鋁電解槽蓋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

王自力， 王東曜

(1.中國(guó)有色金屬工業(yè)第六冶金建設(shè)有限公司， 河南 鄭州 450006；2.中南大學(xué)輕合金研究院， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

近年來(lái)，電解鋁產(chǎn)能迅速擴(kuò)張，據(jù)估算作為專用生產(chǎn)設(shè)備的電解槽接近10萬(wàn)臺(tái)，所用蓋板總量超過(guò)6萬(wàn)t。由于鋁電解槽蓋板形式過(guò)多，缺少統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，難以實(shí)現(xiàn)互換，不利于電解鋁行業(yè)的降本增效。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外鋁電解槽蓋板結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，結(jié)合作者的專利——新型集成化鋁電解槽蓋板[1]，就蓋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化做一淺述。

鋁電解槽是電解鋁生產(chǎn)的主體設(shè)備，蓋板是電解裝置的重要附件之一，其最主要功能就是密封爐膛，將煙氣聚集匯流到煙氣凈化系統(tǒng)，減少電解煙氣對(duì)人體的危害和環(huán)境污染，其功能還包括：阻隔電解槽的熱量散失；防止氧化鋁粉加料時(shí)撒料；用于電解陽(yáng)極的檢修作業(yè)。根據(jù)鋁電解槽蓋板的功能特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)各電解鋁廠有多種類(lèi)型的蓋板，由于結(jié)構(gòu)類(lèi)型太多，無(wú)法實(shí)現(xiàn)互換[2-3]。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)外鋁電解槽蓋板應(yīng)用現(xiàn)狀，按照功能與結(jié)構(gòu)的匹配關(guān)系，就蓋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提出一些見(jiàn)解，希望能給相關(guān)技術(shù)人員一些借鑒。

1 密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化

電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生大量含有HF、CO2、CO及粉塵等有害成分的煙氣，需用若干塊蓋板將整個(gè)爐堂覆蓋密封，將煙氣聚集后匯流到煙氣凈化系統(tǒng)。這種蓋板密封效果主要受兩方面因素的影響：蓋板本身的密閉性；蓋板之間的縫隙。在進(jìn)行蓋板密封功能設(shè)計(jì)時(shí)，一般是從其本體密封和邊緣密封加以考慮。

1.1 本體密封優(yōu)化

傳統(tǒng)蓋板通常采用鋁型材制作骨架，再用薄鋁板鉚接在骨架上。該結(jié)構(gòu)加工制作復(fù)雜，較易變形開(kāi)裂。為了盡量減少中間節(jié)點(diǎn)泄漏幾率，可將骨架和面板優(yōu)化集成融合為一體。

1.2 邊緣密封優(yōu)化

蓋板邊緣是電解爐膛的主要泄漏部位，在蓋板邊緣所采用的密封結(jié)構(gòu)主要有剛性密封和柔性密封兩種形式。剛性密封是依靠蓋板邊緣的平直立面相互接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于受蓋板制作精度和操作人員技術(shù)水平等因素影響，難以杜絕泄漏問(wèn)題。柔性密封是在邊緣骨架外側(cè)設(shè)置凹槽，將柔性氈條嵌入凹槽內(nèi)，氈條一般采用耐高溫、耐腐蝕橡膠材料，通過(guò)氈條之間的柔性接觸來(lái)達(dá)到密封效果。但是氈條在高溫、強(qiáng)腐蝕環(huán)境下，易于老化變質(zhì)變硬，不能有效降低漏風(fēng)量問(wèn)題，且加工成本較高，故其實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用較少。在柔性密封實(shí)用性差、剛性密封又難以根治泄漏的情況下，邊緣密封性問(wèn)題的優(yōu)化宜在減少蓋板間線性接觸長(zhǎng)度、簡(jiǎn)化蓋板結(jié)構(gòu)、提高蓋板加工平直度等方面加以考慮。

2 承重結(jié)構(gòu)優(yōu)化

蓋板的承重要求是它的一個(gè)重要附加功能，目的是為了方便操作工人的攀爬與站位。正是由于承重方面的特殊要求，蓋板設(shè)計(jì)必須考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題，傳統(tǒng)蓋板的骨架結(jié)構(gòu)就是基于這方面的考慮而加設(shè)。承重優(yōu)化設(shè)計(jì)一般是在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，將骨架與密封面板制作成一個(gè)模塊，該模塊可以利用現(xiàn)代加工設(shè)備簡(jiǎn)易制造。根據(jù)加工工藝特點(diǎn)和外形結(jié)構(gòu)不同，承重模塊可分為：拱形結(jié)構(gòu)和平直結(jié)構(gòu)。

2.1 拱形結(jié)構(gòu)

拱形結(jié)構(gòu)模塊是通過(guò)模具整體壓制成型的蓋板(圖1(a))，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)化，承重特性相對(duì)合理，但其面板展開(kāi)長(zhǎng)度大，材料需用多，并且蓋板部件之間的接觸線性長(zhǎng)度增大，漏風(fēng)點(diǎn)增多；另外各部件需要分別沖壓，輔助設(shè)備較多，生產(chǎn)效率較低，總體制作成本較高。

2.2 平直結(jié)構(gòu)

平直結(jié)構(gòu)模塊是一種槽型類(lèi)蓋板(圖1(b))，即在合金鋁板上壓制出條形凹槽(也可通過(guò)軋制成型)，直接依靠凹槽立肋，滿足承重強(qiáng)度要求，不再加設(shè)承重骨架，這樣可以更加簡(jiǎn)化蓋板結(jié)構(gòu)、降低制作加工費(fèi)用。

圖1 新型蓋板結(jié)構(gòu)效果圖

2.3 蓋板壁厚優(yōu)化

蓋板承重量主要指操作人員體重及其所攜帶工具重量之和，相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范目前還沒(méi)有該方面的強(qiáng)制性要求。筆者根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際調(diào)查情況，并結(jié)合起重設(shè)備載人質(zhì)量計(jì)算慣例，按不大于100 kg計(jì)算，否則會(huì)大幅度增加蓋板制作費(fèi)用。由于新型蓋板皆采用薄鋁板壓制成型，參考冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算[4]，見(jiàn)式(1)和式(2)。

圖2 冷彎槽型鋁板截面

(1)

(2)

式中：σ為彎曲應(yīng)力；Mmax為對(duì)主軸x軸的最大彎矩；Wenx為對(duì)主軸x軸的較小有效凈截面模量；τ為剪切應(yīng)力；Vmax為最大剪力；S為計(jì)算剪應(yīng)力處以上截面對(duì)中和軸的面積矩；I為毛截面慣性矩；t為腹板厚度之和。

從式(1)和式(2)可以看出，槽型鋁板的抗壓性能與其截面高度和板材厚度皆有正相關(guān)性，在蓋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如何選取其截面高度和鋁板厚度將對(duì)蓋板重量起至關(guān)重要的作用。根據(jù)前期試驗(yàn)總結(jié)：槽型鋁板一般取值截面高度為50～60 mm、厚度為1.5 mm左右時(shí)，制作、運(yùn)輸、使用等綜合效果最好，同等承重條件下，單槽型蓋板最輕。

3 絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化

電解槽上部為陽(yáng)極承重平臺(tái)，下部為陰極槽殼，上下部之間存在一定的電壓降，當(dāng)蓋板罩在槽殼和上部結(jié)構(gòu)時(shí)，為了阻隔電解電流漏電，必須設(shè)置絕緣結(jié)構(gòu)。目前，在實(shí)際電解生產(chǎn)中蓋板絕緣形式多為U型套螺栓固定結(jié)構(gòu)，主要依靠螺栓將絕緣套和支撐板緊固在一起，根據(jù)絕緣套是否暴露又將其細(xì)分為內(nèi)、外絕緣套結(jié)構(gòu)。內(nèi)絕緣套結(jié)構(gòu)(圖3(a))相對(duì)復(fù)雜，不僅在U型絕緣套外側(cè)加裝一層薄板護(hù)套，而且連接螺栓需要加裝絕緣套管和絕緣墊圈；外絕緣套結(jié)構(gòu)(圖3(b))是在內(nèi)絕緣套基礎(chǔ)上進(jìn)化的新產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但對(duì)U型絕緣套的材料性能要求較高，既要耐高溫和耐腐蝕，又要具有足夠的厚度和強(qiáng)度。

電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中，蓋板經(jīng)常處于高溫環(huán)境和頻繁移位狀態(tài)，容易導(dǎo)致絕緣結(jié)構(gòu)失效或松動(dòng)損壞。為了克服上述絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜和易于損壞的缺點(diǎn)，特引入嵌裝化理念，設(shè)計(jì)出嵌入式絕緣結(jié)構(gòu)(圖3(c))。該型產(chǎn)品是根據(jù)絕緣材料的彈性特點(diǎn)，試制出凸頭支撐板與凹槽絕緣套嵌入式組合絕緣模塊，適當(dāng)確定凸頭與凹槽之間的過(guò)盈配合尺寸，依靠其間的夾持摩擦力，實(shí)現(xiàn)緊固連接。該設(shè)計(jì)理念可以極大地減少蓋板構(gòu)件數(shù)量，很容易就可以實(shí)現(xiàn)蓋板批量高效加工。

圖3 蓋板絕緣結(jié)構(gòu)效果圖

4 保溫結(jié)構(gòu)優(yōu)化

電解槽爐膛保溫問(wèn)題，主要是通過(guò)蓋板阻隔內(nèi)外氣流相互交換來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前已出現(xiàn)在蓋板表面加設(shè)保溫隔層的理念。但考慮到爐膛過(guò)度保溫，會(huì)出現(xiàn)電解槽上部散熱不暢，槽殼側(cè)板和底板異常升溫?fù)p壞的情況，且不利于電解熔池表面結(jié)殼和爐幫生長(zhǎng)、穩(wěn)定等因素。在蓋板保溫功能優(yōu)化時(shí)，擬采用一種折中措施，僅在蓋板內(nèi)部凹陷部位覆蓋一層薄壁鋁板，稍微增加蓋板制作費(fèi)用，又可適當(dāng)減少爐膛熱量輻射損失。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上文分析，鋁電解槽蓋板的密封性是其最基本功能，主要是為了阻隔爐膛內(nèi)部有害氣體外泄?；跔t膛負(fù)壓生產(chǎn)環(huán)境，少許外界空氣進(jìn)入并不會(huì)對(duì)正常生產(chǎn)造成實(shí)質(zhì)性危害，因此，剛性接觸密封結(jié)構(gòu)一直是主流形式。承重和絕緣要求是鋁電解槽蓋板的另外兩個(gè)必備功能，針對(duì)這兩方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較多，總趨勢(shì)朝一體化、嵌合化方向發(fā)展，目的是盡量簡(jiǎn)化蓋板結(jié)構(gòu)、增加使用壽命、降低制作成本。針對(duì)在蓋板上增設(shè)保溫夾層的觀點(diǎn)，需要進(jìn)行辯證分析，因?yàn)樯w板過(guò)度保溫和密封可能導(dǎo)致局部槽溫過(guò)高，尤其在炎熱的夏季生產(chǎn)階段，所產(chǎn)生的不良結(jié)果更多，所以，“保溫節(jié)能”在此還是一個(gè)有待全面驗(yàn)證的概念。