姜玉敬，王 毅，鄭艷珍，王永興

（1中商碳素研究院有限公司，江蘇省 蘇州 215203；2山東華鵬精機(jī)股份有限公司，山東 煙臺(tái)264003）

成型工序是生產(chǎn)鋁用炭素陽極的半成品過程，是生產(chǎn)陽極過程中重要的中間過程，隨著生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備的開發(fā)，鋁用炭素陽極成型工藝和設(shè)備已得到快速發(fā)展，工藝技術(shù)和設(shè)備已成熟可靠。

1 成型的目的與方法

成型就是將混捏好的糊料用專用設(shè)備制成所需要的形狀和尺寸并具有較高密度的半成品(生坯)，即生陽極塊。在鋁用炭素陽極工業(yè)生產(chǎn)中使用兩種方法成型：振動(dòng)成型和擠壓成型。擠壓成型設(shè)備采用水壓機(jī)或油壓機(jī)，該種成型工藝現(xiàn)已基本不用。振動(dòng)成型是采用專用的振動(dòng)成型機(jī)組。

目前，我國(guó)鋁用炭素陽極生產(chǎn)中普遍采用的成型方法是振動(dòng)成型法。振動(dòng)成型法生產(chǎn)效率高，生陽極炭塊質(zhì)量好，且可直接制出碳碗，完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。陽極炭塊成型設(shè)備分為單工位、雙工位和三工位成型機(jī)。三工位振動(dòng)成型機(jī)組是在一個(gè)可轉(zhuǎn)的工作平臺(tái)上，同時(shí)完成加料、振動(dòng)成型、脫模推出工序，使成型得以連續(xù)進(jìn)行，生產(chǎn)效率高，但其價(jià)格昂貴、維護(hù)維修成本較高，適合生產(chǎn)規(guī)模大、陽極規(guī)格單一的大型炭陽極廠采用。雙工位振動(dòng)成型機(jī)有滑臺(tái)式和旋轉(zhuǎn)式兩種?；_(tái)式另設(shè)置有中心平臺(tái)，平臺(tái)兩側(cè)各設(shè)置一套由模套、重錘、真空密封罩和振動(dòng)臺(tái)組成的碳?jí)K振動(dòng)成型工位；中心平臺(tái)與兩工位之間用滑板連接，兩工位各安有一套縱向推塊裝置；在兩工位連線中點(diǎn)的垂直方向上另設(shè)置一套橫向推塊裝置。旋轉(zhuǎn)式一個(gè)工位加料、振動(dòng)成型后旋轉(zhuǎn)到另一個(gè)工位脫模推出。單工位成型機(jī)基本具有三工位振動(dòng)成型機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，更具有投資小、便于維護(hù)維修、操作靈活，特別適合生產(chǎn)不同規(guī)格的陽極，易于更換成型模具，我國(guó)眾多炭素廠采用單工位成型機(jī)生產(chǎn)。在振動(dòng)成型中，采用了振動(dòng)加抽真空技術(shù)、振動(dòng)臺(tái)氣囊減震技術(shù)，以及零振幅啟動(dòng)激振箱振動(dòng)技術(shù)等，提高了生陽極的成型質(zhì)量。

2 振動(dòng)成型設(shè)備與工藝

正如前述，陽極炭塊成型設(shè)備分為單工位成型機(jī)和三工位成型機(jī)，它們各有特點(diǎn)，企業(yè)根據(jù)自身的發(fā)展規(guī)模、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等合理選型，但振動(dòng)成型設(shè)備的工作原理、工藝技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等是類同的。

2.1 振動(dòng)成型的原理

振動(dòng)成型的原理，主要是靠振動(dòng)臺(tái)下面的振動(dòng)器所產(chǎn)生的振幅小、頻率高的強(qiáng)迫振動(dòng)，使振動(dòng)臺(tái)上成型模內(nèi)的混捏好的糊料受到多變速度運(yùn)動(dòng)，使糊料間、糊料與模壁間的內(nèi)摩擦力、外摩擦力、粘結(jié)力大幅度降低，從而使糊料流動(dòng)性比振動(dòng)前增高，顆粒間發(fā)生相對(duì)位移使其更加合理排列，同時(shí)在糊料表面上再加一個(gè)自由外力，即重錘的重力作用，使糊料逐漸達(dá)到密實(shí)并結(jié)合成一個(gè)具有嚴(yán)格幾何要求、尺寸要求和性能要求的整體。振動(dòng)過程中，顆粒以長(zhǎng)軸方向垂直于振動(dòng)方向而定向排列，形成結(jié)構(gòu)上的各向異性，從而產(chǎn)生性能上的各向異性。振動(dòng)主要沿垂直方向進(jìn)行（理論上不產(chǎn)生水平方向的振動(dòng)），振動(dòng)力通過與振動(dòng)臺(tái)面直接接觸傳遞，在成型模內(nèi)的糊料受到的振動(dòng)能量是自下而上衰減的，因而糊料在振動(dòng)成型時(shí)變形速度較慢，一部分瀝青氣體有足夠的時(shí)間在振動(dòng)的同時(shí)逸出，因此可直接使用溫度較高的糊料而不易產(chǎn)生膨脹裂縫和變形現(xiàn)象，且較高的成型溫度有利于粘結(jié)劑性能的發(fā)揮，糊料更具良好的流動(dòng)性，可均勻充填模內(nèi)，成型成品率有效提高。

糊料的顆粒呈現(xiàn)振動(dòng)狀態(tài)后，它們的物理性能發(fā)生了很大變化：

（1）糊料顆粒間的內(nèi)摩擦力及與模壁的外摩擦力顯著降低；

（2）糊料從彈性塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變成密實(shí)的流體狀態(tài)，糊料顆粒間的粘結(jié)力有很大程度的減弱；

（3）振動(dòng)使糊料顆粒受到多變加速度，使大小不等的顆粒產(chǎn)生慣性力。

上述三種物理性能的變化，是造成糊料密實(shí)的基礎(chǔ)，其中最重要的是糊料顆粒產(chǎn)生慣性力。由于顆粒大小不均，它們的質(zhì)量有大有小，所產(chǎn)生的慣性力各有不同，因而使糊料顆粒邊界處產(chǎn)生應(yīng)力。當(dāng)這個(gè)應(yīng)力超過糊料的內(nèi)聚力時(shí)，顆粒間便開始相對(duì)移動(dòng)，在位移的瞬間，如果再加上自由外力（如重錘等），就能迫使顆粒間加速移動(dòng)，這樣不但可以縮短振動(dòng)時(shí)間，而且還能使糊料進(jìn)一步密實(shí)。

振動(dòng)成型機(jī)在振動(dòng)過程中外加壓力小，因而糊料中的大粒子不易受到壓碎，基本上可以保持原來配方中糊料的粒度組成，這對(duì)于保證產(chǎn)品的表觀密度、抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)電率等方面有著重要的意義。

振動(dòng)成型也存在著不足，體現(xiàn)在噪音偏大、振動(dòng)大、成品在高度方向密度不十分均勻等。

2.2 振動(dòng)成型機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和性能

不管是單工位振動(dòng)成型機(jī)，還是三工位振動(dòng)成型機(jī)，其振動(dòng)成型機(jī)的主要結(jié)構(gòu)都是由振動(dòng)臺(tái)、模具、重錘和控制系統(tǒng)組成的。

振動(dòng)臺(tái)體是由臺(tái)面框架、振動(dòng)器、同步齒輪輪箱、彈性聯(lián)軸節(jié)、電動(dòng)機(jī)、萬向聯(lián)軸節(jié)、減震彈簧、底架、減共振反彈簧（或橡膠塊或氣囊）等組成。

（1）振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)原理和特性

振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)是旋轉(zhuǎn)軸上的振動(dòng)子（不平衡質(zhì)量）高速回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力激發(fā)而產(chǎn)生的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。旋轉(zhuǎn)軸是由軸承支持的，軸承固定在臺(tái)面框架下面。振動(dòng)的特性一般由振幅和頻率來表示，振動(dòng)強(qiáng)度用振幅和角頻率平方之積表示。

振動(dòng)臺(tái)可以有兩類機(jī)械振動(dòng)：定向振動(dòng)和橢圓振動(dòng)，后者在某種情況下可能產(chǎn)生圓形振動(dòng)。

定向振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)臺(tái)連同上面的糊料顆粒一起沿一直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；其所經(jīng)過的路程是從一個(gè)邊緣位置到另一個(gè)邊緣位置（稱為振幅）。振幅是幅度的1/2。

圓形振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)臺(tái)連同上面的糊料顆粒一起沿圓周運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)的振幅等于該圓的半徑，而幅度等于圓周的直徑。

（2）按振動(dòng)特性分類，振動(dòng)臺(tái)可分為：?jiǎn)屋S振動(dòng)臺(tái)和雙軸振動(dòng)臺(tái)。

單軸振動(dòng)臺(tái)如果振動(dòng)系統(tǒng)B的質(zhì)量為m，那么由質(zhì)量M和m組成的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)在沒有外力的作用下，按照力學(xué)的質(zhì)量中心定理，這兩個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該保持平衡。

在這種情況下，數(shù)值A(chǔ)作為振動(dòng)系統(tǒng)圓周振動(dòng)的振幅，ω為振動(dòng)子的角速度。

振動(dòng)子所產(chǎn)生的激動(dòng)力的計(jì)算式為：

式中：Fg--激振力，kgf；

G0--振動(dòng)子的重量，kgf；

r--振動(dòng)子的偏心半徑，m；

n--振動(dòng)頻率或軸的轉(zhuǎn)速，r/min。

在不計(jì)介質(zhì)阻力和以質(zhì)量表示，整理式（4-11）可得振幅A的計(jì)算式：

式中：G0r--振動(dòng)子質(zhì)量與它的偏心距的積稱為偏心動(dòng)力矩（kgf?cm）。這個(gè)數(shù)值作為慣性振動(dòng)臺(tái)的基本性能之一。

P--振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量（包括振動(dòng)臺(tái)、模具、物料）。

雙軸振動(dòng)臺(tái)就是將兩個(gè)上單軸振動(dòng)器一起固定在臺(tái)面框架下面。兩個(gè)軸由一個(gè)電動(dòng)機(jī)通過兩個(gè)相同的圓柱斜齒輪斜街，使它們保持到一定速度和相反的方向回轉(zhuǎn)。兩個(gè)振動(dòng)在水平方向的分力，在任何角度下都是大小相等，方向相反，因而互相抵消力，剩余的兩個(gè)垂直分力則作用于振動(dòng)臺(tái)上，因此，雙軸振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)是垂直定向振動(dòng)。

（3）重錘及重錘接觸比壓

在振動(dòng)成型時(shí)，糊料表面上需施加一定的外加壓力。即在糊料表面上放置重錘。

重錘接觸比壓是產(chǎn)品的單位橫截面積上所受重錘的壓力。接觸比壓大，生陽極產(chǎn)品的密度就大。

式中：P--重錘的接觸比壓，kgf/cm2;

W--模具上加的重錘質(zhì)量，kgf；

S--產(chǎn)品的橫截面積，cm2。

接觸比壓大，制品的密度也大，現(xiàn)一般取P=1～2.5kgf/cm2=0.1～0.25MPa.

（4）模具

振動(dòng)成型的模具(也叫成型模)，一般用厚度為8—16mm厚的鋼板焊成。為了使產(chǎn)品表面光潔，模具四周帶有蒸氣加熱夾套。模具的尺寸要根據(jù)產(chǎn)品的規(guī)格尺寸及形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，通常模具的尺寸要比設(shè)計(jì)的產(chǎn)品尺寸稍大一些，因?yàn)樯髟谂鳠^程中體積收縮(線收縮為2%左右)。

（5）減振裝置

振動(dòng)成型是靠高頻振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)上，要保證只有振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面及模具處于強(qiáng)烈的振動(dòng)狀態(tài)，而其下部的機(jī)架、設(shè)備基礎(chǔ)等不應(yīng)發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)。否則不僅容易損壞設(shè)備，而且影響建筑物的使用壽命及操作人員身體健康。因此，在振動(dòng)臺(tái)與上下機(jī)架之間必須裝有減振裝置，國(guó)產(chǎn)振動(dòng)臺(tái)下面裝有螺旋彈簧，彈簧隔離低頻振動(dòng)有效果；但對(duì)高頻振動(dòng)隔離效果不佳，所以用彈簧為減振裝置噪音仍然很大。國(guó)外引進(jìn)的加料、振動(dòng)、脫模三工位轉(zhuǎn)臺(tái)式振動(dòng)成型機(jī)，采用橡膠減振裝置，減振效果較好。

2.3 單工位振動(dòng)成型機(jī)

單工位振動(dòng)成型機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資小、產(chǎn)能大、生產(chǎn)靈活性大、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、產(chǎn)品質(zhì)量有保證等特點(diǎn)，廣泛在我國(guó)鋁用炭素陽極生產(chǎn)企業(yè)中應(yīng)用。特別適合產(chǎn)品規(guī)格多，需經(jīng)常更換模具的廠家采用。

2.3.1 單工位振動(dòng)成型機(jī)

單工位振動(dòng)成型機(jī)可分為三種：全自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)成型機(jī)。

目前，我國(guó)手動(dòng)式的單工位振動(dòng)成型機(jī)使用的很少，眾多的是采用全自動(dòng)和半自動(dòng)成型機(jī)。半自動(dòng)振動(dòng)成型機(jī)可實(shí)現(xiàn)四軸自動(dòng)調(diào)幅、自動(dòng)計(jì)量供料、模箱正面布料、模箱自動(dòng)定位、零起動(dòng)、振實(shí)后零停止、生陽極炭塊自動(dòng)推出。全自動(dòng)振動(dòng)成型機(jī)除上述功能外，采用PLC自動(dòng)程控操作，均勻單點(diǎn)布料，自動(dòng)噴油，抽真空，炭塊自動(dòng)測(cè)高，炭塊自動(dòng)推出于一體的自動(dòng)化生產(chǎn)線。

國(guó)內(nèi)典型的單工位振動(dòng)成型機(jī)的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 國(guó)內(nèi)典型的單工位振動(dòng)成型機(jī)的技術(shù)參數(shù)

2.3.2 加壓振動(dòng)成型機(jī)

為了提高預(yù)焙陽極的質(zhì)量，特別是提高預(yù)焙炭陽極的密度和強(qiáng)度，開發(fā)研制了加壓振動(dòng)成型機(jī)，并采用全自動(dòng)化控制技術(shù)，見圖1。

圖1 加壓振動(dòng)成型機(jī)

（1）技術(shù)參數(shù)

生產(chǎn)能力：12-18塊/小時(shí)

規(guī)格：小于1900＊1010＊≤700(mm)

振動(dòng)力：0-600KN 0-800KN

壓重重量：15T

均溫箱容積：8m3

計(jì)量倉(cāng)容積：1.5 m3

（2）性能

四柱框架承重導(dǎo)向。

將擠壓機(jī)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)應(yīng)用于陽極振動(dòng)成型機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)，配重及頂端模具定位精準(zhǔn)，產(chǎn)品四角高度差小。

真空技術(shù)。

真空技術(shù)成熟，2秒內(nèi)達(dá)到要求的真空度；煙氣收集利于環(huán)保，大大降低炭塊內(nèi)外裂紋；增加陽極密度（體積密度）；降低瀝青粘性。

噴隔離液技術(shù)。

模具噴隔離液代替噴油，成本節(jié)約70%，霧化度高，均勻、充分、不沾料。

雙速恒壓加壓技術(shù)。

采用雙速恒壓加壓技術(shù)，炭塊損傷小，內(nèi)部裂紋少；壓頭低速脫離炭塊，減小炭塊反彈速度，降低內(nèi)部裂紋產(chǎn)生；提高生產(chǎn)效率。

倒角模具。

完全擬合陽極塊模具，強(qiáng)度大，升溫快，保溫好；自動(dòng)開閉倒角，無需任何動(dòng)力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易維護(hù)；頂模與模框內(nèi)面采用兩種不同的耐磨金屬定位，杜絕摩擦打火粘連卡模現(xiàn)象，四周間隙一致，頂端無飛邊。

緩和推塊技術(shù)。

避免熱炭塊受到猛烈撞擊發(fā)生形變或損壞，推塊機(jī)構(gòu)的液壓缸采用快、慢、快的推塊形式，降低了熱炭塊的形變。

測(cè)高技術(shù)。

精確的炭塊測(cè)高技術(shù)，用以指導(dǎo)生產(chǎn)工藝參數(shù)調(diào)節(jié)，采用進(jìn)口編碼器檢測(cè)炭塊在線高度，準(zhǔn)確高效，可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、打印數(shù)據(jù)。

先進(jìn)的高精密液壓技術(shù)。

由液壓控制、電氣控制、機(jī)械結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域技術(shù)專家組成的專業(yè)團(tuán)隊(duì)，具備設(shè)計(jì)大型液壓傳動(dòng)和控制系統(tǒng)的專業(yè)背景，精心設(shè)計(jì)配套液壓控制系統(tǒng)。

電氣自動(dòng)化與工廠信息化。

基于多年經(jīng)驗(yàn)積累，提供針對(duì)炭素行業(yè)的最專業(yè)的自動(dòng)化和信息化解決方案。采用威圖式不銹鋼控制柜，強(qiáng)度高，防護(hù)等級(jí)高，適用于高腐蝕性，高導(dǎo)電粉塵環(huán)境；控制方式分為遠(yuǎn)程、就地、手動(dòng)、自動(dòng)控制模式，分別適用于生產(chǎn)和檢修，手動(dòng)、自動(dòng)可實(shí)現(xiàn)無縫切換；采用上位機(jī)遠(yuǎn)程控制功能，具有故障診斷，數(shù)據(jù)記錄，報(bào)表打印功能。