劉 馳,郭 彬,王建國,喬若乾,高德金,蘇玉璽

(內(nèi)蒙古錦聯(lián)鋁材有限公司,內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200)

1 設(shè)計(jì)背景

電解鋁廠電解槽的加料(氧化鋁)通過電解槽上部的打殼下料系統(tǒng)完成,一般電解槽有4～8 個(gè)下料點(diǎn),每個(gè)下料點(diǎn)配備一套下料裝置和一套打殼裝置,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。電解槽打殼氣缸是電解槽打穿下料點(diǎn)殼面的氣動(dòng)設(shè)備,鋁電解槽在正常生產(chǎn)中,由于槽內(nèi)外溫差的原因,910～970 ℃熔融的電解質(zhì)液面上會(huì)形成一層堅(jiān)硬的電解質(zhì)殼面,必須把該層殼面打穿,才能保證氧化鋁進(jìn)入槽內(nèi)。打殼氣缸用鉸接頭與打殼錘頭相連,打殼錘頭利用打殼氣缸的動(dòng)力,打穿電解質(zhì)殼面,保證氧化鋁從打殼的殼面中進(jìn)入電解槽內(nèi)。打殼錘頭在工作時(shí)會(huì)進(jìn)入熔融電解質(zhì)熔液內(nèi),使打殼錘頭不斷地磨損、熔化,必須定期更換打殼錘頭。由于槽上部是高溫、強(qiáng)磁、高粉塵環(huán)境,更換錘頭工作環(huán)境惡劣,勞動(dòng)強(qiáng)度大。

圖1 電解槽內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

正常生產(chǎn)電解槽打擊頭粘包(俗稱殼頭包)是國內(nèi)電解鋁廠的生產(chǎn)難題,打殼錘頭長殼頭包與無粘包殼頭的對(duì)比圖如圖2、圖3 所示。殼頭包對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生危害,不僅影響打殼下料,引發(fā)效應(yīng),還磨損下料點(diǎn)處的陽極,造成陽極使用周期縮短。工人處理殼頭包的過程中,需用兌子人工敲打,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,被打碎的殼頭包會(huì)掉入下料點(diǎn),容易造成下料點(diǎn)電解質(zhì)發(fā)粘,但30 min 左右錘頭又會(huì)粘包,周而復(fù)始容易造成槽況波動(dòng)及操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度增加[1]。

圖2 不粘包錘頭

圖3 粘包錘頭

資料顯示,打擊頭打擊進(jìn)入熔融電解質(zhì)內(nèi)深度過深是殼頭包產(chǎn)生的主要原因之一[2]。如果設(shè)計(jì)出可調(diào)節(jié)打擊頭深度的裝置,既能延長打擊頭的使用壽命,也能減少殼頭包的產(chǎn)生。

2 普通槽上部打殼裝置存在的問題

2.1 錘頭消耗

在打殼錘頭工作過程中,隨著使用時(shí)間的增加,其磨損會(huì)越來越大,錘頭變細(xì)、變短,直至錘頭打擊的深度和孔徑偏小,導(dǎo)致錘頭無法正常使用,此時(shí)必須更換。而在錘頭更換時(shí),需整體將打殼氣缸和錘頭吊出,操作過程繁瑣。國內(nèi)電解槽槽上部常用打殼錘頭使用周期通常在6 個(gè)月至1 年不等,錘頭長度大約在350～450 mm 之間。針對(duì)槽上部打殼氣缸維修周期較長而言,降低打殼錘頭的更換頻率也是減少槽上部維修次數(shù)的關(guān)鍵因素之一[3]。

2.2 打殼裝置不可升降

電解鋁廠打殼氣缸和錘頭一旦安裝固定,錘頭打擊進(jìn)入電解槽內(nèi)的深度即可確定。而電解槽由于槽況不盡相同,電解槽熔體的總高度是變化的,熔體總高偏高時(shí),打擊頭進(jìn)入熔體深度相應(yīng)會(huì)增加,殼頭包產(chǎn)生會(huì)增加;熔體總高偏低時(shí),打擊頭進(jìn)入熔體深度會(huì)降低,下料點(diǎn)會(huì)打不開或開孔不到位,造成下料點(diǎn)積料。另外新?lián)Q的打殼錘頭由于沒有磨損,打擊深度也會(huì)較正常的深些。

3 打殼氣缸升降裝置的設(shè)計(jì)及工作原理

3.1 設(shè)計(jì)思路

為減少殼頭包的產(chǎn)生,考慮將打殼氣缸安裝在一個(gè)氣缸升降裝置上(做好絕緣處理的前提下,后面會(huì)提到),通過該升降裝置來調(diào)整打殼氣缸的空間下止點(diǎn),既可以實(shí)現(xiàn)打殼下料的目的,又能控制殼頭包的產(chǎn)生。將打殼錘頭和錘桿整體加長,可在使用可靠質(zhì)量的錘頭前提下,通過降低打殼氣缸的空間下止點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)磨短錘頭的不足,提高錘頭有效長度的利用率,從而降低錘頭的更換頻率[2]。

3.2 裝置結(jié)構(gòu)

如圖4 所示為打殼氣缸的升降裝置(首次設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置)示意圖,該裝置結(jié)構(gòu)包括氣缸固定架、升降絲杠及絲母、固定軸承、氣缸鐘擺軸固定架及相關(guān)緊固螺栓等零部件。

3.3 安裝

將氣缸固定架合理安裝并固定在電解槽上部承重部位,安裝位置如圖4 所示,通過螺栓進(jìn)行緊固并鎖緊,防止裝置機(jī)構(gòu)松動(dòng)(圖4 中序號(hào)9 處安裝絕緣套)。將打殼氣缸鐘擺軸安裝至氣缸鐘擺軸座位置,緊固氣缸鐘擺軸鎖緊螺栓。

圖4 打殼氣缸升降裝置結(jié)構(gòu)原理示意圖(初代)

3.4 工作原理及操作

(1)工作原理

此裝置工作原理是將絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樯导艿闹本€運(yùn)動(dòng),由于裝置升降架和打殼氣缸固定在一起,隨著絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)裝置升降架上下行運(yùn)動(dòng),從而帶動(dòng)氣缸的升降運(yùn)動(dòng)[4]。

(2)操作步驟

將升降絲杠鎖緊螺母松開,用扳手調(diào)整升絲杠,使打殼氣缸下部鉸接錘頭懸至合適位置,手動(dòng)打殼氣缸動(dòng)作,試驗(yàn)錘頭的打擊深度,直至打殼深度合理,鎖緊升降絲杠螺母,調(diào)整完畢。

4 試用效果及缺點(diǎn)

經(jīng)過某廠12 臺(tái)電解槽上三個(gè)月的試用,發(fā)現(xiàn)該裝置能滿足正常生產(chǎn)需求,表1 為試驗(yàn)槽(1 臺(tái))和對(duì)比槽(1 臺(tái))的分析統(tǒng)計(jì)。從表1 可以看出,夜班殼頭包數(shù)量大于中班,中班殼頭包數(shù)量大于白班。白班最少,這與夜班(0:00—8:00)工作時(shí)間段有關(guān),此時(shí)段員工容易犯困,對(duì)電解槽的檢查和維護(hù)比白班差,中班(16:00—24:00)也受影響。總體計(jì)算來看,與對(duì)比槽相比,殼頭包發(fā)生的概率降低了44%以上,磨短的錘頭通過調(diào)整升降絲杠的方式得到長度補(bǔ)充,也減少了更換頻次,目前已經(jīng)延長了2個(gè)月,預(yù)計(jì)還會(huì)延長使用3 個(gè)月以上。

表1 試驗(yàn)槽和對(duì)比槽殼頭包對(duì)比

但因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未考慮下端擺動(dòng)和人工調(diào)整絲杠的缺陷,調(diào)整氣缸升降需要較多人工干預(yù),增加了維修人員上槽調(diào)節(jié)的勞動(dòng)強(qiáng)度,考慮現(xiàn)代電解鋁生產(chǎn)工藝及打殼氣缸的基本配置數(shù)量,目前暫不適合大規(guī)模推廣,需要進(jìn)一步改進(jìn)。

5 改進(jìn)設(shè)想

當(dāng)打擊頭打擊的深度需要調(diào)節(jié)時(shí),無需人工用扳手調(diào)節(jié),直接使用自動(dòng)控制,即減少人工干預(yù),使其通過一些控制程序和元件的控制能夠自動(dòng)調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)氣缸及錘頭的升降控制。

針對(duì)前期的使用效果評(píng)估,考慮加強(qiáng)其主體結(jié)構(gòu),對(duì)裝置的易疲勞損壞的部位進(jìn)行加固設(shè)計(jì),將單升降絲杠改為雙絲杠,增加其調(diào)節(jié)可靠性和精確度。

6 改進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)

如圖5 所示為打殼氣缸的改進(jìn)升降裝置,該裝置除圖4 設(shè)計(jì)裝置外,新增升降限位、動(dòng)力單元(氣動(dòng)馬達(dá)),由單升降絲杠改為雙升降絲杠,底部增設(shè)固定架。

圖5 打殼氣缸升降裝置結(jié)構(gòu)原理示意圖(改進(jìn)后)

7 改進(jìn)后的工作及控制方式

目前,電解槽的打殼系統(tǒng)是通過槽控機(jī)和電磁閥完成的。預(yù)計(jì)將該裝置的控制系統(tǒng)接入槽控機(jī),槽控機(jī)接收錘頭進(jìn)入電解質(zhì)的反饋信號(hào),即只要槽控機(jī)檢測不到相關(guān)信號(hào),就由槽控機(jī)發(fā)出控制信號(hào)控制電磁閥動(dòng)作,壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)馬達(dá)動(dòng)作。為避免元件損壞,超行程無法控制,選用雙限位控制方式,即上下工作限位和上下極限限位。當(dāng)下工作限位動(dòng)作時(shí),槽控機(jī)接到回升指令,控制機(jī)構(gòu)回到上工作限位,裝置停止上行。上下極限限位是避免超行程動(dòng)作致裝置損壞。

8 預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)的效果

預(yù)計(jì)將該裝置投入的電解鋁生產(chǎn)槽上后,其單體年累計(jì)故障時(shí)間逐漸減少,不需人工調(diào)節(jié),殼頭包的發(fā)生頻次降低一半以上,錘頭壽命延長一半以上。若將錘頭的總長度延長,使用壽命隨延長長度1∶1增加。

9 結(jié)論

該裝置的設(shè)計(jì)和試用,減少了殼頭包的產(chǎn)生和錘頭的消耗,利遠(yuǎn)大于弊。但該裝置改進(jìn)的設(shè)計(jì)、安裝、后期維護(hù)等工作,對(duì)于電解鋁企業(yè)的槽上部“高溫強(qiáng)磁”工況而言,需要不斷地試驗(yàn)、總結(jié)和改進(jìn)。

目前,電解鋁企業(yè)體力勞動(dòng)工作仍然偏重,現(xiàn)今人工成本高、企業(yè)勞動(dòng)力短缺,使用機(jī)械代替人工,實(shí)現(xiàn)操作工作的機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化,將是以后的發(fā)展方向,以期給同行提供一些參考。