铝电解槽立柱底座上支板的补焊改造

董 菲

（东北大学设计研究院（有限公司），辽宁 沈阳 110166）

目前现代大型预焙阳极铝电解槽[1]普遍采用大跨度管桁架梁或者实腹板梁结构，而其下方则通过四处铰接形式的立柱底座支撑。立柱底座承担着铝电解槽上部结构所有重量。

通过分析实际情况，基于开源节流的原则，将此处冲突的技术问题转化为标准问题，对比各种改造方案，确定采取直接切割立柱底座支板后补焊的方案。

1 焊接方案

上支板整体尺寸为250×250×185mm，由平板和立板组成，下部预留有铰接销轴孔。具体方案为：切割上平板和下立板之间原有焊缝后，补焊50mm高的钢板，即切割后新增2处焊缝，分别为T形对接与角接组合焊缝和对接焊缝。

（1）焊接接头设计。为防止对原上支板切割变形，采用等离子切割，形成整齐而窄小的切口。其具有切割速度快、切割面光洁、热变形小、热影响区域小、精度高、无掉渣等优点。平板和补焊立板之间，采用CO2气体保护焊，T形对接与角接组合焊缝，K形坡口，坡口角45°，根部间隙0。

（2）施工要求。由于此处为重要受力结构，须按一级焊缝要求，采用超声波进行100%探伤。切割完毕后须对切割面进行打磨。

2 焊缝强度计算

为简化计算对实际做了以下假定：不考虑焊接残余应力的影响；不考虑焊根等处的应力集中；不考虑焊脚尺寸对单位面积的影响。

2.1 受力情况分析

基于最不利因素考虑，按电解槽正常生产时期极限载荷计算受力工况：

表1 工况下最大荷载表

其中，顶部立柱压力N1为：

2.2 复核焊缝强度

依据钢结构设计规范，按焊缝布置，分两处复核焊缝强度（连接件材质均为Q235B）。

2.3 对接T形与角接组合焊缝

平板和补焊立板之间，采用T形对接与角接组合焊缝。

（1）顶部立柱压力应力为：

式中：N1—顶部立柱压力，垂直于焊缝长度方向，N；He1—角焊缝计算厚度，为18mm：Hf1—角焊缝焊脚高度，mm；Lw1—角焊缝计算长度，即：

所以，根据式（1）得：

式中：βf—正面角焊缝强度设计值增大系数，按直接静载和间接动载，取1.22；—角焊缝强度设计值，按低值计，取160N/mm2；

因此，根据式（2），顶部立柱压力下焊缝满足强度要求。

（2）侧部母线推力应力为：

根据式（3）得：

因此，根据式（2），在侧部母线推力作用下焊缝强度满足要求。

（4）纵向支座反力（剪应力）为：

（5）在通过焊缝形心的压力、拉力或剪力综合作用下：

因此，在对接T形与角接组合焊缝位置，总体也满足强度要求。

2.4 对接焊缝

顶部立柱压力应力为：

式中：N1—顶部立柱压力，垂直于焊缝长度方向，N；S—焊缝坡口深度，为12mm；lw3—角焊缝计算长度，mm；he3—角焊缝计算厚度，即：

所以，根据式（7）得：

3 总结

由于上部金属结构式在临时组装场地将门形立柱、立柱底座、大梁、水平罩板等组焊安装成一体后交付安装。按此改造方案，仅材料费用一项就可以节约电解车间投资123万余元，尚不包括节约的加工费、机具费、人工费等，而且为整体工程进度争取了时间。同时为了防止厚板材发生层状撕裂，重点部位钢板施工下料时应着重考核Z向性能，并且用机械方法去除淬硬层。采用轧制T型钢代替焊接T形。鉴于该位置受热因素影响较多，后续研究中需要完善热力学输入条件等，可以在焊件体系下建立底座支板模型，采用三维有限元软件模拟分析焊缝处受力情况，供今后设计、施工借鉴。