0 引言

在皮江法煉鎂工藝中，還原罐內(nèi)發(fā)生化學反應，以制備出粗鎂?；瘜W反應前需要向還原罐中填裝反應物，反應后還需要將反應完成的還原鎂渣清理出去，以便進行下一次反應。雖然有輔助工具，但是勞動強度高，裝料和出渣的效率低，嚴重制約著鎂冶煉的效率。此外，人工掏渣造成很大的揚塵，加之鎂冶煉在高溫下進行，給操作工人身體造成了一定的危害?，F(xiàn)在應用最廣的是螺旋式清渣機，主要是有一根剛性的直軸，其上焊有螺旋葉片，它在旋轉同時直線推進的同時反向旋出爐渣，只有當螺旋葉非常貼近罐下壁時才能清理干凈，而且對操作工人的技術要求高。還原罐中的爐渣清理不干凈將影響還原罐的裝料量、傳熱效率和使用壽命，因此扒渣機清渣之后往往需要人工進行二次清渣，以清理剩余鎂渣，較為耗時。目前國內(nèi)外的鎂冶煉企業(yè)中，出渣環(huán)節(jié)逐漸由人工掏渣向半自動化掏渣轉變；上料環(huán)節(jié)則是通過簡易輔助裝置送料，由人工實現(xiàn)上料。根據(jù)相關文獻檢索有向自動化控制方向發(fā)展的趨勢[1-4]，但是還有一定的改進空間。

1 自動上料與出渣裝置的研制

1.1 裝置結構

自動上料與出渣裝置主要由原料存放罐、移動裝置、上料裝置、出渣裝置、鎂渣收集箱、軌道、Z向移動裝置、Y向移動裝置、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、視覺分析系統(tǒng)和其他輔助裝置構成，主要結構如圖1所示，為了直觀展示部分細節(jié)未畫出。

圖1 自動上料與出渣裝置

原料存儲罐（3）、移動裝置（4）、上料裝置（5）、出渣裝置（6）和鎂渣存儲罐（7）固定于移動裝置（4）上，移動裝置（4）可在軌道（8）上移動，升降電機（9）、移動電機A（10）、移動電機B（11）控制上料裝置（5）和出渣裝置（6）沿著還原罐（1）軸線方向進出以實現(xiàn)上料和出渣。上料裝置（5）和出渣裝置（6）為傳送帶結構，側面焊接有齒條。通過上料裝置（5）、出渣裝置（6）和移動裝置（4）互相配合實現(xiàn)煉鎂工藝中自動上料與出渣功能。裝有傳感器采集各部位信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析后調(diào)整各機構的參數(shù)，實現(xiàn)智能控制。

1.2 工作原理

本裝置的工作原理如圖2所示，可在固定于地面的軌道上面行駛，實現(xiàn)水平方向平行于還原爐的移動（X方向），上料裝置和出渣裝置可分別沿著豎直方向移動（Z方向），以實現(xiàn)上下兩層還原罐之間的切換，通過X方向和Z方向之間的調(diào)整，實現(xiàn)精準定位。到達預設位置后，上料裝置沿著還原罐軸線方向（Y軸負方向）移動至最深處，隨后傳送帶開始旋轉，原料存放罐中的反應物由于重力作用掉落于傳送帶上，傳送帶整體向Y軸正向移動，將物料完全放置于還原罐中。具有半圓形刮板結構的傳送帶沿著X和Z方向到達指定位置后，傳送帶旋轉的同時沿著Y軸負向伸入還原罐，最終將鎂渣清理出還原罐并掉落于鎂渣收集箱中。

圖2 自動上料與出渣裝置原理圖

2 關鍵結構與系統(tǒng)設計

2.1 移動裝置

為了實現(xiàn)自動上料與出渣的目的，上料裝置和出渣裝置需要實現(xiàn)X、Y和Z移動，并能準確進入還原罐。電機經(jīng)過減速器后帶動滑輪在軌道上運動，使得上料裝置和出渣裝置同時沿著X方向移動。步進電機經(jīng)過變速器后驅動上料裝置和出渣裝置分別沿著移動裝置的Z方向獨自運動。當行走至合適位置后，限位傳感器檢測到信號，并通過視覺系統(tǒng)再次確認還原罐的軸線方向，從而實現(xiàn)伸入或者退出還原罐。Y和Z方向的移動，都通過步進電機減速后驅動齒條來實現(xiàn)，其連接形式如圖3所示。上料裝置和出渣裝置側面具有齒條，圖中顯示上料裝置側面的齒條39，通過31、32、33和34四個齒輪固定住齒條39，使其沿著Y方向運動。Y驅動齒輪順時針旋轉可將該裝置沿著Y軸送入還原罐，逆時針旋轉則移出還原罐。移動裝置豎直方向的四個立柱上方固定有齒條，齒輪35、36、37和38共同作用使上料裝置沿著Z軸方向移動。驅動齒輪通過軸與減速后的步進電機相連，其速度可根據(jù)傳感器反饋數(shù)據(jù)進行閉環(huán)控制。當上料裝置深入到還原罐最深處時，該裝置承受載荷最大，Y限位齒輪2和Z限位齒輪承受載荷最大，需要對其進行加固保證其強度和剛度。限位齒輪起到支撐上料裝置和限制自由度的作用，所有齒輪的軸上都有軸承，以減少摩擦力。此外，可通過傳感器檢測和急停保護，防止出現(xiàn)意外。

圖3 移動裝置與上料機構的連接形式

2.2 上料裝置

上料裝置為類似傳送帶結構，金屬材質的傳送帶可實現(xiàn)物料轉運，如圖4所示。步進電機驅動軸實現(xiàn)傳送帶旋轉，其轉速可隨著上料速度進行調(diào)整。傳送帶側面有齒條，傳輸機構通過齒條固定并驅動上料裝置整體進入還原罐。上料裝置強度高，并能承受原料存放罐中掉落反應物料的沖擊。

圖4 上料裝置和出渣裝置

2.3 出渣裝置

出渣裝置和上料裝置類似，但是其傳送帶上固定有半圓形的刮板，傳送帶運動的同時驅動刮板旋轉。出渣裝置伸入圓柱狀的還原罐后，半圓形的刮板貼合還原罐壁，鎂渣隨著刮板移動至罐口，由于重力作用落入原料存儲罐。刮板與罐壁之間留有縫隙，刮板與傳送帶之間可以小范圍晃動，防止出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象。

2.4 存儲罐

存儲罐分為原料存儲罐和鎂渣存儲罐，原料放置在原料存儲罐中，通過重力落在傳送帶上面，隨后進入還原罐參加反應。原料參加反應后變?yōu)殒V渣，被出渣裝置運送至鎂渣存儲罐中。存儲罐外面有保溫材料，防止物料溫度下降。剛出爐的鎂渣溫度很高，保溫可最大限度地保證其余熱利用。存儲罐下端有閥門，可以調(diào)節(jié)物料下降的速度。

2.5 控制系統(tǒng)設計

本裝置的X、Y和Z方向的前進速度、傳送帶的轉速和伸入還原罐的深度等參數(shù)可根據(jù)實際工況及時調(diào)整，數(shù)據(jù)分析后進行智能控制，其控制系統(tǒng)原理如圖5所示。系統(tǒng)啟動后會進入初始化并自檢，讀取相關設置信息。根據(jù)自身傳感器采集信息，判斷本裝置所處位置、是否卡頓、是否意外停機或者緊急停止。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結合人工指令判斷是否恢復至初始位置，檢查確認無異常后將上料裝置和出渣裝置沿Y方向退出還原罐，分別Z向移動至初始高度，整體X向移動至初始位置?？梢栽O置模擬運動、自動上料、自動出渣、上料出渣同時進行和手動模式。上料裝置和輔助裝置之間增加距離傳感器和限位開關，保證Z向運動時不會互相干擾。

圖5 控制系統(tǒng)原理圖

2.5.1 自動上料

當使用自動上料功能時，需保證還原罐內(nèi)無鎂渣占用空間，視覺分析系統(tǒng)輔助工人檢測是否符合上料要求。上料時出渣裝置沿Z向移動至最下端，防止其影響上料裝置的運動。上料裝置Y負向運動至還原罐最深處時開啟傳送帶，打開原料存儲罐倉門，上料裝置整體沿Y正向運動時物料隨傳送帶落入還原罐。調(diào)整傳送帶速度和物料下落速度，將反應物完全填充至還原罐。

2.5.2 自動出渣

還原罐中的化學反應完全后，取出粗鎂后即可清理鎂渣。視覺分析系統(tǒng)輔助工人檢測確保出渣裝置對準還原罐軸線位置，開啟傳送帶。出渣裝置整體沿著Y軸負向運動，傳送帶下部分的半圓形刮板接觸鎂渣后將其移動出還原罐。出渣裝置運行至最深處后沿著Y軸正向運動，最終停至Y向的初始位置。

2.5.3 上料的同時出渣

出渣和上料同時進行的原理與單獨進行相同，需要注意Z向移動時互相干涉的問題。同時進行上料和出渣工藝能進一步減少煉鎂的時間，提高煉鎂效率。

3 性能特點

該裝置將有效地提高煉鎂工藝中上料與出渣的效率，并減少人工勞動強度。其主要特點是：①在不改變車間結構的前提下，通過增加附屬結構提高填裝反應物和清理鎂渣的效率，投入成本低；②能精準移動至指定位置完成上料和出渣，改善車間環(huán)境并降低工人勞動強度；③通過傳感器監(jiān)測并進行數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)智能控制，提高煉鎂的效率。

4 總結展望

本文設計的自動上料與出渣裝置在不改變原有車間結構的前提下，通過增加附屬結構和優(yōu)化控制的方式，克服傳統(tǒng)工藝中裝料和出渣時勞動強度高和效率低下的缺點。該裝置通過傳感器精準定位，準確運動至還原罐軸線位置，實現(xiàn)自動上料與出渣的功能。通過減少上料和出渣的時間來提高煉鎂效率；減少工作過程中產(chǎn)生的廢氣和粉塵，從而改善車間的工作環(huán)境。