鋁電解槽打殼氣缸升降裝置的設計和試用

劉 馳,郭 彬,王建國,喬若乾,高德金,蘇玉璽

(內蒙古錦聯鋁材有限公司,內蒙古 霍林郭勒 029200)

1 設計背景

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完成,一般電解槽有4～8 個下料點,每個下料點配備一套下料裝置和一套打殼裝置,其結構示意圖如圖1 所示。電解槽打殼氣缸是電解槽打穿下料點殼面的氣動設備,鋁電解槽在正常生產中,由于槽內外溫差的原因,910～970 ℃熔融的電解質液面上會形成一層堅硬的電解質殼面,必須把該層殼面打穿,才能保證氧化鋁進入槽內。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力,打穿電解質殼面,保證氧化鋁從打殼的殼面中進入電解槽內。打殼錘頭在工作時會進入熔融電解質熔液內,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、強磁、高粉塵環境,更換錘頭工作環境惡劣,勞動強度大。

圖1 電解槽內部結構示意圖

正常生產電解槽打擊頭粘包(俗稱殼頭包)是國內電解鋁廠的生產難題,打殼錘頭長殼頭包與無粘包殼頭的對比圖如圖2、圖3 所示。殼頭包對生產產生危害,不僅影響打殼下料,引發效應,還磨損下料點處的陽極,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,費時費力,被打碎的殼頭包會掉入下料點,容易造成下料點電解質發粘,但30 min 左右錘頭又會粘包,周而復始容易造成槽況波動及操作人員勞動強度增加[1]。

圖2 不粘包錘頭

圖3 粘包錘頭

資料顯示,打擊頭打擊進入熔融電解質內深度過深是殼頭包產生的主要原因之一[2]。如果設計出可調節打擊頭深度的裝置,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,隨著使用時間的增加,其磨損會越來越大,錘頭變細、變短,直至錘頭打擊的深度和孔徑偏小,導致錘頭無法正常使用,此時必須更換。而在錘頭更換時,需整體將打殼氣缸和錘頭吊出,操作過程繁瑣。國內電解槽槽上部常用打殼錘頭使用周期通常在6 個月至1 年不等,錘頭長度大約在350～450 mm 之間。針對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的關鍵因素之一[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,錘頭打擊進入電解槽內的深度即可確定。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,打擊頭進入熔體深度相應會增加,殼頭包產生會增加;熔體總高偏低時,打擊頭進入熔體深度會降低,下料點會打不開或開孔不到位,造成下料點積料。另外新換的打殼錘頭由于沒有磨損,打擊深度也會較正常的深些。

3 打殼氣缸升降裝置的設計及工作原理

3.1 設計思路

為減少殼頭包的產生,考慮將打殼氣缸安裝在一個氣缸升降裝置上(做好絕緣處理的前提下,后面會提到),通過該升降裝置來調整打殼氣缸的空間下止點,既可以實現打殼下料的目的,又能控制殼頭包的產生。將打殼錘頭和錘桿整體加長,可在使用可靠質量的錘頭前提下,通過降低打殼氣缸的空間下止點來實現磨短錘頭的不足,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 裝置結構

如圖4 所示為打殼氣缸的升降裝置(首次設計試驗裝置)示意圖,該裝置結構包括氣缸固定架、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,通過螺栓進行緊固并鎖緊,防止裝置機構松動(圖4 中序號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構原理示意圖(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運動轉變為升降架的直線運動,由于裝置升降架和打殼氣缸固定在一起,隨著絲杠的旋轉運動帶動裝置升降架上下行運動,從而帶動氣缸的升降運動[4]。

(2)操作步驟

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

4 試用效果及缺點

經過某廠12 臺電解槽上三個月的試用,發現該裝置能滿足正常生產需求,表1 為試驗槽(1 臺)和對比槽(1 臺)的分析統計。從表1 可以看出,夜班殼頭包數量大于中班,中班殼頭包數量大于白班。白班最少,這與夜班(0:00—8:00)工作時間段有關,此時段員工容易犯困,對電解槽的檢查和維護比白班差,中班(16:00—24:00)也受影響。總體計算來看,與對比槽相比,殼頭包發生的概率降低了44%以上,磨短的錘頭通過調整升降絲杠的方式得到長度補充,也減少了更換頻次,目前已經延長了2個月,預計還會延長使用3 個月以上。

表1 試驗槽和對比槽殼頭包對比

但因結構設計未考慮下端擺動和人工調整絲杠的缺陷,調整氣缸升降需要較多人工干預,增加了維修人員上槽調節的勞動強度,考慮現代電解鋁生產工藝及打殼氣缸的基本配置數量,目前暫不適合大規模推廣,需要進一步改進。

5 改進設想

當打擊頭打擊的深度需要調節時,無需人工用扳手調節,直接使用自動控制,即減少人工干預,使其通過一些控制程序和元件的控制能夠自動調節,實現氣缸及錘頭的升降控制。

針對前期的使用效果評估,考慮加強其主體結構,對裝置的易疲勞損壞的部位進行加固設計,將單升降絲杠改為雙絲杠,增加其調節可靠性和精確度。

6 改進裝置結構

如圖5 所示為打殼氣缸的改進升降裝置,該裝置除圖4 設計裝置外,新增升降限位、動力單元(氣動馬達),由單升降絲杠改為雙升降絲杠,底部增設固定架。

圖5 打殼氣缸升降裝置結構原理示意圖(改進后)

7 改進后的工作及控制方式

目前,電解槽的打殼系統是通過槽控機和電磁閥完成的。預計將該裝置的控制系統接入槽控機,槽控機接收錘頭進入電解質的反饋信號,即只要槽控機檢測不到相關信號,就由槽控機發出控制信號控制電磁閥動作,壓縮空氣驅動氣動馬達動作。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。當下工作限位動作時,槽控機接到回升指令,控制機構回到上工作限位,裝置停止上行。上下極限限位是避免超行程動作致裝置損壞。

8 預計實現的效果

預計將該裝置投入的電解鋁生產槽上后,其單體年累計故障時間逐漸減少,不需人工調節,殼頭包的發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 結論

該裝置的設計和試用,減少了殼頭包的產生和錘頭的消耗,利遠大于弊。但該裝置改進的設計、安裝、后期維護等工作,對于電解鋁企業的槽上部“高溫強磁”工況而言,需要不斷地試驗、總結和改進。

目前,電解鋁企業體力勞動工作仍然偏重,現今人工成本高、企業勞動力短缺,使用機械代替人工,實現操作工作的機械化、自動化和智能化,將是以后的發展方向,以期給同行提供一些參考。