240KA铝电解槽的设计计算
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Nb＝K×大修槽数×大修时间=1.5×57×60/365≈14.05 取14台 上式中 K为备用槽系数，一般为1～2，本设计取为1.5；取大修时间 为60天。
总槽数＝生产槽数＋备用槽数＝314+14＝328 台
产量衡算：
系列原始产量： (1) 314台生产时：663.21×314=208247.94 t (2) 328台生产时：663.21×328=217532.88 t
阳极压降：
夹具压接压降：6mv； 铝导杆压降：10mv; 铝一钢爆炸焊片压降：15mv;
钢爪压降：50mv;
钢炭接触压牌：70mv; 阳极炭块压牌：200mv;
△V阳=0.36V
阴极压降
母线压降：
△V阴=0.35V
母线压降在槽上基本不变，其实际值取决于电解槽的母线配置及安装，母线 配置一旦确定，母线本体压降即确定，各焊接点压降取决于第一次安装时焊 接的质量，但立柱母线与阳极大母线同焊接点的压降每次大修后视接触面清 理程序而有变化，电解槽通电后此值不会改变。
△V母=0.18V
V平=1.80+1.50+0.02+0.35+0.18=4.20V
铝电解槽电压平衡表
电压平衡（V）
E反 △V质 △V效应 △V阳 △V阴 △V母 合计
240KA预赔槽 1.80 1.50 0.02 0.36 0.35 0.18 4.20
二、能量和物料平衡概算：
1、物料平衡计算
以1小时为计算基础，平均电流强度取240KA，电流效率94%
根据热力学第一定律，反应效应△H0T：
b、补偿加热原材料所需的能量
c、母线损失的能量： A母=240×0.18=43.2kw
d、电解槽的热损失（按差额）：
A损=1008-43.2-433.17-52.85=478.78kw
能量平衡表
能量收入 项目
A电
Kwh/h 1008
总计
1008
%
能量收入
项目
12×2台 12 5 13×2台
2、母线提升机： 共用4台，每栋2台，为带有32个隔膜气缸驱动的吊挂装置
及松闭卡具的风动扳手，另带两个为风动扳手跨越立柱的提升 气缸。
A、多功能机组的主要技术参数如下：
大 车：跨度m 22.5
液压系统：工作压力Mpa 12
运行速度：m/min 94
油流量l/min 25
电动机功率：kw 11×2台
主小车：运行速度m/min 33
运行机构电动机功率kw 3.7
司机空回转速度r/min 2-3 对阳极拔力 t
11
阳极拔出速度m/min 4.45 扭转夹具力矩N·m 250
铝电解槽电压的平衡计算 能量和物料平衡概算 电解槽选型、台数的计算以及产量的衡算 辅助设备选择及计算 电力制度设计 电解厂房及电解槽配置
铝电解槽的设计计算：
• 基础数据：产量：20万吨/年 铝锭
•
容量：240KA
•
阳极电流密度：0.733A/cm2
•
效应系数：<0.2次/槽·日
3329 0.21
17870 1.13
666 0.04
281809 17.87
项目 原铝 冰晶石 氟化铝 氟化钙 碳损 失量
㎏/h 75.69 0.38 2.04 0.076
5.31
CO2 生成量
86.61
合计
平衡 差额
179.98 4319.98 1576677 99.99
CO 生成量
氧化 铝损失
铝电解的总反应式：
Al2O3+3/(1+N)C=2Al＋3N/(1+N)CO2＋3(1-N)/(1+N)CO
其中，N：CO2的质量分数：
当一次阳极气体的成份为100% CO2，则CO是产生的Al与作CO2用的结果， 一次反应电流利用率100%，由此一次反应为Al2O3+1.5C=2Al+1.5CO2 若电流效率为η，其二次反应：
实际炭耗量=425×75.6888×10-3=32.17kg/h 炭损失量=32.17-26.86=5.31kg/h 炭耗指数=（32.17/26.86）×100%=120%
(5) 反应生成的气体量：
CO2生成量=（3×0.88×44×75.6888）/［（1+0.88）×54］ =86.61kg/h
(1) 电解槽铝产量：
η=CIη=0.3355×240×0.94=75.6888=75.69kg/h
(2) 氧化铝的消耗量：取Al2O3单耗为1920kg/t·Al
氧化铝实际消耗量=75.69×1.92=145.32kg/h； 氧化铝理论消耗量=75.69×1.89=142.97kg/h; 氧化铝的损失量=145.32-142.97=2.35kg/h
(3) 氟盐消耗量：
取冰晶石单耗为5kg/t·Al，氟化铝单耗27kg/t·Al，氟化钙：1kg/t·Al 冰晶石消耗量 = 75.69×0.005=0.38kg/h 氟化铝消耗量 = 75.69×0.027=2.04kg/h 氟化钙消耗量 = 75.69×0.001=0.076kg/h
(4) 阳极炭块消耗量：
其中，V槽=E极+△V质+△V阳+△V阴
E极=4.241-0.147×-0.0177×Al203%+0.027×MgF2%0.001×CaF2%-0.0129×NaCl%-0.0195×LiF%+0.125×d阳0.0022×t℃
取分子比为：2.4 Al2O3为2% CaF2，为5% t：955℃ E极 =1.87V;
设定规模：200000t/a；铸造成品实收率：99.2%；设计槽寿命：2000 天，停槽周期：60天；
则开动率=2000/(2000+60)×100%=97.08% 生产槽数
NP =200000/（663.21×99.2％×97.08％）=313.14台；取314台 大修槽数
Nr＝生产槽数/槽寿命＝314/5.48≈57.30 台 取57台 备用槽数
CO的生成量=［3×（1-0.88）×28×75.6888］/［（1+0.8） ×54］=7.52kg/h
物料平衡表
项目 氧化铝 冰晶石 氟化铝 氟化钙
㎏/h 145.32 0.38 2.04 0.076
收入 ㎏/天 3488 9.12 48.96 1.82
碳块 32.17 772.08
㎏/年
%
1273003 81
铝电解槽寿命受到设计、材料、筑炉、焙烧启动、操作等多方面的综 合作用。要保证上述槽寿命，从设计上，因石墨化碳块的电解槽运行平稳， 优先选用石墨化阴极碳块。
同时，也可以考虑采用高润湿、抗磨蚀、低钠蚀、低电阻的新型阴极 技术，如铝电解TiB2涂层新技术，经工业试验验证，TiB2涂层可延长槽龄12年、吨铝节电200kWh以上、提高电流效率1%以上，目前，该技术已被列 为国家重点新技术加以推广。
100
A材
A反
A母
A损
100
总计
Kwh/h
52.85 433.17 43.2 478.78 1008
%
5.24 42.97 4.29 47.50 100
电解槽的电能消耗率：W=4.2/0.3355/0.94=13.32kwh/kg.Al 根据不朗特兰（Bratland）的报道理论上生产1000克铝电解
A电=U平均I=4.20×240=1008kw (2) 能量支出：
a、补偿电解反应所需的能量
当 电 解 生 产 的 电 流 效 率 为 100% 时 ， 其 补 偿 反 应 热 效 应 的 能 量 是 5.63kwh/kgAl，但电流效率不可能达到100%，因此，考虑到电流 效率的电解反应是：
Al2O3+3/2ηC=2Al+3(2η-1)/2ηCO2+3(1-η)/ηCO
取铸造成品实收率为99.2％，故314台槽生产时相 应的铸造产品产量为：
208247.94×99.2％＝206581.96 t
即：所设计的电解槽能达到所要求的年产量。
四、辅助设备选择及计算：
1、多功能机组： 铝电解多功能机组具有以下7种功能，即：
1）打壳； 2）往电解槽内加氧化铝； 3）更换阳极； 4）从电解槽内用真空抬包抽吸铝液； 5）吊运母线提升架转接阳极母线； 6）吊运电解槽槽壳； 7）吊运其它重物。
合计
7.52 2.35 179.976 0.01
支出 ㎏/天 1816.56 9.12 48.96 1.82 127.44
2078.64
180.48
56.4 4319.42
0.56
㎏/年 43597.44 218.88 1175.04 43.776 3058.56
49887.36
4331.52
1353.6 103666.2
用该式算出的极化电压偏高，大约高出实测量0.05-0.1V，因此 取E极=1.8V左右。
电解质压降：
一般可由下式取得
△V质 =
I L K X S阳
其中：I：为电流强度，（A）；S阳：为阳极水平截面积 （cm2）; △L：为极距改变值（cm）； X：为电解质导电率
（欧-1·厘米-1）； K：为校正值，一般取8。
选用240KA中间点式下料预焙阳极铝电解槽，设计电流强度 为240KA，电流效率为94％，则
Q日 ＝ 0.3356Iηt×10-3 ＝ 0.3356×240000×0.94×10-3×24 ＝ 1817.07（kg / 槽·日）
Q年 ＝ 1.817×365＝663.21（t / 槽·年）
电解槽数量：
槽消耗的电能为 W=△HT°+△H材t1-t3=5.63+0.7=6.33kw
电解槽的电能利用率：η电能=（6.33/13.32）×100%=47.5%
三、电解槽选型及台数的计算以产量的衡算：
电解槽寿命论证：
目前，国外大型预焙槽寿命都在2500天以上，而国内的平均水平约为 1800天以上。本设计槽寿命为2000天，即2000/365＝5.48年。
料箱装氧化铝量m3 4.0
打击头冲击次数，Hz 21
冲击力 J 85~100 (相当于压缩空气压力为0.5Mpa时)
副小车：起重量t 12 运行电动机功率kw 3.7 提升电动机功率kw 15
运行速度m/min 33/5.5 提升速度m/min 4.6-4.9
固定式起重机：额定起重量t 最大提升高度m 提升速度m/min 提生电动机功率kw
87.24
% 42.06 0.21 1.13 0.04 2.95
48.12
4.18
1.31 100 0.01
2、能量平衡：
以1小时为计算基础，取电解温度为950℃，在计算中以电解温度作 为能量平衡的温度基准，并以电解槽整体作为计算体系： 由能量的平衡式：A电=A反+A材+A损失 (1) 电能收入：
240KA铝电解槽的设计计算
完整的铝电解车间设计包含以下几个方面：
厂址的选择与论证 电解方案与技术经济指标的选择与论证 铝电解槽的设计计算 铝电解槽结构与计算 铝电解烟气净化及原料输送 铝电解槽正常生产管理 技术经济评价及基本核算 铝电解槽送电及预热和启动
铝电解槽的设计计算
2（1-η）Al+3（1-η）CO2=(1-η)Al2O3+3(1-η)CO
N=
1.5 3(1 )
2 1 N=0.88
[1.5 3(1 )] 3(1 )
理论炭耗量=（3×12.011×75.6888）/（1.88×54）=26.86kg/h
取实际炭耗量为 425kg/t·Al
此外，还可以采用铝电解槽智能模糊控制技术；采用节省能源抗渗透 抗侵蚀的新型耐火保温材料，加强电解槽底部保温，提高和改进电解槽底 部保温材料的质量和性能，提高电解槽的砌筑质量；提高操作人员的操作 水平以及促使管理人员做到精细管理等等。
千方百计从技术进步上实现电解槽的长寿命。
电解槽单槽日产量和年产量：
阳极效应分担压降：
阳极效应分担压降可按下式进行计算，即
△V效应=
K(U效应 U槽 )t 1440
其中：K：为阳极效应系数，（次/槽·日）；在此为0.1次/槽·日； △V效应：为发生阳极效应时的槽电压，35（V）； U槽：为槽电压4.06-4.22（V）： t：阳极效应持续的时间（min）：在此为3min U效应=（0.1×30.82×3）/1440=0.017V
•
电流效率：94%
•
阳极碳块尺寸：1550×660×550
• 单槽原铝产量：
•
Hale Waihona Puke Baidu
日产 240×0.94×0.3355×24 = 1816.5 Kg
•
年产 1816.5×365×0.001 = 663 t
一、铝电解槽电压的平衡计算：
V平=△V槽+△V母+△V效应； △V槽：电解槽的工作电压； △V母：槽外母线电压降； △V效应：阳极效应分摊压降；
总槽数＝生产槽数＋备用槽数＝314+14＝328 台
产量衡算：
系列原始产量： (1) 314台生产时：663.21×314=208247.94 t (2) 328台生产时：663.21×328=217532.88 t
阳极压降：
夹具压接压降：6mv； 铝导杆压降：10mv; 铝一钢爆炸焊片压降：15mv;
钢爪压降：50mv;
钢炭接触压牌：70mv; 阳极炭块压牌：200mv;
△V阳=0.36V
阴极压降
母线压降：
△V阴=0.35V
母线压降在槽上基本不变，其实际值取决于电解槽的母线配置及安装，母线 配置一旦确定，母线本体压降即确定，各焊接点压降取决于第一次安装时焊 接的质量，但立柱母线与阳极大母线同焊接点的压降每次大修后视接触面清 理程序而有变化，电解槽通电后此值不会改变。
△V母=0.18V
V平=1.80+1.50+0.02+0.35+0.18=4.20V
铝电解槽电压平衡表
电压平衡（V）
E反 △V质 △V效应 △V阳 △V阴 △V母 合计
240KA预赔槽 1.80 1.50 0.02 0.36 0.35 0.18 4.20
二、能量和物料平衡概算：
1、物料平衡计算
以1小时为计算基础，平均电流强度取240KA，电流效率94%
根据热力学第一定律，反应效应△H0T：
b、补偿加热原材料所需的能量
c、母线损失的能量： A母=240×0.18=43.2kw
d、电解槽的热损失（按差额）：
A损=1008-43.2-433.17-52.85=478.78kw
能量平衡表
能量收入 项目
A电
Kwh/h 1008
总计
1008
%
能量收入
项目
12×2台 12 5 13×2台
2、母线提升机： 共用4台，每栋2台，为带有32个隔膜气缸驱动的吊挂装置
及松闭卡具的风动扳手，另带两个为风动扳手跨越立柱的提升 气缸。
A、多功能机组的主要技术参数如下：
大 车：跨度m 22.5
液压系统：工作压力Mpa 12
运行速度：m/min 94
油流量l/min 25
电动机功率：kw 11×2台
主小车：运行速度m/min 33
运行机构电动机功率kw 3.7
司机空回转速度r/min 2-3 对阳极拔力 t
11
阳极拔出速度m/min 4.45 扭转夹具力矩N·m 250
铝电解槽电压的平衡计算 能量和物料平衡概算 电解槽选型、台数的计算以及产量的衡算 辅助设备选择及计算 电力制度设计 电解厂房及电解槽配置
铝电解槽的设计计算：
• 基础数据：产量：20万吨/年 铝锭
•
容量：240KA
•
阳极电流密度：0.733A/cm2
•
效应系数：<0.2次/槽·日
3329 0.21
17870 1.13
666 0.04
281809 17.87
项目 原铝 冰晶石 氟化铝 氟化钙 碳损 失量
㎏/h 75.69 0.38 2.04 0.076
5.31
CO2 生成量
86.61
合计
平衡 差额
179.98 4319.98 1576677 99.99
CO 生成量
氧化 铝损失
铝电解的总反应式：
Al2O3+3/(1+N)C=2Al＋3N/(1+N)CO2＋3(1-N)/(1+N)CO
其中，N：CO2的质量分数：
当一次阳极气体的成份为100% CO2，则CO是产生的Al与作CO2用的结果， 一次反应电流利用率100%，由此一次反应为Al2O3+1.5C=2Al+1.5CO2 若电流效率为η，其二次反应：
实际炭耗量=425×75.6888×10-3=32.17kg/h 炭损失量=32.17-26.86=5.31kg/h 炭耗指数=（32.17/26.86）×100%=120%
(5) 反应生成的气体量：
CO2生成量=（3×0.88×44×75.6888）/［（1+0.88）×54］ =86.61kg/h
(1) 电解槽铝产量：
η=CIη=0.3355×240×0.94=75.6888=75.69kg/h
(2) 氧化铝的消耗量：取Al2O3单耗为1920kg/t·Al
氧化铝实际消耗量=75.69×1.92=145.32kg/h； 氧化铝理论消耗量=75.69×1.89=142.97kg/h; 氧化铝的损失量=145.32-142.97=2.35kg/h
(3) 氟盐消耗量：
取冰晶石单耗为5kg/t·Al，氟化铝单耗27kg/t·Al，氟化钙：1kg/t·Al 冰晶石消耗量 = 75.69×0.005=0.38kg/h 氟化铝消耗量 = 75.69×0.027=2.04kg/h 氟化钙消耗量 = 75.69×0.001=0.076kg/h
(4) 阳极炭块消耗量：
其中，V槽=E极+△V质+△V阳+△V阴
E极=4.241-0.147×-0.0177×Al203%+0.027×MgF2%0.001×CaF2%-0.0129×NaCl%-0.0195×LiF%+0.125×d阳0.0022×t℃
取分子比为：2.4 Al2O3为2% CaF2，为5% t：955℃ E极 =1.87V;
设定规模：200000t/a；铸造成品实收率：99.2%；设计槽寿命：2000 天，停槽周期：60天；
则开动率=2000/(2000+60)×100%=97.08% 生产槽数
NP =200000/（663.21×99.2％×97.08％）=313.14台；取314台 大修槽数
Nr＝生产槽数/槽寿命＝314/5.48≈57.30 台 取57台 备用槽数
CO的生成量=［3×（1-0.88）×28×75.6888］/［（1+0.8） ×54］=7.52kg/h
物料平衡表
项目 氧化铝 冰晶石 氟化铝 氟化钙
㎏/h 145.32 0.38 2.04 0.076
收入 ㎏/天 3488 9.12 48.96 1.82
碳块 32.17 772.08
㎏/年
%
1273003 81
铝电解槽寿命受到设计、材料、筑炉、焙烧启动、操作等多方面的综 合作用。要保证上述槽寿命，从设计上，因石墨化碳块的电解槽运行平稳， 优先选用石墨化阴极碳块。
同时，也可以考虑采用高润湿、抗磨蚀、低钠蚀、低电阻的新型阴极 技术，如铝电解TiB2涂层新技术，经工业试验验证，TiB2涂层可延长槽龄12年、吨铝节电200kWh以上、提高电流效率1%以上，目前，该技术已被列 为国家重点新技术加以推广。
100
A材
A反
A母
A损
100
总计
Kwh/h
52.85 433.17 43.2 478.78 1008
%
5.24 42.97 4.29 47.50 100
电解槽的电能消耗率：W=4.2/0.3355/0.94=13.32kwh/kg.Al 根据不朗特兰（Bratland）的报道理论上生产1000克铝电解
A电=U平均I=4.20×240=1008kw (2) 能量支出：
a、补偿电解反应所需的能量
当 电 解 生 产 的 电 流 效 率 为 100% 时 ， 其 补 偿 反 应 热 效 应 的 能 量 是 5.63kwh/kgAl，但电流效率不可能达到100%，因此，考虑到电流 效率的电解反应是：
Al2O3+3/2ηC=2Al+3(2η-1)/2ηCO2+3(1-η)/ηCO
取铸造成品实收率为99.2％，故314台槽生产时相 应的铸造产品产量为：
208247.94×99.2％＝206581.96 t
即：所设计的电解槽能达到所要求的年产量。
四、辅助设备选择及计算：
1、多功能机组： 铝电解多功能机组具有以下7种功能，即：
1）打壳； 2）往电解槽内加氧化铝； 3）更换阳极； 4）从电解槽内用真空抬包抽吸铝液； 5）吊运母线提升架转接阳极母线； 6）吊运电解槽槽壳； 7）吊运其它重物。
合计
7.52 2.35 179.976 0.01
支出 ㎏/天 1816.56 9.12 48.96 1.82 127.44
2078.64
180.48
56.4 4319.42
0.56
㎏/年 43597.44 218.88 1175.04 43.776 3058.56
49887.36
4331.52
1353.6 103666.2
用该式算出的极化电压偏高，大约高出实测量0.05-0.1V，因此 取E极=1.8V左右。
电解质压降：
一般可由下式取得
△V质 =
I L K X S阳
其中：I：为电流强度，（A）；S阳：为阳极水平截面积 （cm2）; △L：为极距改变值（cm）； X：为电解质导电率
（欧-1·厘米-1）； K：为校正值，一般取8。
选用240KA中间点式下料预焙阳极铝电解槽，设计电流强度 为240KA，电流效率为94％，则
Q日 ＝ 0.3356Iηt×10-3 ＝ 0.3356×240000×0.94×10-3×24 ＝ 1817.07（kg / 槽·日）
Q年 ＝ 1.817×365＝663.21（t / 槽·年）
电解槽数量：
槽消耗的电能为 W=△HT°+△H材t1-t3=5.63+0.7=6.33kw
电解槽的电能利用率：η电能=（6.33/13.32）×100%=47.5%
三、电解槽选型及台数的计算以产量的衡算：
电解槽寿命论证：
目前，国外大型预焙槽寿命都在2500天以上，而国内的平均水平约为 1800天以上。本设计槽寿命为2000天，即2000/365＝5.48年。
料箱装氧化铝量m3 4.0
打击头冲击次数，Hz 21
冲击力 J 85~100 (相当于压缩空气压力为0.5Mpa时)
副小车：起重量t 12 运行电动机功率kw 3.7 提升电动机功率kw 15
运行速度m/min 33/5.5 提升速度m/min 4.6-4.9
固定式起重机：额定起重量t 最大提升高度m 提升速度m/min 提生电动机功率kw
87.24
% 42.06 0.21 1.13 0.04 2.95
48.12
4.18
1.31 100 0.01
2、能量平衡：
以1小时为计算基础，取电解温度为950℃，在计算中以电解温度作 为能量平衡的温度基准，并以电解槽整体作为计算体系： 由能量的平衡式：A电=A反+A材+A损失 (1) 电能收入：
240KA铝电解槽的设计计算
完整的铝电解车间设计包含以下几个方面：
厂址的选择与论证 电解方案与技术经济指标的选择与论证 铝电解槽的设计计算 铝电解槽结构与计算 铝电解烟气净化及原料输送 铝电解槽正常生产管理 技术经济评价及基本核算 铝电解槽送电及预热和启动
铝电解槽的设计计算
2（1-η）Al+3（1-η）CO2=(1-η)Al2O3+3(1-η)CO
N=
1.5 3(1 )
2 1 N=0.88
[1.5 3(1 )] 3(1 )
理论炭耗量=（3×12.011×75.6888）/（1.88×54）=26.86kg/h
取实际炭耗量为 425kg/t·Al
此外，还可以采用铝电解槽智能模糊控制技术；采用节省能源抗渗透 抗侵蚀的新型耐火保温材料，加强电解槽底部保温，提高和改进电解槽底 部保温材料的质量和性能，提高电解槽的砌筑质量；提高操作人员的操作 水平以及促使管理人员做到精细管理等等。
千方百计从技术进步上实现电解槽的长寿命。
电解槽单槽日产量和年产量：
阳极效应分担压降：
阳极效应分担压降可按下式进行计算，即
△V效应=
K(U效应 U槽 )t 1440
其中：K：为阳极效应系数，（次/槽·日）；在此为0.1次/槽·日； △V效应：为发生阳极效应时的槽电压，35（V）； U槽：为槽电压4.06-4.22（V）： t：阳极效应持续的时间（min）：在此为3min U效应=（0.1×30.82×3）/1440=0.017V
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电流效率：94%
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阳极碳块尺寸：1550×660×550
• 单槽原铝产量：
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Hale Waihona Puke Baidu
日产 240×0.94×0.3355×24 = 1816.5 Kg
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年产 1816.5×365×0.001 = 663 t
一、铝电解槽电压的平衡计算：
V平=△V槽+△V母+△V效应； △V槽：电解槽的工作电压； △V母：槽外母线电压降； △V效应：阳极效应分摊压降；