200KA预焙阳极铝电解槽阳极组设计说明文档格式.docx
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2.1现代铝电解槽结构
现代铝工业已基本淘汰了自焙阳极铝电解槽,并主要采用容量在160kA以上的大型预焙阳极铝电解槽〔预焙槽〕。
工业铝电解槽通常分为阴极结构、上部结构、母线结构和电气绝缘四大部分。
各类槽工艺制度不同,各部分结构也有较大差异。
图2-1是我国一种200kA预焙阳极铝电解槽结构图[1]。
图2-1我国一种200kA预焙阳极铝电解槽结构图
1-混凝土支柱；
2-绝缘块；
3,4-工字钢；
5-槽壳；
6-阴极窗口；
7-阳极炭块组；
8-承重支架或门；
9-承重桁架；
10-排烟管；
11-阳极大母线；
12-阳极提升机构；
13-打壳下料装置；
14-出铝打壳装置；
15-阴极炭块组；
16-阴极内衬
2.1.1上部结构
槽体〔金属槽壳〕之上的金属结构部分,统称上部结构,它分为承重桁架,阳极提升装置,打壳下料装置,阳极组,集气和排烟装置。
1.阳极炭块组
阳极组由炭块、钢爪和铝导杆组成,炭块有单块组和双块组之分,按钢爪数量有四爪和三爪两种。
钢爪与炭块用磷生铁浇注连接,与铝导杆一般采用铝-钢爆炸焊连接。
与单块组不同的是,双块组使用一根铝导杆连接着两块阳极。
2.阳极升降装置
预焙槽阳极提升装置有两种,一种是螺旋起重器式的升降机构；
另一种是滚珠丝杠三角板式的阳极升降机构。
阳极提升装置为螺旋起重器升降机构,它由螺旋起重机、减速机、传动机构和马达组成。
4个螺旋起重机与阳极大母线相连,由传动轴带动起重机,传动轴与减速箱齿轮通过联轴节相连,减速箱由马达带动。
当马达转动时便通过传动机构带动螺旋起重机升降阳极大母线,固定在大母线上的阳极随之升降。
提升装置安装在上部结构的桁架上,其行程为400mm,在门式架上装有与电机转动有关的回转计,可以精确显示阳极母线的行程值。
3.承重结构
承重桁架如图2-7所示,下部为门式支架,上部为桁架,整体用铰链连接在槽壳上,桁架起着支承上部结构的其它部分和全部重量的作用。
图2-2一种200kA预焙阳极铝电解槽承重桁架结构图
1-桁架；
2-支架或门；
3-铰接点
4.加料装置
预焙铝电解槽上使用线下料装置,多数位于两排阳极中央空间部位,每次打壳下料的间隔时间为60～120min。
打壳机构分为铡刀型、刀齿混合型,按照一定间距固定在槽纵向中央可升降的工字钢梁上,其上部安装线加料定容器。
定容器由两条钢组成,两端用轴联接。
5.集气装置
预焙槽由上部结构盖板和槽周若干块可人工移动的铝合金槽罩密封,分别由若干块大面罩、角部罩和小面罩组成。
槽子产生的烟气由上部结构下方的集气箱汇集到支烟管,再进入墙外总烟管而到净化系统。
为了保证换阳极和出铝打开部分槽罩作业时烟气不大量外逸,支烟管上装有可调节烟气流量的控制阀,当电解槽打开槽罩作业时,将可调节阀开到最大位置,此时排烟量是平时的2.5倍,使作业时烟气捕集率仍能保证达到98%。
2.1.2阴极结构
电解铝工业所言的阴极结构中的阴极,是指盛装电解熔体〔包括熔融电解质与铝液〕的容器,包括槽壳与其所包含的内衬砌体,而内衬砌体包括与熔体直接接触的底部炭素〔阴极炭块为主体〕与侧衬材料,阴极炭块中的导电棒、底部炭素以下的耐火材料与保温材料。
阴极的设计与建造的好坏对电解槽的技术经济指标〔包括槽寿命〕产生决定性的作用。
阴极结构包括：
槽壳结构,内衬结构。
2.1.3母线结构
整流后的直流电通过铝母线引入电解槽上,槽与槽之间通过铝母线串联而成,所以,电解槽有阳极母线、阴极母线、立柱母线和软带母线；
槽与槽之间、厂房与厂房之间还有联络母线。
阳极母线属于上部结构中的一部分,阴极母线排布在槽壳周围或底部,阳极母线与阴极母线之间通过联络母线、立柱母线和软母线连接,这样将电解槽一个一个地串联起来,构成一个系列。
2.1.4绝缘设施
在电解槽系列上,系列电压达数百伏至上千伏。
尽管人们把零电压设在系列中点,但系列两端对地电压仍高达500V左右,一旦短路,易出现人身和设备事故。
而且,电解用直流电,槽上电气设备用交流电,若直流窜入交流系统,会引起设备事故,需进行交、直流隔离。
因此,电解槽许多部位须要进行绝缘。
2.2预焙阳极炭块的基本概述
在铝电解生产中,由于所采用的冰晶石—氧化铝熔盐电解体系具有温度高、腐蚀性强等特点,作为阴、阳两极的导电材料,消耗量非常大。
迄今为止能够抵御这种强高温熔盐的腐蚀、且价格低廉而又具有良好导电的,唯有炭素制品。
因此,铝工业上均采用炭素电极——炭阴极和炭阳极。
阳极在电解槽的上部,是铝电解槽的心脏,它承担向电解槽导入直流电和参与电化学反应的任务,阳极质量和工作状况的好坏,直接影响着铝电解生产的主要工艺技术指标,诸如能量效率和电流效率,同时也直接影响着铝电解的生产成本；
此外,炭阳极质量优劣与铝电解生产过程的稳定性和工人的劳动强度紧密相关。
铝电解生产对炭素阳极的基本要求如下：
1.要求阳极具有良好的物理化学性能,减少阳极对空气和二氧化碳反应活性,以求达到降低炭耗、延长阳极更换时间、减少电解槽含炭渣量的目的。
2.要求阳极具有良好的电化学性能,以求达到提高阳极电化学反应活性,降低电解过程中电能消耗的目的。
3.要求阳极杂质含量要少,以免在电解过程中进入成品而影响产品质量。
4.要求阳极质量更均匀、更稳定,以求达到电解槽稳定操作和进一步降低阳极效应系数的目的。
铝电解预焙阳极由预先焙烧好的多个阳极炭块组成,每个阳极炭块组由2～4个阳极炭块与导杆、钢爪等组成。
预焙阳极多为间断式,每组阳极可使用l8～28天。
当阳极炭块被电解反应消耗到原有高度25％左右时,为了避免钢爪熔化,必须将旧的一组阳极炭块吊出,用新的炭块组取代,取出的炭块称为"
残极"
。
我国XX铝厂、XX铝厂、XX铝厂、XX铝厂、XX铝厂、XX铝厂都有预焙阳极电解槽系列,总生产能力达40万t。
正在建设的XX轻金属研究院沁阳280kA预焙阳极电解试验厂,将成为我国铝电解工业试验基地。
预焙阳极的操作主要有吊出残极、清理残极、新炭块组组装、安装新炭块组等。
由于预焙阳极操作简单,没有沥青烟害,易于机械化操作,易于电解槽大型化和高效益[1]。
因此,国内外新建大型铝厂多采用此种阳极。
2.3改善阳极炭块质量的途径
尽管我们在阳极的物理化学与电化学性能方面开展了许多应用研究,但由于受原料和现行生产工艺等客观条件的限制,我国的阳极质量还是不能很好地满足生产的要求。
要改变目前铝电解用炭阳极的不良工作状况,应从如下几方面着手。
首先,是从根本上对铝电解用阳极进行"
革命"
那就是采用"
惰性阳极技术"
长期的生产实践表明,传统的炭阳极最大的缺陷就在于它是属于消耗性电极,由此导致其必须进行周期性的更换,这样必然会带来多方面的问题：
其一是大量的优质炭素原材料被消耗,这是原料的浪费；
其二是由于需要定期更换,导致电解槽电流分布和电解槽电解用炭阳极的综合性能热平衡经常遭到破坏,建立新的平衡需要补充热量,这是能源的浪费；
其三是炭阳极在工作过程中具有很高的过电位,导致电解槽工作电压提高,也就是增加了电解过程中的能耗；
其四是由于炭阳极在使用过程中不均匀氧化和炭粒脱落,使电解质中积累炭渣,导致电解电流效率降低；
另外,阳极的经常更换也增加了工人的劳动强度和工时。
作者认为在研究预焙阳极改性技术的过程中,以下几点不容忽视：
1〕添加剂原料的来源要广,价格要相对低廉；
2〕添加剂合成要简单,易于工业生产；
3〕添加剂的合成应尽量与阳极生产工艺相结合,可节省人力和设备的投入；
4〕添加剂的加入不对电解产品构成污染[2]。
2.4我国铝用预焙阳极生产发展趋势
我国的铝用预焙阳极主要朝以下三个方面发展：
1.环境保护
由于铝电解工业发展的诸多问题,导致了我国目前铝用预焙阳极发展的无序状态,尤其是众多自焙铝电解槽的改造,大有将铝电解工业的污染转移到阳极生产工业的趋势。
我国除少数与大型电解铝厂自己配套的炭素厂,如XX铝厂、XX铝厂、平果铝厂等采用了较先进的环保技术外,大多数由阳极糊生产厂而发展起来的预焙阳极生产厂都没有采取环保措施。
随着国家对环保政策的日益严格与人们对环保意识的提高,我国已建、扩建、在建与拟建的预焙阳极生产厂将采取先进的环保技术,如VIR反应器技术等,完全解决预焙阳极焙烧的环境污染问题；
对于沥青熔化时的烟气污染,预焙阳极废残品的破碎、煅后石油焦的破碎、筛分等的粉尘污染以与球磨系统的噪音等尚需进一步开发研究治理技术。
2.节约能源
我国众多的预焙阳极生产厂,较普遍地存在着能耗高的问题,主要表现在罐式煅烧炉余热排空,焙烧炉燃烧系统没有实现自动控制技术,此外,还有相当一部分企业采用落后的倒焰窑焙烧技术,与国际先进水平存在较大差距,阳极能耗消费是国际先进水平的2倍。
为此,采用新型的节能技术,达到节能降耗、降低生产成本、提质提产是各个生产企业寻求发展的方向。
目前,我们应大力推广已成熟的煅烧余热利用技术,积极引进与消化焙烧炉自动燃烧新技术,使我国的预焙阳极生产的能耗降低30％～50％。
3.提高预备阳极生产质量
尽管我国铝用预焙阳极生产得到迅猛发展,但所生产的预焙阳极质量〔除极少数出口的外〕与国际先进水平相比仍有较大差距,应努力全面提高预焙阳极质量[3]。
第三章阳极炭块在铝电解生产中的重要性与生产工艺
3.1阳极组的基本结构
阳极炭块的组装是将阳极导杆,铸钢爪和预备阳极炭块组合为一体的工艺过程。
阳极炭块组一般为单块组,也有双块组或三块组,铝电解槽由8～32组阳极炭块组构成。
铝导杆用铝合金〔95%Al+5%Si〕制作。
铝导杆与钢梁之间的联接用爆炸焊,钢梁下面焊接圆柱形钢爪。
阳极炭块有安放钢爪抓头的炭碗。
用振动成型生产的阳极炭块一般在振膜上油专门制炭碗的装置,成型,制碗一次完成。
阳极炭块一般使用周期为20～28天,阳极炭块直接放在铝电解槽的电解质中,并参与阳极反应。
每个预备阳极炭块组由三个部分组合而成,即铝导杆,铸钢爪和预焙阳极炭块。
它们之间〔导杆和铸钢爪之间〕通过焊接,磷生铁浇注连接为一体,阳极炭块组如图4-1所示。
图3-1"
单块组-四爪"
阳极组结构示意图
预焙阳极〔CarbonPrebakeAnode〕是预焙阳极电解槽的重要组成部分,它由多组阳极炭块组和阳极提升机构部分组成,它参与电化学反应并把电流导入电解槽内。
每组阳极炭块由1～3块阳极炭块,阳极铝导杆和钢爪预先组成,其中以单块阳极组使用最为普遍。
炭块的数量和尺寸根据电解槽的容量和电流密度而定〔一般为10～40组〕。
这些炭块组在槽内成堆地排列在阳极水平母线的左右两侧,炭块组的铝导杆靠可转动的卡具固定在水平母线上,铝导杆起着输送电流和吊挂组的双重作用。
阳极提升机构是升降阳极的机构。
随着炭阳极的消耗,阳极机构带动阳极炭块组下降,当降至最低位置时,借助阳极提升机构,通过转接母线作业把水平母线提高,以保证在电解过程中阳极升降机构连续带动阳极炭块组下降,使阴阳极间的间距相对稳定。
现代大型预焙阳极多采用自动控制。
3.2阳极炭块在铝电解生产中的重要性
长期的生产实践表明,炭阳极质量的优劣,直接或间接影响着铝电解的各项经济技术指标,诸如电流效率、电能消耗、阳极炭耗等。
因此,炭阳极在电解铝工业中不可避免地处于举足轻重的地位,一直被业内人士看成为铝电解槽的"
心脏"
首先,阳极质量的好坏直接影响着铝电解生产的主要工艺技术指标,诸如能量效率和电流效率,同时也直接影响着铝电解的生产成本；
其次,炭阳极质量的优劣与铝电解生产过程中的稳定性和工人的劳动强度紧密相关；
再者,炭阳极在工作中对环境的污染程度已经越来越受到人们的关注,其中尤其是针对自焙阳极铝电解的生产技术方面,国内外均采取了一系列甚至是强制性的措施。
随着世界铝电解技术的快速发展和环保意识的增强,适宜于规模化操作和大型化生产以与环境污染相对较轻的预焙槽电解铝技术已经成为世界铝电解技术的主流。
在我国,从20世纪90年代后期就明确规定,要在新世纪初基本停止自焙槽电解炼铝,这标志着我国的铝电解工业将由过去的自焙槽生产为注意转化成向大型预焙槽方向快速发展。
但是,阳极的"
质量问题"
仍然将是阻碍我国铝电解整体水平向世界先进水平靠拢的主要障碍之一,进一步提高我国阳极生产工艺技术或者在现有工艺技术条件的基础上改善作为预焙铝电解槽"
的炭阳极的物理化学和电化学性能指标,可以有效地降低铝电解的生产成本,稳定铝电解生产操作和提高铝电解生产效率,对促进我国铝电解工业的发展,提高我国铝工业在国际市场上的竞争力有着不可轻视的作用[4]。
3.3阳极炭块的生产工艺流程
阳极炭块的生产工艺包括原料的预碎、煅烧、破碎、筛分分级、配料,粘结剂的预处理、混捏,混捏后的糊料成型、焙烧与清理加工,工艺流程图见图5-1所示。
图3-2阳极炭块生产工艺流程
碳素原料在隔绝空气的条件下进行高温处理的过程。
国内煅烧石油焦的主要设备有罐式煅烧炉和回转窑。
罐式煅烧炉根据物料与加热气流的流动方向,可分为顺流式罐式煅烧炉和逆流式罐式煅烧炉两种。
煅烧石油焦的真空密度为1.99～2.03g/cm3,粉末电阻率小于650uΩ·
m-1。
我国石油焦的煅烧多在碳素厂或铝厂进行。
破碎筛分破碎和筛分是指将煅烧石油焦破碎,按照配方要求筛分和磨粉分成不同粒级的料,装入各自的料仓内的过程。
配料按既定的配方进行。
配方根据原料、产品的种类与性能要,通过科学实验和工业实践而得到。
不同产品的配方是不同的。
阳极糊的典型配方见表3-1：
沥青含量占总糊料的〔28±
3〕℅。
表3-1阳极糊的典型配方
粒能/mm
+4
-4+2
-2+1
-1
粉料
含量/℅
﹤2
23±
3
13±
余量
483
预焙阳极炭块的配方有大颗粒配方和小颗粒配方两种,沥青含量根据干料配方和成型工艺而有所不同,一般为16℅～18℅。
混捏的目的是使各种不同颗粒的骨料均匀混合,使熔化的沥青浸润颗粒表面,并渗入焦炭内部的孔隙。
在粘结剂粘结力的作用下,所有颗粒互相粘结起来,形成具有塑形的糊料,有利于成型。
一般用中温煤沥青时混捏温度为〔145±
5〕℃,用高温煤沥青时混捏温度为〔18±
5〕℃。
常用的混捏设备是间断式的混捏锅或连续混捏机。
阳极糊的成型较简单,铸成500kg以上大块或15kg以下的小块后冷却,使用时直接加载电解槽上部即可。
但干阳极糊通常为1kg以下的球型小块。
阳极炭块通常用两种方法成型：
震动成型和挤压成型。
挤压成型设备采用水压机或油压机；
振动成型采用专用的振动成型机组。
振动成型法是目前大型铝电解厂制造阳极炭块广泛采用的方法,生产率高,生产炭块质量好,且可直接之城炭碗。
80年代我国引进了先进的多工位振动成型机组,在一个可转的工作平台上,连续完成下料、振动成型、脱模推出工序,使成型得以连续进行,大大提高了生产效率。
阳极炭块的焙烧目的是排出挥发分、使粘结剂焦化并与固体颗粒牢固地粘结在一起,提高炭块的机械强度和导电性能。
生阳极块经板式输送机送入焙烧车间,经碳块编组站编为7块一组,置于专用的编组架上,产品装炉时由多功能机组一次夹2组碳块〔共14块〕装入焙烧炉。
填充料的装、出炉操作,采用1台多功能机组和1台填充料专用装出炉机组共同完成。
生阳极的焙烧采用一台54室敞开式焙烧炉,共设3个火焰系统,每个火焰系统6室运转,焙烧曲线为26～30h/室,每个炉室8个炉箱,炉箱尺寸5300mm<
长>
×
800mm<
宽>
5600mm<
深>
每箱装3层,每层装7块,每个炉室装168块。
焙烧炉用焦炉煤气作为燃料。
按编制的时间表,将装好生阳极炭块的焙烧炉室接入加热系统,加热系统烟气温度为1200℃,整个加热升温过程用计算机进行控制。
经156～180小时完成加热焙烧后切断热源脱离加热系统,对炉室进行强制冷却,冷却到规定的时间后出炉。
生阳极炭块装入焙烧室时,需要在炭块四周和顶部填充焦粉,以防止炭块在高温焙烧时接触空气氧化。
加热系统的火道采用负压运行,部分填充焦粉、生阳极炭块高温焙烧过程原料沥青中的挥发份等从焙烧室缝隙吸入火道被燃烧。
阳极焙烧分4个区,工作区-冷却区-加热区-预热区。
6个室一周转。
工作区为1个室,冷却区为1个室,加热区为1个室,预热区为3个室。
工作区为装、出阳极区,冷却在冷却区由鼓风机强制通风冷却,风在冷却阳极的同时,自身也得到预热,热风作为加热区的一次空气助燃,燃烧后的废气进入预热区预热阳极。
焙烧阳极出炉时,首先用填充料装出炉机组去除覆盖在阳极上的填充料,然后用多功能机组将两个炉箱内的阳极〔共14块〕一次吊出送到清理站解组并清理,由阳极清理机组的机械刮刀机械清理,同时抽风吸尘。
经清理与测试后合格的阳极炭块送到碳块库由堆垛天车堆垛贮存,外售。
在焙烧过程中,从焙烧炉排出的含有沥青焦油与粉尘的焙烧烟气进入净化系统处理。
炭阳极的焙烧对生产出高质量的预焙阳极起着重要的作用[5]。
第四章阳极电流密度与阳极炭块单块截面积计算
4.1阳极电流密度的选择
电流密度作为电解槽设计与计算的基础,是一个十分重要的问题。
如何选择电解槽的电流密度,将对电解槽今后产生的技术经济指标产生直接影响。
对于电解槽的生产而言,最适宜的电流密度,应根据槽子选用材料、厂房通风情况、综合生产工艺技术条件最后得出一个可行的方案们,较低的电流密度有利于保持平稳的情况和较低的电耗。
电解槽电流密度的这种变化,主要反映在技术上的要求,即：
在容量较小的电解槽上,由于电流密度较低,而其散热损失相对较大,因此,必须提高电流密度,并缩小电解槽的散热表面。
这样,才能保持在所有要求条件下的能量平衡。
而容量较大的电解槽,由于散热损失相对较小,而随着电流密度的降低,槽电压也相对降低,电耗随之降低,这种表现出经济上的某些合理性[6]。
阳极电流密度一般为0.72～0.78A/cm2,综合考虑取平均值D阳极=0.75A/cm2。
4.2炭块单块截面积的计算
阳极炭块水平面积,是根据电解槽容量大小、阳极数量以与阳极电流密<
0.72～0.78A/cm2>
参数控制来确定的。
其长宽比的合理X围为:
1≤长宽比≤2.3。
在现代大型预焙槽的设计中,为了提高电解槽单位面积的产能,通过减小加工面和中缝尺寸尽可能地增大阳极面积,为强化电流创造条件[6]。
本次设计采用单块阳极。
阳极炭块的长度<
L>
的选择
阳极炭块的长度决定于槽整体阳极宽度,160～320kA预焙槽阳极长度以1400mm～1600mm为宜。
老槽强化生产,提高电流强度,在不改变电流密度的情况下加长阳极长度。
综合考虑取阳极炭块长度L=1450mm。
阳极炭块的宽度〔W〕的选择
如果选择阳极块过宽,则必须采用双排钢爪,在选用750mm～1000mm宽碳块,就应该考虑双排钢爪,必然使钢爪总断面与用钢量增加,使钢爪在生产中散发大量热量,在大型预焙槽结构设计选用单排钢爪的660mm宽阳极是可行且合理的,在300kA～350kA预焙槽选用双块每块宽度660mm左右的设计也是合理的。
阳极宽度选择,应该根据电流效率,阳极净耗。
换级的频率综合考虑。
还要考虑与阴极炭块宽度匹配。
目前,我国大型预焙槽〔160～350kA〕的阳极宽度基本上都是660mm〔双阳极组中的阳极块也为660mm〕[1]。
所以,综合考虑,本次设计取阳极块的宽度W=660mm。
长宽比=1450/660=2.19﹤2.3,所以符合要求。
4.2.3阳极炭块的高度〔H〕的选择
阳极碳块高度大小,决定换极周期,换极作业的劳动消耗、阳极的毛耗量以与阳极本体电压降、阳极散热与保温。
阳极炭块的高度影响到下列几个方面：
〔1〕换极周期。
换极周期是指一块新阳极的工作天数；
〔2〕阳极电压降。
阳极电压降随着阳极高度的升高而增大,所以会增大电解耗能；
〔3〕阳极保温。
阳极高度过高,不利于阳极上覆盖的氧化铝的保温作用,即不利于电解槽热平衡的稳定；
〔4〕电解槽上部结构。
阳极高度越大,则电解槽立柱母线越高,上部金属结构的位置被抬高,荷重加大；
〔5〕阳极电流密度。
阳极高度越大,从阳极侧面流出的电流相对于阳极底部流出的电流的比例更大,这对电解技术经济指标不利。
根据炭块高度〔H〕的公式：
H=残极量+母线行程〔400mm〕
1〕残极量选择的依据：
保证有足够的垂直电流,尽量降低水平电流。
预焙阳极碳块在电解槽上使用以后的参与部分。
在阳极炭块的使用周期你诶,随着阳极被逐渐消耗,阳极机构带动阳极炭块的下降,以保证电解槽稳定的极距。
当使用一定时间后,炭块已变得很薄〔约13～18厘米〕,为防止阳极钢爪被电解质熔化,必须更换更换新的阳极炭块组。
取出的这些参与炭块成为残极。
残极量一般式阳极炭块量的15%～25%.
2〕根据经验,残极量一般取为150mm
故H=150mm+400mm=550mm
每块阳极炭块的水平截面积S炭块=1450×
660=957000mm2
阳极高度消耗速度〔hc〕为：
hc=
式中：
8.054—系数〔它等于铝的电化当量乘以每日的24小时,即0.3356×
24〕；
hc——阳极消耗速度；
cm/d；
d阳——阳极电流密度；
A/cm2；
λ——电流效率%；
取90%；
Wc——阳极净耗量；
kg/吨-Al；
取400kg/t-Al；
dc——阳
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