铝电解槽盖板结构优化分析

王自力， 王东曜

(1.中国有色金属工业第六冶金建设有限公司， 河南 郑州 450006；2.中南大学轻合金研究院， 湖南 长沙 410083)

近年来，电解铝产能迅速扩张，据估算作为专用生产设备的电解槽接近10万台，所用盖板总量超过6万t。由于铝电解槽盖板形式过多，缺少统一行业标准，难以实现互换，不利于电解铝行业的降本增效。本文根据国内外铝电解槽盖板结构现状，结合作者的专利——新型集成化铝电解槽盖板[1]，就盖板结构优化做一浅述。

铝电解槽是电解铝生产的主体设备，盖板是电解装置的重要附件之一，其最主要功能就是密封炉膛，将烟气聚集汇流到烟气净化系统，减少电解烟气对人体的危害和环境污染，其功能还包括：阻隔电解槽的热量散失；防止氧化铝粉加料时撒料；用于电解阳极的检修作业。根据铝电解槽盖板的功能特点，国内各电解铝厂有多种类型的盖板，由于结构类型太多，无法实现互换[2-3]。本文针对国内外铝电解槽盖板应用现状，按照功能与结构的匹配关系，就盖板结构设计优化提出一些见解，希望能给相关技术人员一些借鉴。

1 密封结构优化

电解铝生产过程中，会同时产生大量含有HF、CO2、CO及粉尘等有害成分的烟气，需用若干块盖板将整个炉堂覆盖密封，将烟气聚集后汇流到烟气净化系统。这种盖板密封效果主要受两方面因素的影响：盖板本身的密闭性；盖板之间的缝隙。在进行盖板密封功能设计时，一般是从其本体密封和边缘密封加以考虑。

1.1 本体密封优化

传统盖板通常采用铝型材制作骨架，再用薄铝板铆接在骨架上。该结构加工制作复杂，较易变形开裂。为了尽量减少中间节点泄漏几率，可将骨架和面板优化集成融合为一体。

1.2 边缘密封优化

盖板边缘是电解炉膛的主要泄漏部位，在盖板边缘所采用的密封结构主要有刚性密封和柔性密封两种形式。刚性密封是依靠盖板边缘的平直立面相互接触来实现的，由于受盖板制作精度和操作人员技术水平等因素影响，难以杜绝泄漏问题。柔性密封是在边缘骨架外侧设置凹槽，将柔性毡条嵌入凹槽内，毡条一般采用耐高温、耐腐蚀橡胶材料，通过毡条之间的柔性接触来达到密封效果。但是毡条在高温、强腐蚀环境下，易于老化变质变硬，不能有效降低漏风量问题，且加工成本较高，故其实际生产应用较少。在柔性密封实用性差、刚性密封又难以根治泄漏的情况下，边缘密封性问题的优化宜在减少盖板间线性接触长度、简化盖板结构、提高盖板加工平直度等方面加以考虑。

2 承重结构优化

盖板的承重要求是它的一个重要附加功能，目的是为了方便操作工人的攀爬与站位。正是由于承重方面的特殊要求，盖板设计必须考虑结构强度问题，传统盖板的骨架结构就是基于这方面的考虑而加设。承重优化设计一般是在保证结构强度的前提下，将骨架与密封面板制作成一个模块，该模块可以利用现代加工设备简易制造。根据加工工艺特点和外形结构不同，承重模块可分为：拱形结构和平直结构。

2.1 拱形结构

拱形结构模块是通过模具整体压制成型的盖板(图1(a))，结构比较简化，承重特性相对合理，但其面板展开长度大，材料需用多，并且盖板部件之间的接触线性长度增大，漏风点增多；另外各部件需要分别冲压，辅助设备较多，生产效率较低，总体制作成本较高。

2.2 平直结构

平直结构模块是一种槽型类盖板(图1(b))，即在合金铝板上压制出条形凹槽(也可通过轧制成型)，直接依靠凹槽立肋，满足承重强度要求，不再加设承重骨架，这样可以更加简化盖板结构、降低制作加工费用。

图1 新型盖板结构效果图

2.3 盖板壁厚优化

盖板承重量主要指操作人员体重及其所携带工具重量之和，相关设计规范目前还没有该方面的强制性要求。笔者根据生产实际调查情况，并结合起重设备载人质量计算惯例，按不大于100 kg计算，否则会大幅度增加盖板制作费用。由于新型盖板皆采用薄铝板压制成型，参考冷弯薄壁型钢结构进行强度计算[4]，见式(1)和式(2)。

图2 冷弯槽型铝板截面

(1)

(2)

式中：σ为弯曲应力；Mmax为对主轴x轴的最大弯矩；Wenx为对主轴x轴的较小有效净截面模量；τ为剪切应力；Vmax为最大剪力；S为计算剪应力处以上截面对中和轴的面积矩；I为毛截面惯性矩；t为腹板厚度之和。

从式(1)和式(2)可以看出，槽型铝板的抗压性能与其截面高度和板材厚度皆有正相关性，在盖板结构设计中，如何选取其截面高度和铝板厚度将对盖板重量起至关重要的作用。根据前期试验总结：槽型铝板一般取值截面高度为50～60 mm、厚度为1.5 mm左右时，制作、运输、使用等综合效果最好，同等承重条件下，单槽型盖板最轻。

3 绝缘结构优化

电解槽上部为阳极承重平台，下部为阴极槽壳，上下部之间存在一定的电压降，当盖板罩在槽壳和上部结构时，为了阻隔电解电流漏电，必须设置绝缘结构。目前，在实际电解生产中盖板绝缘形式多为U型套螺栓固定结构，主要依靠螺栓将绝缘套和支撑板紧固在一起，根据绝缘套是否暴露又将其细分为内、外绝缘套结构。内绝缘套结构(图3(a))相对复杂，不仅在U型绝缘套外侧加装一层薄板护套，而且连接螺栓需要加装绝缘套管和绝缘垫圈；外绝缘套结构(图3(b))是在内绝缘套基础上进化的新产品，其结构相对简单，但对U型绝缘套的材料性能要求较高，既要耐高温和耐腐蚀，又要具有足够的厚度和强度。

电解铝生产过程中，盖板经常处于高温环境和频繁移位状态，容易导致绝缘结构失效或松动损坏。为了克服上述绝缘结构复杂和易于损坏的缺点，特引入嵌装化理念，设计出嵌入式绝缘结构(图3(c))。该型产品是根据绝缘材料的弹性特点，试制出凸头支撑板与凹槽绝缘套嵌入式组合绝缘模块，适当确定凸头与凹槽之间的过盈配合尺寸，依靠其间的夹持摩擦力，实现紧固连接。该设计理念可以极大地减少盖板构件数量，很容易就可以实现盖板批量高效加工。

图3 盖板绝缘结构效果图

4 保温结构优化

电解槽炉膛保温问题，主要是通过盖板阻隔内外气流相互交换来实现，目前已出现在盖板表面加设保温隔层的理念。但考虑到炉膛过度保温，会出现电解槽上部散热不畅，槽壳侧板和底板异常升温损坏的情况，且不利于电解熔池表面结壳和炉帮生长、稳定等因素。在盖板保温功能优化时，拟采用一种折中措施，仅在盖板内部凹陷部位覆盖一层薄壁铝板，稍微增加盖板制作费用，又可适当减少炉膛热量辐射损失。

5 结束语

通过上文分析，铝电解槽盖板的密封性是其最基本功能，主要是为了阻隔炉膛内部有害气体外泄。基于炉膛负压生产环境，少许外界空气进入并不会对正常生产造成实质性危害，因此，刚性接触密封结构一直是主流形式。承重和绝缘要求是铝电解槽盖板的另外两个必备功能，针对这两方面的优化设计结构较多，总趋势朝一体化、嵌合化方向发展，目的是尽量简化盖板结构、增加使用寿命、降低制作成本。针对在盖板上增设保温夹层的观点，需要进行辩证分析，因为盖板过度保温和密封可能导致局部槽温过高，尤其在炎热的夏季生产阶段，所产生的不良结果更多，所以，“保温节能”在此还是一个有待全面验证的概念。