（机械工程专业论文）160ka铝电解槽扩容单极可调试母线提升装置设计与研究.pdf

颂士学位论文摘要 摘要 中豳铝业股份有限公司青海分公司遐中国锅业股份有限公司唯 一的专避纯电解铝厂，主要生产重熔震铝锭、阳极炭块。生产魏模菇 3 3 万吨铝锭，也是我国目前海拔最高、产能最大、产爨最高的电解 锱企监。为了进一步提高自身在市场的竞争能力和两个系列扩容的需 要，必须开发设计出一种在不停产扩容改造的单极可调式母线提升装 谶。 摄摆青海分公霉扩容改造酶实际耩况，麸改造鳇骧粼、扩容改造 的工艺条件、母线提升装置改造方察、以及采用单极可调式母线提升 装置对1 8 0 陋+ 中心下科预赂铝电勰槽工艺条件鲶影响等方面进行了 探讨。 口改造的原则是在满足1 6 0 k a 中心下料预焙铝电解槽扩容改造 盖艺条襻移蟹会统一规怒戆蘸提下，充分利震现有的设施，最大疆度 的节省投资，囱主开发设计单极可调式母线提升装置。 口扩容改造是不改变电解槽七部结构，不改变阳极中缝宽度的 魏提下，寻求一张采用对称陬极组实现铝电解槽扩容改造的最经济实 用的新方法。在电解槽上原有与阳极导杆相连接的两侧阳极水平母线 上，分裂在其外侧热一令铝裁垫块，垫块懿潭度必5 瓤黻，馨使鬻极 导杆沿槽外侧方向水平移出5 0 m m ，阳极中缝宽度与扩容前一样，仍 为2 5 0 m m ，单极可调式母线提升装置试制后首先选择了两个系列中 的8 台1 6 0 k a 中心下料预焙铝电解橙扩客改造盛进行试验。 口通过对单极可调式母线提升装置的开发设计改造，满足了 1 6 0 l ( a 中心下料预渚锈电解檬扩容渡造的需要，经过近睾年静生产、 运行考核，迁唆改造以器的母线掇舞装鬟各种披寒指标褥舍设诗要 求。运行平稳，此项改造工穰是成功的。同时为下一步掰个系列的扩 颂士学位论文 捕安 容改造剑造了良好的条件，对予所取得的成果，在同行业舆有推广应 用价值。 关键镄：毫解攒，扩容，母线挝舞装置 n 硕士学位论文 a b s t r a c t 翩l j m 栅m 铂f p a 嘲o fc h m l i m 矗c dq i l l g h a ib 煳c hi s 黼e k c 拄。移s i s a l l 瑚i 站氛黝懿峙i t 材w 醯跚矗娜主o ll e v c lo f 艄明l 劬mc o f p o 斌i o no fc b i 激 l 证l i t e d 生i 饵瑚i np d l l c t i o n 辩l 罄f n e l t i l l g 她i n i l l mi n g o ta n da l 蛐d e 魄 q 迅g 蒯b 豫h 量l a s 南嘲e d 瓤o to n 移o l 拄。酾i sa l l 髓缸量l 瓣瓤p r o d 嗽轴n 鳓如o f 3 3 0 ，0 0 0t o n s ，b l i ta l s ot i l eh i g h e 或a l t i c i i d ea b o v cs 黼l c v e l 、t l 瓣l a | 萼e s tc 8 p a c 畸a n d 镬l l a l 噍i l yo f 妇e 奴的l y s i s 然瓯p 妇鑫l | 溯t l l e 豫略如喇e f t o 溉p v e 舭 f i l r t h e r 煳a 畦m 。c 喊嘎，e t 鼬v ea b i l i t ya 玎dd e n 卿耐南r 呐p c i n h 鼯a 删i n gc a p i t y f e c o 塔静峨斌粥矗殛珏醅d e 谨b pa n d & s i g 拄矗矗a 萄瑚翻由l eb 罄糖f 激翔喀意，蛾 w i ：c ha s i l 培kp o l e ，w h i c hc a nb ee 甜e n d e d 裂i p i t yw l l i l e t 蜘pp l d d u 眦i o i l 磊瀚嫩细g 耋。髓瓣巾蝴耋l o 珏勰搬破c 毪勰i 魄眵o f 斑e 渊撇m 豳扛勤r a m a l d m g p a c i 哦也i sp a p 静d i 洲s s c dt h er 啪m m 蛾i o np 而i p l c 、t h c 蛐拇孙彗蕊蝴蘸酗细蛐嘲僦删愀汹、妇瑚涮晌 删e c to f b i l s b 盯l 撩i n gd e v 确、t l l e 砌u c l 雠o f 蝴删u s t a b l 。b l l s b a fj i l i 她d e v 蛔 稚巍矗氐g 话筘耗潍畦撼毒e c 羲b 套c 鑫差。o d 敦酶矗so fl 鹦碰氆主麓珏甄岖i 端 p 静叫湖a n d d e 幽咖蜘i s 峭a n d 眦 鑫豫r e c 删蜮幽每廷毽鼹妇脚o f 恻堍嫩& 妇 t h i l o l o g i c a lc o 耐i c j o 船o f1 6 0 k an l i d d 胁叙矗i i l g 弦b a k c da d ed 蹦仃。咖s i sp a 协 妞a 嘲趣g p 奢略殛yf e 粼捆瓣豳n 烈娃撤a l c l 矗甥招氆e 娥f 醚辨签越凹馥弘 w l l i c h 啪加a l 【ei l 辩o ft c l 加f e ：吐重跳i l i t i e sw e l l 1 i i m o s t 鼢v et b ej 柏v t 嘲【n 撼m ， d c w l o pa 蚶螽鼯酗潮e p i 撒l y 妞硼璐隧炮燃般魄蛐w 蟪鑫嘞 p o 】c al ti s 髓础t h 皴雠蝴黜呶主。矬触嘞一堍c 靴姆如嚣瓣 曲锄g ee l 咖蜘端tc b 黼g et h e 蜘tw 砸t h 辆h ca 舯和，硼血ha d o p tt h e s y m 喇a d c 协薹d o k 缸t l l cm o 畦蝴m i c 衅t i 蕊瓣w e t h o d 纽犯置l i z i n g 蝴确l l c t i o np o t s 嘲艇堍喇i t y 删i o 玑钕唧i s 蛳a d d 黼 a l i 珊椭m a tp i e c e o n i t s o m s i d e 豫渺t i v c l y o n 妯i c h 细。蝣d e o f t k k 、e lb i l s b 麟 m 硕士学位论文 l 瓠l 煳l l t 豫l l y ，b c 氆主c k n 龉$ o f 董如赋p 殛e 瓤5 国珏玎璃v e 娃l l 艟a 丑o & 璐薹期v e 幽l l g 臁p o t o 珥s e5 0 m m l e 、，e i 妇s l o t w i d t h i n t h ea d e 诲鹅t h e 翻瑚e 嬲毛l l e b e 而辑缺i s 髓m 2 5 0 n 麟l h e a 面l 鼢l e 蛐黼媳批嘶l h as j n g l ep o k a 腑 m 蛐戤穗蛐l 姒a 蒯珏翩蛹妒酝蹦鞠豳e 鼬酗 p l 吣诫t w dp o t l 如髂岛r 8 略 a1 1 舶g ht h ef e n s 咖d i o n 如ft h cd e v e l o p i m m 越蠛d 鼯i g n i l l go ft h e 碡鞋髓破灏妇眺fl i 曩堍蛔妣嚣蹴晒& 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1 1 我国铝工业的发展 自2 0 世纪8 0 年代我国在有色金属行业提出优先发展铝工业”的战略发展方 针以来，我国铝工业有了长足的发展2 0 0 1 年，国内氧化铝产量达到了4 7 2 万 吨，居世界第三位；电解铝产量达到了3 4 2 万吨，居世界第一位：铝加工材产量 为2 3 l 万吨，居世界第三位，我国已经成为世界铝工业大国f 1 7 1 尽管我国已经 成为世界铝工业大国，但目前铝产品在国际市场上的竞争力仍然不强，氧化铝原 料对海外资源的依赖程度不断增加在我国加入w 1 0 并进一步融入世界经济一 体化的背景下，通过加强国际合作，积极利用两个市场、两种资源，发挥我国铝 工业的规模优势，提升国际竞争力是我国铝工业的必然选择。 1 1 1 我国铝工业的发展环境正在发生积极变化 随着科学技术的发展，铝的应用领域也在不断拓展，在过去的l a 年中，世 界原铝消费量一直保持着上升趋势，年均增长率为1 9 。 1 1 1 1 市场需求的增长将推动我国铝工业发展 在过去的1 3 年中，我国市场对铝的需求量大幅增长m ，1 9 9 0 年国内市场电 解铝消费量只有7 6 万吨，而2 0 0 1 年猛增至3 6 0 万吨以上，年平均递增率超过 了1 6 ，高于同期国内电解铝产量1 3 3 的增长速度，从而为铝工业的发展提 供了良好的市场空间随着我国逐渐成为世界工业产品的制造中心，国内市场对 铝产品的需求还将进一步增长，预计2 0 0 5 年前后铝的需求量将达到5 5 0 万吨左 右。 硕士学位论文第章单极可调式母线提升装置开发设计的项日背景 1 1 1 2 电力工业结构调整改善了铝工业的能源供应环境 近几年我国加大了对电力体制的改革力度，调整了电力工业结构，形成了电 力市场竞争日趋激烈的新格局。很多在电力供应短缺时代建设的发电厂面对激烈 的竞争，纷纷建设高能耗的电解铝厂，从而推动了多种形式的铝电联产联营，大 大改善了电解铝生产的用电环境，明显降低了电解铝生产用电价格据统计，我 国电解铝生产企业外购电价的平均水平已经由1 9 9 7 年o 3 5 元，千瓦时，下降至 2 0 0 1 年的0 3 0 元，千瓦时，下降了1 5 ，并且呈进一步下降的趋势目前特别是 国内新建( 或扩建) 电解铝生产企业一般均采用铝电联产联营方式，更有一些新增 生产能力采用煤电铝联产联营、水电铝联产联营方式，用电价格更低，所以预计 2 0 0 5 年前后，我国电解铝生产企业外购电价的平均水平可能降低至0 2 5 元，千瓦 时，这为铝工业的发展提供了更加廉价的电力供应 ，1 1 3 经济全球化为我国铝工业提供了新的发展机遇 面对经济全球化趋势，最近十几年来，世界各国均加快了产业结构调整步伐 在经济结构调整中，远东及东南亚地区制造业迅速发展，并成为世界主要原铝消 费区域之一据统计，2 0 0 1 年远东及东南亚地区( 不包括中国) 原铝消费量超过了 3 3 0 万吨，占当年全球消费量的1 5 但是，在世界经济结构调整中，我国周边 的远东地区及东南亚国家的电解铝工业不仅没有得到发展，而且日本还淘汰了绝 大部分电解铝生产能力。这样就为我国电解铝工业提供了有利的国际市场环境。 我国铝工业可以利用区位优势，向远东及东南亚地区的加工业提供原料，与日本、 韩国等国家和地区的高新技术产业构成了上下游关系，形成了紧密相连的产业 链，促进了共同发展 1 1 2 目前我国铝工业发展中存在的问题 尽管我国铝工业得到了快速发展，但在发展中也存在不少问题。特别暮电解 铝建设项目投资过热的问题比较突出，并对铝工业优化产业结构造成严重威胁 2 硕士学位论文第一章单极可调式母线提升装置开发设计的项目背景 1 1 2 1 电解铝生产能力的扩张，造成氧化铝供应矛盾突出 我国电解铝生产规模迅速膨胀，导致氧化铝原料供应出现严重失衡。截止到 2 0 0 1 年年底，我国电解铝生产能力已经达到了4 0 0 万吨，年为了保证生产能力 的发挥，国内市场需要8 5 0 万吨，年左右( 包括其他氧化铝消费) 的氧化铝供应量 而当年我国氧化铝生产能力仅为5 0 0 万吨，实际产量为4 7 0 多万吨，缺口完全依 靠进口解决。预计到2 0 0 5 年我国电解铝生产能力将达到6 5 0 万吨侔，国内市场 对氧化铝的需求量在1 3 万吨以上。因此，我国至少需要进口6 5 0 万吨以上的 氧化铝才能使预计形成的电解铝生产能力得到发挥 从目前全球氧化铝的生产和建设情况来看，市场上的供应量很难保证2 0 0 5 年我国对氧化铝的需要。并有可能导致全球氧化铝供应出现紧张 1 1 2 2 铝工业产业结构调整的任务艰巨 目前我国铝工业的结构性矛盾比较突出，主要表现在：氧化铝生产能力不足， 电解铝生产能力急剧扩张；技术含量高的铝加工产品主要依靠进口；生产经营高 度分散，产业布局不合理；资本的流动性差，严重影响生产要素的优化配置。所 以。我国铝工业的资源结构、产品结构、企业组织结构、布局结构、资本结构等 均面临调整川 截止到现在，我国有6 座氧化铝厂，将近1 3 0 家电解铝厂，5 5 0 多家规模以 上的铝加工厂但氧化铝厂的平均年生产能力为8 3 万吨，明显低于世界氧化铝 厂平均年生产能力l o o 万吨的规模；电解铝厂的平均年生产能力为3 3 3 万吨， 远低于全球( 除中国外) 电解铝厂平均年生产能力1 8 3 3 万吨的规模；规模以上铝 加工厂的平均年生产能力不到l 万吨，与国外铝加工厂的平均生产规模相距甚 远从进行规模化生产经营的角度看，我国铝工业结构调整的任务十分艰巨 另外，我国铝加工生产虽然已经形成很大规模，但产品结构很不合理。在现 有生产能力中，铝挤压生产能力占6 0 左右，而高精度铝板带的生产能力严重 不足2 0 0 1 年我国建筑铝型材产量占国内铝加工材产量5 5 以上，基本能够满 足国内市场需求，并有一定出口但铝压延产品的实际消费量已经超过了l 万 3 ， 硕士学位论文 第一章单较可调式母线提升装置开发设计的项目背景 吨，国内实际产量只有8 0 万吨，不能满足需要，特别是高精度铝板带目前9 0 以上依靠进口我国铝加工工业的产品结构调整必须加快进行。 1 1 3 我国铝工业的发展前景 1 1 3 1 氧化铝生产继续保持较高增长速度 由于具有一定的发展优势，进入2 l 世纪之后，我国铝工业将会得到进一步 发展。中国铝业公司在海外上市，并与美国铝业公司结成战略合作伙伴关系之后， 将依托现有氧化铝厂进一步扩大生产能力预计到2 0 0 5 年，我国氧化铝年生产 能力将达到6 2 0 万吨实际产量也将超过6 0 0 万吨由于电解铝生产能力的快速 增长，我国市场对氧化铝的需求也将不断增加同时，我国氧化铝市场前景良好。 国内生产不能满足需要，氧化铝进口量也将持续增长 1 1 3 2 电解铝工业快速发展的势头不减 随着我国经济体制改革的进一步深化，一批规模化的电解铝厂将得到发展， 特别是在电力供应充裕，价格便宜的西部地区，将出现几个年生产能力超过3 0 万吨，甚至4 0 万吨的电解铝厂一些实现煤，电，铝联产联营的企业也将会把 电解铝生产能力扩大至2 0 万吨，年以上。由于电解铝生产能力不断扩大，我国 原铝产量的增长将超过消费量的增长，不仅将满足国内市场需要，而且将有一定 数量出口到周边国家和地区预计未来几年，我国将变成世界上原铝和铝合金的 净出口国，2 0 0 5 年的净出口量有可能达到8 0 万吨 1 1 3 3 铝加工工业将获得快速发展 为了满足国内市场需求，全面提升我国铝加工工业的技术水平，我国铝加工 企业正在东部地区或西部地区积极筹建l 2 条四机架热连轧铝板带生产线。预 计随着热连轧铝板带生产线的建成投产，我国铝板带的生产能力将增加4 0 方吨， 年以上，产量将实现翻番，2 0 0 5 年的产量预计在l o o 万吨以上 硕士学位论文 第一章单极可调式母线提升装置开发设计的项日背景 1 2 强化电流已成为世界电解铝生产的发展趋势 面对经济全球化和科学技术突飞猛进的新形势，必须把中国铝电解工业的发 展放在世界铝工业的全局上考虑，依靠技术进步，提高科技创新能力科技创 新是结构调整和发展的内在动力和技术支撑加大科技创新力度，不断提高铝电 解工业的技术水平 电解铝行业的发展，一方面靠建设规模较大的新厂，另一方面依托铝冶炼技 术的创新扩建现有的电解铝厂“新建铝厂的一次性投资较大，如果包括与之配 套的阳极厂的投资在内，吨铝投资在1 5 0 0 0 1 6 0 0 0 元之间( 国内) 扩建项目的 投资，大约在吨铝1 0 0 0 0 元左右。国外铝厂的基建投资一般是中国的1 5 2 倍 因此，近些年来，国内外多家铝厂通过适当提高系列电流( 称为强化电流) 的方 法，充分利用已有设施( 电力、电解槽) 的潜力，可以用很少的投资，较多地提 高铝的产量，从而获取明显的经济效益。与新建和扩建相比，强化电流的方法是 最经济的。众所周知，提高电流效率，可以在用电不增加的情况下提高铝的产量。 但是，电流效率从9 2 提高到9 5 ，已经是比较难的了，而其产量的提高，不 过是3 如果把电流从1 6 0 k a 提高到1 8 0 k a ，则产量可以提高1 1 当然，提 高系列电流要根据各铝厂的实际情况，更要以先进的电解技术来支撑从某种意 义上讲，这不单单是靠提高系列电流而实现，这是一个系统工程 国外铝厂强化电流的例子很多棚。挪威桑达尔铝厂的三期电解槽，1 9 6 9 年投 产时的电流强度为1 3 8 l 溘，到了1 9 8 5 年电流强度增加到1 5 l i 【a ，1 9 9 7 年增加到 1 6 0 l 浊2 0 0 0 年他们在该系列1 4 台电解槽上做强化电流到1 7 5 k a 的试验试验 槽运行平稳，电流效率达到9 2 5 ，该厂现已在全系列电解槽上推广电流强度 从刚投产时的1 3 8 l 哦，提高到现在的1 7 5 k a ，增加了3 7 l 徂，相当于提高产能 2 6 8 。每年该厂多产铝4 6 2 万吨既使按中国的投资水平1 5 万元吨铝计算， 投资节省近7 亿元 根据德国1 9 9 8 年轻金属杂志关于法国彼施涅公司的1 8 0 l 浪大型预焙槽技术 创新的报道，该系列电流强度从1 8 0 k a 提高到2 l o k a ，增加了3 0 k a ，电流效率 ， 硕士学位论文第一章单极可调式母线提升装置开发设计的项目背景 不但没有降低，相反却从9 4 8 9 4 9 提高到9 5 3 。 新西兰迪拜铝厂新系列2 0 0 l 哦大型预焙槽一年的运行结果显示，阳极电流 密度高达o 8 8 舭m 2 ，电流效率高达9 5 5 这种高电流密度的电解槽堪称世界 一流，属目前最先迸的电解槽技术。相比之下，我国大型预焙阳极电解槽的阳极 电流密度至今还没有超过o 7 3 b m 2 。这反映了我国在电解槽设计、阳极质量、 内衬质量等多方面的差距，同时也显示出在提高阳极电流密度方面，我们仍有很 多潜力可挖。由于高电流密度铝电解槽是在不降低电流效率和不增加设备的情况 下，提高铝电解反应速度，以提高铝的产量，大幅度地提高劳动生产率，大幅度 降低生产成本，从而产生显著的经济效益，所以，它也是当今铝工业的高新技术 开发高电流密度的电解槽，是一个系统的技术创新工程。 我国的很多铝厂，早就认识到强化电流的巨大经济效益，但由于局限于本厂 的供电条件、电解槽条件以及技术条件，往往是对电解槽不做任何改动，工艺条 件不变，只能增加很少的电流，比如从1 6 0 k a 强化到1 6 3 1 6 5 l a 。从1 9 0 k a 强 化到1 9 6 k a ，既使这样，往往还要牺牲一点儿电流效率指标这和上述国外的情 况完全是两回事，这里面缺少先进技术支撑。 因此，我国电解铝行业，亟待在该领域奋起直追，开发适合我国情况的强化 电流的电解技术 1 3 小结 面对全球经济一体化趋势，世界各国均加快了产业结构调整步伐在经济结 构调整中，远东及东南亚地区制造业迅速发展，并成为世界主要原铝消费区域之 一中铝集团可以利用区位优势，以。科学技术是第一生产力”作为指导方针， 以科技创新发展铝工业，提高公司的核心竞争力，实现公司高科技抢先发展的目 标。下一章节将根据扩容的铝电解工艺条件，从改造的可行性、技术方案的选择 和零部件的设计等方面进行研究。 6 硕士学位论文 第二章1 6 0 中心下科预焙电解槽扩容单极可调式母线提升装置的开发 第二章16 0 k a 中心下料预焙电解槽扩容 单极可调式母线提升装置的开发 2 1 企业概况 中国铝业股份有限公司青海分公司是中国铝业股份有限公司所属的企业。前 身为青海铝业有限责任公司( 原青海铝厂) ，位于青海省西宁市宁张公路2 8 公里 处，总占地面积1 9 5 公顷，平均海拔2 4 0 3 米，是与山西铝厂，青海龙羊峡水电 站同步配套建设的国家重点建设项目，是中国铝业股份有限公司唯一的专业化电 解铝厂，也是我国目前海拔最高、产能最大，产量最高的电解铝企业。 公司1 9 8 s 年4 月动工兴建，1 9 8 7 年1 2 月投产，原设计规模为年产重熔用 铝锭2 0 万吨，阳极炭块1 2 6 万吨，建设总投资2 3 亿元，分两期建设，每期1 0 万吨2 0 0 0 年1 1 月，中国铝业公司整体收购青海海星铝业有限责任公司，并入 青海分公司编为第三电解厂，形成了2 5 5 万吨电解铝产能目前，公司的8 s 万吨电解铝技改工程已开工建设，1 6 0 k a 强化到1 i ( a 的技改项目已正式启动， 到2 0 0 s 年公司将达到3 7 万电解铝吨产能。 公司电解铝生产系统采用冰晶石一氧化铝熔盐电解工艺主体设备为s 2 0 台1 6 0 i ( a 和1 0 8 台2 0 0 i ( a 大型预焙阳极电解槽，采用自行开发的具有9 0 年代 先进水平的智能模糊控制技术，多功能联合机组进行辅助作业。电解供电系统采 用1 1 0 l 直降式大型整流机组，整流变压器、混捏机、三功位振动成型机等主 要设备从德国、美国、瑞士等国家引进。青海公司年用电量占青海省总用电量的 3 0 以上 2 2 进行扩容改造的必要性 现在国内运行的1 6 0k a 中心下科预焙电解槽，基本上是在贵州铝厂八十年 代初引进的日轻技术基础上设计的，两端进电，中问点式下料，电流效率设计值 为8 8 ，这在八十年代的中国，属于比较先进的榴型。九十年代中期，随着 硕士学位论文 第二章1 6 0 k 中心下料预焙电解槽扩容单极可调式母线提升装置的开发 国际电解技术的迅速发展，我国开始设计大面多点进电的大型预焙阳极电解槽， 特别是1 9 9 7 年沈阳铝镁设计研究院引进先进的a n s y s 软件包以后，我国电解 槽设计迅速赶上了世界先进水平【。主要表现在物理场计算结果，可以直接用于 新型电解槽的工程设计，投产后的1 6 0k a 、1 9 0l 徂，2 3 0k a 、3 0 0 k a 槽的实测 数据与设计值基本吻合。电解槽的优化设计，加上计算机控制技术的进步，合理 的工艺铝4 度，供电质量和阳极质量的提高等诸多因素，使电流效率提高，吨铝直 流电耗明显降低去年7 月鉴定的解州铝厂1 9 0k a 电解系列，全系列6 个月连 续运行的平均电流效率达9 5 1 2 ，吨铝直流电耗为1 3 1 4 4 度，达到国际先进水 平。 青海分公司的两个1 6 0i 哦电解系列，受当时技术水平的局限，只能反映出 十几年前的电解技术水平，与现在设计的大面进电的电解槽相比，存在着较大差 距旧。但由于受各方面因素的制约，不可能推倒重来，亦不可能全系列停产进行 技术改造。根据青海分公司现有的供电设施，增加设备机组后，具有分别为两个 电解系列提供2 0 0l 泣系列电流的能力，而现有电解槽的槽膛宽度，尚有适当加 长阳极以便提高系列电流到1 8 0l 渔的余地，因此提出本次扩容改造。本次扩容 改造，由于利用原有供电设施，电解槽的台数、槽壳、阴极、母线均不改变，只 改变阳极尺寸。改变侧部炭块，电流密度稍有增加，系列电流就可以从现在的 1 6 0k a 提高到1 8 0l 渔，这样，在不影响生产的前提下可以用较少的投资，增 加两个电解系列的产能，将明显地提高企业的经济效益本项目的工程投资 9 0 4 3 4 l 万元，全部投资内部收益率为2 2 2 7 ，每年可增加税后利润3 2 1 3 9 万元 综上所述，强化电流已经成为在投资很少的情况下大幅度提高铝产量的重要 途径。我国在这方面的技术还远远落后于先进的西方国家青海分公司1 6 0 l 温 电解系列扩容改造势在必行，将产生巨大的经济效益嘲。 2 3 扩容改造的可行性 青海分公司的现有条件，己基本满足扩容改造的要求【i q ( 1 ) 电力供应：电网可满足扩容的需要 s 硕士学位论文 第二章t 6 0 l ( 中心下科预烙电解槽扩容单极可调式母线提升装置的开发 ( 2 ) 整流设施：槽数不增，现有1 1 5 0v d c 的系列电压不变每个系列由 4 台5 6 k a 机组供电，最大直流输出可达2 2 4 l 【a 。满足1 8 0 k a 的需要。 ( 3 ) 阳极块的长度从1 枷岫延长到1 5 0 0 岫，现有电解槽的炉膛宽度 可以满足 ( 4 ) 阳极焙烧炉可以焙烧长为1 5 0 0f 姗的阳极炭块。 ( 5 ) 改造现有的阳极组装设备，使其适应四爪阳极组的生产增加电解烟 气净化系统及焙烧烟气净化系统的烟气处理能力，增加焙烧产能以及其它相关 设备的改造，都是可以实现的 ( 6 ) 可实现不停产改造侧部炭块的更换仅在槽大修时进行 ( 7 ) 对1 6 0 k a 中心下料预焙电解槽机械部分进行相应改造和开发设计与 之配套单极可调式母线提升装置。 综上所述，本次扩容改造是完全可行的。 2 4 本次扩容改造所遵循的主要原则 根据青海分公司的情况，本次扩容改造遵循如下原则嗍： ( 1 ) 电解槽两端进电的方式不变这主要是考虑到现有使用的天车是低位 天车，大面不能进电 ( 2 ) 槽壳不变 ( 3 ) 阴极不变 ( 4 ) 变压器和整流设备不变 ( 5 ) 电解槽的主要生产指标不变。 ( 6 ) 在以上几个不变的情况下，尽可能地加大系列电流 ( 7 ) 改造中最大限度的利用现有设备和设施，开发1 6 0 k a 中心下料预焙 电解槽系列扩容单极可调式母线提升装置，同时在系列不停产的条件下进行。 9 硕士学位论文第二章l 印k 中心下辩预焙电解槽扩容单撮可调式母线提升装置的开发 2 5 单极可调式母线提升装置的开发的技术路线及技术方案 2 5 1 单极可谓式母线提升装置的开发的工艺条件 本改造在利用原有供电设施，不改变电解槽的槽壳、内衬结构、母线配置、 保持中缝2 5 0 l 蛳距离不变等条件下，只改变阳极规格( 阳极块的长度从1 4 0 0 衄 延长到1 5 0 0 m m ，阳极钢爪由3 爪改为4 爪，其宽度和高度不变) 。改变侧部炭 块( 采用氮化硅结合炭化硅的侧部炭块) 整个试验过程是在电解槽不停产的情 况下进行的。侧部炭块的更换仅在大修槽上实施。在阳极大母线上增设厚5 0 咖 垫块，通过由新增的2 2 k a 、1 2 0 v d c 供电设施提供的电流( 可调) 以叠加的方 式进行强化电流 阳极组的更换按原来的正常周期和转换计划进行在近一个月的时间内，试 验槽的阳极组全部更换完毕，然后提升电流到1 8 0 k a 此时阳极电流密度从原来 的o 7 2 1 5 a c m 2 提高到o 7 5 7 6 a ，c 】一 在整个试验过程中根据对不同试验条件下的磁场、熟场、铝液流动场、电 解质温度、炉帮结壳情况、各部分的电压降、槽工作电压的改变、极距、阳极炭 块的损伤状况、铝水水平和电解质水平等的测试数据，及时做出槽况分析，及时 完善工艺制度和采取相应的热平衡控制措施，寻求最优的改造方案同时，在具 体实施改造的操作步骤和方法方面，总结经验，为两个系列的电解槽实施大范围 改造提供可行、简便、可靠的工程经验 铝电解生产过程的特点是将几万、十几万甚至几十万的直流电通入熔融状态 下的电解质，通过电化学反应生产出电解铝所谓电解槽的扩容改造，是指在原 设计投产的电解槽系列电流的基础上，较大幅度地增加电流，从而提高电解槽的 生产能力通过扩容改造，以较少的投资获取显著的经济效益。系列电流的增加， 必须以最经济实用的方案对电解槽加以改造其中，在阳极方面一般加长阳极尺 寸 阳极尺寸加长后，在不改变电解槽上部结构的情况下，有的采用了减小阳 硕士学位论文第二章l k 中心下科预焙电解槽扩容单援可调式母线提升装置的开发 极中缝宽度的方法。这种方法，可以采用新的加长了的对称的阳极组即阳极炭 块与阻极导杆的中心线重合的阳极组，但从电解槽的物理场角度衡量，它的热场、 电流分布、磁场均在原槽的基础上产生了不利的变化同时，对于中间点式下料 的大型预焙槽而言。中缝的缩小对打壳下料的机构的运行不利针对解决打壳下 料所出现的问题，又有人提出了仅在电解槽几个打壳下料点处，采用炭块的一端 稍短一些的不对称阳极组。这种方法显然带来了在同一个电解槽上使用两种不同 规格阳极组的问题，给阳极生产及电解操作带来极大的不便，并且大幅度地增加 了阳极生产线的投资 在加长阳极尺寸、不改变电解槽上部结构、不改变阳极中缝宽度的情况下， 有的采用不对称阳极组。如图2 - 1 ： 1 阳极大母线2 阳极导杆3 阳极钢爪4 阳极炭块5 阴极6 槽内村 图2 一l 采用不对称阳极实现电解槽扩客改造的示意图 如果采用不对称阳极，势必造成分公司在生产中使用两种阳极( 即1 8 0 l 溘 槽用不对称阳极，2 0 0 k a 槽用对称阳极) ，大大增加了日常生产管理的复杂性 综上所述，需要在加长阳极炭块长度后，不改变电解槽上部结构，不改变 阳极中缝宽度的前提下，寻求一种采用对称阳极组实现铝电解槽扩容改造的最经 济实用的新方法。在电解槽上原有的与阳极导杆相连接的两侧阳极水平母线上， 分别在其外侧加一个铝制垫块，垫块的长度与水平母线的宽度相同，垫块的宽度 ! 壁! ! 燮一 苎三兰! 竺坠! 堂! 翌要竺皇塑竺竺! 兰堡里塑苎竺竺塑茎苎! 竺翌苎 以能方便安装导杆卡具为准，垫块的厚度为阳极炭块加长量的一半，如图2 - 2 。 7 i 阳极大母线2 铝垫块3 阳极导杆4 阳极钢爪5 阳极炭块6 阴极7 槽内树 图2 2 采用对称阳极实现电解槽扩客改造示意图 在本次扩容试验中，阳极炭块长度加长了1 0 0 衄( 从1 4 0 0 m m 加长到 1 5 0 0 蛳) 则所需铺设垫块的厚度为5 0 姗，即使阳极导杆沿槽外侧方向水平 移出5 0 衄，这样，阳极中缝宽度与扩容前一样，仍为2 5 0 蛳 2 5 2 原有母线提升装置的结构形式及工作过程 2 5 2 1 原有母线提升装置的结构形式 青海分公司前2 0 万吨3 2 0 台1 6 0 i 溘中心下料预焙电解槽分两个系列，分布 于四栋厂房内，每栋厂房各配置l 台母线提升装置，其结构形式主要由大梁、夹 紧机构、卡具开闭行走机构、起吊架、支腿和气动控制等部分组成【2 】( 见图 2 - 3 ) 其夹紧机构是用销轴与主粱连接且不可移动。只适用于1 6 0 k a 中心下料 预焙电解槽的阳极母线转接作用。 ! 奎苎。乏起吊架& 支腿4 夹紧机构5 卡具开闭行走机构6 抱筒7 夹具 8 薄膜气缸 9 机架l o 轨道 1 1 快速接头1 2 升降气缸。i ；气动写甚 图2 3 可调式母线提升装置机构示意图 - 1 3 - 一 燮 一 一 硕士学位论文 第二章l k 中心下料预焙电解槽扩容单极可调式母线提升装置的开发 2 5 2 2 母线提升装置的工作过程 在电解铝生产中，随着阳极炭块的不断消耗，阳极大母线的位置也逐之下降， 当降到最低位置一2 0 0 姗后，需将阳极母线重新提升到最高位置+ 2 0 0 咖在 提升母线的过程中，要求阳极炭块的高度位置保持不变且电解过程不能中断，母 线提升装置就是为了满足这一要求面设计的专用设备。 由电解多功能天车将可调式母线提升装置吊运至作业槽上方，通过快速接头 与车间压缩空气( p 卸4 0 6 m p a ) 连接；视电解槽上所装阳极的规格，开启气缸控 制阀，移动阳极拖筒，使母线提升装置阳极抱筒的中心距与电解槽阳极中心距一 致；开启夹具气缸控制阀，打开阳极夹具，将设备平稳落下，阳极导杆进入夹具， 关闭气阀，夹紧阳极导杆；操作控制阀移动夹具开闭行走机构至阳极导杆所处位 置后，升降气缸工作，落下卡具开闭机构，再使气马达工作，输出扭矩松开阳极 卡具；提起卡具开闭机构，移动卡具开闭机构至下一个阳极导杆处，重复上述工 作直至松开所有的阳极卡具；启动电解槽螺旋提升机提升母线至最高位置，在这 一过程中，同时让倾斜气缸工作，摆动夹紧机构使阳极导杆帖紧阳极母线，保证 电解过程不中断：母线提升到最高位置后，夹具开闭行走机构工作，依次拧紧所 有阳极卡具的紧固螺栓将阳极固定在母线上；关闭倾斜气缸的控制阀，使夹紧机 构复位：开启薄膜气缸控制阀，薄膜气缸工作，夹具打开将设备吊起，进行下 一台电解槽母线的提升。 目前，铝电解槽用母线提升装置均是根据阳极导杆在电解槽上固定的物理位 置及阳极重量进行设计的，只适用于电解槽上挂装同一规格阳极的母线提升工 作。 2 5 3 母线提升装置开发技术方案的确定 电解槽阳极中心距是一定值，并与母线提升装置阳极抱筒中心距相同，而扩 容槽阳极中心距有1 6 5 0 、1 7 0 0 、1 7 5 0 衄三种，需将其中一中心距设为常数，再 以5 0 衄为单位进行调整，就可实现母线提升装置阳极抱筒的中心距与电解槽上 阳极中心距一致。根据这一特性，提出可行性方案： “- 硕士学位论文 第二章1 l c 中心下辩预焙电解槽扩容单极可调式母线提升装置的开发 方案一，将阳极抱筒中心距确定为1 7 0 0 衄。采用加( 减) 卡头垫的方式进 行阳极中心距的调整，卡头垫用螺栓联接在抱筒上，视阳极尺寸安装( 或拆卸) 卡头垫。 方案二、将阳极抱筒中心距定为1 7 5 0 咖，在夹紧机构吊架下方加工一组【形 滑道，抱筒上加工一组滑块，采用气缸推动抱筒移动并用气阀控制。 方案一、二都能实现阳极抱筒中心距可调，而扩容是在线进行，母线提升机 装置又在电解槽上工作。作业高度约4 m 方案一需来回拆卸卡头垫，不仅费时 费力且很难实现；方案：采用气缸推动，机械化程度高、操作简单方便。显而易 见。方案二优。 2 5 4 实施方案概述 可调式母线提升装置的技术要求呻l ( i ) 夹紧力大阳极的重量： ( 2 ) 阳极抱简可移动，往复行程为阳极炭块增加长度的一半； ( 3 ) 工作时大粱不产生弯曲变形； ( 4 ) 松开，拧紧阳极卡具轻松自如； ( 5 ) 使用安全可靠，操作方便简单 2 5 5 主要部件的设计 2 5 5 1 大粱 大粱在提升母线过程中承受阳极重量，因此，要求大梁在承受载荷时挠度变 形越小越好，避免大梁的挠度变形而引起阳极位置的变化大粱采用槽钢及钢板 焊接成空心矩形结构( 见图2 _ 4 ) ，再通过槽钢将两侧大粱组焊成一体形成机架， 外侧安装夹紧机构。机架长、宽依照扩容后阳极导杆在电解槽上的物理位置确定， 机架长8 0 0 0 m 、宽1 2 0 0 m 。2 4 套夹紧机构以7 0 0 m m 间距对称固定在大粱上，每 处承受载荷是4 爪阳极重量( 1 2 0 0 1 【g ) + 夹紧机构重量( 2 0 0 l 【g ) 硬士擎位论文第二章1 6 呲中心下料预焙电解槽扩容单摄可调式母线提升装置的开发 气 1 ； ， ； qj 皿 匕 圈2 _ 4 大粲横截面示意图 大梁所受载荷为均布，均布载荷q = i 堡q 半= 2 1 0 0 蚴n 根据可调式母线提升 装置的结构要求，拟定大梁横截面如图4 所示计算其抗弯强度是否满足 6 n 搬 6 ，结构是否合理可行 ( 1 ) 画出大梁受力简图及弯矩图( 见图二5 ) ( 2 ) 抗弯强度计算；= 气罟【6 】 式中：m 如a x 一最大弯矩，w 矿抗弯曲截面模量。 图2 5 大粱受力简图及弯矩图 1 ) 从弯矩图可知大梁最大弯矩在跨中截面处，其值为： m 瑚x = 譬= o 1 2 5 2 1 8 2 - 1 6 8 心m ； 2 ) 抗弯曲截面模量：w 2 = 每 式中：卜截面惯性矩，y 厂截面形心 根据组合截面法求截面形心c 的位置： 硕十学位论文第= 章t 6 0 中心下辩预焙电解槽扩容单撮可调式母线提升装置的开发 托= 骅；觜= 硒； 式中：a 面积，y 一截面形心 从型钢表得知1 2 6 槽钢的截面积a t = 1 5 7 1 0 3 衄n 2 。形心轴的惯性矩 i zc l _ 3 8 c 一，求得组合截面惯性矩： i z ；i a = i zl + i z 2 十i z3 + i z 篇( i z c l 十a l d l 2 ) + 2i z ( c 2 十a 2 d 2 2 ) = - 2 x 【3 8 1 0 5 + 1 5 7 1 0 3 ( 2 6 0 3 ) 2 】+ 2 【铬+ l o 5 2 0 6 8 2 】 叫8 8 1 0 4 c m 4 ： 计算得：w z = 务= 掣茹1 8 7 7 c m 3 ； 缸；警；龋霈= 8 9 5 ； 大梁材料( a 3 ) 的许用应力【8 】= 1 6 0 m p a 【l 引，点。 【8 】，符合抗弯强度条件， 满足结构要求。 2 5 5 2 卡具开闭行走机构 功能是；在母线提升前，松开电懈槽上固定阳极导杆的卡具；母线提升工作 完成后，拧紧阳极卡具，将阳极导杆重新固定在母线上 卡具开闭行走机构由行走架、升降气缸、套筒扳手和气马达等部分组成。行 走架装有小车轮沿轨道纵向往复滑动，气马达驱动齿轮旋转，与大梁外侧的齿条 啮合，通过换向阀控制气动马达正反转，实现行走架沿大梁两侧的轨道往复移动； 套筒扳手通过升降气缸悬挂在行走架上，其回转由另一套气马达驱动。 电解槽上固定阳极卡具拧紧的扭矩一般为2 3 0 2 5 0 n m ，提升母线过程中， 松开和拧紧阳极卡具的套筒扳手由气马达驱动，输出扭矩必须大于阳极卡具拧紧 的扭矩。松开，拧紧固定阳极卡具要在较短的时间内完成，性能必须稳定可靠， 结构尺寸要求小。选用气马达的输出扭矩为3 0 0 n m 。 2 5 5 3 夹紧机构 夹紧机构是可调式母线提升装置中最关键最复杂的部件之一，主要由吊架、 阳极夹具、抱简可调机构等几部分组成，对称安装于机架两侧，其数量与电解槽 阳极数量相同结构形式见图2 - 6 。 功能是：( 1 ) 调整阳极抱筒的位置，使之与电解槽阳极中心距一致： 型型塑l 一苎三兰_ 竺! 苎= ! 璺墅皇唑! 兰堡! 塑苎墨塑兰叁兰塑塑 一 ：= ：! ! ! ：1n h _ 月i l w 7 r 厦 ( 2 ) 夹持阳极： ( 3 ) 使阳极导杆贴紧阳极母线。 ：! ! 氅气缸 圭薹警! ! i 嘿。当尘支架4 拉杆5 倾斜板6 气缸7 夹紧弹簧 妻萼乞。：。9 想巴。：n 阳极导杆1 1 夹板1 2 蒜蘸；溢。j 3 j 茱轴“苫0 i ! ；桑 1 5 f 形滑道 1 6 滑块 一8 8 图2 6 夹紧机构示意困 z a 5 4 昂j 罢 最架主要由支承架、倾斜板、小支架、薄膜气缸、上部弹簧装置等几部分组 成，结构形式见图4 上部弹簧装置、小支架安装支承架上；薄膜气缸通过 活塞杆与倾斜板在i 点铰接， 倾斜板与支承架在点处铰接；倾斜板与拉杆在点铰接 工作过程是：薄膜气缸工作，推动倾斜板绕小轴在点转动，带动阳极抱筒， 使阳极导杆贴紧母线工作完成后，薄膜气缸停止工作，上部弹簧装置的压簧依 靠弹力伸张，通过拉杆再使倾斜板回到原位 。 2 5 5 5 抱筒可调机构 抱筒可调机构是由。【”形滑道、抱简滑块、气缸、薄膜气缸等几部分组成 ( 见图2 _ 4 ) ，作用是调整阳极抱筒的位置使之与电解槽上装有的阳极导杆中心 距一致 抱筒可调机构的一组1 ”形滑道安装在吊架下方，滑道工作面平行度不大 硕士学位论文 第二章1 6 0 i 【 中心下料预焙电解槽扩容单极可谓式母线