28万吨电解铝及2×300MW机组发电工程初步设计电解工艺篇.doc

山西山西 xx 铝电铝电有限公司有限公司 28 万吨万吨电电解解铝铝 及及 2300mw 机机组发电组发电工程工程 初初 步步 设设 计计 第二篇第二篇 电电解解工工艺艺篇篇 工程编号： 沈沈 阳阳 xx 设设 计计 研研 究究 院院 二二 三三 年年 八八 月月 山西山西 xx 铝电铝电有限公司有限公司 28 万吨万吨电电解解铝铝 及及 2300mw 机机组发电组发电工程工程 初初 步步 设设 计计 第二篇第二篇 电电解解工工艺艺篇篇 工程编号： 院 长： 总 工 程 师： 总 设 计 师： 二二 三三 年年 八八 月月 本本 篇篇 主主 要要 编编 写写 人人 员员 总总 目目 次次 篇 号 篇 名 工程编号 第一篇 综合篇 第二篇 电解工艺篇 第三篇 碳素工艺篇 第四篇 烟气治理篇 第五篇 供电整流篇 第六篇 公用设施篇 第七篇 环境保护篇 第八篇 劳动安全卫生篇 第九篇 建筑与结构篇 第十篇 消防篇 第十一篇 节能篇 第十二篇 投资概算及技术经济篇 第十三篇 设备总册 本本 篇篇 目目 次次 1. 电电解工解工艺艺 1 2. 电电解槽技解槽技术术参数的参数的选择选择 3 2.1 技术方案选择原则.3 2.2 电解槽型的选择.3 2.3 主要工艺设备的选择.4 3. 电电解槽的解槽的设计设计理理论论 5 4. 母母线设计线设计方案方案 7 4.1 sy300 电解槽磁感应强度计算方法.8 4.2 sy300 电解槽的磁感应强度计算结果.9 4.3 sy300 电解槽母线优化设计.13 4.4 sy300 电解槽的磁流体稳定性分析方法.15 4.5 sy300 电解槽磁稳定的计算结果.17 5. 热热平衡分析平衡分析 18 5.1 内衬设计模型、电、热模型18 5.2 sy300 槽内衬设计.19 6. 槽壳受力分析槽壳受力分析 20 6.1 设计软件.20 6.2 计算结果.21 7. sy300 电电解槽解槽 .21 7.1 sy300 预焙槽的主要技术参数.21 7.2 电解槽的上部结构.22 7.3 电解槽槽壳及内衬结构.24 8. 电电解槽的母解槽的母线线 25 9. sy300 电电解槽的解槽的电压电压平衡平衡 .26 10. 电电解工解工艺艺 27 10.1 铝电解生产用原材料技术要求.27 10.2 电解铝的名义规模.30 10.3 电解槽数量的确定.30 10.4 电解系列的生产能力.31 10.5 电解系列的电力制度.31 10.6 电解车间配置.34 10.7 电解生产工艺操作制度.36 10.8 电解多功能天车的选取.38 10.9 集中大修工艺设备的选取.43 10.10 电解车间的物料单耗及用量.44 10.11 电解槽焙烧启动用料量.45 10.12 电解铝工艺综合技术经济指标.46 11. 氧化氧化铝铝及氟化及氟化盐贮盐贮运系运系统统 47 11.1 概述.47 11.2 技术方案的选择.47 11.3 氧化铝及氟化盐的贮运能力.50 11.4 新鲜氧化铝贮槽.50 11.5 新鲜氧化铝输送系统.50 11.6 天车加料系统.51 11.7 氟化盐贮运系统.52 11.8 氧化铝超浓相输送系统.52 12. 铸铸造造车间车间 53 12.1 铸造工艺.53 12.2 铸造车间配置.55 12.3 主要设备的选择与计算.56 12.4 金属平衡.58 12.5 重熔用铝锭质量要求.58 13. 阳极阳极组组装装车间车间 59 13.1 车间的任务.59 13.2 阳极组技术参数(双阳极).59 13.3 工艺流程.60 13.4 阳极组装车间配置.65 13.5 阳极组装车间的设计产能.65 14. 化化验验室室 68 15. 引引进设备进设备 69 15.1 电解车间.69 15.2 阳极组装及残极处理车间.71 15.3 铸造车间.71 15.4 化验设备.71 sami 山西华泽铝电有限公司山西华泽铝电有限公司 2828 万吨电解铝万吨电解铝 设计阶段：初步设计设计阶段：初步设计 沈阳沈阳铝镁设计铝镁设计研究院研究院及及 2 23 30 00 0m mw w 机机组组发发电电工工 程程工程编号：工程编号：sg8909cs3 - 1 - 1. 电电解工解工艺艺 电解铝生产采用熔盐电解法。铝电解生产所需的原材料为氧化铝 和氟化盐等，电解所需的直流电由整流所供给。熔解在电解质中的氧化 铝在直流电的作用下，还原出金属铝。生产电解铝的直接设备称作为电 解槽。电解槽主要由炭素材料为主体的阳极和阴极组成。 本工程电解铝生产所需的氧化铝由中铝山西分公司三期 80 万吨氧 化铝工程的氧化铝贮运系统转运至 4600 吨新鲜氧化铝贮槽，(80 万吨氧 化铝投产前电解铝厂所需要的氧化铝由山西分公司一、二期氧化铝生产 系统用 30t 汽车槽车将氧化铝运至 4600 t 新鲜氧化铝贮槽；)计量后由气 垫式皮带直接输送至一系列电解车间三个日用新鲜氧化铝贮槽内，一系 列日用新鲜氧化铝贮槽下部浓相输送系统将氧化铝输送至二系列日用 新鲜氧化铝贮槽。新鲜氧化铝经电解烟气净化系统后成为载氟氧化铝， 由气力提升机送入载氟氧化铝贮槽，再由超浓相输送系统送至每台电解 槽的料箱内。按电解铝生产过程中氧化铝用量要求，由槽控箱控制打壳、 加料，加入电解槽内的电解质中。 为方便计量山西 xx 铝电有限公司与山西分公司之间氧化铝供应， 在 4600 吨新鲜氧化铝贮槽进出口分别设有计量仪表，进口由山西分公 司负责管理，出口由山西 xx 铝电有限公司负责管理。 氟化铝和冰晶石从厂外运至厂内氟化盐仓库，一部分袋装氟化铝 在仓库内拆袋装入汽车槽车，用气力输送至载氟氧化铝贮槽内氟化盐贮 仓，参与载氟氧化铝配料；另一部分袋装氟化铝拆袋后装入汽车槽车， 用气力输送至两电解厂房间的 80 t 高位料仓，氟化铝经风动溜槽送到电 解车间内的电解多功能机组的氟化铝料箱内，再由电解多功能机组加入 到每台电解槽氟化铝料箱内，参与电解质分子比的调整，按需向槽内添 sami 山西华泽铝电有限公司山西华泽铝电有限公司 2828 万吨电解铝万吨电解铝 设计阶段：初步设计设计阶段：初步设计 沈阳沈阳铝镁设计铝镁设计研究院研究院及及 2 23 30 00 0m mw w 机机组组发发电电工工 程程工程编号：工程编号：sg8909cs3 - 2 - 加。冰晶石由电解工根据工艺要求直接加到电解质中。 铝电解生产用的阳极组，由阳极组装车间供给。生产过程中从电解 槽换下的残极送往阳极组装及残极处理车间处理。残极组经电解质清理 机、残极压脱机、磷铁环压脱机处理后，残极炭块返回阳极生产车间作 为原料使用；铝导杆按工艺要求处理后与新阳极重新组装成阳极组。残 极上清理下来的电解质经残极处理车间的电解质破碎工段破碎后，由汽 车槽车送至两个电解厂房间的电解质贮槽，通过风动溜槽送到电解多功 能机组工具小车料箱内，由多功能机组加入到电解槽壳面上作为换极时 的覆盖料。 当电解槽阴极装置需要大修或更换时，由阴极搬运天车吊运至大 修通道处，再由电解车间龙门整体转运系统转运至机修车间，电解多功 能机组需要维修时，同样由龙门整体转运系统转运至机修车间，而在机 修车间修理好的或备用的阴极装置或电解多功能机组再返回电解车间。 铝电解生产用的直流电能，由毗邻的整流所，通过连接母线导入串 联的电解槽。 电解槽产出的液态原铝，通过由压缩空气造成的负压吸入真空出 铝抬包，送往铸造车间。 在铸造车间计量后,根据需要将真空抬包中铝液注入倾翻式保持炉 内，按原铝预分析结果和产品牌号及品种的要求进行合理调配、铝液经 搅拌、精炼、扒渣和静止，并调质降温到设定铸造工艺温度，通过铸造机， 浇铸成重熔用铝锭。铸造成品经质量检验、堆垛捆扎、称重后由内燃叉 车送入成品堆场。每垛产品入库前必须经过检验,合格后标明产品质量 等级及重量。 为检查原材料的成份及产品质量，由专门为电解铝生产服务的化 验室完成。 sami 山西华泽铝电有限公司山西华泽铝电有限公司 2828 万吨电解铝万吨电解铝 设计阶段：初步设计设计阶段：初步设计 沈阳沈阳铝镁设计铝镁设计研究院研究院及及 2 23 30 00 0m mw w 机机组组发发电电工工 程程工程编号：工程编号：sg8909cs3 - 3 - 电解生产工艺流程图见附图 sg8909cs-2 2. 电电解槽技解槽技术术参数的参数的选择选择 2.1 技技术术方案方案选择选择原原则则 一百多年来，霍尔埃鲁特熔盐电解炼铝技术得到了不断的发展 和完善。由于能源、原材料、劳务等费用不断上涨，环境保护要求日趋严 格，因此铝工业发展的总趋势是采用高产能、高效率、节省投资、节省能 源、计算机智能化控制和新的阴阳极技术的大容量点式下料预焙阳极电 解槽，工艺方案及配套设备也应遵循高效率、低能耗、低投资和有利于 环境治理的原则。 2.2 电电解槽型的解槽型的选择选择 铝电解槽是电解铝厂生产中的关键设备，铝电解槽技术实际上也 代表着铝厂的技术水平。随着电解槽容量的增大，电流产生的磁场对槽 内熔体流动、波动产生剧烈影响，槽内电热状况复杂。因此，能够准确定 量地确立槽内热、电、流体力学特性及槽壳受力的数学模型，对大容量 电解槽的稳定生产，并获得良好的技术经济指标十分重要。 sy300 型预焙阳极电解槽是沈阳 xx 设计研究院推出的新一代大 型预焙阳极电解槽型。在 sy300 型预焙槽设计过程中充分总结了 sy190、sy200、sy230 型预焙槽的设计、制作、安装、生产全过程中正 反两个方面的经验的基础上研制开发而成的，集成了各种先进的技术和 成果，代表着我国目前铝电解槽的最先进技术。该槽型已应用于伊川铝 厂 200 kt/a 电解铝工程(256 台)、新安铝厂 120 kt/a 电解铝工程(148 台)、 南山铝厂 140 kt/a 电解铝工程(156 台)和山西关铝 220 kt/a 电解铝工程 (276 台)，自 2002 年 6 月中旬至今，伊川铝厂、新安铝厂已经全部启动 成功，生产运行稳定。sy300 型预焙阳极电解槽的设计是成功的。 sami 山西华泽铝电有限公司山西华泽铝电有限公司 2828 万吨电解铝万吨电解铝 设计阶段：初步设计设计阶段：初步设计 沈阳沈阳铝镁设计铝镁设计研究院研究院及及 2 23 30 00 0m mw w 机机组组发发电电工工 程程工程编号：工程编号：sg8909cs3 - 4 - 根据国家产业政策和本工程的建设规模，本工程选用 sy300 型预 焙阳极电解槽技术。 2.3 主要工主要工艺设备艺设备的的选择选择 1) 电解车间 电解多功能机组是电解车间主要的设备之一，电解生产的主要操 作除电解槽打壳加料、效应加工等外，其余的工艺操作基本都由电解多 功能机组完成或协助完成，其所承担的各种工艺操作任务繁多作用关键。 因此，选择质量可靠、数量合理、功能完备的电解多功能机组不仅可以 保证电解铝生产的正常进行，而且还可以提高工作效率，降低工人劳动 强度，改善工作环境，减少工程投资。 根据电解多功能机组制造商的投标保证和国内多家铝厂的设备运行 经验，进口或中外联合制造的电解多功能机组的持续运转率不小于 75(平均每天无故障工作时间为 18 小时)，国产电解多功能机组的持 续运转率不小于 65(平均每天无故障工作时间为 15.6 小时)。因此本 工程中的电解多功能机组全部采用国外引进或采用中外联合制造的产 品。 另外，本设计生产规模为 28 万吨/年，安装生产槽数 345 台，按电 解槽平均寿命 1800 天计，年修电解槽 70 台；平均月修电解槽 6 台。如 此大量的电解槽修理工作，若采用以往的就地大修方式，不仅维修工人 的劳动条件无法改善及安全存在隐患，而且影响电解车间的正常生产及 管理更无法保证电解槽大修的质量，因此电解槽修理工作采用国际上发 达国家同等规模电解铝厂普遍采用的集中大修方式。该过程主要由阴极 搬运天车和龙门整体转运系统(包括天车轨道提升梁)等设备共同作用下 完成，其余维修设备由机修专业考虑。 sami 山西华泽铝电有限公司山西华泽铝电有限公司 2828 万吨电解铝万吨电解铝 设计阶段：初步设计设计阶段：初步设计 沈阳沈阳铝镁设计铝镁设计研究院研究院及及 2 23 30 00 0m mw w 机机组组发发电电工工 程程工程编号：工程编号：sg8909cs3 - 5 - 目前国内的铝厂没有采取此方式修理电解槽阴极装置和电解多功 能机组，且国内还没有厂商能够制造提供上述设备，并且这些设备所承 担的责任与风险重大，在产品设计与制造质量等方面稍有疏漏，便会酿 成大祸造成经济财产的重大损失。因此，该工艺装备全部采用产品有运 行成熟的、质量可靠的国外专业设计制造公司引进。并且需由我院与设 备提供方密切配合完成。 真空抬包及拖车、阳极母线提升框架等选用优质国产设备。 2) 氧化铝贮运系统 自二十世纪九十年代以来，我国氧化铝输送技术取得了长足的进 步，自行研制开发了超浓相输送技术，对引进的浓相输送技术进行消化 和国产化应用，技术水平接近或达到了国际同行业水准。因此本工程中 氧化铝贮运系统全部采用国产技术和设备。 3) 铸造车间 铸造车间的主要设备有铝保持炉、铝锭连续铸造机组、桥式起重机等。 由于国产铝锭连续铸造机组存在产能低(小于 16 t/h)、铸锭质量差、 故障率高等缺点，不适合大规模现代化铝厂，因此采用国外引进的铝锭 连续铸造机组。其它选用国产优质设备. 4) 阳极组装及残极处理车间 从阳极组装及残极处理车间的工艺流程看，它所用设备多，且相互 连接制约，一旦其中的一台关键设备出现故障，将影响整个阳极组装线 的正常生产。根据国内多家铝厂阳极组装车间设备运行使用情况看，国 产设备故障率高，自动化程度低，产能低，往往采用多台备用的方式保 障生产。因此，为了确保本工程阳极组装系统稳妥可靠地运行，本车间 的关键设备(装卸站、电解质清理设备、残极抛丸机、残极压脱机、磷铁 环压脱机和阳极浇铸机)从国外引进，其它选用国产优质设备。 sami 山西华泽铝电有限公司山西华泽铝电有限公司 2828 万吨电解铝万吨电解铝 设计阶段：初步设计设计阶段：初步设计 沈阳沈阳铝镁设计铝镁设计研究院研究院及及 2 23 30 00 0m mw w 机机组组发发电电工工 程程工程编号：工程编号：sg8909cs3 - 6 - 3. 电电解槽的解槽的设计设计理理论论 电解生产实践证明电解槽的稳定性是获得良好生产指标的根本保 证。从设计理论来看,要解决电解槽的稳定性问题必须要解决如下三个 主要问题。一是磁流体稳定性问题,以保证电解槽在高电流强度下能够 平稳地生产；二是热平衡问题，以解决电解槽既要保温又要散热的矛盾, 使电解槽能够长期在稳定条件下高效运行；三是电解槽壳的应力变形问 题，要求槽壳有足够的刚度，以抵御由于阴极炭块热膨胀和渗钠所产生 的强大外推力，长期保持电解槽所必须的良好形状。一般来说，这三 个问题解决的成功与否在很大的程度上决定着电解槽设计的优劣。 下面介绍 sy300 电解槽如何解决这三个方面的问题。下图为电解槽 优化设计程序图。 槽壳结构分析电场、热场计算磁场计算 调整结构 调整内衬调整母线 调整母线 磁流体稳定性分析 母线用量优化 短路设计 调整母线 内衬设计方案 槽壳设计方案 母线设计方案 电解槽基础参数 ? ? ? ? sami 山西华泽铝电有限公司山西华泽铝电有限公司 2828 万吨电解铝万吨电解铝 设计阶段：初步设计设计阶段：初步设计 沈阳沈阳铝镁设计铝镁设计研究院研究院及及 2 23 30 00 0m mw w 机机组组发发电电工工 程程工程编号：工程编号：sg8909cs3 - 7 - 4. 母母线设计线设计方案方案 电解槽周围母线及内部电流在熔体中产生磁感应,这种磁感应强度 与熔体中的电流相互作用产生电磁力,这种电磁力导致了熔体的流动、 铝液隆起以及铝液/电解质界面的波动。过快的熔体流动会严重冲刷炉 帮甚至危害侧部炭块。而界面的变形和波动加剧了电解质中溶解铝与阳 极底部 co2的反应,降低了电流效率,同时,又导致了电解槽极距的不稳 定,即电解槽生产的不稳定。随着研究深入,已经普遍把满足磁流体稳定 性的要求作为评判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，从而保证电解槽的稳定生产。 依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,还必须满足以下要求: 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。 安全性,即在正常生产和短路状况下,母线没有过载现象。 简捷性,配置简单,容易安装。 方便电解槽生产操作。 进行磁流体稳定性分析的基本方法和步骤如图 a。从下面的基本 方法可以看出：首先必须计算磁感应强度，然后用磁流体稳定性分析母 线配置是否合理。下面分别叙述了 sy300 电解槽的磁感应强度、磁流体 稳定的计算方法和结果。 sami 山西华泽铝电有限公司山西华泽铝电有限公司 2828 万吨电解铝万吨电解铝 设计阶段：初步设计设计阶段：初步设计 沈阳沈阳铝镁设计铝镁设计研究院研究院及及 2 23 30 00 0m mw w 机机组组发发电电工工 程程工程编号：工程编号：sg8909cs3 - 8 - 4.1 sy300 电电解槽磁感解槽磁感应强应强度度计计算方法算方法 熔体中磁感应强度的分布是进行磁流体稳定性分析的基础数据之 一,因此它的获取方法和准确性及可靠性就显得十分重要。sy300 电解 槽磁感应强度数据的获取采用了麦克斯韦方程组方法。多年的研究结果 表明：这种方式计算的磁感应强度与实际测量值最为相近。当然，还有其他 的方式可以获得磁感应强度数据，但是其准确度与实际值相差较大。 sy300 电解槽就是采用这种方式来获得磁感应强度数据。利用麦 克斯韦方程组求解包含槽周母线、内部电流、槽壳以及槽周围空气等在 铁磁物质 磁流体稳定性分析 流 速界面变形界面波动 电、热场计算 磁 场 计 算 熔体中电流分布母线电流 熔体中磁场分布 jb 电解槽基础数据 电磁力 sami 山西华泽铝电有限公司山西华泽铝电有限公司 2828 万吨电解铝万吨电解铝 设计阶段：初步设计设计阶段：初步设计 沈阳沈阳铝镁设计铝镁设计研究院研究院及及 2 23 30 00 0m mw w 机机组组发发电电工工 程程工程编号：工程编号：sg8909cs3 - 9 - 内的三维模型。从计算模型和计算方法来看,这是目前最准确的也是最 复杂的方法之一。只有大型的工程软件才能完成这样的计算工作,如 ansys 工程软件，这是一个国际上通用的工程计算软件。sy300 电解 槽就是采用麦克斯韦方程组方法，并借助 ansys 计算软件来获得磁感 应强度分布数据。 4.2 sy300 电电解槽的磁感解槽的磁感应强应强度度计计算算结结果果 磁感应强度分布图 -7.110 -6.274 -5.437 -4.601 -3.764 -2.928 -2.091 -1.255 -0.418 0.418 1.255 2.091 2.928 3.764 4.601 5.437 6.274 7.110 -1.800 0.450 -15.000 -10.000 -5.000 0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 -1.800 -1.350 -0.900 -0.450 0.000 0.450 0.900 1.350 1.800 图 4-1 z 方向磁感应强度 标高=2.401 m(y 方向磁感应强度) sami 山西华泽铝电有限公司山西华泽铝电有限公司 2828 万吨电解铝万吨电解铝 设计阶段：初步设计设计阶段：初步设计 沈阳沈阳铝镁设计铝镁设计研究院研究院及及 2 23 30 00 0m mw w 机机组组发发电电工工 程程工程编号：工程编号：sg8909cs3 - 10 - -7.11 -6.274 -5.437 -4.601 -3.764 -2.928 -2.091 -1.255 -0.418 0.418 1.255 2.091 2.928 3.764 4.601 5.437 6.274 7.11 -1.8 0.45 -15 -10 -5 0 5 10 15 gs m m -1.8 -1.35 -0.9 -0.45 0 0.45 0.9 1.35 1.8 图 4-2 y 方向磁感应强度 下表列出了 sy300 电解槽的详细磁感应强度计算结果。 标高=2.401 m(垂直磁感应强度) 表 4-1 x(m)y(m)-1.800-1.350-0.900-0.4500.0000.4500.9001.3501.800 -7.110-4.203-2.0810.1752.6495.7728.69710.44910.9819.646 -6.6920.215-1.5431.6513.9058.52812.95814.58116.54113.199 -6.2749.2856.9026.2358.89410.40011.75213.91012.4758.856 -5.85512.97410.2099.97910.13810.52210.78610.4849.6856.852 -5.43712.01410.95810.5039.7629.5009.2088.4698.1557.292 -5.0198.2329.2017.8578.6048.0487.5198.5367.6738.663 -4.6016.6266.5467.5746.3856.9597.5296.4017.5807.404 -4.1829.7898.9797.7427.5926.7475.8765.6844.4403.628 -3.76412.87810.4789.0817.9596.8885.7854.5733.0730.597 -3.34611.4678.5828.2097.0276.6136.1454.7154.0290.926 -2.9288.4207.1805.7376.6395.9015.1365.8804.3003.212 -2.5097.5196.6646.8865.0475.2855.5894.1245.1155.228 -2.0916.2856.4935.7915.3834.9444.5864.5694.6736.359 -1.6735.5265.5785.1345.4365.1754.9685.4925.6017.015 -1.2557.0085.7416.2235.0695.5396.0575.0605.9195.626 -0.8368.9147.3245.5316.0435.0994.1754.6953.0122.129 sami 山西华泽铝电有限公司山西华泽铝电有限公司 2828 万吨电解铝万吨电解铝 设计阶段：初步设计设计阶段：初步设计 沈阳沈阳铝镁设计铝镁设计研究院研究院及及 2 23 30 00 0m mw w 机机组组发发电电工工 程程工程编号：工程编号：sg8909cs3 - 11 - x(m)y(m)-1.800-1.350-0.900-0.4500.0000.4500.9001.3501.800 -0.4187.1534.7304.9333.8293.5873.3322.0061.9920.408 0.0002.6762.1411.8711.7321.6741.6881.8032.1172.921 0.418-1.805-0.438-1.178-0.359-0.2460.0181.5482.1435.252 0.836-3.571-3.013-1.745-2.565-1.786-0.903-1.2900.8763.292 1.255-1.773-1.399-2.409-1.598-2.281-2.905-1.882-2.426-0.798 1.673-0.167-1.149-1.293-1.987-1.984-1.943-2.556-2.614-3.297 2.091-0.502-1.903-1.916-1.953-1.801-1.637-1.771-2.048-3.844 2.509-1.127-1.903-2.965-1.609-2.139-2.619-1.264-2.365-2.586 2.928-1.885-2.358-1.775-3.156-2.691-2.052-2.771-0.9271.094 3.346-5.387-3.866-4.230-3.474-3.298-2.900-1.3020.0545.189 3.764-7.498-5.961-5.101-4.326-3.456-2.390-0.9501.3516.160 4.182-4.958-4.625-3.741-3.869-3.205-2.374-1.989-0.1272.455 4.601-2.144-2.239-3.516-2.574-3.326-3.945-2.681-3.500-2.683 5.019-3.706-4.796-3.719-4.720-4.336-3.841-4.696-3.470-4.049 5.437-6.901-6.301-6.262-5.814-5.708-5.400-4.387-3.368-1.017 5.855-6.724-5.144-5.557-6.072-6.609-6.822-6.165-4.3451.451 6.274-1.887-1.229-1.355-4.420-6.109-7.453-9.339-7.031-0.785 6.6928.6078.4874.6232.011-2.817-7.332-8.903-10.568-6.082 7.11015.07212.78010.3427.6834.4181.397-0.437-1.242-1.161 z 分量第一象限绝对值的平均值：2.952 z 分量第二象限绝对值的平均值：6.419 z 分量第三象限绝对值的平均值：6.699 z 分量第四象限绝对值的平均值:3.527 磁感应强度 z 分量最大值为：16.541；位于 x，y=-6.692，1.350 表 4-2 x(m)y(m)-1.800-1.350-0.900-0.4500.0000.4500.9001.3501.800 -7.1100.1324.4665.1844.4073.6874.6665.4384.095-2.144 -6.692-7.6434.97511.14911.1648.68511.88312.6387.552-3.463 -6.274-12.329-2.5141.8554.5866.3685.6324.2232.276-2.097 -5.855-8.354-1.2543.0465.0145.2526.3246.0094.6773.092 -5.437-2.283-0.3342.3963.9604.4225.5976.0536.3259.253 -5.0190.659-2.131-1.8310.2593.1472.1012.2554.94411.893 -4.601-0.7031.6063.4014.0733.1485.8747.4018.68110.542 -4.182-3.789-3.242-2.114-0.4091.4541.2471.6113.5337.572 -3.764-7.397-3.563-1.0420.3151.0141.7652.2752.6642.781 -3.346-9.974-2.7940.4271.1320.7782.3263.1872.654-0.779 -2.928-6.325-4.506-3.912-2.5250.010-1.495-1.579-0.0341.314 -2.5092.7622.5503.0812.8351.4513.8215.2436.0397.421 -2.0917.7151.239-0.218-0.0820.9040.7571.5403.80610.215 sami 山西华泽铝电有限公司山西华泽铝电有限公司 2828 万吨电解铝万吨电解铝 设计阶段：初步设计设计阶段：初步设计 沈阳沈阳铝镁设计铝镁设计研究院研究院及及 2 23 30 00 0m mw w 机机组组发发电电工工 程程工程编号：工程编号：sg8909cs3 - 12 - x(m)y(m)-1.800-1.350-0.900-0.4500.0000.4500.9001.3501.800 -1.6734.356-0.021-1.120-1.0000.444-0.3510.2312.0186.164 -1.255-2.4940.8682.1141.7120.7132.2383.2782.878-0.048 -0.836-6.506-4.531-3.839-2.731-0.654-2.304-2.791-2.252-2.117 -0.418-5.683-1.1441.1081.158-0.0441.5332.0611.281-1.095 0.000-1.328-1.015-0.498-0.1510.1150.3930.7881.4141.785 0.4182.835-0.898-2.110-1.4600.276-0.740-0.4681.5824.908 0.8363.3422.4602.8192.4180.8833.1104.4265.2076.831 1.255-0.459-3.000-3.179-2.057-0.504-1.429-1.5920.1934.149 1.673-7.162-2.226-0.0270.589-0.2851.1341.4861.235-2.223 2.091-11.198-3.627-1.042-0.424-0.824-0.0360.155-0.426-4.861 2.509-6.561-5.068-4.468-3.451-1.467-3.193-3.649-2.756-1.523 2.9282.6351.8262.3841.797-0.1242.0153.0062.9493.134 3.3466.114-0.160-2.119-1.973-0.985-1.910-1.937-0.1643.845 3.7642.7750.249-0.828-1.264-1.308-1.439-1.146-0.394-0.113 4.182-2.060-0.3940.094-0.633-1.830-1.000-0.541-1.220-3.880 4.601-5.238-5.378-5.492-5.188-3.614-5.727-6.394-6.245-6.757 5.019-5.900-1.473-0.220-1.427-3.731-2.114-1.417-2.590-8.193 5.437-1.973-2.786-4.293-5.161-5.156-5.845-5.540-4.434-5.395 5.8555.175-1.202-4.684-6.197-6.131-6.853-5.950-3.573-0.708 6.27410.4920.860-3.098-5.646-7.324-6.424-4.674-2.1302.653 6.6928.437-5.487-11.773-11.927-9.599-12.863-13.561-8.3700.932 7.1102.650-3.579-4.787-4.598-4.438-5.752-6.717-5.6150.442 y 分量第一象限绝对值的平均值：3.137 y 分量第二象限绝对值的平均值：3.579 y 分量第三象限绝对值的平均值：3.015 y 分量第四象限绝对值的平均值：3.153 磁感应强度 y 分量最大值为：13.561：位于 x，y=6.692，0.9 4.3 sy300 电电解槽母解槽母线优线优化化设计设计 母线的配置不能只考虑磁感应强度问题，还要考虑经济性、安全性、 操作性问题。获得同样效果的磁感应强度分布可能有多种的母线配置， 其中有些母线配置需要较多的铝用量,难以满足经济性要求；有些母线配 置难以满足安全性要求；有些母线配置会妨碍电解槽的日常作业；有些 母线配置难以满足短路时的电平衡等要求；这其中最重要、最复杂的问 sami 山西华泽铝电有限公司山西华泽铝电有限公司 2828 万吨电解铝万吨电解铝 设计阶段：初步设计设计阶段：初步设计 沈阳沈阳铝镁设计铝镁设计研究院研究院及及 2 23 30 00 0m mw w 机机组组发发电电工工 程程工程编号：工程编号：sg8909cs3 - 13 - 题是母线用量的经济性问题。结合已经取得的成功经验，形成了一套行 之有效的设计模式。母线优化设计流程图如下。 sami 山西华泽铝电有限公司山西华泽铝电有限公司 2828 万吨电解铝万吨电解铝 设计阶段：初步设计设计阶段：初步设计 沈阳沈阳铝镁设计铝镁设计研究院研究院及及 2 23 30 00 0m mw w 机机组组发发电电工工 程程工程编号：工程编号：sg8909cs3 - 14 - 母母线优线优化化设计设计流程流程图图 y n n y 磁感应强度 计算 电场计算结果电解槽基础参数 母线电流 铁磁物质 调整母线 磁感应强度分布 jb 电磁力 磁流体稳定性分析 调整母线 流速、界面变形、界面波动 母线经济性分析 调整母线 母线配置方案 ? ? ? n y sami 山西华泽铝电有限公司山西华泽铝电有限公司 2828 万吨电解铝万吨电解铝 设计阶段：初步设计设计阶段：初步设计 沈阳沈阳铝镁设计铝镁设计研究院研究院及及 2 23 30 00 0m mw w 机机组组发发电电工工 程程工程编号：工程编号：sg8909cs3 - 15 - 为了补偿相邻列槽的磁感应强度，母线采用了不对称配置。sy300 电解槽熔体中的磁感应强度分布，垂直磁感应强度关于x、y 轴反对称，数值 普遍较小，最大值为16.510-4特斯拉。四个象限垂直磁感应强度绝对值的平 均值分别为2.9510-4特斯拉、6.4110-4特斯拉、6.7010-4特斯拉和 3.5310-4特斯拉，比较接近，说明垂直分布均匀。反映到熔体的流动场 上，sy300 电解槽的流动形状对称性较好，流速的最大值为 15 cm/s。从 总体上分析，sy300 槽的母线设计具有良好的磁稳定性。 sy300 电解槽阴极母线总重约为 35.3 t，电流分布均匀，阴极钢棒 电流最大相对偏差小于 1.5%，满足设计要求。短路口设在操作平面以上， 操作方便，又不妨碍电解槽的其他作业。 4.4 sy300 电电解槽的磁流体解槽的磁流体稳稳定性分析方法定性分析方法 长期的生产实践及理论分析认为，电解槽内熔体的流动除了有利 于氧化铝的溶解和扩散之外，对电解槽没有其他益处。相反，过快的流 速会导致炉帮不规整，造成电解槽生产不稳定。现代电解槽设计理论要 求铝液的流速越小越好；铝液/电解质界面越平越稳定越好；熔体的流动 呈轴对称，至少要关于长轴对称，以免造成不规整的炉帮形状。 sy300 电解槽的磁流体稳定性分析采用磁流体模型进行数值仿真。 该方法可以分析熔体的流动状态，如流速大小、流动方向、界面变形和 界面波动等。 4.4.1 磁流体数磁流体数值值仿真法仿真法 sy300 采用了磁流体数值仿真法来分析其磁流体的稳定性。在电 解槽中，由电磁力引起的熔体流动可用 navier-stokes 方程描述,在铝液 和电解质层均有 sami 山西华泽铝电有限公司山西华泽铝电有限公司 2828 万吨电解铝万吨电解铝 设计阶段：初步设计设计阶段：初步设计 沈阳沈阳铝镁设计铝镁设计研究院研究院及及 2 23 30 00 0m mw w 机机组组发发电电工工 程程工程编号：工程编号：sg8909cs3 - 16 - (1)vp 1 g 1 vv t v 式中 v 为流速、p 为压力、g 为重力加速度、 为密度、 为动力粘 度系数。 按照电解槽的几何形状以三维暂态方式求解式(1)不但可以求解出 熔体的流动状态和界面变形,而且还可以分析各种干扰因素如换极、出 铝、沉淀、电流波动等对界面的扰动,考察界面的稳定性。采用这种方法 进行磁流体分析十分复杂。 更通常的做法是对式(1)进行一些简化,首先去掉暂态顶,把问题简 化为稳态的;然后再根据熔体几何形状的特征,把问题简化成平面的,以着 重分析熔体的水平流动和界面静态变形；也就是求解二维稳态 navier- stokes 方程。为了在模型中能表示熔体在厚度方向的能量传递，进行了 不同程度简化处理。这些简化使磁流体的分析变得简单,很容易研究不 同母线配置所产生的磁感应强度对流动的影响。但是另一方面这些简化 也使得这种方法失去了分析界面波动的能力。为此，必须建立专门用于 分析界面波动的模型以做为补充。也就是说求解二维稳态 navier- stokes 方程和界面波动方程,同样可得到熔体流速分布,界面静态变形 以及界面波动状态,这种方法上世纪八十年代开始在国外比较流行。 sy300 磁流体稳定分析就采用这种方式的计算。流动场计算软件 和波动场分析软件是与国内知名大学合作开发的，特别是波动分析软件 是国内所特有的。 4.4.2 磁流体磁流体稳稳定分析法的定分析法的验证验证 八十年代末,曾经全面应用磁流体稳定性分析方法指导了 280 ka 试验槽的母线设计。试验槽运行表明了该槽的总体设计是成功的，但测 sami 山西华泽铝电有限公司山西华泽铝电有限公司 2828 万吨电解铝万吨电解铝 设计阶段：初步设计设计阶段：初步设计 沈阳沈阳铝镁设计铝镁设计研究院研究院及及 2 23 30 00 0m mw w 机机组组发发电电工工 程程工程编号：工程编号：sg8909cs3 - 17 - 试结果也显示了母线设计还不完善，主要表现在实测的垂直磁感应强度 过大，铝液流速过快。如前所述，磁感应强度偏差过大是由当时计算软 件所引起的，采用该软件计算的磁感应强度来进行流动性分析实际上已 失去了指导意义，其计算结果也难以用测量结果来评判。类似的情况显 然也存在于早期设计的其他大型预焙槽中。下表列出了国内几种槽型铝 液流速的设计值和实测值，从中可知：早期国内设计的大型预焙槽铝液 流速普遍偏大，并且测量值比设计值大很多。 国内大型电解槽铝液的流速(单位：cm/s) 新安 160 ka 槽平果 160 ka 槽贵铝 186 ka 槽280 ka 试验槽槽型 项目 设计值实测值设计值实测值设计值实测值设计值实测值 v最大值16.11711.12510.42812.9530 v平均值8.1122.98162.9614.612.5116 兰州铝厂应用的 sy200 电解槽采用 ansys 软件计算磁感应强度， 然后在此基础上进行磁流体分析，计算出了流体的流速分布和界面波动 情况。由于磁感应强度计算准确性得到了极大的提高，才有可能用流速 的测量结果来考查设计软件。上表显示出流速实测的最大值与计算值极 好地吻合，这是目前我国大型铝电解槽流速最低的。 新安铝厂 sy160 ka 电解槽磁感应强度、流场的测试结果不仅验证 了计算软件和计算模型的准确性，同时也验证了所采用的设计思路和标 准的正确性，揭示出了磁感应强度分布与熔体流动的内在关系。 4.5 sy300 电电解槽磁解槽磁稳稳定的定的计计算算结结果果 sy300 电解槽铝液的流动速度见下图，其流动状态呈良好的轴对 称，最大流速为 15.3 cm/s，界面变形最大值为 1.3 cm。 sami 山西华泽铝电有限公司山西华泽铝电有限公司 2828 万吨电解铝万吨电解铝 设计阶段：初步设计设计阶段：初步设计 沈阳沈阳铝镁设计铝镁设计研究院研究院及及 2 23 30 00 0m mw w 机机组组发发电电工工 程程工程编号：工程编号：sg8909cs3 - 18 - 5. 热热平衡分析平衡分析 电解槽内衬的设计关系到电解槽生产的指标和槽寿命。一般认为， 良好的内衬设计要能满足电解槽热平衡的特殊要求，在槽侧的上部要形 成一个良好的散热窗口，以保证槽内形成规整的炉帮。槽侧下部和底部 需要良好的保温，节省能量，防止过长伸腿。另外要特别注意通过底部保 温材料的选择和组合确保 900温度线落在阴极炭块之下，800等温线 位于保温砖之上。要保证设计满足上述要求，需要使用先进的计算手段对 电解槽在生产状况下热平衡情况进行模拟分析评价，并指导内衬设计。 5.1 内内衬设计衬设计模型、模型、电电、 、热热模型模型 在电解槽的热电场控制体内，热场与电场的计算区域不同。热场计 算区域要扣除熔池区域，电场计算区域要扣除绝缘区域。 计算区域内的电场分布满足拉普拉斯方程: (1)0) 1 () 1 () 1 ( zzzyyyxxx 计算区域内的热场分布满足泊松方程: (2)0)()()( q z t kz zy t ky yx t kx x sy300 电解槽流动场(vmax=15.3cm/s) sami 山西华泽铝电有限公司山西华泽铝电有限公司 2828 万吨电解铝万吨电解铝 设计阶段：初步设计设计阶段：初步设计 沈阳沈阳铝镁设计铝镁设计研究院研究院及及 2 23 30 00 0m mw w 机机组组发发电电工工 程程工程编号：工程编号：sg8909cs3 - 19 - 式中 为电位，t 为温度， 为电阻率，k 为导热系数，q 为单位体 积发出的热量。 计算过程中，电场和热场相互影响，需要同时求解，因此就是一个 电、热耦合问题。采用有限差分的数学方法，编制了适合电解槽结构的 专用计算机软件，能够较好求解上述方程。 5.2 sy300 槽内槽内衬设计衬设计 由于采用了船形槽壳，sy300 槽内衬的设计充分吸收了 sy190、sy200、sy230 电解槽和 280 ka 试验槽的成功经验，同时又吸 收了近年来的技术成果，主要体现在如下两个方面： 1) 窄加工面: 采用窄加工炉面是中间下料预焙槽发展的一种趋势，它不仅可以 节省电解槽的材料用量，而且还有利于生产指标的提高，这一点无论在 理论上还是生产中都已得到了验证。当然采用窄加工面设计是要以准确 的热平衡设计为前提的。 sy200、sy230 全系列的电解槽均采用窄加工面，其大面加工面为 300 mm，实践证明生产效果良好。本设计采用 300 mm 的大面加工面。 2) 采用干防渗材料: 从近年来国外铝厂的应用来看采用干防渗材料可以有效地阻止电 解质向阴极保温层内渗漏，从而达到延长槽寿命的目的