STAS 公司开发的真空抬包/虹吸管(吸铝管)清理机

□韩 涛

在铝冶炼厂，当电解槽中的铝液达到一定量时，就需要在负压作用下，通过吸铝管将电解槽中的铝液吸入真空抬包中，然后用专用的铝液运输车将盛装了铝液的真空抬包送到铸造车间，再将铝液转注到熔炼炉或保温炉中进一步加工成重熔铝锭、扁锭或铸轧板。为了将铝液转注过程的铝液氧化减小到最小程度，向熔炼炉或保温炉中转注铝液时要使用虹吸管。当真空抬包、吸铝管和虹吸管使用几次后，由于在真空抬包内衬和底部、出铝管和虹吸管内壁沉积了电解质和金属铝，使得真空抬包容量减小、自重增大;吸铝管和虹吸管的内径变小，影响正常的出铝和铝液转注速度，因此就必须定期对它们进行清理，以除去沉积在真空抬包内衬和底部以及虹吸管与出铝管内的电解质和金属铝，从而恢复真空抬包的容量和自重以及虹吸管/出铝管的内径，确保出铝、铝液运送和转注工序的顺利完成。真空抬包(出铝管)和虹吸管的使用原理见图1 和图2。

图1 真空抬包装配图

一、目前的真空抬包、虹吸管和出铝管的清理方法以及存在的缺点

目前，国内电解铝企业对真空抬包、虹吸管和出铝管的清理与维护大多采用人工清理，其缺点如下:第一，劳动强度大，费工费时。清理一台真空抬包(以容量5t 真空抬包为例)，需要清理人员2 名，耗时约6h，另外还需要一名起重工配合操作。对于吸铝管和虹吸管，由于是多节组装而成，且每一节的长度均在1m 左右或大于1m，由于其内径较小，加之内壁粘附了大量的电解质和金属铝，仅靠人工和简单的钢钎和凿子等手工工具，难度很大，有时清理一根管子大约需要4h;第二，对于刚刚退出运行的炽热真空抬包，由于高温热辐射，清理人员不能立即进行清理，需等待抬包耐火材料降低至室温才能进行清理，如若铝电解生产急需使用，就会延误生产;第三，由于钢钎、凿子或风动工具操作的不稳定性，在清理过程中很可能对真空抬包耐火材料内衬和虹吸管/吸铝管铸铁材质造成人为损伤，严重时可能造成吸铝管/虹吸管局部报废或耐火材料内衬脱落，导致内火材料内衬的重砌或部分虹吸管/出铝管更换;第四，清理造成的人工和耗时，增加了生产成本;第五，清理时由于操作人员暴露于高温和电解质、耐火材料粉尘和高分贝的噪声之中，可能会对长期操作的清理人员身体健康造成影响;第六，人工清理出现人员碰伤、砸伤的可能性较大，存在安全隐患。

图2 虹吸管使用原理图

二、STAS 公司的真空抬包清理机

近年来，国内外许多企业均以一种铝电解辅助设备的形式研究开发真空抬包和虹吸管/吸铝管清理设备，且取得了可喜的成效，也在一定程度上减轻了操作人员的劳动强度，缩短了清理时间并改善了操作人员的工作环境和安全状况。然而，由于设备性能的不完善性，尚未实现集冷、热抬包和虹吸管/吸铝管清理与加热于一体的集成操作。STAS 公司研究开发的真空抬包、虹吸管和出铝管清理机实现了这一目标。STAS 公司真空抬包清理机的外观如图3所示。

图3 STAS 公司开发的真空抬包清理机外观照片

(一)STAS 公司真空抬包、虹吸管和出铝管清理机的基本构成。STAS 公司开发的真空抬包、虹吸管和出铝管清理机主要由下列部分构成:清理机底座;钻孔机液压回转系统;电气系统;自动操作系统;可编程逻辑控制器(PLC);带吸尘罩的倾斜平台。

1．清理机的底座。清理机的框架是运输分流并确保清理机稳定性的部件，见图4。

图4 热冷抬包清理机运输模块和清理2．螺旋钻的底座

2．运输模块和清理钻孔机。框架是一个保持溜板箱在导轨上移动的坚固结构。在支撑溜板箱的框架两侧，有一个上导轨和一个下导轨。轮子精确移动以提供最好的可行清理位置。需要时，可以很容易地更换导轨。根据必须要清理的特定抬包，运输模块由一个装备有两个工厂规模螺旋钻的主马达组成。在每个螺旋钻的后面，安装了偏转板，为的是从抬包中除去破碎的材料并直接将它们送入一个溜槽。

3．螺旋钻液压回转系统。螺旋钻(或清理头)旋转是通过一个重型斜齿轮装置激活的，是由一个高速低扭矩工业液压马达驱动的。最终的旋转速度大约为7 转/分钟。

4．电气系统。为了确保安全操作并便于维护，子系统安装在清理机的周围。出于同样的原因，还需要附件如检测器、制动器、接线盒、按钮站和电缆托盘。

5．自动操作系统。自动化系统照料着抬包在倾斜台上检测瞬间和抬包返回水平位置瞬间之间的抬包清理过程操作，因而提供完全自动化和最佳化的抬包清理。清理头的水平速度取决于闭环控制，确保随时最佳的清理效率。输入变量是施加于清理头上的反应扭矩。过程变量是溜板箱的速度，根据清理头在抬包中的位置，设定点需要载体的速度。

6．可编程逻辑控制器(PLC)。自动化系统需要一个必须遵循所有顺序和组合逻辑的工业控制器，以照顾一个抬包的整个清理周期。控制器通过一个众所周知的带安装了设备的工厂2 级系统工业网络允许通讯。在监控控制系统的控制器储存器中，包含主要操作变量和报警器的交换平台是程序化的。

7．带吸尘罩的倾斜平台。一旦脏抬包的清理过程发生，在清理头的前方，适当倾斜抬包。这种方式，通过螺丝钻的旋转仅仅把残留物和灰尘吸出抬包至位于清理机下方的残留物容器中。

倾斜台(图5)用于把每个倾斜到位。在清理机的端部有一个允许两种不同类型抬包的倾斜台。通常，一个倾斜台专门用于清理金属抬包，而另一个则专用于电解质抬包。

图5 倾斜台

在双头清理机情况下，需要两个倾斜平台(一个清理抬包类)，要清理的抬包放置在对应的平台上。将抬包锁定到位，倾斜平台进行清理操作。抬包锁紧在平台上，平台倾斜，平台锁紧在工作位置，使用液压缸使运输模块产生位移。

设计冷热抬包清理机是为了清理15t 大的抬包，如果需要的话，甚至可以更大。

吸尘罩战略定位于清理头和抬包开口的上方。吸尘罩装有利于抽气均匀分布和所产生粉尘有效排泄的插槽机，插槽机在降低噪音方面发挥着重要作用。基于这些原因，吸尘罩必须尽可能紧密地适合真空抬包法兰。

冷热抬包清理机设计不断强调坚固性、质量和部件的可靠性以及易于维护的特性。设备的功能与特点包括:一是在市场上可用的设备中，其清理速度是最快的，每个抬包的清理时间少于20min;二是设备非常灵活，能够清理任何温度下的所有类型的抬包;三是处理新工厂的所有抬包并且对于进一步扩产仍然有理想的利润空间;四是清理头的精确控制和结构刚性增加了真空抬包耐火材料的寿命;五是避免了操作者对粉尘、炽热颗粒和噪声的直接暴露;六是计算机控制:具有专利、适度超前的旋转刀头;七是全自动操作:在清理操作过程中不需要操作者;八是安装成本低;九是操作和维护成本低。图6 和图7 显示了抬包清理机的预期效果。

图6 脏抬包

图7 清理后的抬包

(二)抬包预热器和干燥器。在返回运行之前，金属和电解质抬包定期用耐火材料重新砌筑内衬。这些内衬安全干燥和预热很重要。STAS 公司已经设计并商业化了一种电预热和干燥系统。使用此合成工艺意味着在整个加热周期中，能源成本有相当大的减少，从而确保第一次液态金属注入之前均匀的热量分布。这种加热干燥方式不产生污染物并且几乎没有噪音。

出于安全考虑，计算机系统监控并报告每个抬包的加热状况。

图8 金属抬包预热器和干燥器

基本设备主要由以下模块组成:真空抬包盖提升装置、旋转臂起重机、加热盖、配电盘和控制站。

1．提升装置。凭借起重机加热盖上下移动。关于这种装置的使用，尤其是在悬浮载荷下车辆的流通，许多工厂都有严格的规定。为此，高估起重机以确保抬包盖子下方的安全循环。起重机上的载荷(加热盖)是永久连接的，从而消除了处理风险。

2．旋臂起重机。为了提高生产率，旋臂起重机容许两个抬包加热。当一个抬包加热时，另一个抬包可以在第二个站点定位做好准备。

3．加热系统(盖子)。加热盖设计适合抬包的形状。其整个内表面用陶瓷纤维棉隔热。陶瓷纤维棉经过压缩并用STAS 公司开发的特殊锚固系统捆扎在包盖架上。加热器受到重型构架的保护，重型构架好充当着降低包盖进入抬包的导向。为了满足客户需求，设计了加热功率。

4．配电盘和控制站。加热控制系统是一台程序化了的操纵温度模块的接触器的可编程温度控制器。这样做是根据温度设定点和使用高、低限死区。

位于盖子上并指向抬包底部的热电偶读取过程温度并将读数重新发送给温度显示。

加热元件受到一个高温限制控制器的保护免受过度加热。这个控制器由另一个也位于盖子上的热电偶读取温度，但是它指向加热元件。

指示灯、按钮、温度显示、继电器、定时器和其他配件均安装在控制盘上。转换式起动器、主接触器、可控硅电源控制器、控制变压器和主隔离开关放置在配电盘上，而起重机启动器则放置在起重机自身上。加热元件和热电偶安装在加热盖上。

设备的功能与优点包括:一是可以用于抬包的固化和预热;二是低操作、维护和投资成本;三是自动操作:没有专门的操作者;四是没有污染物和噪声;五是减少了能源费用;六是更好的温度控制，避免冷点和热冲击;七是安全监控与报告状况。

三、STAS 公司的吸铝管和虹吸管清理机

图9 吸铝管清理机

(一)吸铝管清理机。要除去累积在管子内的残留物，必须清理吸铝管。STAS 公司花费了许多精力，通过开发市场上有效的更强大的管子清理机来完成其产品系列。这种管子清理机包括一个通过变量驱动控制器用功率控制的电力驱动清理工具。优化旋转速度为管子尺寸以及障碍物程度和类型的函数。

管子清理机由通风隔音箱、内部的管子锭尾和保持装置和一个具有旋转和转换功能的清理模块组成。吸铝管夹紧在箱子中，行驶系统在吸铝管内移动清理头。

管子清理机是为坚固性和方便维修而设计的，使用了高质量和可靠的部件。设备的功能与优点包括:一是管子清理机可以清理用电解质堵塞的吸铝管或局部被电解质和金属铝混合堵塞的吸铝管;二是消除了操作者暴露于粉尘、炽热颗粒和噪声的可能;三是真正安全的清理机;四是管子清理机清理头的旋转和模块的转换是由电力驱动和控制的。

(二)虹吸管清理机。累积在内壁的浮渣和铝的沉积物需要定期清理，以保持管子开口无障碍物。用传统方法清理管子很危险:通常清理头和软管使用手工在管子里推挤，操作者可能与炽热的虹吸管和旋转头接触。STAS 公司虹吸管清理机提高了安全水平。

图10 虹吸管清理机

STAS 公司已经开发了半自动化或自动启动铰刀，这种铰刀可以安装在电解车间或邻近的建筑物中。它可以在几分钟内快速清理直管或弯管。由于极其快速的清理动作，现在，在管子每次吸铝操作之前清理管子，从而大大延长吸铝管/虹吸管的寿命。

图11 虹吸管预热站

当抬包盖在抬包上、在支架上(附在包盖上)或与包盖分离时，STAS 公司设计虹吸管清理机都可以清理管子。当包盖在抬包上时，具有节约时间的优点，因为不需要拆除管子，从而提高生产效率。

设备的特点与功能包括:一是清理炽热的虹吸管/吸铝管，如果需要的话，同时附着在抬包上;二是适应不同尺寸和形状的管子;三是根据管子内壁的轮廓挖展;四是可以利用固定的或移动装置;五是避免操作者暴露于粉尘、炽热材料和噪声;六是清理比现有方法更快;七是不用电(避免了电动机的磁场问题);八是对于自动操作，操作者只需要把管子安装和固定在其支架上，夹紧并开始自动循环。

(三)虹吸管预热系统。虹吸管是用来将铝液由抬包中转注入熔炼炉/保温炉中的。在清理操作后和将虹吸管放入熔炼/保温炉之前，虹吸管/吸铝管需要预热，这可以用虹吸管预热站来完成，在承担任务以前，一台电动机械用来预热虹吸管。

虹吸管预热站由以下部件组成:虹吸管支架，一个可以安装两根管子的钢结构。两个位置都装备有积尘系统。可以同时预热两根虹吸管。

鼓风机/加热器总成，安装在虹吸管支架的下方并提供加热功率。

集热器系统(配电箱、出入口、柔性连接、夹钳)，旨在连接虹吸管与鼓风机/加热器总成。它也允许加热的空气在虹吸管内流通。一个平台准许出入连接虹吸管的出口。

手动集尘器传输门，安装在虹吸管的出口，可清除预热开始时出现在虹吸管中的粉尘。这个箱子必须连接到工厂的集尘器中。

控制系统，包括一个现场控制盘(带信号灯、按钮、温度显示和警报闪光灯)、配电盘(加热接触器、控制变压器和主隔离开关)和一个安装在鼓风机/加热器单元法兰上的加热器热电偶、安装在鼓风机/加热器总成出口和入口中的过程热电偶。

可编程逻辑控制器也是清理机的一部分，主要用于所要求信息的传输(操作状态、操作消失的累计数，等等)到级别2。

四、结语

本文所描述的设备是一个抬包和虹吸管/吸铝管清理与维护的稳健而完全集成的解决方案。STAS 公司已经开发出了此项技术用集成控制系统来同时或分别操作。

最近几年，这些技术的效率和可靠性已经以用户的满意得到证明，如加拿大的云雀铝业公司、莫桑比克的莫扎尔铝厂、巴林王国的巴林铝业公司、加拿大的阿尔玛的加拿大铝业公司、阿曼苏丹国的苏哈尔铝业公司、俄罗斯的俄铝泰舍特和博古恰内;最近更多，交付给客户的像阿拉伯联合酋长国的阿联酋铝业公司、印度的吠檀多铝业公司。值得一提的是，在某些情况下，设备的高清理率能够通过扩产或电流强化使用更多的生产，意味着更好的投资回报或不需要投资第二台清理机。

STAS 公司清理技术的精度也转化为较少的耐火材料更换成本，清理热抬包以及冷抬包的可能性导致了能源和时间回报。它还避免了操作人员暴露于粉尘和噪声并提供了高度的灵活性(电解质或金属铝清理、单一或双重清理头、不同尺寸的抬包，等等)。

最后，在抬包到位之后，它是市场上唯一不涉及操作者处理的清理系统。