铝电解厂机械设备与多功能起重机主梁部件优化研究

2018-08-14姜林

现代工业经济和信息化 2018年9期

关键词：铝电解电解槽主梁

姜林

（黄河鑫业有限公司，青海西宁 810000）

引言

对于铝电解厂而言，其主要机械设备是电解槽和配套的装置，同时还包括一些必要的环保设施，这些机械设备的性能代表着铝电解厂的发展水平。

1 现阶段铝电解厂机械设备状况概述

1.1 侧部导电自焙阳极电解槽铝厂

从国内铝电解厂的发展历程来看，早期建立的一些大型铝电解厂，主要分布在山东、包头以及兰州等地，同时还有一些地方性的中小型型铝电解厂，以侧部导电自焙阳极电解槽为主，通称为侧插槽。该种类型的电解槽是上世纪50年代初最早从前苏联引进，经过多年的改进和创新发展，其机械化水平以及各项技术经济参考指标有了很大程度的提高。

1.2 上部导电自焙阳极电解槽铝厂

对于该种类型的电解槽而言，通称为上插槽，我国20世纪五六十年代被广泛的应用。对于上插槽而言，与之相配套的设备有拔棒天车、悬臂打壳加料机组以及加糊车[1]。目前国内发展现状来看，早在20世纪60年代，大连起重机厂就自主研发出了拔棒天车，在贵州铝厂以及青铜峡铝电解厂的一期建设过程中得以有效应用，确保了机组的运行安全可靠性，当时的各项技术水平均已达到了国际水准。对于悬臂打壳加料机组而言，20世纪60年代初期的上海起重机器厂就已经自主研发出这一机械设备，而且在贵州铝电厂的一期建设与发展过程中得以有效的利用，技术性能和应用水平均已达到国外同类同行业水平。对于加糊车来讲，上插槽生产过程中需定期向阳极上部位置加入适当的阳极糊，加糊设备没有开发并且采用人工方式进行操作；青铜峡铝电解厂二期建设过程中，引入了专用的加糊车，而且其性能分层的可靠，大大促进了生产效率和质量的提高。

1.3 预焙阳极电解槽铝厂

目前来看国内采用该种方式的铝电解厂也非常的多，比如贵州铝电解厂、青铜铝电解厂以及包头铝电解厂（二期）和抚顺铝电解厂（四期）等，而且机械设备水平也比较高，其中最为典型的是贵州铝电解厂、青铜铝电解厂等[2]。

上述铝电解厂均全部或者部分引入了先进的机械设备，在技术效率上缩短与国际水平之间的差距。具体而言，与预焙槽铝电解生产相配套的机械设备主要有铝电解用和碳素焙烧用两种类型的多功能天车，对于前者而言其主要是预焙槽铝厂生产操作过程中所需的主要装置，其中打壳、更换阳极、加料、出铝以及抬母线和电解槽安装与检修等作业是关键。就贵州铝厂引入ECL天车来看，其中翻版形式的铝电解多功能天车在抚顺、包头以及青海和沁阳等基础铝电解厂得以应用。从技术性能水平来看，该种类型的电解槽已达到20世纪70年代的水准，能够满足基本的生产要求。同时，我们也应当看到其缺点与不足之处，比如，双速电动机、电器元件以及空压机等配套设施受所处环境因素的干扰和影响较大，运维过程的工作量非常的大。随着科技水平的不断提升，机械设备的现代化和智能化不断提高，自行研发的各种多功能天车性能逐渐增强。从成本造价来看，现阶段我国生产的多功能天车成本仅为进口车的10%左右，在日后发展过程中，若要选用先进的进口设备和元器件，则应当以提高铝厂的电解天车整机运行能力为条件。

2 铝电解厂多功能起重机主梁部件优化

基于以上对现阶段中国铝电解厂的机械设备现状分析，在当前经济新常态背景下，要寻求快速发展，就必须创新和改进原来的理念与模式，在铝生产机械设备改进上多下功夫。以多功能起重机主梁部件为例分析如下[3]：

起重机械设备主要用于电解铝吊装作业，同时也是物料流转过程中必不可少的自动化装置。随着生产规模的不断扩大，起重机械设备在冶金行业得以广泛的应用。在电解铝工艺中，所需的原材料进入电解槽内生产铝液，在此过程中铝电解多功能起重机自动换极，然后进行打壳、下料、出铝、抬母线以及称重和电解槽维修等步骤。起重机械设备的应用不仅可以有效提高工作效率，而且能够改善作业条件。阳极制备炭块过程中，焙烧多功能起重机不仅可以吊运重物，而且还能够将焙烧炉中的填充料抽出，并对其进行分离和除尘回填，然后把阳极炭块运送到编解组。随着科技水平的不断提高，需对多功能起重机主梁部件进行优化，其步骤如图1所示。

图1 多功能起重机主梁部件优化分析流程

在设计变量选定过程中各元素作为自变量，有一定的变量范围要求，不能无限大或小，通过优化确定自变量函数。目标函数非常的小但大于零，在分析有限元软件时只能设置一个目标优化分析，需满足机构整体性能以及安全稳定性。

本次优化的关键在于更改上盖板与下盖板、腹板（左右）厚度，从而减轻主梁架构的重量。在上述优化基础上选择合适的材料，并通过对市场销售的板材分析来选用Q420作为主梁材料。从应用效果来看，选择Q420作为主梁材料有利于提高主梁的强度与刚性，而且可以有效提高其韧性，使其具有较强的抗疲劳强度能力。对于主梁结构而言，其主要由板材焊接而成，因焊接性能较好，焊接以后能够有效提高应力应变性能，尤其在铝电解厂中应用效果显著。同时，利用ANSYS Workbench分析软件对铝电解多功能起重机模型优化分析，仿真设计铝电解多功能起重机主梁结构，并利用形状分析类别来优化分析主梁结构；循环设定30次，其中优化后获得28组有价值的数据，筛选后用于主梁结构最轻量化设计。测量结果显示，主梁结构优化改进以后，其自重减轻了大约10%；为验证优化后的主梁结构安全可靠性，对其静力学应力以及位移进行分析，结果满足要求，优化设计达标；不仅减轻了主梁的重量，而且提高了经济效益。