D0I:10.13374/i.issnl00It03.2007.09.040 第29卷第9期 北京科技大学学报 Vol.29 No.9 2007年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep·2007 铝电解槽三维热应力场非线性有限元分析 王泽武蒙培生)曾青)易小兵) 1)华中科技大学工程计算与仿真研究所，武汉4300742)贵阳铝镁设计研究院，贵阳550004 摘要基于通用有限元软件ANSYS建立了某大型铝电解槽结构的三维实体模型和热应力场耦合分析的有限元模型.考虑 材料非线性和接触非线性的基础上对电解槽结构强度进行了仿真计算，给出了槽壳和摇篮架的应力、应变云图，分析了电解 槽结构的变形规律，并提出了结构优化的途径。以槽壳近似弹性体为目标，对不同组合载荷工况进行了反算，得出与实际更接 近的荷载条件 关键词铝电解槽：有限元：热应力场：参数优化 分类号TF801.3 铝电解槽是电解铝生产的关键设备，其技术水 槽壳变形载荷的作用， 平标志着电解铝厂的技术装备水平，其使用寿命的 yir 槽壳长侧 槽壳短侧 长短是制约电解铝生产企业经济效益提高的关键性 因素之一，在电解铝工业中占据着重要地位·因此， 采用各种先进设计和改进技术，延长电解槽的寿命 并提高其生产技术指标具有重大意义，这也是我国 电解铝工业发展所面临的重大课题山，电解槽在实 际生产电解过程中，除了承受槽顶装置集中力、槽内 箭头表示载荷 衬及物料自重外，还主要承受由电解温度及各层内 衬热膨胀产生的温度应力和内衬水平力，电解槽槽 水泥基座特殊摇蓝架2个 摇篮架10个 壳是主要的载荷承受体，因此槽壳会发生较大的塑 图】铝电解槽结构示意图 性变形而失效，目前国内外关于电解槽温度场、电 Fig-I Schematic diagram of an aluminum reduction cell 磁场及其流场研究较多，而基于热应力场分析电解 槽结构强度研究的文献报道较少2-]，本文旨在对 考虑到电解槽结构、载荷和约束的对称性，取电 铝电解槽结构建立热力耦合场非线性有限元模型， 解槽槽体1/4结构和摇篮架1/2结构建立有限元模 对电解槽主体结构槽壳、摇篮架的应力场、温度场进 型.相比电解槽的槽壳和摇篮架的长、宽、高，槽壳 行结构强度分析，寻求合理的内衬力荷载和温度荷 的钢板厚度非常小，因此建模时采用四节点壳单元 载，从而达到延长电解槽寿命的目的 模拟槽壳钢板，采用八节点块单元模拟摇篮架，工字 梁的补强板厚度纳入工字梁的上、下板考虑，同时采 1电解槽结构有限元模型 用四节点三维面面接触单元模拟接触条件，该铝电 图1所示是国产某铝电解槽结构示意图.槽体 解槽整体结构材料可类比20*钢门，密度为7.850× 为一个长方形屉形钢壳，与两排特殊摇篮架连为一 103kgm-3,摩擦因数为0.2，线膨胀系数为1.34× 体直接放在10排摇篮架上，槽壳与摇篮架侧壁有两 10-6℃-1(20~400℃)，20*钢在不同温度T下的 排垫块，垫块在几何上连接槽壳与摇篮架两个部分， 弹性模量E、泊松比“、屈服应力O、切变模量Eam 并将槽壳上的力传递到摇篮架上去，摇篮架放在通 (MPa)如表1所示： 过钢筋水泥支柱支撑的钢梁基座上，对槽壳起支撑 槽壳上部结构总重分布在四个横截面226mm 和定位作用外，还有加强槽壳侧面水平刚度及分担 ×430mm支柱上，考虑均匀加载，分布每个支柱面 力1MPa,电解槽内衬及物料总质量为44800kg,在 收稿日期：2006-03-20修回日期：2006-06-25 槽底壳上均匀分布，槽壳长侧内衬力0.49MPa,短 作者简介：王泽武(1977-)，男，博士研究生：蒙培生(1962-)，男， 侧内衬力0.98MPa,在长侧与短侧过渡段采用梯度 副教授
铝电解槽三维热应力场非线性有限元分析 王泽武1） 蒙培生1） 曾 青1） 易小兵2） 1） 华中科技大学工程计算与仿真研究所武汉430074 2） 贵阳铝镁设计研究院贵阳550004 摘 要 基于通用有限元软件 ANSYS 建立了某大型铝电解槽结构的三维实体模型和热应力场耦合分析的有限元模型．考虑 材料非线性和接触非线性的基础上对电解槽结构强度进行了仿真计算给出了槽壳和摇篮架的应力、应变云图分析了电解 槽结构的变形规律并提出了结构优化的途径．以槽壳近似弹性体为目标对不同组合载荷工况进行了反算得出与实际更接 近的荷载条件． 关键词 铝电解槽；有限元；热应力场；参数优化 分类号 TF801∙3 收稿日期：2006-03-20 修回日期：2006-06-25 作者简介：王泽武（1977—）男博士研究生；蒙培生（1962—）男 副教授 铝电解槽是电解铝生产的关键设备其技术水 平标志着电解铝厂的技术装备水平其使用寿命的 长短是制约电解铝生产企业经济效益提高的关键性 因素之一在电解铝工业中占据着重要地位．因此 采用各种先进设计和改进技术延长电解槽的寿命 并提高其生产技术指标具有重大意义这也是我国 电解铝工业发展所面临的重大课题［1］．电解槽在实 际生产电解过程中除了承受槽顶装置集中力、槽内 衬及物料自重外还主要承受由电解温度及各层内 衬热膨胀产生的温度应力和内衬水平力．电解槽槽 壳是主要的载荷承受体因此槽壳会发生较大的塑 性变形而失效．目前国内外关于电解槽温度场、电 磁场及其流场研究较多而基于热应力场分析电解 槽结构强度研究的文献报道较少［2—6］．本文旨在对 铝电解槽结构建立热力耦合场非线性有限元模型 对电解槽主体结构槽壳、摇篮架的应力场、温度场进 行结构强度分析寻求合理的内衬力荷载和温度荷 载从而达到延长电解槽寿命的目的． 1 电解槽结构有限元模型 图1所示是国产某铝电解槽结构示意图．槽体 为一个长方形屉形钢壳与两排特殊摇篮架连为一 体直接放在10排摇篮架上槽壳与摇篮架侧壁有两 排垫块垫块在几何上连接槽壳与摇篮架两个部分 并将槽壳上的力传递到摇篮架上去．摇篮架放在通 过钢筋水泥支柱支撑的钢梁基座上对槽壳起支撑 和定位作用外还有加强槽壳侧面水平刚度及分担 槽壳变形载荷的作用． 图1 铝电解槽结构示意图 Fig．1 Schematic diagram of an aluminum reduction cell 考虑到电解槽结构、载荷和约束的对称性取电 解槽槽体1／4结构和摇篮架1／2结构建立有限元模 型．相比电解槽的槽壳和摇篮架的长、宽、高槽壳 的钢板厚度非常小因此建模时采用四节点壳单元 模拟槽壳钢板采用八节点块单元模拟摇篮架工字 梁的补强板厚度纳入工字梁的上、下板考虑同时采 用四节点三维面面接触单元模拟接触条件．该铝电 解槽整体结构材料可类比20＃钢［7］密度为7∙850× 103kg·m —3摩擦因数为0∙2线膨胀系数为1∙34× 10—6℃—1（20～400℃）．20＃钢在不同温度 T 下的 弹性模量 E、泊松比 μ、屈服应力 σs、切变模量 Etan （MPa）如表1所示： 槽壳上部结构总重分布在四个横截面226mm ×430mm 支柱上．考虑均匀加载分布每个支柱面 力1MPa电解槽内衬及物料总质量为44800kg在 槽底壳上均匀分布．槽壳长侧内衬力0∙49MPa短 侧内衬力0∙98MPa在长侧与短侧过渡段采用梯度 第29卷 第9期 2007年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．9 Sep．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．09．040
第9期 王泽武等：铝电解槽三维热应力场非线性有限元分析 .949 线性分布[8].在槽内壁上边沿温度200℃，上边沿 大区主要分布在槽体长、短侧内衬力作用区，槽壳外 向下200mm处周圈温度300℃，从该部位向下温度 表面应力大于内表面，最大值约为236MPa,图4显 呈线性分布，到达槽壳底部温度为150℃.槽壳外 示的槽壳的等效应变，图中部分区域显示的是应变 表面为环境温度150℃，槽壳壁板沿厚度方向温度 值超过0.2%的部位，应变较高的部位主要在槽体 亦呈线性分布，基座固定在地面上，约束所有自由 短侧内衬力作用区，最大值为0.3663%，高于工程 度，基座与摇篮架底面工字梁、摇篮架底面工字梁与 屈服应变0.2%，局部发生屈服9] 槽底面、槽长侧板与垫块、摇篮架连接板与槽壳上环 板、槽壳长侧板与摇篮架内侧面之间定义为接触单 元 表120钢的力学性能参数 Table 1 Mechanical properties of 20 steel 温度/ 弹性模 屈服应 切变模 ℃ 泊松比 量/GPa 力/MPa 量/MPa 20 210 0.286 265 500 100 205 0.289 245 488 200 200 0.300 225 476 0.112×100.532×100.105×100157×100.210×10 0.272×100.793×100.131×10°0.183×10P0.236×10 300 185 0.319 176 440 400 180 0.298 147 428 图3槽壳外表面等效应力云图（单位：P) Fig-3 Equivalent stress contour of outside wall(Unit:Pa) 2结果与讨论 计算模型将电解槽槽体与特殊摇篮架作为一个 整体，定义为支持非线性的壳shell 181单元，其余 五个摇篮架作为实体，定义为solid45块单元；壳体 最高温度为300℃；荷载按要求施加；计算时分成六 个子步；采用稀疏矩阵直接求解器求解；选取力作为 收敛指标，精度为0.001；由小到大逐步加至总载荷 (载荷增量法)·同时考虑了材料在不同温度下的非 线性（按弹塑性本构关系处理）和槽体与摇篮架间、 摇篮架与基座的接触非线性 0.727×109 0.001455 图2显示的是槽壳内表面的应力云图，图3显 0.364×10 0.001091 0.002 示的是槽壳外表面的应力云图.可以看出，应力最 图4槽壳内表面等效应变云图 ：品 Fig.4 Equivalent strain contour of inside wall 图5和图6显示的是摇篮架应力、应变云图 可以看出，应力的较大值主要分布在摇篮架直角区， 为95.9MPa,较大应变也主要分布在摇篮架直角 区，最大值约为0.0495%，低于工程屈服应变，均在 弹性变形阶段，结构安全，受力最大部位与实际生产 状态一致10] 3不同组合载荷工况下电解槽受力与 0.112×100.532×100.105×10㎡0.157×10㎡0.210×109 0.272×100.793×100.131×10 0.183×100.236×10° 载荷关系分析 图2槽壳内表面等效应力云图（单位：P) 通过对铝电解槽结构的整体分析，获得了槽壳 Fig-2 Equivalent stress contour of inside wall (Unit:Pa) 和摇篮架在给定载荷下的应力、应变与位移分布情
线性分布［8］．在槽内壁上边沿温度200℃上边沿 向下200mm 处周圈温度300℃从该部位向下温度 呈线性分布到达槽壳底部温度为150℃．槽壳外 表面为环境温度150℃槽壳壁板沿厚度方向温度 亦呈线性分布．基座固定在地面上约束所有自由 度基座与摇篮架底面工字梁、摇篮架底面工字梁与 槽底面、槽长侧板与垫块、摇篮架连接板与槽壳上环 板、槽壳长侧板与摇篮架内侧面之间定义为接触单 元． 表1 20＃钢的力学性能参数 Table1 Mechanical properties of20＃ steel 温度／ ℃ 弹性模 量／GPa 泊松比 屈服应 力／MPa 切变模 量／MPa 20 210 0∙286 265 500 100 205 0∙289 245 488 200 200 0∙300 225 476 300 185 0∙319 176 440 400 180 0∙298 147 428 2 结果与讨论 计算模型将电解槽槽体与特殊摇篮架作为一个 整体定义为支持非线性的壳 shell 181单元其余 五个摇篮架作为实体定义为 solid45块单元；壳体 最高温度为300℃；荷载按要求施加；计算时分成六 个子步；采用稀疏矩阵直接求解器求解；选取力作为 收敛指标精度为0∙001；由小到大逐步加至总载荷 （载荷增量法）．同时考虑了材料在不同温度下的非 线性（按弹塑性本构关系处理）和槽体与摇篮架间、 摇篮架与基座的接触非线性． 图2 槽壳内表面等效应力云图（单位：Pa） Fig．2 Equivalent stress contour of inside wall （Unit： Pa） 图2显示的是槽壳内表面的应力云图图3显 示的是槽壳外表面的应力云图．可以看出应力最 大区主要分布在槽体长、短侧内衬力作用区槽壳外 表面应力大于内表面最大值约为236MPa．图4显 示的槽壳的等效应变图中部分区域显示的是应变 值超过0∙2％的部位应变较高的部位主要在槽体 短侧内衬力作用区最大值为0∙3663％高于工程 屈服应变0∙2％局部发生屈服［9］． 图3 槽壳外表面等效应力云图（单位：Pa） Fig．3 Equivalent stress contour of outside wall （Unit： Pa） 图4 槽壳内表面等效应变云图 Fig．4 Equivalent strain contour of inside wall 图5和图6显示的是摇篮架应力、应变云图． 可以看出应力的较大值主要分布在摇篮架直角区 为95∙9MPa较大应变也主要分布在摇篮架直角 区最大值约为0∙0495％低于工程屈服应变均在 弹性变形阶段结构安全受力最大部位与实际生产 状态一致［10］． 3 不同组合载荷工况下电解槽受力与 载荷关系分析 通过对铝电解槽结构的整体分析获得了槽壳 和摇篮架在给定载荷下的应力、应变与位移分布情 第9期 王泽武等： 铝电解槽三维热应力场非线性有限元分析 ·949·
.950 北京科技大学学报 第29卷 值计算将低于工程屈服应变0.2% 表2在常温不同内衬力载荷作用下槽壳的受力情况 Table 2 Forced state of cell wall under different inner lining pressures 递增荷载 最大等效 最大等 最大位 比例/% 应力/MPa 效应变/% 移/mm 75 185 0.0885 3.977 100 224 0.1073 5.166 125 264 0.1366 6.367 150 265 0.1716 7.585 116640213×1000.426×10°0.639×100.852×10 175 265 0.2192 8.833 0.107×10㎡0.320×10㎡0.533×10°0.746×10㎡0.959×10 200 266 0.2930 10.135 图5摇篮架等效应力云图（单位：P) Fig-5 Equivalent stress contour of cradle racks (Unit:Pa) 3.2温度载荷分析 为了分析温度梯度分布对电解槽结构受力的影 响，这里不考虑内衬力载荷，仅考虑温度载荷，即改 变沿槽壳高度方向的温度梯度分布.表3为在不同 槽壳最高温度下得到的等效应力、等效应变及最大 位移值，可以看出，无内衬力作用时，如果槽壳温度 的最大值约为267℃时，槽壳内的最大等效应变约 为0.2%，接近材料的工程屈服应变 表3在无内衬力时不同温度梯度下槽壳的受力情况 Table 3 Forced state of cell wall under different temperature grads 温度/ 最大等效 最大等效 最大位 ℃ 应力/MPa 应变/% 移/mm 0.708×1010.110×1010.220×1030.330×1010.440×10-1 0.550×1040.165×1030.275×1030.385×1030.495×103 250 223 0.1560 7.327 图6摇篮架等效应变云图 275 234 0.2217 7.526 Fig-6 Equivalent strain contour of cradle rack 300 235 0.2954 7.694 况，槽壳最大应力值为239MPa,最大应变值为 325 235 0.3644 7.853 1.96%,出现局部区域屈服，将引起结构发生较大变 350 235 0.4320 7.966 形.因而，以槽壳近似弹性体为目标，即控制结构最 大等效应变值在0.2%以下，对电解槽结构的外部 3.3温度和压力共同作用下槽壳结构受力分析 载荷进行反算山. 综合表2和表3计算结果，长侧内衬力设计值 3.1压力荷载分析 取0.5MPa,短侧内衬力设计值取1.0MPa,然后逐 由于电解槽受载情况复杂，为找出对电解槽结 步调整温度梯度分布，以反算结构不发生屈服变形 构影响最大的因素（控制载荷），可以使用一种荷载 的荷载条件，作为安全载荷.表4给出了槽壳中温 单独对结构作用的方法来寻找规律，首先不考虑温 度梯度对槽壳受力的影响.可以看出，在恒定内衬 度梯度的变化，单独考虑力载荷的作用，保持槽体上 力作用下，槽壳最高温度为250℃时，槽壳局部将开 部结构支柱力、电解槽填料对槽底面的载荷和长、短 始出现屈服，随着温度梯度的增加，槽壳中最大等 侧内衬力载荷比为1：2不变，内衬力按原荷载25% 效应变会增加，塑性屈服区将扩大，最大应力均出 的比例逐级递增，以此考察结构中最大等效应力、等 现在长侧内衬力作用区域：最大应变出现在短侧板 效应变和位移与内衬力之间的关系，表2为数值计 内衬力作用区域，图7显示的是在槽壳最高温度为 算结果.可以看出，在常温下，如果内衬力载荷低于 245℃时的等效应变云图，最大应变值为0.019 给定载荷的65%时，即大面载荷小于0.80MPa,小 98%,在工程屈服应变0.2%以下，该载荷为最佳理 面载荷小于1.59MPa,槽壳中最大等效应变根据差 想值
图5 摇篮架等效应力云图（单位：Pa） Fig．5 Equivalent stress contour of cradle racks （Unit： Pa） 图6 摇篮架等效应变云图 Fig．6 Equivalent strain contour of cradle rack 况．槽壳最大应力值为239MPa最大应变值为 1∙96％出现局部区域屈服将引起结构发生较大变 形．因而以槽壳近似弹性体为目标即控制结构最 大等效应变值在0∙2％以下对电解槽结构的外部 载荷进行反算［11］． 3∙1 压力荷载分析 由于电解槽受载情况复杂为找出对电解槽结 构影响最大的因素（控制载荷）可以使用一种荷载 单独对结构作用的方法来寻找规律．首先不考虑温 度梯度的变化单独考虑力载荷的作用保持槽体上 部结构支柱力、电解槽填料对槽底面的载荷和长、短 侧内衬力载荷比为1∶2不变内衬力按原荷载25％ 的比例逐级递增以此考察结构中最大等效应力、等 效应变和位移与内衬力之间的关系．表2为数值计 算结果．可以看出在常温下如果内衬力载荷低于 给定载荷的65％时即大面载荷小于0∙80MPa小 面载荷小于1∙59MPa槽壳中最大等效应变根据差 值计算将低于工程屈服应变0∙2％． 表2 在常温不同内衬力载荷作用下槽壳的受力情况 Table2 Forced state of cell wall under different inner lining pressures 递增荷载 比例／％ 最大等效 应力／MPa 最大等 效应变／％ 最大位 移／mm 75 185 0∙0885 3∙977 100 224 0∙1073 5∙166 125 264 0∙1366 6∙367 150 265 0∙1716 7∙585 175 265 0∙2192 8∙833 200 266 0∙2930 10∙135 3∙2 温度载荷分析 为了分析温度梯度分布对电解槽结构受力的影 响这里不考虑内衬力载荷仅考虑温度载荷即改 变沿槽壳高度方向的温度梯度分布．表3为在不同 槽壳最高温度下得到的等效应力、等效应变及最大 位移值．可以看出无内衬力作用时如果槽壳温度 的最大值约为267℃时槽壳内的最大等效应变约 为0∙2％接近材料的工程屈服应变． 表3 在无内衬力时不同温度梯度下槽壳的受力情况 Table3 Forced state of cell wall under different temperature grads 温度／ ℃ 最大等效 应力／MPa 最大等效 应变／％ 最大位 移／mm 250 223 0∙1560 7∙327 275 234 0∙2217 7∙526 300 235 0∙2954 7∙694 325 235 0∙3644 7∙853 350 235 0∙4320 7∙966 3∙3 温度和压力共同作用下槽壳结构受力分析 综合表2和表3计算结果长侧内衬力设计值 取0∙5MPa短侧内衬力设计值取1∙0MPa然后逐 步调整温度梯度分布以反算结构不发生屈服变形 的荷载条件作为安全载荷．表4给出了槽壳中温 度梯度对槽壳受力的影响．可以看出在恒定内衬 力作用下槽壳最高温度为250℃时槽壳局部将开 始出现屈服．随着温度梯度的增加槽壳中最大等 效应变会增加塑性屈服区将扩大．最大应力均出 现在长侧内衬力作用区域；最大应变出现在短侧板 内衬力作用区域．图7显示的是在槽壳最高温度为 245℃ 时的等效应变云图最大应变值为 0∙019 98％在工程屈服应变0∙2％以下该载荷为最佳理 想值． ·950· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第9期 王泽武等：铝电解槽三维热应力场非线性有限元分析 .951. 表4在调整内衬力荷载后不同温度梯度下槽壳的受力情况 摇篮架最大应力、应变出现在直角处，但均在弹性范 Table 4 Forced state of cell wall with different temperature grads un- 围，比较安全 der different inner lining pressures (2)通过不同组合载荷工况下电解槽受力分析 温度/ 最大等效 最大等 最大位 及载荷反算，确定在长侧内衬力取0.5MPa,短侧内 ℃ 应力/MPa 效应变/% 移/mm 衬力设计值取1.0MPa,最高温度250℃时，槽壳局 240 235 0.1840 8.621 部等效应变接近于工程屈服应变0.2%，槽壳接近 250 235 0.2112 8.627 弹性体结构 260 235 0.2426 8.639 (3)采用通用有限元方法对铝电解槽结构强度 270 235 0.2752 8.659 进行了计算和分析，对工程设计和电解槽工程改造 300 235 0.3634 8.700 提供一定的依据，对提高铝电解槽工艺及装备水平， 350 236 0.5173 8.995 延长电解槽寿命均有一定的工程意义， 参考文献 [1】肖冰，肖云飞-国内外铝电解设备综述.有色设备，2005(2)：1 [2]李贺松，梅炽.铝电解槽热电场的有限元分析.中国有色金属 学报，2004,14(5)854 [3]罗海岩，陆继东，黄来，等.铝电解槽三维电热场的ANSYS分 析.华中科技大学学报：自然科学版，2002,30(7)：4 [4]李贺松，梅炽，廖爱华.铝电解槽焦粒焙烧过程中热应力场数值 模拟.中南大学学报：自然科学版，2004,35(5)：778 [5]Richard D.Fafard M.Lacroix R,et al.Aluminum reduction cell anode stub hole design using weakly coupled thermo-electro me- 0.937×1070.444×10J0.888×1070.0013320.001776 chanical finite element models.Finite Elem Anal Des,2001,37: 0.222×1030.666×103 0.001110.001554 0.001998 287 图7最高温度为245℃时槽壳内表面等效应变云图 [6]Sun H J.Zikanov O.Ziegler D P.Non-linear two-dimensional Fig.7 Equivalent strain contour of inside wall at a maximum tem- model of melt flows and interface instability in aluminum reduction perature of245℃ cell.Fluid Dyn Res.2004.35,255 [7]玉洪明.结构钢手册.石家庄：河北科学技术出版社，1985 [8]何允平，段继文铝电解槽寿命研究北京：冶金工业出版社， 4 结论 1998 (1)建立了某大型铝电解槽结构的热应力场有 [9]伍洪泽.大型铝电解槽槽壳位移研究.中国有色金属学报， 1997,7(2):65 限元分析模型，得到了电解槽和摇篮架的应力、应变 [10]王平，刘刚.160kA电解槽内衬结构分析与优化，轻金属， 云图，在给定的原始载荷条件下，电解槽中应力、应 2003,10.42 变最大值出现在槽壳长、短侧内衬力作用区处，最大 [11]郝金风，佟福山大型船船台下水时艏部强度计算分析.哈尔 应力达235MPa,最大应变为1.9%，塑性变形明显， 滨工程大学学报，2003,24(4)：42 Three-dimension thermo mechanical field nonlinear finite element analysis of an alu minum reduction cell WANG Zewu,MENG Peisheng,ZENG Qing,YI Xiaobin2) 1)Institute of Engineering Computation and Simulation.Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074,China 2)Guiyang Aluminum and Magnesium Research and Design Institute.Guiyang 550004.China ABSTRACI The three-dimensional thermo-electric solid and finite element model of a great aluminum reduc- tion cell was built based on general finite analytic software ANSYS.Simulation computing was processed with the double nonlinear affection of elasto plastic material properties and contact problem taken into account,the
表4 在调整内衬力荷载后不同温度梯度下槽壳的受力情况 Table4 Forced state of cell wall with different temperature grads under different inner lining pressures 温度／ ℃ 最大等效 应力／MPa 最大等 效应变／％ 最大位 移／mm 240 235 0∙1840 8∙621 250 235 0∙2112 8∙627 260 235 0∙2426 8∙639 270 235 0∙2752 8∙659 300 235 0∙3634 8∙700 350 236 0∙5173 8∙995 图7 最高温度为245℃时槽壳内表面等效应变云图 Fig．7 Equivalent strain contour of inside wall at a maximum temperature of245℃ 4 结论 （1） 建立了某大型铝电解槽结构的热应力场有 限元分析模型得到了电解槽和摇篮架的应力、应变 云图在给定的原始载荷条件下电解槽中应力、应 变最大值出现在槽壳长、短侧内衬力作用区处最大 应力达235MPa最大应变为1∙9％塑性变形明显 摇篮架最大应力、应变出现在直角处但均在弹性范 围比较安全． （2） 通过不同组合载荷工况下电解槽受力分析 及载荷反算确定在长侧内衬力取0∙5MPa短侧内 衬力设计值取1∙0MPa最高温度250℃时槽壳局 部等效应变接近于工程屈服应变0∙2％槽壳接近 弹性体结构． （3） 采用通用有限元方法对铝电解槽结构强度 进行了计算和分析对工程设计和电解槽工程改造 提供一定的依据对提高铝电解槽工艺及装备水平 延长电解槽寿命均有一定的工程意义． 参 考 文 献 ［1］ 肖冰肖云飞．国内外铝电解设备综述．有色设备2005（2）：1 ［2］ 李贺松梅炽．铝电解槽热电场的有限元分析．中国有色金属 学报200414（5）：854 ［3］ 罗海岩陆继东黄来等．铝电解槽三维电热场的 ANSYS 分 析．华中科技大学学报：自然科学版200230（7）：4 ［4］ 李贺松梅炽廖爱华．铝电解槽焦粒焙烧过程中热应力场数值 模拟．中南大学学报：自然科学版200435（5）：778 ［5］ Richard DFafard MLacroix Ret al．Aluminum reduction cell anode stub hole design using weakly coupled thermo-electro-mechanical finite element models．Finite Elem Anal Des200137： 287 ［6］ Sun H JZikanov OZiegler D P．Non-linear two-dimensional model of melt flows and interface instability in aluminum reduction cell．Fluid Dyn Res200435：255 ［7］ 王洪明．结构钢手册．石家庄：河北科学技术出版社1985 ［8］ 何允平段继文．铝电解槽寿命研究．北京：冶金工业出版社 1998 ［9］ 伍洪泽．大型铝电解槽槽壳位移研究．中国有色金属学报 19977（2）：65 ［10］ 王平刘刚．160kA 电解槽内衬结构分析与优化．轻金属 200310：42 ［11］ 郝金凤佟福山．大型船船台下水时艏部强度计算分析．哈尔 滨工程大学学报200324（4）：42 Three-dimension thermo-mechanical field nonlinear finite element analysis of an aluminum reduction cell WA NG Zew u 1）MENG Peisheng 1）ZENG Qing 1）Y I Xiaobin 2） 1） Institute of Engineering Computation and SimulationHuazhong University of Science and TechnologyWuhan430074China 2） Guiyang Aluminum and Magnesium Research and Design InstituteGuiyang550004China ABSTRACT The three-dimensional thermo-electric solid and finite element model of a great aluminum reduction cell was built based on general finite analytic software ANSYS．Simulation computing was processed with the double nonlinear affection of elasto-plastic material properties and contact problem taken into accountthe 第9期 王泽武等： 铝电解槽三维热应力场非线性有限元分析 ·951·
.952. 北京科技大学学报 第29卷 stress contours and strain contours of cell wall and cradle rack were plotted,the deform law of the aluminum re- duction cell's structure was analyzed,and some optimal measures were proposed for structure design.Reverse calculation was carried out under different load conditions on the assumption that the aluminum reduction cell was a elasticity body,and the best loading condition was achieved,which would offer a rapid and available re- search means for further design and reconstruct of an aluminum reduction cell. KEY WORDS aluminum reduction cell:finite element;thermo mechanic field;parameter optimization Accelerated carbonation and leaching behavior of the slag from iron and steel mak ing industry CHEN Quanyuan,D.C.Johnson2),ZHU Lingyun,YUAN Menghong,C.D.Hills2) 1)School of Environmental Science and Engineering.Donghua University.Shanghai 200051,China 2)School of Science.University of Greenwich.Chatham Maritime.Kent ME4 4TB.UK 3)School of Information Science and Technology Donghua University.Shanghai 200051.China ABSTRACT Ground granulated blast furnace slag(GGBFS)and steelmaking slag have been used as a raw ma- terial for cement production or as an aggregate to make concrete,which contribute aluminum,calcium,iron, and silicon oxides.The suitability of the slag for a particular application depends on its reactivity,cost,availabil- ity,and its influence on the properties of the resulting concrete.For the interest of durability studying of con- crete in the presence of slag,the accelerated carbonation products and leaching behavior of the slag and Portland cement(PC)were studied.The experimental results confirmed that the slag was more resistant to carbonation compared to PC.The carbonation degree of GGBFS reduced by 17.74%and the carbonation degrees of steel- making slags reduced by 9.51%-11.94.Carbonation neutralized the alkaline nature of the hydrated pastes and gave rise to the redox potential of the leachate slightly(30-77 mV).The carbonation also increased the re- lease of most of the elements presented,except for calcium,to the aqueous environment.It is concluded that blend cements (PC plus slag)have economical advantages and better durability compared to PC. KEY WORDS carbonation;slag:cement;leachate;durability Journal of University of Science and Technology Beijing,2007,14(4):1
stress contours and strain contours of cell wall and cradle rack were plottedthe deform law of the aluminum reduction cell’s structure was analyzedand some optimal measures were proposed for structure design．Reverse calculation was carried out under different load conditions on the assumption that the aluminum reduction cell was a elasticity bodyand the best loading condition was achievedwhich would offer a rapid and available research means for further design and reconstruct of an aluminum reduction cell． KEY WORDS aluminum reduction cell；finite element；thermo-mechanic field；parameter optimization Accelerated carbonation and leaching behavior of the slag from iron and steel making industry CHEN Quanyuan 1）D．C．Johnson 2）ZHU L ingyun 3）Y UA N Menghong 1）C．D．Hills 2） 1） School of Environmental Science and EngineeringDonghua UniversityShanghai200051China 2） School of ScienceUniversity of GreenwichChatham MaritimeKent ME44TBUK 3） School of Information Science and TechnologyDonghua UniversityShanghai200051China ABSTRACT Ground granulated blast furnace slag （GGBFS） and steelmaking slag have been used as a raw material for cement production or as an aggregate to make concretewhich contribute aluminumcalciumiron and silicon oxides．The suitability of the slag for a particular application depends on its reactivitycostavailabilityand its influence on the properties of the resulting concrete．For the interest of durability studying of concrete in the presence of slagthe accelerated carbonation products and leaching behavior of the slag and Portland cement （PC） were studied．The experimental results confirmed that the slag was more resistant to carbonation compared to PC．The carbonation degree of GGBFS reduced by 17∙74％；and the carbonation degrees of steelmaking slags reduced by 9∙51％—11∙94％．Carbonation neutralized the alkaline nature of the hydrated pastes and gave rise to the redox potential of the leachate slightly （30—77mV）．The carbonation also increased the release of most of the elements presentedexcept for calciumto the aqueous environment．It is concluded that blend cements （PC plus slag） have economical advantages and better durability compared to PC． KEY WORDS carbonation；slag；cement；leachate；durability 摘自 Journal of University of Science and Technology Beijing200714（4）：1 ·952· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷