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300KA级大型铝电解槽大修槽壳变形及反变形装置研究

时间 2011-07-11 点击 1108
300KA级大型铝电解槽大修槽壳变形及反变形装置研究
 
梁学民   刘  静   王有山   王殿勇   冯  冰
(郑州中实赛尔科技有限公司, 河南 郑州451200)
 
[摘  要]:本文在分析300KA级铝电解槽大修槽壳变形原因的基础上,对槽壳在大修冷却过程中变形的防治方法进行了探索,并结合中孚实业320KA电解槽大修反变形实践,着重介绍了槽壳强制反变形装置的研制、应用及效果。
[关键词]:铝电解槽槽壳;槽大修;槽壳强制反变形装置;变形量
 
1.前言
我国大型铝电解槽槽壳普遍采用单或双围带摇篮架式槽壳结构,能够承担和克服内衬材料在高温下产生的热应力和化学反应膨胀产生的力,实践证明在生产过程中变形小,能够满足要求,是成功的。但由于开发时间短,使用一个周期后,在电解槽大修时出现了新的结构变形,即在电解槽断电冷却过程中产生的热变形,且变形严重难以校正,给电解槽的大修和槽壳的再次利用带来困难。所以克服或减少大修槽壳变形是大型铝电解槽生产企业一个不容忽视的问题。
 
2.铝电解槽槽壳变形原因的分析
目前,大型铝电解槽已成为铝电解行业采用的主体槽型,其长度超过15m,且长宽比大,侧部和上口部位因为散热的需要往往较薄。正常生产的槽壳上口温度为350℃--600℃,由于受到相对低温的外部钢结构约束,上口的膨胀变形较小,能满足生产要求。当电解槽大修停槽后,槽温由950℃左右的生产温度急剧下降到常温,在此过程中,槽内各部温度下降速度不等,上口冷却收缩较快,加之槽壳的长度与宽度尺寸相差较大,便造成槽壳两小面端向上翘起。中孚实业320KA电解槽在第一台槽大修时,由于没有采取任何反变形措施,槽体冷却后,发现槽壳变形较严重,两小面端向上翘起,出铝端最为严重,相对变形量达62mm。图1为第一台大修槽刨炉结束后采用专用测量工具对槽壳的变形量进行检测所得结果。由于槽底钢板多处出现凸凹现象,槽沿板也由于生产时侧部炭块与碳氮化硅的上顶应力而严重变形,所以不能在此两处进行测量,根据实际槽况最终选择槽外沿钢板为测量位置。测量前先按照尺寸标注测量点,并选择对应出电侧的中间位置为基准点,测量所得数值大于基准点数值为正值即上凸,反之为下凹。
图1  第一台大修槽槽壳变形量平面图
 
由于槽壳体积庞大,槽壳的此种变形,无论采用火焰法还是切割法都很难校正,最终不得不更换新槽壳。综上所述,若要防止或减少大修槽壳发生较大变形,应在电解槽停槽冷却过程中进行控制。
 
3.大修槽壳反变形原理
通过对第一台大修槽变形量测量结果的分析及对槽壳变形原因的分析可以看出,若要控制大修槽壳的变形,最简单的方法是在冷却之前通过施加一个大于或等于槽壳变形的反方向作用力来抵消槽壳冷却过程中所产生的变形应力,且不影响电解槽的大修过程。经过现场勘察和相关计算后,决定在不改变电解槽原结构的基础上,设计一套增强槽壳强度和刚度的机械装置,即铝电解槽大修槽壳强制反变形装置,在大修槽停槽之前进行安装,以控制槽体冷却过程中的变形对槽壳的影响。
该装置原理如图2所示(图中箭头指向位置为力的作用点)。具有足够强度和刚度的机械装置与电解槽连接形成一套完整的自调整系统,利用其强度和刚度约束槽壳向上变形,达到防止或减少电解槽大修槽壳变形的目的。

 
1.反变形作用点       2. 铝电解槽壳
图2  铝电解槽大修槽壳强制反变形装置原理
 
4.应用效果
该装置在第二台大修槽停槽前进行了安装,并进行长达24天对槽底两端的摇篮架工字钢上表面与槽底钢板之间的变形量跟踪测量,其测量结果见表1。
图2为两台大修槽变形量曲线图,通过图2可看出,利用该装置后取得了明显反变形效果,虽然两小面端仍存在一定变形量,但并不影响槽壳的继续使用。第二台大修槽槽壳最大变形量为23mm(上凸),与没有采取任何措施的第一台大修槽的变形量62mm(上凸)相比明显减小;第一台大修槽两小面端对比变形量相差较大,而安装槽壳强制反变形装置的第二台大修槽两小面端对比变形量较对称,即该装置对防止两小面端上翘变形量差距大有明显效果;第二台大修槽两小面端相对车间地平面的向上变形量最大为35mm,而第一台大修槽达100mm。通过以上对比可以看出:该装置可大大减少电解槽的变形量,并防止了槽壳的不规则变形,使变形量控制在许可范围内。
 
表1    摇篮架工字钢上表面与槽底钢板之间变形量(mm)

         位  置
日  期
出铝端
烟道端
出电侧
进电侧
出电侧
进电侧
2月26日
3
2
1
1
27日
5
3
4
2
28日
11
7
10
8
3月1日
12
8
14
11
2日
13
9
15
12
3日
15
10
16
13
6日
16
11
17
14
8日
16
12
18
14
9日
16
12
18
14
10日
19
16
20
16
13日
20
17
22
18
14日
21
18
22
18
16日
21
18
23
18
21日
21
18
23
18


 
图2  两台大修槽变形量曲线图
5.结语
造成电解槽大修槽壳变形的原因很多也很复杂,虽然变形是难免的,但只要找到造成变形的主要原因,并采取有效措施进行控制,就能把变形量控制在可允许范围内,避免槽壳的报废。一台大型铝电解槽槽壳的费用达几十万元,此装置的应用,每年可为公司节约大修费用近千万元,同时也减少了大修工作量、缩短大修时间,并延长了电解槽槽壳使用寿命。
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