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铝用炭素阳极生产系统的设计优化的开题报告一、研究背景铝是一种广泛应用的轻金属，在航空航天、交通运输、电子电气、建筑等众多领域中有着重要的应用。
目前，铝的生产主要采用Hall-Héroult工艺，该工艺利用炭素阳极从铝电解液中提取金属铝。
在该过程中，炭素阳极不仅起到了电极化学反应的催化作用，同时还承受着高温、高压和腐蚀性电解液的侵蚀，随着产量的不断增加，炭素阳极寿命短、消耗大、循环利用率低等问题日益突出，严重制约了铝的生产效率和质量。
为了解决这些问题，需要对铝用炭素阳极生产系统进行优化设计，提高阳极寿命，降低生产成本，提高资源利用率，保障生产效率和环境安全。
二、研究内容和目的本研究将以铝用炭素阳极生产系统为研究对象，总结现有系统存在的问题和不足，对阳极的材料、结构和制造工艺等方面进行分析和评价，探讨优化设计的方法和技术，以提高阳极的使用寿命、减少资源浪费、降低生产成本、保障生产安全。
具体工作内容为：1、调研国内外铝用炭素阳极生产系统的研究现状，了解系统组成、原理和优缺点等情况，为后续研究提供基础。
2、分析阳极的材料、结构和制造工艺等方面存在的问题和不足，评价现有设计的优缺点，并制定优化设计方案。
3、选择适宜的材料和制造工艺，研究阳极的性能、耐用性、传热性等方面的问题，优化设计并进行模拟分析。
4、针对阳极的改进设计进行相关试验和测试，对改进的结果进行分析和评价，并推广应用。
三、研究意义铝用炭素阳极生产系统的优化设计研究对于提高我国铝产业的核心竞争力、促进资源节约型、环保型、安全型的发展具有重要的意义。
通过对阳极材料的选择、制造工艺的革新、并结合模拟分析和试验测试等手段，可以使阳极的寿命得到提高，减少资源浪费，降低生产成本，保障生产效率和环境安全，具有实际应用和推广的价值。
四、研究方法本研究将采用综合的方法，包括调研、评价、测试和模拟等手段，具体来说：1、采用文献调研和实地调查相结合的方式，了解铝用炭素阳极生产系统的现状及其存在的问题和不足，为后续设计提供理论依据和技术方案。
12I ndustry development行业发展关于电解铝产业清洁生产的思考尹聚才（甘肃钢铁职业技术学院，甘肃 嘉峪关 735100）摘 要：近年来，随着国家产业转移，西北地区承载了大量的电解铝产能。
电解铝产业属于传统的高污染、高能耗行业，国家法律法规等监管政策越来越严，促进电解铝清洁生产势在必行。
本文主要就电解铝生产的资源能源消耗和主要污染物的产生进行解释和说明，并对电解铝产业清洁生产提出了具体的措施，为电解铝企业清洁生产提供参考和借鉴。
关键词：电解铝；清洁生产；节能减排中图分类号：F426.32 文献标识码：A 文章编号：11-5004（2020）17-0012-2收稿日期：2020-09作者简介：尹聚才，男，生于1990年，汉族，甘肃张掖人，本科，研究方向：有色冶金。
清洁生产从本质上来说，就是对生产过程与产品采取整体预防的环境策略，减少或者消除它们对人类及环境的可能危害，同时充分满足人类需要，使社会经济效益最大化的一种生产模式[1]。
清洁生产的目的就是通过先进的生产技术、工艺设备和清洁原理，在生产过程中实现节省能源，降低原材料消耗，减少污染物排放等，能够最大限度地利用资源、能源，将原材料能转化为产品，把污染消除在生产过程中，达到保护自然和环境的目的。
电解铝产业是我国经济发展的支柱产业，同时也是传统的高耗能、高污染、高排放的“三高”产业。
随着国家产业的转移，西部地区承载了越来越多的电解铝企业，目前西北五省区运行的产能约占全国的1/3，消耗了大量的能源，并对环境造成了一定的影响。
当前国家对电解铝企业污染物排放的环保要求越来越高，监管政策越来越严格，对节能减排也越来越重视。
我国政府提出要加强电解铝企业的清洁生产，甘肃省将“清洁生产”列为十大生态产业之一，要从根本上加强生态环境保护，加快转方式调结构，促进新旧动能转换，推动甘肃省绿色发展，所以促进电解铝清洁生产势在必行。
1 电解铝企业资源能源消耗1.1 氧化铝单耗氧化铝是电解铝生产工艺中的主要原料，目前国内大型铝电解槽冶炼水平已逐步发展至接近国际水平，氧化铝单耗稳步降低，每吨电解铝的氧化铝消耗目前为1900kg ～1920kg。
关于电解铝厂残极自动清理技术应用的几点探讨作者：叶辅晖来源：《科学与财富》2017年第24期摘要：随着现代科学技术的不断发展，电解铝厂使用的清理技术也不断发展。
目前国内大型电解铝厂纷纷开展铝电解技术的研究，并获得了一定的成果。
为了提升炭阳极的使用寿命、减小阳极炭的损耗、提升分解效率，需要不断提升炭阳极的质量。
炭阳极质量直接影响着电解铝的工作效率。
在阳极组装工作中，主要任务就是有效清除残极中残留的电解质，从而有效降低炭阳极中的灰尘含量。
目前大部分电解铝厂都是使用人工清理的方式，但是效率不高，导致炭阳极电解质的增加，炭块的质量受到影响，从而影响电解槽的工作效率。
因此，需要寻找有效的清理技术来提高残极处理效率。
文章主要针对电解铝厂残极自动清理技术展开分析。
关键词：电解铝厂；残极自动清理技术；应用效率残极处理是阳极生产中的重要工序，主要目的是清除残极中的电解质，从而回收利用，同时能够保障残极破碎重新生产之后阳极炭的使用性能和质量[1]。
在小型铝电解厂中，残极清理工作主要是在电解车间完成的，清理工作主要是由人工清理，通过大锤和风镐的清理，再将残极用破碎机进行处理，这种清理方式不但增加了工作量且效率较低，同时容易造成环境污染，对员工的身体造成影响[2]。
因此，使用自动化残极清理技术具有重要的现实意义。
一、残极对阳极炭质量的影响1.残极中的微量元素对阳极炭质量的影响阳极炭生产主要使用的原材料包括石油焦、沥青焦以及残极。
残极是阳极炭在电解槽使用一周期后剩余部分，表面被氧化铝和氟化盐所覆盖，将表面覆盖层清除之后，能够继续回收作为阳极炭生产原材料利用[3]。
残极是阳极炭的主要生产材料，残极添加量约为20～30%，优质的残极能够有效提升炭阳极的使用性能，从而有效提高阳极炭的生产质量；若残极表面覆盖层未能清理干净，会导致大量微量元素的残留，例如钠、钙、铁等，不但会影响产品的质量，同时会加速阳极炭在电解槽中的消耗速度，产生大量的炭渣，从而影响电解槽的运行效率[4]。
浅谈阳极炭块焙烧前碗口自动添加保护料系统图1 输送方式示意图机器人先使用纸板夹具在纸板仓通过真空吸取一层纸板压送到炭碗底部，使用填料夹具从物料仓接取填充料填入炭碗内，再使用纸板夹具吸取纸板压送到填充料上方，填充流程执行完毕。
底部机械定位机构、侧向定位机构收回至初始位置，输送链启动运行；填料后的炭图2 底部定位机构示意图图3 侧定位机构示意图（3）填料夹具。
夹具主体框架提供高强度的支撑，组料仓和纸板机构间距滑动可调（如图4），通过简单调整可兼容不同规格的炭块；便捷的调整锁紧结构，单人单手即可完成调整，边缘安装标尺，调整时不需要再独立测量；安装负压检测仪表实时确认垫片是否有遗漏；集中安装控制阀组，便于调整和规范化安装，使结构整体统一；物料仓检测功能，防止出现空仓情况。
（4）震动压实装置。
整体框架使用碳钢型材拼焊，顶部有手动前后、左右调整机构可满足所有型号的炭块压实的功能。
上下预压机构采用气动方式（压紧力可调），通过调整气压实现自动缓冲的功能，防止对应碗口分别布置气锤单独控制），多碗口同时压紧工作。
此功能需要独立的图4 填料夹具示意图图5 震动压实装置示意图（5）清扫机构。
清扫机构安装在压实机构出口处，对残留在炭块表面的浮动残料进行清理，采用电动旋转带动圆柱形毛刷的形式实现需要的功能，满足需要的清理效果。
防飞溅功能能够避免清理过程中产生飞溅影响环境卫生。
通过滚刷的旋转清扫炭碗周边的余料，落入下方收集槽，人工定期回收。
（6）胶粒料仓。
料仓采用不锈钢材质制造，上、下侧各安装一套料位检测功能，实时检测及时通知人工进行补料。
料仓安装在操作平台上，安装专用浮动机构、震动机构、过渡管道、闸板阀门、水平调整等机构，能够自动落料、换型调整、自动检测等，满足自动运行的功能。
料仓设置4个自动落料口，间距通过快速调整机构实现快速换型调整。
根据设备使用现场综合情况，项目中的料仓整体容积约5m³，物料在进入料仓前，需要经过充分的搅拌、筛分，防止块状物料（直径＜（8）纸板供料机构。
科技成果——铝电解槽废阴极炭块的综合利用技术开发单位
东北大学
成果简介
铝电解槽大修后产生大量的危险固体废弃物，主要是废阴极炭块和耐火材料。
目前铝电解固体废料尚未得到合理的利用，均采用填埋的方法处理。
废阴极炭块中含炭约65-70%，电解质15-25%，金属钠5-10%。
本项目采用物理方法处理铝电解槽废阴极炭块，可实现废阴极炭块中的各组分的分离和重新利用，在处理铝电解槽危废的同时实现其综合利用。
项目采用物理方法实现铝电解槽废阴极炭块中炭、电解质和金属钠的有效分离，使炭和电解质返回电解工序，而金属钠作为产品出售。
项目实现了铝电解槽废阴极炭块组份的全部利用，处理过程无任何废气、废固和废水等二次污染物的生成，处理设备简单、投资少，成本低，效益可观。
应用情况
目前，该项目已完成实验室半工业试验的研究，取得了很好的分离效果，已同相关的铝电解企业签订技术合作协议，正在进行工业试验。
拟寻求相关的铝电解企业或环保企业进行进一步的合作研究。
市场前景
前期项目已投入近千万元开展相关的试验与工业设备研发，技术已趋于成熟。
采用本技术处理铝电解槽废阴极炭块，每吨废阴极炭块
的处理成本在2000元以下，收益预计在4000元，即处理一吨废阴极炭块效益在2000元左右。
合作方式
技术许可、合作开发。
浅析铝电解双残极清理新技术开发作者：李守春来源：《科学与信息化》2019年第12期摘要预焙电解槽更换后的阳极炭块在铝电解生产上称之为“残极”，残极钢爪以下由氧化铝烧结块、电解质及残余阳极炭块组成，这部分统称为残极电解质。
在传统的设计中，残极通过阳极搬运车拉回碳素组装车间，经组装车间破碎，返回电解车间的电解质粉道过供料系统和槽上风动溜槽进入槽内或单独送到天车加料口供覆盖阳极用。
阐述了电解槽残极电解质清理收尘系统的重要性，对某家铝厂残极清理收尘系统进行了优化设计。
关键词铝电解；残极清理；环境铝电解行业每天会产生定量的残极电解质需要清理，而电解质清理收尘系统设计好坏直接影响其对环境、人员、设备、物料的影响，科学严谨加上结合实际才能设计出最优的方案。
1 某铝厂残极清理厂房状况粉尘超标严重影响现场清极人员的身体健康。
由于现场粉尘浓度非常大，清极人员在清极过程中，虽然带有呼吸器，但不可避免会有粉尘进入呼吸道，长此以往，清极人员将会有得尘肺病的危险。
某铝厂残极清理厂房每天需要清理从电解运来的残极250组左右，每天需要破碎覆盖料约170多吨，并且整条生产线属于单线运行，对设备运行率要求非常高。
受粉尘的影响，设备的机械部件磨损速度相对较快，同时也导致了设备的电气故障居高不下，给正常生产运行带来了很大的困难。
残极清理厂房内粉尘受到风向的影响，在残极清理厂房周围形成了一片污染区域，对周围环境造成了污染，严重损害了该铝厂的整体形象，也造成了大量物料的无谓浪费并超过国家标准[1]。
2 铝电解用炭阳极铝电解生产中所必需的关键材料之一是预焙阳极，被誉为铝电解槽的“心脏”。
自1998年以来，我国铝工业迎来一个高速发展的时期，预焙阳极的生产规模越来越大，中国成为世界预焙阳极技术和装备的最大市场，吸引着欧美各大铝工业先进国家纷纷向中国输入预焙阳极技术和设备。
全世界各种先进的预焙阳极生产技术在这块土地上交汇融合，使中国预焙阳极技术进一步发展。
铝电解生产过程中碳渣产生的根源及应对措施铝电解生产过程中碳渣产生的根源及应对措施铝电解生产是一种重要的工业过程，用于生产高纯度的铝金属。
然而，在这个过程中，碳渣的产生成为一个常见的问题。
碳渣是由于电解池中阳极炭块表面的碳材料被氧化和摩擦产生的副产物。
它对生产效率和产品质量产生不利影响，因此需要采取一些应对措施来减少其产生。
本文将深入探讨铝电解生产过程中碳渣产生的根源，并提供一些有效的应对措施。
1. 碳渣产生的根源铝电解生产过程中，碳渣产生的根源主要可以归结为以下几点：1.1 电解池中的碳材料在铝电解生产过程中，阳极炭块是起着关键作用的材料。
阳极炭块主要由浓度为99.5%至99.7%的碳组成。
这些碳块在电解过程中会被氧化，同时与电解质和铝熔体发生摩擦，导致碳渣的产生。
1.2 不均匀电流分布在电解池中，电流分布的不均匀性是碳渣产生的另一个重要原因。
由于一些不可避免的因素，如阳极炭块形状和位置的差异，以及电解液中的不均匀性，会导致电流在阳极表面分布不均匀。
这种不均匀分布使得一些区域的碳材料更容易被氧化和摩擦，进而产生碳渣。
1.3 操作条件和工艺参数操作条件和工艺参数的不当设置也会导致碳渣产生增加。
如果电流密度设置过高或过低，阳极炭块的工作温度不合适，电解液中的杂质含量过高等，都会增加碳渣的产生。
2. 应对措施为了减少铝电解生产过程中碳渣的产生，可以采取一些有效的应对措施：2.1 优化阳极炭块材料和制造工艺选择高质量、高纯度的阳极炭块材料，并优化制造工艺，可以减少碳渣的产生。
优质的阳极炭块材料可以提供更好的耐摩擦性能，降低碳材料被氧化的速率，从而减少碳渣的生成。
2.2 优化电流分布通过改善电解池的设计和操作，可以实现更均匀的电流分布，减少碳材料受到氧化和摩擦的可能性。
这可以通过调整阳极炭块的位置、形状和数量，以及优化电解液的组成和流动性来实现。
2.3 控制操作条件和工艺参数合理设置操作条件和工艺参数，是减少碳渣产生的关键。
铝电解阳极炭块表面自动清理系统的开发周艳芳【摘要】介绍了阳极炭块表面结焦的产生原因,并分析了阳极炭块表面结焦传统清理方法存在的问题,提出了阳极炭块表面结焦清理的新方法,重点介绍了阳极炭块大面及小头结焦的在线自动清理,阳极炭块碳碗结焦自动清理和船形阳极圆弧底角结焦的清理,结果表明,采用新清理方法具有重要的时效性,实现了阳极表面结焦的自动清理,保证了阳极外观合格率达99％以上.%The cause of anode carbon block surface coking is introduced in this paper, and the existing problems of traditional methods for cleaning up the anode carbon block surface coking is also analyzed in this paper; the new cleaning up method of anode carbon block surface coking is presented with an emphasis on the on-line automatic cleaning up for general and small part anode carbon block coking , the automatic cleaning up for its carbon bowl coking, and the cleaning up for boat shape anode' s arc base coking, the results show that the new cleaning up method has the important time—effectiveness, the automatic cleaning up of anode surface coking is achieved, it guarantees the qualified rate of anode appearance more than 99% .【期刊名称】《云南冶金》【年(卷),期】2013(042)001【总页数】4页(P77-79,85)【关键词】阳极炭块;结焦;自动清理【作者】周艳芳【作者单位】云南铝业股份有限公司炭素厂,云南昆明650502【正文语种】中文【中图分类】TF8211888 年美国匹兹堡电解厂将冰晶石－氧化铝溶解炼铝法运用于工业生产，建成了世界上最早的预焙阳极电解槽［1］。
铝电解发展初期，采用挤压法生产的小型预焙阳极，单个阳极尺寸甚小，阳极电流为4 000 A，20 世纪50 年代之后，用挤压和振动成型机制造大规模预焙阳极成功并逐步被广泛采用，到今天，工业化预焙阳极电解槽电流已达500 kA［1］。
随着电解槽电流值的提升，对预焙阳极的物理性能及外观质量要求越来越高，作为预焙阳极生产的焙烧工序，也就成了影响预焙阳极理化指标、外观合格率指标的重要工序。
1 阳极炭块表面结焦的产生原因生阳极在焙烧工序进行焙烧时，为了防止阳极氧化，并固定阳极及碳碗的几何形状，将热量传导使阳极均匀受热，阻碍挥发分顺利排出的同时导出挥发分，阳极炭块在装炉时要填充和覆盖一定粒度(3 ～6 mm)的煅后焦作为填充料。
在焙烧过程中，沥青析出，在阳极表面与填充料发生结焦现象，为保证焙烧阳极外观质量及外形尺寸，须对焙烧阳极进行清焦处理。
2 阳极炭块表面结焦清理的传统方法阳极炭块在焙烧工序中有立装和卧装两种装炉方式，不管采用哪种装炉方式，阳极炭块在焙烧过程中，与填充料接触的阳极表面都容易出现结焦现象，严重的时候结焦面大，且粘接性较强。
传统的清焦方式有人工清理，或是简单的刮板装置。
用人工清理时，由于阳极炭块在炭块库是以纵向排列为垛的方式摆放，只能对阳极炭块大面进行清理，无法进行端面的清理，需在输送的途中另安排人员进行端面的清理。
以阳极炭块焙烧工序年17 万t 的产量为例，需要设置10 ～12 人进行阳极炭块的大面及碳碗清理，和8 人(四班三倒)进行阳极炭块的端面清理，人工清理劳动强度大，生产率低下，且结焦的清理效果较差，随着人工成本的不断上升，实现阳极炭块表面结焦的自动清理已成为一种需求。
最初的阳极炭块结焦清理装置如图1 所示，在阳极炭块运输线上两侧各安装有一组刮刀，阳极炭块通过刮刀安装位置，刮刀完成对阳极炭块表面结焦的刮削［2］，此种装置结构简单，投入成本较少，但刮刀对结焦的刮削力较弱，清理效果较差，在阳极炭块外形尺寸偏差较大时容易出现卡阻，且只能对炭块运输前进方向的纵向两侧面进行刮削，端面部分结焦还需人工进行清理，人工清理时工人劳动强度大，作业环境粉尘大，炭块库内堆垛天车作业频繁，存在较大的安全隐患。
图1 刮刀清理装置示意图Fig.1 Scraper cleaning plant schematic diagram3 阳极炭块表面结焦清理的新方法3.1 对阳极炭块大面及小头结焦的在线自动清理针对传统清理方法存在的问题，我们提出了一套对阳极炭块大面及端面结焦进行在线自动清理装置的设计方案，如图2 所示，在阳极炭块原输送链Ⅰ线旁新增一条Ⅱ线输送链，阳极炭块在Ⅰ工位到Ⅱ工位，再到Ⅲ工位，最后到Ⅳ工位的过程中，分别经过两组电动清理装置，完成了阳极炭块大面及端面的结焦的自动清理。
阳极炭块结焦电动清理装置如图3 所示，装置由固定机架、活动机架、刀具、立式电动减速机及其传动部分组成。
活动机架上下各一组水平导向轮和滚轮，每组水平导向轮有两个水平轮，活动机架沿固定机架导轨滑动时不会出现卡阻，且刀具旋转工作过程中能够保持机架的平稳，另外，活动机架与固定机架中间位置有一根轴连接，轴外装有一根弹簧，构成一组调整弹簧，清理装置在清理过程中遇到结焦大块时，刀具旋转阻力加大，活动机架压缩调整弹簧，实现刀具切削力的自行调整，避免刀具旋转阻力增大造成负荷增加烧毁电机，也可以实现炭块尺寸出现偏差时的自行调整。
电动清理刀具选用立式齿轮减速机，结构紧凑小巧，安装方便，输出转速可选在300 ～400 r/min即可满足切削要求，刀具采用多刀盘方式，每个刀盘其结构如图4 所示，可以每个刀盘装有两片刀片，也可以装4 片刀片，刀片以螺栓联接，避免焊接刀片引起刀盘热应力不均，每个刀盘以一个键槽［3］位相对错位安装，安装后刀片形成螺旋状，在切削进刀时第六次只有两片刀片与结焦面接触，减少了每次刀片与结焦面接触的面积，大大降低削切阻力，刀盘以六组为佳，受力均匀，运行平稳。
图4 单个刀盘结构示意图Fig.4 Schematic diagram of the structure of single cutter head3.2 对阳极炭块碳碗结焦自动清理阳极炭块碳碗由于空间窄小，结焦层厚，无有效的人工清理工具。
清理工只能用20 ～30 mm 宽的铲刀一次次地冲击撞碎结焦，然后用压缩空气吹出，反复清理吹扫，最后完成碳碗结焦的清理。
清理过程中劳动强度大，工作环境粉尘、噪音较大，并且没有专用的清理区，空中堆垛炭块的堆垛天车过往频繁，存在较大的安全隐患，因此，实现阳极炭块的碳碗在线自动清理也成为了阳极炭块表面清理系统的一个部分。
阳极炭块碳碗自动清理机示意图如图5 所示，它由固定机架、活动机架、升降装置、导向装置、刀盘及其驱动装置组成。
清理过程如下:阳极炭块到位后，升降装置带动活动机架沿导向杆下降，活动机架上装有四套独立驱动的刀盘，四个刀盘同时旋转，分别对阳极炭块四个碳碗内结焦进行清理，清理过程中，压缩空气对碳碗进行吹扫干净，清理完毕，升降装置带动活动机架上升，完成了一块炭块的碳碗结焦的清理。
刀盘的驱动装置选用三相立式齿轮减速机，其结构紧凑，占用空间小，适合于这种碳碗中心距小，且四个碳碗清理刀盘需独立驱动的结构特点。
图5 碳碗自动清理机示意图Fig.5 Schematic diagram for carbon bowl automatic cleaning plant3.3 对船形阳极圆弧底角结焦的清理船形阳极底部棱边为圆弧角，焙烧后同样会出现结焦现象。
对阳极炭块大面及端面进行清理时无法用同一种刀具对底部棱边圆弧角进行清理，需制作安装专用刀具对其进行清理。
专用刀具安装示意图如图6 所示，刀具刀口成圆弧，圆弧角与船形阳极底部棱边圆弧角相似，刀具以铰键连接方式安装在机架上，两侧刀具相对阳极前进方向呈八字形状安装，对阳极炭块前进有导向作用，刀具尾部装有调整弹簧，阳极炭块存在尺寸偏差时刀具可以进行人工调整和刀具自身的微调整，最终刀具与阳极底部弧形角充分接触，对圆弧角结焦实现有效清理。
图6 专用刀具安装示意图Fig.6 Schematic diagram for installation of dedicated cutter4 结语阳极炭块表面清理系统的开发，从阳极的侧面、端面、碳碗及其圆弧角的结焦的自动清理几个方面来优化，可以实现侧面、端面及圆弧角棱边的结焦的清焦量达99%以上，由于阳极炭块碳碗内缘存在四条螺旋槽，目前现有的刀具只能实现85%的清焦量，还会遗留一部分结焦需人工进行清理，但从以上几个方面的优化，可以有效地保证阳极炭块的外观合格率达99%以上。
阳极炭块表面清理系统是一个系统的工程，以上只是针对清理系统中的机械部分作了一些优化，系统中我们还需要完成自动控制部分、收尘部分、清理下来的大量填充焦的回收装置，还有将已经试制成功的阳极底部清理装置纳入系统中，清理系统的完成可以提升生产线的自动化性能，有效地降低了人工成本和改善了工作环境。
参考文献:［1］肖亚庆. 中国铝工业技术发展［M］. 北京:冶金工业出版社，2007.［2］潘昌勇. 一种新型炭块解组清理机组的方案设计［J］. 机械工程师，2011 (3):38－40.［3］吴宗泽. 机械设计课程设计手册［M］. 北京:高等教育出版社，1992.。
