学校代码： 10128学号：xxxxxxxxxxx课程设计说明书题目：年产x x万吨铝电解槽设计学生姓名：学院：材料科学与工程班级：冶金06-x x指导教师：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：目录第一章设计任务 (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)一能量平衡计算 (5)1 能量平衡的计算原则 (5)1.1 能量平衡计算温度基础 (5)1.2 能量平衡的计算体系 (5)1.3 槽体散热损失计算部位 (5)1.4 能量收入、支出平衡的计算时间单位 (5)2 二氧化碳的生成量 (6)3 一氧化碳生成量 (6)4 计算参数选择与测试项目 (6)5 能量平衡计算原则 (7)6 测试数据处理及计算公式 (8)6.1 能量收入计算 (8)6.2 能量支出计算 (8)6.2.1 CO2气体消耗热 (8)6.2.2 CO气体消耗热量 (9)6.2.3 CO、C02气体消耗热量 (9)6.2.4铝电解反应耗热 (9)6.2.5 铝液带走热 (10)6.2.6 残极带走热 (10)6.2.7钢爪带走热 (11)6.2.8 换极散热 (11)6.2.8.1 对流散热 (11)6.2.8.2辐射散热 (12)6.2.8.3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年吨/500400200000=÷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）。

d t /42857.1350500=÷计算每小时生产量，每天按24个小时工作日h kg /52.592442857.1=÷计算电解槽通过的电流强度（其中电流密度取90%） 由ηI M 3355.0=可以得到 KA M I 118.1979.03355.052.593355.0=⨯==η考虑到电流效率可能达不到预期的数值，取I=200KA4 阳极尺寸的选择对于200KA 的电流强度阳极的电流密度为0.74/2/Cm A 由阳阳S ID =可以得到:227.27027074.0200000cm D I S ===阳阳 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2188925.58152cm S =⨯=，则阳极炭块组30889225.270270==N （块）即30组，分两行排列之，每行15组炭块。

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：mm a 4120280152024002=+⨯+⨯=。

槽膛长度为：mm b 103754502501458515=⨯+⨯+⨯=。

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：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7.1侧壁先预设炭块的厚度为1σ=120mm ，则33.1958312.09501000471211=-⨯=-=σλt t q对于同一墙体的q 值都是相同的，所以mm m qt t 94.6306394.033.19583)50950(393.1)(3222==-⨯=-=λσ，考虑到砖的尺寸标准选=2σ65mm 。

核算合理性q t t q <=+-=+-=76.19387391.1065.04712.0501000221131'λσλσ，所以合理。

7.2 槽壳底层摄氏度摄氏度摄氏度摄氏度摄氏度摄氏度摄氏度三氧化二铝粉红砖粘土质耐火砖碳素垫阴极炭块粘土质耐火砖炭块预设炭块的厚度为mm 4503=σ，下面的碳素垫4σ=40mm 。

则734.4766003.004.045.095010004743433=++-⨯=+-=σσλt t q ，对于同一墙体的q 值都是相同的，所以mm m qt t 226.131131226.0734.4766)500950(391.1)(5445==-⨯=-=λσ根据砖的标准厚度，选取两层粘土质耐火砖130mm ，外加3mm 的水泥堵缝共=5σ133mm 。

mm m qt t 66.8708776.0734.4766)100500(0465.1)(6556==-⨯=-=λσ，选取2层红砖，所以6σ=106mm 。

核算合理性：q t t q <=++-=+++-=244.4390046.1106.0391.113.047493.01001000564534363'λσλσλσσ所以此设计是合理的。

7.3 槽壳尺寸槽壳宽度：mm a 449632652120241201=⨯+⨯+⨯+= 槽壳长度：mm b 10751326521202103751=⨯+⨯+⨯+=槽壳深度：mm c 13815340532652404506001=⨯++⨯+⨯+++=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h kg M p co /83.8052.592744)9.012(432744)12(432'=⨯⨯-=⨯⨯-=η 其中2'co p — 1小 时 二 氧化 碳生成量，单位为千克每小时(kg/h)。

h kmol p n co co /837.14483.804422'=== 3 一氧化碳生成量h kg M p co /57.452.592728)19.01(322728)11(32'=⨯⨯-⨯=⨯-=η co p '- 1小时一氧化碳生成量，单位为千克每小时(kg/h),则h kmol p n co co /17.02857.428'===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CO ，CO2浓度，导出N 值，按公式计算电流效率。

%100)035.05.021(⨯++⨯=N η导出73.02)535.09.0(2)5.0035.0(=⨯-=⨯--=ηN 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25℃） 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）4.7 CO ，CO 2气体浓度测定方法:在槽A 侧或B 侧大面处打一个直径约100mm 的孔，罩一个直径300mm ～500mm 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CO 、CO 2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(℃)。

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999 9 kcal/(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。

图5体系模型图图6槽底、槽侧部测试分布点图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h kJ IE Q /29520001.420036003600=⨯⨯==体系电能 其中E 为体系的电压，取4.1V 。

6.2 能量支出计算 6.2.1 CO 2气体消耗热CO 2气体消耗热量见公式⎰=烟气21222T T p co co dT C n Q co式中:Q CO2 —CO 2气体消耗热量，单位为千焦每小时(kJ/h)；n CO2—1小时产生的CO 2，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)； T 2烟气—烟气绝对温度，单位为开尔文(K)；—CO2气体热容，单位为千焦每立方米摄氏度)]/([3C m KJ ︒。