GP500大型鋁電解槽支撐梁結構力學仿真計算分析

敖紅敏

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

目前，國內新建鋁廠設計基本采用500 kA及500 kA級以上的大型鋁電解槽。大型鋁電解槽的結構主要分為槽上部結構、槽殼及內襯結構。槽上部結構包括：陽極組塊、陽極母線、陽極升降機構、打殼下料裝置、支承梁、槽罩板、槽管網及電纜等。電解槽上部的支撐梁結構是電解槽上部機構中重要的承重部件，它必須保證在電解槽正常工作環境下承擔電解槽上部裝置所有部件的重量。因此，在設計過程中，必須保證在電解槽在高溫、高煙氣、高磁場的工作環境下，支撐梁的應力和應變都不能超過允許值。結構的力學性能必須要滿足電解系列的生產需求，才能實現電解生產的正常運行。支撐梁設計必須穩定可靠，即使在滿足強度剛度及電解槽上部所有配置的各種機構要求下，要做到重量最輕，功能齊全。

國內設計的135 kA、160 kA等小型鋁電解槽，支撐梁結構基本采用的是桁架梁結構，此結構具有重量較輕，焊接方便等特點。經過技術的發展，貴陽鋁鎂設計研究院首次提出了箱型板梁結構的支承主梁，并采用了ADINA結構仿真計算程序，仿真計算了此結構的變形和應力，并將此設計首次應用于河南沁陽280 kA鋁電解槽的設計中工程中。在此后，隨著電解槽的逐步大型化，在240 kA電解槽、320 kA電解槽、420 kA電解槽及以上槽型的設計中，支撐梁結構逐漸升級優化了箱型板梁結構。同時，國內另一電解設計院，沈陽鋁鎂設計研究院設計的大梁結構，也采用箱形板梁結構。板梁結構具有的特點是：剛性足夠大，承載重量能力優于桁架結構，并具有外觀整齊等優點。因此，在前期的設計過程中，可以通過變更腹板的寬度和厚度的方式來達到不同的力學性能，從而滿足不同條件下力學性能結構的需要，使力學設計結構更加合理。同時，鋼板梁結構在安裝制作的過程中，自動化切割及自動化焊接程度高，更有利于保證支撐梁結構的制作質量，因此在500 kA級及500 kA以上超大型鋁電解槽支撐梁設計中仍繼續采用箱形板梁結構。

根據GP500 kA鋁電解總圖配置，電解槽大面基本上采用6點立柱進電模式。6根立柱母線位于大面加工面的一側，陽極母線需穿過支撐梁上的6孔與立柱母線接連。電解生產過程中，廠房上部的電解多功能天車在操作過程中需要通過電解槽上方，因此支撐梁結構不可過高，同時，為了滿足生產過程中出鋁、打殼等工藝操作，支撐梁結構不可過低。支撐梁的高度和寬度對受力情況影響都比較大，所以在設計過程中對支撐梁的結構力學進行仿真計算分析是非常有必要的。

1 支撐梁結構分析仿真要點

根據電解生產工藝特點，電解槽的上部結構主要承受的力為靜載荷。該文主要使用仿真軟件ANSYS模擬平臺中的靜荷載模塊進行力學仿真分析。支撐梁的結構基本采用16～22 mm厚的鋼棒焊接而成，其結構特點是跨度大、載荷集中，鋼梁板材的截面較高。為了節省鋼材，減少自重，大梁的腹板一般選用比較薄的鋼板。在設計中需要同時權衡支撐梁整體受力情況及材料的厚度的選用，在保證足夠的力學性能情況下，盡量減少材料的用量和重量，提高經濟價值。由于上部結構采用的是較薄的鋼板焊接而成，因此也需要重點考慮支撐梁結構的穩定性，而實際設計工作中，手工計算上部結構的失穩校核極為困難，所以該文采用ANSYS模擬平臺的Eigenvalue Buckling模塊，對支撐梁進行線性屈曲分析，以此來判定其穩定性。

在ANSYS-workbench線性靜力學模塊中，主要采用的是積分法求梁的變形，其基本算法步驟如下：

①外力分析，列平衡方程，求支座反力，并校核計算結果；

②內力分析，列彎矩方程；

③列出梁的撓曲線近似微分方程，并對其逐次積分；

④利用邊界條件及連續條件確定積分常數；

⑤將求得的積分常數帶入，確定撓度方程。

結構靜力分析的有限元方程為：

[K]{u}={F}

式中：

[K]——剛度矩陣；

{u}——位移矢量；

{F}——靜力載荷。

在結構分析中，材料模型是指材料的應力和應變關系，對于各向同性線性彈性材料，應力-應變關系服從Hooke定律，需要的基本材料參數有彈性模量E和泊松比ν。

式中，G為剪切模量，G可由彈性模量和泊松比導出：

由于支撐梁是在高溫的條件下進行作業，因此需要考慮整體環境的溫度變化產生的熱膨脹，則需要給出熱膨脹系數α，因此應力-應變關系中需要增加熱應變：

εth=α△T

由于支撐梁結構均采用的是16～22 mm的薄鋼板，因此在穩定分析方面做了以下假設：

(1)直線在垂直中面發生變形后，仍與中面保持垂直，同時此直線的長度不發生變化；

(2)垂直于中面的應力忽略不計；

(3)板中面上沒有平行于個點位移發生。

2 建立支撐梁仿真模型及網格劃分

支撐梁結構不僅作為主要的受力結構，還包含了很多生產工藝功能。主要有含氟氧化鋁料箱(用于槽上存儲氧化鋁供下料使用)、氟化鹽料箱(用于存儲氟化鹽調節電解質成分使用)、支撐下料打殼系統、集氣排煙系統及槽上配管等。在建模過程中，綜合考慮實際情況與簡化計算模型2方面，簡化集氣排煙系統及下料系統。支撐梁結構的主梁鋼板在厚度比較薄，因此在厚度方向上的應力和變形均很小，故將模型等效為殼體單元模型。

支撐梁的幾何模型建立完成后，需要對其進行網格劃分。從有限元法的原理上來講，計算模型的網格數量越多，計算的精度就會提高，但計算的時間和對計算機的性能也要求越高，見圖1。因此，在實際計算中需要選擇滿足精度要求的網格。根據工程經驗和反復計算驗證，此模型網格尺寸控制在40～80 mm，網格畸變度最大0.85，見圖2。

圖1 計算模型 Fig.1 Calculation model

圖2 模型網格Fig.2 Model grid

3 確定邊界條件

支撐梁上的外部載荷主要有48組陽極掛在陽極母線上，陽極母線掛在陽極提升機構的8個支點上，陽極提升機構安裝在支撐大梁上。因此外部載荷主要集中在陽極提升機構與大梁接觸的8個面上。外部載荷主要包含以下幾個部分：①單組陽極重與陽極組數總相乘，即為陽極組總重；②陽極母線總重根據圖紙設計重量確定；③陽極卡具的單重根據訂貨條件確定，再乘以陽極卡具數量；④單塊陽極上的覆蓋保溫料乘以陽極數量，即為保溫材料的總重；⑤陽極母線提升裝置根據圖紙確定；⑥陽極母線提升框架根據訂貨技術條件確定。

結殼力：在電解生產中，陽極四周的電解質表層因槽內外溫差會在演技與側部炭塊之間形成堅硬的電解質層。在需要進行抬陽極母線的時間，陽極提升陽極機構需要克服電解質結殼粘結力。在電解槽生產過程中，多功能機組中的打殼機構將堅硬的電解層進行破碎，但無法全部消除，依然還會存在部分結殼。根據設計生產經驗，結殼力約為陽極總重的20 %，大梁自重可通過程序自行計算增加。

上述載荷是電解槽在工作最不利情況下對整個支撐梁的最大載荷。因此，按照最不利條件取最大外力載荷為1 862 kN。集中載荷為8個面，陽極提升機構與上翼板的每個接觸面的面積約0.110 m2。每個面載荷的施加為1.69 Mpa。

環境溫度按鋁電解槽啟動初期的最高溫度150 ℃。門型立柱底板施加位移約束，僅沿鋁電解槽縱向x方向可移動20 mm。

4 仿真結果分析

4.1 變形結果

從圖3可見，支撐梁的主梁上下翼板受應力值比較大，主梁最大變形發生在跨中位置，最大變形必須<主梁的撓度許用值，此支撐梁結構設計才能在安全范圍內使用。此支撐梁形變量見圖4-5。

圖3 上部結構總變形云圖Fig.3 Deformation view of the upper part

圖4 上部結構Z方向(縱向)變形云圖Fig.4 Deformation view of the upper part in Z direction(vertical)

圖5 上部結構Y方向(垂直)變形云圖Fig.5 Deformation view of the upper part in Y direction(vertical)

以上部結構上翼緣的變形比(擾度)作為上部結構設計變形評價指標，參考鋼框架結構撓度設計標準(GB50017)。上部結構上翼緣Z方向變形數據Ymax=-26.4 mm，Ymin=2.48 mm。上部結構上翼緣長L=19 655 mm，容許最大變形比R=1：400。

計算變形比R如下：

此結構的形變比R小于容許最大形變比，在強度方面，整體結構的變形量在安全范圍內，可以滿足正常的生產需求。

4.2 應力結果

從圖6可見，整個上部結構等效應力幾乎都低于320 MPa(Q345鋼150 ℃下的屈服強度)，只在幾何奇點處出現應力集中情況，在實際上部結構制作過程中焊接時作過度處理即可消除應力集中。上部結構最大應力區域發生在兩立柱與梁連接筋板處，從圖7-8中看出，兩立柱及其連接筋板最大等效應力均低于320 MPa(個別幾何奇點除外)。

圖6 上部結構等效應力云圖Fig.6 Equivalent stress view of the upper part

圖7 上部結構出鋁端立柱等效應力云圖Fig.7 Equivalent stress view of the column at the Al outlet

以上結果說明材料服役過程中上部結構最大應力值均小于相應材料在對應溫度下的許用應力。

圖8 上部結構煙道端立柱等效應力云圖Fig.8 Equivalent stress view of the column at the flue end

4.3 穩定性結果

支撐梁結構穩定性是指此結構在受到微小的外力干擾下，其結構在各向擾動的大小。如果在某向或者幾個方向的擾動很大，那么就說明該結構失去了穩定性。在實際的支撐梁結構中，由于在垂直方面上受到電解槽上各部件的重力，存在著初始彎曲和偏離載荷作用點共同作用，所以在支撐梁結構常常還未達到臨界載荷或者屈曲載荷時，就已經變得不穩定。因此，仿真計算中，結構件的穩定安全系數必須>1才能滿足生產正常需求。

從圖9可見，該上部結構穩定性的安全系數為2.12>1，表明上部結構穩定性可靠，支撐梁主要容易發生屈曲失穩的位置主要分布在主梁腹板第一個方形窗口位置。此窗口位置的屈曲載荷系數為2.3，遠大于支撐梁屈曲失穩時的臨界載荷系數1，所以此支撐梁結構的穩定性滿足要求。

圖9 上部結構穩定性云圖Fig.9 Stability view of the upper part

5 結 語

電解槽支撐梁結構設計在電解槽設計中處于非常重要的地位，它的剛度強度及穩定性直接影響到電解槽是否能安全生產。成功的支撐梁結構設計應同時具備有足夠的剛度和強度，在滿足力學性能要求的前提下應具有投資成本低的特點。綜上所述，此GP500電解槽支撐梁結構設計在鋁電解槽最不利外載條件下運行，其強度、剛度均能滿足性能要求。此種結構具有變形小，外形尺寸小、投資低等特點，達到了減少前期投資的目的，是電解鋁上部支撐梁結構設計首推的前沿技術。