1、500 kA铝电解槽支承主梁的设计研究杨志强 1，刘应 2（1.贵阳职业技术学院，贵阳 550081；2.贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵阳 550081）摘要：针对某工程500 kA铝电解槽支承主梁结构形式的方案优选，采用综合评价法定量分析后，得出对于大跨度支承主梁采用箱型梁结构形式更加合理。分析计算了主梁所承受的载荷，并对主梁危险截面进行了校核计算，最后，利用ANSYS-Workbench有限元仿真平台进行模拟校核计算。结果表明，主梁的强度、刚度和稳定性均满足设计要求。关键词：铝电解槽；支承主梁；综合评价法；ANSYS；有限元分析中图分类号：TF821 文献标志码：A 文章编号：1007-7
2、545（2019）03-0000-00Design and Research of Support Beam for 500 kA Aluminum CellYANG Zhi-qiang1, LIU Ying2(1. Guiyang Vocational and Technical College, Guiyang 550081, China;2. Guiyang Aluminum Magnesium Design Research Institute Co. Ltd., Guiyang 550081, China)Abstract：In order to find an optimized
3、supporting method for a main girder structure of a 500 kA aluminum electrolysis cell, the comprehensive evaluation method and quantitative analysis are used, and it is concluded that the box girder structure is more reasonable for the long-span support main girder. This thesis also analyzes and calc
4、ulates load on the main beam and checks the dangerous section of the main beam. The ANSYS-Workbench finite element simulation platform is used to simulate the calculation. The results show that the strength, stiffness and stability of the main beam meet the design requirements.Key words：aluminum cel
5、l; support beam; comprehensive evaluation method; ANSYS; finite element analysis铝电解槽是铝电解生产过程中最关键的装备之一，它主要由槽壳、上部结构、内衬、槽罩、阳极大母线、阳极、阳极提升装置、阳极夹具、槽上管网系统、氧化铝配送系统、槽控系统及槽周母线等零部件组成。支承主梁是铝电解槽上部结构的重要承重梁，承载着氧化铝和氟化盐等原料、阳极、阳极大母线、阳极提升装置、阳极夹具、槽上管网系统、氧化铝配送系统和提升阳极大母线时所用的阳极提升框架等零部件的重量，具有跨度大、支承荷载重、结构配置复杂等特点，因而要求其强度、刚度和
6、稳定性必须小于允许值，以保证铝电解槽正常生产运行。20世纪80年代中期以前，国内设计的135 kA、160 kA等小型铝电解槽支承主梁都是采用重量较轻的桁架梁结构。90年代初，贵阳铝镁设计研究院研究设计出箱型梁结构的支承主梁，用ADINA结构计算程序计算其变形和应力，并首次应用于河南沁阳的280 kA铝电解槽的设计中 1，其后设计的240 kA、320 kA、420 kA及以上的槽型都采用箱型梁结构。沈阳铝镁设计研究院设计的300 kA、400 kA及以上的铝电解槽也都采用箱形梁结构 2。东北大学设计院有限公司设计的400 kA、500 kA及以上槽型均采用桁架梁结构。 20世纪90年代，法国
7、Pechiney 铝业公司发明了带中间支承的铝电解槽支承主梁结构形式，并申请了专利 1。近几年，针对大跨度、重荷载的大型铝电解槽，国内相关设计院也开始探索带中间支承的主梁结构形式。1 几种主梁形式的结构特点桁架梁结构由上横梁、下横梁、斜撑杆及横梁连接杆等型材杆件交叉联接而成，氧化铝料箱和氟化盐料箱与集气排烟系统设计为一体，置于四根横梁之间。此结构形式交叉的节点很多，交叉节点焊接施工空间较小，不能采用机械自动化制作，施工质量不易保证，斜撑杆非等距布置易造成桁架梁受力不均；同时，梁上设备如料箱、打壳下料装置、下料器和集气烟道等零部件的布置，易受其空间结构的限制，结构设计较为复杂；在同等设计条件下，
8、一般桁架梁的主梁截面较高。箱型梁结构是采用两根工形钢对称布置作为主梁，两根工形钢下翼板采用钢板连接为一体，两工形钢之间设有氧化铝料箱和氟化盐料箱，料箱的封板两端与两工形钢连接。此结构形式具有截面规整、截面系数大、抗变形能力强、承载能力强、结构简单，便于机械自动化制作，制作效率较高，且容易保证施工质量。同时，此箱型梁结构容易设计，梁内部便于布置料箱、打壳下料装置、下料器和集气烟道等复杂的零部件，梁上阳极大母线的联接母线方形窗口的布置位置也不受其结构限制，但一般箱型梁比桁架梁偏重。带中间支承梁结构即是在原有桁架梁或箱型梁结构的中间再增加一支承横梁。此结构形式具有挠度小、重量较轻、梁高也较低等优点，
9、但中间支承横梁会影响更换阳极和打壳工序的操作，且外形不够简洁美观 1。doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2019 .03.008收稿日期：2018-12-05作者简介：杨志强（1985-），男，侗族，硕士研究生，高级工程师.2 基于综合评价法的方案比选2.1 综合评价法综合评价法是多种方案比选时常用的方法，是通过一定的数学模型（或算法）将多个评价指标值“合成”为一个整体性的综合评价值。加权评分法是综合评价法定量分析最常用的方法之一，它大致可分为确立影响各方案的主要评价项目、确定各评价项目的权重系数、根据各方案对各评价项目的满足程度进行评分、计算各方案的综合评价值等几个环
10、节。加权评分法的基本数学模型计算公式 3为：=1 式中，W i为第i个方案的综合评价值； Aj为第j 项评价项目的权重系数；B ij为第i个方案的第j 项评价项目的评分值。综合评定值越大说明方案实现程度越大，即为最优方案。项目权重系数确定的合理性，直接关系到综合评价结果的可信度。0-4强制评分法是一种确定评价项目权重系数的常用方法，它适用于评价对象项目重要程度差异不大，且评价对象项目数量不太多的情况。其原理是对两种评价项目重要程度相比较后进行打分，很重要项目打4分，很不重要项目打0分；较重要项目打3分，较不重要项目打1分；两种评价项目同等重要时各打2分；最后汇总计算得出各评价项目的权重系数。2
11、.2 设计条件某工程500 kA铝电解槽结构配置如下：支承主梁跨度20 800 mm，主梁两侧对称配置有两根阳极大母线，每根阳极大母线上采用阳极夹具均匀间隔夹固有 24块阳极（单台槽共48块），阳极炭块尺寸规格为1 770 mm770 mm620 mm；阳极提升装置采用8点提升阳极大母线；电解槽采用 6点进电方式，6根进电立柱母线与一侧的阳极大母线连接，再通过6根联接母线横穿支承主梁上的方形窗口，与另一侧的阳极大母线连通。铝电解槽支承主梁设计时要求：1）主梁跨度20 800 mm，主梁高度小于1 800 mm，主梁两端采用门型立柱结构铰接固定于铝电解槽槽壳两端的上沿板处； 2）主梁的内部设6个
12、氧化铝料箱、2个氟化盐料箱、6个打壳下料装置和设有8个集气口的集气排烟系统；3）阳极提升装置通过4根横梁将48块阳极、阳极大母线、阳极夹具等零部件的重量施加在主梁上翼板上；4）主梁还需能承受阳极提升框架、槽上管网系统、氧化铝配送系统等设备的重量；5）主梁的两侧腹板各设6个方形窗口，便于阳极大母线的联接母线穿过，并可在其内部上下移动（行程400 mm）。2.3 方案比选根据铝电解槽生产工艺和主梁设计要求，经由业内专家组讨论后确定出主梁方案选型需要考虑的评价项目有：F 1梁高、F 2梁重、F 3设计难度、 F4制作难度、F 5维护难度、F 6外形美观，各方案项目指标对比见表1。对比分析：F 1梁高
13、和 F2梁重是主要影响因素，直接关系到工程的总投资额，F 1梁高相对于F 2梁重是同等重要项目；F2梁重相对于F 3设计难度是相对重要项目；F 3设计难度相对于 F4制作难度是同等重要项目；F 4制作难度相对于F5维护难度是同等重要项目；F 5维护难度相对于F 6外形美观是相对重要项目。采用0-4强制评分法计算出各种评价项目的权重系数。由业内专家组采用10分制打分法，对各方案项目按其满足程度进行评分，最后按数学模型公式计算各方案的综合评定值，各方案项目综合评价评分见表2。从表2可知，箱型梁方案的综合评定值最高，即为最优方案。表1 各方案项目指标对比Table 1 Indicators comp
14、arison for various programs项目 桁架梁 箱型梁 带中间支承桁架梁 带中间支承箱型梁梁高/m 2 1.8 1.8 1.7梁重/t 23 24.5 21.5 23.5设计难度 较困难 较容易 较困难 较容易制作难度 较困难 较容易 较困难 较容易维护难度 较容易 较困难 较容易 较困难外形美观 一般 良好 较差 一般表2 各方案项目综合评价评分表Table 2 Comprehensive evaluation for various programs项目 桁架梁 箱型梁 带中间支承桁架梁 带中间支承箱型梁梁高A 1=0.25 7 8 8 8梁重A 1=0.25 8 7
15、8 8设计难度A 2=0.15 6 8 5 6制作难度A 4=0.15 6 8 6 7维护难度A 5=0.15 8 7 7 5外形美观A 6=0.05 8 9 5 7综合评定值 7.15 7.65 6.95 7.053 主梁结构设计主梁工形钢的上翼板、下翼板和腹板均选用Q345A材质，其它结构选用 Q235A材质。主梁跨度20 800 mm，高1 800 mm；上翼板厚度24 mm，宽400 mm；下翼板厚度24 mm，宽度420 mm；腹板厚度12 mm；主梁内部的氧化铝料箱、氟化盐料箱和集气排烟系统均与两工形钢焊接为一体；集中载荷处的腹板外侧采用槽钢竖向加强，且腹板外侧用一根槽钢横向加强，
16、以增强腹板的稳定性。3.1 载荷的确定根据铝电解槽生产工艺和支承主梁的结构特点可知，主梁承受最大荷载工况发生在：1）铝电解槽处于正常生产状态，覆盖保温料全覆盖，且均匀分布；2）所有阳极均为新阳极；3）氧化铝料箱和氟化盐料箱处于满料状态；4）铝电解槽处于提升阳极大母线工序，即阳极提升框架置于主梁上。主梁所承受载荷计算 1-2结果见表 3，受力简图见图1 。表3 主梁载荷计算Table 3 Load calculation of beam载荷类型 载荷名称 结果阳极总重量 P1=905 kN阳极夹具总重量 P2=30 kN阳极大母线重量 P3=140 kN阳极提升装置重量 P4=70 kN阳极提升
17、框架重量 P5=350 kN覆盖保温料重量 P6=105 kN集中载荷P结壳力 P7=100 kN主梁自重 P8=250 kN氧化铝和氟化盐料量 P9=100 kN均布载荷q槽上管网系统和氧化铝配送系统重量 P10=50 kN图1 主梁受力简图Fig.1 Force schematic diagram of beam3.2 强度和刚度计算及评定根据主梁的结构特点和载荷分布可知，跨中截面-的正应力最大，挠度也最大；最左侧和最右侧的方形窗口处截面-（-）的剪应力最大；中间两个方形窗口处截面- （-）的组合应力最大；强度和刚度计算结果及评定见表4。表4 强度和刚度计算结果及评定Table 4 Cal
18、culation and evaluation of strength and stiffness项目 计算值 许用值 评定最大正应力 max=108.5 MPa 295 MPa 合格最大挠度 fmax=26.7 mm 跨 /700=29.7 mm 合格最大剪应力 max=15.3 MPa 170 MPa 合格最大组合应力 a=138.1 MPa 295 MPa 合格4 基于ANSYS-Workbench 有限元分析因支承主梁上所承受的载荷为静载荷，所以利用ANSYS-Workbench模拟平台的Static Structural线性静力学模块进行模拟计算，以判定主梁的强度和刚度性能。采用Vo
19、n Mises屈服准则进行强度判定，用变形量进行刚度判定。因主梁的跨度大、梁截面高、集中载荷重，且制成工形钢梁的上翼板、下翼板和腹板均是采用薄板焊接而成。在较大集中载荷作用下，除了出现强度破坏外，上翼板和腹板也可能屈曲失稳破坏，而实际设计工作中复杂结构的屈曲失稳校核极为困难。现利用ANSYS-Workbench模拟平台的Linear Bucking线性屈曲分析模块进行模拟计算，并采用屈曲载荷系数评定主梁的稳定性。4.1 模型建立及网格划分为简化计算模型，不考虑氧化铝料箱、氟化盐料箱、集气排烟系统、下料打壳装置和下料器等部件；但为了更接近实际情况，主梁两端的门型立柱应建立参与模拟计算；因模型在结
20、构和受力上的对称性，仅模拟分析1/2模型；主梁钢板在厚度方向上的应力和变形均很小，故将模型等效为壳体单元模型。为提高计算精度，网格尺寸控制在30 mm以内，网格最大畸变度为0.85。4.2 模型边界条件设置环境温度按铝电解槽启动初期的最高温度150 考虑；集中载荷以压力形式加载，施加于主梁上翼板与阳极提升装置横梁接触面上；主梁自重以重力加速度的形式加载；氧化铝和氟化盐料重、槽上管网系统、氧化铝输送系统的重量按均布载荷考虑，以压力形式施加于主梁上翼板上表面；主梁的对称面施加对称约束边界条件；门型立柱底板施加位移约束，仅沿铝电解槽纵向方向可移动。边界条件设置见图2所示。图2 模型边界条件Fig.2
21、 Boundary definition of model4.3 线性静力学分析采用线性静力学模块进行模拟计算出主梁的应力和变形量，如图3图5所示。图3 应力分布云图Fig.3 Stress cloud chart图4 总变形云图Fig.4 Total deformation cloud chart图5 竖直方向变形云图Fig.5 Vertical deformation cloud chart4.4 线性屈曲分析以线性静力学分析的结果为基础，对主梁进行特征值屈曲分析，求得屈曲载荷系数和屈曲模态，结果如图6所示。图6 1阶屈曲模态云图Fig.6 1st buckling mode cloud
22、chart4.5 结果分析与评定1）从图3应力分布云图可知，主梁上、下翼板应力值较大，最大值约为130 MPa，与理论计算值138.1 MPa接近，均远小于材料的抗弯强度许用值，所以主梁强度满足要求。2）从图4和图5变形云图可知，主梁最大变形发生在跨中位置，最大变形量为27.65 mm，与理论计算值26.7 mm接近，均小于主梁的挠度许用值，所以主梁刚度满足要求。3）从图6模态云图可知，主梁易发生屈曲失稳的位置位于主梁腹板的方形窗口处；屈曲载荷系数为5.04，远大于主梁屈曲失稳时的临界载荷系数1，所以主梁稳定性满足要求。此方案的500 kA铝电解槽已于2017年8月建成投产，一年生产使用后，经
23、现场性能测试结果表明，支承主梁的各项设计指标均能满足生产要求。5 结语1）采用综合评价法对桁架梁、箱型梁、带中间支承桁架梁和带中间支承箱型梁四种典型梁结构形式进行定量分析计算后，选定500 kA 铝电解槽支承主梁采用箱型梁结构形式更加合理。2）根据铝电解槽生产工艺和支承主梁上的载荷分布特点，分类归纳计算出主梁上所承受的荷载，并对主梁的强度和刚度进行设计计算；最后采用ANSYS-Workbench有限元模拟平台对主梁进行有限元校核；结果表明，主梁的强度、刚度和稳定性均满足要求。参考文献1 王愚. 280 kA 铝电解槽支承大梁的选型和设计 J. 轻金属，1997（8）：32-35.2 肖冰. 300 kA 铝电解槽上部结构支承主梁的设计研究 J. 有色设备，2004（增刊1）：32-34.3 刘名阳，李庆喜. 综合评价法在矿井辅助运输方案选择中的应用 J. 煤炭工程，2016（3）：18-23.
