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        某自動填料裝置的結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)優(yōu)化研究

        2019-06-03 06:04:28吳專楊盼王嘯樂育生
        中國設(shè)備工程 2019年9期
        關(guān)鍵詞:污染

        吳專,楊盼,王嘯,樂育生

        (湖北省地質(zhì)勘查裝備中心,湖北 武漢 430034)

        為實現(xiàn)對礦產(chǎn)資源精準(zhǔn)、高效利用,必須對各種地質(zhì)礦床的成分、含量有清楚地了解。地質(zhì)礦產(chǎn)部門常采用光譜分析方法勘查地質(zhì)元素成分,在光譜分析時最為繁瑣的工序就是向碳棒電極內(nèi)填料,地質(zhì)樣品通過人工作業(yè)填充到電極內(nèi),勞動強(qiáng)度大,生產(chǎn)效率低,樣品受污染風(fēng)險大。某地質(zhì)裝備中心研制出一種自動填料裝置,可將混勻后的地質(zhì)樣品快速、自動地裝填至碳棒電極內(nèi) 。采用該裝置進(jìn)行填料自動化程度高、操作便捷、環(huán)保清潔、效率高。本研究采用該自動填料裝置開展試驗,考察不同結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)對填料效果的影響,并提出優(yōu)化改進(jìn)措施。

        1 試驗裝置基本原理及特性

        圖1為某地質(zhì)勘查裝備中心自主設(shè)計開發(fā)的自動填料儀機(jī)械結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)上可分為五大部分:倒料組件、推棒組件、填料組件、取棒組件和除塵組件。

        圖1 自動填料儀機(jī)械機(jī)構(gòu)

        工作時將經(jīng)由振動攪拌儀混合好的物料整盤固定在電動旋轉(zhuǎn)平臺上,氣缸頂出坩堝,直線模組帶著夾爪夾取坩堝,退回到填料漏斗的正上方,回轉(zhuǎn)氣缸帶動夾爪旋轉(zhuǎn)180°,將物料倒入下方的填料組件漏斗內(nèi)。同時,推棒組件開始工作,由氣缸帶動電極料盒前后移動,料盒內(nèi)的電極落入滑道內(nèi),直線模組帶動推桿前推,將電極推出固定長度,并抵在填料組件的漏斗孔內(nèi)。待倒料組件將料粉倒入漏斗,且推棒組件已經(jīng)將電極推入漏斗孔內(nèi)時,氣缸帶動填料桿做往復(fù)運(yùn)動,將漏斗中的料粉通過擠壓填入電極孔內(nèi),往復(fù)幾次之后,裝填完成,旋轉(zhuǎn)平臺帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動,裝填好的電極進(jìn)入下一工位,取料組件取走電極,整個過程采用氣壓清洗除塵,以此循環(huán)往復(fù),其填料工序示意圖如圖2所示。

        圖2 填料工序示意圖

        2 填料桿設(shè)計

        該自動填料儀的關(guān)鍵部位為填料漏斗和填料桿,填料漏斗見圖3。

        圖3 填料漏斗

        圖4 不同結(jié)構(gòu)填料桿的三維實體模型圖

        漏斗本體內(nèi)底面開有集粉槽,集粉槽兩端向外開孔延伸分別形成電極孔和填料桿孔,電極孔內(nèi)設(shè)有電極定位結(jié)構(gòu);填料時,礦粉倒入填料漏斗本體后落入集粉槽,電極凹槽端伸入漏斗電極孔內(nèi)并頂緊在定位結(jié)構(gòu)上,填料桿伸入填料桿孔后繼續(xù)前進(jìn),將集粉槽內(nèi)的礦粉填入電極凹槽端。因此,填料桿的設(shè)計必須與填料漏斗一致,既要使礦粉能夠順利被推入至碳棒電極內(nèi),同時,也要保證填料效率?;谝陨嫌^點(diǎn),設(shè)計了圖4所示的橫截面積相同的圓柱型、方形、V型三種填料桿。

        3 試驗方法

        分別稱取0.1g干燥后的樣品和0.1g加有內(nèi)標(biāo)元素Ge的緩沖劑加入坩堝中,將坩堝放置在光譜樣品振動攪拌機(jī)上進(jìn)行攪拌,攪拌完成后的樣品連同坩堝整盤置于自動填料儀的電動旋轉(zhuǎn)平臺上,同時將碳棒裝入電極盒中,打開儀器開始填料,對填料完成后的碳棒進(jìn)行填料效果測試,各項檢驗指標(biāo)如下。

        3.1 填充率

        碳棒填充率是填料效果的直觀反映,試驗前稱取碳棒的質(zhì)量即為m1,待填料完成后再稱取碳棒的重量記為m2,采用公式(1)即可計算出樣品填充率。

        3.2 填充緊實度

        試驗中采用填充緊實度作為碳棒是否填充合格的檢驗依據(jù)。將填料完成后的碳棒放置于振動篩上,逐漸增大振動頻率,稱量各個碳棒脫落樣品的質(zhì)量,計算樣品脫落量,并進(jìn)行比較,在相同振動頻率下脫落量越小,則表明填充緊實度越好。

        3.3 樣品污染程度

        碳棒裝填樣品間有無交叉污染也是試驗的一項重要檢驗指標(biāo)。試驗時選用兩個坩堝,分別裝入土壤樣品和白鎢礦粉,待填料工作完成后,取碳棒內(nèi)填充料置于載玻片上平鋪制片,并在熒光顯微鏡下照射成像,采用Matlab軟件分析統(tǒng)計圖像中的熒光物質(zhì)百分含量,即為樣品污染程度。圖5所示為熒光顯微鏡下樣品不同污染程度的圖像。

        圖5 樣品不同污染程度圖像

        4 試驗結(jié)果

        4.1 填料桿結(jié)構(gòu)對填料緊實度的影響

        保持填料3次,在相同的吹掃工藝下,采用不同形狀的填料桿進(jìn)行試驗,探索其結(jié)構(gòu)對填料緊實度的影響,并與人工填料的指標(biāo)進(jìn)行對比,試驗結(jié)果見圖6。

        圖6表明,隨著振動篩頻率的增大,三種結(jié)構(gòu)填料桿下碳棒內(nèi)填充樣品的脫落量逐漸增大,但在相同振動頻率下,V型填料桿試驗后樣品脫落量最小,其次是圓柱型,最后是方形,說明填料后緊實度大小排序依次為V型>圓柱型>方形。同時,在試驗過程中,也可以發(fā)現(xiàn)圓柱型和方形結(jié)構(gòu)填料桿僅是平直地將集粉槽內(nèi)的礦粉推動到碳棒電極的凹槽端,但V型填料桿不僅可以平直推動礦粉,而且在每次裝填時還可以垂直切割樣粉,使其順利下落,可以有效地避免在裝填過程中樣粉由于自粘性不易下落,導(dǎo)致填料不滿、緊實度低的問題。此外,人工填料的填充緊實度僅在圓柱型和方形結(jié)構(gòu)的填料桿之間,遠(yuǎn)達(dá)不到V型填料桿的填充緊實度,說明該裝置采用V型填料桿的填料效果要優(yōu)于人工填料。

        圖6 填料桿結(jié)構(gòu)對填料緊實度的影響

        4.2 填料次數(shù)對填充率的影響

        使用V型填料桿,在吹掃工藝一致的情況下,改變填料次數(shù)進(jìn)行試驗,并與人工填料進(jìn)行比較,試驗結(jié)果見圖7。

        圖7 填料次數(shù)對填充率的影響

        圖7中結(jié)果表明,不管是人工填料,還是設(shè)備填料,填料次數(shù)越多,碳棒內(nèi)填充率越大,且在各填料次數(shù)下,填料裝置的填充率都要高于人工填料。人工填料時,填料次數(shù)小于4次時,填充率隨著填料次數(shù)的增大呈直線上升,增加填料次數(shù)為5次,填充率不再增大,最大填充率達(dá)74.9%。設(shè)備填料時,填料次數(shù)為2次時,碳棒內(nèi)填充率便可達(dá)74.7%,與人工填料的指標(biāo)相近;填料次數(shù)為3次時,填充率繼續(xù)增加至79.8%;填料次數(shù)增加到4次或5次時,填充率不再增大,維持在80%左右。因而,與人工填料相比,采用該裝置填料時料粉利用率更好,效率更高。綜合考慮能耗和效率問題,該裝置工作時填料次數(shù)選取3次為最佳。

        4.3 吹掃工藝對樣品污染程度的影響

        在不同吹掃工藝(吹掃時間、吹掃壓力、吹掃次數(shù))下,樣品污染程度試驗結(jié)果見圖8~10。

        圖8 吹掃時間與樣品污染程度的關(guān)系

        圖8表明,隨著吹掃時間的增加,樣品污染程度逐漸降低。當(dāng)吹掃時間由0s增加至12s時,樣品的污染程度急劇下降,由20.4%降低至1.2%;但當(dāng)吹掃時間由12s增加至16s時,樣品污染程度僅由1.2%降至0.8%,說明吹掃時間超過12s后,清洗效果提高幅度不大,綜合考慮清洗效果和能耗,吹掃時間選取為12s為宜。

        圖9 吹掃壓力與樣品污染程度的關(guān)系

        圖9表明,樣品污染程度與吹掃壓力關(guān)系密切,吹掃壓力越大,樣品的污染程度越小,但當(dāng)壓力超過0.7MPa后,樣品污染程度并沒有明顯改善,故吹掃壓力定為0.7MPa為宜。

        圖10 吹掃次數(shù)與樣品污染程度的關(guān)系

        圖10表明,樣品污染程度隨吹掃次數(shù)的增多逐漸減小。不吹掃時,樣品污染程度高達(dá)34.2%,當(dāng)吹掃一次后,污染程度立即大幅降至9.7%。說明吹掃能夠有效除塵,改善樣品污染程度。當(dāng)吹掃次數(shù)為3次和4次時,樣品污染程度分別為0.7%和0.5%,兩者差異不大。因此,吹掃次數(shù)選3次最為高效節(jié)能。

        5 結(jié)語

        (1)相比于圓柱型和方形,V型為填料桿的最優(yōu)結(jié)構(gòu),采用V型結(jié)構(gòu)在裝填時可以切割礦粉,使其連續(xù)下落,從而提高填料緊實度,改善填料效率。

        (2)采用該裝置填料3次后,碳棒內(nèi)填充率可以達(dá)到80%,而人工填料時,即使填料次數(shù)更多,填充率也僅能達(dá)到75%左右。

        (3)吹掃工藝的最佳參數(shù)為吹掃時間12s,吹掃壓力0.7MPa,吹掃次數(shù)3次。該工藝下可使樣品污染程度降低1%以內(nèi),能夠有效地避免樣品間交叉污染,保證樣品清潔。

        (4)與人工填料相比,該裝置填料后各項指標(biāo)更好,效果更優(yōu)。且操作簡便,高效節(jié)能,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。

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