《450KA的鋁電解槽設(shè)計(jì)》13000字【論文】

450KA的鋁電解槽設(shè)計(jì)摘要320KA~350KA450KA的超大型鋁電解槽技術(shù)在國(guó)內(nèi)外受到很多企業(yè)的研究，不過(guò)我們國(guó)家也450KA450KA的鋁電解槽設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容關(guān)鍵詞：鋁電解槽，物料平衡，能量平衡，電壓平衡，車間設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 12鋁電解簡(jiǎn)介 22.1鋁的用途和性質(zhì) 22.1.1鋁的性質(zhì) 22.1.2鋁的用途 32.2現(xiàn)代鋁電解的發(fā)展 32.3鋁電解基本原理及工藝流程 42.4鋁電解原材料 52.4.1氧化鋁 52.4.2輔助原料—氟化鹽 62.4.3碳陽(yáng)極 83鋁電解槽參數(shù)計(jì)算 93.1主要技術(shù)參數(shù)的選擇 93.1.1電流強(qiáng)度 93.1.2電流效率 93.1.3分子比及電解溫度 93.1.4兩水平 103.1.5氧化鋁濃度 103.1.6陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù) 103.1.7極距 103.1.8陽(yáng)極電流密度 103.2綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的計(jì)算 113.2.1論證電解槽壽命 113.2.2單槽產(chǎn)量 113.2.3電解槽數(shù)量 113.2.4電解槽輔助設(shè)備選型及臺(tái)數(shù)計(jì)算 123.2.5廠房及電解槽配置 153.2.6原材料損耗 153.2.7主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的確定 163.3物料平衡概算 163.3.1鋁產(chǎn)量 163.3.2氧化鋁消耗量 163.3.3氟化鹽的消耗量 163.3.4陽(yáng)極炭塊的消耗量 173.3.5物料平衡表 184電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 194.1槽構(gòu)造及各部分尺寸計(jì)算 194.1.1陽(yáng)極尺寸 194.1.2槽膛深度 194.1.3陽(yáng)極到槽幫的距離 194.1.4槽膛尺寸 194.2陽(yáng)極結(jié)構(gòu) 194.2.1鋁導(dǎo)桿 194.2.2鋼爪 194.2.3陽(yáng)極塊 194.3陰極結(jié)構(gòu) 204.3.1槽殼 204.3.2內(nèi)襯 204.3.3陰極結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇及計(jì)算 204.4母線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 204.4.1陽(yáng)極母線 204.4.2陰極母線 214.5電壓平衡 224.5.1極化電壓 224.5.2電解質(zhì)電壓 224.5.3陽(yáng)極電壓降 234.5.4陰極電壓降 254.5.5分?jǐn)傠妷航?264.5.6連接母線壓降 264.6能量平衡 274.6.1能量平衡計(jì)算 284.6.2能量平衡表 31結(jié)論 32參考文獻(xiàn) 34遼寧科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第PAGE遼寧科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第10頁(yè)1緒論300kA450kA100450KA大型鋁電解槽的使用，在現(xiàn)代社會(huì)得到了升級(jí)，有利于鋁電解槽的發(fā)展，2鋁電解的描述2.1鋁的性質(zhì)和應(yīng)用導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐熱性、和金屬延展性，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可缺少的基礎(chǔ)材料。2.1.1鋁的性質(zhì)2.1.2鋁的應(yīng)用2.2鋁電解發(fā)展態(tài)勢(shì)鋁電解槽類型也發(fā)生了質(zhì)的飛躍，由以前的側(cè)插棒式自焙陽(yáng)極，性能也提升了很多。效率和小的能量損耗提供了很好的條件。在未來(lái)的工業(yè)發(fā)展中，生產(chǎn)鋁的能量損耗也會(huì)變得越來(lái)越低。與以前相比，陽(yáng)極效應(yīng)的頻率降低了很多很多。成本更低。1980頻率和電解質(zhì)的不充分混合使得自1990年以來(lái)，電解槽有了改善在許多方面：。2.3鋁電解生產(chǎn)工藝流程2050°C該熔體的導(dǎo)電性是非常好的。如圖實(shí)際之中，這種方法在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。在鋁電解槽上，陽(yáng)極為炭，陰極為鋁液，會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)方程式為：陽(yáng)極反應(yīng)方程式：2O2--4eˉ＝O2↑（2-1）陰極反應(yīng)方程式：Al3++3eˉ＝Al（2-2）2.1所示，為鋁電解生產(chǎn)工藝流程2.12.4鋁電解原材料非常多的原料共同參與了電解鋁的過(guò)程反應(yīng)，其原料是氧化鋁，其他原料是一些輔助性的原料，雖然用量很少，不過(guò)對(duì)于電解鋁的過(guò)程地確不可缺少的，如冰晶石、氟化鋁、氟化鈣及陽(yáng)極糊[7-10]。2.4.1氧化鋁氧化鋁是鋁電解過(guò)程中所需的原料之一，氧化鋁是一種白色粉末狀固體，在生活中比較常見(jiàn)，熔點(diǎn)非常高，沸騰溫度更高。鋁礦石作為氧化鋁生產(chǎn)的主要原料，鋁電解技術(shù)中氧化鋁的生產(chǎn)很重要，現(xiàn)在鋁土礦在氧化鋁生產(chǎn)的原料中達(dá)到了很高的占比。生產(chǎn)氧化鋁的方法有很多，堿法是生產(chǎn)氧化鋁中最常見(jiàn)的方法，也比較普遍。匯總表如圖2.1所示。圖2.1冰晶石的分解。這主要和它的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。氧化鋁的形態(tài)有好幾種，主要將其分為三類，可以分為砂狀、粉狀和中間狀，這三類的形態(tài)都不一樣，物理性能也就不一樣，其三個(gè)的主要區(qū)別，見(jiàn)表2.2。2.2分類特性砂型中間型粉型<45μm的粉料/%平均粒度/μm安息角/(°)比表面積/(m2﹒g－1）密度/(g﹒cm－3)容積密度/(g﹒cm－3)ω(α－Al2O3)/%<1280~10030~35>45<3.70>0.8512~2050~8035~40>35<3.70>0.8520~5050>402~10>3.90<0.752.4.2輔助原料—氟化鹽90%[12,13]。氟鋁酸鈉就是所謂的冰晶石，在實(shí)際生產(chǎn)之中，我們用的做多的是什么呢，那就是人造冰晶，是非常普遍的。1.冰晶石(cryolite)在所有礦石中，跟其他礦石相比，其他天然礦石很難得到，天然冰晶石采獲相對(duì)簡(jiǎn)單。在鋁電解中需要用到大量的冰晶石，也就是說(shuō)，冰晶石是熔劑中的主要成分，它的作用是獨(dú)一無(wú)二的，至少目前并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)哪種比冰晶石更有利于鋁電解生產(chǎn)的物質(zhì)，其主要作為鋁電解的助溶劑。冰晶石有如此作用的原因有兩個(gè)：其一它溶解氧化的效果非常好；其二就是因?yàn)樗鼉蓚€(gè)密度之間的差距很是懸殊?，F(xiàn)在，冰晶石是生產(chǎn)氧化鋁的必需品，廣泛應(yīng)用其生產(chǎn)。2.氟化鋁(aluminumfluoride)氟化鋁的性質(zhì)很穩(wěn)定，是無(wú)色或者白色結(jié)晶。在加熱的情況下它會(huì)水解，溫度達(dá)到1272℃，蒸汽壓達(dá)到一定值時(shí)，開(kāi)始升華，在電解鋁的生產(chǎn)過(guò)程中，氟化鋁同樣是無(wú)法被取代的，它在多個(gè)不同的方面都發(fā)揮著很重要的作用，最主要的作用是降低熔點(diǎn)、降低電解溫度以及提高電解質(zhì)的導(dǎo)電率。其主要用途就是用來(lái)練鋁。3.氟化鈣(calciumfluoride)氟化鈣的用途很是廣泛，是一種無(wú)色結(jié)晶或白色粉末狀固體。在生活中不是很常見(jiàn)，相對(duì)密度3.18克/立方厘米，熔點(diǎn)比較高，溶解時(shí)會(huì)放出一種氣體。氟化鈣的添加量一般為為4~6%。最主要的是其不溶于水。4.氟化鎂(Magnesiumfluoride)氟化鎂，是一種沒(méi)有顏色的、呈四方形的晶體或者是粉末，它的熔點(diǎn)達(dá)到1248度，當(dāng)溫度達(dá)到2260度時(shí)，它會(huì)開(kāi)始沸騰。在鋁電解工業(yè)中，最早大概是上世紀(jì)五十年代，人們把氟化鎂作為電解質(zhì)的添加劑氟化鎂，主要是用工業(yè)合成的方法制成的。不過(guò)氟化鎂具有毒性，一定要注意防護(hù)。５.氟化鈉(Sodiumfluoride)氟化鈉是一種離子化合物，是沒(méi)有顏色的且發(fā)亮的晶體，或者是白色的呈粉末狀的物體。熔點(diǎn)較低，熔點(diǎn)為993攝氏度，沸點(diǎn)為1695攝氏度，在水中溶解度不是很大，水溶液有很弱的堿性，是一種輔助劑，可作為添加劑，氟化鈉的用途也很多。溫度升高對(duì)其并沒(méi)有影響。６.碳酸鈉(Natriicarbonas)碳酸鈉，別名有純堿、蘇打等。常溫下的碳酸鈉一般是白色并且沒(méi)有味道的粉末，有時(shí)也呈顆粒狀。它很容易溶解在水中，吸水性很強(qiáng)。從某些方面來(lái)講，它的作用跟上文提到的氟化鈉是一致的：例如，它們都能致使升高電解質(zhì)中的分子比。但碳酸鈉又有與氟化鈉不同的一些地方，碳酸鈉是更不容易溶解的。2.4.3碳陽(yáng)極通常情況下，碳陽(yáng)極需要滿足能耐受高溫而且不會(huì)輕易被侵蝕的條件，除此之外，它還被要求有低透氣性以及良好的空氣氧化性。鋁電解池中使用兩種類型的碳陽(yáng)極：自動(dòng)蒸煮陽(yáng)極和預(yù)蒸煮陽(yáng)極[10]。其可以分為自焙陽(yáng)極和預(yù)焙陽(yáng)極兩種，自焙可以分為上插式和側(cè)插式兩種，要區(qū)分上插式和側(cè)插式這兩者就是要看導(dǎo)電金屬棒是從哪個(gè)方向插入的。陽(yáng)極漿料通常用作碳陽(yáng)極的原料，不同數(shù)量的陽(yáng)極碳?jí)K合并在一起。每組碳陽(yáng)極塊由2至4個(gè)碳陽(yáng)極塊，鋼爪，導(dǎo)桿等組成。陽(yáng)極具有間歇性的運(yùn)動(dòng)，大多數(shù)預(yù)煮陽(yáng)極是間歇性運(yùn)行的，每組陽(yáng)極通常18-28天就要換一次，輪換周期比較頻繁。為了防止鋼爪熔化，當(dāng)陽(yáng)極碳?jí)K的消耗量是原始高度的四分之一時(shí)，必須將舊的陽(yáng)極碳?jí)K取下并換成新的一組陽(yáng)極碳?jí)K。因?yàn)檫@種具有操作簡(jiǎn)單和不會(huì)造成環(huán)境污染的優(yōu)點(diǎn)，所以這種類型的陽(yáng)極在重建大型鋁廠和自煮陽(yáng)極電解池中被頻繁使用。在國(guó)內(nèi)和國(guó)外都被使用著。3鋁電解槽參數(shù)計(jì)算3.1主要技術(shù)參數(shù)的選擇，為了使其穩(wěn)定，需要維持各它們之間的平衡，下面對(duì)他們分別介紹。3.1.1電流強(qiáng)度現(xiàn)在，鋁電解一般都使用的是強(qiáng)直流電，強(qiáng)直流電也有一定的標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)電解槽系列其電流強(qiáng)度都是有標(biāo)準(zhǔn)的3.1.2電流效率當(dāng)前鋁電解效率是指根據(jù)一種定律而計(jì)算出來(lái)的，就是法拉第定律，陰極上實(shí)際產(chǎn)生的鋁相比于理論上產(chǎn)生的鋁的含量比對(duì)比。電解電流的效率很是重要，在鋁電解中具有相當(dāng)重要的地位，是作為其重要技術(shù)和雄厚的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，而且和鋁的實(shí)際生產(chǎn)，材料消耗和一些其他條件下的能量消耗（無(wú)變化）有很大關(guān)系。我們都知道，不管怎么樣，都不可以把損耗的能量完全消除掉干凈，所以呢電流效率也是不會(huì)到達(dá)100%的，鋁電解廠現(xiàn)在的通?？梢赃_(dá)到87%~98%的電流效率，我的設(shè)計(jì)設(shè)定的電流效率為95%。3.1.3槽工作電壓槽工作電壓主要有陽(yáng)極壓降、電解質(zhì)壓降、陽(yáng)極壓降、母線壓降、極化電壓、效應(yīng)分?jǐn)傠妷航M成的。這其中呢，母線壓降基本是固定的，極化電壓的變化也很小，陽(yáng)極壓降、電解質(zhì)壓降、陰極壓降變化較大，電解質(zhì)壓降時(shí)刻在變，因此平時(shí)工作電壓的高低就是電解質(zhì)壓降的高低。槽電壓過(guò)高會(huì)使電解質(zhì)熱量收入增加，還會(huì)浪費(fèi)電能，會(huì)影響原鋁質(zhì)量和電流效率。3.1.4氧化鋁濃度氧化鋁的濃度是與生產(chǎn)的穩(wěn)定性和電流效率密切相關(guān)的，他們是呈反比的，通過(guò)大量實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)證明，陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生的條件是氧化鋁的濃度濃度大小，其濃度要低于百分之一。氧化鋁的效應(yīng)極限濃度會(huì)隨著槽運(yùn)行溫度的不同而產(chǎn)生較大的不同。當(dāng)氧化鋁濃度如果達(dá)到很高的時(shí)候，電解溫度發(fā)生一些變動(dòng)的時(shí)侯，在爐的底部他的狀態(tài)很是容易發(fā)生突然變?cè)挄?huì)對(duì)電解槽的壽命形成較大的沖擊；還會(huì)形成爐底沉淀物。，突發(fā)效應(yīng)很容易發(fā)生的時(shí)候呢，是氧化鋁濃度非常低的時(shí)候。所以呢為了保持生產(chǎn)一定的穩(wěn)定性，一般氧化爐就需要確保在合理的區(qū)間之內(nèi)。此設(shè)計(jì)選取氧化爐濃度為2%~3%。3.1.5陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)是指每天分?jǐn)偨o每個(gè)槽上的陽(yáng)極效應(yīng)次數(shù)。陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)的發(fā)生通常與電解質(zhì)中缺少氧化鋁有很大的關(guān)系，生產(chǎn)實(shí)踐告訴我們電解槽的效應(yīng)不易發(fā)生時(shí)通常隱藏著一些對(duì)生產(chǎn)不利的因素。陽(yáng)極效應(yīng)的正常發(fā)生可以有效的檢查陽(yáng)極工作狀態(tài)和校正氧化鋁濃度。3.1.6極距極距會(huì)直接影響電流效率和點(diǎn)解溫度。提高極距會(huì)減少鋁的損失，能提高電流效率，因此在不影響電流效率的情況下盡量保持較低的極距（4-4.5cm），以此來(lái)取得更好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。3.1.7兩水平涉及到兩水平時(shí)，許多數(shù)情況下是指鋁液水平和電解質(zhì)水平這兩個(gè)參數(shù)的相對(duì)高度。因?yàn)樯a(chǎn)實(shí)際的所要求，這兩個(gè)應(yīng)當(dāng)在一定的水平上，如果不是這樣，必然會(huì)很大程度上沖擊到電解槽的熱穩(wěn)定性勢(shì)。3.1.8陽(yáng)極電流密度本設(shè)計(jì)陽(yáng)極電流密度選0.89A/cm2。3.19電解質(zhì)成份眾所周知，電解質(zhì)成份又叫做分子比。電解鋁的電解質(zhì)主要時(shí)熔融的冰晶石和氧化鋁溶解在其中組成，另外就是還有其他的一些添加物。如圖3.1為電解質(zhì)酸堿度觀察表。圖3.1電解質(zhì)酸堿度觀察表3.2綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的運(yùn)算3.2.1驗(yàn)算電解槽壽命電解槽的壽命在電解槽的設(shè)計(jì)中尤為重要，影響電解槽壽命的因素有很多，其中主要因素有電解槽選型、內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝的質(zhì)量、焙燒制度、生產(chǎn)操作等組很多方面。為了提高電解槽壽命我們要設(shè)置好數(shù)值，盡可能延長(zhǎng)其壽命。此設(shè)計(jì)把預(yù)焙槽壽命設(shè)定為5年。延長(zhǎng)電解槽壽命的方法有很多，主要有以下幾個(gè)方面：[15]3.執(zhí)行合適的運(yùn)行管理制度。3.2.2單槽產(chǎn)量按照設(shè)計(jì)要求，此設(shè)計(jì)所要求的電流強(qiáng)度為450KA，電流效率呢則取95%，下列計(jì)算因此Y日＝0.3356I·η·t×0.001＝0.3356×450000×0.95×0.001×24＝3443.26(kg/槽·天)＝3.44(t/槽·天)（3.1)Y年＝3443.26×365＝1256788.44(kg/槽·年)＝1256.8(t/槽·年)(3.2）其中：Y日是電解槽原鋁日產(chǎn)量；Y年是電解槽原鋁年產(chǎn)量；I是指電流強(qiáng)度：t電解槽日工作時(shí)間；η是指電流效率。3.2.3電解槽的數(shù)量1.理論中的電解槽數(shù)量的計(jì)算生產(chǎn)規(guī)?？扇?0萬(wàn)t/年；鑄造成品實(shí)收率為99.4%；槽壽命：2000天，停槽日期：30天；則開(kāi)動(dòng)率=20002000+30×100%Np=3000001117.1×Nr=生命槽數(shù)槽壽命=Nb274臺(tái)工作時(shí)：1117.1×274＝306085.4t288臺(tái)工作時(shí)：1117.1×288＝321724.8t鑄造成品實(shí)收率為99.4％，所以274臺(tái)槽運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量為：306085.4×99.4％＝304248.9t從上述數(shù)據(jù)可以得出所設(shè)計(jì)的電解槽能滿足所要求的年產(chǎn)量。3.2.4電解槽輔助設(shè)備的選擇電解槽輔助設(shè)備的選擇也很難重要，首先就是多功能機(jī)組，隨著許多大型鋁電解槽的出現(xiàn)，鋁電解槽多功能機(jī)組也顯得越來(lái)越重要。這樣就更有利于鋁電解槽形成一種集成化的態(tài)勢(shì)。就多功能機(jī)組的技術(shù)參數(shù)的選擇主要有以下幾個(gè)方面：首先是大車時(shí)我們要考慮到跨度液壓系統(tǒng)、大車運(yùn)行速度、油流量、其電動(dòng)機(jī)的功率等等。然后就是當(dāng)是小車的時(shí)候首先考慮其運(yùn)行速度之后要考慮運(yùn)行機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)功率，陽(yáng)極拔出速度等等。然會(huì)就是副小車首先是起重量、運(yùn)行速度、運(yùn)行電動(dòng)機(jī)功率的選擇，之后要考慮其提升速度和提升電動(dòng)機(jī)的功率。最后計(jì)算得到多功能機(jī)組的臺(tái)數(shù)為6.17臺(tái)。就母線提升機(jī)技術(shù)參數(shù)的選擇也有很多選擇，考慮到設(shè)備我們要選擇4臺(tái)母線提升機(jī)，每棟廠房我們放兩臺(tái)。首先陽(yáng)極的消耗速率VC＝8.054·d陽(yáng)·η·Wc×0.001/dc（3.6）代入數(shù)據(jù)得VC﹦1.82cm/日，故母線提升機(jī)每一塊陽(yáng)極使用周期就為21天。換陽(yáng)極時(shí)，我們計(jì)算得每天每班更換陽(yáng)極的時(shí)間為2743分鐘,我們計(jì)算的所需的出鋁槽時(shí)間大約2880分鐘，然后計(jì)算出抬陽(yáng)極需時(shí)間為288分鐘，最后每班要取出50分鐘，這樣最會(huì)得出完成這幾項(xiàng)作業(yè)所需總時(shí)間為6061分鐘。我們研究得每一個(gè)廠房要放置一臺(tái)多功能機(jī)組，因此每棟廠房各需要2臺(tái)多功能機(jī)組，這樣我們一共要配置8臺(tái)多功能機(jī)組。因?yàn)橐恍C(jī)器壞了以后所需維修一系列不可控的因素，此設(shè)計(jì)需要使用抬包25臺(tái)，如下所示：工作臺(tái)數(shù) 11臺(tái)維修臺(tái)數(shù) 4臺(tái)停槽啟動(dòng)臺(tái)數(shù) 4臺(tái)備用臺(tái)數(shù) 6臺(tái)然會(huì)要選擇槽控機(jī)和混合爐設(shè)備的數(shù)目，槽控機(jī)還是比較好選擇的，槽控機(jī)主要是由有邏輯部分、動(dòng)力部分、顯示部分、操作按鈕部分這四部分組成的。之后就是混合爐設(shè)備數(shù)的選擇。前面不分我們計(jì)算出鋁電解車間產(chǎn)量最大為321724.8噸的原鋁，由于一些不必要因素的影響，車間產(chǎn)量其實(shí)為353897.28噸/年。我們選用40噸燃?xì)獗貭t作為它的混合爐。原鋁最大處理量為10000噸；混合爐容量為42噸；受到一些不確定因素的影響，我們?nèi)』旌蠣t臺(tái)數(shù)為5臺(tái)；我們選取鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)組4臺(tái)，進(jìn)行計(jì)算。3.2.5電解槽配置電解槽的配置怎樣合適呢，我們根據(jù)電解槽的數(shù)量，選擇兩個(gè)車間，兩棟電解廠房，兩廠房肩并肩平行排列，廠房一共有兩層，槽體和陰極母線安裝在底層，槽與槽之間的距離取為6.5米，則每棟廠房長(zhǎng)為561米寬則50米，廠房?jī)深^的支撐柱與最前面的電解槽及最后面的電解槽之間的距離分別為29.75米和24.75米。3.2.6原材料耗損首先我們計(jì)算氧化鋁損耗，其化學(xué)方程式如下：Al2O3→2Al＋3/2O2（3.7）任何都有一個(gè)理論值，我們計(jì)算得其理論消耗能量為1888.89kg/t，受外界因素的影響我們?nèi)∑渲禐?950kg/t。然后就是要計(jì)算陽(yáng)極炭塊得能量消耗，其化學(xué)方程式如下：Al2O3＋3/2C→2Al＋3/2CO2（3.8）我們計(jì)算得陽(yáng)極炭塊得理論能量消耗為333.33kg/t。最后我們計(jì)算其實(shí)際碳消耗量如下：Q實(shí)=127×然后我們?nèi)∑鋵?shí)際碳耗為：400kg/t。3.2.7主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的確定如圖3.1所示，為其主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。3.3物料平衡概算3.3.1鋁產(chǎn)量我們?nèi)尾郛a(chǎn)量為P,其計(jì)算公式如下：P＝0.3356·I·η·t＝0.3356×450000×0.95×10－3＝143.46kg/(槽·h)（3.10）圖3.13.3.2氧化鋁消耗量上面算得實(shí)際損耗量為1950，以此來(lái)進(jìn)行下列計(jì)算。理論單耗為：1888.89×143.46×0.001＝270.98kg/槽·h；實(shí)際單耗為：1950×143.46×0.001＝279.75kg/槽·h；損耗量為：279.75-270.98＝8.77kg/槽·h3.3.3氟化鹽的消耗 3.3.4陽(yáng)極炭塊的消耗量理論上碳的消耗量為：QCO2產(chǎn)出量為：9CO產(chǎn)出量為：3噸鋁實(shí)際碳耗為：400kg/t。實(shí)際損消耗量：Q＝400×143.46×10－3＝57.38kg/槽·h碳損耗為：Q實(shí)－Q理＝57.3854.65＝2.73kg/槽·h鋁產(chǎn)量：143.46kg/槽·h；二氧化碳產(chǎn)量：150.29kg槽·h；一氧化碳產(chǎn)量：31.88kg/槽·h3.3.5物料平衡表物料平衡表見(jiàn)圖3.2圖3.24電解槽構(gòu)造與設(shè)計(jì)4.1陽(yáng)極結(jié)構(gòu)4.1.1爆炸焊片從書中可知，鋁導(dǎo)桿和鋼板的接連是采用鋁鋼爆炸焊。我的設(shè)計(jì)共用到了40根陽(yáng)極導(dǎo)桿，其抗拉強(qiáng)度要大于0.7MPa,耐熱性要大于350攝氏度，故導(dǎo)桿的電流密度為：4.1.2鋼爪我們?cè)O(shè)定陽(yáng)極上每組碳?jí)K上都有四個(gè)鋼爪，其直徑為160毫米長(zhǎng)度為280毫米。計(jì)算得鋼爪中的電流密度為0.1500A/mm2。4.1.3陽(yáng)極塊其換極周期公式如下：λ=(H?H我們得知碳陽(yáng)極的密度為1.6g/cm3，陽(yáng)極炭塊需要消耗的量為：4.2陰極結(jié)構(gòu)在電解鋁工藝中，陰極結(jié)構(gòu)占有很重要的地位，陰極結(jié)構(gòu)中主要包括了槽殼的設(shè)計(jì)和選擇、槽底部?jī)?nèi)襯的選擇和設(shè)計(jì)、槽側(cè)部?jī)?nèi)襯的選擇和設(shè)計(jì)。4.2.1槽殼槽殼是電解槽殼體的一種，一般殼槽都選擇搖籃式結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)槽殼也采用搖籃式結(jié)構(gòu)。4.2.2內(nèi)襯為了降低鋁電解槽的電能消耗，我們就要從內(nèi)襯下手。電解槽的內(nèi)襯材料有很多種，襯里材料是最常用的一種。其設(shè)計(jì)和熔爐結(jié)構(gòu)的質(zhì)量對(duì)電解池的生產(chǎn)率和壽命有著非常直觀的影響。一般大型的鋁電解槽采用單圍帶、側(cè)部焊接散熱片、優(yōu)良的碳化硅磚、工廠強(qiáng)制通風(fēng)來(lái)降低能耗。4.2.3陰極結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇及計(jì)算下面是陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的參數(shù)的選擇和計(jì)算如下陰極橫截面積為：S=4500000.24=1875000mm2陰極鋼棒數(shù)為:1875000150×110×2=56.8;故取57根陰極鋼棒。校驗(yàn)陰極鋼棒的電流密度為：d=450000(150×110×50×2)=0.272A/mm2=27.2A/cm24.3.1陽(yáng)極母線陽(yáng)極母線主要包括陽(yáng)極橫母線、陽(yáng)極軟母線、立柱母線三種，我們分別對(duì)這三種母線進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。陽(yáng)極橫母線上電流為總電流強(qiáng)度的八分之一，是因?yàn)樗厦嬗兴膫€(gè)端口，本設(shè)計(jì)電流強(qiáng)度為450KA,母線上的電流密度作為0.347A/cm2，陽(yáng)極橫截面積計(jì)算如下：Sm=1對(duì)母線的電流密度進(jìn)行校檢得：D=1/8S=450000530×取陽(yáng)極軟母線的的電流密度為0.25安每平方厘米，陽(yáng)極軟母線的片數(shù)為：n=1/4D對(duì)其電流密度進(jìn)行檢驗(yàn)得：D軟=0.25A/cm2取軟母線的長(zhǎng)度為1.55米。我們?nèi)×⒅妇€的電流密度為0.35安/平方厘米,此設(shè)計(jì)電流強(qiáng)度為450KA.立柱母線橫截面積計(jì)算如下S=I4我們對(duì)立柱母線的電流密度進(jìn)行校檢得D=0.35A/cm2列出陽(yáng)極母線規(guī)格表，如圖4.1所示：圖4.14.3.2陰極母線陰極母線有陰極軟母線和槽周陰極母線，分別對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。首先是陰極軟母線的設(shè)計(jì)計(jì)算，取陰極軟母線為0.40安/平方毫米，計(jì)算得陰極軟母線片數(shù)為：n=70根。對(duì)其電流密度進(jìn)行校檢如下：D陰軟=450000/4070×200×2=0.40A/mm2然會(huì)對(duì)槽周陰極母線進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，取母線尺寸規(guī)格為600毫米×200毫米，對(duì)其電流密度進(jìn)行校檢如下:A側(cè)槽周母線校檢：DA中＝0.234A/mm2；端部槽周：DA端＝0.469A/mm2B側(cè)槽周母線校檢：DB中＝0.234A/mm2端部槽周陰極電流密度：DB端=3I/16S根據(jù)上述計(jì)算，得到陰極母線尺寸規(guī)格表，如圖4.2圖4.24.4槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及各部分尺寸選擇首先是陽(yáng)極尺寸得選擇，通常來(lái)說(shuō)電解槽的容量越大，其陽(yáng)極尺寸也就要更大一些。與電解槽容量成正比。然后就是陽(yáng)極到槽幫的距離選擇，我的設(shè)計(jì)此距離選擇為300毫米和420毫米。其次是槽膛尺寸的選擇，我們計(jì)算得出槽膛長(zhǎng)度為14800mm,槽寬度為3900mm,槽膛深度的大小通常是由兩水平及其操作工藝所決定，槽深度為550mm。5電壓平衡鋁電解生產(chǎn)工藝中，槽電壓是一個(gè)很重要的參數(shù)，所以電壓平衡在鋁電解中顯得尤為重要。電解槽的平均電壓由下式組成：V＝E極化＋ΔV陽(yáng)＋ΔV陰＋ΔV質(zhì)＋ΔV母線＋ΔV效應(yīng)＋ΔV聯(lián)(5.1)5.1電解質(zhì)電壓電解質(zhì)電壓可根據(jù)柯魯鮑夫提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算如下：?V質(zhì)=I將其代入公式如下?V質(zhì)=l?ρ?LS+25.2陽(yáng)極電壓降5.2.1陽(yáng)極橫母線電壓降取橫母線平均溫度t＝66℃，ρ0＝0.028Ω·mm2/m，α＝0.0038，由此計(jì)算得：ρt＝ρ0(1＋α·t)＝0.028×(1＋0.0038×66)＝0.035Ω·mm2/m（5.4）一共需要40根陽(yáng)極導(dǎo)桿，單根導(dǎo)桿的電流計(jì)算如下：l=45000040=11250A設(shè)陽(yáng)極橫母線長(zhǎng)為：L＝660×20＋40×19＝13960mm此設(shè)計(jì)取一半橫母線長(zhǎng)度為作為計(jì)算：L2=13960母線電壓計(jì)算如下：V=13IRI=4500008R=ρt×所以ΔV母線＝1/3×56250×0.00209＝39.19mV5.2.2陽(yáng)極軟母線電壓降軟母線尺寸規(guī)格為600毫米×2毫米，長(zhǎng)度為1550毫米，t＝60℃，則：ρt＝ρ0(1＋α·t)＝0.028(1＋0.0038×60)＝0.0344Ω·mm2/m（5.10）?V母線=5.2.3陽(yáng)極立柱母線電壓降從上面三個(gè)計(jì)算得出陽(yáng)極立柱母線電壓降如下式：?V立5.24陽(yáng)極炭塊組電壓降首先計(jì)算陽(yáng)極導(dǎo)桿電壓降如下：?V導(dǎo)桿=i×p×L?St然后計(jì)算導(dǎo)桿下部電壓降主要有下面幾部分組成：最后我們?nèi)】ň唠妷航禐?1mV；陽(yáng)極炭塊組電壓降還包括預(yù)焙炭塊壓降，它是根據(jù)V炭＝d·ρc·h這個(gè)公式計(jì)算出來(lái)的。下面是此公式的一些數(shù)據(jù)：固定系數(shù)ρ＝55×10－4歐姆·厘米；d表示平均電流密度；h為平均導(dǎo)電高度，h為h1和h2加起來(lái)再除以2；h1表示新陽(yáng)極塊上的有效導(dǎo)電高度，h1則表示新陽(yáng)極塊高度；h2則表示剩余極有效導(dǎo)電高度，其中h1=490mm;h2=99.5mm;h=294.8mm。炭極快平均電流密度計(jì)算如下：d0=1然后我們計(jì)算出ΔV炭為178.4mV。5.3陰極電壓降陰極包含了槽底電壓降、陰極軟母線電壓降和槽周陰極母線電壓降，我們對(duì)其進(jìn)行分別計(jì)算。5.3.1槽底電壓降槽底電壓降我們是利用公式計(jì)算的如下：?V槽底溫度為850攝氏度時(shí)ρ炭=4.5×然后計(jì)算通過(guò)陰極炭塊路徑電流的長(zhǎng)度，計(jì)算如下：L導(dǎo)＝2.5＋0.9×45－1.1×13＋132/18＝25.03cm然后計(jì)算得出槽底電壓降為418.95mV。5.3.2陰極軟母線電壓降取陰極軟母線50片，電阻率ρt為0.0376歐姆·平方厘米/米，故陰極軟母線計(jì)算如下：?V陰軟=0.0376×1000200×2×505.3.3槽周陰極母線電壓降槽周陰極母線一共有四根我們分別對(duì)其計(jì)算如下：?V1=0.0376×6000?V2=0.0376×7000?V3=0.0376×5000?V4=0.0376×2000通常我們選擇槽周陰極母線電壓降時(shí)，我們選擇其最大值為作為標(biāo)準(zhǔn)值，故：ΔV槽周為117.5mV。5.4分?jǐn)傠妷航凳荜?yáng)極效應(yīng)的影響，分?jǐn)傠妷航狄步凶鲫?yáng)極效應(yīng)分?jǐn)傠妷航担?yáng)極效應(yīng)分?jǐn)傠妷航档挠?jì)算公式如下：?V效應(yīng)=k如果陽(yáng)極效應(yīng)持續(xù)五分鐘，電壓就會(huì)從4V變大到35V，我們計(jì)算其陽(yáng)極效應(yīng)電壓降如下：?V效應(yīng)=0.1×(35?4)×55.5連接母線壓降根據(jù)實(shí)際測(cè)量槽外母線均攤電壓我們?nèi)∑渲禐?0mV。綜上所述，我們得到電解槽電壓平衡表，如圖4.3所示。圖4.3450kA預(yù)焙電解槽電壓平衡表

6能量平衡電解槽的能量平衡，就是在一定條件下，電解槽得到的能量等于電解過(guò)程所需能量加上從電解槽散發(fā)出去的熱能之和。電解槽體系電壓計(jì)算公式如下：V體=V槽底＋V質(zhì)＋V陽(yáng)極＋V鐵—碳＋V鋼爪＋V極化＋V效應(yīng)＝4741.1mV＝4.7411V6.1能量平衡計(jì)算6.1.1吸收熱量計(jì)算我們首先計(jì)算電能的輸入，我們知道一瓦電一秒產(chǎn)生0.239Cal熱，所喲每小時(shí)就會(huì)產(chǎn)生0.86kCal的熱，此設(shè)計(jì)電流強(qiáng)度為450KA，帶入公式計(jì)算如下：Q電＝IV熱＝0.86×4.5434×450000＝1758295.8kCal/h＝7350734.95kJ/h（6.1）然后計(jì)算陽(yáng)極反應(yīng)的熱量，先計(jì)算每槽單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)鋁量P如下式所示：P＝0.3356I?t＝0.3356×450000×0.95×0.0001＝144.63kg/(槽·h)＝5.357kmol/(槽·h)我們知道陽(yáng)極氣體有C02和CO，我們計(jì)算其產(chǎn)量如下;Al2O3+12/7C→2Al+9/7CO2+3/7CO(6.2)nco2nco=5.357×3當(dāng)電解溫度為940攝氏度和950攝氏度之間時(shí)。此時(shí)查得二氧化碳和一氧化碳的生成焓分別為94.49kCal/mol和27.05kCal/mol。6.12支出熱量計(jì)算(1)Al2O3反應(yīng)熱Al2O3分解熱：QAl2O3＝1.869×307134.65＝574034.66kCal/h＝2399473.88kJ/h在950℃的分解溫度下，分解自由能由如下公式ΔFt＝405760＋3.75TlogT－92.22T(6.5)其中氣體帶走的熱量如下所示：則： 殘極換出溫