李善敏，吳道林，張曄，王培

（貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

氧化鋁的生產(chǎn)是鋁工業(yè)鏈中的重要一環(huán)，針對不同特點(diǎn)的鋁土礦，氧化鋁廠可采取不同的生產(chǎn)工藝。目前主要有拜耳法、堿石灰燒結(jié)法和拜耳-燒結(jié)聯(lián)合法3 種。但無論是采用拜耳法還是燒結(jié)法，還是聯(lián)合法生產(chǎn)氧化鋁，赤泥的沉降分離是一個(gè)不可或缺且對后續(xù)流程有重要影響的環(huán)節(jié)。

沉降槽作為固液分離設(shè)備廣泛應(yīng)用于化工工業(yè)中，現(xiàn)代沉降理論，實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐證明，沉降槽性能的先進(jìn)性與沉降槽高度密切相關(guān)，其規(guī)格大小與目標(biāo)產(chǎn)能相關(guān)。在氧化鋁生產(chǎn)流程中，沉降槽主要用于赤泥的分離、洗滌及沉降等，是液固分離用的重力沉降設(shè)備。一般來說，用于工業(yè)化生產(chǎn)的深錐高效沉降槽一般都具有直徑大、高度高的幾何特點(diǎn)，且須配備用于耙除沉降于底部物料的耙機(jī)裝置。隨著氧化鋁生產(chǎn)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展、設(shè)備裝備水平的不斷提高，深錐高效沉降槽設(shè)備的大型化作為氧化鋁生產(chǎn)系列的大型化的關(guān)鍵支撐設(shè)備，可以有效地降低氧化鋁廠的生產(chǎn)成本和工程投資，同時(shí)也可達(dá)到節(jié)能降耗、優(yōu)化全廠技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的要求。

1 上部桁架結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[1]指出氧化鋁生產(chǎn)過程中，由于沉降分離操作上的各種失誤，常出現(xiàn)沉降槽“跑渾”及“垮槽”等事故，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。近年來，高效深錐沉降槽在我國應(yīng)用廣泛，隨著深錐高效沉降槽設(shè)備的大型化，其耙機(jī)系統(tǒng)自重及可承受的扭矩也越來越大，有必要對其上部桁架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算分析，保證耙機(jī)系統(tǒng)的安全可靠性，確保不發(fā)生事故。

PKPM 結(jié)構(gòu)系列軟件是中國建筑科學(xué)研究院研制的，可以應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的建模、計(jì)算、繪圖等，PKPM 結(jié)構(gòu)系列軟件采用人機(jī)交互方式，操作簡單，功能強(qiáng)大，主要由PMCAD、STS、PK 等模塊組成。鋼桁架的計(jì)算分析也由原來的手算改為電算，PKPM 軟件越來越廣泛應(yīng)用于鋼桁架的計(jì)算分析中。

本文通過某新建氧化鋁工程實(shí)例，對其在行業(yè)中首次采用的φ26m 深錐高效沉降槽（如圖1 所示）上部桁架進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模與計(jì)算分析。從該深錐高效沉降槽設(shè)計(jì)要求得出以下參數(shù)：沉降槽直徑：26m，耙機(jī)重量：約50t，設(shè)計(jì)扭矩：3600kN·M。應(yīng)用PKPM 結(jié)構(gòu)系列軟件對上部桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

圖1 Φ26m 深錐高效沉降槽

2 上部桁架結(jié)構(gòu)模型的建立與計(jì)算

首先進(jìn)入結(jié)構(gòu)系列軟件PKPM 的PK 交互輸入與優(yōu)化計(jì)算輸入桁架模型?？梢圆捎每焖俳；蛘呔W(wǎng)格生成來建立模型，其中各桁架桿件均以桿布置，本文模擬時(shí)忽略次彎矩將桁架節(jié)點(diǎn)視為鉸接。桁架一般采用一端固定鉸支座，一端滑動(dòng)鉸支座的兩端簡支進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 載荷工況條件

根據(jù)此沉降槽設(shè)計(jì)要求，耙機(jī)總重約50t，可分為4 個(gè)節(jié)點(diǎn)來施加，每個(gè)節(jié)點(diǎn)力為125kN（Z 方向）；同時(shí)把扭矩3600kN·M 用Solidworks Simulation 計(jì)算轉(zhuǎn)換為4 個(gè)節(jié)點(diǎn)的力（X 方向和Y 方向各4 個(gè)力）來施加，如圖2 和圖3 所示。

圖2 上部桁架結(jié)構(gòu)方案三維模型

圖3 載荷圖(單位KN)

2.2 桁架總重

模型建立好后，直接可讀取各類截面鋼桿件自重(t)，如表1。

表1

2.3 施加約束條件

上部桁架中角鋼L140X14、L150X14、背對背角鋼L140X14 組合構(gòu)件為兩端鉸接，其余采用兩端剛。

左側(cè)底部兩節(jié)點(diǎn)的約束條件：限制X、Y、Z 三個(gè)方向位移自由度。

右側(cè)底部兩節(jié)點(diǎn)的約束條件：限制Y、Z 兩個(gè)方向位移自由度。

2.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析參數(shù)定義

根據(jù)前面建立的三維模型，施加的載荷及約束，接下來對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析參數(shù)定義，根據(jù)該工程所在實(shí)地現(xiàn)場的條件，具體實(shí)施如圖4、圖5 所示。

圖4 參數(shù)定義（一）

圖5 參數(shù)定義（二）

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 桁架應(yīng)力比

應(yīng)力比其實(shí)就是效應(yīng)/抗力，此值越低，設(shè)計(jì)安全儲備就越高。此值越接近于1，越經(jīng)濟(jì)，但卻不一定合理。因此鋼桁架設(shè)計(jì)時(shí)，務(wù)必保證應(yīng)力比小于1，但是也不能太小，太小就不經(jīng)濟(jì)，浪費(fèi)資源。配筋包絡(luò)和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比圖是試算截面合理性的一個(gè)依據(jù)。

因底面桁架應(yīng)力比大于頂面桁架，所以從底面桁架應(yīng)力比圖6 可以看出，各應(yīng)力比都小于1，所以滿足要求。其中下弦桿處應(yīng)力比最大。

圖6 底面桁架應(yīng)力比

3.2 桁架長細(xì)比

長細(xì)比即構(gòu)件計(jì)算長度與構(gòu)件截面回轉(zhuǎn)半徑的比值。按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，桁架受壓桿件的長細(xì)比小于150，受拉桿件的長細(xì)比小于250。

因頂面桁架長細(xì)比大于底面桁架，所以從頂面桁架長細(xì)比圖7 可以看出，此桁架設(shè)計(jì)滿足長細(xì)比要求。

圖7 頂面桁架長細(xì)比

3.3 位移結(jié)果

位移也是設(shè)計(jì)控制的一個(gè)指標(biāo)，可以從活荷載作用下的位移圖上找出節(jié)點(diǎn)的最大位移，驗(yàn)算最大位移是否滿足鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中位移的限制要求。在活載荷下的位移圖如圖8、9、10 所示，可以看出，位移很小，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 X 方向位移

圖9 Y 方向位移

圖10 Z 方向位移

4 結(jié)語

隨著氧化鋁產(chǎn)能的不斷提高，為滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求，沉降槽的性能是否能達(dá)標(biāo)，結(jié)構(gòu)是否經(jīng)濟(jì)合理，不僅將直接影響建設(shè)成本，也將直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命。

結(jié)合實(shí)際工程，應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件PKPM 對φ26m 深錐高效沉降槽上部桁架進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模，并通過Solidworks Simulation計(jì)算將扭矩轉(zhuǎn)換為4個(gè)節(jié)點(diǎn)的力，最后進(jìn)行計(jì)算分析。通過分析結(jié)果可知，此沉降槽上部桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比、長細(xì)比、活載荷下的位移均滿足設(shè)計(jì)要求，符合實(shí)際工況，保證了耙機(jī)系統(tǒng)的安全可靠性，通過生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，此深錐高效沉降槽已在多個(gè)工程項(xiàng)目上安全、高效運(yùn)行。