新型鋁電解槽搖籃架的分析與研究

陶 力

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司， 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構形式，通過運用有限元軟件對該種新型搖籃架結構和傳統搖籃架結構同時進行應力分析，并且將分析結果進行詳細的比較，從而找出新型搖籃架結構所具有的優點，為今后電解槽搖籃架技術的發展提供了參考。

鋁電解槽搖籃架； 預應力； 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十個形狀、大小相同的U形框架結構，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力。槽殼的設計原則是在使用溫度范圍內、在內襯最大應力作用下，保證其變形始終處在彈性范圍內。為了增強槽殼的強度，保證陰極內襯始終處于壓應力狀態，以滿足鋁電解使用要求，常常通過優化設計，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，槽殼主要承受內襯材料的熱膨脹力作用，必然產生很大的熱應力，槽殼對為其提供支撐的搖籃架產生巨大的側向壓力。同時，由于鋁電解槽受到電場、熱場等多物理場耦合作用，受力機理極為復雜，到目前為止，相關研究都局限于數值模擬研究，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值，因而無法準確得到電解槽搖籃架在各工況下的設計荷載。

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

針對傳統的搖籃架在使用過程中出現大量破壞的情況，對現有的搖籃架進行改進，設計出不同種類的新型搖籃架，為比較新型搖籃架及傳統搖籃架的受力性能，受力變形規律，極限承載力等，利用SolidWorks simulation有限元軟件對其進行建模分析。通過對計算數據進行分析，掌握搖籃架的受力性能和變形規律，為電解槽搖籃架的優化設計及新型電解槽結構的工程實際應用提供可靠的理論分析依據。

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(即FEA數值技術)的設計分析軟件，在數學術語中，FEA也稱為有限單元法，是一種求解關于場問題的一系列偏微積分方程的數值方法。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，再使用數值近似法將模型離散化以便分析。離散化過程也就是網格劃分的過程，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。當使用有限單元工作時，FEA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果，比如變形或應力。應用FEA分析問題時有三個步驟：1)預處理：定義分析類型(靜態、熱傳導、頻率等)、添加材料屬性、施加載荷和約束、網格劃分。2)求解：計算結果。3)后處理：分析結果。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，接著對模型進行網格劃分，最后實施計算并對計算結果進行比較分析。

首先，將在現場使用過程中沒有發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。然后再對新型結構的搖籃架進行分析計算，這樣便能在新型結構與現有成熟結構之間進行比較，從而找出新型結構的優勢所在?，F以平果鋁業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、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是根據平果鋁業160 kA電解槽搖籃架進行實體建模，并對模型劃分網格、添加載荷及約束條件后實施計算得到的應力圖和位移圖。

圖2 160 kA電解槽搖籃架應力圖

從應力圖中可以看出該搖籃架的最大應力出現在豎臂與橫梁連接處的內側，數值大約為140 MPa。從位移圖中可以發現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，最大變形位移出現在豎臂的頂端，其數值為7.5 mm。

由于傳統搖籃架的結構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?？墒且胪ㄟ^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。因此便出現了一種叫做“預應力搖籃架”的新型搖籃架。接下來便對這種新型的預應力搖籃架進行詳細的分析。

圖3 160 kA電解槽搖籃架位移圖

新型預應力搖籃架的結構如圖4所示，與傳統搖籃架相比，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大小的預應力。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，通過鋼筋預先施加一個與搖籃架工作載荷方向相反的預應力，希望這個預應力能夠平衡一部分工作載荷，這樣就可以用較小的結構橫截面來承受工作載荷，實現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噸的預應力；豎臂與橫梁根部連接位置的斜拉鋼筋施加了5噸的預應力。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應力是如何施加在鋼筋上的。在現實情況下，鋼筋是通過螺母固定在搖籃架上，鋼筋上的預應力是由扳手對螺母的擰緊過程施加在鋼筋上的，在工作載荷下搖籃架豎臂的變形又通過螺母將二次應力作用到預應力鋼筋上。SolidWorks可以提供螺母以及螺栓預緊力的模擬，但是搖籃架在工作載荷作用下發生變形時，豎臂對鋼筋產生的二次張拉應力卻無法模擬施加到鋼筋上。因此采用“冷縮配合”來模擬預應力的施加，通過“冷縮配合”不但可以模擬出搖籃架上鋼筋初始的預應力，而且還可以將搖籃架在工作載荷下豎臂發生變形時產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變化的，使得計算結果更加接近實際的工作情況。

圖4 預應力搖籃架結構圖

由于搖籃架上的鋼筋上施加了與工作載荷反向的預應力，同時鋼板尺寸有所減少，因此先對該搖籃架進行結構穩定性的計算。首先將預應力搖籃架的模型建立好，再將鋼筋上的預應力虛擬在鋼筋的兩個固定端，劃分好網格后便開始計算，計算結果如圖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。當BLF在這個范圍內時，扭曲是不會發生的，所以該模型在預應力的影響下不會發生失穩。

接下來，開始對預應力搖籃架施加工作狀態下的工作應力，并計算預應力搖籃架的內力和變形。為了方便比較，計算用的預應力搖籃架是在原有160 kA搖籃架結構的基礎上進行改進的，即將原有搖籃架的橫梁、豎臂所用鋼板尺寸適當減小，并增加預應力鋼筋。改進后的搖籃架重量由原來的760 kg減少到現在的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的預應力，搖籃架的工作載荷保持與先前計算160 kA傳統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分別為預應力搖籃架工作載荷下的應力圖和變形位移圖。從應力圖中可以明顯的發現搖籃架上最大應力出現的地方是在預應力鋼筋上，而不是先前計算傳統結構時所出現的地方，即豎臂與底部橫梁連接處的內側。兩端斜拉鋼筋上的平均拉應力為220 MPa，底部橫梁上的鋼筋中平均拉應力為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側的應力值由原來的140 MPa降低至約110 MPa。從位移圖中可以發現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，最大位移量出現在豎臂的頂端，頂端向外變形量約為7.7 mm。

圖6 預應力搖籃架應力圖

圖7 預應力搖籃架位移圖

通過對預應力搖籃架和傳統搖籃架工作載荷下的應力圖和位移圖不難發現，它們的變形方向一致，大小相近，可是預應力搖籃架相比傳統搖籃架輕了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。新型預應力搖籃架結構不但可以減輕搖籃架的鋼材用量，還可對現有搖籃架在工作載荷下發生較大變形時起到一定的修復作用。也就是說當搖籃架在工作載荷下發生豎臂的變形時，如果任其發展會發生搖籃架豎臂與橫梁連接處產生開裂，導致搖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生。假如在有變形趨勢的搖籃架豎臂與橫梁連接處增設預應力鋼筋結構，同時將適當預應力施加在鋼筋上，這樣便能有效的阻止搖籃架豎臂的繼續變形，防止搖籃架產生失效并導致事故發生。

[1] 葉修梓，陳超祥.SolidWorks Simulation Designer[M].北京：機械工業出版社，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，大學本科，主要從事非標機械設計工作。

TF351

B

1003-8884(2015)05-0031-04