石墨兩種材料構成的陰

69、極碳塊，還可以是石墨化的和半石墨化的陰極碳塊。其密度在1.4—1.7g/cm2之間，電阻率在8—65Ω.m之間。</p><p>　　此實用新型的有益效果：采用該陰極碳塊的電解槽可以緩解電解槽內陰極鋁液的流動速度和降低鋁液的波動高度，從而達到提高鋁電解槽的金屬鋁液面的穩(wěn)定，減少鋁的溶解損失，提高電流效率和減少極距，降低呂思安節(jié)操生產電能消耗，陰極在陰極底部都凸起的墻體之間能形成粘稠的冰晶石熔體氧化鋁的混合物或沉淀

70、物，組成陰極鋁液通過槽底裂紋和縫隙流入槽底，溶化鋼棒，達到延長電解槽壽命的目的。</p><p>　　如圖，本設計采用新型的下表面開槽，用于安裝陰極棒，上表面具有5個凸起，凸起的橫截面為凸形，5個凸形分別位于陰極碳塊上表面與碳塊的縱向長度方向一致的中間和兩側，凸起的高度為120mm，寬度為250mm。見圖5-1。</p><p>　　圖4-1 異性結構鋁電解槽的陰極碳塊</p>

71、<p>　　此新型陰極碳塊以煅后石油焦、煅后無煙煤混合物為骨料，使用煤瀝青為粘結劑，基體材料為石墨或半石墨化時，將上述材料經煅燒后的不同粒度的骨料與瀝青的混合物在混捏機中充分混捏后，放入現行的振動成型機中，然后在其上表面放下其下表面為平面的長方體重物，或稍加振動后，再放下表面有凹進去的鐵制重物，進行振動成型。從振動成型機中出模的為上表面沒有凸起的長方體陰極碳塊生坯，生坯冷卻后置入石墨化爐中進行石墨化，依石墨化溫度的不同，即

72、得到長方體的陰極碳塊的石墨化制品。將長方體陰極碳塊的半石墨化或石墨化制品放在機床上進行加工，制成本實用新型的其上表面為沿其縱方向具有凸起的鋁電解槽陰極碳塊。</p><p>　　4.2 槽殼及槽膛結構</p><p>　　4.2.1 槽殼與搖籃架</p><p><b>　　1、槽殼構成為：</b></p><p>　　

73、（1.）砌體與槽殼之間留有一定縫隙，用耐火粉進行填充；</p><p>　?。?.）側部砌兩層普通耐火磚，再用絕熱耐火混凝土澆注，陰極鋼棒與側部澆注料之間留有15mm的間隙，用耐火顆粒填充；</p><p>　　（3.）側上部用一層125mm厚的側部碳塊背貼碳膠到鋼殼壁上；</p><p>　?。?.）側部碳塊頂上用80mm寬、40mm厚的鋼板緊貼住碳塊頂部焊接在槽

74、殼上，防止碳塊上抬；</p><p>　?。?.）底部碳塊與側部砌體之間的周邊縫用專制的周圍糊扎成200mm高的人造坡形伸腿。</p><p>　　槽殼長度＝14740+2×150（內襯）+2×12(鋼板)+2×25（伸縮縫）</p><p><b>　?。?5114mm</b></p><p&

75、gt;　　槽殼寬度＝3780+2×150（內襯）+2×12(鋼板)+2×25（伸縮縫）</p><p><b>　?。?154mm</b></p><p>　　槽殼深度＝550+450（底部炭塊）+392(底部內襯)+12(鋼板)+40（槽沿板）＝1444mm</p><p><b>　　2、搖籃架結構：

76、</b></p><p>　　隨電解槽容量的加大，自70年代初，沈陽鋁鎂設計研究院開發(fā)了135KA預焙槽，開發(fā)研制出“康特”槽殼，這種槽殼兩側由數組夾持的鋼結構。至80年代貴鋁引進日輕160KA預焙槽技術，引進了搖籃式槽殼。這種槽殼與國內其它種槽殼比，結構合理 電解槽變形小，有節(jié)省鋼材等優(yōu)點，現今國內鋁廠幾乎都采用這種搖籃式槽殼。80年代末，在開發(fā)研制大容量280KA中間點式下料預焙槽的國家重點攻關項

77、目時，沈陽鋁鎂設計研究院成功研制新式船形搖籃式槽殼結構與模型見圖4-2，4-3。</p><p>　　圖4-2 280KA電解槽大搖籃架船形槽殼部分圖 圖4-3 直角式搖籃槽殼</p><p>　　這種槽殼的特點是槽殼底呈船形，采用較大的籃架間隔(1100mm)。這種槽殼與直角形搖籃槽殼相比，另一特點是搖籃架為通長至達槽沿板，取消腰帶鋼板與其間的筋板，與直角形搖籃槽殼相比具有

78、較多優(yōu)點。見表4-1。</p><p>　　表4-1 280KA預焙槽船形槽殼與直角形槽殼性能比較</p><p>　　上述比較說明采用寬間距船形槽殼具有強度大，剛性強，造價低，利于自然通風，易形成側部結構，有助于提高電流效率，利于施工，對延長槽壽命有益處。設計的剛性槽殼，必須足以抵抗旋加在槽殼上的力；或者帶有基本上彈性變形鋼殼，在采用剛性槽殼時，在內襯部位必須建立可壓縮帶狀以免碳塊破損。

79、</p><p>　　在設計電解槽槽殼時，為了有效地釋放內襯的垂直膨脹力，最好不要槽沿板，讓側部碳塊自由向上膨脹，這樣會大大減少槽殼側壁向外的膨脹力。</p><p>　　取消槽殼的腰帶板，采用到頂的搖籃架的結構合理，由于通風條件好，形成良好的槽幫結殼，阻止電解質滲透，會減少其膨脹力。</p><p>　　4.2.2 槽底及槽膛砌筑與安裝</p>&l

80、t;p>　　1、槽底砌筑構成為：</p><p>　　（1.）底部首先鋪一層65mm的硅酸鈣絕熱板；</p><p>　?。?.）絕熱板上部砌兩層65mm的保溫磚，中間用2mm厚的氧化鋁粉填縫和整平； </p><p>　?。?.）保溫磚上部是一層65mm的干式防滲層，干式防滲層能防止電解質滲透能并與滲透的電解質發(fā)生作用生成一層堅硬的防滲層，有利于提高電解槽壽

81、命及降低氟化鹽單耗；</p><p>　　（4.）其上用灰漿砌兩層65mm的耐火磚；</p><p>　　（5.）耐火磚上直接安裝已組裝好陰極鋼棒的通長陰極碳塊組。[19]</p><p>　　選擇了窄爐膛操作面，提高了電解槽單位面積產能，并采用電熱模擬技術及非線形槽殼結構有限單元優(yōu)化軟件，設計了先進、合理的槽內襯及槽殼結構，可以使電解槽處于較佳的熱平衡狀態(tài)，取得較

82、長的槽壽命，槽殼變形小，材料用量省，如表4－2，表4－3所示。[13,18]</p><p>　　表4－2 350 kA 鋁電解槽主要技術參數</p><p>　　表4－3 國內外幾種槽型加工面尺寸比較</p><p>　　取陽極到槽膛側壁（大面）的尺寸為340mm，到槽膛端壁（端頭）的距離為390mm，每組陽極炭塊間距取10mm，陽極炭塊組間距取40mm，陽極行間

83、距（中縫）取200mm，由此可計算：</p><p>　　槽膛長度＝2×390+20×660+9×40+10×10＝14440mm</p><p>　　槽膛寬度＝2×340+2×1450+200＝3780mm</p><p>　　槽膛深度＝550mm</p><p><b>

84、;　　4.3陰極炭塊組</b></p><p>　　根據YS/T 287-1994《鋁電解用半石墨質陰極炭塊》，選取陰極炭塊尺寸（長×寬×高）為3480×660×450（mm），采用通長陰極碳塊，如圖2－9中C排列方式。</p><p>　　取陰極碳塊到槽膛端壁的距離為390mm，碳塊間的碳糊扎縫為40mm，可以計算陰極碳塊的數量n：14

85、740—40（n—1）—660×n=390×2，得到n=20；</p><p>　　炭塊到槽膛端壁邊緣尺寸＝[14740－（40×19+660×20）] / 2=390mm；</p><p>　　炭塊到槽膛側壁邊緣尺寸＝（3780－3480）/ 2＝150mm。</p><p>　　陰極鋼棒規(guī)格為4750mm×160

86、mm×200mm，陰極電流密度一般取0.18—0.25A/mm2，選擇D陰=0.2 A/mm2，陰極截面面積為S=290000/0.23=1260869.57 mm2</p><p>　　陰極鋼棒數為：1260869.57/（160×200×2）=19.7；故取20根陰極鋼棒。</p><p>　　效驗陰極鋼棒的電流密度為：d=290000/（160×

87、;200×20×2）=0.226 A/mm2</p><p>　　每組陰極炭塊取1根陰極鋼棒，所以共有20根陰極鋼棒。鋼棒尺寸（長×寬×高）取4750×160×200（mm）。</p><p>　　4.4側部碳塊及其它</p><p>　　側壁是電解槽的一個重要組成部分。陰極的側壁碳塊通常是由與底部碳塊相同

88、的材料制成。工業(yè)生產上不希望側壁傳導電流，但要求其具有良好的導熱性。使側壁—電解質界面上滋長一層凝固的電解保護層。另外，也希望側壁材料不易被空氣氧化。根據現代的觀念，提出了鋁電解槽的側壁材料在高溫下應該具有如下一些重要性能：</p><p>　　(1)電阻率高，導熱性好；</p><p>　　(2)不與熔融的冰晶石起化學反應；</p><p>　　(3)不與鈉和鋁起

89、化學反應；</p><p>　?。?)孔隙度小，不滲透電解液和鋁，不被空氣氧化。</p><p>　　為了避免側壁薄碳化硅的脫落和側壁炭磚的氧化侵蝕，采用整體厚碳化硅。而整體的厚碳化硅有以下幾點優(yōu)點：(1)相對體積膨脹率低，不易脫落；(2)抗化學腐蝕性能和抗機械沖刷性能好；(3)導熱性能好，有利于側部散熱，便于形成側部保護爐幫；(4)導電性差，減小電流空耗。如圖4-4。</p>

90、<p>　　圖4-4 側壁材料結構</p><p><b>　　第5章 參考文獻</b></p><p>　　[1] 殷恩生.160KA中心下料預焙鋁電解槽生產工藝及管理[M].長沙:中南工業(yè)大學出版社，2000.</p><p>　　[2] 霍岱明，朱丹青.淺談?chuàng)u籃式鋁電解槽槽殼的設計及結構改進[J].輕金屬,2002(10)

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