大型鋁電解槽槽殼結(jié)構(gòu)變形與槽壽命關(guān)系及校正措施論述

李偉波 ,楊幸雨

(1.廣元中孚高精鋁材有限公司,四川 廣元 628017;2.貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081)

電解槽本體結(jié)構(gòu)主要由下部槽殼、上部大梁結(jié)構(gòu)及母線組成,槽本體結(jié)構(gòu)與電解槽生產(chǎn)管理全周期(PLM)、工程投資及生產(chǎn)成本有著密切的聯(lián)系。槽殼的設(shè)計原則是正常工藝生產(chǎn)條件下,保證結(jié)構(gòu)的可靠性和滿足變形等各項使用要求[1]。鋁電解槽在連續(xù)生產(chǎn)一定時間后可能出現(xiàn)槽殼向外鼓出變形,搖籃架開焊斷裂以及電解槽出鋁和煙道兩端上翹等變形現(xiàn)象,并給電解槽指標(biāo)帶來不利影響,并且這種狀況會直接或間接的影響到電解槽槽壽命。

1 現(xiàn)階段鋁電解槽殼分類特點及其槽殼變形原因淺談

1.1 鋁電解槽殼本體結(jié)構(gòu)簡述

現(xiàn)階段的鋁電解槽的槽殼分類及其特點如表1所示[2-5]:

表1 鋁電解槽槽殼分類及其特點表

1.2 槽殼變形原因分析

電解槽槽殼一方面承載了整個電解槽槽殼以及上部大梁等鋼結(jié)構(gòu)的總重;另一方面也作為盛內(nèi)襯的空腔,其結(jié)構(gòu)還要能夠保證其在使用合理的理化指標(biāo)范圍內(nèi)的內(nèi)襯材料可以承受在高溫下產(chǎn)生的熱及化學(xué)應(yīng)力兩種應(yīng)力能處在許用范圍以內(nèi)的作用。電解槽自身殼體的變形是一個長期累積的過程,全槽生產(chǎn)產(chǎn)品生命管理周期(PLM)越長,槽殼四周上沿板及大面長側(cè)板的變形量就會越積越大,所以在此結(jié)果上剖析電解槽在不同生產(chǎn)運行工藝參數(shù)周期及不同數(shù)據(jù)采集關(guān)鍵結(jié)構(gòu)點發(fā)生槽殼變形的原因至關(guān)重要[6-8]。

(1)之前部分400 kA 系列電解槽,早期根據(jù)成本以及生產(chǎn)需求,電解槽長側(cè)板上開的每個鋼窗口溫度相差較大,又因為廠房通風(fēng)原因及沒有圍帶將槽殼本體箍住保證其結(jié)構(gòu)不破壞,所以由內(nèi)里位置溫度差異產(chǎn)生的應(yīng)力會引起電解槽長側(cè)板沿大面方向的起拱變形,導(dǎo)致其應(yīng)力釋放放大化后,外沿板會出現(xiàn)鋼板撕裂或者焊縫撕開的情況。

(2)在前期焙燒啟動時,可能因為陰極炭塊的熱膨脹、槽底內(nèi)襯與槽側(cè)部內(nèi)襯的材料性質(zhì)的不同,頂部槽殼受到的膨脹力及應(yīng)力較底部受到的力大,就會出現(xiàn)槽殼中段出現(xiàn)簡支梁式的上拱變形現(xiàn)象,但后期可根據(jù)控制生產(chǎn)工藝條件及其本身參數(shù)穩(wěn)定后,變形會呈現(xiàn)有所回復(fù)減小的情況。

(3)電解槽啟動初期,金屬鈉的電解析出(Na++e-=Na)及其置換反應(yīng)(Al +3NaF=3Na +AlF3),會向炭素內(nèi)襯的快速滲透,使其內(nèi)襯劇烈膨脹,容易導(dǎo)致炭素裂縫發(fā)展和層離。根據(jù)時間的積累,會導(dǎo)致槽殼變形。

圖1 槽沿板變形情況示意

(4)電解槽若因外部停電限電情況下會進(jìn)行停槽處理,在停槽后的一段時間內(nèi),槽殼及其內(nèi)部內(nèi)襯材料溫降不同,會導(dǎo)致靠近操作面區(qū)域降溫后變形較大。

1.3 增加電解槽使用周期的槽殼結(jié)構(gòu)建議

較原有的無圍帶以及豎形圍帶方案,設(shè)計時應(yīng)考慮一種新式的槽殼及搖籃架結(jié)構(gòu),一方面能更好的吸收調(diào)節(jié)啟動及生產(chǎn)時槽內(nèi)襯所帶來的熱膨脹力以及熱應(yīng)力,另一方面能從搖籃架的結(jié)構(gòu)上傳遞一部分的應(yīng)力去釋放,減少槽殼變形的可能性。

2 陰極炭塊應(yīng)力仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 陰極炭塊應(yīng)力仿真

為更準(zhǔn)確的提取出陰極炭塊性能參數(shù),對某廠現(xiàn)階段內(nèi)襯方案下使用的異型陰極炭塊進(jìn)行三維建模,建模結(jié)果如圖2 所示。

圖2 異型陰極炭塊三維模型圖

在原有方案基礎(chǔ)上,為增加炭塊整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,設(shè)計改進(jìn)方案,主要將炭塊高度增加,取消側(cè)部倒角及炭塊頂部中間的凹槽特征,改變燕尾槽相關(guān)寬、高度。完成三維建模后的炭塊如圖3 所示。

圖3 平底陰極炭塊三維模型圖

為更好提取兩種方案的截面數(shù)據(jù)對比,在3 820 mm 的炭塊中間設(shè)置導(dǎo)流槽的中點面為截面1,在端部往內(nèi)100 mm 距離設(shè)置截面3,在截面1、3 之間二等分距位置設(shè)置截面2,具體位置如圖4 所示。

圖4 截面示意圖

兩種方案下的陰極炭塊性能指標(biāo)對比表如下:

2.2 仿真網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)立

為保證炭間糊與陰極炭塊的粘合更加緊密,在陰極炭塊四周側(cè)面上開通凹槽。為保證仿真網(wǎng)格劃分精細(xì),可適當(dāng)簡化模型后取消側(cè)面上部凹槽。為了保證計算精度,網(wǎng)格尺寸控制在3～5 mm,網(wǎng)格畸變度最大0.85。完成網(wǎng)格劃分后如圖5～6 所示。

圖5 異型陰極炭塊網(wǎng)格劃分圖

圖6 平底陰極炭塊網(wǎng)格劃分圖

圖7 異型陰極炭塊邊界條件圖

根據(jù)陰極炭塊材料標(biāo)準(zhǔn),賦予模型材料性能參數(shù)?？紤]炭塊的自重及實際情況,其側(cè)上部與下部嵌入鋼棒處所受力的不同,分別設(shè)置載荷,上表面設(shè)置載荷為163 kN/m,下部面設(shè)置載荷為327 kN/m。炭塊整體施加位移約束,僅可沿垂直方向自由移動。

表2 不同方案陰極炭塊性能指標(biāo)對比表

2.3 仿真結(jié)果及分析

2.3.1 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖9～12 所示。

圖8 平底陰極炭塊邊界條件圖

圖9 異型陰極炭塊中間截面性能提取圖

圖10 異型陰極炭塊中間截面應(yīng)力圖

圖11 平底陰極炭塊中間截面性能提取圖

圖12 平底陰極炭塊中間截面應(yīng)力圖

2.3.2 仿真評估

就兩種不同方案下的仿真數(shù)據(jù),提取出炭塊中間截面的慣性矩及面上最大應(yīng)力值如表3 所示。

對比不同方案下的應(yīng)力仿真結(jié)果,提取出表3的慣性矩與中間截面的最大應(yīng)力值。對比發(fā)現(xiàn)平底炭塊對于X軸與Y軸方向的慣性矩均比異型炭塊的數(shù)值大,表明在應(yīng)力條件相同時,其可以承受的最大彎矩越大,其承載力就越大;且在同樣壓力作用下平底炭塊的中間截面最大應(yīng)力比異型炭塊的小,表明同等條件下平底陰極炭塊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強。

表3 不同方案陰極炭塊仿真對比表

3 槽殼各向形變評估標(biāo)準(zhǔn)及長側(cè)板、搖籃架修復(fù)方案

3.1 槽殼各向形變評估標(biāo)準(zhǔn)

電解槽槽殼各向形變主體可以總結(jié)為大面上長側(cè)板中段起拱形變與小面沿板上翻兩種。對于電解槽小面沿板上翻變形主要采取在關(guān)鍵部位增設(shè)配重塊以減小緩解小面沿板上翻。一般的槽殼大面修復(fù)方案按照如下所示。

(1)槽殼大面變形值<50 mm 的槽殼不需矯正,但需要檢查槽殼是否存在焊接缺陷,若存在,則需補焊,滿足設(shè)計要求;

(2)槽殼大面變形值>50 mm 的槽殼應(yīng)吊運到槽大修車間進(jìn)行修復(fù),修復(fù)后槽殼大面變形值應(yīng)小于30 mm;

(3)修復(fù)完成后根據(jù)要求進(jìn)行驗收。

筆者了解到貴陽院所出槽殼修復(fù)方案中[9],對于槽殼大面單邊變形值小于45 mm,小面單邊變形值小于15 mm,槽底板變形值小于25 mm 的大修槽殼可不用進(jìn)行單獨校正;但對于槽殼大面單邊變形值大于45 mm,小面單邊變形值大于15 mm,槽底板變形值大于25 mm 的大修槽殼需分別對槽殼本體及搖籃架進(jìn)行修復(fù)校正。

3.2 槽殼校正方案

3.2.1 搖籃架在線修復(fù)方案

(1)搖籃架關(guān)鍵焊縫開裂,但焊縫連接的鋼板還沒有分開的搖籃架角部補強方案:在原有基礎(chǔ)上補焊補強筋板,坡口焊接按圖施工,其余角焊縫高度為10 mm。再將補強筋板和搖籃架側(cè)面立板用鋼板連接,最后用加強筋板將補強筋板、底部工字梁拉成整體,具體方案如圖13 所示。

圖13 焊縫開裂、焊縫連接鋼板還未分開修復(fù)示意圖

(2)其他開裂嚴(yán)重的搖籃架可按圖14 方案補焊(具體所圖14 所示)。但是,按上述補焊搖籃架相鄰的、尚未開裂的搖籃架,如果補強筋板三邊的角焊縫高度不夠8 mm,則必須補焊到10 mm,確保補強筋板的作用。

圖14 開裂嚴(yán)重修復(fù)示意圖

(3)檢查現(xiàn)場所有電解槽搖籃架焊縫情況,若存在焊縫不飽滿的搖籃架,要求重新補焊。

(4)查閱現(xiàn)場施工監(jiān)理記錄,重點關(guān)注施工存在焊縫缺陷的焊工施焊的部位,并到現(xiàn)場排查該焊工施工的焊縫是否存在其他焊縫缺陷[10-12]。

3.2.2 長側(cè)板的大修校直方案

以某廠電解槽大修為例,大修長側(cè)板校直方案如下:

(1)切割掉搖籃架原角部的補強板(圖15 中的零件36)。

圖15 補強板示意圖

(2)將槽殼鼓肚子大的搖籃架角部切割開。

(3)用下圖所示弓形夾具及液壓千斤頂系統(tǒng)相配合,將外鼓的槽殼壓平恢復(fù)。

(4)用結(jié)構(gòu)鋼制作成T 形夾具將上翹的槽沿板壓下來。

圖16 切割線示意圖及實際情況圖

(5)校正到位后,焊接所有焊縫,完成槽殼修復(fù)。

3.3 修復(fù)槽殼形狀公差要求

(1)長側(cè)板縱向直線度Δ:Δ≯5 mm;同時符合:1 m 內(nèi)<1 mm。

(2)槽底板平面度:1 m 長的范圍<1.0 mm。整體<10 mm。

(3)校正后槽殼與內(nèi)襯中間間隙需使用耐火顆粒填充。

圖17 長側(cè)板修復(fù)實際情況圖

4 電解槽槽殼修復(fù)前后數(shù)據(jù)對比結(jié)果

通過某廠6 個區(qū)內(nèi)共計16 臺電解槽槽殼的大修校正工作,采集了處于系列上吊裝前變形尺寸、大面修復(fù)以后的同點變形實測值,與初期設(shè)計的施工圖進(jìn)行差值對比,參照槽殼制作規(guī)程以及修復(fù)規(guī)程中縱向直線度Δ與槽底板平面度的許可范圍值,結(jié)果表明修復(fù)后的電解槽槽殼能夠滿足設(shè)計要求。

表4 槽殼修復(fù)變形實測值

槽殼最大上拱均值為15.8 mm,與設(shè)計方的理論值基本相當(dāng)。仿真計算與實際生產(chǎn)效果說明,修復(fù)后整體微變形槽殼技術(shù)可以為電解槽安全生產(chǎn)提供保障。

5 結(jié)語

(1)較原有的無圍帶以及豎形圍帶方案,設(shè)計時應(yīng)考慮一種新式的槽殼及搖籃架結(jié)構(gòu),一方面能更好的吸收調(diào)節(jié)啟動及生產(chǎn)時槽內(nèi)襯所帶來的熱膨脹力以及熱應(yīng)力,另一方面能從搖籃架的結(jié)構(gòu)上傳遞一部分的應(yīng)力去釋放,減少槽殼變形的可能性。

(2)在同樣壓力作用下平底炭塊的中間截面最大應(yīng)力比異型炭塊的小,表明同等條件下平底陰極炭塊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強。

(3)槽殼實測最大上拱均值為15.8 mm,與設(shè)計方的理論值基本相當(dāng)。仿真計算與實際生產(chǎn)效果說明,修復(fù)后整體微變形槽殼技術(shù)可以為電解槽安全生產(chǎn)提供保障。