【正文】 1 第 1 章 概述 現(xiàn)代鋁電解槽結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢 從 1886 年， HallHeroult 的冰晶石 氧化鋁熔鹽電解法，已經(jīng)快有 120 年的歷史了，在此期間 HallHeroult 電解煉鋁的工藝和方法原理上沒有變化，然而實(shí)施 HallHeroult 冰晶石 氧化鋁熔鹽電解方法煉鋁的主體設(shè)備 ——HallHeroult 電解槽的結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化。鋁電解生產(chǎn)由最初的電耗[電流效率 75%（ 1889 年 Heroult 槽） ]和電耗 [電流效率 80%（ 1889 年 Hall 槽） ]，降到了 現(xiàn)在的電耗 （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(xiàn)在的500kA。電解槽的結(jié)構(gòu)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 11。 在 HallHeroult 冰晶石 氧化鋁熔鹽電解法煉鋁誕生的近 120 年時(shí)間里，HallHeroult 鋁電解槽的結(jié)構(gòu)，按陽極特性可以來劃分經(jīng)歷了從預(yù)焙陽極到旁插自焙陽極，到上插自焙陽極，最后又回到預(yù)焙陽極的階段，其間也出現(xiàn)過連續(xù)預(yù)焙陽極試驗(yàn)電解槽，但未成功推廣。在 HallHeroult 電解槽的初 級(jí)階段，電解槽的特點(diǎn)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(yù)制的（預(yù)焙陽極）。在 20 世紀(jì) 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(dá)到 170～ 180kA。但由于自焙陽極電解槽的種種不可克服的缺點(diǎn)，故在 20 世紀(jì) 70 年代以后逐步被淘汰，取而代之的是現(xiàn)代的預(yù)焙陽極電解槽。 表 11 各類槽型的發(fā)展及演變過程 階段 槽型 使用時(shí)期 電流強(qiáng)度 /kA 陽極電流密度 /() 直流電耗/() 機(jī)械與自動(dòng)化 勞 動(dòng) 生產(chǎn)率 I 小型焙燒爐 1920 年前 38 8000025000 19201950 55 21000 以下 II 側(cè)插槽 20世紀(jì) 30 年代中期至今 2530 2202114500 半機(jī)械化操作 4758 9095 III 上插槽 20世紀(jì) 50 年代中期至今 100 以下 1800016500 后期采用多種作業(yè)聯(lián)合機(jī)組 100130 以下 1800014500 VI 現(xiàn)代化預(yù)焙電解槽 19501960 100 以下 1700014000 僅采用計(jì)算機(jī)智能模糊控制系統(tǒng) 19601970 100150 19701986 180280 1390013200 1986 年至今 280550 幾年來 ， 全球鋁產(chǎn)量和鋁消費(fèi)量持續(xù)增長 ,世界鋁工業(yè)發(fā)展方興未艾 ， 呈現(xiàn) 2 三個(gè)明顯趨勢 ： 一是世界鋁工業(yè)的組織結(jié)構(gòu)日趨規(guī)模化、集團(tuán)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(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)向 著高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、長壽和低污染的方向加快進(jìn)步 。因此 ， 中國鋁工業(yè)只有加快組織結(jié)構(gòu)、技術(shù)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐 ， 才能在激烈的國際競爭中 ， 實(shí)現(xiàn)由世界鋁工業(yè)大國向世界鋁工業(yè)強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變 。 [23] 所設(shè)計(jì)電解槽陰極結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 一種異性結(jié)構(gòu)鋁電解槽的陰極碳?jí)K， 屬于鋁電解技術(shù)領(lǐng)域。 所述的異性結(jié)構(gòu)鋁電解槽，是指該鋁電解槽及其陰極結(jié)構(gòu)為異性。本實(shí)用新型陰極碳?jí)K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(shí)用新型的鋁電解槽可以緩解電解槽內(nèi)陰極鋁液的流動(dòng)速度和降低 鋁液的波動(dòng)高度，從而達(dá)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距，降低鋁電解生產(chǎn)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(dá)到延長電解槽壽命的目的。 第 2 章 鋁電解槽結(jié)構(gòu)簡介 工業(yè)電解槽通常分為陰極結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)、母線結(jié)構(gòu)和電氣絕緣四大部分。預(yù)焙槽根據(jù)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，其不同的只是后者有自動(dòng)打殼和下料裝置。本設(shè)計(jì)為 290kA 中心下料預(yù)焙電解槽，其結(jié)構(gòu)簡圖如 2－ 1 。 [6, 7] 圖 2－ 1 中間下料預(yù)焙電解槽結(jié)構(gòu)簡圖 3 上部結(jié)構(gòu) 熔池上面的金屬結(jié)構(gòu)部分統(tǒng)稱上部結(jié)構(gòu)。 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、集氣煙罩和排煙管五大部分 。圖 2－ 2 為某廠 200kA 預(yù)焙鋁電解槽的上部結(jié)構(gòu)圖。 圖 2－ 2 200KA預(yù)焙陽極鋁電解槽上部結(jié)構(gòu)圖 陽極炭塊組 預(yù)焙槽有多個(gè)陽極炭塊組，每一組包括 23 塊預(yù)制陽極炭塊。炭塊、鋼爪、鋁導(dǎo)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(jié)，鋁導(dǎo)桿 則是采用滲鋁法和爆炸焊與鋼爪焊接在一起。鋁導(dǎo)桿通過夾具與母線大梁夾緊，將陽極懸掛在大梁上。 陽極母線大梁承擔(dān)著整個(gè)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(jī)帶動(dòng)上下移動(dòng)，以調(diào)整陽極的位置。 預(yù)焙陽極炭塊組數(shù)取決于電解槽的電流強(qiáng)度，陽極電流密度以及炭塊幾何尺寸。 圖 2－ 3陽極炭塊組示意圖 陽極升降裝置 裝置如簡圖 24。在 160kA 電解槽上，提升馬達(dá)為 。公稱提升重量為32 噸。當(dāng)起重量超過 40 噸時(shí)，裝在減速箱的防過載摩擦離合器打滑，使裝置得以保護(hù)。 4 螺 旋起重機(jī)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(zhuǎn)計(jì)，可以以 mm 為單位，精確顯示陽極母線的行程位置。 1—— 傳遞軸； 2—— 螺旋超重機(jī)； 3—— 換向器； 4—— 齒條連軸節(jié)； 5—— 減速箱； 6—— 連軸節(jié)； 7—— 馬達(dá) 圖 2－ 4 陽極 提升機(jī)構(gòu)簡圖 承重結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu)的其他部分和全部重量的作用。 圖 2－ 5 門式支架桁 架示意圖 1—— 桁 架； 2—— 門式支架； 3—— 鉸接點(diǎn)； 4—— 槽殼 圖 2－ 6 200KA預(yù)焙陽極鋁電解槽桁架結(jié)構(gòu)圖 加料裝置 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(dāng)氣缸充氣活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，便帶動(dòng)錘頭上、下運(yùn)動(dòng)而打擊熔池表面結(jié)殼。 下料系統(tǒng)由槽上料箱、下料器組成。料箱上部與槽上風(fēng)動(dòng)溜槽或原料輸送 5 管相通；筒式上料器安裝在料箱的下側(cè)部。 筒式定容下料器由一氣缸帶動(dòng)一個(gè)在鋼筒 中的透氣鋼絲活塞及一個(gè)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(gè)定容空間，定容車間的上端開有充料口。 當(dāng)氣缸活塞運(yùn)動(dòng)到上端時(shí)，便帶動(dòng)鐘罩封住鋼筒的下端，透氣活塞移動(dòng)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(dāng)接到下料命令時(shí)，氣缸活塞被驅(qū)動(dòng)向下運(yùn)動(dòng)，便帶動(dòng)連在活塞桿上的透氣活塞和鐘罩向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，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(yùn)動(dòng)而卸入槽中。 此種加料裝置具有運(yùn)動(dòng)可靠，下料精確，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。目前國內(nèi)已開發(fā)出 、 和 三種筒式定容下料器。某廠采用 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(chǎn)指標(biāo)。 圖 2－ 7 打殼下料裝置 集氣裝置