1、第一章 緒論20世紀80年代以前，工業鋁電解的發展經歷了幾個重要階段，其標志的變化有：電解槽電流由24kA、60kA增加至100150kA；槽型主要由側插棒式（及上插棒式）自焙陽極電解槽改變為預焙陽極電解槽；電能消耗由噸鋁22000kWh降低至15000kWh；電流效率由7080%逐步提高到8590%。1980年開始，電解槽技術突破了175KA的壁壘，采用了磁場補償技術，配合點式下料及電阻跟蹤的過程控制技術，使電解槽能在氧化鋁濃度變化范圍很窄的條件下工作，為此逐漸改進了電解質，降低了溫度，為最終獲得高電流效率和低電耗創造了條件。在以后的年份中，噸鋁最低電耗曾降低到1290013200 kWh，

2、陽極效應頻率比以前降低了一個數量級。80年代中葉，電解槽更加大型化，點式下料量降低到每次2kg氧化鋁，采用了單個或多個廢氣捕集系統，采用了微機過程控制系統，對電解槽能量參數每5s進行采樣，還采用了自動供料系統，減少了灰塵對環境的影響。進入90年代，進一步增大電解槽容量，噸鋁投資較以前更節省，然而大型槽（特別是超過300kA）能耗并不低于80年代初期較小的電解槽，這是由于大型槽采取較高的陽極電流密度，槽內由于混合效率不高而存在氧化鋁的濃度梯度；槽壽命也有所降低，因為爐幫狀況不理想，并且隨著電流密度增大，增加了陰極的腐蝕，以及槽底沉淀增多，后者是下料的頻率比較高，而電解質的混合程度不足造成的。盡管

3、如此，總的經濟狀況還是良好的。90年代以來，電解槽的技術發展有如下特點：（1） 電流效率達到96%；（2） 電解過程的能量效率接近50%，其余的能量成為電解槽的熱損而耗散；（3） 陽極的消耗方面，炭陽極凈耗降低到0.397kg/kg-Al；（4） 盡管設計和材料方面都有很大的進步，然而電解槽側部仍需要保護性的爐幫存在，否則金屬質量和槽壽命都會受負面影響；（5） 維護電解槽的熱平衡（和能量平衡）更顯出重要性，既需要確保極距以產生足夠的熱能保持生產的穩定，又需要適當增大熱損失以形成完好的爐幫，提高槽壽命。我國的電解鋁工業可自1954年第一家鋁電解廠（撫順鋁廠）投產算起，至2010年已有56年歷史，

4、在電解槽設計中，已掌握“三場”仿真技術，在模擬與優化方面采用了ANSYS和MHD等軟件；能較好的處理電解槽的磁場、流場、熱-電平衡等問題，為大型和特大型預焙槽的設計和制造奠定了基礎。我國近幾年開發應用的200kA及其以上容量的大型預焙鋁電解槽均取得了較好的技術經濟指標，以目前已開發應用的最大容量鋁電解槽-350kA預焙槽為例，主要技術經濟指標為：電流效率94.43%；直流電耗13310kWh/t-Al；陽極凈耗397kg/t-Al。第二章 現代鋁電解槽結構及預焙陽極炭塊2.1 現代鋁電解槽結構現代鋁工業已基本淘汰了自焙陽極鋁電解槽，并主要采用容量在160kA 以上的大型預焙陽極鋁電解槽（預焙槽

5、）。工業鋁電解槽通常分為陰極結構、上部結構、母線結構和電氣絕緣四大部分。各類槽工藝制度不同，各部分結構也有較大差異。圖2-1是我國一種200kA預焙陽極鋁電解槽結構圖1。 圖2-1 我國一種200kA預焙陽極鋁電解槽結構圖1-混凝土支柱；2-絕緣塊；3,4-工字鋼；5-槽殼；6-陰極窗口；7-陽極炭塊組；8-承重支架或門；9-承重桁架；10-排煙管；11-陽極大母線；12-陽極提升機構；13-打殼下料裝置；14-出鋁打殼裝置；15-陰極炭塊組；16-陰極內襯2.1.1上部結構 槽體（金屬槽殼）之上的金屬結構部分，統稱上部結構，它分為承重桁架，陽極提升裝置，打殼下料裝置，陽極組，集氣和排煙裝置。

6、1.陽極炭塊組陽極組由炭塊、鋼爪和鋁導桿組成，炭塊有單塊組和雙塊組之分，按鋼爪數量有四爪和三爪兩種。鋼爪與炭塊用磷生鐵澆注連接，與鋁導桿一般采用鋁-鋼爆炸焊連接。與單塊組不同的是，雙塊組使用一根鋁導桿連接著兩塊陽極。2.陽極升降裝置預焙槽陽極提升裝置有兩種，一種是螺旋起重器式的升降機構；另一種是滾珠絲杠三角板式的陽極升降機構。陽極提升裝置為螺旋起重器升降機構，它由螺旋起重機、減速機、傳動機構和馬達組成。4個螺旋起重機與陽極大母線相連，由傳動軸帶動起重機，傳動軸與減速箱齒輪通過聯軸節相連，減速箱由馬達帶動。當馬達轉動時便通過傳動機構帶動螺旋起重機升降陽極大母線，固定在大母線上的陽極隨之升降。提升

7、裝置安裝在上部結構的桁架上，其行程為400mm，在門式架上裝有與電機轉動有關的回轉計，可以精確顯示陽極母線的行程值。3.承重結構承重桁架如圖2-7所示，下部為門式支架，上部為桁架，整體用鉸鏈連接在槽殼上，桁架起著支承上部結構的其它部分和全部重量的作用。圖2-2 一種200kA預焙陽極鋁電解槽承重桁架結構圖1- 桁架；2-支架或門；3-鉸接點4.加料裝置預焙鋁電解槽上使用線下料裝置，多數位于兩排陽極中央空間部位，每次打殼下料的間隔時間為60120min。打殼機構分為鍘刀型、刀齒混合型，按照一定間距固定在槽縱向中央可升降的工字鋼梁上，其上部安裝線加料定容器。定容器由兩條鋼組成，兩端用軸聯接。5.集

8、氣裝置預焙槽由上部結構蓋板和槽周若干塊可人工移動的鋁合金槽罩密封，分別由若干塊大面罩、角部罩和小面罩組成。槽子產生的煙氣由上部結構下方的集氣箱匯集到支煙管，再進入墻外總煙管而到凈化系統。為了保證換陽極和出鋁打開部分槽罩作業時煙氣不大量外逸，支煙管上裝有可調節煙氣流量的控制閥，當電解槽打開槽罩作業時，將可調節閥開到最大位置，此時排煙量是平時的2.5 倍，使作業時煙氣捕集率仍能保證達到98%。 陰極結構電解鋁工業所言的陰極結構中的陰極，是指盛裝電解熔體（包括熔融電解質與鋁液）的容器，包括槽殼及其所包含的內襯砌體，而內襯砌體包括與熔體直接接觸的底部炭素（陰極炭塊為主體）與側襯材料，陰極炭塊中的導電棒

9、、底部炭素以下的耐火材料與保溫材料。陰極的設計與建造的好壞對電解槽的技術經濟指標（包括槽壽命）產生決定性的作用。陰極結構包括：槽殼結構，內襯結構。2.1.3 母線結構整流后的直流電通過鋁母線引入電解槽上，槽與槽之間通過鋁母線串聯而成，所以，電解槽有陽極母線、陰極母線、立柱母線和軟帶母線；槽與槽之間、廠房與廠房之間還有聯絡母線。陽極母線屬于上部結構中的一部分，陰極母線排布在槽殼周圍或底部，陽極母線與陰極母線之間通過聯絡母線、立柱母線和軟母線連接，這樣將電解槽一個一個地串聯起來，構成一個系列。2.1.4 絕緣設施 在電解槽系列上，系列電壓達數百伏至上千伏。盡管人們把零電壓設在系列中點，但系列兩端對

10、地電壓仍高達500V 左右，一旦短路，易出現人身和設備事故。而且，電解用直流電，槽上電氣設備用交流電，若直流竄入交流系統，會引起設備事故，需進行交、直流隔離。因此，電解槽許多部位須要進行絕緣。2.2 預焙陽極炭塊的基本概述在鋁電解生產中，由于所采用的冰晶石氧化鋁熔鹽電解體系具有溫度高、腐蝕性強等特點，作為陰、陽兩極的導電材料，消耗量非常大。迄今為止能夠抵御這種強高溫熔鹽的腐蝕、且價格低廉而又具有良好導電的，唯有炭素制品。因此，鋁工業上均采用炭素電極炭陰極和炭陽極。陽極在電解槽的上部，是鋁電解槽的心臟，它承擔向電解槽導入直流電和參與電化學反應的任務，陽極質量和工作狀況的好壞，直接影響著鋁電解生產

11、的主要工藝技術指標，諸如能量效率和電流效率，同時也直接影響著鋁電解的生產成本；此外，炭陽極質量優劣與鋁電解生產過程的穩定性和工人的勞動強度緊密相關。鋁電解生產對炭素陽極的基本要求如下：1. 要求陽極具有良好的物理化學性能，減少陽極對空氣和二氧化碳反應活性，以求達到降低炭耗、延長陽極更換時間、減少電解槽含炭渣量的目的。2. 要求陽極具有良好的電化學性能，以求達到提高陽極電化學反應活性，降低電解過程中電能消耗的目的。3. 要求陽極雜質含量要少，以免在電解過程中進入成品而影響產品質量。4. 要求陽極質量更均勻、更穩定，以求達到電解槽穩定操作和進一步降低陽極效應系數的目的。鋁電解預焙陽極由預先焙燒好的

12、多個陽極炭塊組成，每個陽極炭塊組由24個陽極炭塊及導桿、鋼爪等組成。預焙陽極多為間斷式，每組陽極可使用l828天。當陽極炭塊被電解反應消耗到原有高度25左右時，為了避免鋼爪熔化，必須將舊的一組陽極炭塊吊出，用新的炭塊組取代，取出的炭塊稱為“殘極”。我國貴州鋁廠、青海鋁廠、鄭州鋁廠、撫順鋁廠、白銀鋁廠、包頭鋁廠都有預焙陽極電解槽系列，總生產能力達40萬t。正在建設的鄭州輕金屬研究院沁陽280kA預焙陽極電解試驗廠，將成為我國鋁電解工業試驗基地。預焙陽極的操作主要有吊出殘極、清理殘極、新炭塊組組裝、安裝新炭塊組等。由于預焙陽極操作簡單，沒有瀝青煙害，易于機械化操作，易于電解槽大型化和高效益1。因此

13、，國內外新建大型鋁廠多采用此種陽極。2.3 改善陽極炭塊質量的途徑盡管我們在陽極的物理化學及電化學性能方面開展了許多應用研究，但由于受原料和現行生產工藝等客觀條件的限制，我國的陽極質量還是不能很好地滿足生產的要求。要改變目前鋁電解用炭陽極的不良工作狀況，應從如下幾方面著手。首先，是從根本上對鋁電解用陽極進行“革命”，那就是采用“惰性陽極技術”。長期的生產實踐表明，傳統的炭陽極最大的缺陷就在于它是屬于消耗性電極，由此導致其必須進行周期性的更換，這樣必然會帶來多方面的問題：其一是大量的優質炭素原材料被消耗，這是原料的浪費；其二是由于需要定期更換，導致電解槽電流分布和電解槽電解用炭陽極的綜合性能熱平

14、衡經常遭到破壞，建立新的平衡需要補充熱量，這是能源的浪費；其三是炭陽極在工作過程中具有很高的過電位，導致電解槽工作電壓提高，也就是增加了電解過程中的能耗；其四是由于炭陽極在使用過程中不均勻氧化和炭粒脫落，使電解質中積累炭渣，導致電解電流效率降低；另外，陽極的經常更換也增加了工人的勞動強度和工時。作者認為在研究預焙陽極改性技術的過程中，以下幾點不容忽視：1）添加劑原料的來源要廣，價格要相對低廉；2）添加劑合成要簡單，易于工業生產；3）添加劑的合成應盡量與陽極生產工藝相結合,可節省人力和設備的投入；4）添加劑的加入不對電解產品構成污染2。2.4 我國鋁用預焙陽極生產發展趨勢我國的鋁用預焙陽極主要朝

15、以下三個方面發展：1. 環境保護由于鋁電解工業發展的諸多問題，導致了我國目前鋁用預焙陽極發展的無序狀態，尤其是眾多自焙鋁電解槽的改造，大有將鋁電解工業的污染轉移到陽極生產工業的趨勢。我國除少數與大型電解鋁廠自己配套的炭素廠，如青海鋁廠、貴州鋁廠、平果鋁廠等采用了較先進的環保技術外，大多數由陽極糊生產廠而發展起來的預焙陽極生產廠都沒有采取環保措施。隨著國家對環保政策的日益嚴格及人們對環保意識的提高，我國已建、擴建、在建及擬建的預焙陽極生產廠將采取先進的環保技術，如VIR 反應器技術等，完全解決預焙陽極焙燒的環境污染問題；對于瀝青熔化時的煙氣污染，預焙陽極廢殘品的破碎、煅后石油焦的破碎、篩分等的粉

16、塵污染以及球磨系統的噪音等尚需進一步開發研究治理技術。2. 節約能源我國眾多的預焙陽極生產廠，較普遍地存在著能耗高的問題，主要表現在罐式煅燒爐余熱排空，焙燒爐燃燒系統沒有實現自動控制技術，此外，還有相當一部分企業采用落后的倒焰窯焙燒技術，與國際先進水平存在較大差距，陽極能耗消費是國際先進水平的2倍。為此，采用新型的節能技術，達到節能降耗、降低生產成本、提質提產是各個生產企業尋求發展的方向。目前，我們應大力推廣已成熟的煅燒余熱利用技術，積極引進與消化焙燒爐自動燃燒新技術，使我國的預焙陽極生產的能耗降低3050。3. 提高預備陽極生產質量盡管我國鋁用預焙陽極生產得到迅猛發展，但所生產的預焙陽極質量

17、（ 除極少數出口的外）與國際先進水平相比仍有較大差距，應努力全面提高預焙陽極質量3。第三章 陽極炭塊在鋁電解生產中的重要性及生產工藝3.1 陽極組的基本結構陽極炭塊的組裝是將陽極導桿，鑄鋼爪和預備陽極炭塊組合為一體的工藝過程。陽極炭塊組一般為單塊組，也有雙塊組或三塊組，鋁電解槽由832組陽極炭塊組構成。鋁導桿用鋁合金（95%Al+5%Si）制作。鋁導桿與鋼梁之間的聯接用爆炸焊，鋼梁下面焊接圓柱形鋼爪。陽極炭塊有安放鋼爪抓頭的炭碗。用振動成型生產的陽極炭塊一般在振膜上油專門制炭碗的裝置，成型，制碗一次完成。陽極炭塊一般使用周期為2028天，陽極炭塊直接放在鋁電解槽的電解質中，并參與陽極反應。每個

18、預備陽極炭塊組由三個部分組合而成，即鋁導桿，鑄鋼爪和預焙陽極炭塊。它們之間（導桿和鑄鋼爪之間）通過焊接，磷生鐵澆注連接為一體，陽極炭塊組如圖4-1所示。圖3-1“單塊組-四爪”陽極組結構示意圖預焙陽極（Carbon Prebake Anode）是預焙陽極電解槽的重要組成部分，它由多組陽極炭塊組和陽極提升機構部分組成，它參與電化學反應并把電流導入電解槽內。每組陽極炭塊由13塊陽極炭塊，陽極鋁導桿和鋼爪預先組成，其中以單塊陽極組使用最為普遍。炭塊的數量和尺寸根據電解槽的容量和電流密度而定（一般為1040組）。這些炭塊組在槽內成堆地排列在陽極水平母線的左右兩側，炭塊組的鋁導桿靠可轉動的卡具固定在水平

19、母線上，鋁導桿起著輸送電流和吊掛組的雙重作用。陽極提升機構是升降陽極的機構。隨著炭陽極的消耗，陽極機構帶動陽極炭塊組下降，當降至最低位置時，借助陽極提升機構，通過轉接母線作業把水平母線提高，以保證在電解過程中陽極升降機構連續帶動陽極炭塊組下降，使陰陽極間的間距相對穩定。現代大型預焙陽極多采用自動控制。3.2 陽極炭塊在鋁電解生產中的重要性長期的生產實踐表明，炭陽極質量的優劣，直接或間接影響著鋁電解的各項經濟技術指標，諸如電流效率、電能消耗、陽極炭耗等。因此，炭陽極在電解鋁工業中不可避免地處于舉足輕重的地位，一直被業內人士看成為鋁電解槽的“心臟”。首先，陽極質量的好壞直接影響著鋁電解生產的主要工

20、藝技術指標，諸如能量效率和電流效率，同時也直接影響著鋁電解的生產成本；其次，炭陽極質量的優劣與鋁電解生產過程中的穩定性和工人的勞動強度緊密相關；再者，炭陽極在工作中對環境的污染程度已經越來越受到人們的關注，其中尤其是針對自焙陽極鋁電解的生產技術方面，國內外均采取了一系列甚至是強制性的措施。隨著世界鋁電解技術的快速發展和環保意識的增強，適宜于規模化操作和大型化生產以及環境污染相對較輕的預焙槽電解鋁技術已經成為世界鋁電解技術的主流。在我國，從20世紀90年代后期就明確規定，要在新世紀初基本停止自焙槽電解煉鋁，這標志著我國的鋁電解工業將由過去的自焙槽生產為注意轉化成向大型預焙槽方向快速發展。但是，陽

21、極的“質量問題”仍然將是阻礙我國鋁電解整體水平向世界先進水平靠攏的主要障礙之一，進一步提高我國陽極生產工藝技術或者在現有工藝技術條件的基礎上改善作為預焙鋁電解槽“心臟”的炭陽極的物理化學和電化學性能指標，可以有效地降低鋁電解的生產成本，穩定鋁電解生產操作和提高鋁電解生產效率，對促進我國鋁電解工業的發展，提高我國鋁工業在國際市場上的競爭力有著不可輕視的作用4。3.3 陽極炭塊的生產工藝流程陽極炭塊的生產工藝包括原料的預碎、煅燒、破碎、篩分分級、配料，粘結劑的預處理、混捏，混捏后的糊料成型、焙燒及清理加工，工藝流程圖見圖5-1所示。圖3-2 陽極炭塊生產工藝流程 碳素原料在隔絕空氣的條件下進行高溫

22、處理的過程。國內煅燒石油焦的主要設備有罐式煅燒爐和回轉窯。罐式煅燒爐根據物料與加熱氣流的流動方向，可分為順流式罐式煅燒爐和逆流式罐式煅燒爐兩種。煅燒石油焦的真空密度為1.992.03g/cm3，粉末電阻率小于650um-1。我國石油焦的煅燒多在碳素廠或鋁廠進行。破碎篩分破碎和篩分是指將煅燒石油焦破碎，按照配方要求篩分和磨粉分成不同粒級的料，裝入各自的料倉內的過程。配料按既定的配方進行。配方根據原料、產品的種類及性能要，通過科學實驗和工業實踐而得到。不同產品的配方是不同的。陽極糊的典型配方見表3-1：瀝青含量占總糊料的（283）。 表3-1 陽極糊的典型配方粒能/mm+4-4+2-2+1-1粉料

23、含量/2233133余量483預焙陽極炭塊的配方有大顆粒配方和小顆粒配方兩種，瀝青含量根據干料配方和成型工藝而有所不同，一般為1618。混捏的目的是使各種不同顆粒的骨料均勻混合，使熔化的瀝青浸潤顆粒表面，并滲入焦炭內部的孔隙。在粘結劑粘結力的作用下，所有顆粒互相粘結起來，形成具有塑形的糊料，有利于成型。一般用中溫煤瀝青時混捏溫度為（1455），用高溫煤瀝青時混捏溫度為（185）。常用的混捏設備是間斷式的混捏鍋或連續混捏機。陽極糊的成型較簡單，鑄成500kg以上大塊或15kg以下的小塊后冷卻，使用時直接加載電解槽上部即可。但干陽極糊通常為1kg以下的球型小塊。陽極炭塊通常用兩種方法成型：震動成型

24、和擠壓成型。擠壓成型設備采用水壓機或油壓機；振動成型采用專用的振動成型機組。振動成型法是目前大型鋁電解廠制造陽極炭塊廣泛采用的方法，生產率高，生產炭塊質量好，且可直接之城炭碗。80年代我國引進了先進的多工位振動成型機組，在一個可轉的工作平臺上，連續完成下料、振動成型、脫模推出工序，使成型得以連續進行，大大提高了生產效率。陽極炭塊的焙燒目的是排出揮發分、使粘結劑焦化并與固體顆粒牢固地粘結在一起，提高炭塊的機械強度和導電性能。生陽極塊經板式輸送機送入焙燒車間,經碳塊編組站編為7塊一組，置于專用的編組架上，產品裝爐時由多功能機組一次夾2組碳塊（共14塊）裝入焙燒爐。填充料的裝、出爐操作,采用1臺多功

25、能機組和1臺填充料專用裝出爐機組共同完成。生陽極的焙燒采用一臺54室敞開式焙燒爐,共設3個火焰系統,每個火焰系統6室運轉,焙燒曲線為2630h/室,每個爐室8個爐箱,爐箱尺寸5300mm(長)800mm(寬)5600mm(深),每箱裝3層,每層裝7塊,每個爐室裝168塊。焙燒爐用焦爐煤氣作為燃料。按編制的時間表,將裝好生陽極炭塊的焙燒爐室接入加熱系統，加熱系統煙氣溫度為1200，整個加熱升溫過程用計算機進行控制。經156180小時完成加熱焙燒后切斷熱源脫離加熱系統,對爐室進行強制冷卻,冷卻到規定的時間后出爐。生陽極炭塊裝入焙燒室時，需要在炭塊四周和頂部填充焦粉，以防止炭塊在高溫焙燒時接觸空氣氧

26、化。加熱系統的火道采用負壓運行，部分填充焦粉、生陽極炭塊高溫焙燒過程原料瀝青中的揮發份等從焙燒室縫隙吸入火道被燃燒。陽極焙燒分4個區，工作區-冷卻區-加熱區-預熱區。6個室一周轉。工作區為1個室，冷卻區為1個室，加熱區為1個室，預熱區為3個室。工作區為裝、出陽極區，冷卻在冷卻區由鼓風機強制通風冷卻，風在冷卻陽極的同時，自身也得到預熱，熱風作為加熱區的一次空氣助燃，燃燒后的廢氣進入預熱區預熱陽極。焙燒陽極出爐時,首先用填充料裝出爐機組去除覆蓋在陽極上的填充料,然后用多功能機組將兩個爐箱內的陽極（共14塊）一次吊出送到清理站解組并清理，由陽極清理機組的機械刮刀機械清理，同時抽風吸塵。經清理及測試后

27、合格的陽極炭塊送到碳塊庫由堆垛天車堆垛貯存，外售。在焙燒過程中,從焙燒爐排出的含有瀝青焦油及粉塵的焙燒煙氣進入凈化系統處理。炭陽極的焙燒對生產出高質量的預焙陽極起著重要的作用5。第四章 陽極電流密度及陽極炭塊單塊截面積計算4.1 陽極電流密度的選擇電流密度作為電解槽設計與計算的基礎，是一個十分重要的問題。如何選擇電解槽的電流密度，將對電解槽今后產生的技術經濟指標產生直接影響。對于電解槽的生產而言，最適宜的電流密度，應根據槽子選用材料、廠房通風情況、綜合生產工藝技術條件最后得出一個可行的方案們，較低的電流密度有利于保持平穩的情況和較低的電耗。電解槽電流密度的這種變化，主要反映在技術上的要求，即：

28、在容量較小的電解槽上，由于電流密度較低，而其散熱損失相對較大，因此，必須提高電流密度，并縮小電解槽的散熱表面。這樣，才能保持在所有要求條件下的能量平衡。而容量較大的電解槽，由于散熱損失相對較小，而隨著電流密度的降低，槽電壓也相對降低，電耗隨之降低，這種表現出經濟上的某些合理性6。陽極電流密度一般為0.720.78A/cm2,綜合考慮取平均值D陽極=0.75A/cm2。4.2 炭塊單塊截面積的計算陽極炭塊水平面積, 是根據電解槽容量大小、陽極數量以及陽極電流密(0.720.78A/ cm2 ) 參數控制來確定的。其長寬比的合理范圍為: 1 長寬比2.3。在現代大型預焙槽的設計中, 為了提高電解槽

29、單位面積的產能, 通過減小加工面和中縫尺寸盡可能地增大陽極面積, 為強化電流創造條件6。本次設計采用單塊陽極。 陽極炭塊的長度(L)的選擇陽極炭塊的長度決定于槽整體陽極寬度，160320kA預焙槽陽極長度以1400mm1600mm為宜。老槽強化生產，提高電流強度，在不改變電流密度的情況下加長陽極長度。綜合考慮取陽極炭塊長度L=1450mm。陽極炭塊的寬度（W）的選擇如果選擇陽極塊過寬,則必須采用雙排鋼爪,在選用750 mm1000 mm 寬碳塊,就應該考慮雙排鋼爪,必然使鋼爪總斷面及用鋼量增加,使鋼爪在生產中散發大量熱量,在大型預焙槽結構設計選用單排鋼爪的660 mm寬陽極是可行且合理的,在3

30、00 kA350 kA 預焙槽選用雙塊每塊寬度660 mm 左右的設計也是合理的。陽極寬度選擇，應該根據電流效率，陽極凈耗。換級的頻率綜合考慮。還要考慮與陰極炭塊寬度匹配。目前，我國大型預焙槽（160350kA）的陽極寬度基本上都是660mm（雙陽極組中的陽極塊也為660mm）1。所以，綜合考慮，本次設計取陽極塊的寬度W=660mm。長寬比=1450/660=2.192.3，所以符合要求。4.2.3 陽極炭塊的高度（H）的選擇陽極碳塊高度大小,決定換極周期,換極作業的勞動消耗、陽極的毛耗量以及陽極本體電壓降、陽極散熱與保溫。陽極炭塊的高度影響到下列幾個方面：（1）換極周期。換極周期是指一塊新陽

31、極的工作天數；（2）陽極電壓降。陽極電壓降隨著陽極高度的升高而增大，所以會增大電解耗能；（3）陽極保溫。陽極高度過高，不利于陽極上覆蓋的氧化鋁的保溫作用，即不利于電解槽熱平衡的穩定；（4）電解槽上部結構。陽極高度越大，則電解槽立柱母線越高，上部金屬結構的位置被抬高，荷重加大；（5）陽極電流密度。陽極高度越大，從陽極側面流出的電流相對于陽極底部流出的電流的比例更大，這對電解技術經濟指標不利。根據炭塊高度（H）的公式： H=殘極量 + 母線行程 （400mm） 1）殘極量選擇的依據：保證有足夠的垂直電流，盡量降低水平電流。預焙陽極碳塊在電解槽上使用以后的參與部分。在陽極炭塊的使用周期你誒，隨著陽極

32、被逐漸消耗，陽極機構帶動陽極炭塊的下降，以保證電解槽穩定的極距。當使用一定時間后，炭塊已變得很薄（約1318厘米），為防止陽極鋼爪被電解質熔化，必須更換更換新的陽極炭塊組。取出的這些參與炭塊成為殘極。殘極量一般式陽極炭塊量的15%25%.2）根據經驗，殘極量一般取為150mm 故H =150mm +400mm=550mm每塊陽極炭塊的水平截面積S炭塊=1450660=957000 mm2 陽極高度消耗速度（hc）為：hc=式中：8.054系數（它等于鋁的電化當量乘以每日的24 小時，即0.335624）；hc陽極消耗速度；cm/d；d陽陽極電流密度；A/cm2；電流效率%；取90%；Wc陽極凈

33、耗量；kg/噸-Al；取400kg/t-Al；dc陽極假密度；g/cm3。取1.55g/cm3hc=8.0540.7590%40010-3/1.55=1.40cm/d= （H - HL ）/ hc 式中：換極周期；取28d；hc陽極高度消耗速度；cm/d；H陽極炭塊總高；cm；HL殘極高度；一般取15cm。H=hc+HL=1.4028+150mm=543mm，所以陽極炭塊高度可取550mm。 預焙陽極鋁電解槽采用單塊組設計預焙陽極炭塊（LWH）選為L=1450mm；W=660mm；H=550mm。即LWH=1450660550mm。每塊陽極炭塊的水平截面積S炭塊=1450660=957000

34、mm2第五章 陽極組各部件構件材質及尺寸的選擇及計算5.1 預焙陽極炭塊的LWH，強度等各項指標的計算陽極面積的計算 S陽=I/D陽極=2000000.75cm2 =266667cm2陽極炭塊數目的計算 N= S陽/S炭塊 =266667cm29570cm2 =27.86 （塊） 取 N=28，即陽極炭塊28組，分為兩行，每行14組 驗證電流密度 D陽1=200000/（957028）=0.746 A/cm2相對誤差=(D陽極- D陽1)/ D陽極=(0.75-0.746)/0.75 100=0.535，符合要求。因此，陽極炭塊的長寬分別為：L=1450mm，W=660mm。5.2 鋼爪的形狀

35、、爪數、直徑、材質、截面積的選擇陽極電壓降和陽極電流分布的均勻性,除受陽極尺寸、形狀影響外, 還與鋼爪直徑、鋼爪數量和鋼爪在陽極上的配置形式有關。陽極鋼爪在預備鋁電解生產過程中，是一個異電體，強大的電流要通過，同時要起到支撐和聯接鋁導桿的作用，而且處在腐蝕氣氛環境中。因此，陽極鋼爪應具備以下良好性能，才能滿足電解鋁生產的使用要求：（1） 電阻率低，導電性能良好。（2） 具有一定的抗腐蝕性能，延長使用壽命。（3） 具有一定的強度和吃催穩定性，在電解過程中變形小。5.2.1 鋼爪的形狀目前，我國的大型預焙槽鋼爪橫梁一般采用橫截面為正方形的ZG25鑄鋼，鋼梁的長度根據陽極炭塊的長度而定并且比炭塊的長

36、度要小。所以，綜合考慮，本次設計取鋼梁LWH=1200mm160mm160mm。鋼爪截面的形狀有長方形，正方形或圓形，我國的大型預焙槽一般采用圓形或正方形。根據本次設計要求，鋼爪的形狀采用圓形。5.2.2 鋼爪的數量通常用鋼爪數量與陽極截面積之比鋼爪載荷(m2 / 爪) 來決定鋼爪數量。在直徑相同情況下, 鋼爪載荷大, 每爪電流密度高, 陽極電壓降高, 因此降低鋼爪載荷有利于降低陽極電壓降。但另一方面,由于降低鋼爪載荷, 鋼爪數量相應增加, 增加了修復及澆鑄的工作量。實踐證明, 鋼爪載荷隨電解槽容量的增大而增大, 對于大容量的電解槽, 鋼爪載荷應控制在0.16 0.3m2 / 爪范圍。通常 L

37、T炭, R梁 R炭,鋼爪受到的作用力R = R梁- R炭 0 ,鋼爪受束縛產生向內彎曲的塑性變形。炭塊的膨脹力R炭是一個定值,所以,鋼爪梁的膨脹力R梁越小(即越接近R炭) ,則使得鋼爪塑性變形的作用力R 就越小,鋼爪變形小7。6.2 設計思路在電解槽上部空間允許的條件下, 將鋼爪梁設計成如圖9-2的形式，是一種減小鋼爪變形的有效方法。改變橫梁的伸長方向,與水平呈45度夾角， 梁的熱膨脹力被分解成水平力和垂直力, 垂直方向不受約束, 而水平方向的力可以減小,因而熱膨脹變形減小。這種形式的鋼爪梁在國外有著廣泛運用。減小鋼爪的變形不僅可以減少維修工作量, 提高鋼爪的再利用率,也利于保證澆鑄質量。圖6

38、-2 改造型鋼爪梁第七章 陽極組電壓降的計算陽極組電壓降是鋁電解槽內的重要參數之一。在生產中，陽極組電壓降的測量主要目的是為技術改進提供資料，因而只在需要時測定8。7.1基本數據的查詢鋁的電阻率1（t）=0.029（1+0.004t）鋼的電阻率1（t）=0.143（1+0.00423t） 表7-1我國最新預焙陽極質量標準1牌號物 化 性 能表觀密度/g.cm-3真密度/ g.cm-3耐壓強度/MPaCO2反應性/室溫電阻率/m-1線胖脹系數/K-1灰分含量/ 不小于不大于TY-11.532.0432.080.0555.010-60.5TY-21.502.0030.070.0606.010-60

39、.8所以，綜合考慮，采用牌號為TY-1，室溫電阻率取50m-1。表7-2 各材料接點壓降4材料接觸情況面積電流（A/cm2）壓降 (mV)Al-Al 焊接略高于本體金屬Al-Al壓接510515Al-鋼焊接35Al-鋼壓接5102035碳生鐵-石墨鑄造30507.2 基本參數的計算1. 鋁導桿電壓降導桿電流I導桿=200000A/28 =7142.86A電阻率（t）=0.029（1+0.004t） =0.029（1+0.00460）=0.03596m-1mm-2 電阻R導桿=L/S=0.035961.6/(140140)=2.93510-6U導桿=I導桿R導桿=7142.862.93510-6=20.96mV2.卡具接觸壓降（含壓接方法的選擇）卡具接觸壓降=30 mV3.鋼爪及鋼梁電壓降鋼梁LWH=990mm150mm150mm鋼梁的電阻率（t）=0.143（1+0.00423200）=0.143（1+0.00423200）=0.264m-1mm-2