新型鋁電解槽搖籃架的分析與研究

陶 力

(貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司， 貴州 貴陽 550081)

新型鋁電解槽搖籃架的分析與研究

陶 力

(貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司， 貴州 貴陽 550081)

文章引入了一種新型鋁電解槽搖籃架的結(jié)構(gòu)形式，通過運用有限元軟件對該種新型搖籃架結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)搖籃架結(jié)構(gòu)同時進行應(yīng)力分析，并且將分析結(jié)果進行詳細的比較，從而找出新型搖籃架結(jié)構(gòu)所具有的優(yōu)點，為今后電解槽搖籃架技術(shù)的發(fā)展提供了參考。

鋁電解槽搖籃架； 預(yù)應(yīng)力； 有限元分析

在鋁電解槽的下面，沿著電解槽長軸的方向，均勻等距的分布著數(shù)十個形狀、大小相同的U形框架結(jié)構(gòu)，就是電解槽搖籃架(見圖1)。搖籃架除了對電解槽槽殼起到支撐固定作用外更重要的是搖籃架要承受電解槽高溫變形帶來的巨大膨脹應(yīng)力。槽殼的設(shè)計原則是在使用溫度范圍內(nèi)、在內(nèi)襯最大應(yīng)力作用下，保證其變形始終處在彈性范圍內(nèi)。為了增強槽殼的強度，保證陰極內(nèi)襯始終處于壓應(yīng)力狀態(tài)，以滿足鋁電解使用要求，常常通過優(yōu)化設(shè)計，增大搖籃架的鋼板強度和加強支護等手段來加強槽殼殼體剛度，減小殼體變形。

圖1 單榀搖籃架

由于整個電解槽在工作過程中溫度分布很不均勻且溫差非常大，槽殼主要承受內(nèi)襯材料的熱膨脹力作用，必然產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，槽殼對為其提供支撐的搖籃架產(chǎn)生巨大的側(cè)向壓力。同時，由于鋁電解槽受到電場、熱場等多物理場耦合作用，受力機理極為復(fù)雜，到目前為止，相關(guān)研究都局限于數(shù)值模擬研究，尚未能得到電解槽在工作各階段和不同的工況下槽殼傳遞給搖籃架的力具體數(shù)值，因而無法準(zhǔn)確得到電解槽搖籃架在各工況下的設(shè)計荷載。

按照現(xiàn)行的荷載設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的搖籃架，在工作過程中出現(xiàn)了大量不同程度的損壞，實際設(shè)計出的搖籃架目前也不知道其準(zhǔn)確的承載力大小。設(shè)計荷載的不確定性導(dǎo)致實際設(shè)計時無法預(yù)知構(gòu)件的安全儲備。設(shè)計過于保守時容易造成材料浪費，不經(jīng)濟的情況，而當(dāng)設(shè)計強度儲備不夠時，構(gòu)件在使用過程中又容易損壞，因此對現(xiàn)有搖籃架進行有限元建模分析和強度破壞試驗十分必要。

針對傳統(tǒng)的搖籃架在使用過程中出現(xiàn)大量破壞的情況，對現(xiàn)有的搖籃架進行改進，設(shè)計出不同種類的新型搖籃架，為比較新型搖籃架及傳統(tǒng)搖籃架的受力性能，受力變形規(guī)律，極限承載力等，利用SolidWorks simulation有限元軟件對其進行建模分析。通過對計算數(shù)據(jù)進行分析，掌握搖籃架的受力性能和變形規(guī)律，為電解槽搖籃架的優(yōu)化設(shè)計及新型電解槽結(jié)構(gòu)的工程實際應(yīng)用提供可靠的理論分析依據(jù)。

分析之前，簡單介紹一下SolidWorks simulation有限元分析軟件，它是一種基于有限元分析技術(shù)(即FEA數(shù)值技術(shù))的設(shè)計分析軟件，在數(shù)學(xué)術(shù)語中，F(xiàn)EA也稱為有限單元法，是一種求解關(guān)于場問題的一系列偏微積分方程的數(shù)值方法。FEA分析的第一步總是從幾何模型開始，建立幾何模型后，給這些模型分配材料屬性，定義載荷和約束，再使用數(shù)值近似法將模型離散化以便分析。離散化過程也就是網(wǎng)格劃分的過程，即將幾何體剖分成相對小且形狀簡單的實體，這些實體稱為有限單元。將“單元”稱為有限的，是為了強調(diào)單元不是無限的小，而是與整個模型的尺寸相比之下適度的小。當(dāng)使用有限單元工作時，F(xiàn)EA求解器將把單個單元的簡單解綜合成對整個模型的近似解來得到期望的結(jié)果，比如變形或應(yīng)力。應(yīng)用FEA分析問題時有三個步驟：1)預(yù)處理：定義分析類型(靜態(tài)、熱傳導(dǎo)、頻率等)、添加材料屬性、施加載荷和約束、網(wǎng)格劃分。2)求解：計算結(jié)果。3)后處理：分析結(jié)果。由此可見，要想對電解槽搖籃架進行有限元分析計算，必須先建立搖籃架的實體模型并定義模型的材料，然后添加載荷以及約束條件，接著對模型進行網(wǎng)格劃分，最后實施計算并對計算結(jié)果進行比較分析。

首先，將在現(xiàn)場使用過程中沒有發(fā)生過電解槽槽殼變形和開裂的電解槽搖籃架作為參考，對其進行三維建模及有限元分析。然后再對新型結(jié)構(gòu)的搖籃架進行分析計算，這樣便能在新型結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有成熟結(jié)構(gòu)之間進行比較，從而找出新型結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢所在?，F(xiàn)以平果鋁業(yè)160 kA電解槽搖籃架為參考進行實體建模，該電解槽單臺槽總重180 t(含鋁液、電解質(zhì)、槽梆、槽上部、搖籃架、陽極等等)；單臺電解槽活動搖籃架15個；固定搖籃架2個(端頭)；搖籃架材料選用16 mn；電解槽寬度方向單邊外向力50 t/m。圖2、圖3是根據(jù)平果鋁業(yè)160 kA電解槽搖籃架進行實體建模，并對模型劃分網(wǎng)格、添加載荷及約束條件后實施計算得到的應(yīng)力圖和位移圖。

圖2 160 kA電解槽搖籃架應(yīng)力圖

從應(yīng)力圖中可以看出該搖籃架的最大應(yīng)力出現(xiàn)在豎臂與橫梁連接處的內(nèi)側(cè)，數(shù)值大約為140 MPa。從位移圖中可以發(fā)現(xiàn)搖籃架橫梁中部有明顯的上翹，其最大的向上位移值為5 mm；搖籃架的兩個豎臂則分別向外變形，變形量大小相同方向相反，最大變形位移出現(xiàn)在豎臂的頂端，其數(shù)值為7.5 mm。

由于傳統(tǒng)搖籃架的結(jié)構(gòu)形式以及搖籃架的受力特點造成搖籃架在受力后中部上翹、兩豎臂外張，這對搖籃架向電解槽所提供的支撐固定作用造成了不利的影響。可是要想通過增加截面尺寸來加大橫梁和豎臂的抗彎模量，以提高其剛度，減少它們的變形量，則會造成搖籃架自身重量的大幅增加，對成本控制極為不利。因此便出現(xiàn)了一種叫做“預(yù)應(yīng)力搖籃架”的新型搖籃架。接下來便對這種新型的預(yù)應(yīng)力搖籃架進行詳細的分析。

圖3 160 kA電解槽搖籃架位移圖

新型預(yù)應(yīng)力搖籃架的結(jié)構(gòu)如圖4所示，與傳統(tǒng)搖籃架相比，它在底部橫梁上和橫梁與豎臂連接的根部位置多出六根鋼筋，在這六根鋼筋上施加了相應(yīng)大小的預(yù)應(yīng)力。也就是說，在搖籃架還未受到電解槽殼體工作載荷的情況下，通過鋼筋預(yù)先施加一個與搖籃架工作載荷方向相反的預(yù)應(yīng)力，希望這個預(yù)應(yīng)力能夠平衡一部分工作載荷，這樣就可以用較小的結(jié)構(gòu)橫截面來承受工作載荷，實現(xiàn)減小搖籃架用鋼量的目的。本文所列舉的計算實例中，底部橫梁上的鋼筋施加了10噸的預(yù)應(yīng)力；豎臂與橫梁根部連接位置的斜拉鋼筋施加了5噸的預(yù)應(yīng)力。與此同時，減少了搖籃架鋼板的厚度及寬度尺寸，以減輕搖籃架重量。

在計算之前先介紹一下計算模型中的預(yù)應(yīng)力是如何施加在鋼筋上的。在現(xiàn)實情況下，鋼筋是通過螺母固定在搖籃架上，鋼筋上的預(yù)應(yīng)力是由扳手對螺母的擰緊過程施加在鋼筋上的，在工作載荷下?lián)u籃架豎臂的變形又通過螺母將二次應(yīng)力作用到預(yù)應(yīng)力鋼筋上。SolidWorks可以提供螺母以及螺栓預(yù)緊力的模擬，但是搖籃架在工作載荷作用下發(fā)生變形時，豎臂對鋼筋產(chǎn)生的二次張拉應(yīng)力卻無法模擬施加到鋼筋上。因此采用“冷縮配合”來模擬預(yù)應(yīng)力的施加，通過“冷縮配合”不但可以模擬出搖籃架上鋼筋初始的預(yù)應(yīng)力，而且還可以將搖籃架在工作載荷下豎臂發(fā)生變形時產(chǎn)生的二次張拉力施加在鋼筋上，而鋼筋上承受的二次張拉應(yīng)力的大小又是隨著搖籃架豎臂向外擴張變形量的大小而相應(yīng)變化的，使得計算結(jié)果更加接近實際的工作情況。

圖4 預(yù)應(yīng)力搖籃架結(jié)構(gòu)圖

由于搖籃架上的鋼筋上施加了與工作載荷反向的預(yù)應(yīng)力，同時鋼板尺寸有所減少，因此先對該搖籃架進行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的計算。首先將預(yù)應(yīng)力搖籃架的模型建立好，再將鋼筋上的預(yù)應(yīng)力虛擬在鋼筋的兩個固定端，劃分好網(wǎng)格后便開始計算，計算結(jié)果如圖5所示。從計算圖中可以讀出扭曲載荷因子(Buckling Load Factor)的值為(-3.968 5)，也就是說該扭曲載荷因子在BLF<-1的范圍內(nèi)。當(dāng)BLF在這個范圍內(nèi)時，扭曲是不會發(fā)生的，所以該模型在預(yù)應(yīng)力的影響下不會發(fā)生失穩(wěn)。

接下來，開始對預(yù)應(yīng)力搖籃架施加工作狀態(tài)下的工作應(yīng)力，并計算預(yù)應(yīng)力搖籃架的內(nèi)力和變形。為了方便比較，計算用的預(yù)應(yīng)力搖籃架是在原有160 kA搖籃架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行改進的，即將原有搖籃架的橫梁、豎臂所用鋼板尺寸適當(dāng)減小，并增加預(yù)應(yīng)力鋼筋。改進后的搖籃架重量由原來的760 kg減少到現(xiàn)在的620 kg，重量減輕了140 kg。并且在斜拉鋼筋和底部橫梁鋼筋上分別施加5 t和10 t的預(yù)應(yīng)力，搖籃架的工作載荷保持與先前計算160 kA傳統(tǒng)搖籃架時所采用的工作載荷一致。另外，搖籃架的材料同樣選用16 mn。

圖6和圖7分別為預(yù)應(yīng)力搖籃架工作載荷下的應(yīng)力圖和變形位移圖。從應(yīng)力圖中可以明顯的發(fā)現(xiàn)搖籃架上最大應(yīng)力出現(xiàn)的地方是在預(yù)應(yīng)力鋼筋上，而不是先前計算傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)時所出現(xiàn)的地方，即豎臂與底部橫梁連接處的內(nèi)側(cè)。兩端斜拉鋼筋上的平均拉應(yīng)力為220 MPa，底部橫梁上的鋼筋中平均拉應(yīng)力為400 MPa，均遠低于所選高強度鋼筋的抗拉極限強度980 MPa。而豎臂與底部橫梁連接處的內(nèi)側(cè)的應(yīng)力值由原來的140 MPa降低至約110 MPa。從位移圖中可以發(fā)現(xiàn)搖籃架底部橫梁中間仍然有明顯的上翹，其最大的向上位移值為5.35 mm；搖籃架的兩個豎臂仍然向外擴張，最大位移量出現(xiàn)在豎臂的頂端，頂端向外變形量約為7.7 mm。

圖6 預(yù)應(yīng)力搖籃架應(yīng)力圖

圖7 預(yù)應(yīng)力搖籃架位移圖

通過對預(yù)應(yīng)力搖籃架和傳統(tǒng)搖籃架工作載荷下的應(yīng)力圖和位移圖不難發(fā)現(xiàn)，它們的變形方向一致，大小相近，可是預(yù)應(yīng)力搖籃架相比傳統(tǒng)搖籃架輕了140 kg，以160 kA電解槽每臺槽17個搖籃架計，288臺電解槽可以減輕重量約700 t。新型預(yù)應(yīng)力搖籃架結(jié)構(gòu)不但可以減輕搖籃架的鋼材用量，還可對現(xiàn)有搖籃架在工作載荷下發(fā)生較大變形時起到一定的修復(fù)作用。也就是說當(dāng)搖籃架在工作載荷下發(fā)生豎臂的變形時，如果任其發(fā)展會發(fā)生搖籃架豎臂與橫梁連接處產(chǎn)生開裂，導(dǎo)致?lián)u籃架對電解槽的支撐固定作用失效，造成電解槽漏槽等事故發(fā)生。假如在有變形趨勢的搖籃架豎臂與橫梁連接處增設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼筋結(jié)構(gòu)，同時將適當(dāng)預(yù)應(yīng)力施加在鋼筋上，這樣便能有效的阻止搖籃架豎臂的繼續(xù)變形，防止搖籃架產(chǎn)生失效并導(dǎo)致事故發(fā)生。

[1] 葉修梓，陳超祥.SolidWorks Simulation Designer[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

Analysis and Study of New Type Cradle Frame of Aluminium Electrolytic Cell

TAO Li

This article introduces the structure of a new type of aluminum electrolytic cell cradle frame, and analyzes the new structure by finite element software, then compares the results in detail, finds the advantage of new type cradle frame, provides the reference for the development of cradle frame technology.

aluminium electrolytic cradle frame； pre-stressed； finite element analysis

2015-05-06

陶力(1978-)，男，貴州貴陽人，高級工程師，大學(xué)本科，主要從事非標(biāo)機械設(shè)計工作。

TF351

B

1003-8884(2015)05-0031-04