电解槽设计模版剖析.docx
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电解槽设计模版剖析
课程设计说明书
题目：
学生姓名:
学院：
班级：
指导教师:
年产XX万吨铝电解槽设计
材料科学与工程
冶金06-xx
2009年xx月
内蒙古工业大学课程设计（论文）任务书
课程名称：
冶金工程课程设计学院：
班级：
冶金06-xx
学生姓名：
—学号：
_指导教师：
一、题目
铝电解槽的设计（年产铝量20万吨）
二、目的与意义
1.通过课程设计，巩固、加深和扩大在冶金工程专业课程及相关课程教育中所学到的知识，
训练学生综合运用这些知识去分析和解决工程实际问题的能力。
2.学习冶金炉设计的一般方法，了解和掌握常用冶金设备或简单冶金设备的设计方法、设计步骤，为今后从事相关的专业课程设计、毕业设计及实际的工程设计打好必要的基础。
3.使学生在计算、制图、运用设计资料。
熟练有关国家标准、规范、使用经验数据、进行经验估算等方面受全面的基础训练。
三、要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等）
设计年产量20万吨的电解槽，冶金工程基础课程设计一般要求学生完成以下工作：
电解槽
装配图一张（0号图纸）；零件工作图一张（铝电解母排）；设计计算说明书一份（要求用A4纸）。
四、工作内容、进度安排
课程设计可分为以下几个阶段进行。
1.设计准备
（1）阅读和研究设计任务书，明确设计任务与要求；分析设计题目。
（2）参阅有关内容，明确并拟订设计过程和进度计划。
2.装配草图的设计与绘制
（1）装配草图的设计准备工作，主要是分析和选定设计方案。
（2）初绘装配草图。
（3）完成装配草图，并进行检查与修正。
3.装配工作图的绘制与完成
（1）绘制装配图。
（2）标注尺寸、配合及零件序号。
（3）编写零件明细表、标题栏、技术特性及技术要求等。
五、主要参考文献
[1]成大先主编.机械设计手册.第一卷.第五版.北京：
化学工业出版社1969.
[2]郭鸿发主编.冶金工程设计设计基础.第一册.北京：
冶金工业出版社，2006.
[3]唐谟唐主编.火法冶金设备•中南大学出版社，2003.
审核意见
系（教研室）主任（签字）_—
指导教师下达时间年月日
指导教师签字：
第一章设计任务1
第二章设计步骤1
1预设电解槽的个数1
2电解槽的类型1
3计算电流效率1
4阳极尺寸的选择1
5计算阳极炭块数1
6算槽膛尺寸1
7计槽壳各部分尺寸2
7.1侧壁3
7.2槽壳底层3
7.3槽壳尺寸4
第三章设计校核5
能量平衡计算
能量平衡的计算原则
氧化碳的生成量
能量平衡计算原则
测试数据处理及计算公式
6.1能量收入计算
6.2能量支出计算
6.2.3CO、C02气体消耗热量
6.2.4铝电解反应耗热
625铝液带走热10
626残极带走热10
627钢爪带走热11
628换极散热11
6.2.8.1对流散热11
628.2辐射散热12
628.3换极散热12
6.2.9空气带走热13
6.2.10电解槽散热13
6.3电解槽能量平衡表14
6.4能量利用率14
6.4.1有效能量14
6.4.2收人能量15
6.4.3能量利用率15
6.4.4能量平衡测试误差15
二物料平衡计算15
三电压平衡校核15
参考文献17
摘要
本设计说明书主要介绍了年产量20万吨铝电解槽的设计步骤和设计过程，对电解槽槽膛、槽壳的尺寸计算。
对耐火材料和保温材料以及侧壁和槽底材料的选择、电流强度的选择、阳极碳块尺寸的选择、阴极碳块的选择做了说明、并且对这些设计合理性的校核（包括能量、物料、电压的平衡计算）都做了简要的阐述此外，还对电解槽的结构以及用途做了简要的说明。
关键词：
铝电解槽；物料平衡；槽壳
第一章设计任务
预设计年产铝20万吨的电解槽。
第二章设计步骤
1预设电解槽的个数
年产20万吨铝，预设400个电解槽。
2电解槽的类型
采用中部下料预焙阳极电解槽
3计算电流效率
计算每个电解槽的年产量200000“400=500吨/年
计算每天生产铝的量（去除节假日、维修日、意外事件等共15天，一年按
350个工作日计算）。
500350=1.42857t/d
计算每小时生产量，每天按24个小时工作日
1.42857,24=59.52kg/h
计算电解槽通过的电流强度（其中电流密度取90%
由M=0.33551可以得到
考虑到电流效率可能达不到预期的数值，取I=200KA
4阳极尺寸的选择
对于200KA的电流强度阳极的电流密度为0.74/A/Cm2
由S阳可以得到"話黯=270270.27卅
5计算阳极炭块数
阳极炭块组如下图1所示:
图1阳极炭块组示意图（单块组）
每块阳极水平截面积0=15258.5=8892cm2，则阳极炭块组
N=270270.25=30（块）即30组，分两行排列之，每行15组炭块。
8892
6计算槽膛尺寸
根据经验，阳极炭块组至大面一般为300〜500mm取400mm至小面一般为450〜500mm取500mm阳极炭块之间的缝隙一般采用40〜50mm取50mm槽子中间缝隙要安装下料装置，一般采用200〜300mm取280mm各部分尺寸如图2。
图2槽膛内尺寸
则槽膛宽度为:
a=240021520280=4120mm。
槽膛长度为:
b=15^585+14^50+2x450=10375mm。
槽膛深度一般为500〜600mm根据阳
极炭块的尺寸选择600mm
7设计槽壳尺寸
槽壳各层材料示意图如下图所示：
摄氏度
摄氏度
摄氏度
粘土质耐火砖
摄氏度
:
阴极炭块
摄氏度
摄氏度
摄氏度
碳素垫
粘土质耐火砖
红砖
三氧化二铝粉
图3槽壳各层材料
各材料的热导率和耐火温度如表1所示：
表1各材料地热导率和耐火温度
材料
炭块
粘土质耐火砖
红砖
热导率（w/m°
c）
47
0.84+0.00058t
0.814+0.00022t
耐火温度（°c）
1580
1580
1000
7.1侧壁
先预设炭块的厚度为S=120mr，i则q二站口2=47x2°匚950=19583.33W0.12
对于同一墙体的q值都是相同的，所以
丿色切=1.393（950-50）=o.O6394m=63.94mm，考虑到砖的尺寸标准q19583.33
选匚2=65mm
7.2槽壳底层
预设炭块的厚度为；「3=450mm，下面的碳素垫c4=40mm
则严⑷。
理爲®34，对于同一墙体的q值都是相
4（t4-t5）1.391（950-500）
同的，所以二5450.131226m=131.226mm
q4766.734
根据砖的标准厚度，选取两层粘土质耐火砖130mm外加3mm勺水泥堵缝共
层红砖，所以；「6=106mm
=4390.244：
：
q
所以此设计是合理的。
7.3槽壳尺寸
槽壳宽度：
a^4120212026523=4496mm
槽壳长度：
E=10375212026523=10751mm
槽壳深度：
q=600450402652534035=1381mm
第三章设计校核
一能量平衡计算
1能量平衡的计算原则
1.1能量平衡计算温度基础
计算电解槽能量平衡的温度基础，取T=298K（250C）为温度基础。
1.2能量平衡的计算体系
密闭型预焙槽的能量平衡计算体系见图，应包括：
槽底-槽壳侧部（包括端
部）-阴极钢棒头-槽沿板-四面侧部槽罩-顶部水平罩-铝导杆。
图4电解槽能量平衡计算体系示意图
1.3槽体散热损失计算部位
为了准确地计算电解槽的槽体散热损失，将槽体分为如下几个部分进行计算
a）槽壳侧钢板；
b）槽壳端钢板；
C槽底钢板；
d）槽壳侧部及端部筋板；
e）槽沿板；
f）槽四周槽罩；
g）槽顶水平罩；
h）铝导杆；
i）阴极钢棒。
1.4能量收入、支出平衡的计算时间单位
能量收人、支出平衡的计算时间单位以1h为计算时间单位
2二氧化碳的生成量
PC02
=3（2-丄）理M=3（2—）4459.52=80.83kg/h
42740.927
其中p'co2—1小时二氧化碳生成量，单位为千克每小时（kg/h）
PC0280.83.CCF|,,
neo=—==1.837kmol/h
4444
3一氧化碳生成量
21282128
pco
（1）M
（1）59.52=4.57kg/h
3%2730.927
p'co-1小时一氧化碳生成量，单位为千克每小时（kg/h）,则
I
pco4.57
nco0.17kmol/h
2828
4计算参数选择与测试项目
4.1电流强度：
为测试期间系列电流平均值。
4.2电解温度：
为测试期间每小时测试一次的电解质温度平均值。
（取1000摄氏
度）
4.3发热电压：
为体系电压（取4.1V）。
电流效率:
使用气体分析仪测定COco浓度，导出N值，按公式计算电流效
1
率。
r=（N10.50.035）100%
2
导出N=（-0.035-0.5）2=（0.9-0.535）2=0.73
4.4小时产铝量：
由计算求得。
4.5环境温度：
为测试期间厂房内每小时测试一次的室内温度平均值。
（取25C）
4.6排烟管烟气温度：
在排烟管测定孔处插人温度计，每小时测量一次的烟气温度平均值。
（取900）
4.7CO，CO气体浓度测定方法：
在槽A侧或B则大面处打一个直径约100m的孔，罩一个直径300mnr500mr1的集气罩，用皮球接人漏斗接口处，用集气球排空几次集气，用气体分析仪测定COCO气体浓度，利用压差原理测定烟气速度及动压、静压算出烟气流速折算烟气流量。
4.8钢爪温度：
测量换出阳极的钢爪温度值，单位为摄氏度「C）。
4.9换极时间：
按实际换极时间计，单位为min/块。
4.10测试仪表的散热值。
4.11热流计，测量范围。
0〜士9999kcal/（m3•h）
4.12气体分析仪。
4.13数字万用表：
精度0.5。
4.14流量测定仪。
4.15数字温度显示仪：
精度0〜士0.5%。
4.16红外线测温仪。
5能量平衡计算原则
能量平衡的计算原则：
以环境温度为电解槽能量平衡计算的基础温度。
能量平衡的计算体系：
槽底一槽壳一槽罩一阳极导杆一槽底（包括阴极钢棒头）。
建立体系模型，见图5,能量收人、支出计算以千焦每小时（kJ/h）为单位。
槽壳、槽罩、阳极导杆、水平顶部测试布点见图7、图6。
co.匚儀凭体耗热
槽秃、炉罩、阴槿谓算桑散热
图5体系模型图
X
X
M
X
X
X
X
X
图6槽底、槽侧部测试分布点
回一阳摄导杆謁戍
图7槽罩、阳极导杆、水平顶部测试分布点
6测试数据处理及计算公式
6.1能量收入计算
能量收人计算见公式Q电能=3600IE体系=36002004.1=2952000kJ/h其中E为体系的电压，取4.1V。
6.2能量支出计算
6.2.1CO2气体消耗热
CO气体消耗热量见公式Qco2=nco2［烟Cpc愆dT
T1
式中:
QC02—CO气体消耗热量，单位为千焦每小时（J/h）;
nCO2-1小时产生的CQ，气体的物质的量，单位为千摩尔每小时（kmol/h）；
T—环境绝对温度，单位为开尔文（K）;
T2烟气一烟气绝对温度，单位为开尔文（K）;
CPc—CO2气体热容，单位为千焦每立方米摄氏度［KJ/（m3C）］。
T?
烟气1173
Qco2=nco2TCp^dT=1.837「82.1692dT=1.837X（2.1692X1173—2.1692x298）=3486.72kJ/h
6.2.2CO气体消耗热量
CO气体消耗热量见公式Qco=ncoI烟气CPcodT
式中：
?
1
Cco-CO^体消耗热量，单位为千焦每小时（kJ/h）;
nCO-1小时产生的CQ气体的物质的量，单位为千摩尔每小时（kmol/h）;
T—环境绝对温度，单位为开尔文（K）;
T2烟气一烟气绝对温度，单位为开尔文（K）;
Cpco一CO气体热容，单位为千焦每立方米摄氏度［KJ/（m3C）］。
T?
烟气1173
Qco=nco汗Cp。
dT=0.17pg*1.3996dT=0.17（1.39961173-1.3996298^208.19kJ/h
6.2.3CO、C（2气体消耗热量
COCO气体消耗热量见公式：
QCOco2=Qco+Qco=3486.72+208.19=3694.91kJ/h
式中:
QC0CQ—COCO气体消耗热量，单位为千焦每小时（kJ/h）。
每小时产生的CO,CO的物质的量
根据Al2O3xC二2AlyCO2zCO
门叫二ynAl/2；nc。
二zn^/2
式中:
Nco2—每小时产生的C。
的物质的量，单位为千摩尔每小时（kmol/h）；nAi—每小时电解产铝的物质的量，单位为千摩尔每小时（kmol/h）；
nco—每小时产生的co的物质的量，单位为千摩尔每小时（kmol/h）。
其中nAl=5952二2.2kmol/h；所以厂皿^=1.67卡込0.1545
272.21.1
6.2.4铝电解反应耗热
心H日
铝电解反应耗热按照公式计算：
Q反应产nAl103
其中的计算见公式2
公式中298K时主要反应物质的反应热焓值为:
H：
298Al（固厂0kJ/mol
Hf298C（固）=OkJ/mollHf298Co（气）=-110.7kJ/mol
=Hf298Al2O3（固）=~1678-74kJ/mo1=Hf298co2（气）=-39415kJ/mol
所以：
=Hf298=［21Hf298Al（固）’丫匚Hp298co?
（气体）'H^298co（气体）］-［匚日f298Al2O3（固）.Hf298C（固）］
=1.67（-394.15）+0.1545（-110.7）+1678.74=1003.40685KJ
Hf298
则Q反应一nAl103=1003.40685,22.2103=1103748KJ/H
2
6.2.5铝液带走热
铝液带走热分为三部分，即Qai=Qai熔-Qai固-Qai液，其中：
QAl熔二M=397.3359.52=23649.0816kJ/h，式中:
Qai熔一铝熔化带走热，单位为千焦每小时（kJ/h）；
■—铝熔化热，其值为397.33kJ/kg.
QA個二qm.£=0.973959.52（660-25）=36808.745kJ/h，式中：
Qai固--铝凝固带走热，单位为千焦每小时（kJ/h）；
C1铝20r-675C的平均比热，其值为0.9739kJ/（kgC）;
比熔化温度与环境温度的差值，即二t|=t熔化温度-t环境温度，单位为摄氏度（C）O
Qai液二c2mt2=1.078959.52（970-660）=1906.99968kJ/h
式中：
Qai液—铝液由电解温度降至凝固温度所带走的热量，单位为千焦每小时
（kJ/h）；
C2—铝800C时的比热，其值为1.0789kJ/（kgC）；
氏2—电解温度与铝熔化温度的差值，即「也二t电解温度-t融化温度，单位为摄氏
度（C）；
Qai二Qai熔Qai固Qai液=23649.0816+36808.745+1906.99968=80364.82628
kJ/ho
6.2.6残极带走热
残极带走热见公式：
Q残极nc残极m残极（T2残极-T|）
D
式中：
Q残极一残极带走热，单位为千焦每小时（kJ/h）;
-—每小时换极数；
D
c残极一残极比热，其值为0.7118kJ/（kg•K）;
m残极一残极重量，单位为千克每小时（kJ/h）;
T2残极一换块平均绝对温度，即T2残极=（电解温度+残极温度）/2，单位为开尔文（K）。
计算每小时换极数：
由公式：
hc=8.054d阳％10；
de
式中：
入一阳极消耗速度（em/d）；
d阳一阳极电流密度（A/em2）；
R—电流效率（%；
we—阳极消耗量（Kg/t-AI）;
de—阳极假密度（g/cm3）；
hc
8.054d阳rwe
de
io-=8-054740-9333-3
1.6
10律1.17（cm/d）
阳极高度为535mm残极高度为180mm那么每块阳极使用周期为：
533-3.18（d）
111.7
n1
所以：
==0.0131；m残极=P=329.71kJ/h,
D3.18汇24
Q残极诗e残极m残极（T2残极-T1）=0.01310.7118329・71（1243+1233）
/2=3806.116KJ/H6.2.7钢爪带走热
钢爪带走热见公式：
Q钢爪—c钢爪m钢爪仃2钢爪-TJ
D
式中：
Q钢爪一钢爪带走热，单位为千焦每小时（kJ/h）;
e钢爪钢爪比热，其值为0.5024kJ/（kg•K）;
m钢爪一钢爪重量，单位为千克每块阳极（kg/块）;
T2钢爪钢爪绝对温度，单位为开尔文（K）。
Q钢爪c钢爪m钢爪（T2钢爪—TJ=0.0131汉0.524汉2汇8.434汉1173=130.2214kJ/h
D
6.2.8换极散热
6.2.8.1对流散热
对流散热计算见公式：
Q对流=a对上部（t2-t1）S
其中：
Q对流--对流散热损失，单位为千焦每小时（KJ/h）;
1/3
a对上部=An（t2-t1）,a对上部=1.3a对；
A—常数，与介质性质及计算温度t计有关，见图t计二（t2-t1）/2,单位为摄氏度（：
C）；
a对一对流换热系数，单位为千焦每平方米小时摄氏度[KJ/（m2h•:
c）]
t2-体系温度，单位为摄氏度（C）
t—环境温度，单位为摄氏度「C）；
s—给热面面积，即实际阳极底掌面积，单位为平方米（m2）,
图8Am与t计关系曲线图
t2取950C，Am=0.8，所以：
a对上部=Am（t^t1）^=0.8（950-25）7.792
Q对流=a对上部（tZ1）S=7.792x（950-25）如.52汉0.585=6408.99792KJ/H
6.2.8.2辐射散热
辐射散热计算见公式
Q辐射=詁[（畫）4-（韵4]
式中：
Q辐射一辐射散热损失，单位为千焦每小时（kJ/h）;
；—散热面的黑度系数，=0.9;
C0-绝对黑体辐射系数，co=20.7665kJ/（m3•h•k4）;
'■—辐射角度系数，q=1.0;
T2体系一体系绝对温度，单位为开尔文（K）,
Q辐射
-122342984
=0.920.76611.520.585[（）-（）4]=370507.50kJ/h
100100
6.2.8.3换极散热
换极散热计算见公式:
tn
Q换极三評对流6）
Q换极一换极散热损失，单位为千焦每小时（kJ/h）；
t—每次换极所用时间，单位为分钟（min）;
N/D—每小时换极数。
tn
Q换极=（Q对流Q辐射）=4579.20.013（6408.99792+370507.50）
60D
/60=376838.0993KJ/H
6.2.9空气带走热
T2烟气
空气带走热见公式：
0空=V空［CpdT
T1
式中:
Q空一空气带走热，单位为千焦每小时（kJ/h）；
Cp—空气定压比容，查气体平均定压容积比热表，采用插人法求Cp；
V空—每小时槽中空气流量，见公式，单位为立方米每小时（m2/h）。
V空"槽-Vco、CO2
式中:
V槽一电解槽气体流量，单位为立方米每小时（m3/h）。
VcO2、co—标准状态下CO2CC气体所占体积之和单位为立方米每小时
（m3/h）o
VCOCO2=VCC+VCO2
式中：
Vco2—标准状态下CO气体所占体积，即Vco2=nX22.4，单位为立方米每小时（m3/h）;
Vco—标准状态下CC气体所占体积，即Vco=neo22.4单位为立方米每小时
（m3/h）;
T2烟气1173
Q空二V空丁CpdT=2102981.2979dT=238489.125KJ/h
6.2.10电解槽散热
用热流计测出各测试点热流量，按公式求出各部散热损失，再按公式求和得
电解槽散热总和。
Q散-'qisi
式中：
Q散一电解槽某部散热损失，单位为千焦每小时（kJ/h）;
qi—测定部位的平均热流量，单位为千焦每平方米小时［kJ/（m2h）］；S—测定部位面积，单位为平方米（m2）
计算各部分的散热，根据公式Q二aF「，t
2
S曹壳=1.38110.74524.4931.38142.09m
2
SK平顶部410=40m
（10+10.745）汉1.25汉2丄（4+4.49）汇1.25汉2小小2
S槽罩36.54m
2
S导杆=0.20.0850.20.520.0850.52=0.302m
2
S阴极棒=40（0.650.1840.0650.6540.0650.182）26.416m
S曹底二4.49310.745=48.28m
槽壳
导杆
槽罩
炉底
水平顶部
阴极棒
43.2
162
43.2
43.2
43.2
36.7
2
表2各部分的a值为
所以：
Q槽壳二aF：
t=43.242.09（50-25）=45457.2kJ/h
Q槽底=aF4=43.248.28（70-25）=93856.32kJ/h
Q水平顶部=aF=4043.2（100-25）=129600kJ/h
Q导杆=aF4=0.302162（300-25）13454.1kJ/h
Q阴极棒=aF：
t=36.726.416（825-25）=775573.76kJ/h
Q散热总和=45457.2+93856.32+129600+13454.1+775573.76=1176330.98kJ/h
6.3电解槽能量平衡表
电解槽能量平衡表见表3：
表3电解槽能量平衡表
能量收人
（kJ/
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