【正文】 經(jīng)濟(jì)電流密度 A/cm2 A———電解槽及所有附屬設(shè)備，建筑物與低平等的費(fèi)用ε———電價(jià) 元/(KWD = A/cm（1）陽(yáng)極尺寸陽(yáng)極尺寸是鋁電解槽一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。預(yù)焙陽(yáng)極炭塊尺寸，視陽(yáng)極排列與組數(shù)不同，長(zhǎng)度各異，而寬度在500750 mm之間。一般傾向于采用稍高一些的炭塊，綜合各種因子的考慮，本設(shè)計(jì)陽(yáng)極尺寸設(shè)計(jì)為1550mm1335mm600mm。鋁鋼接觸面積超過(guò)98%，耐熱不小于350℃。鋼爪頭直徑160mm，長(zhǎng)280mm,爪間距200mm，,每組陽(yáng)極炭塊共有四個(gè)鋼爪頭。行間距離要便于安裝下料裝置，一般采用200 mm ～300 mm，本次設(shè)計(jì)取250 mm，組間距離一般采用40 mm～50 mm，本設(shè)計(jì)取為50 mm。 （2）槽膛尺寸①槽膛深度槽膛深度主要取決于槽中電解質(zhì)與鋁液水平及操作工藝制度。而在預(yù)焙槽上由于向陽(yáng)極表面上加一厚層氧化鋁（保溫料），因此槽膛有些深，故本設(shè)計(jì)槽膛深度取為550mm。所以槽膛寬度=2500+21550+250=4350mm槽膛長(zhǎng)度=101335+950+2450=14700mm。此外，在槽膛內(nèi)砌一道斜坡。槽殼寬度4350+2180+2100=4910mm槽殼長(zhǎng)度14700+2180+2100=15260mm槽殼深度550+450+40+265+40+265+65=1405mm（4）陰極炭塊數(shù)目本設(shè)計(jì)陰極炭塊設(shè)計(jì)規(guī)格為3340mm515mm450mm的陰極炭塊。每個(gè)陽(yáng)極實(shí)際尺寸：長(zhǎng)： 155－2=寬： －2=扇形參數(shù)： F=+= 陽(yáng)極有效面積：AA=（+2）（+2）20=陰極有效面積：AC=（+3）（+3）20=每塊陰極的水平截面積：334=17201cm2陰極炭塊數(shù)N N==26（塊）陰極棒: 適當(dāng)?shù)脑黾雨帢O棒的高度尺寸，可能使槽電壓進(jìn)一步降低，參照法國(guó)彼施涅300KA預(yù)焙陽(yáng)極電解槽，確定陰極棒尺寸4300mm65mm180mm,。導(dǎo)電棒的數(shù)目為每組兩根，在導(dǎo)電棒與炭塊之間用生鐵澆鑄，現(xiàn)代電解槽有的采用通長(zhǎng)的陰極炭塊組，以減少中央部位的縫子，陰極棒也是一根通長(zhǎng)的。則陰極鋼棒數(shù)為：300000/（1801402）=；故取30根陰極鋼棒。鋁母線有兩種：壓延母線和鑄造母線，后者通用于高電流的大型電解槽，～。立柱母線斷面為320mm480mm。 （6）極距所謂極距，是指陰陽(yáng)兩極之間的距離。為便于測(cè)量起見(jiàn)，一般取陽(yáng)極底掌到鋁液鏡面之間的垂直距離作為極距。根據(jù)實(shí)測(cè)，每提高極距10mm，引起電壓降增加400mV（旁插棒槽）或350mV（預(yù)焙槽）。（7）鋁電解車間鋁電解車間的任務(wù)是生產(chǎn)液態(tài)原鋁，一個(gè)電解系列，電解車間由兩棟互相平行的兩層樓廠房組成，一樓安裝槽體和陰極母線，地坪為素混凝土地坪。系列電解槽分設(shè)在兩座電解廠房?jī)?nèi)，電解車間占地如下計(jì)算：由于電解槽外形尺寸152604910及相關(guān)參考文獻(xiàn)，電解車間鋁電解槽按單行橫向排列，200臺(tái)槽排列在兩座平行的廠房中，每座廠房100臺(tái)槽，每36臺(tái)槽留15米間隙，便于生產(chǎn)上操作，廠房?jī)蓚?cè)各留20米間距，則廠房總長(zhǎng)100+（1003）+315+220= （m），考慮到車間布置等因素，取廠房跨度28米。分子比：。槽電壓的數(shù)據(jù)包括電解槽的極化電壓和各部分導(dǎo)電體的電壓降值。在工業(yè)生產(chǎn)上，為了核算電解槽的電能消耗量，通常需要計(jì)算電解槽的平均電壓。具體包括極化電動(dòng)勢(shì)、陽(yáng)極電壓降、陰極電壓降、電解質(zhì)電壓降、母線電壓降、陽(yáng)極效應(yīng)均攤電壓。它由如下三部分組成：E極化=E176。分解———按鋁電解一次反應(yīng)所求得的理論分解電壓 Vη陽(yáng)極———陽(yáng)極過(guò)電壓 Vη陰極———陰極過(guò)電壓 VE176。分解=－104 T（V）在T=1223K（950℃）時(shí)，E176?！磻?yīng)極限電流密度，在Al2O3濃度在2～8%（質(zhì)量）時(shí)，i176。= =～。分解+η陽(yáng)極+η陰極=++= 電解質(zhì)電壓降由于陽(yáng)極下部的電解質(zhì)中含有大量的陽(yáng)極氣體，則這一部分電解質(zhì)中電阻相對(duì)升高，使與純電解質(zhì)相比，電壓降相應(yīng)增加，卡什曼等測(cè)量隨極距不同，電解質(zhì)電阻系數(shù)的變化情況。在小于1cm后，上升急劇，這顯然是由于在這一層內(nèi)含氣量大大增加之故，對(duì)于含氣電解質(zhì)的電阻計(jì)算，這里用豪平的算法如下：豪平把電解質(zhì)分為三層：不含氣的一層（），含自由氣泡的一層（～）及緊貼陽(yáng)極的一層（）這后一層，被歸屬于氣膜過(guò)電壓。K=exp(%%%+%+%+)=exp(5++)=RBu=式中 d———極距 cmδ———?dú)馀輰雍穸? cmt———貼附陽(yáng)極的氣泡分子層的厚度 cmε———陽(yáng)極氣泡深入到電解質(zhì)的分?jǐn)?shù)，有如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系： ε=%（Al2O3）SA———電解質(zhì)的有效斷面： SA=則 RBu=+=RBa===RB=RBu+RBa=（+）=則電解質(zhì)電壓降IRBIRB=3001000= 陽(yáng)極電壓降對(duì)于預(yù)備陽(yáng)極電解槽，陽(yáng)極壓降包括陽(yáng)極導(dǎo)桿與陽(yáng)極母線接點(diǎn)壓降，陽(yáng)極導(dǎo)桿壓降，鋼爪壓降，鋁鋼爆炸過(guò)度接頭電壓降，鋼爪與陰極炭塊接點(diǎn)（Fe—C）電壓降，總計(jì)陽(yáng)極壓降為V陽(yáng) =。它約占整個(gè)電解槽電壓的10～15%，槽底電壓降主要是受陰極結(jié)構(gòu)的影響，主要包括鋁液—槽底接觸點(diǎn)壓降，槽底炭塊本身電壓降，炭塊—陰極棒接點(diǎn)壓降，陰極棒上電壓降。V陰=〔L導(dǎo)103+（102A2+）〕D陽(yáng)式中 L導(dǎo)———炭塊中的電流導(dǎo)程 cmρ———炭塊電阻系數(shù) h)1) Al2O3消耗量根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式Al2O3→Al+3/2O2計(jì)算理論消耗量（按每噸鋁計(jì)算） Al2O3消耗量=1021000/272=2)實(shí)際消耗量 實(shí)際生產(chǎn)中由于運(yùn)輸、機(jī)械、飛濺等損失，%。h。h。h。氟化鎂單耗量：5kg/TAl；氟化鈣單耗為：4kg/TAl。h。h。h。h(3)陽(yáng)極炭塊的消耗根據(jù)反應(yīng)方程式 Al2O3+3/2C→2Al+3/2CO2計(jì)算理論碳耗量：181000/272=由于陽(yáng)極副反應(yīng)，實(shí)際生產(chǎn)中生成的氣體是CO2和CO的混合物，其中CO2約占75%，CO占25%。h。h。h。 實(shí)際單槽每小時(shí)碳耗為：420103=h 物料平衡列表根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果編制物料平衡表如下：附表22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 氟化鎂 氟化鎂 氟化鈣 氟化鈣 陽(yáng)極炭塊 炭損失量 CO2生成量 CO生成量 合計(jì) 氧化鋁損失量 合計(jì) 能量平衡電解槽的能量平衡是指電解槽單位時(shí)間內(nèi)由外部供給的能量（A供）與電解槽本身在同種環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換與能量交換過(guò)程中所消耗的能量（A消）之間的平衡。計(jì)算體系可以任意選擇，但必須包括生產(chǎn)設(shè)備的基本部分，否則所進(jìn)行的計(jì)算就失去了實(shí)際意義。(2)計(jì)算基礎(chǔ)條件溫度基礎(chǔ)：取25℃作為計(jì)算基礎(chǔ)時(shí)間：取1小時(shí)體系：槽底—槽殼—槽罩體系電壓：V槽底+V電解質(zhì)+V陽(yáng)極+V陰極+V實(shí)際分解+V效應(yīng)=開(kāi)罩時(shí)間：8分/次換陽(yáng)極時(shí)間：6分/次電流強(qiáng)度：300kA陽(yáng)極氣體成分：CO275%；CO25%電流效率：94%排煙量：8000m3/h 能量平衡計(jì)算(1)熱量收入計(jì)算電力供給體系的能量收入，就是外部供給電解槽的直流電能，通過(guò)電解槽轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能和熱能，它等于體系中各部分電壓降之和與電流強(qiáng)度的乘積，即，A電=IV體系槽電壓(平均電壓)V體系=1)+2)+3)+4)+5)+5)+6)+7) =電流強(qiáng)度I=300103A。臺(tái)1h1。 Q氧化鋁= = =2）氣體帶走的熱電解槽氣體流量：8000m3/h，排煙管煙氣溫度為85℃?！鍽氣=Cp△t=8000(8525) =3）鋁液帶走的熱電解質(zhì)溫度：950℃，鋁的熔點(diǎn)：660℃由物質(zhì)的比熱表可查鋁熔化熱:93kCal/kg由物質(zhì)的比熱表可查鋁比熱：298K～933K時(shí)，C0=+933K～1273K時(shí)，Cp=則 Q固=nAl = (+)dT = Q熔== Q液=nAlCPDT== =所以 QAl= Q固+Q熔+Q液=++ =4）殘極帶走的熱Al2O3+12/7C→2Al+9/7CO2+3/7CO知1mol氧化鋁需12/7mol碳，每塊殘極高度160mm，消耗380mm，故：C殘：C耗=160：380，則殘極量為：n殘=(12/712nAl160)/(227380)=由于殘極換出時(shí)表面溫度為450℃，電解質(zhì)溫度為950℃，故殘極換出溫度約為：T殘=（450+950）/2=700℃殘極炭比熱：CP=+105T2故殘極炭帶走熱量為： Q殘=n殘（+105T2）Dt =殘極上覆蓋有10mm的氧化鋁，平均溫度為500℃，帶走熱量1000kCal/h.殘極總帶走熱量為： +1000=5）加熱冰晶石、氟化鋁溶化冰晶石、氟化鋁、氟化鎂等需22W/kgAl,則一小時(shí)需： 22=6）散熱損失電解槽散熱損失計(jì)算，采用傳導(dǎo)計(jì)算法，在前人的基礎(chǔ)上對(duì)角部采用分布場(chǎng)計(jì)算法，即槽底以下的面積采用幾何平均面積，正對(duì)槽膛底的面積用等面積進(jìn)行計(jì)算，角部用溫度分布平均值進(jìn)行計(jì)算。①槽殼損失?。┱龑?duì)槽膛底的槽殼損失槽殼底面積：S==電解質(zhì)溫度:950℃，殼面溫度：90℃，△t=95090=860℃底部炭塊：δ1=45cm，取平均溫度為925℃。k2=根據(jù)公式：Q3=kSAD△t=(650600)= Q4=KsBD△t=(75025)=槽殼總的熱量損失量：Q總=Q1+Q2+Q3+Q4=②密閉罩熱損失密閉罩散熱損失計(jì)算可分為四個(gè)部分：水平罩、端頭罩、側(cè)罩鋁板、框架。每側(cè)的水平罩總長(zhǎng)為112511=12375mm，寬為1600mm.加上側(cè)罩水平部分，總面積為：S=（+）=查表知A3=則 a對(duì)=A3△t1/3=551/3= 即 Q對(duì)=a對(duì)（tt0）S=55= 輻射計(jì)算公式:Q輻=εC0S[(t表/100+273/100)4(t空/100+273/100)4]kcal/h對(duì)于水平鋼板槽罩： ε= C0=(m2℃) Q輻=Q水平罩=+=ⅱ）端頭罩熱損失它包括端頭固定罩和三角板，材料為鋼板環(huán)境25℃，表面溫度為50℃。 S=(+)22= Q對(duì)=（5025）=輻射熱損失：ε=，C0=(m2℃)ψ= Q輻=[（50/100+273/1004(25/100+273/100)4] =Q斷頭罩=+=ⅲ）側(cè)罩鋁板熱損失環(huán)境溫度：25℃，表面溫度：65℃每塊鋁板長(zhǎng)：1000mm，寬：500mm，共有48塊。h S總=2= S架== T計(jì)=（6025）/2=查表：A3= a對(duì)=(6025)1/3=對(duì)流熱損失： Q對(duì)=（60 25）=輻射熱損失： ε=，ψ=，C0=(m2℃) Q輻=[(60/100+273/100)4(25/100+273/100)4] =框架總損失： Q框架=+=罩總損失：Q罩=+++ =③開(kāi)罩熱損失開(kāi)罩時(shí)間：每天換陽(yáng)極一次：6分/次。ⅰ)加工面熱損失由于每次加工半面，所以只開(kāi)半面，計(jì)算熱損失也計(jì)算半面。因此在計(jì)算時(shí)都按氧化鋁面計(jì)算。m端部沿板：分兩部分：一部分:長(zhǎng)：18002=3600mm 寬。表面溫度140℃，℃，槽膛至槽殼的距離為165mm,℃。3 鋁電解槽炭陽(yáng)極與陽(yáng)極炭塊 陽(yáng)極炭塊及炭塊組炭陽(yáng)極是鋁電解槽的主體部件，它由陽(yáng)極本體(陽(yáng)極炭塊)、陽(yáng)極導(dǎo)電金屬棒(桿)升降裝置及其附件構(gòu)成。自焙陽(yáng)極按導(dǎo)電金屬棒從上部或側(cè)部插入，分為上插自焙陽(yáng)極和側(cè)插自焙陽(yáng)極預(yù)焙陽(yáng)極導(dǎo)電桿在上部。1880年，美國(guó)的霍爾(Hall)利法國(guó)的埃魯(Heroult)同時(shí)提出冰晶石—氧化鋁溶解煉鋁法。之后，瑞士、法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等幾個(gè)國(guó)家都使用了類似的預(yù)焙陽(yáng)極，用電解法生產(chǎn)鋁。1924年，挪威人索德貝格發(fā)明了連續(xù)自焙陽(yáng)極，使陽(yáng)極面積逐步擴(kuò)大，電解槽電流容量隨之提高。20世紀(jì)80年代后期，預(yù)焙陽(yáng)極電解系列，電流容量達(dá)280～350KA。由于以預(yù)焙陽(yáng)極炭塊為本體構(gòu)成的預(yù)焙陽(yáng)極操作比較簡(jiǎn)單．陽(yáng)極電壓降比自焙陽(yáng)極低，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，且消除了電解過(guò)程中的瀝青煙害，有利于電解槽向大容量方向發(fā)展。國(guó)外用振動(dòng)成型法生產(chǎn)的陽(yáng)極炭塊，最大的尺寸為2250mm750mm2500mm，單塊重為2500kg