鋁電解廠機械設備與多功能起重機主梁部件優化研究

姜 林

（黃河鑫業有限公司， 青海 西寧 810000）

引言

對于鋁電解廠而言，其主要機械設備是電解槽和配套的裝置，同時還包括一些必要的環保設施，這些機械設備的性能代表著鋁電解廠的發展水平。

1 現階段鋁電解廠機械設備狀況概述

1.1 側部導電自焙陽極電解槽鋁廠

從國內鋁電解廠的發展歷程來看，早期建立的一些大型鋁電解廠，主要分布在山東、包頭以及蘭州等地，同時還有一些地方性的中小型型鋁電解廠，以側部導電自焙陽極電解槽為主，通稱為側插槽。該種類型的電解槽是上世紀50年代初最早從前蘇聯引進，經過多年的改進和創新發展，其機械化水平以及各項技術經濟參考指標有了很大程度的提高。

1.2 上部導電自焙陽極電解槽鋁廠

對于該種類型的電解槽而言，通稱為上插槽，我國20世紀五六十年代被廣泛的應用。對于上插槽而言，與之相配套的設備有拔棒天車、懸臂打殼加料機組以及加糊車[1]。目前國內發展現狀來看，早在20世紀60年代，大連起重機廠就自主研發出了拔棒天車，在貴州鋁廠以及青銅峽鋁電解廠的一期建設過程中得以有效應用，確保了機組的運行安全可靠性，當時的各項技術水平均已達到了國際水準。對于懸臂打殼加料機組而言，20世紀60年代初期的上海起重機器廠就已經自主研發出這一機械設備，而且在貴州鋁電廠的一期建設與發展過程中得以有效的利用，技術性能和應用水平均已達到國外同類同行業水平。對于加糊車來講，上插槽生產過程中需定期向陽極上部位置加入適當的陽極糊，加糊設備沒有開發并且采用人工方式進行操作；青銅峽鋁電解廠二期建設過程中，引入了專用的加糊車，而且其性能分層的可靠，大大促進了生產效率和質量的提高。

1.3 預焙陽極電解槽鋁廠

目前來看國內采用該種方式的鋁電解廠也非常的多，比如貴州鋁電解廠、青銅鋁電解廠以及包頭鋁電解廠（二期）和撫順鋁電解廠（四期）等，而且機械設備水平也比較高，其中最為典型的是貴州鋁電解廠、青銅鋁電解廠等[2]。

上述鋁電解廠均全部或者部分引入了先進的機械設備，在技術效率上縮短與國際水平之間的差距。具體而言，與預焙槽鋁電解生產相配套的機械設備主要有鋁電解用和碳素焙燒用兩種類型的多功能天車，對于前者而言其主要是預焙槽鋁廠生產操作過程中所需的主要裝置，其中打殼、更換陽極、加料、出鋁以及抬母線和電解槽安裝與檢修等作業是關鍵。就貴州鋁廠引入ECL天車來看，其中翻版形式的鋁電解多功能天車在撫順、包頭以及青海和沁陽等基礎鋁電解廠得以應用。從技術性能水平來看，該種類型的電解槽已達到20世紀70年代的水準，能夠滿足基本的生產要求。同時，我們也應當看到其缺點與不足之處，比如，雙速電動機、電器元件以及空壓機等配套設施受所處環境因素的干擾和影響較大，運維過程的工作量非常的大。隨著科技水平的不斷提升，機械設備的現代化和智能化不斷提高，自行研發的各種多功能天車性能逐漸增強。從成本造價來看，現階段我國生產的多功能天車成本僅為進口車的10%左右，在日后發展過程中，若要選用先進的進口設備和元器件，則應當以提高鋁廠的電解天車整機運行能力為條件。

2 鋁電解廠多功能起重機主梁部件優化

基于以上對現階段中國鋁電解廠的機械設備現狀分析，在當前經濟新常態背景下，要尋求快速發展，就必須創新和改進原來的理念與模式，在鋁生產機械設備改進上多下功夫。以多功能起重機主梁部件為例分析如下[3]：

起重機械設備主要用于電解鋁吊裝作業，同時也是物料流轉過程中必不可少的自動化裝置。隨著生產規模的不斷擴大，起重機械設備在冶金行業得以廣泛的應用。在電解鋁工藝中，所需的原材料進入電解槽內生產鋁液，在此過程中鋁電解多功能起重機自動換極，然后進行打殼、下料、出鋁、抬母線以及稱重和電解槽維修等步驟。起重機械設備的應用不僅可以有效提高工作效率，而且能夠改善作業條件。陽極制備炭塊過程中，焙燒多功能起重機不僅可以吊運重物，而且還能夠將焙燒爐中的填充料抽出，并對其進行分離和除塵回填，然后把陽極炭塊運送到編解組。隨著科技水平的不斷提高，需對多功能起重機主梁部件進行優化，其步驟如圖1所示。

圖1 多功能起重機主梁部件優化分析流程

在設計變量選定過程中各元素作為自變量，有一定的變量范圍要求，不能無限大或小，通過優化確定自變量函數。目標函數非常的小但大于零，在分析有限元軟件時只能設置一個目標優化分析，需滿足機構整體性能以及安全穩定性。

本次優化的關鍵在于更改上蓋板與下蓋板、腹板（左右）厚度，從而減輕主梁架構的重量。在上述優化基礎上選擇合適的材料，并通過對市場銷售的板材分析來選用Q420作為主梁材料。從應用效果來看，選擇Q420作為主梁材料有利于提高主梁的強度與剛性，而且可以有效提高其韌性，使其具有較強的抗疲勞強度能力。對于主梁結構而言，其主要由板材焊接而成，因焊接性能較好，焊接以后能夠有效提高應力應變性能，尤其在鋁電解廠中應用效果顯著。同時，利用ANSYS Workbench分析軟件對鋁電解多功能起重機模型優化分析，仿真設計鋁電解多功能起重機主梁結構，并利用形狀分析類別來優化分析主梁結構；循環設定30次，其中優化后獲得28組有價值的數據，篩選后用于主梁結構最輕量化設計。測量結果顯示，主梁結構優化改進以后，其自重減輕了大約10%；為驗證優化后的主梁結構安全可靠性，對其靜力學應力以及位移進行分析，結果滿足要求，優化設計達標；不僅減輕了主梁的重量，而且提高了經濟效益。

3 結語

鋁電解廠的機械設備性能非常重要，關系著整個電解廠的生產與發展。近年來的實踐證明，國內新建的鋁電解廠引進的關鍵設備確實在縮短與國外發展差距過程中起到了非常重要的促進作用，因此既要創新改進又要大膽借鑒先進經驗，這樣才能促進我國鋁電解廠的可持續發展。