【正文】 中間自動(dòng)打殼下料，取陽(yáng)極到槽膛側(cè)壁（大面）尺寸為300mm,到槽膛端壁（小面）距離為420mm,陽(yáng)極炭塊組間距取40mm,陽(yáng)極行間距為200mm。槽膛深度選取550mm，電解槽槽膛結(jié)構(gòu)如圖所示。由此可計(jì)算： 槽膛長(zhǎng)度=2420+19660+1840=14100mm 槽膛寬度=2300+21500+200=3800mm 槽膛深度=550mm 陰極結(jié)構(gòu)陰極結(jié)構(gòu)指電解槽槽體部分，由鋼制槽殼、陰極炭塊和保溫材料砌體三部分構(gòu)成。 槽殼鋁電解槽的槽殼是用鋼板焊接而成的，它分為有底和無(wú)底槽殼，并且有背撐式和搖籃式兩種支撐方式。本設(shè)計(jì)采用有底搖籃式結(jié)構(gòu)，搖籃架是彈性變形體，其優(yōu)點(diǎn)是槽殼受力不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，這樣在電解槽的端角部位，不會(huì)發(fā)生斷裂現(xiàn)象。搖籃支架用工字鋼和厚鋼板焊接而成，槽側(cè)以及端壁都設(shè)有一些搖籃架。搖籃架共有14個(gè)，其中搖籃支架兩端最外的兩組與殼體焊成一體，其余14個(gè)用螺栓與翼板聯(lián)結(jié)在一起，中間墊以10285300mm的隔熱石棉板。 槽殼結(jié)構(gòu)示意圖搖籃架和槽體之間以鋼墊塊隔開，鋼墊塊焊在槽殼上，其規(guī)格為1350200mm,槽底和搖籃架頂部墊有尺寸101404370mm的石棉板，以使搖籃架在低于200℃下工作，槽殼座落在兩根規(guī)格為25013000mm的工字鋼梁上，有4根支持梁與工字梁相聯(lián)接，用于支撐槽底陰極母線。每臺(tái)槽槽殼總質(zhì)量約為30噸。 內(nèi)襯以及保溫絕熱結(jié)構(gòu)⑴槽側(cè)部?jī)?nèi)襯選擇本設(shè)計(jì)采用的電解槽是側(cè)部散熱、底部保溫型的電解槽，電解槽側(cè)部用一層碳?jí)K，使電解槽成側(cè)部散熱型，易于形成側(cè)部爐幫。內(nèi)襯側(cè)部炭塊規(guī)格為520400125mm，側(cè)部炭塊與電解槽側(cè)壁鋼板間有一定的間隙作為伸縮縫，一般約5mm，避免電解槽投入生產(chǎn)后碳?jí)K受熱膨脹以使槽內(nèi)襯側(cè)部變形。底部碳?jí)K和側(cè)部碳?jí)K之間的周邊縫用“周圍糊”扎成高200mm，寬250mm的坡形伸腿，以便形成側(cè)部的電解質(zhì)爐幫。⑵槽底部?jī)?nèi)襯選擇由于槽側(cè)部為散熱型結(jié)構(gòu)，所以底部要加強(qiáng)保溫。槽底部?jī)?nèi)襯為兩層耐火磚，每層厚65mm，耐火磚之間用耐火泥粘結(jié)并錯(cuò)縫壘砌，耐火磚下是一層65mm的干式防滲料，可以防止電解質(zhì)滲透，并與電解質(zhì)作用產(chǎn)生一層堅(jiān)硬的防滲層，有利于提高電解槽壽命。干式防滲料下面是兩層保溫磚，每層65mm,中間用20mm厚的氧化鋁粉填縫和整平，最底部是一層65mm厚的硅酸鈣特種絕緣板，保溫磚與耐火磚的周邊用耐火顆粒充填。這樣的底部結(jié)構(gòu)就能達(dá)到底部保溫的要求。⑶陰極結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇及計(jì)算為了使電解槽電場(chǎng)分布均勻，減少磁場(chǎng)對(duì)鋁液產(chǎn)生的流動(dòng)、隆起等不利于生產(chǎn)的影響，本設(shè)計(jì)采用陰極炭塊寬度等于陽(yáng)極炭塊的寬度，對(duì)槽殼通風(fēng)冷卻和形成良好槽幫也有好處。 A B C D 陰極鋼棒與陰極炭塊組合類型圖中A、B、C型比較而言，C型的最好，炭塊接縫數(shù)目一樣并且更均勻。而D型長(zhǎng)炭塊幾乎貫穿全槽的寬度，炭塊接縫數(shù)是最少的，可使電解質(zhì)和鋁液滲出的可能性減少至最小，同時(shí)減少由于上抬和推積力引起的機(jī)械破損。發(fā)展趨勢(shì)是通長(zhǎng)炭塊和通長(zhǎng)陰極棒。本設(shè)計(jì)陰極鋼棒與陰極組合類型采用D型，即通長(zhǎng)陰極碳?jí)K。設(shè)計(jì)規(guī)格為3370mm660mm450mm。取陰極碳?jí)K到槽膛端壁的距離為420mm，碳?jí)K間的碳糊扎縫為40mm，可計(jì)算陰極碳?jí)K的數(shù)量n:14100（n1）402420=660n解之得 n=19碳?jí)K到端壁邊緣尺寸為：（14100401866019）/2=420 mm碳?jí)K到側(cè)壁邊緣尺寸為：（38003370）/2=215 mm取陰極鋼棒規(guī)格為4480mm200mm150mm,～ A/= A/mm2,則陰極截面積為：S=280000/=1166667 mm2則陰極鋼棒數(shù)為：1166667/150200=；故取38根陰極鋼棒。效驗(yàn)陰極鋼棒的電流密度：d== A/mm2⑷槽殼結(jié)構(gòu)及尺寸的計(jì)算根據(jù)上面陰極碳?jí)K規(guī)格以及槽底部?jī)?nèi)襯選擇以及槽側(cè)部選擇和槽膛尺寸情況，現(xiàn)在進(jìn)行槽殼尺寸的計(jì)算。即槽殼尺寸如下：槽殼寬度=3800+1252+52=4060 mm槽殼長(zhǎng)度=14100+1252+52=14360 mm槽殼深=550+450+652+652+65+65+20=1410 mm 電解槽基礎(chǔ)200KA中間下料預(yù)焙電解槽每臺(tái)槽有8個(gè)基柱，A、B側(cè)兩側(cè)基柱之間的距離為4500mm，基柱高940mm。為了防止潮濕，基柱表面上鋪有2402403mm的石棉板。電解槽與地絕緣要達(dá)到1M。 母線配置電壓衡算 母線結(jié)構(gòu)及配置整流后的直流電通過(guò)鋁母線引入到電解槽上，槽與槽之間鋁母線串聯(lián)而成，電解槽的母線由由陽(yáng)極母線，陰極母線，立柱母線和軟帶母線四部分組成，槽與槽之間、廠房之間還有聯(lián)絡(luò)母線，母線通常采用鑄造鋁母線。陽(yáng)極母線屬于上部結(jié)構(gòu)的一部分，陰極母線排布在槽殼在槽殼周圍和底部，陽(yáng)極母線和陰極母線之間通過(guò)聯(lián)絡(luò)母線，立柱母線和軟母線連接起來(lái)，將電解槽一個(gè)一個(gè)的串聯(lián)起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)系列。在大型電解槽的設(shè)計(jì)中，母線不僅被看作引入電流的導(dǎo)體，而且更看重它所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，有電流通過(guò)的母線所產(chǎn)生的磁場(chǎng)是影響鋁液穩(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(biāo)，因此設(shè)計(jì)母線系統(tǒng)應(yīng)該能夠很好的使通電母線所產(chǎn)生的磁場(chǎng)平衡均勻，這樣可以減少鋁液的流速和波動(dòng)。另外鋁母線占電解槽基建費(fèi)用的25%左右，因此確定合理的母線配置和結(jié)構(gòu)也是十分重要的。本設(shè)計(jì)的電解槽是280KA的大型預(yù)焙電解槽，采用大面四點(diǎn)進(jìn)電母線配置。為減少磁場(chǎng)對(duì)鋁液的影響，設(shè)計(jì)了合理的母線配置。四根立柱的進(jìn)電平均為70KA。圖 母線配置示意圖 陽(yáng)極母線陽(yáng)極母線陽(yáng)極母線采用鑄造鋁母線，用軟鋁母線與端頭母線壓緊，以便陽(yáng)極母線升降。1． 陽(yáng)極橫母線：設(shè)計(jì)采用四端進(jìn)電方式，故母線上電流為。 A/mm2，母線的截面積為：Sm=（I/8）/Dm=（280000/8）/= mm2根據(jù)上面的截面積，取母線規(guī)格為480mm240mm，取一根，效驗(yàn)?zāi)妇€電流密度為：D=（I/8）/S=（280000/8）/（480240）=故陽(yáng)極母線斷面積為480240mm 2， A/mm2,長(zhǎng)度10500mm。與立柱母線的連接采用壓接。2．陽(yáng)極軟母線：陽(yáng)極軟母線的經(jīng)濟(jì)電流密度范圍為：～ A/cm 2， A/mm2,取軟母線的規(guī)格為600mm2mm，則軟母線的片數(shù)為：n== =，取209片。效驗(yàn)電流密度：D= = A/mm2軟母線長(zhǎng)度一般為1550mm。3．立柱母線： A/mm2,則立柱母線橫截面積為：S立柱== =200000 mm2立柱母線規(guī)格取為420mm480mm時(shí)，取一根效驗(yàn)電流密度為：D立柱== = A/mm2則立柱母線共有4柱，斷面尺寸420mm480mm，與上臺(tái)槽陰極母線以氬弧焊接，與陽(yáng)極端頭母線壓接。列出陽(yáng)極母線規(guī)格表，如表4－1所示。 表4－1 陽(yáng)極母線規(guī)格表陽(yáng)極母線規(guī)格表母線類型斷面規(guī)格面積電流陽(yáng)極橫母線480mm200mm A/mm2陽(yáng)極軟母線600mm2mm A/mm2立柱母線420mm4800mm 陰極母線1．陰極軟母線：母線規(guī)格為200mm2mm， A/mm2,則陰極軟母線片數(shù)為： n== = 取44，則效驗(yàn)電流密度：D陰軟= =上式中：N鋼——陰極鋼棒數(shù)，為通長(zhǎng)型； D陰軟——陰極軟母線電流密度； S陰軟——陰極母線截面積。2． 槽周陰極母線：根據(jù)母線配置示意圖可知，槽周陰極母線分為A側(cè)槽周陰極母線和B側(cè)槽周陰極母線以及槽底陰極母線，電流通過(guò)陰極鋼棒分股進(jìn)入A側(cè)和B側(cè)槽周陰極母線，A側(cè)經(jīng)過(guò)槽底陰極母線與B側(cè)電流匯流分股經(jīng)過(guò)槽間連接母線進(jìn)入到下一個(gè)槽子的立柱母線上。下表4－2列出槽周陰極母線上電流的分配。 表4－2 槽周陰極母線上電流的配置槽周陰極母線上電流的配置A側(cè)I/8 I/16 I/16 I/16I/6 I/8B側(cè)I/16 3I/16 3I/16I/16取母線規(guī)格600mm200mm效驗(yàn)電流密度A側(cè)：中間槽周陰極母線上電流密度為 DA中=（I/16）/S陰軟= = A/mm2 端部槽周陰極母線上電流密度為DA端= = =B側(cè)：端部槽周陰極母線上電流密度為 DB端= = = A/mm2中間槽周陰極母線上電流密度為 DB中= = =根據(jù)上述計(jì)算，可列出陰極母線規(guī)格于下表4－3： 表4－3 陰極母線規(guī)格表陰極母線規(guī)格表 名稱規(guī)格數(shù)量電流密度[A/(mmmm)]陰極軟母線200mm2mm44槽周陰極母線A側(cè)600mm200mm中間4端部2B側(cè)600mm200mm中間2端部23． 短路母線：短路母線位于立柱母線下方，由絕緣板將其隔開。需要短路時(shí)將立柱母線與短路母線之間的絕緣板抽出，然后將短路母線與立柱母線用螺栓壓緊。操作時(shí)需系列停電25min。 圖 短路口簡(jiǎn)圖 能量和物料平衡核算及電壓衡算 物料平衡1. 鋁產(chǎn)量 以1h為計(jì)算基礎(chǔ)，所設(shè)計(jì)電流強(qiáng)度為280KA電解槽，電流效率94%，由此計(jì)算單槽鋁產(chǎn)量P=P理=CI=280000103 ==2. 氧化鋁的消耗量氧化鋁分解化學(xué)反應(yīng)式為式 Al2O3→2Al+O2 其理論消耗量為：C （Al2O3）== kg/t⑵實(shí)際消耗量 實(shí)際生產(chǎn)中由于運(yùn)輸、機(jī)械、飛揚(yáng)等損失，%～%，＋（％～％）＝～，取其值為1940 kg/t。則氧化鋁的實(shí)際消耗量為==氧化鋁的理論消耗量為=102/54=氧化鋁的損失量為==3. 氟化鹽的消耗量冰晶石單耗為：5 kg/t；氟化鋁單耗為：25 kg/t；氟化鈣單耗為：2 kg/t。則冰晶石消耗量為：5103= kg/槽h； 氟化鋁消耗量為：25103= kg/槽h； 氟化鈣消耗量為：2103=h；4．陽(yáng)極炭塊的消耗鋁電解的總反應(yīng)式：Al2O3+（3/1+N）C=2AL+（3N/1+N）CO2+[3（1N）/1+N] CO當(dāng)一次陽(yáng)極氣體的成分為100% CO2，則CO是產(chǎn)生AL與CO2作用的結(jié)果，一次反應(yīng)電流利用率為100%，由此一次反應(yīng)式為：Al2O3+C→2Al+CO2若電流利用率為，其二次反應(yīng)式為2（1 ）AL+3（1 ）CO2=（1 ）Al2O3+3（1 ）CO則N=（1）/[（1）]+3（1）=21 N=則理論炭消耗量為=（3/）（）=取實(shí)際炭耗量為445Kg/則單槽實(shí)際炭耗量為445103==炭耗指數(shù)=（）100%=%5. 反應(yīng)過(guò)程中生成氣體量為CO2生成量=[3] 44CO生成量=[3（）/] 28：出鋁 CO為 表4－4 物料平衡表收入支出項(xiàng)目kg/h%項(xiàng)目kg/h%氧化鋁原鋁冰晶石冰晶石氟化鋁氟化鋁氟化鈣氟化鈣陽(yáng)極炭塊碳損失量二氧化碳生成量一氧化碳生成量氧化鋁損失量合計(jì)100合計(jì)100 電壓平衡工業(yè)電解槽的電流消耗率，與電流效率和平均電壓兩個(gè)因素有關(guān)，降低平均電壓或提高電流效率都能夠減少電解槽的電能消耗率。電解槽的平均電壓V=E實(shí)際+△V陽(yáng)+△V陰+△V電解質(zhì)+△V母線+△V效應(yīng)+△V聯(lián)1．實(shí)際分解電壓即極化電壓，就是Al2O3理論分解電壓與陽(yáng)極過(guò)熱電壓和陰極過(guò)熱電壓之和。采用炭陽(yáng)極進(jìn)行電解時(shí)，～,?！?。2．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：△V電解質(zhì)=式中 S——陽(yáng)極的截面積，㎝2。 L——極間距離，cm。～，； 2（A+B）——陽(yáng)極周長(zhǎng)，cm。 ——電解質(zhì)比電阻，Ωcm，～， Ωcm。 △V電解質(zhì)= = = V=1566 mV3．陽(yáng)極電壓降（1）陽(yáng)極大母線電壓降：陽(yáng)極母線采用鋁母線。取大母線平均溫度t=66℃，0=mm2/m,=，有此計(jì)算：t=0（1+t）=(1+*66)=mm2/m前面計(jì)算得到陽(yáng)極炭塊38組，故陽(yáng)極導(dǎo)桿38根，每根導(dǎo)桿的電流負(fù)荷為：I==采用功率法求電壓降，陽(yáng)極炭塊寬660mm,陽(yáng)極炭塊組間距40mm,28塊陽(yáng)極炭塊分2行排列，故陽(yáng)極大母線長(zhǎng)為：L=660*19+40*18=13260mm。則陽(yáng)極大母線的一半長(zhǎng)為=6630mm，等斷面變電流母線電壓降可用下式算出：V= I= =35000 AR===所以△V母線== mV（2）陽(yáng)極軟母線電壓降：軟母線規(guī)格為600mm2mm，長(zhǎng)度為1550mm,t=60℃,則：t=0（1+t）=(1+*60)=mm2/m所以△V軟母=（280000/4）[1550/（6002209）] = mV（3）陽(yáng)極立柱母線電壓降：陽(yáng)極焊接點(diǎn)電壓降（軟母線與平衡母線焊點(diǎn)電壓降、軟母線下焊接點(diǎn)電壓降以及立柱母線與陰極母線焊接點(diǎn)電壓降），實(shí)際取值為15mV，平衡母線電壓降，實(shí)