课程设计电解槽阴极

1、第1章 概述1.1 现代铝电解槽结构发展趋势从1886年，Hall-Heroult的冰晶石-氧化铝熔盐电解法，已经快有120年的历史了，在此期间Hall-Heroult电解炼铝的工艺和方法原理上没有变化，然而实施Hall-Heroult冰晶石-氧化铝熔盐电解方法炼铝的主体设备Hall-Heroult电解槽的结构发生了很大的变化。铝电解生产由最初的电耗40kW.h/kg Al电流效率75%（1889年Heroult槽）和电耗31kW.h/kg Al电流效率80%（1889年Hall槽），降到了现在的电耗12.9kW.h/kg Al（直流电耗），电流效率96%以上。电解槽的容量（电流）由最初的几千

2、安培，增加到了现在的500kA。电解槽的结构型式也发生了很大的变化。各类槽型的发展及演变过程参见表1-1。 在Hall-Heroult冰晶石-氧化铝熔盐电解法炼铝诞生的近120年时间里，Hall-Heroult铝电解槽的结构，按阳极特性可以来划分经历了从预焙阳极到旁插自焙阳极，到上插自焙阳极，最后又回到预焙阳极的阶段，其间也出现过连续预焙阳极试验电解槽，但未成功推广。在Hall-Heroult电解槽的初级阶段，电解槽的特点是电流小、电压高、阳极电流大、电耗高、电流效率低、电解槽的阳极是预制的（预焙阳极）。在20世纪5070年代，上插棒自焙阳极电解槽在世界范围得到很大的发展，其电解槽的最大电流可

3、达到170180kA。但由于自焙阳极电解槽的种种不可克服的缺点，故在20世纪70年代以后逐步被淘汰，取而代之的是现代的预焙阳极电解槽。表1-1 各类槽型的发展及演变过程阶段槽型使用时期电流强度/kA阳极电流密度/(A.cm-2)直流电耗/(kWh.t-1)机械与自动化劳动生产率I小型焙烧炉1920年前3-880000-250001920-19505521000以下II侧插槽20世纪30年代中期至今25-3022000-14500半机械化操作47-5890-95III上插槽20世纪50年代中期至今1000.8以下18000-16500后期采用多种作业联合机组4.5100-1300.7以下1800

4、0-14500VI现代化预焙电解槽1950-1960100以下17000-14000仅采用计算机智能模糊控制系统2.81960-1970100-1501970-1986180-28013900-132001986年至今280-550几年来，全球铝产量和铝消费量持续增长,世界铝工业发展方兴未艾，呈现三个明显趋势：一是世界铝工业的组织结构日趋规模化、集团化和国际化；二是铝电解槽日趋大型化或超大型化，其科技含量、智能化程度越来越高；三是电解铝生产的技术经济指标向着高产、优质、低耗、长寿和低污染的方向加快进步。因此，中国铝工业只有加快组织结构、技术结构和产品结构调整步伐，才能在激烈的国际竞争中，实现由

5、世界铝工业大国向世界铝工业强国的转变。23 1.2 所设计电解槽阴极结构的特点一种异性结构铝电解槽的阴极碳块， 属于铝电解技术领域。所述的异性结构铝电解槽，是指该铝电解槽及其阴极结构为异性。本实用新型阴极碳块的下表面开有凹槽，用于安装阴极钢棒，其上表面具有若干凸起，其横断面为凸形或矩形。采用本实用新型的铝电解槽可以缓解电解槽内阴极铝液的流动速度和降低铝液的波动高度，从而达到提高铝电解槽的金属铝液面的稳定性，减少铝的溶解损失，提高电流效率和减少极距，降低铝电解生产电能消耗，以及在阴极底部凸起的墙体之间能形成粘稠冰晶石熔体氧化铝的混合物或沉淀物，阻止阴极铝液通过槽底裂纹和缝隙流入槽底，溶化钢棒，达

6、到延长电解槽寿命的目的。第2章 铝电解槽结构简介工业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。预焙槽根据下料方式可分为边部打壳下料电解槽和中心打壳下料电解槽两种，其不同的只是后者有自动打壳和下料装置。本设计为290kA中心下料预焙电解槽，其结构简图如21 。6, 7图21 中间下料预焙电解槽结构简图2.1 上部结构熔池上面的金属结构部分统称上部结构。它可分为门式支架及桁架、阳极提升装置、阳极母线卡具及阳极组、中间打壳下料装置、集气烟罩和排烟管五大部分。图22为某厂200kA预焙铝电解槽的上部结构图。图22200KA预焙阳极铝电解槽上部结构图 阳极炭块组预焙槽有多个阳极炭块组

7、，每一组包括2-3块预制阳极炭块。炭块、钢爪、铝导杆组装成电解槽用阳极。钢爪由高磷生铁浇注在炭碗里，与炭块紧紧地粘结，铝导杆则是采用渗铝法和爆炸焊与钢爪焊接在一起。铝导杆通过夹具与母线大梁夹紧，将阳极悬挂在大梁上。阳极母线大梁承担着整个阳极的重量，并将电流通过阳极输入电解槽。它由铸铝制成，由升降机带动上下移动，以调整阳极的位置。预焙阳极炭块组数取决于电解槽的电流强度，阳极电流密度以及炭块几何尺寸。图23阳极炭块组示意图 阳极升降装置装置如简图2-4。在160kA电解槽上，提升马达为5.5kW。公称提升重量为32吨。当起重量超过40吨时，装在减速箱的防过载摩擦离合器打滑，使装置得以保护。 螺旋起

8、重机的行程为400mm，提升速度为100mm/min。在出铝端小面处的门式支架上安装有回转计，可以以mm为单位，精确显示阳极母线的行程位置。1传递轴；2螺旋超重机；3换向器；4齿条连轴节；5减速箱；6连轴节；7马达 图 24 阳极提升机构简图 承重结构承重桁架（图25）下部为门式支架，上部为桁架，整体用绞链连接在槽壳上。桁架起着支承上部结构的其他部分和全部重量的作用。 图 25 门式支架桁架示意图 1桁架；2门式支架；3铰接点；4槽壳图26200KA预焙阳极铝电解槽桁架结构图 加料装置加料装置由打壳和下料系统组成（图27）。打壳装置是为加料而打开壳面用的，它由打壳气缸和打击头组成。打击头为一长

9、方形钢锤头，通过锤头杆与气缸活塞相连。当气缸充气活塞运动时，便带动锤头上、下运动而打击熔池表面结壳。下料系统由槽上料箱、下料器组成。料箱上部与槽上风动溜槽或原料输送管相通；筒式上料器安装在料箱的下侧部。筒式定容下料器由一气缸带动一个在钢筒中的透气钢丝活塞及一个密封钢筒下端的钟罩组成。钟罩与透气活塞将钢筒的下部隔成一个定容空间，定容车间的上端开有充料口。当气缸活塞运动到上端时，便带动钟罩封住钢筒的下端，透气活塞移动到充料口上端，即充料口打开，料箱中被流化的氧化铝立即充满下料器的定容室。当接到下料命令时，气缸活塞被驱动向下运动，便带动连在活塞杆上的透气活塞和钟罩向下运动，此时，透气活塞挡住了充料口

10、，堵住了料流向定容室，而定容室中的料却随着钟罩向下运动而卸入槽中。此种加料装置具有运动可靠，下料精确，使用寿命长等优点。目前国内已开发出4.5L、1.8L和1.2L三种筒式定容下料器。某厂采用1.8L下料器，可将加料间隔缩短到35分钟，可望较好地改善工艺条件和生产指标。图27打壳下料装置 集气装置集气及排烟装置作用是收集电解产生的烟气和粉尘，然后经净化总烟道送至烟气净化回收。集气烟罩是由上部结构上的顶板和槽周可人工开闭的铝合金烟罩组成，其中又包括大面烟罩、角部烟罩和小面烟罩。电解槽产生的烟气通过上部结构的下方集气箱进入支烟管。为防止远离支烟管处的烟气滞留，集气箱上部按等阻力原理开出了一排远大近

11、小的若干集气孔。烟气汇集到支烟管后经主烟管送至净化站。支烟管中设有蝶阀，蝶阀开启的最大和最小角度在投产前设定，当槽上打开2-3块烟罩作业时，可把蝶阀角度开到最大，使作业时烟气也不至于外逸。电解槽烟罩密封时，烟气的捕收效率若按规程作业可达98%。2.2 阴极结构阴极结构是指电解槽的熔体部分，由碳块等多种贮槽材料的砌体和包围在砌体外部的钢壳构成。 槽壳与摇篮架槽壳：内衬砌体外的钢壳，俗称槽壳，不仅是盛装内衬砌体的容器，而且还承担着克服内衬材料的高温下产生的热应力和化学应力，约束其内衬不发生较大变形和断裂。因此，槽壳在熔池部位的周边都具有较大的刚度和强度。摇篮架：与小容量电解槽采用框架式槽壳不同，大

12、容量电解槽采用刚性极大的摇篮式槽壳。所谓摇篮式结构，实质上是用17组“”型的约束架，也就是俗称的摇篮支架，紧密地卡住钢板焊成的壳体。摇篮支架具有较大的刚度和强度，壳体起容器作用。摇篮支架小面最外侧的两组与壳体焊成一体，其余均为用螺栓连接的可拆卸的支架。图28(a) 大型预焙铝电解槽槽壳结构图（纵向）图28（b）大容量铝电解槽槽壳结构图(横向) 槽内衬内衬砌体包括保温材料砌体和阴极炭块组，其结构和尺寸是根据生产工艺要求和现有材料的性能，通过热解析模拟计算确定的。保温耐火砌体：它由各种耐火砖、保温砖砌筑而成。在槽壳中自下而上一般砌有2-3层石棉板，铺有一层70mm厚的氧化铝粉，再砌上2-3层硅藻土

13、保温砖，2层粘土砖，捣固（热捣或冷轧）一层炭素糊，最后按错缝方式安放好阴极炭块组，炭块间的的缝隙要用底糊捣固充实。槽壳与其上的窗口（阴极棒引出口）各处，均须用水玻璃。石棉灰调和料密封，以免在生产中炭块与空气接触而氧化。 电解槽的四侧由外至里地砌有石棉板（或作为伸缩缝），耐火砖和侧部炭块。由槽壁内衬和槽底炭块围成的空间称为槽膛，其深一般为500-600mm。槽膛四周下部用碳糊捣固成斜坡，称为人工伸腿，以帮助铝液收缩于阳极投影区内。图29为阴极装置结构示意图。1-绝热板 2-保温砖 3-耐火颗粒 4-氧化铝粉 5-耐火砖 6-底糊 7-阴极钢棒 8-侧部炭块 9-底部炭块 10-槽沿板图29大型预

14、焙阳极铝电解槽槽内衬结构图阴极炭块组：它包括阴极炭块组和钢棒。钢棒镶嵌在阴极碳块的燕尾槽内，也是用高磷生铁浇铸，是铁棒与炭块连接在一起。铝电解槽所用的阴极炭块的品种、性能列表于表2-1表2-1 碳材料性能比较 指标品种堆积密度（g/cm3）电阻率（.cm）导热率（J/m·K）灰分（%）稳定常数原料无定形2.0306-123-80.6无烟煤石墨质2.12530-450.80.3石油焦或沥青焦半石墨化或石墨化2.11280-1200.50.15同上阴极钢棒与阴极炭块组合类型结构见图29。其中A和B比较，B较好，C型长炭块几乎贯穿全槽的宽度，这种炭块接逢数目最少，可使电解质和铝液渗出的可能

15、性以及由于上抬和推积力所引起的机械破损可能性均可减至最少，发展趋势是通长炭块和通长阴极棒。 A B C图210 阴极钢棒与阴极炭块组合类型2.3 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。当电解槽停产大修时，便利用如图2-11所示结构使电解槽短路。铝母线有压延母线和铸造母线两种，为了降低母线电流密度，减少

16、母线电压降，降低造价，大容量电解槽均采用大断面的铸造铝母线，只在软带和少数异型连接处采用压延铝板焊接。在大型电解槽的设计中，母线不仅被看成是电流的导体，而且更注重它产生的磁场对生产过程的影响。为了降低磁场的影响，已出现了各种进电方式和母线配置方案。传统的中小型槽通常采用纵向排列，一端进电，阴极母线沿槽两大面直接汇集的简单排布方式。在我国前三个160kA大型中间下料预焙槽上，均采用了横向排列，双端进电，出电侧阴极母线沿槽大面汇流，进电侧阴极汇流母线绕槽底中心然后转直角由小面中心引出的磁场补偿方案。1地面；2支撑墩；3连接母线；4软带； 5立柱母线；6端头母线；7短路片；8软带图211 短路母线示

17、意图近年来，人们在大型电解槽的进电方式与母线配置上作了许多研究，探索出多点进电和与之相适应的母线配置方案，这样可更有效地降低铝液中的垂直磁场。据称此类配置可使铝液中垂直磁场降低到5.0×10-4T以下，电流效率突破90%。 阳极母线对于单端或双端进电的电解槽而言，其母线配置比较简单，传统的方法是采用求母线经济电流密度的方法确定母线断面，以这种方法是通过使母线总费用最小推导出其经济电流密度，应用于中小型电解槽是行之有效的，其不足之处是未能考虑实际电流分配的影响。随着铝电解槽的大型化，为了削弱大电流产生的槽内磁场，多点进电和补偿母线等措施被应用于大型槽的母线设计中，使得母线配置变得十分复

18、杂，无法采用传统的方法求得母线系统中每根母线的经济电流密度，因而这项研究已成为大型槽开发中的一项新的研究课题。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、厂房和厂房之间还有联络母线。阳极母线属于上部结构的一部分，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。在大型预槽的设计中，母线不仅被看成把电流导入引出的导体，而且更看重它所产生的磁场，母线磁场是影响槽内铝液稳定的重要因素，直接制约着铝的氧化损失和电流效率指标的高低。因

19、而所设计的母线系统必须很好的平衡磁场，以减少铝液的流速和波动。另外铝母线占电解槽基建费用的25%左右，确定合理的母线配置和结构是十分重要的。 阴极母 线铝电解槽周围的母线及内部电流在熔体中产生运动加剧了电解质中熔解铝与阳极底部CO2的反应，降低了电流效率。同时，又导致了铝电解槽极距的不稳定，即铝电解槽生产的不稳定。随着研究的深入，己经普遍把满足磁流体稳定性的要求作为评判铝电解槽母线设计优劣的最重要的标准。也就是说，母线的设计不仅仅是计算磁感应强度的问题，而是要进一步研究在电磁力作用下熔体的稳定性，从而保证铝电解槽的稳定生产。依据磁流体稳定性分析优化设计的母线配置，除了能提供良好的生产稳定性之外

20、，还必须满足以下要求:(l)具有良好的经济性，即母线的用量和电能损失的综合费用最小。(2)安全性，即在安全生产和短路状况下，母线没有过载现象。(3)简捷性，配置简单，容易安装。(4)方便铝电解槽生产操作。2.4 绝缘设施在槽上设置道道绝缘物是保证设备和人身安全的需要,也是防止直流电旁路电解反应的需要.在电解槽系列上，系列电压达数百伏，甚至上千伏。尽管人们把零电压设在系列中点，但系列两端的槽对地电压仍有400-500V的电位差。一旦发生短路、接地，容易造成电器设备，特别是电子控制设备事故；一旦人手触摸构成与地回路，还会发生人身事故。若直流窜入交流回路，也会引起设备事故。因此，电解槽许多部位须要进

21、行绝缘。具体设置绝缘物的部位是：（1）为防止接地，在阴极母线（含汇流母线）母线墩、槽壳槽壳支柱、上部结构烟管主烟管；槽上风动溜槽槽壁料箱、槽前空气配管槽上部结构、端头槽外侧的蓖型板厂房地坪等处设有绝缘。此外还要注意工作平台楼板是否有露出的钢筋头与槽壳或母线相碰。（2）为隔离交、直流电，在马达底座、回转计底座、脉冲发生器底座处装有绝缘。（3）为防止电流旁路电解反应区，在门型支柱槽壳、炉罩的上下端、阳极导杆上部结构顶板、打壳气缸安装处底座、打壳锤头杆集气箱、蓖型板支承耳之间也安有绝缘。（4）在短路处，为防止一部分电流不从压接面而从押解螺栓通过，故螺栓上也配备了绝缘的套圈和垫圈。第3章 铝电解槽结构

22、计算3.1 阳极电流密度设计电解槽电流强度为290KA，阳极电流密度为0.76A . cm-2。电流密度是电解槽设计一个重要的参数。阳极电流密度为:D阳I / S (A/cm2)式中 I 电解槽电流强度，A;S 阳极面积，cm2。16，103.2 阳极炭块尺寸阳极尺寸是电解槽结构的一个重要参数，一般说来，电解槽容量越大，则阳极尺寸也要大一些。我国现今160kA320kA 预焙槽，大都采用宽度660mm ,长度1400 mm1550 mm ,高度540 mm550 mm的阳极炭块。（1）长度：阳极块的长度决定于槽整体阳极宽度，160360kA预焙槽阳极长度为1400mm1600mm为宜。本设计方

23、案采用1450mm。（2）宽度：预焙槽阳极块过宽，将妨碍阳极气体逸出，会导致电流效率降低;若阳极碳块过窄则会增加阳极的更换次数。法国铝业公司与我国大型预焙槽均采用单块阳极宽度为660mm，因为如果选择阳极块过宽，则必须采用双排钢爪，在选用750mml000mm宽碳块，就应该考虑双排钢爪，必然使钢爪总断面及用钢量增加，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。阳极宽度选择，应根据电流效率，阳极净耗、换极的频率综合考虑，还要考虑与阴极碳块宽度匹配。故本设计采用660mm的阳极宽度。17表31国内外大型预焙槽阳极碳块数据（3）高度：阳极碳块高度大小

24、，决定换极周期，换极作业的劳动消耗、阳极的毛耗量以及阳极本体电压降、阳极散热与保温。在电费价格较高的情况下，在阳极电流密度为0.69一0.73A/cm2较低时，不宜采用阳极块较高之尺寸，采用阳极块高540mm600mm较为适宜。本设计可以采用550mm的阳极高度，。换极的周期，即l台电解槽内所有阳极块更换完毕需多少昼夜。按统计数据，平均残极高度取165mm，电流效率取94，阳极体积密度取1.55g/cm3，C净420kg / t·Al，根据（HH残）·102 / (8.052·D·C净)式中: 8.052 系数(它等于0.3355×24=8.0

25、52); 换极周期，d; H 阳极总高，mm; H残残极高度，mm电流效率，% ;D 阳极电流密度，A /cm2 ;C净 阳极净耗，kg / t·Al ; 阳极体积密度，1.55g/cm3 。代入上式，得到换极周期为24.7天，取阳极更换周期为25天。由上式可知，阳极毛耗随设计的阳极高度增加而降低，换极周期随设计阳极的高度增加而提高。换极周期随阳极电流密度、阳极高度增加而增加(节省天车工作量)。按此结论是否会得出预焙槽阳极高度越高越好呢？实际不然，从三方面来解释：（1）阳极高度越大，则电解槽立柱母线越高，上部金属结构位置抬高，荷重加大；（2）会造成阳极电压降增加，因为一般阳极碳素部分

26、平均电压降140mv左右(国内常用阳极块高度550mm)，如果采用610mm高度与540mm高度相比，阳极碳素部分电压降升高至160mv，平均升高20mv，每吨铝多耗电64.1kWh。（3）若阳极高度过高，不利于阳极上覆盖氧化铝的保温作用，由于槽内各阳极高度差较大，造成有的阳极块侧部加不上氧化铝保温料，使之高块部分热损失增加，特别是对窄加工面的电解槽更为不利。故高阳极块保温性能比低阳极块保温性能差，能耗高。 9最终炭块尺寸取定为1450mm×660mm×550mm。3.3 阳极炭块组数目阳极的组数(或块数)直接影响着电解槽的经济性和生产的稳定性，还涉及到阳极焙烧炉结构的合理

27、性。阳极数量过多必然增加阳极的更换次数。再好的母线配置(磁场)也很难避免阳极更换频繁引起的槽内电流再分配，干扰生产的稳定性;反之，阳极数量过少，更换的次数虽减少了，但又影响了阳极气体的排除，增加了槽内铝的二次反应。，一个合理的阳极尺寸，不仅能满足生产的稳定性，而且又能提高电解槽的经济性。14阳极断面尺寸：S阳 =I / D290KA / 0.76 A·cm-2=381578.95cm2故需阳极炭块数：n381578.95 /(145·66)39.87块，取40块。采用单阳极结构，分两行排列，每行20组炭块。阳极实际面积与阳极电流密度校核值为：S阳20×2×

28、;145×66382800 cm2D阳I / S阳290000 / 382800=0.758 A/cm23.4槽膛尺寸 选择了窄炉膛操作面，提高了电解槽单位面积产能，并采用电热模拟技术及非线形槽壳结构有限单元优化软件，设计了先进、合理的槽内衬及槽壳结构，可以使电解槽处于较佳的热平衡状态，取得较长的槽寿命，槽壳变形小，材料用量省，如表32，表33所示。13,18表32 350 kA 铝电解槽主要技术参数表33 国内外几种槽型加工面尺寸比较取阳极到槽膛侧壁（大面）的尺寸为340mm，到槽膛端壁（端头）的距离为390mm，阳极炭块组间距取40mm，阳极行间距（中缝）取200mm，由此可计算

29、：槽膛长度2×390+20×660+19×4014740mm槽膛宽度2×340+2×1450+2003780mm槽膛深度550mm3.5槽壳尺寸1、内衬侧部的构成为：（1.）砌体与槽壳之间留有一定缝隙，用耐火粉进行填充；（2.）侧部砌两层普通耐火砖，再用绝热耐火混凝土浇注，阴极钢棒与侧部浇注料之间留有15mm的间隙，用耐火颗粒填充；（3.）侧上部用一层125mm厚的侧部碳块背贴碳胶到钢壳壁上；（4.）侧部碳块顶上用80mm宽、40mm厚的钢板紧贴住碳块顶部焊接在槽壳上，防止碳块上抬；（5.）底部碳块与侧部砌体之间的周边缝用专制的周围糊扎成200

30、mm高的人造坡形伸腿。2、 内衬底部构成为：（1.）底部首先铺一层65mm的硅酸钙绝热板；（2.）绝热板上部砌两层65mm的保温砖，中间用2mm厚的氧化铝粉填缝和整平； （3.）保温砖上部是一层65mm的干式防渗层，干式防渗层能防止电解质渗透能并与渗透的电解质发生作用生成一层坚硬的防渗层，有利于提高电解槽寿命及降低氟化盐单耗；（4.）其上用灰浆砌两层65mm的耐火砖；（5.）耐火砖上直接安装已组装好阴极钢棒的通长阴极碳块组。19槽壳长度14740+2×150（内衬）+2×12(钢板)+2×25（伸缩缝）15114mm槽壳宽度3780+2×150（内衬）+

31、2×12(钢板)+2×25（伸缩缝）4154mm槽壳深度550+450（底部炭块）+392(底部内衬)+12(钢板)+40（槽沿板）1444mm3.6 阴极炭块尺寸及数量我国电解铝工业采用的阴极碳块宽度有两种，一种是小型电解槽100kA以下，阴极碳块宽度为400mm。140kA320 kA槽，一律采用515mm宽的阴极碳块。我国在大型预焙槽中多年一贯制采用515mm阴极碳块其合理性值得探讨，更好的设计应是阴极碳块宽度与阳极碳块宽度相当，即电解槽阳极投影与阴极相重合。在电解槽内衬中，如果阴极碳块与阳极碳块宽度不相当，势必出现靠槽两端部的阴极碳块与阳极碳块正投影错位(产生内错位

32、或外错位)，必然使槽两端的阴极碳块与其它部位碳块导出电流不相等，造成电流分布不均，影响磁场分布。在电流与磁场的作用下，影响熔体稳定性。所以，如果采用660mm宽的阳极块，则阴极碳块宽度也应采用660mm左右，这样做不仅能使电解槽电位场分布均匀，而且可以减少电解槽壳的摇篮架，对节省钢材以及槽壳通风冷却易形成良好槽帮结壳均有益处。9,10,15阴极碳块高度400mm450mm，采用正方形阴极棒或矩形阴极棒与圆形阴极棒。前者比圆形棒应力分布差，特别是角部应力集中，易破损，圆形棒孔周围应力分布均匀，阴极炭块不易破损且能获取较低铁碳电压降对降低槽底压降有显著效果。然而采用圆形孔除了整体捣固阴极之外，这种

33、方案在实际中有些困难。建议采用半圆形断面。由此，根据YS/T 287-1994铝电解用半石墨质阴极炭块，选取阴极炭块尺寸（长×宽×高）为3480×660×450（mm），采用通长阴极碳块，如图29中C排列方式。表34国内大型铝电解槽有关设计参数取阴极碳块到槽膛端壁的距离为390mm，碳块间的碳糊扎缝为40mm，可以计算阴极碳块的数量n：1474040（n1）660×n=390×2，得到n=20；炭块到槽膛端壁边缘尺寸14740（40×19+660×20） / 2=390mm；炭块到槽膛侧壁边缘尺寸（37803480

34、）/ 2150mm。阴极钢棒规格为4750mm×160mm×200mm，阴极电流密度一般取0.180.25A/mm2，选择D阴=0.2 A/mm2，阴极截面面积为S=290000/0.23=1260869.57 mm2阴极钢棒数为：1260869.57/（160×200×2）=19.7；故取20根阴极钢棒。效验阴极钢棒的电流密度为：d=290000/（160×200×20×2）=0.226 A/mm2每组阴极炭块取1根阴极钢棒，所以共有20根阴极钢棒。钢棒尺寸（长×宽×高）取4750×1760&

35、#215;200（mm）。第4章 新型阴极结构设计4.1概述一般所用的阴极碳块是长方体，阴极碳块的底部加工成一个槽，然后将矩形断面的阴极钢棒放入其中，然后在钢棒与阴极碳块之间的细缝捣入碳素糊，或铸造铁水浇铸，使阴极钢棒和阴极碳块连在一起。由于安装有阴极钢棒的上表面是平的，阴极钢棒安装在阴极碳块底面内，因此多组阴极碳块安装在电解槽中后，电解槽槽膛底表面是平的。阴极碳块与阴极碳块之间用碳素糊捣固粘结。槽膛侧衬也用碳砖砌筑，有时也用氮化硅结合的碳化硅砌筑。电解过程中，槽膛的下部为铝水，铝水的上部有熔融的电解质，上部碳阳极插入电解质熔体中。由于受阳极底表面逸出的阳极气体和电解槽外导电体电流产生的磁场的

36、影响，电解槽内的铝液不稳定，具有很大的波动性，这种不稳定和波动性影响电解槽极距的降低，对铝电解槽的电能消耗和电流效率产生影响。为解决上述问题，次谁用新型提供一种异性结构铝电解槽的阴极碳块。所述的异性结构铝电解槽，是指该铝电解槽其阴极结构为异型。此实用新型阴极碳块的下表面开有凹槽，用于安装阴极钢棒，其上表面具有若干凸起，其横断面为凸形或矩形。该若干凸起位于阴极碳块上表面与炭块的纵向长度方向相一致的中间或一侧或两侧，凸起部分为连续或间断，每个阴极碳块凸起为1-8个。凸起高度为50-200mm，宽度为200-350mm。该阴极碳块材料与现有的铝电解材料的阴极碳块相同，即它可以是煅烧的无烟煤的碳块，也

37、可以是石墨质的阴极碳块，也可以是煅烧无烟煤与石墨两种材料构成的阴极碳块，还可以是石墨化的和半石墨化的阴极碳块。其密度在1.41.7g/cm2之间，电阻率在865.m之间。此实用新型的有益效果：采用该阴极碳块的电解槽可以缓解电解槽内阴极铝液的流动速度和降低铝液的波动高度，从而达到提高铝电解槽的金属铝液面的稳定，减少铝的溶解损失，提高电流效率和减少极距，降低吕思安节操生产电能消耗，阴极在阴极底部都凸起的墙体之间能形成粘稠的冰晶石熔体氧化铝的混合物或沉淀物，组成阴极铝液通过槽底裂纹和缝隙流入槽底，溶化钢棒，达到延长电解槽寿命的目的。如图，本设计采用新型的下表面开槽，用于安装阴极棒，上表面具有5个凸起

38、，凸起的横截面为凸形，5个凸形分别位于阴极碳块上表面与碳块的纵向长度方向一致的中间和两侧，凸起的高度为120mm，宽度为250mm。见图5-1。图4-1 异性结构铝电解槽的阴极碳块此新型阴极碳块以煅后石油焦、煅后无烟煤混合物为骨料，使用煤沥青为粘结剂，基体材料为石墨或半石墨化时，将上述材料经煅烧后的不同粒度的骨料与沥青的混合物在混捏机中充分混捏后，放入现行的振动成型机中，然后在其上表面放下其下表面为平面的长方体重物，或稍加振动后，再放下表面有凹进去的铁制重物，进行振动成型。从振动成型机中出模的为上表面没有凸起的长方体阴极碳块生坯，生坯冷却后置入石墨化炉中进行石墨化，依石墨化温度的不同，即得到长

39、方体的阴极碳块的石墨化制品。将长方体阴极碳块的半石墨化或石墨化制品放在机床上进行加工，制成本实用新型的其上表面为沿其纵方向具有凸起的铝电解槽阴极碳块。4.2 槽壳及槽膛结构4.2.1 槽壳与摇篮架1、槽壳构成为：（1.）砌体与槽壳之间留有一定缝隙，用耐火粉进行填充；（2.）侧部砌两层普通耐火砖，再用绝热耐火混凝土浇注，阴极钢棒与侧部浇注料之间留有15mm的间隙，用耐火颗粒填充；（3.）侧上部用一层125mm厚的侧部碳块背贴碳胶到钢壳壁上；（4.）侧部碳块顶上用80mm宽、40mm厚的钢板紧贴住碳块顶部焊接在槽壳上，防止碳块上抬；（5.）底部碳块与侧部砌体之间的周边缝用专制的周围糊扎成200mm

40、高的人造坡形伸腿。槽壳长度14740+2×150（内衬）+2×12(钢板)+2×25（伸缩缝）15114mm槽壳宽度3780+2×150（内衬）+2×12(钢板)+2×25（伸缩缝）4154mm槽壳深度550+450（底部炭块）+392(底部内衬)+12(钢板)+40（槽沿板）1444mm2、摇篮架结构：随电解槽容量的加大，自70年代初，沈阳铝镁设计研究院开发了135KA预焙槽，开发研制出“康特”槽壳，这种槽壳两侧由数组夹持的钢结构。至80年代贵铝引进日轻160KA预焙槽技术，引进了摇篮式槽壳。这种槽壳与国内其它种槽壳比，结构合理 电

41、解槽变形小，有节省钢材等优点，现今国内铝厂几乎都采用这种摇篮式槽壳。80年代末，在开发研制大容量280KA中间点式下料预焙槽的国家重点攻关项目时，沈阳铝镁设计研究院成功研制新式船形摇篮式槽壳结构与模型见图4-2，4-3。图4-2 280KA电解槽大摇篮架船形槽壳部分图 图4-3 直角式摇篮槽壳这种槽壳的特点是槽壳底呈船形，采用较大的篮架间隔(1100mm)。这种槽壳与直角形摇篮槽壳相比，另一特点是摇篮架为通长至达槽沿板，取消腰带钢板与其间的筋板，与直角形摇篮槽壳相比具有较多优点。见表4-1。表4-1 280KA预焙槽船形槽壳与直角形槽壳性能比较上述比较说明采用宽间距船形槽壳具有强度大，刚性强，

42、造价低，利于自然通风，易形成侧部结构，有助于提高电流效率，利于施工，对延长槽寿命有益处。设计的刚性槽壳，必须足以抵抗旋加在槽壳上的力；或者带有基本上弹性变形钢壳，在采用刚性槽壳时，在内衬部位必须建立可压缩带状以免碳块破损。在设计电解槽槽壳时，为了有效地释放内衬的垂直膨胀力，最好不要槽沿板，让侧部碳块自由向上膨胀，这样会大大减少槽壳侧壁向外的膨胀力。取消槽壳的腰带板，采用到顶的摇篮架的结构合理，由于通风条件好，形成良好的槽帮结壳，阻止电解质渗透，会减少其膨胀力。4.2.2 槽底及槽膛砌筑与安装1、槽底砌筑构成为：（1.）底部首先铺一层65mm的硅酸钙绝热板；（2.）绝热板上部砌两层65mm的保温

43、砖，中间用2mm厚的氧化铝粉填缝和整平； （3.）保温砖上部是一层65mm的干式防渗层，干式防渗层能防止电解质渗透能并与渗透的电解质发生作用生成一层坚硬的防渗层，有利于提高电解槽寿命及降低氟化盐单耗；（4.）其上用灰浆砌两层65mm的耐火砖；（5.）耐火砖上直接安装已组装好阴极钢棒的通长阴极碳块组。19选择了窄炉膛操作面，提高了电解槽单位面积产能，并采用电热模拟技术及非线形槽壳结构有限单元优化软件，设计了先进、合理的槽内衬及槽壳结构，可以使电解槽处于较佳的热平衡状态，取得较长的槽寿命，槽壳变形小，材料用量省，如表42，表43所示。13,18表42 350 kA 铝电解槽主要技术参数表43 国内

44、外几种槽型加工面尺寸比较取阳极到槽膛侧壁（大面）的尺寸为340mm，到槽膛端壁（端头）的距离为390mm，每组阳极炭块间距取10mm，阳极炭块组间距取40mm，阳极行间距（中缝）取200mm，由此可计算：槽膛长度2×390+20×660+9×40+10×1014440mm槽膛宽度2×340+2×1450+2003780mm槽膛深度550mm4.3阴极炭块组根据YS/T 287-1994铝电解用半石墨质阴极炭块，选取阴极炭块尺寸（长×宽×高）为3480×660×450（mm），采用通长阴极碳块，如图29中C排列方式。取阴极碳块到槽膛端壁的距离为390mm，碳块间的碳糊扎缝为40mm，可以计算阴极碳块的数量n：1474040（n1）660×n=390×2，得到n=20；炭块到槽膛端壁边缘尺寸14740（40×19+660×20） / 2=390mm；炭块到槽膛侧壁边缘尺寸（37803480）/ 2150mm。阴极钢棒规格为4750mm×160mm×200mm，阴极电流密度一般取0.180.25A/mm2，选择D阴=