【畢業(yè)學(xué)位論文】鋁電解槽高溫?zé)煔獗簾^(guò)程中加熱制度的選擇與控制-控制工程

分類(lèi)號(hào) 密級(jí) U D C 編號(hào) 士學(xué)位論文 論 文 題 目 : 鋁電解槽高溫?zé)煔獗簾^(guò)程中 加熱制度的選擇與控制 研 究 生 姓 名 : 王 金 融 學(xué) 科、專(zhuān) 業(yè) : 控制工程 學(xué)院（系、所） : 信息科學(xué)與工程學(xué)院 指 導(dǎo) 老 師 : 桂衛(wèi)華（教授）張久明（教授級(jí)高工） 分類(lèi)號(hào) 密級(jí) 碩士學(xué)位論文 鋁電解槽高溫?zé)煔獗簾^(guò)程中 加熱制度的選擇與控制 in 者姓名： 王金融 學(xué)科專(zhuān)業(yè)： 控制工程 學(xué)院 （系、 所） ： 信息科學(xué)與工程學(xué)院 指導(dǎo)教師： 桂衛(wèi)華 （教授） 張久明（教授級(jí)高工） 論文答辯日期 答辯委員會(huì)主席 中 南 大 學(xué) 年 月工程碩士學(xué)位論文 摘 要 要 面對(duì)電解鋁行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)與機(jī)遇并存的時(shí)代， 關(guān)注企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益成為永恒的主題。隨著電解工藝日趨成 熟、不同企業(yè)電解鋁各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)日愈趨同（同類(lèi)技術(shù)裝備水平） ，諸如原鋁的交流電耗、電流效率、氧化鋁消耗、陽(yáng)極消耗與氟化鹽消 由此對(duì)電解鋁的生產(chǎn)成本造成了較大的影響. 也就是說(shuō)在某種程度上電解鋁工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)歸根結(jié)底要體現(xiàn)在鋁電解槽壽命。 經(jīng)研究分析認(rèn)為： 影響鋁電解槽壽命因素大致體現(xiàn)在鋁電解槽設(shè)計(jì)、筑爐材料、筑爐工藝、 焙燒工藝和生產(chǎn)操作工藝等五個(gè)方面。論文研究了在目前技術(shù)水平情況下影響鋁電解槽壽命的瓶頸因素為鋁電解槽的焙燒方法。論文對(duì)目前國(guó)際上常用焙燒方法粒焙燒法和火焰直接焙燒法進(jìn)行了分析比較， 結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，選用了高溫?zé)煔獗簾ā?為確保高溫?zé)煔獗簾夹g(shù)優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮， 論文結(jié)合鋁電解槽的焙燒標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋁電解槽高溫?zé)煔獗簾募訜嶂贫冗M(jìn)行重點(diǎn)研究。 主要通過(guò)鋁電解槽槽底的傳熱數(shù)學(xué)模型分析熱量的變化， 為鋁電解槽煙氣焙燒的加熱制度的制定提供理論依據(jù)；研究結(jié)果表明采用 72 小時(shí)的緩慢加熱制度較為合理，其主要體現(xiàn)在焙燒效果和焙燒經(jīng)濟(jì)性等方面。 為確保高溫?zé)煔獗簾椒ǖ挠行?shí)施， 研究開(kāi)發(fā)出了高溫?zé)煔獗簾到y(tǒng)，高溫?zé)煔獗簾到y(tǒng)主要由燃燒裝置和控制系統(tǒng)構(gòu)成。說(shuō)明了控制系統(tǒng)的硬件組成、控制算法和軟 件的實(shí)現(xiàn)。以鋁電解槽陰極表面溫度和煙氣中的空氣過(guò)剩系數(shù)為主要控制參數(shù)。通過(guò)用增量據(jù)論文研究的加熱制度和現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定的風(fēng)油比例系數(shù)對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行有效的控制，實(shí)現(xiàn)了鋁電解槽的高溫?zé)煔獗簾?論文所研究開(kāi)發(fā)的基于5電解槽上進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用并取得較好的效果。 關(guān)鍵詞 ：鋁電解槽，高溫?zé)煔獗簾?法，加熱制度，焙燒控制系統(tǒng) 工程碩士學(xué)位論文 of in by of as of at be is In of in In of we s of of of In is as on of in 工程碩士學(xué)位論文 to s in is s of in of 2h is in In to be of is on up is s to is of in on on LC ID is on 5 kA of t. d, 程碩士學(xué)位論文 目 錄 錄 摘 要. .一章 緒 論. 1 鋁發(fā)展概況 .解鋁工業(yè)發(fā)展概況 .解法煉鋁工藝流程 .電解槽發(fā)展概況 .響鋁電解槽壽命的因素分析 .文研究的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 .二章 鋁電解槽的焙燒方法.電解槽的陰極結(jié)構(gòu) .電解槽焙燒方法 .溫?zé)煔獗簾?.第三章 鋁電解槽高溫?zé)煔饧訜嶂贫鹊倪x擇. 物理模型及簡(jiǎn)化假設(shè).基本方程 . 邊界條件.型求解及計(jì)算工況 . 模型求解. 計(jì)算工況.陰極上下表面溫度及表面熱流 . 快速加熱制度時(shí)鋁電解槽槽底斷面溫度分布. 慢速加熱制度時(shí)鋁電解槽槽底斷面溫度分布.程碩士學(xué)位論文 目 錄 表面溫度變化 . 供熱強(qiáng)度和燃料消耗量的變化. 加熱終了時(shí)電解槽槽底各層的溫度分布. 各焙燒制度的比較. 結(jié) .四章 高溫?zé)煔獗簾^(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).制系統(tǒng)輔助裝置 .結(jié) .第五章 鋁電解槽高溫?zé)煔獗簾夹g(shù)的工業(yè)應(yīng)用.5.結(jié) .第六章 結(jié)論. 參 考 文 獻(xiàn). 48 致 謝. .程碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 1第一章 緒 論 鋁發(fā)展概況 煉鋁的歷史可劃分為兩個(gè)階段：化學(xué)法煉鋁階段和電解法煉鋁階段。 1、化學(xué)法煉鋁階段 1825 年丹麥厄爾施泰用鉀汞還原無(wú)水氯化鋁，得到一種灰色的金屬粉末，在研磨時(shí)呈現(xiàn)銀色光澤，但當(dāng)時(shí)未能加以鑒定。 1827 年，德國(guó)韋勒用鉀代替甲汞還原無(wú)水氯化鋁，也得到鋁灰色粉末。 1845 年，他把氯化鋁蒸氣通過(guò)熔融鉀表面，結(jié)果得到金屬鋁珠，每個(gè)重 10 15 毫克。后來(lái)法國(guó)的維特爾用鈉代替鉀還原 取出金屬鋁。 1854 年在法國(guó)巴黎附近建立了鈉還原法煉鋁小工廠。 1865 年俄國(guó)別克托夫提議用鎂還原冰晶石 來(lái)生產(chǎn)鋁，這種方案后來(lái)在德國(guó)蓋墨林根鋁廠得到采用。后來(lái)在 1887 1888 年間，電解法煉鋁工廠開(kāi)始投入生產(chǎn)，化學(xué)法便逐漸停止了。 2、電解法煉鋁階段 1807 年英國(guó)的戴維曾試驗(yàn)電解法煉鋁，但未成功。1854 得金屬鋁。維特爾還試驗(yàn)了各種以冰晶石為基礎(chǔ)的混合熔鹽電解，曾提出要用氯化鋁來(lái)補(bǔ)充冰晶石電解質(zhì)里的鋁。但是，在那時(shí)用蓄電池作電源太貴了，而且不能獲得較大的電流，因而不能用電解法進(jìn)行工業(yè)實(shí)驗(yàn)。后來(lái)1867年發(fā)明了發(fā)電機(jī)，并在1880年加以改進(jìn)，才使之可以用于工業(yè)生產(chǎn)。1883 年美國(guó) 的布雷德利提出了利用氧化鋁熔于熔融冰晶石的特性來(lái)電解冰晶石 年之后美國(guó)的霍爾和法國(guó)的埃魯不約而同地申請(qǐng)了冰晶石利并得到了批準(zhǔn)，這就是歷來(lái)稱(chēng)呼的霍爾1888年在美國(guó)匹茲堡電解廠內(nèi)建造了兩臺(tái)預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽，18871888年間，瑞士冶煉公司利用萊茵河上水力發(fā)電站的電力，采用冰晶石后其它各國(guó)相繼采用該法煉鋁。法國(guó)開(kāi)始于 1889 年，德國(guó)開(kāi)始于 1898 年，挪威開(kāi)始于 1906 年，意大利開(kāi)始于 1907 年，西班牙開(kāi)始于1927年，蘇聯(lián)開(kāi)始于1931年。 解鋁工業(yè)發(fā)展概況 自世界上首次發(fā)現(xiàn)鋁土礦以來(lái)，鋁工業(yè)已經(jīng)走過(guò)了一個(gè)世紀(jì)。其間中國(guó)的鋁工業(yè)也走 過(guò)了50多年的發(fā)展歷程，在“優(yōu)先發(fā)展鋁”的方針指引下，中國(guó)鋁工業(yè)取得了令世人 矚目的成績(jī)。我國(guó)自改革開(kāi)放以來(lái)尤其是20世紀(jì)90年代工程碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 2至今,鋁工業(yè)得到了高速發(fā)展,特別是經(jīng)過(guò)最近幾年的高速發(fā)展， 中國(guó)已經(jīng)成為全球鋁工業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn) 和亮點(diǎn)。我國(guó)采用先進(jìn)技術(shù)和裝備先后新建了山西鋁廠、平果鋁廠、中州鋁廠、青海鋁廠、華北鋁加工廠等大中型企業(yè)，同時(shí)，還對(duì)撫順?shù)X廠、貴州鋁廠、鄭州鋁廠、山東鋁廠、青銅峽鋁廠、西南鋁加工廠、蘭州鋁廠、焦作鋁廠、云南鋁廠等企業(yè)進(jìn)行了技術(shù)改造，此外，部分地區(qū)也積極推進(jìn)當(dāng)?shù)劁X工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，極大地改變了我國(guó)鋁工業(yè)整體技術(shù)裝備水平落后的狀況。據(jù)統(tǒng)計(jì):2002年我國(guó)年產(chǎn)原鋁436萬(wàn)噸,占世界原鋁產(chǎn)量的159%，在2003年，世界鋁產(chǎn)量排序上,我國(guó)由90年代初排位第七名, 2002年一舉躍居世界第一名,并穩(wěn)定保持，這是令世界矚目的成績(jī)。但是我國(guó)現(xiàn)有電解鋁廠數(shù)量多、規(guī)模小、集約化程度低、勞動(dòng)生產(chǎn)率低、電解效率低、電耗高、槽壽命短、環(huán)境污染嚴(yán)重。 據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)現(xiàn)有電解鋁廠133個(gè),年產(chǎn)10萬(wàn)噸以上的鋁廠僅10多家,小型鋁廠過(guò)多,因而造成投資分散,生產(chǎn)規(guī)模集中度不夠，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力弱。單位企業(yè)產(chǎn)能水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)外水平，難以形成規(guī)模 效應(yīng)。2003年，以原鋁產(chǎn)量排名的全球前9家企業(yè)的原鋁 產(chǎn)量在70萬(wàn)350萬(wàn)噸之間，位于第9名的中鋁的產(chǎn)量大約在72萬(wàn)噸。，年，。分散化的經(jīng)驗(yàn)背離了全球鋁工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，所導(dǎo) 致的后果就是中國(guó)鋁工業(yè)的整體喪失規(guī)模經(jīng)濟(jì)性，因此對(duì)于建設(shè)鋁廠條件不優(yōu)越的地方，要從嚴(yán)控制，避免盲目地建設(shè)那些技術(shù)落后，環(huán)境污染嚴(yán)重的自焙電解槽，應(yīng)當(dāng)把有限的資金和資源集中使用，建設(shè)技術(shù)先進(jìn)的現(xiàn)代大型預(yù)焙槽大廠，形成規(guī)模效益，增強(qiáng)綜合實(shí)力，使我國(guó)鋁工業(yè)盡快地趕上國(guó)際先進(jìn)水平。 從全球來(lái)看,除我國(guó)外,目前世界有產(chǎn)鋁國(guó)家42個(gè),電解鋁廠125個(gè),2002年全世界原鋁總產(chǎn)量 2750 萬(wàn)噸,鋁工業(yè)企業(yè)向大型化、規(guī)模化、集約化方向發(fā)展,電解鋁工藝技術(shù)向大型現(xiàn)代化預(yù)焙陽(yáng)極電解槽及其配套高新技術(shù)方向發(fā)展。 若以人均消費(fèi)量評(píng)價(jià),我國(guó)與世界差距更是驚人,2002年我國(guó)鋁消費(fèi)量425萬(wàn)噸,人均年消費(fèi)量 32 公斤,只占世界人均消費(fèi)量 4 公斤的 80%左右;發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)人均消費(fèi)量都在20公斤左右,其中:日本達(dá)32公斤、美國(guó)達(dá)29公斤、德國(guó)達(dá)26公斤。由此可見(jiàn)，我國(guó)在鋁的產(chǎn)消上尚有很大發(fā)展?jié)摿Α?解法煉鋁工藝流程 電解鋁是以氧化鋁為原料、以直流電提 供電化學(xué)反應(yīng)能和保證電解溫度、以氟化鹽為氧化鋁溶解的熔劑、以碳素陽(yáng)極為消耗性導(dǎo)電材料，同時(shí)利用鋁電解工程碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 3槽設(shè)備時(shí)行電解電化學(xué)反應(yīng)把氧化鋁生成原鋁 的過(guò)程，其生產(chǎn)的工藝流程如圖1示。 圖 1 電解法煉鋁工藝流程圖 電解鋁工藝的主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)為：電流效率、直流電單耗、綜合交流電單耗、陽(yáng)極單耗、氟化鹽單耗、陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)、槽壽命等。 鋁電解槽在正常的技術(shù)條件下和規(guī)范的操作下進(jìn)行電解生產(chǎn)。 電解槽的常規(guī)作業(yè)包括加料、出鋁、換極作業(yè)等幾項(xiàng)： 1、加料（：向電解槽中按需添加氧化鋁以確保電解生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行。 2、出鋁（：確保技術(shù)條件的穩(wěn)定性，定時(shí)按量從電解槽中抽出鋁液。 3、換極作業(yè)（：為確保生產(chǎn)的連續(xù)性，定期更換陽(yáng)極即取出殘極換上新極。 4、抬母線（：為確保生產(chǎn)的連續(xù)性，定期將陽(yáng)極母線大梁抬到上限位。 5、熄滅效應(yīng)（：陽(yáng)極效應(yīng)為鋁電解熔鹽 電解的特有現(xiàn)象，由于其的出現(xiàn)對(duì)電解指標(biāo)造成影響，需及時(shí)進(jìn)行熄滅。 工程碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 電解槽發(fā)展概況 冰晶石發(fā)明以來(lái)已有近百年的歷史了。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，鋁電解槽的生產(chǎn)技術(shù)有了重大的進(jìn)展，尤其是近三十年鋁電解技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步。鋁電解槽作為電解生產(chǎn)的主體設(shè)備如圖1電解槽發(fā)展體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面4： 圖 1業(yè)鋁電解槽示意圖 1、 陽(yáng)極的預(yù)焙化 工業(yè)鋁電解槽從發(fā)明到現(xiàn)代化生產(chǎn)經(jīng)歷了由預(yù)焙陽(yáng)極自焙陽(yáng)極連續(xù)預(yù)焙陽(yáng)極預(yù)焙陽(yáng)極的轉(zhuǎn)變。 這主要是基于對(duì)環(huán)保的要求和電解鋁生產(chǎn)成本的降低。通過(guò)對(duì)陽(yáng)極的集中焙燒可使其中的有害氣體（瀝青煙氣）進(jìn)行集中處理， 使其排放達(dá)標(biāo)； 同時(shí)預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽的煙氣更有利收集與干法凈化。陽(yáng)極的預(yù)焙化使得鋁電解槽的指標(biāo)更合理。 2、鋁電解槽的大型化 工業(yè)鋁電解槽的初期曾采用 40008000A 的電流其每日的產(chǎn)量?jī)H為 2040著 與鋁電解槽相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，鋁電解槽的電流強(qiáng)度已達(dá)到200350普通應(yīng)用于電解鋁工業(yè)生產(chǎn)） ；特別是法國(guó)彼施涅的電流強(qiáng)度已達(dá)到 500槽日產(chǎn)量為 3825列槽為臺(tái)系列產(chǎn)能為40萬(wàn)噸。由于鋁電解槽投資占電解鋁項(xiàng)目的%，同時(shí)隨著產(chǎn)能的增加，相關(guān)輔助設(shè)施的分?jǐn)傎M(fèi)用也會(huì)大幅下降，在條件允許的情況下，企業(yè)每每以增大產(chǎn)能來(lái)降低單位投資，這樣鋁電解槽的大型化也成為必然。 3、鋁電解槽的高效化 隨著預(yù)焙陽(yáng)極的使用、陽(yáng)極質(zhì)量的改善、陽(yáng)極電流 密度的提高； 電解槽按需下料的自動(dòng)控制應(yīng)用； 鋁電解槽設(shè)計(jì)模擬技術(shù)應(yīng)用， “三場(chǎng)”指標(biāo)優(yōu)化，鋁電解槽產(chǎn)量得以大幅提高，電流效率由70%提高到目前最高的96%、而電能消耗由鋁工業(yè)發(fā)展初期的42低到現(xiàn)在的134、鋁電解槽的長(zhǎng)壽化 鋁電解槽的壽命主要是指電解槽陰極壽命，電 工程碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 5解槽壽命已由鋁工業(yè)初期幾百天提升到現(xiàn)在的 20003000 天。隨著鋁電解槽的大型化，雖然噸鋁的單位投資不斷降低，但單 臺(tái)槽的投資卻在不斷提高，一臺(tái)190而300樣從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度來(lái)說(shuō)， 在鋁電解槽的大型化的同時(shí)更應(yīng)該考慮電解槽的陰極壽命。 現(xiàn)代工業(yè)鋁電解槽的發(fā)展主要體現(xiàn)在以上幾個(gè)方面， 在關(guān)注原鋁生產(chǎn)成本的同時(shí)我們不得不注重鋁電解槽壽命對(duì)原鋁成本的影響。 電解槽壽命與原鋁生產(chǎn)成本的關(guān)系 鋁電解槽作為原鋁生產(chǎn)的主體設(shè)備， 它不僅在電解鋁項(xiàng)目一次性投資中占較大的比例， 而且在正常生產(chǎn)過(guò)程中電解槽投資和投入費(fèi)用在原鋁成本中分?jǐn)偙壤灿绊懼髽I(yè)的經(jīng)濟(jì)效益， 所以投資者把鋁電解槽作為項(xiàng)目規(guī)模和項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。這里我們以山西關(guān)鋁股份有限公司電解一分廠的7590生產(chǎn)成本分?jǐn)傎M(fèi)用的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1a 鋁電解槽大修費(fèi)用占總成本比例 b 鋁電解槽壽命與大修分?jǐn)傎M(fèi)用關(guān)系 圖 1電解槽壽命與生產(chǎn)成本的關(guān)系 從圖中我們可看出： 1、鋁電解槽大修費(fèi)用雖占原鋁總成本不足4%（平均水平） ，但其隨槽壽命變化波動(dòng)較大； 2、隨著槽壽命縮短，尤其是鋁電解槽早期破損原鋁分?jǐn)偝杀敬蠓仙?，?至影響到企業(yè)的盈虧點(diǎn)。 在如此競(jìng)爭(zhēng)激勵(lì)的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中， 尤其是在宏觀政策調(diào)控的影響下 （銀跟緊縮、電力緊張、電價(jià)上漲、碳素材料供應(yīng)緊張、原鋁出口退稅取消及加收關(guān)稅和氧化4%96%大修綜合費(fèi)用 其它綜合費(fèi)用11425713802852281901631421263657301095146018252190255529203285123456789工程碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 6鋁進(jìn)口關(guān)稅的增收） ，電解鋁行業(yè)進(jìn)入微利時(shí)代甚至虧損時(shí)代。原鋁生產(chǎn)的利潤(rùn)空間已被壓榨得所剩無(wú)幾，挖潛增效已成所有原鋁生產(chǎn)企業(yè)追求的目標(biāo)，從槽壽命與原鋁生產(chǎn)分?jǐn)偝杀緛?lái)看，給人們提出鋁電解生產(chǎn)提出了一個(gè)新的課題 低原鋁的分?jǐn)偝杀?，增?qiáng)企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力？ 響鋁電解槽壽命的因素分析 鋁電解槽使用壽命的研究分析是鋁電解 生產(chǎn)中永恒的主題。由于其原鋁生產(chǎn)成本的相關(guān)性，同時(shí)也其也對(duì)鋁電解槽的生產(chǎn)指標(biāo)、設(shè)備利用率都有著較大的影響，為此我們有必要研究影響鋁電解槽壽命的未端因素。理論上講鋁電解槽的使用壽命可10年甚至10年以上，但在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，由于種種因素的影響槽壽命都不同程度地要打折扣，甚至出現(xiàn)早期破損（900） ，避免啟動(dòng)過(guò)程中的熱沖擊；陰極下表 面的溫度達(dá)到 750以上。 5） 陽(yáng)極電流分布 這是考核鋁液焙燒法和焦床焙燒法焙燒效果的重要指標(biāo)，陽(yáng)極電流分布的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差小于10%。 6） 陰極電流分布 這是考核鋁液焙燒法和焦 床焙燒法焙燒過(guò)程及所有焙方法最終焙燒效果的重要指標(biāo)，陰極電流分布的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差小于10%。 2、 經(jīng)濟(jì)方面 主要考慮鋁電解槽焙燒功率的利用率和焙燒時(shí)間對(duì)鋁電解槽設(shè)備利用率的影響，一般用單位能耗（kW/焙燒時(shí)間(h)來(lái)表示。 3、操作的可行性方面 主要考慮鋁電解槽焙燒投入的人力、操作標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)化操作的執(zhí)行難度、以及焙燒過(guò)程中的安全隱患等。 統(tǒng)焙燒方法的比較 鋁液焙燒法的弊端是 900以上的高溫鋁液直接接觸常溫的陰極炭塊及搗固糊，熱沖擊所引發(fā)的熱應(yīng)力會(huì)使炭塊內(nèi)襯產(chǎn)生裂紋或?qū)訝顒冸x，以及液體金屬可以通過(guò)炭塊內(nèi)襯的任何一個(gè)小裂縫進(jìn)入陰極底部， 并與耐火材料和保溫材料發(fā)生反應(yīng)，形成腐蝕空腔，并進(jìn)一步發(fā)展為泄漏。另外，由于高溫液體金屬的直接加入，使陰極表面和搗固糊的溫度迅速升至與液體金屬相近的溫度。鋁電解槽在啟動(dòng)初期的斷面溫度梯度很高（甚至高達(dá) 800 /m） ，在熱應(yīng)力作用下，很容易使陰極炭塊產(chǎn)生裂紋，降低鋁電解槽的壽命。而且該種方法不容易控制電解槽升溫的速度，同時(shí)其焙燒的完全性較差。 焦床焙燒法雖然不會(huì)導(dǎo)致高溫液體鋁滲入陰極，焙燒初期斷面溫度梯度也不是很大，但鋪設(shè)焦粒的操作復(fù)雜，要求的精度高。如果焦粒鋪設(shè)不均勻，在通電工程碩士學(xué)位論文 第二章 鋁電解槽的焙燒方法 12焙燒時(shí)會(huì)導(dǎo)致電流不均而使溫差過(guò)大。雖然焙燒初期的斷面溫度梯度不是很大，但隨著焙燒的進(jìn)行，炭塊表面溫度梯度逐漸加大，產(chǎn)生熱應(yīng)力不均勻，可導(dǎo)致變形和炭塊破裂。焦粒焙燒還會(huì)使陰極炭塊局部過(guò)熱，焙燒終了時(shí)測(cè)的陰極表面過(guò)熱和溫度分布不均，局部溫度高達(dá) 1600左右，溫差高達(dá) 1100以上，同時(shí)其的焙燒完全性也較差。 火焰焙燒法雖可對(duì)焙燒功率有效的控制，其焙燒的自動(dòng)性和完全性相對(duì)有所提高，但高溫火焰對(duì)電解槽的直接焙燒使其氧化加劇。 為了更有效地說(shuō)明焙燒方法的可控性、經(jīng)濟(jì)性、操作性和安全性，我們用下表來(lái)對(duì)比說(shuō)明。 表 2鋁電解槽傳統(tǒng)焙燒方法綜合定性比較一覽 焙燒功率可控性 焙燒經(jīng)濟(jì)性 項(xiàng) 目 升溫 梯度 溫度 分布 能量利 用率 焙燒 時(shí)間 完全性可操 作性 安全性 綜合 性能 鋁液焙燒法 1 2 1 1 1 2 3 9 焦床焙燒法 2 1 3 2 2 1 3 14 火焰焙燒法 3 3 2 3 3 3 1 18 注：1、2、3 分別表示為差、良、優(yōu) 從上表的定性比較中我們可以看出三 種方法的綜合性能以燃料焙燒法較為優(yōu)越， 但其不足之處在于安全性， 同時(shí)其焙燒過(guò)程中的陰陽(yáng)極氧化性更值得關(guān)注。為此我們選用了高溫?zé)煔獗簾ā?溫?zé)煔獗簾?高溫?zé)煔獗簾?是在燃料焙燒法基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的， 它可充分發(fā)揮燃料焙燒法的優(yōu)點(diǎn)即焙燒功率可控、焙燒操作自動(dòng)化、焙燒完全性、焙燒成本較低；同時(shí)克服完全隱患和鋁電解槽陰極的氧化、 灌入的電解液能填充陰極內(nèi)襯和人造伸腿因焙燒而出現(xiàn)的裂紋，有利于延長(zhǎng)槽壽命。其工作原理是利用燃料在燃燒室中完全燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔猓?然后利用高溫?zé)煔庠诘涂諝膺^(guò)剩條件下對(duì)電解槽有目的進(jìn)行焙燒，如圖 2示。 工程碩士學(xué)位論文 第二章 鋁電解槽的焙燒方法 1315 保溫蓋板，6 2高溫?zé)煔獗簾ㄊ疽鈭D 高溫?zé)煔獗簾夹g(shù)與火焰直接加熱的燃料焙燒技術(shù)相比， 最大的區(qū)別在于煙氣焙燒技術(shù)采用燃料預(yù)燃室完全燃燒方式， 利用燃燒完全的高溫?zé)煔鈱?duì)鋁電解槽進(jìn)行焙燒，煙氣氧含量有效控制在1%以?xún)?nèi)，解決陰、陽(yáng)極燃燒與氧化等問(wèn)題。 認(rèn)文采用的高溫?zé)煔獗簾b置主要包括：燃燒裝置，保溫密封蓋板、燃料與空氣供給系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。 燃燒裝置的作用是： 使充分霧化的燃料完全燃燒， 將其所產(chǎn)生的高溫?zé)煔?（低空氣過(guò)剩系數(shù)） 通過(guò)噴射裝置以一定的速度直接噴入鋁電解槽陰極與陽(yáng)極所形成的空間中，將鋁電解槽加熱至啟動(dòng)所必需的溫度（900 C） ，燃燒裝置在設(shè)計(jì)已考慮煙氣分布的均勻性（論文不作研究） 。 燃燒裝置由五部分組成，分別是燃燒器、燒嘴磚、預(yù)燃室、分配室和噴射管，其結(jié)構(gòu)示意如圖22123 2燃燒裝置示意圖 工程碩士學(xué)位論文 第二章 鋁電解槽的焙燒方法 14圖 2燃燒裝置實(shí)物照片 保溫密封蓋板的作用是： 保證在焙燒期間整個(gè)電解槽內(nèi)部形成一個(gè)有利于煙氣循環(huán)的空間，并使煙氣通過(guò)頂部散熱量足夠小,實(shí)物如圖2燃料與空氣供給系統(tǒng)的作用是：保證燃料與空氣的供給量按控制要求供給。 整個(gè)焙燒過(guò)程中應(yīng)保證鋁電解槽表面的熱流密度分布均勻， 各階段的加熱強(qiáng)度和溫升速度能夠有效地調(diào)節(jié)控制，從而使鋁電解槽陰極內(nèi)部的溫度分布均勻、斷面梯度較小，并且鋁電解槽陰極表面無(wú)明顯氧化燒損。由于整個(gè)焙燒過(guò)程將持續(xù) 72 小時(shí)以上，為了能夠很好的使電解槽的溫度按給定曲線上升、狀態(tài)監(jiān)視以及故障報(bào)警，有必要采用自動(dòng)控制。 圖 2氣焙燒系統(tǒng)各裝置的實(shí)物照片 結(jié) 經(jīng)過(guò)對(duì)目前國(guó)內(nèi)外采用的鋁電解槽焙燒方法從焙燒功率可控性、經(jīng)濟(jì)性、完全性、可操作性等進(jìn)行定性比較，論文認(rèn)為已的選用高溫?zé)煔獗簾椒樽詈侠淼摹?工程碩士學(xué)位論文 第三章 鋁電解槽高溫?zé)煔饧訜嶂贫鹊倪x擇 15第三章 鋁電解槽高溫?zé)煔饧訜嶂贫鹊倪x擇 在鋁電解槽啟動(dòng)之前需要對(duì)其陰極進(jìn)行焙燒， 減小啟動(dòng)時(shí)的熱應(yīng)力以及可能對(duì)槽體造成的損害，從而延長(zhǎng)鋁電解槽的使用壽命。雖然我們具備較為科學(xué)的焙燒技術(shù)和方法， 但合理的加熱制度是保證電解槽焙燒效果及電解槽使用壽命的必要條件。電解槽焙燒良好的標(biāo)準(zhǔn)是3、5：以足以避免陰極材料產(chǎn)生熱應(yīng)力的低速度把碳素材料加熱到電解槽的操作溫度（900以上） ，盡量使陰極表面加熱的溫度梯度最小，以避免在表面上產(chǎn)生熱應(yīng)力；保證全部生糊區(qū)的瀝青的熱解速度，以使焙燒糊具有最佳特性。 對(duì)于碳素糊料的加熱過(guò)程而言，理想的加熱制度是49：在200以前為碳素糊料的軟化階段，主要是排除吸附水和化合水，升溫速度可以而且應(yīng)加快，可達(dá)10/h，否則軟化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)易造成 碳素材料變形；在 200700之間，特別是200500是碳素糊料的揮發(fā)份大量排出的階段，此階段升溫速度應(yīng)盡可能慢，不宜超過(guò)5/h，否則揮發(fā)份急劇排出使之產(chǎn)生焙燒裂紋，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度降低、氣孔度增加；在700以上，粘結(jié)劑的焦化過(guò)程已基本完成，此階段可以適當(dāng)加快，可達(dá) 10/h。根據(jù)上述要求，可以計(jì)算出碳素糊料理論上較理想的焙燒時(shí)間應(yīng)達(dá)到136小時(shí)以上。但從經(jīng)濟(jì)上看，焙燒時(shí)間不是越長(zhǎng)越好，因?yàn)閷?duì)100臺(tái)280延長(zhǎng)一天，多支出63萬(wàn)元電費(fèi)。當(dāng)然焙燒時(shí)間也不是越短越好，縮短焙燒時(shí)間可能造成的槽壽命縮短會(huì)增加大修費(fèi)20，還會(huì)損失約10個(gè)槽日。因此，焙燒時(shí)間是加熱制度的一個(gè)重要參數(shù)。 目前，國(guó)內(nèi)電解槽實(shí)際的焙燒時(shí)間是5：對(duì)鋁液焙燒，一般大型預(yù)焙槽的焙燒時(shí)間為 78 晝夜；對(duì)焦粒焙燒，一個(gè)典型的焦粒焙燒時(shí)間約需 72 小時(shí)；對(duì)石墨焙燒，當(dāng)測(cè)量爐底的平均焙燒溫度達(dá)到780時(shí)，就具備了啟動(dòng)條件，到達(dá)780的啟動(dòng)溫度平均只需72小時(shí)。關(guān)于熱焙燒的焙燒時(shí)間，除我們的研究外，國(guó)內(nèi)未見(jiàn)其他報(bào)道；在國(guó)外，的報(bào)道48，焙燒時(shí)間波動(dòng)于4872小時(shí)之間。 除焙燒時(shí)間外，升溫速度、電解槽槽底溫度分布等也是制定合理加熱制度的重要依據(jù)。因此，本章通過(guò)鋁電解槽槽底的傳熱數(shù)學(xué)模型分析，從鋁電解槽高溫?zé)煔獗簾膫鳠崽匦猿霭l(fā)， 理論上探討升溫速度對(duì)鋁電解槽槽底斷面溫度分布的影響以及碳質(zhì)材料熱物性對(duì)電解槽槽底溫度場(chǎng)的影響1、39， 研究各種加熱制度下的溫度分布、供熱強(qiáng)度和燃料消耗量的變化，為鋁電解槽煙氣焙燒的加熱制度的制定提供理論依據(jù)。 工程碩士學(xué)位論文 第三章 鋁電解槽高溫?zé)煔饧訜嶂贫鹊倪x擇 電解槽槽底傳熱數(shù)學(xué)模型描述 理模型及簡(jiǎn)化假設(shè) 研究對(duì)象為山西關(guān)鋁股份有限公司75于物理模型的對(duì)稱(chēng)性，取電解槽槽底的 1/4 為計(jì)算對(duì)象。 電解槽槽底結(jié)構(gòu)如圖3電解槽結(jié)構(gòu)及工藝技術(shù)參數(shù)如表3對(duì)物理模型作如下假設(shè): 1、 槽底各層內(nèi)襯視為均質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)， 其溫度場(chǎng)用傳熱微分方程描述。 2、 忽略液態(tài)瀝青轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)結(jié)構(gòu)的相變熱能， 據(jù)估計(jì)這部分熱量在總的熱平衡中不超過(guò)5。 3、 槽底各層之間緊密接觸，不考慮接觸熱阻。 表 3電解槽槽底尺寸及物性參數(shù) 槽底結(jié)構(gòu) 側(cè)部結(jié)構(gòu) 工藝技術(shù)參數(shù) 硅酸鈣板 火磚 流強(qiáng)度 75化鋁粉 部炭塊 0. 060m 槽工作電壓 溫磚 極到側(cè)壁距離 m 陽(yáng)極電流密度 膛深度 陰極炭塊 本方程 電解槽槽底的傳熱屬于固體三維不定態(tài)導(dǎo)熱，其基本方程為1： )()( (上式中本模型中，主要考慮為陰極扎糊的水分及揮發(fā)份蒸發(fā)而吸收的熱。扎糊水分蒸發(fā)假設(shè)全部發(fā)生于某一固定溫度下，水的汽化潛熱為保溫導(dǎo) 耐火層 陰極 陰極上表面 邊部 陰極下表面 底部 圖 3計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分示意圖 工程碩士學(xué)位論文 第三章 鋁電解槽高溫?zé)煔饧訜嶂贫鹊倪x擇 176=，J/中 界條件 陰極上表面的邊界條件 陰極上表面?zhèn)鳠岬倪吔鐥l件按第三類(lèi)邊界條件處理，即 01)()(= (式中加熱氣體的溫度，f(t)；1 電解槽內(nèi)腔的綜合傳熱系數(shù)，1 = ；輻射傳熱系數(shù)，W/，按下式計(jì)算: )/()100()100(1114411210+=(體的吸收率 ，可用下列經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算97。 )(.(/+=(式中 K。上式的適用范圍為溫度在 450 1650 , 2l=8 60 130 1 氣體的黑度，可用下列經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算98。 21 += (+=00()100()+=)100()+=, 對(duì)流傳熱系數(shù)，考慮為輻射傳熱系數(shù)的15%。 槽底側(cè)面及槽底底面的邊界條件 側(cè)面及底面?zhèn)鳠岬倪吔鐥l件仍按第三類(lèi)邊界條件處理，即 002)()(= (工程碩士學(xué)位論文 第三章 鋁電解槽高溫?zé)煔饧訜嶂贫鹊倪x擇 18式中0T 電解槽側(cè)面或底面的環(huán)境溫度, 2 根據(jù)的值，由經(jīng)驗(yàn)公式確定。 各種內(nèi)襯材料的導(dǎo)熱系數(shù)如下（單位：W/(45、46、47、48、49: A. 硅酸鈣板（g/： =0B. 氧化鋁粉(含1%)： =0C. 保溫磚（在鋁電解槽上使用過(guò)，g/： =0D. 耐火磚（在鋁電解槽上使用過(guò)，g/： =103(E. 陰極鋼棒：=F. 陰極炭塊（在鋁電解槽上使用過(guò)） ：=103(G. 底糊（在鋁電解槽上使用過(guò)，g/g/ ： =103(H. 側(cè)部炭塊（在鋁電解槽上使用過(guò)） ：=103(式(構(gòu)成鋁電解槽槽底傳熱數(shù)學(xué)模型的全部方程。 型求解及計(jì)算工況 型求解 采用內(nèi)節(jié)點(diǎn)方法離散計(jì)算區(qū)域，選用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，計(jì)算模型劃分的網(wǎng)格單元數(shù)為 183222 個(gè)，其網(wǎng)格劃分如圖 3示。用隱式差分格式對(duì)三維溫度場(chǎng)進(jìn)行求解。 算工況 為考察加熱制度對(duì)鋁電解槽槽底斷面溫度分布、供熱強(qiáng)度和燃料消耗量的影響，用上述已建立的傳熱模型對(duì)不同加熱制度條件下的傳熱特性進(jìn)行了計(jì)算，個(gè)加熱制度分別為： 極限速度加熱： 時(shí) T f=1233 K 加熱制度2： t20 小時(shí) T f=423+40t K; t20 小時(shí) T f=1233 K 加熱制度3： t27 小時(shí) T f=423+30t K; t27 小時(shí) T f=1233 K 加熱制度4： t40 小時(shí) T f=423+20t K;