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1、精选优质文档-倾情为你奉上学校代码： 10128学 号：xxxxxxxxxxx课程设计说明书题 目： 年产xx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-xx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： 一、 题目铝电解槽的设计（年产铝量20万吨）二、目的与意义1.通过课程设计，巩固、加深和扩大在冶金工程专业课程及相关课程教育中所学到的知识，训练学生综合运用这些知识去分析和解决工程实际问题的能力。2.学习冶金炉设计的一般方法，了解和掌握常用冶金设
2、备或简单冶金设备的设计方法、设计步骤，为今后从事相关的专业课程设计、毕业设计及实际的工程设计打好必要的基础。3.使学生在计算、制图、运用设计资料。熟练有关国家标准、规范、使用经验数据、进行经验估算等方面受全面的基础训练。三、要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等） 设计年产量20万吨的电解槽，冶金工程基础课程设计一般要求学生完成以下工作： 电解槽装配图一张（0 号图纸）； 零件工作图一张（铝电解母排）； 设计计算说明书一份（要求用A4 纸）。 四、工作内容、进度安排 课程设计可分为以下几个阶段进行。 1.设计准备 （1）阅读和研究设计任务书，明确设计任务与要求；分析设计题
3、目。（2）参阅有关内容，明确并拟订设计过程和进度计划。 2.装配草图的设计与绘制 （1）装配草图的设计准备工作，主要是分析和选定设计方案。 （2）初绘装配草图。（3）完成装配草图，并进行检查与修正。 3.装配工作图的绘制与完成 （1）绘制装配图。 （2）标注尺寸、配合及零件序号。 （3）编写零件明细表、标题栏、技术特性及技术要求等。 五、主要参考文献1成大先主编.机械设计手册.第一卷.第五版.北京：化学工业出版社1969.2郭鸿发主编.冶金工程设计设计基础.第一册.北京：冶金工业出版社，2006.3唐谟唐主编.火法冶金设备.中南大学出版社，2003.审核意见系（教研室）主任（签字） 指导教师下
4、达时间 年 月 日指导教师签字：_目 录第一章 设计任务1第二章 设计步骤11预设电解槽的个数12电解槽的类型13计算电流效率14阳极尺寸的选择15计算阳极炭块数16算槽膛尺寸17计槽壳各部分尺寸27.1侧壁37.2槽壳底层37.3槽壳尺寸4第三章 设计校核5一 能量平衡计算51 能量平衡的计算原则51.1 能量平衡计算温度基础51.2 能量平衡的计算体系51.3 槽体散热损失计算部位51.4 能量收入、支出平衡的计算时间单位52 二氧化碳的生成量63 一氧化碳生成量64 计算参数选择与测试项目65 能量平衡计算原则76 测试数据处理及计算公式86.1 能量收入计算86.2 能量支出计算86.
5、2.1 CO2气体消耗热86.2.2 CO气体消耗热量96.2.3 CO、C02气体消耗热量96.2.4铝电解反应耗热96.2.5 铝液带走热106.2.6 残极带走热106.2.7钢爪带走热116.2.8 换极散热116.2.8.1 对流散热116.2.8.2辐射散热126.2.8.3换极散热126.2.9空气带走热136.2.10 电解槽散热136.3 电解槽能量平衡表146.4 能量利用率14 6.4.1 有效能量146.4.2 收人能量156.4.3 能量利用率156.4.4 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
6、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 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3
7、50个工作日计算）。 计算每小时生产量，每天按24个小时工作日 计算电解槽通过的电流强度（其中电流密度取90%） 由可以得到 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/由可以得到: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，则阳极炭块组（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300500mm，取400mm。至小面一般为450500mm，取500mm。阳极炭块之间的缝隙一般采用4050mm，取50mm，槽子中间缝隙要
8、安装下料装置，一般采用200300mm，取280mm。各部分尺寸如图2。图2槽膛内尺寸则槽膛宽度为：。槽膛长度为：。槽膛深度一般为500600mm，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材料炭块粘土质耐火砖红砖热导率(w/mc)470.84+0.00058t0.814+0.00022 t耐火温度(c)1580158010007.1侧壁先预设炭块的厚度为=120mm，则对于同一墙体的值都是相同的，所以，考虑到砖的尺寸标准选65mm。核算合理性，所以合理。7.2 槽壳底层预设炭
9、块的厚度为，下面的碳素垫=40mm。则，对于同一墙体的值都是相同的，所以根据砖的标准厚度，选取两层粘土质耐火砖130mm，外加3mm的水泥堵缝共133mm。，选取2层红砖，所以=106mm。核算合理性：所以此设计是合理的。7.3 槽壳尺寸槽壳宽度：槽壳长度：槽壳深度：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
10、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 二氧化碳的生成量其中 1小 时 二 氧化 碳生成量，单位为千克每小时(kg/h)。3 一氧化碳生成量- 1小时一氧化碳生成量，单位为千克每小时(kg/h),则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
11、: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。导出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，CO2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300mm500mm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、CO2气体浓度
12、，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/(m3h)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
13、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其中E为体系的电压，取4.1V。6.2 能量支出计算6.2.1 CO2气体消耗热CO2气体消耗热量见公式式中:QCO2 CO2气体消耗热量，单位为千焦每小时(kJ/h)；nCO21小时产生的CO2，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)；T2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
14、米摄氏度。6.2.2 CO气体消耗热量CO 气 体 消耗热量见公式式中:QCOCO气体消耗热量，单位为千焦每小时(kJ/h)；nCO1小时产生的CO，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)；T2烟气 烟气绝对温度，单位为开尔文(K)；一CO气体热容，单位为千焦每立方米摄氏度。6.2.3 CO、C02气体消耗热量CO、CO2气体消耗热量见公式:QCO、co2=Qco+ Qco2=3486.72+208.19=3694.91kJ/h式中:QC0、CO2 CO、CO2气体消耗热量，单位为千焦每小时(kJ/h)。每小时产生的CO2,CO的物质的量根据；
15、式中:Nco2 每小时产生的C02的物质的量，单位为千摩尔每小时(kmol/h) ；nAl 每小时电解产铝的物质的量，单位为千摩尔每小时(kmol/h)；nco 每小时产生的co的物质的量，单位为千摩尔每小时(kmol/h)。其中nAl=；所以y；z6.2.4 铝电解反应耗热铝电解反应耗热按照公式计算：其中的计算见公式 公式中298K时主要反应物质的反应热焓值为: 所以：=1.67（-394.15）+0.1545（-110.7）+1678.74=1003.40685KJ则=1003.2=KJ/H6.2.5 铝液带走热铝液带走热分为三部分，即，其中:=397.3359.52=23649.0816
16、kJ/h，式中:铝熔化带走热，单位为千焦每小时(kJ/h)；铝熔化热，其值为397.33k J/kg.=0.52(660-25)=36808.745kJ/h，式中:-铝凝固带走热，单位为千焦每小时(kJ/h)；C1铝20 -675的平均比热，其值为0.9739 kJ/(kg )；熔化温度与环境温度的差值，即，单位为摄氏度()。=1.52(970-660)=1906.99968kJ/h式中:铝液由电解温度降至凝固温度所带走的热量，单位为千焦每小时(kJ/h)；C2铝800时的比热，其值为1.0 789 k J/(kg )；电解温度与铝熔化温度的差值，即，单位为摄氏度()；=23649.0816+
17、36808.745+1906.99968=80364.82628kJ/h。6.2.6 残极带走热残极带走热见公式：式中:残极带走热，单位为千焦每小时(kJ/h)；每小时换极数；残极比热，其值为0.711 8 kJ/(kgK)；残极重量，单位为千克每小时(kJ/h)；换块平均绝对温度，即=(电解温度+残极温度）/2，单位为开尔文(K)。计算每小时换极数：由公式：式中: 阳极消耗速度（cm/d)；阳极电流密度（A/）；R电流效率（%）；阳极消耗量（Kg/t-Al)；阳极假密度（）；=阳极高度为535mm，残极高度为180mm，那么每块阳极使用周期为:所以:=；=kJ/h，=0.01310.71（1
18、243+1233）/2=3806.116KJ/H6.2.7 钢爪带走热钢爪带走热见公式：式中:钢爪带走热，单位为千焦每小时(kJ/h)； 钢爪比热，其值为0.5024 k J/(kgK )； 钢爪重量，单位为千克每块阳极(kg/块)； 钢爪绝对温度，单位为开尔文(K)。=0.01310.52428.=130.2214kJ/h6.2.8 换极散热6.2.8.1 对流散热对流散热计算见公式：Q对流=对上部(t2-t1)S其中：Q对流-对流散热损失，单位为千焦每小时（KJ/h)；对上部=Am(t2-t1)1/3,对上部=1.3对 ；Am常数，与介质性质及计算温度t计有关，见图t计(t2-t1)/2,
19、单位为摄氏度（）；对对流换热系数，单位为千焦每平方米小时摄氏度KJ/(m2h) t2-体系温度，单位为摄氏度( )t 环境温度，单位为摄氏度( )；s 给热面面积，即实际阳极底掌面积，单位为平方米()， 图8 Am与t计关系曲线图t2取950，=0.8，所以:Q对流=对上部(t2-t1)S=7.792（950-25）1.520.585=6408.99792KJ/H6.2.8.2 辐射散热辐射散热计算见公式式中:辐射散热损失，单位为千焦每小时(kJ/h)；散热面的黑度系数，=0.9 ；C0绝对黑体辐射系数，co=20.76 65 k J/(h)；辐射角度系数，q=1.0；体系绝对温度，单位为开尔
20、文(K),=6.2.8.3 换极散热换极散热计算见公式： 换极散热损失，单位为千焦每小时(kJ/h)；t每次换极所用时间，单位为分钟(min)；N/D一每小时换极数。=4579.20.013（6408.99792+.50）/60=.0993KJ/H6.2.9 空气带走热空气带走热见公式：式中:Q空空气带走热，单位为千焦每小时(kJ/h)；Cp空气定压比容，查气体平均定压容积比热表，采用插人法求Cp；V空每小时槽中空气流量，见公式，单位为立方米每小时(/h )。V空 =V槽-Vco、co2式中: V槽电解槽气体流量，单位为立方米每小时(/h)。Vco2、co 标准状态下CO2、CO气体所占体积之
21、和单位为立方米每小时(/h)。VCO、CO2=VCO+VCO2式 中 :Vco2标准状态下CO2气体所占体积，即Vco2=n22.4，单位为立方米每小时(/h) ；Vco标准状态下CO气体所占体积，即Vco=nco22.4单位为立方米每小时(/h)；=6.2.10 电解槽散热用热流计测出各测试点热流量，按公式求出各部散热损失，再按公式求和得电解槽散热总和。式中:电解槽某部散热损失，单位为千焦每小时(kJ/h)；测 定 部 位的平均热流量，单位为千焦每平方米小时；测定 部位面积，单位为平方米(）计算各部分的散热，根据公式表2各部分的a值为槽壳导杆槽罩炉底水平顶部阴极棒43.216243.243.
22、243.236.7所以：45457.2+93856.32+13454.1+.76=.986.3 电解槽能量平衡表电解槽能量平衡表见表3：表3电解槽能量平衡表能量收人(k J/h)能量支出项目各部位支出量/(kJ/h)百分数/(%)Q电能（）反应热Q反应37.39CO、CO2气体耗热3694.910.125铝液带走热19906.999680.67残极带走热3806.1160.13钢爪带走热130.2240.004换极散热.099312.77空气带走热.1258.08电解槽各部散热.9839.85槽壳四周散热45457.21.54炉底散热93856.323.18槽罩散热.64.01水平顶部散热4.
23、39阳极导杆散13454.10.46阴极钢棒散热.762.63能量支出合计.45399.026.4 能量利用率6.4.1 有效能量有效能量是指达到工艺要求时，理论上必须消耗的能量，铝电解的有效能量，即理论耗电率，是理论上生产单位质量金属铝所需要的电能，包括三部分:a) 分 解A12O3 的能量;b) 加 热A1203,从常温到反应温度所需的能量;c) 加 热C从常温到反应温度所需的能量。以上三项相加折合电能为6320k Wh/t-Al,6.4.2 收人能量:收人能量是外界向体系提供的电能。6.4.3 能量利用率:能量利用率等于有效能量与供给能量的百分比。能量利用率为：6.4.4 能量平衡测试误
24、差能量平衡测试误差，应占供给能量总和的士5%以内，即 能量平衡计算（-.453）/=0.984%5%，所以此设计是合理的。二 物料平衡计算假设加入1930KGA12O3,冰晶石7Kg，AlF320Kg,阳极糊520Kg,共2477Kg，铝电解基本过程总反应式见公式：N=0.73，所以总反应式变为由已知A12O3为18921.57mol,则生成Al为37843.14mol，合1021.765Kg,CO2为1054.01Kg，CO为247.95Kg，加上生成的有害氟化物和沥青气体共50Kg，出来的物质总重量为2373.725Kg， ，所以物料平衡。三 电压平衡校核 已知总电压为4.1V，经过计算，
25、各部分电压值如下表4所示。表4预焙阳极电解槽（200KA）各部分电压值项目电压值（MV）占总电压百分数/(%)V极+V质320078.05V阴2004.88V阳4009.76V导线1804.39阳极母线电压降801.95阴极母线电压降601.46立柱母线电压降400.98槽电压398097.073V效应601.46V导线501.22平均电压409099.77阳极电流密度0.74铝母线电流密度0.25经过计算：所以，电压平衡。参考文献【1】 成大先主编.机械设计手册.第一卷.第五版.北京：化学工业出版社1969.【2】 郭鸿发主编.冶金工程设计设计基础.第一册.北京：冶金工业出版社，2006.【3】 唐谟唐主编.火法冶金设备.中南大学出版社，2003.【4】 陈秀宁，施高义主编.机械设计课程设计.第二版.浙江大学出版社，2004.【5】 邱竹贤主编.有色金属冶金学.北京：冶金工业出版社，2008.【6】 刘麟瑞主编.冶金炉料手册.第二版.北京：冶金工业出版社，2001.专心-专注-专业