YS T 481-2005 铝电解槽能量平衡测试与计算方法 五点进电和六点进电预焙阳极铝电解槽.pdf

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1、H 92 中华人民共和国有色金属行业标准YS/T 481一2005铝电解槽能量平衡测试与计算方法五点进电和六点进电预蜡阳极铝电解槽Aluminium cell test for energy balance and its calculating method -Five-point feed current and six-point feed current PI由akedanode aluminium cell 2005-05-18发布2005-12酬。1实施国家发展和改革委员会发布YS/T 481-2005 目次前言.皿1 范围2 通则与基本量-3 密闭型预蜡槽各部温度测量.4 预蜡槽

2、能量平衡的计算方法5 铝电解槽能量平衡分析.10 附录A(规范性附录)五点进电和六点进电预蜡阳极铝电解槽电压平衡测试与计算方法12I YS/T 481-2005 前随着我国铝电解槽技术的发展，各种进电方式的大容量预蜡阳极铝电解槽投产运行，其中大面五点进电和大面六点进电铝电解槽是大容量铝电解槽技术的发展方向。本标准是结合我国铝电解发展实际情况，本着科学性、合理性、适用性的制标原则、为指导铝电解生产合理用能而制定的。本标准附录A为规范性附录。本标准由全国有色金属标准化技术委员会提出并归口。本标准由全国有色金属标准化技术委员会负责解释。本标准由中国铝业股份有限公司广西分公司和贵阳铝镜设计研究院起草。

3、本标准主要起草人:刘永刚、易小兵、张庚民、杨朝红、王哗、王朝鹏。m山1 范围铝电解槽能量平衡测试与计算方法五点进电和六点进电预蜡阳极铝电解槽YS/T 481-2005 本标准规定了冰晶石-氧化铝熔盐电解法密闭型中间点式下料大面五点和大面六点进电预蜡阳极铝电解槽能量平衡的测试方法与计算方法。本标准适用于冰晶石氧化铝熔盐电解法密闭型中间点式下料大面五点和大面六点进电预蜡阳极铝电解槽能量平衡的测试与计算。2 通则与基本量2. 1 铝电解基本过程的总反应式铝电解基本过程的总反应式见公式。)。3N rv, , 3(1 -N) A1 2 0 3 +一一一-:C= 2Al十一一一一O2+一一一一一一CO(

4、1 ) 1 + N - - - , 1 + N - - L 1 + N 式中:N 阳极气体中CO2的体积百分比，N=C02/(C02 +CO) X 100%，其测定方法为:在进行阳极气体中CO2的体积百分比测定之前，确定需要测定的电解槽，在电解质结壳面上，凿开一个圆形的洞，洞口大小与烟气采样器的采集口相当，电解槽内的其他火孔要堵上。把烟气采样器的采集口对准所开的洞口，对好后把采集口周围的空隙封堵好，防止空气进入烟气采样器。烟气采样器的另一端接双联球，操作双联球进行烟气采集。采集到的电解槽烟气通过奥氏气体分析仪，分析烟气中CO2的百分含量。2.2 物料平衡2.2. 1 电解槽每小时产铝量电解槽每

5、小时产铝量见公式(2)。M = 0.33551币(2 ) 式中:M一电解槽每小时原铝产量，单位为千克每小时(kg/h);0.3355 铝的电化学当量，单位为克每安培小时g/(A.h);I一一电解槽通过的电流强度，单位为千安(kA); rr-一电流效率，单位为百分数(%)。2.2.2 氧化铝消耗量氧化铝消耗量PA1，03的计算见公式(3):P Al,03 = O. 6341币(3 ) 式中:PA1, 03一一氧化铝的消耗量，单位为千克每吨铝(kg/t-AD;O. 634一一氧化铝的电化学当量，单位为克每安培小时g/(A.h)。2.2.3 氧化铝理论单耗氧化铝的理论单耗PA1，03理为1889.7

6、 kg/t-Al。2.2.4 碳的理论(最小)消耗量阳极氧化过程中产生的一次气体全部为CO2时，按铝电解总反应式(1)计算，碳的理论消耗量为YS/T 481-2005 333. 3kg/t-AL 2.2.5 碳生成CO2和CO的电化学当量碳生成COz的电化学当量为0.112g/(A h)。碳生成CO的电化学当量为0.224g/(A. h)。2.2.6 CO2的生成量COz的生成量(或飞0，)计算见公式(4):或或式中:3N , 44 ， 1币百h=?(2-j)艺品z=?(2-t)乡M飞0，(， )一-COz的生成量，单位为千克每小时也g/h)或千克每千克铝(kg/kg-AD。2.2.7 CO的

7、生成量CO的生成量co(或民。)计算见公式(5):或或式中z3(1-N)，28 co =一一一一一一1十N54 3/128 = -llx一2飞甲J 27 3/128 = 一-llx;:，M2飞币J 27 玩。(或Pco)一-CO的生成量，单位为千克每小时(kg/h)或千克每千克铝(kg/kg-AD。2.3 铝电解槽的电压平衡2.3.1 电压平衡按附录A的规定计算。2.3.2 体系内电压降计算见公式(6):E体系内=u阳极+u极化+u电解质+u阴极+u效应=v立柱母线+v阳极母线十V阳极+V炉底+V阴极母线+v效应分摊+V极间 ( 4 ) ( 5 ) . ( 6 ) 公式(6)中各参数的计算和说

8、明见附录A。2.3.3 将电解槽生产技术条件和物料单耗及作业制度填写在表1中。表1生产技术条件、物料单耗序号项目单位指标值1 实际电流强度kA 2 阳极电流密度A/cm 3 铝液水平高度cm 4 电解质水平高度cm 5 工作电压V 6 极距cm 7 平均分子比8 电解质中添加剂% L一一一一一-2 YS/T 481-2005 序号项目9 效应系数1巳氧化铝单耗11 氟化铝单耗12 氧化钙单耗13 冰晶石单耗14 炭阳极单耗3 密闭型预蜡槽各部温度测量3. 1 测量器具3. 1. 1 点温计:测量范围O5000C。3. 1. 2 表面温度计:测量范围O5000C。3. 1.3 热电偶及补偿导线。

9、3. 1.4 热流计。3.1.5 气体分析仪。3. 1.6 流量测定仪。3. 1. 7 红外线测温仪。3.2 温度测量3.2.1 槽壳底部表1(续)单位指标值次/台日kg/t-Al kg/t-Al kg/t-Al kg/t-Al kg/t-Al 槽壳底部温度测量分布按图1进行，测温布点可选择在网格点的中心位置，并尽量等距离布点。a b C 2 3 n 图1槽壳底部各测温点分布示意圄在测量槽壳底部钢板温度的同时，需测量各底筋工宇梁的腹板和底板温度。3.2.2 槽壳侧部槽壳侧部温度测量按图2进行布置测温点。槽壳钢底板温度筋板腹板温度筋板底板温度高度方向:以端部(或侧部)双围带对应的中部、每个阴极钢

10、棒窗口上，下部位布点，即分为3组测温带。长度方向:每隔一组摇篮架布置一测点，位置选在两组摇篮架之间的槽壳钢板中点。3 YS/T 481-2005 测槽壳侧部温度同时，需测量各侧筋工字梁的腹板和底板温度。2 3 4 5 筋板、侧板温度 a LO 皿n门Un门un川门un川U(槽A、B两大面)(槽D、E两端面)固2槽壳侧部测温点位置示意固3.2.3 密封集气罩密封罩各部温度的测量按图3进行布置测温点za) 侧部罩:每组槽罩上、中、下各布一测温点;b) 端部罩:方形槽罩上、中、下各一测温点，三角槽罩12点;c) 水平罩:在槽两侧每两组导杆对应的中部位置上布置测温点。3.2.4 槽沿极槽沿板温度测量，

11、选在槽沿板外侧面布测温点，布点位置应对应于槽壳大面和端面的侧部测温点位置，每个位置测量1点温度。3.2.5 阴极铜棒阴极钢棒的测温点，选择在每根阴极棒的内、外两侧各布置1个点。每根阴极钢棒的铝一钢焊(或压接)片的铝头侧布置1个侧温点。3.2.6 铝导杆铝导杆的测温点，选在槽罩上每根铝导杆的外露点至卡具之间的中部位置，测点为每根铝导杆的内外侧各1点。3.2.7 摇篮架摇篮架测温点布置，对应于槽壳侧部钢板的筋板温度测量方法。3.2.8 电解质温度在电解槽A、B两个大面的加工面中部，出铝端、烟道端各选一个电解质温度测量点。3.2.9 烟气流量、压力及温度在电解槽排烟支管的观测孔上，采用专用仪器对电解

12、烟气的流量和压力进行测定。同时测量电解烟气的温度。3.2. 10 环境温度在测量各部位温度的同时，测量附近的空气环境温度。包括:a) 槽(间)侧面上部(操作面)环境温度;b) 槽(间)侧面下部环境温度;c) 槽出铝端环境温度;d) 槽烟道端环境温度;e) 槽底环境温度。4 YS/T 481一2005 囚一阳极导杆测点一水平罩测点X X X X X 。WUQNV园园园园园园 因因因因 囚囚 园园 囚囚 x 圈3槽罩、阳极导杆各部位测温布点示意图3.2. 11 残极温度残极测温点，选在更换出的残阳极的上表面14点。3.2.12 钢爪温度选择lZ组处于正常更换周期的中期生产阳极碳块，对其每根钢爪进行

13、1点温度测量。5 YS/T 481-2005 4 预蜡槽能量平衡的计算方法4. 1 能量平衡的计算原则4. 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Tk= 298K(25 OC)为温度基础。4. 1.2 能量平衡的计算体系密闭型预蜡槽的能量平衡计算体系见图4，应包括:槽底一槽壳侧部(包括端部)一阴极钢棒头槽沿板四面侧部槽罩顶部水平罩铝导杆f ) 备 ) t C 1唱唱唱唱唱.唱唱. 4莓，,. .笔4唱4喝啤.但哩电笔唱.唱唱唱唱毡 谷岛辛 )岳 ) ) ) ) 岛 , 电.(.唁电 ) 圈4电解槽能量平衡计算体系示意圈4. 1. 3 槽体散热损失计算部位为了准确地计算电

14、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pc) 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。4. 1. 4 能量收入、支出平衡的计算时间单位能量收入、支出平衡的计算时间单位以lh为计算时间单位。4. 1. 5 体系内电压降计算计算体系内电压降按公式(6)进行(见2.3.2)。4. 1. 6 能量平衡方程式根据计算温度基础和计算体系，确定能量平衡方程式，见公式(7): Q电能Q应+Q;tl + Qt2 + Q;t3十QU￥+Q热损6 ( 7 ) YSjT 481-2005 式中:

15、QL一在计算温度tk下发生电化学反应所耗的全能，单位为千焦每小时也J/h);Q乌斗一一电解烟气离开体系时(温度为t，)所带走的热量，单位为千焦每小时也J/h); Q-2_产物铝液离开体系时(温度为t2)所带走的热量，单位为千焦每小时也J/h); QAJ3 更换出的残阳极离开体系时(温度为t3)所带走的热量，单位为千焦每小时(kJ/h); QUE一二原材料加热的热量补偿，单位为千焦每小时也J/h):注:当环境温度切小于计算温度tk时，原材料需加热至儿，所需热量为正值。当t环:nl 1 ):n2 11 E 固A.6五点进电平衡母钱测点示意图测量过程中，如出现某段阳极导杆同时有来自两侧的电流则需同时

16、增测该段电压值，如图A.2虚线测点所示，假设导杆3有来自两侧电流同时汇流情况，需增测VAX和VAy及其两侧的阳极等距压降VAX等距压降和VA;等距压降。此时该区功率由原来的VA3变为VA3，见公式(A.5): V飞3= V Ax十VAy等距压降VA3 ( A.5 ) VAX等距压降+VAy等距压降依此类推，将各段电压公式(A.5)代入公式(A.4)，即可计算出VAoA. 2. 2 B 1Y!J阳极母钱压降V阳A. 2. 2.1 B侧阳极母线压降由B侧横母线压降V阳B横及平衡母线压阵V，平衡构成。A. 2. 2. 1. 1 平衡母线压阵V平衡母线的测点如图A.3及A.6所示(V1平衡Vn平衡)，

17、计算见公式CA.6): hlV十k2V十hnv;V平衡母线T7J TT Y TT ( A.6 ) 式中:kn 平衡母线断面修正系数，可按图纸进行修正，如断面相同，则kn=l。A. 2. 2.1.2 B侧阳极横母线压降，其测试方法及数据处理与A侧阳极横母线相同，数据处理见公式(A. 7): 三j(VB，v即轩等距压降)V阳B横=z=ln ( A.7 ) V睛杆等距压降则V阳B= V;平衡十VB阳衡.( A.8 ) A.2.3 阳极母钱压降阳极母线压降计算见公式(A.9):14 V一阳极母钱一V阳A2:VA得杆等距压降十V阳BZ由导杆等距压降三JVAZ导杆等距压降十三四杆等距压降.( A. 9 )

18、 A.3 阳极电压降V阳极YSjT 481-2005 阳极压降计算见公式(A.10): V阳极=V卡具+V导杆+V爆十V钢JII.+V阳极提块.( A. 10 ) A. 3.1 阳极卡具电压降V辛具A. 3. 1. 1 测定方法:卡具电压降是阳极横母线与阳极导杆间的压降，测试方法见图A.70A、B两侧卡具压降依次分别记作V卡j.V和。A. 3.1.2 阳极卡具电压降数据处理方法见公式(A.11): (V卡iV得忏等距压降)V卡具=2.jn ( A. 11 ) V刷等距压降A.3.2 铝导杆电压降V酬A. 3. 2.1 测定方法:依次测A、B两侧导杆电压降，测试值记作V导j.V导g见图A.7。A

19、. 3. 2. 2 铝导杆电压降数据处理方法见公式(A.12): 2:(V导y溥杆等距压降)V导杆_jn ( A. 12 ) V制等距压降A.3.3 爆炸焊片电压降V爆A. 3. 3.1 测定方法:依次测Vj、V2V，爆炸焊片压降，测试值记作V爆，.见图A.7。A. 3. 3. 2 爆炸焊片电压降数据处理方法见公式(A.13): (V.Yi导杆等距压降)V爆=.!.z1(A. 13 ) V溥杆等距压降阳市圄A.7阳极导杆、爆炸焊测点示意图15 YS/T 481-2005 A. 3. 4 钢爪电压降V钢爪(mV)A. 3. 4.1 测定方法z依次测V1V;每块(组)阳极钢爪电压降，记作Vn.V;

20、m 0见图A.8。A.3.4.2 数据处理方法先用算术平均法计算每块(组)阳极的m个钢爪(单极为三或四个钢爪，双极为六或八个钢爪)压降VJJ，再用功率法计算全部钢爪的平均压降V钢爪，见公式CA.14)和CA.15): A.3.5 阳极炭块电压降V阳极炭块A. 3. 5.1 测定方法VJIi 图A.8阳极钢爪及炭块示意圄V爪1= (Vl1 + V12十十V1m)/mV JJ i = (Vil +V;2 + + V;m)/m ( A. 14 ) L: (V爪;V;导杆等距压降)V , = il 钢爪-L:Vi导杆等距压降i=l . ( A. 15 ) 揭开炉盖，用多功能天车打测定洞。测定棒一端插在

21、阳极钢爪与碳块相切位置，另一端钩在阳极底表面上，见图A.8 0 A. 3. 5. 2 数据处理方法先用算术平均计算每块阳极的m个钢爪至底掌的压降，见公式(A.16);再用功率法计算阳极碳块压降见公式CA.17)。V;阳=CVil +V;2十+V;m)/m ( A. 16 ) 三CV;I1lV;导杆等距压降)V阳极炭块=z=l n ( A. 17 ) L:Vi导杆等距压降A.4 炉底电压降V妒底A. 4.1 测定方法:在电解槽A、B侧各均匀取n个点(可根据槽型选择测点个数)的位置揭开相应的炉盖，用多功能天车打测定洞2n个，见图A.9。A.4.2 炉底电压降数据处理方法见公式CA.18) : 三j

22、vA，炉+L: VB , V炉底=221 271z=l ( A. 18 ) 16 YS/T 481-2005 V妒a圄A.9炉底电压降测点示意固A.5 阴极母线电压降v阴极母俄A. 5.1 测定方法将汇流到同一根立柱的A、B侧阴极母线及对应的阴极软带视为一个区，有N根立柱就有N个小区，每区电压降记为V阴No六点进电的电解槽测点共分成6个区，V阴N为V阴1、V阴2v阴6;五点进电的电解槽测点共分成5个区，V阴N记做V阴1、V阴2v阴5。每个区内从每根阴极钢棒焊头至阴极母线对应的立柱汇流点为测点，分别记做VNlVN;，同时测定每根阴极软带的压降值记做VN阴软酌，测点见图A.IO、A.ILC图A.1

23、0、A.11分别为六点、五点进电母线配置实例之一。)( 2区3区4区5区6区固A.10六点进电阴极母线电压降测点示意圄A.5.2 鼓据处理在处理数据时，考虑到电解槽阴极软母线形式不同，在计算时，实测阴极软带压降应乘以相应的电流分布修正系数KlK，C含温度及等导校正，等导校正按阴极软带实际尺寸计算，不同配置母线系统，该系数不同)。各小区压降数据处理见公式CA.19): EJ(VNaVN阴软;) VN阴软;=K;VN阴软测，;V阴N= z-l n 三JVN阴软a.(A. 19) 17 YSjT 481-2005 3区S区圄A.11五点进电阴极母线电压降测点示意固式中n为第N小区内各阴极软带到对应立

24、柱电流回路数量。计算出6(或5)个小区内电压降后再计算总的阴极母线电压降V阴极母钱。六点进电电解槽阴极母线压降计算见公式(A.20): VI!Jj1三V1阴软i+V阴2L: V2阴软i.+V阴6三JV6阴软ai =1 i=_1_.( A. 20 ) L:V1附i+ L:V2阳.+ L:V6附t五点进电电解槽阴极母线压降计算见公式(A.21): V阴1三V1阴软;+V阴2L: V2阴软i.+V阴6三JV5阴软sL:V1阴软;+ L:V2阴软;.+ L:Vs阴软2V一阴极母线一V 阴极母线一1i n/ A A.6 效应分摊电压V效应分摊效应分摊电压计算见公式(A.22): n(V效-V工)tV效应

25、分摊=( A. 22 ) 1440 式中zn一一效应系数，单位为次/(槽日); V工一一槽工作电压，单位为伏(V); V效一一效应发生时电压，单位为伏(V); t 效应持续时间，单位为分钟(min)。A.7 极间电压V极闺A. 7.1 短路法A.7. 1. 1 确定进行电压平衡测试的电解槽，要求炉膛比较大，规整，以防止阳极下降受阻或电解质溢流。A. 7. 1. 2 测定步骤z立柱母线电压降、阳极母线电压降、阳极电压降、炉底电压降、阴极母线电压降测定完毕之后，测电解质电压和反电动势。先与计算机联系，打印该槽状态表，确定当时槽工作电压记作矶。确认当时回转计数值为m1(并有现场观察记录)，通知计算机

26、室将该槽短路，当阳极全部浸入铝液中为止。计算机室立即自动记录整个过程，打印槽状态表，该槽电压为叭，回转计数值为m20YSjT 481-2005 短路法计算极间电压的方法见公式(A.23)和公式(A.24) : v3 - Vz = V.极间=v电解质+V极化.( A.23) V槽工作=v立柱母钱卡V阳极母线+v阳极+v炉Ji+v阴极母钱+v电解质+v极化( A. 24 ) A.7.2 反蹋法将立柱母线电压降、阳极母线电压降、阳极电压降、炉底电压降、阴极母线电压降、效应分摊电压降测定完之后，通过数据处理，用测试期槽平均电压减去已知测试计算的槽各部压降，求极间电压，见公式(A. 2日。V极间=v槽平

27、均一(v立柱母线十V阳极母线+v阳极+v炉底+v阴极母线+v效应分摊)( A. 25 ) A. 7. 3 电压一极距法电解质压降采用电压一极距法进行测量，测量时先升阳极三次，每次5mm，然后分三次降阳极回原位，记录每次升降阳极的槽电压及有关数据，同时用极距测定棒测量槽极距值，利用测量结果计算出电解质电压降。A.7.4 反电动势由于反电动势只能在停电时测量，为避免停电中测量反电动势造成的槽况波动，一般情况下，其值按经验值取定(预蜡阳极电解槽可取1.65V)。A.8 计算结果六点、五点进电预蜡阳极铝电解槽电压计算结果见表A.l。表A.1六点、五点进电预蜡阳极铝电解槽电压平衡情况项目电压降/mV点总

28、电压的百分数/%立柱1立柱2立柱3一、立柱母线立柱4立柱5立柱V总压降1 A侧二、阳极母线2 B侧总压降1、卡具2、铝导杆3、爆炸焊三、阳极4、钢爪5、阳极碳块总压降四、炉底19 YSjT 481-2005 表A.1续)项目电压降/mV点总电压的百分数/%1区2区3区五、阴极母线4区5区6区幡总压降六、效应分摊七、极间总计瞬时槽电压误差c%)电流CA)测量时间槽龄祷:五点进电预熔阳极铝电解槽电压平衡计算结果不包括带祷项。20 的CON-等同mh中华人民共和国有色金属行业标准铝电解槽能量平衡测试与计算方法五点进电和六点进电预蜡阳极铝电解槽YS/T 481-2005 9峰中国标准出版社出版发行北京复兴门外三里河北街16号邮政编码:100045 网址电话:6852394668517548 中国标准出版社秦皇岛印刷厂印刷各地新华书店经销晤印张1.75 字数42千字2005年8月第一次印刷开本880X12301/16 2005年8月第一版9峙定价15.00元如有印装差错由本社发行中心调换版权专有侵权必究举报电话:(010)68533533书号:155066.2-16303 YS/T 481-2005