浅析电解槽基础设备及受力分析

　　[摘要]大型预焙槽在启动过程中温度很高，支撑梁会发生起拱变形，支撑梁起拱后对基础支墩将产生很大的水平力...
　　[关键词]大型预焙槽；温度；支撑梁起拱；
　　
　　现有的大型预焙槽生产过程中温度很高，支撑梁会发生起拱变形，支撑梁起拱后对支墩将产生很大的水平力，这样素混凝土很容易被拉裂，实际的工程中也出现过电解槽支墩被拉裂的事故，目前混凝土支墩被拉裂是一个普遍存在而又难于解决的工程实际问题，为解决这一问题，目前是将支墩钢筋从基底一直配到支墩顶部并在支墩顶加绝缘层，这样可以防止支墩被拉裂。这种做法虽然解决了支墩被拉裂的问题，但是生产中支撑梁起拱后对支座仍有很大的水平力，支墩需配很多钢筋。这样不但会增加造价，而且还加大了工程量
　　一、电解槽的主要工作原理及受力特点
　　铝电解槽是炼铝的主体设备，冰晶石-氧化铝熔盐电解法历来是铝工业唯一炼铝方法，在此方法中冰晶石是熔剂，氧化铝是原料，用炭阳极和液态铝阴极。直流电流通入电解槽，在阴极和阳极上起化学反应。产生的电解产物，阴极上是铝液，阳极上是二氧化碳和一氧化碳气体。铝液用真空抬包抽出,经过净化和澄清之后,浇筑成商品铝锭,阴极气体中包含有二氧化碳和一氧化碳，还含有少量氟化物，经过净化之后，废气排放入大气，收回的氧化物返回电解槽，图1-1是电解生产流程简图。
　　预焙阳极电解槽的构造分以下4部分：(1)炭阳极:(2)炭阴极:（3）侧壁；（4）槽壳、槽罩、导电母线等。
　　
　　阳极高度直接决定着阳极的总耗、阳极本身的电压降和热耗量;也影响着阳极作业系数。在阳极制造技术满足的前提下，它存在着经济选择问题。由于预焙铝电解槽在结构及工艺上本身的局限性，它须定期更换预焙阳极来保持铝电解生产的连续性。这样换极作业就成为预焙铝电解槽生产中不可或缺的一项重要操作。
　　铝工业上所用的阴极一词是指盛置熔融的铝液和电解液的容器而言。这包括：底部炭块、边部炭块、炭素内衬和阴极导电棒。在底部炭块之下还有耐火材料和保温材料，所有这些都装在一只坚固的钢壳内。炭阳极的功用除了盛置铝液与电解液之外，主要是用来传导电流，即电子是由它来传导进入电解槽内，铝液经常覆盖在底部炭块之上，铝液便是实际上的阴极。侧壁是电解槽的一个重要结构部分。阴极的侧壁炭块通常是由与底部炭块相同的材料制成。工业生产上不希望侧壁传导电流，但要求其具有良好的导热性。使得侧壁-电解质界面上滋长一层凝固的电解保护层。另外，也希望侧壁材料不易被空气氧化。根据现代观念，提出了铝电解槽侧壁的材料在高温下应该具有如下一些重要性能：
　　电阻率高，导热性好;
　　不与熔融的冰晶石起化学反应；
　　不与铝及钠起化学反应；
　　空隙度小，不渗透电解液和铝，不被空气氧化。
　　钢壳与托架是电解槽的主要受力结构，阴极钢壳通常有两种主要形式：自支撑式和托架式，后者有一个用刚性的结构来建造的无约束钢壳，通常比前者不易变形，这就暗示了它需要内衬的特殊设计。这两种形式的钢壳底部都有工字钢支撑。
　　槽壳设计主要涉及应力及强度计算。铝电解槽槽壳变形来源于槽自重及槽内液态物料产生的应力、高温部分产生的应力以及炭素材料吸收钠等引起膨胀产生的应力等。这些应力导致槽壳变形。成功的设计是槽壳有足够的强度和刚性，以减少蠕变和永久变形。足够的槽壳强度可以阻止阴极膨胀和减缓钠对炭块的歁入，以及电解质对内衬的渗透。近代改进的槽壳采用厚重钢材和托架支撑，在这方面已取得延长钢壳使用期的良好效果。
　　二、减小电解槽支撑梁对基础产生水平力的处理办法
　　上面介绍了电解铝的生产过程及生产过程中电解槽支撑梁将受热产生起拱变形,电解槽支撑梁的起拱变形又将对电解槽基础支墩产生水平力,为了减小电解槽支撑梁对基础产生的水平力，可以使用以下三种电解槽支撑梁结构：
　　1）在绝缘板与支撑梁中间加一个滚动支座，以减小支撑梁对支墩产生的水平力，减小支墩配筋量，防止支墩开裂。
　　这种支撑梁结构由以下部分组成：它包括电解槽支撑梁（1），在支撑梁（1）下设有滚动支座（2），滚动支座（2）下为支座钢板（3），支座钢板（3）下面为绝缘板（4），绝缘板（4）下面为电解槽基础支墩（5）。如附图三所示,附图一为基础支墩钢筋不配到顶的情况,它的缺点是支墩容易开裂,附图二为基础支墩钢筋配到顶的情况,它的缺点是配筋量大,浪费钢材,增加工作量:
　　滚动支座（2）由滚筒、上盖板、下盖板、及销子组成，其中销子上另焊定位板及封板，在滚筒中部开定位槽，滚动支座详见下图：
　　
　　这种支撑梁是在绝缘板与支撑梁中间加一个滚动支座，它允许支撑梁有水平方向的位移，因此可以很大程度上减小支撑梁的起拱变形，最终达到减小对基础的水平力，防止支墩开裂，减小支墩配筋量的目的。
　　2）在绝缘板与支撑梁中间加一个辊轴支座，同样可以减小支撑梁对支墩产生的水平力，减小支墩配筋量，防止支墩开裂。
　　这种支撑梁结构是将第一种方法中介绍的滚动支座换为辊轴支座，其中辊轴支座是由上下两块垫板和中间圆柱形轴构成，辊轴支座下垫板焊接在支座钢板上，构成辊轴支座的三个圆柱形轴均匀地分布在上下两块垫板中间,如下图所示：
　　
　　3）另外在绝缘板与支撑梁中间加一个半球形支座也是减小支墩配筋量，防止支墩开裂的一种好办法:
　　这种支撑梁结构是将第一种方法中介绍的滚动支座换为半球形支座，半球形支座是由一块垫板及一个钢半球组成，图形可见下图：
　　
　　三、结论
　　解决这一问题的办法很多，以上介绍的滚动支座、辊轴支座、半球支座都可以解决这一问题。这三种方法各有其优缺点，第一种方法的滚动支座制作过程较复杂，而且用钢量大，但由于它是通过自身的轴位移来迎合电解槽支撑梁的位移，电解槽支撑梁与滚动支座之间的摩擦力很小，电解槽起拱过程中可以自
　　由伸缩,第二种方法,电解槽支撑梁与辊轴支座的顶板间虽然没有摩擦力,但辊轴支座的圆柱形轴不易固定,安装不当的话,使用过程中圆柱形轴有可能滑落,但辊轴支座制作简便,第三种方法相对于第一种方法来说，它的优点是制作简便，用钢量少，但是电解槽支撑梁与此种支座之间存在摩擦力，在一定程度上会限制电解槽支撑梁的起拱变形，因此在工程中可根据工程实际情况选用上述三种方法中的一种，我认为如果在工程实际中采纳上述方案，对减小电解槽基础水平受力应该都会取得很好的效果。
　　参考文献
　　[1]有色金属冶炼设备，1980.
　　[2]电解炭阳极生产与应用,冶金工业出版社,2005
　　[3]GB50017-2003钢结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2003