鋁用預(yù)備陽極電解槽搖籃架開裂原因分析與治理

1 前言

1886年美國大學(xué)生霍爾(C.M.Hall)與法國大學(xué)生挨羅(C．L．T．Heroult)幾乎同時(shí)在大洋彼岸獨(dú)自發(fā)明鋁的熔鹽電解法，使鋁的提取進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)階段，鋁的價(jià)格大幅度下跌，從此以后，鋁的應(yīng)用日益廣泛，這種電解法被稱為霍爾-埃羅法。至今，全世界每年生產(chǎn)的近8000萬t原鋁都是用該法提取的，不過生產(chǎn)技術(shù)與效益有了很大改進(jìn)，工藝參數(shù)有了不少改變，例如電流強(qiáng)度已從1888年的1.8kA增大到2016年600KA，提高了近333倍，提取原鋁的能耗即從那時(shí)40000kWh下降到12750kWh，即用當(dāng)前最先進(jìn)的SY600槽的電耗僅相當(dāng)于那時(shí)的31.8%，電流效率從1888年的70%上到日前的93%。日前最先進(jìn)與最大的鋁電解槽是中國SY600型槽。它的長度28m，工作電流600kA，電壓3.85V，電流效率93%，每臺(tái)槽每天可生產(chǎn)4500kg原鋁，電耗12.75kWh/kg鋁。鋁電解生產(chǎn)工藝是采用碳熱還原法，工業(yè)規(guī)模上用于煉鋁的直接還原法原理是AL

O

+3C=2AL+3CO。碳熱煉鋁法是用純氧化鋁或直接用含鋁的礦石做原料，輔助氟化鹽作為溶劑，將氧化鋁的熔點(diǎn)降低到950度以下，固體氧化鋁在溶液中變成離子狀態(tài)，然后通以強(qiáng)大的直流電（系列電流350KA以上、系列電壓1100V）將鋁離子置換出來形成液體鋁液沉積在電解槽陰極上。

某電解鋁企業(yè)1339#槽于2018年12月5日點(diǎn)火焙燒，72小時(shí)后，焙燒溫度達(dá)到745℃，1339#槽（電流350KA）B面出現(xiàn)17處、A面3處搖籃架撕裂，B1鋼棒位置處槽殼撕裂，立即停止焙燒，并逐步降低溫度，搖籃架撕裂狀況如圖1所示。

兩年來，李莉一直很忙，卻沒有多大成就，工作稍微好點(diǎn)兒了而已，生活檔次就是吃烤串掏腰包利索了點(diǎn)兒。存款嘛，四位數(shù)而已。至于許峰，一直在她的心尖蕩漾。

2 結(jié)構(gòu)簡介

槽殼：內(nèi)襯砌體外的鋼殼，俗稱槽殼，不僅是盛裝內(nèi)襯砌體的容器，而且還承擔(dān)著克服內(nèi)襯材料的高溫下產(chǎn)生的熱應(yīng)力和化學(xué)應(yīng)力，約束其內(nèi)襯不發(fā)生較大變形和斷裂。因此，槽殼在熔池部位的周邊都具有較大的剛度和強(qiáng)度，如圖2所示。

搖籃架：與小容量電解槽采用框架式槽殼不同，大容量電解槽采用剛性極大的搖籃式槽殼。所謂搖籃式結(jié)構(gòu)，實(shí)質(zhì)上是用24組“U”型的約束架，也就是俗稱的搖籃支架，緊密地卡住鋼板焊成的殼體。搖籃支架具有較大的剛度和強(qiáng)度，殼體起容器作用。搖籃支架小面最外側(cè)的兩組與殼體焊成一體，其余均為用螺栓連接的可拆卸的支架。

槽內(nèi)襯：內(nèi)襯砌體包括保溫材料砌體和陰極炭塊組，其結(jié)構(gòu)和尺寸是根據(jù)生產(chǎn)工藝要求和現(xiàn)有材料的性能，通過熱解析模擬計(jì)算確定的。

保溫耐火砌體：它由各種耐火磚、保溫磚砌筑而成。在槽殼中自下而上一般砌有2-3層石棉板，鋪有一層70mm厚的氧化鋁粉，再砌上2-3層硅藻土保溫磚，2層粘土磚，搗固（熱搗或冷軋）一層炭素糊，最后按錯(cuò)縫方式安放好陰極炭塊組，炭塊間的縫隙要用底糊搗固充實(shí)。槽殼與其上的窗口（陰極棒引出口）各處，均須用水玻璃。石棉灰調(diào)和料密封，以免在生產(chǎn)中炭塊與空氣接觸而氧化。電解槽的四側(cè)由外至里地砌有石棉板（或作為伸縮縫），耐火磚和側(cè)部炭塊。由槽壁內(nèi)襯和槽底炭塊圍成的空間稱為槽膛，其深一般為500mm～600mm。槽膛四周下部用碳糊搗固成斜坡，稱為人工伸腿，以幫助鋁液收縮于陽極投影區(qū)內(nèi)，電解槽結(jié)構(gòu)如圖3所示

。

陰極炭塊組：它包括陰極炭塊組和鋼棒。鋼棒鑲嵌在陰極碳?jí)K的燕尾槽內(nèi)，也是用高磷生鐵澆鑄，是鐵棒與炭塊連接在一起。鋁電解槽所用的陰極炭塊性能見表1所示。

陰極鋼棒與陰極炭塊組合類型結(jié)構(gòu)見圖4。其中A和B比較，B較好，C型長炭塊幾乎貫穿全槽的寬度，這種炭塊接逢數(shù)目最少，可使電解質(zhì)和鋁液滲出的可能性以及由于上抬和推積力所引起的機(jī)械破損可能性均可減至最少，發(fā)展趨勢(shì)是通長炭塊和通長陰極棒。

3 原因分析

（一）如果陰極膨脹系數(shù)為5＊10

，楊氏模量10Gpa，陰極溫度500℃（爐膛745℃），相關(guān)計(jì)算如下：

6.搖籃架鋼梁彎曲變形撓度

一個(gè)自由伸縮的物體，當(dāng)溫度變化時(shí)，其伸縮量大小可由下式計(jì)算

。

式中：L

——自由伸縮量，mm

α——-膨脹系數(shù)，1/℃

黑龍江省應(yīng)當(dāng)對(duì)貧困區(qū)域的資源和產(chǎn)業(yè)進(jìn)行分析，結(jié)合林區(qū)、墾區(qū)、農(nóng)區(qū)、礦區(qū)、油區(qū)等不同地域特征，培植特色優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目，因地制宜分類推進(jìn)扶貧開發(fā)工作。

L——-物體長度，mm

△t—-溫度變化，℃

溫升按500℃、長度4300mm計(jì)算，假設(shè)陰極兩端無約束，一端的膨脹量為總膨脹量的一半，既：

2．陰極膨脹力計(jì)算

陰極變形量大于搖籃架變形量，受搖籃架的約束，陰極向外擠壓側(cè)板和搖籃架，側(cè)板在陰極擠壓力作用下，向外變形，變形量等于陰極最終膨脹量，也等于搖籃架立柱、鋼梁彎曲變形量和鋼梁拉伸延長量之和。膨脹力由下式計(jì)算，變形模型如圖5所示：

式中：k——陰極彈性系數(shù)，N/m△L——伸長量，m

式中：E— —陰極彈性模量，Gpa，

民國時(shí)期，上到政府官員，下到黎民百姓，崇尚社會(huì)本位法律，厭惡個(gè)人本位法律，已經(jīng)成為了一種社會(huì)趨勢(shì)和人們內(nèi)心的固有想法。大部分的學(xué)者認(rèn)為，社會(huì)本位法律更具道德性和正當(dāng)性，所以，應(yīng)該拋棄個(gè)人本位法律，從信念和法理上，學(xué)者更愿意將社會(huì)本位作為中國現(xiàn)代法律體系的中心。正如胡漢民所言，民國的立法宗旨在于通過社會(huì)本位來影響中國法律思想的發(fā)展，甚至試圖以此來改造整個(gè)社會(huì)。就此分析，中國法律之所以采用了社會(huì)本位，從邏輯推理上并未獲得正當(dāng)性證明，只是從人們的信念上獲得一種支持和認(rèn)同。不過，問題就來了，信念只是人民內(nèi)心的一種選擇和堅(jiān)守而已，民國時(shí)期大部分的學(xué)者都愿意尊崇社會(huì)本位，拋棄個(gè)人本位，這又是為何呢？

L— —陰極長度，m

7.鋼梁拉伸變形

3.槽殼受力分析

槽殼在不考慮自身受熱膨脹力的情況下，側(cè)板受到24組陰極膨脹力F、自身彈性反作用力q和搖籃架反彈力F1的作用，力學(xué)模型如圖7所示，其關(guān)系式為：

側(cè)板在陰極擠壓力作用下，向外變形。側(cè)板與端頭焊接為一體，可視為兩端固定的梁，其它力不予以考慮，力學(xué)模型如圖8所示，已知側(cè)板長度16100mm，鋼板厚度16mm，高度1144mm，槽沿板寬度349mm，船型板高度500mm，共24組陰極和24組搖籃架，變形撓度如下

。

4.槽殼側(cè)板擠壓變形撓度

5.搖籃架立柱變形撓度

第五，撤銷正稅之外的1.2%“傾熔費(fèi)”附加。海關(guān)征收正稅之后，要將收上來的碎銀融化而成官銀，在此過程中會(huì)有損耗，因此在海關(guān)征收5%正稅基礎(chǔ)上，還要附加征收1.2%“傾熔費(fèi)”，相當(dāng)于“火耗”。 中英《通商章程善后條約》第九款規(guī)定：“向例英商完納稅餉，每百兩另交銀壹兩貳錢，作為傾熔之費(fèi)，嗣后裁撤，英商毋庸另交傾熔銀兩?！奔创饲袄U納的“傾熔之費(fèi)”被裁撤，進(jìn)口商人只繳納關(guān)稅、船鈔，若運(yùn)往內(nèi)地銷售再繳納2.5%的子口稅即可免稅在大陸銷售。美、法、俄等國商人同樣享此優(yōu)待。

要堅(jiān)持“法定職責(zé)必須為、法無授權(quán)不可為”，全面公開行政執(zhí)法部門權(quán)責(zé)清單。凡無法律依據(jù)的，一律不得開展執(zhí)法檢查，嚴(yán)防執(zhí)法擾企。切實(shí)防止一些部門在執(zhí)法中對(duì)民營企業(yè)采取“一刀切”等簡單粗暴做法，對(duì)民營企業(yè)經(jīng)營中的一般違法行為，要以教育為主，不能一味處罰、一罰了事。

式中：q— —作用在側(cè)板上的力，N

A— —陰極截面積，m

如圖6所示

l— —側(cè)板長度，m

E— —側(cè)板彈性模量，Gpa，200

I——側(cè)板慣性矩， m4 ，截面尺寸如圖9所示。

適建區(qū)主要分布于榮成經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、港西鎮(zhèn)、成山鎮(zhèn)、港灣街道、斥山街道、桃園街道、王連街道、東山街道、寧津街道。根據(jù)資源稟賦和區(qū)域特點(diǎn)，港西鎮(zhèn)、成山鎮(zhèn)和港灣、斥山、桃園、王連、東山、寧津有豐富的旅游資源，可優(yōu)先發(fā)展旅游建設(shè)，盡量減少旅游設(shè)施對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響和破壞，構(gòu)筑水系和綠帶等生態(tài)廊道，保障生態(tài)系統(tǒng)的完整性；榮成經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，要發(fā)揮資源環(huán)境承載力較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在城市建設(shè)中起帶動(dòng)作用，促進(jìn)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、先進(jìn)制造業(yè)、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)以及高效生態(tài)農(nóng)業(yè)的聯(lián)動(dòng)發(fā)展，建設(shè)現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)集群，增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)競爭力，完善人口集聚和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，提高城市的集聚和輻射能力，積極承接限制區(qū)的人口和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移。

在小學(xué)教學(xué)中應(yīng)用信息化資源的根本目的是確保教學(xué)目標(biāo)的順利完成，而要想達(dá)到這個(gè)目的，就需要小學(xué)教師積極轉(zhuǎn)變以往傳統(tǒng)的教學(xué)理念，把信息化教學(xué)資源有效融入小學(xué)教學(xué)中，充分發(fā)揮出信息化教學(xué)資源在小學(xué)教學(xué)中的實(shí)際教育功能，在實(shí)際的小學(xué)課堂教學(xué)中發(fā)揮信息化教學(xué)資源的貫穿和引導(dǎo)作用，比如可以利用信息化教學(xué)資源給學(xué)生構(gòu)建一個(gè)良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，發(fā)揮環(huán)境育人的作用，學(xué)習(xí)環(huán)境好了，學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力自然就會(huì)減輕，在課堂上表現(xiàn)得也會(huì)更為活潑，在無形中就拉近了彼此之間的距離。

立柱受陰極的擠壓力作用繞根部向外發(fā)生彎曲，其它力不予以考慮，該受力結(jié)構(gòu)可視為懸臂梁，其受力變形如圖10所示。

式中：ΔL

——立柱變形撓度，mm

F

——受力，N

L——立柱受力點(diǎn)懸臂長度，m 0.63

E——立柱彈性模量，Gpa 200

I——慣性矩，m4，截面尺寸如圖11所示。

1.陰極熱變形量計(jì)算

鋼梁在陰極擠壓力作用下，受扭矩力作用翻轉(zhuǎn)彎曲變形，其它力不予以考慮，該受力結(jié)構(gòu)可視為懸臂梁，其受力變形如圖12所示。

積極向上的大學(xué)校園文化作為一種環(huán)境教育力量，是大學(xué)生精神食糧獲取的重要渠道。通過和諧豐富的校園文化活動(dòng)，吸引年輕有激情的大學(xué)生的注意力，充實(shí)他們的大學(xué)生活，提高生活學(xué)習(xí)質(zhì)量，引導(dǎo)他們樹立健康的人生觀、價(jià)值觀和愛情觀。因此高校應(yīng)立足辦學(xué)特點(diǎn)和校風(fēng)校訓(xùn)，以高尚的健康的校園文化理念來引領(lǐng)校園文化建設(shè)，打造具有本校特色和時(shí)代特征的人文環(huán)境氛圍，讓積極向上的校風(fēng)學(xué)風(fēng)滲透到學(xué)生內(nèi)心，外化于學(xué)生行為，從而推進(jìn)大學(xué)生精神文化建設(shè)，營造健康豐富的內(nèi)心世界。

式中：ΔL

------鋼梁變形撓度mm

排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)惡性腫瘤；(2)嚴(yán)重的肝腎功能異常；(3)嚴(yán)重的甲狀腺功能異常；(4)嚴(yán)重的血液疾??；(5)感染性疾?。?6)系統(tǒng)性炎癥疾??；(7)既往經(jīng)冠狀動(dòng)脈造影診斷為冠心病。

M---------轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，N.m

L----------鋼梁懸臂長度，m

E---------鋼梁彈性模量，Gpa 200Gpa

I---------慣性矩，m

輔導(dǎo)班是另一種學(xué)習(xí)方法，它是在學(xué)習(xí)書本知識(shí)之后進(jìn)行的課后輔導(dǎo)，一般通過老師的講解，自己的多次練習(xí)去學(xué)習(xí)，對(duì)掌握的知識(shí)進(jìn)行再次鞏固。這種現(xiàn)象也最常見在我們的學(xué)生當(dāng)中，學(xué)生們從剛開始上學(xué)就開始被安排上各種輔導(dǎo)班，有學(xué)舞蹈，有學(xué)畫畫，到了大學(xué)畢業(yè)后，通過各種專業(yè)的考研輔導(dǎo)、國家公務(wù)員考試等輔導(dǎo)班，來強(qiáng)化各種能力。尤其在現(xiàn)在的社會(huì)中競爭激烈，輔導(dǎo)班的學(xué)習(xí)也逐漸成為潮流。

鋼梁在陰極擠壓力作用下，受拉伸力延長變形，其它力不予以，變形量ΔL

，已知鋼梁長度4800mm，截面積121.121cm

。

解方程（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）得

8.搖籃架抗彎應(yīng)力計(jì)算

8.1 鋼梁受到的彎矩：

8.2 鋼梁受到的彎曲應(yīng)力：

已知鋼梁材質(zhì)Q235，許用彎曲應(yīng)力[σ]=235Mpa

長沙繞城高速公路干杉收費(fèi)站，是海吉星運(yùn)輸農(nóng)產(chǎn)品上高速最近的一個(gè)收費(fèi)站。據(jù)站長彭海武介紹，在2015年干杉收費(fèi)站綠色通道車輛平均每天僅4臺(tái)，但2016年海吉星開業(yè)后，當(dāng)年干杉收費(fèi)站綠色通道車輛猛增到平均每天262 臺(tái)，而今年1至7月份，干杉收費(fèi)站綠色通道車輛累計(jì)為82549臺(tái)，平均每天391臺(tái)。

9.搖籃架加固后抗彎應(yīng)力計(jì)算

巴克夏正要往下跳，何副書記出來了，在燈火闌珊中踉踉蹌蹌地走了。我不由得松了口氣 ，但不知?jiǎng)偛虐l(fā)生了什么事情。

為了證明混合方案的有效性，本文將次級(jí)電弧的自動(dòng)滅弧時(shí)間（即允許次級(jí)電弧電流自行滅弧而不會(huì)跳閘其他兩個(gè)正常相）與通過不同的混合方案獲得的強(qiáng)制滅弧時(shí)間進(jìn)行比較。故障位置的模擬結(jié)果如表1所示。

在搖籃架鋼梁兩側(cè)各焊接1塊16.5＊400mm鋼板，如圖13所示。

（二）如果陰極膨脹系數(shù)為4＊10

，楊氏模量7Gpa，陰極穩(wěn)定溫度700℃，相關(guān)計(jì)算如下：

（三）如果陰極膨脹系數(shù)為5＊10

，楊氏模量10Gpa，陰極溫度700℃（爐膛940℃），相關(guān)計(jì)算如下：

4 結(jié)論

如果陰極膨脹系數(shù)為5＊10

，楊氏模量10Gpa，在焙燒溫度接近750℃時(shí)，搖籃架就會(huì)出現(xiàn)開裂，當(dāng)溫度達(dá)到最終溫度940℃時(shí)，即使對(duì)搖籃架進(jìn)行加固亦會(huì)出現(xiàn)開裂，除非加固鋼板厚度大于30mm時(shí)不會(huì)開裂。

如果陰極膨脹系數(shù)為4＊10

，楊氏模量7Gpa，在焙燒溫度接近750℃時(shí)，搖籃架不會(huì)開裂，當(dāng)溫度達(dá)到最終溫度940℃時(shí)，隨著使用時(shí)間的延長，鋼材出現(xiàn)疲勞，搖籃架將會(huì)陸續(xù)出現(xiàn)開裂，當(dāng)對(duì)搖籃架進(jìn)行加固后不會(huì)開裂。

故，陰極炭塊力學(xué)性能指標(biāo)要控制在膨脹系數(shù)4＊10

，楊氏模量7Gpa以內(nèi)。電解槽為A面進(jìn)電，立柱母線軟帶集中在該側(cè)，造成A面槽殼摩擦力大于B面，導(dǎo)致B面槽殼變形量大于A面，故B面搖籃架開裂大于A面。2018年對(duì)108臺(tái)開裂電解槽搖籃架加固，3年來未曾再出現(xiàn)開裂。

[1]田應(yīng)甫．大型預(yù)焙鋁電解槽生產(chǎn)實(shí)踐．長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，2003．3

[2]單輝祖．材料力學(xué)．北京：高等教育出版社，2004．

[3]錢偉長，葉開沅．彈性力學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，1998．