Статьи
English version
О компании
История
Руководство
Сотрудники
Разработки
Объекты
Наши публикации
Наши патенты
Контакты
Обратная связь


Сравнительный анализ прочностных характеристик различных конструкций шпангоутных катодных кожухов

С.Н.Ахмедов, В.В.Тихомиров, Б.С.Громов, Р.В.Пак, А.И.Огурцов

Промышленное использование шпангоутных катодных кожухов в конструкциях алюминиевых электролизеров на территории Российской Федерации относится на начало 90-х годов. Начиная с 1992 года, шпангоутные катодные кожуха наиболее интенсивными темпами внедрялись на Братском алюминиевом заводе, и к середине 2000 года их общее количество составило около 1200 шт. Опытно-промышленное и промышленное внедрение шпангоутных катодных кожухов производилось на Надвойцком, Красноярском, Иркутском, Кандалакшском и Волгоградском заводах.

Среди различных модификаций шпангоутных кожухов можно выделить четыре основных типа конструкции:

 

Рис. 1а.Конструкции шпангоутных катодных кожухов: цельносварной

1. цельносварной шпангоутный катодный кожух конструкции В.С.Строгова (рис. 1а) [1];

Рис. 1б.Конструкции шпангоутных катодных кожухов: составной

2. составной шпангоутный катодный кожух конструкции С.Н.Ахмедова (рис. 1б) [2];

Рис. 1в.Конструкции шпангоутных катодных кожухов: рамно-шпангоутный

3. рамно-шпангоутный катодный кожух конструкции Ю.В.Шемета (рис. 1в) [3];

Рис. 1г.Конструкции шпангоутных катодных кожухов: каркасно-шпангоутный

4. каркасно-шпангоутный катодный кожух конструкции А.П.Спиридонова (рис. 1г) [4].

Шпангоутный катодный кожух конструкции В.С.Строгова (рис. 1а) состоит из металлической обечайки, к которой приварены шпангоуты и металлические листы торцевой обвязки. Между ребрами шпангоутов находятся окна для вывода блюмсов. Опирание кожуха на подкатодные балки или строительные опоры производится через электроизоляционные пластины посредством четырех опорных ребер, расположенных в торцах катодного кожуха.

Основным отличительным признаком составного шпангоутного кожуха (рис. 1б) является наличие по всему периметру металлоконструкции фланцевого соединения, которое скрепляется при помощи болтов. При демонтаже катодного устройства вынимается бортовая футеровка, болты фланцевого соединения срезаются, верхняя часть металлоконструкции снимается. В оставшейся нижней части, там, где расположена угольная подина, выполняется поочередный демонтаж подовых блоков. При этом блюмсы не препятствуют демонтажу, как это наблюдается в других модификациях конструкций катодных кожухов.

В основу конструкций рамно-шпангоутного и каркасно-шпангоутного кожухов заложен одинаковый принцип - сменяемость металлической обечайки при капитальном ремонте катодного устройства. В кожухах этих типов обечайка вставляется в достаточно жесткий каркас (раму), состоящий из набора подкатодных балок и шпангоутов. Предполагается, что после остановки электролизера на капитальный ремонт можно будет вынуть футеровку, а затем металлическую обечайку. После ремонта обечайки предусматривается ее повторное использование.

В рамно-шпангоутном кожухе (рис. 1в) все шпангоуты закреплены на раме. Нагрузка от стенок обечайки передается на шпангоуты через контактные клинья, устанавливаемые при сборке кожуха "по месту". В отличие от этого в каркасно-шпангоутном кожухе (рис. 1г) крайние (торцевые) шпангоуты приварены к днищу обечайки и составляют единую обвязку с торцевым листом и подкрепляющими ребрами. Остальные шпангоуты связаны с каркасом, состоящей из горизонтальных балок и прикрепленных к ним шпангоутов.

Наличие конструктивных особенностей, различий в металлоемкости, схемах нагружения металлической обечайки у различных видов шпангоутных кожухов определяет необходимость сравнительного анализа их напряженно-деформированного состояния и выдачи рекомендаций при выборе проектных решений.

В данной работе на основе конечно-элементной методики исследуются прочностные свойства рассматриваемых четырех типов катодных кожухов для электролизеров, рассчитанных на силу тока 130 кА с обожженными анодами. Авторам не известны сведения о проведении подобных прочностных анализов катодных шпангоутных кожухов различного типа.

Для корректности сравнения прочностных характеристик рассматриваемых моделей кожухов принималось, что габариты и толщина стенок обечаек у всех металлоконструкций одинаковы. В механических моделях предполагалось, что прикладываемые к конструкциям нагрузки (давления на продольные и торцевые стенки, составляющие 4 и 12 кг/см2 соответственно, давления на днище и анодные опоры и температурное поле) также являются одинаковыми. Кроме того, конечно-элементные сетки исследуемых моделей были построены таким образом, чтобы они имели близкие характерные размеры конечных элементов и общее число элементов.

При численном моделировании считалось, что во всех случаях материал (сталь) кожухов в условиях стационарной работы электролизеров находится в упруго-пластическом состоянии. В виду относительно малых величин пластических деформаций эффекты упрочнения материала не рассматривались, и поэтому для стали принималась модель идеальной пластичности.

Однако конструктивные решения, используемые в исследуемых кожухах, вносят определенные особенности в механические модели конструкций. Эти особенности связаны прежде всего с учетом контактных взаимодействий элементов металлоконструкций. В областях контактного взаимодействия могут иметь место неизвестные заранее зоны прилипания, скольжения и расслоения соприкасающихся поверхностей. Учет этого обстоятельства является обязательным, поскольку позволяет правильно спрогнозировать конфигурацию конструкции в деформированном состоянии.

В составном шпангоутном кожухе условия контакта использовались для листов фланца, верхний из которых сплошной, а нижний - разрывный (над окнами для выхода блюмсов), соединяющих с помощью болтов верхнюю и нижнюю части металлоконструкции. Такая механическая модель рассматриваемого кожуха допускает в некоторых зонах, которые разыскивались в ходе решения задачи, раскрытие фланцевого соединения. В первом приближении предполагалось, что диаметры фланцевых болтов являются малыми по сравнению с шириной фланца и, следовательно, зоны болтовых соединений фланцевых пластин считались точечными. На практике при расчетах конструкции по конечно-элементной методике связывались соответствующие узлы конечно-элементной сетки.

В случае кожухов третьего и четвертого типов предполагалось, что каркас или рама представляют собой достаточно жесткую конструкцию, и, следовательно, являются абсолютно твердыми телами. Продольные стенки обечайки рамно-шпангоутного кожуха контактируют с жесткой рамой по ребрам распирающих клиньев, а днище опирается на раму не по всей площади, а по прямоугольным площадкам, расположенным вдоль шпангоутов рамы. Продольные стенки и днище каркасно-шпангоутного кожуха в условиях его эксплуатации находятся в контактном взаимодействии с двутавровыми балками каркаса по всей площади их полок. Кроме того, в каркасно-шпангоутном кожухе крайние шпангоуты приварены к обечайке и в расчетах считаются деформируемыми элементами металлоконструкции.

Для оценки прочностных качеств рассматриваемых кожухов использовалась система прочностных параметров, предложенная в работе [5].

Рис. 2а. Конфигурации металлоконструкций в деформированом состоянии: цельносварной шпангоутный кожухРис. 2б. Конфигурации металлоконструкций в деформированом состоянии: составной шпангоутный кожух

Компьютерное моделирование показывает, что поля перемещений исследуемых моделей имеют качественные и количественные отличия. В случае цельносварного и составного шпангоутных кожухов максимальные значения продольных (u1max), поперечных (u2max) и вертикальных (u3max) перемещений достигаются в трех контрольных точках [5], расположенных соответственно по серединам торцевой и продольной стенок на уровне борта и в центре днища. При этом все три величины ukmax положительны, что обуславливает наблюдаемую на практике "бочкообразную" форму шпангоутного кожуха в деформированном состоянии (рис. 2а и 2б) и подъем центральной части его днища (табл. 1).

Вследствие наличия жестких клиньев, поджимающих обечайку рамно-шпангоутного кожуха в верхних частях продольных стенок, максимальные поперечные перемещения u2 у этой модели наблюдаются в центральных областях продольных стенок под окнами для вывода блюмсов (табл.1). На уровне продольного борта центральные части продольных стенок практически не выгибаются, а ближе к углам кожуха имеют небольшие (в пределах 6 - 8 мм) прогибы внутрь ванны. Таким образом, в рамно-шпангоутном кожухе ввиду отсутствия подкреплений происходит заметное выгибание нижних частей продольных стенок.

Значения максимальных перемещений шпангоутных кожухов разных типов.

Максимальные
перемещения

Цельносварной
шпангоутный
кожух

Составной
шпангоутный
кожух

Рамно-
шпангоутный
кожух

Каркасно-
шпангоутный
кожух

В продольном
направлении у
торцевой
стенки
u1 (мм)

16.0

14.3

68.9

123.0

В поперечном
направлении у
продольной
стенки
u2 (мм)

13.8

17.1

13.9

-8.67

В вертикальном
направлении у
днища
u3 (мм)

16.1

14.3

67.1

-32.4



Рис. 2в. Конфигурации металлоконструкций в деформированом состоянии: рамно-шпангоутный кожух

Деформации торцевых стенок рамно-шпангоутного кожуха таковы, что при указанных выше боковых давлениях со стороны футеровки имеют место значительные локальные прогибы нижних частей торцевых листов между подкрепляющими их ребрами. Именно в этих местах наблюдаются наибольшие по величине продольные перемещения u1 (табл. 1). Следует отметить, что вследствие недостаточности продольных связей торцевых стенок с днищем и продольными стенками, а также малой жесткости в нижнем поясе обечайки торцевых подкрепляющих элементов уровень прогибов торцевых стенок у данной модели кожуха является достаточно высоким (в средней точке торца на уровне борта перемещение u1 составляет 53 мм). Это обстоятельство обуславливает также еще одну характерную особенность деформированного состояния рамно-шпангоутного кожуха. Днище металлоконструкции испытывает заметные локальные поднятия вблизи торцевых стенок (см. значения u3 в табл. 1 и рис. 2в), хотя центральные его части находятся в условиях контакта с жестким каркасом.

Рис. 2г. Конфигурации металлоконструкций в деформированом состоянии: каркасно-шпангоутный кожух

Продольные стенки и днище каркасно-шпангоутного кожуха обжаты (по полкам двутавровых балок) жестким каркасом, в то время как перемещения торцов кожуха ничем не стеснены. Эти конструктивные факторы определяют характер распределения перемещений в кожухе. В силу достаточно большой жесткости торцевые стенки металлоконструкции имеют сравнительно большие отклонения от недеформированного состояния (табл. 1). При этом в отличие от рамно-шпангоутной модели локальных прогибов торцевых листов почти не наблюдается, а происходит изгиб листа днища по кромке торцевой стенки, особенно интенсивный в средней ее части (рис. 2г). Максимум продольных перемещений u1 приходится на середину торца на уровне борта.

Центральные части продольных стенок на уровне борта конструкции имеют тенденцию к выгибу внутрь ванны (в этих местах расчетной модели наблюдаются небольшие отрицательные перемещения, составляющие порядка 6-8 мм). Это обстоятельство указывает на возможность нарушения контакта продольных стенок со шпангоутами рамы. Максимальные положительные поперечные перемещения u2 (порядка 20 мм) имеют место на внешней кромке торцевого борта, что определяет отклонение наружу угловых частей верхнего пояса ванны.

Что касается вертикальных перемещений u3, то наибольшие положительные значения (около 25 мм) они принимают на внешних кромках продольных бортов (в центральных частях), что говорит о выгибе вверх продольных бортовых листов. Вследствие изгиба днища по кромкам торцевых стенок, происходит заметное опускание торцевых свесов днища на величину порядка 32 мм, а вместе с ними и подкрепляющих торцы ребер жесткости. Лист днища в области рабочего пространства кожуха существенных прогибов не имеет. Однако, следует указать на возможность небольшого (в пределах 6 мм) подъема крайних шпангоутов, т.е. их отрыва от подкатодных балок.

Конструктивные различия исследуемых типов кожухов сказываются и на распределениях в них интенсивностей напряжений и пластических деформаций. Значения меры пластичности, характеризующей долю в процентах областей конструкции или ее элементов, перешедших из упругого в пластическое состояние, представлены в табл. 2.

Значения меры пластичности (%) элементов шпангоутных кожухов разных типов.

Элемент
конструкции

Цельносварной
шпангоутный
кожух

Составной
шпангоутный
кожух

Рамно-
шпангоутный
кожух

Каркасно-
шпангоутный
кожух

Обечайка

8.23

3.43

32.8

20.4

Торцевые
пояса

2.20

2.52

37.2

63.9

Полки
поясов

14.3

5.10

31.6

74.3

Торцевые
ребра

2.31

0.0

4.01

63.1

Бортовой
лист

23.5

20.3

24.4

33.5

Ребра
опор

15.1

18.6

6.04

66.5

Кожух

5.36

3.20

29.2

28.1



Анализ таблицы показывает, что доли областей, имеющих после снятия нагрузок, т.е. после остановки электролизеров на капитальный ремонт, остаточные деформации, в элементах цельносварного и составного кожухов имеют близкие значения. Обширные зоны пластического течения стали у этих типов катодных кожухов развиваются на торцевых стенках, где имеют место максимальные значения температур, бортовых листах и ребрах опор.

В отличие от этих моделей в случае рамно-шпангоутного и каркасно-шпангоутного кожухов наблюдается появление значительных дополнительных областей пластичности. В рамно-шпангоутном кожухе возникают еще зоны пластичности в нижних частях продольных стенок, где отсутствует подкрепления со стороны каркаса, в угловых частях ванны, а также на днище в областях его подъема, примыкающих к торцевым стенкам. Поэтому обечайка рамно-шпангоутного кожуха имеет наибольший показатель меры пластичности, т.е. наиболее склонна к накоплению остаточных деформаций. Увеличение меры пластичности у каркасно-шпангоутного кожуха связано с расширением зон пластического течения (по сравнению с кожухами первого и второго типов) на продольных и торцевых стенках, а также с образованием новых зон на торцевых обвязках. Среди всех рассматриваемых моделей у этой модели кожуха торцевые элементы (торцевые пояса, полки коробчатых балок и торцевые ребра) оказываются наиболее подверженными необратимым пластическим деформациям.

Склонность элементов металлоконструкции к разрушению контролируется величиной интенсивности пластических деформаций. Чем больше величина этого параметра, тем выше вероятность разрушения материала. Максимальные значения интенсивности пластических деформаций (в процентах) приведены в табл. 3.

Максимальные значения интенсивности пластических деформаций (%) в элементах шпангоутных кожухов разных типов.

Элемент
конструкции

Цельносварной
шпангоутный
кожух

Составной
шпангоутный
кожух

Рамно-
шпангоутный
кожух

Каркасно-
шпангоутный
кожух

Обечайка

0.552

0.087

5.41

1.55

Торцевые
пояса

0.021

0.019

1.11

3.79

Полки
поясов

0.153

0.042

0.824

3.19

Торцевые
ребра

0.119

0.0

2.96

6.98

Бортовой
лист

0.237

0.188

2.88

3.28

Ребра
опор

0.684

0.439

1.47

2.72

Кожух

0.684

0.439

5.41

6.98



Данные таблицы показывают, что в цельносварном и составном шпангоутных кожухах наибольшие значения интенсивности пластических деформаций возникают на опорных ребрах металлоконструкций, т.е. в местах, где превалирующими являются сжимающие напряжения. Поэтому относительно высокие уровни данного параметра не представляют угрозы для разрушения, поскольку в условиях сжатия материала не могут привести к образованию трещин.

В случае кожухов рамно-шпангоутного и каркасно-шпангоутного типов происходит резкое повышение уровня пластических деформаций. Наиболее уязвимым элементом рамно-шпангоутного кожуха по критерию максимума параметра интенсивности пластических деформаций является обечайка, точнее ее торцевые стенки. На скруглениях торцевых листов в местах примыкания ребер опор конструкции интенсивность пластических принимает экстремальные значения. В этих местах может произойти разрушение сварных швов между обечайкой и опорными ребрами путем образования и развития магистральных трещин.

В каркасно-шпангоутноом кожухе наибольшая величина интенсивности пластических деформаций, достигающая почти 7%, наблюдается на центральных торцевых ребрах в местах сварного соединения с поясами коробчатых балок. Среди всех рассмотренных моделей шпангоутных кожухов для этого типа кожуха характерны наибольшие уровни пластических деформаций, возникающих в элементах металлоконструкции, что указывает на наибольшую вероятность его разрушения.

Проведенный прочностной анализ показывает, что конструктивные особенности, присущие разным типам шпангоутных кожухов, в условиях установившегося режима работы электролизеров оказывают существенное влияние на их напряженно-деформированное состояние. Недостаточность продольных связей торцевых частей металлоконструкций с продольными стенками и днищем, что характерно для рамно-шпангоутного и каркасно-шпангоутного кожухов, может приводить к нежелательным эффектам: значительным деформациям торцевых стенок и даже днища, разрастанию областей пластического течения стали (особенно в торцевых элементах кожуха), а также повышенному уровню пластических деформаций в этих областях, т.е. увеличению опасности их разрушения.





Список литературы:

 

1. Патент РФ № 2051204; приоритет от 18.11.1993г.

2. Патент РФ № 2082831; приоритет от 21.09.1995г.

3. Патент РФ №2155824; приоритет от 21.09.1995г.

4. Патент РФ № 2149926; приоритет от 06.07.1998г.

5. В.В.Тихомиров, С.Н.Ахмедов, Б.С.Громов, Р.В.Пак, Ю.В.Борисоглебский. Выбор параметров в прочностных расчетах катодных кожухов алюминиевых электролизеров. //Цветные металлы, № 1, 2003.

РЕФЕРАТ

На основе конечно-элементной методики исследовано напряженно-деформированное состояние четырех типов катодных кожухов: цельносварного шпангоутного кожуха, составного шпангоутного кожуха, рамно-шпангоутного кожуха и каркасно-шпангоутного кожуха. Проведен сравнительный анализ их прочностных характеристик. Показана существенная зависимость этих характеристик от конструкторских решений, заложенных на этапе проектирования ванн. Описаны характерные особенности деформированного состояния изучаемых типов кожухов и выявлены наиболее опасные с точки зрения разрушения области металлоконструкций.




designed by

Sagitta


ALCORUS ENGINEERING Ltd,
Copyright ©  2004-2019