新型焙烧炉火道墙预砌筑机的开发及应用

2019-10-23肖晅

四川有色金属 2019年3期

肖晅

（四川启明星铝业有限责任公司，四川眉山 620041）

1 概述

阳极焙烧是电解铝阳极生产的重要工序，焙烧炉是电解铝用阳极生产过程中的主要设备之一。焙烧炉的作用在于使生阳极中的沥青焦化，同时提高阳极的机械性能、导电性、导热性和降低阳极的氧化反应率。其使用方法是将成型生阳极碳块利用专用夹具夹入焙烧炉层层立装码放并填充焙烧辅料，焙烧炉预定的升温曲线升温至1100℃左右后保持一段时间后，再按预定的冷却曲线冷却，将生阳极焙烧好。

目前国内所使用的阳极焙烧炉多为采用引进法国“AP”技术设计修建造，料箱每层立装7块阳极，料箱长约5.5m、宽约0.8m、高约5.5m。是国际上水平较先进的焙烧炉技术。该技术炉室以其产量大、质量高、节能、环保效果好在国内外广泛应用［1］。

焙烧炉的主要构件火道墙由于经常处于高温状态下且不断的受到气流的冲刷以及阳极焙烧过程中由温度的变化不均匀等原因。会使火道产生墙产生结焦、裂缝、凸起、砖块松动、倾斜或塌落等故障，以致火道墙变形。虽然变形后的火道墙经过校直、更换损坏的部分构件等修理后可继续使用一段时间。但当发现火道墙有下列情况之一者，应予以修补或重新砌筑：火道墙有较多的裂缝、严重漏风，影响到焙烧炉温度控制；火道墙内衬砖破裂或局部脱落；火道墙松动、倾斜或凹、凸起严重，有倒塌危险，如图1所示。

火道墙结构设计时，在适当地预留膨胀间隙使火道墙的热膨胀的同时保证焙烧炉的气密性减少负压损失，有利于提高产品合格率。新墙体砌成后，最好在阴凉处经过一段时间干燥处理，保证砌体的内部水分向外扩散速度与砌体表面水分蒸发速度相协调，防止温度过高过快使砌体内部水分很快汽化并产生一定压力从砌体的灰缝中冲出，使灰缝变得疏松，从而破坏砌体的严密性。所以火道墙最好在常温状态下砌筑，以保证其质量。

由于焙烧炉本身的工作炉膛尺寸的限制和工作环境，在人工砌筑时工人的劳动强度大、效率低、安全风险大以至于作业时间长，往往会影响产能。而固定式火道墙砌筑机虽然能解决上述中的大部分问题，但由于自身结构的限制还是存在效率低下的弊端。为解决这些问题，需对固定式火道墙砌筑机进行深度开发和优化设计以更好地满足焙烧炉修理需求。

图1 火道墙示意图

2 国内外现状和发展趋势

目前国内外部分大型电解铝企业为提高焙烧炉的修理效率在使用一种固定式的火道墙砌筑机，一些企业甚至没有任何火道墙预砌筑设备。固定式火道墙砌筑机由于自身特点决定一台砌筑设备只能砌筑一条火道墙，其效率底下。固定式火道墙砌筑机的结构还存在以下主要缺点：①由于设备重心偏高，设备机架复杂庞大；②设备的升降工作平台稳定性差；③火道墙吊运机构简单，吊运过程安全性差。

3 新型砌筑机的结构设计和技术改进

移动式墙体砌筑机由移动机架、地面行走机构、平台升降机构、机械分级凸轮锁扣机构、砌筑施工平台、导向轮组、整体吊运装置等组成。其工作原理是整个砌墙过程中火道墙墙体不移动，控制砌筑设备垂直或水平移动进行火道墙砌墙工作。即将整体砌筑设备设计为可移动式，砌筑人员将砌筑设备移至火道墙预存放位置，然后锁紧地面行走装置，使砌筑设备在砌此火道墙时固定不动，在对同一条火道墙进行砌筑时，上下升降施工平台进行施工，施工平台高度位置由提升机构控制，当施工完一面火道墙后，用斜拉钢丝绳固定避免倒塌，在原地干燥待用。砌筑设备水平移动至下一工位砌筑下一条火道墙。对于砌筑完毕的火道墙搬运，可以采用吊运装置将其运送至指定的位置，见图2。

3.1 设备水平方向移动稳定性方面的创新设计

移动式火道墙砌筑机总重约28吨整体高度超过8m，由于当砌筑好一条火道墙后向下一个工位移动时砌筑机的砌筑平台必须处于砌筑机的上部，以至于砌筑机整体中心相对较高，给设备水平工作时和移动稳定性带来了一系列困难，为解决这些问题新型砌筑机进行了两个创新设计。

图2 移动式火道墙预砌筑机

（1）轨道夹持锁紧装置：由于移动式火道墙砌筑的水平移动的轨道在地面上，空间不满足才类似天车轨道的导向轮装置，且行走轮和轨道之间容易滑动，需设计一个新装置。为此特别设计了轨道夹持装置，该装置由双头螺杆和两个夹具组成，可通过转动双头螺杆调节两个夹具之间的间隙，使得运行机构同轨道有效贴合，保证砌筑机水平移动行走轮不晃动。设备处于工作位时还可以调节螺杆将设备锁紧在轨道上防止设备在轨道上前后窜动［2］见图3。

图3 轨道夹持装置

（2）上部导向稳定装置：由于设备重心较高，特别是在工作平台处于顶端工作位时，砌筑人员和砌筑材料移动式会造成设备摇晃，不利于砌筑人员的安全工作。为此利用电缆滑线的工字钢作刚性支撑，在电缆滑线钢梁上加装了一个辅助稳定装置，该装置由两个导向轮和钢梁组成，该装置能有效利用已有资源防止设备上部的晃动，见图4。

图4 导向稳定装置

3.2 升降工作平台的稳定性创新设计

移动式火道墙砌筑工作平台的升降是采用的卷扬机构来实现的，由于工作平台上不但有砌筑人员还有工具和砌筑材料，为防止工作平台下滑，不但在升降轨道上设计有机械分级凸轮锁扣机构，还在卷扬机构上设计有棘轮离合锁紧装置，实现了双保险。

（1）机械分级凸轮锁扣机构：为防止人员施工平台因卷扬机构制动失灵而设计了凸轮锁扣机构，该机构由制动块、凸轮、手柄、弹簧连杆等机构组成在墙体砌筑机施工过程中，移动式墙体砌筑机施工平台升降采取分级止动设计。在工作位电气控制停止的同时，机械锁扣开始自动止动。凸轮锁扣机构结构动作原理：凸轮锁扣机构安装于升降工作台，它与机架相固定止动块构成锁紧装置。当平台上升时，凸轮碰到挡块，迫使凸轮随轴后退，凸轮在弹簧的作用下滑动，平台上升不受阻。当平台下降时，凸轮碰到挡块开始止滑。如平台还需下降，扳动凸轮手柄使凸轮离开止动块，平台顺利下行，见图5。

图5 机械分级凸轮锁扣机构

（2）棘轮防滑装置：棘轮防滑装置设计在卷扬机构上，其主要由棘轮离合器、开合手柄、扭簧等组成。其工作原理：棘轮通过轴、平键与棘轮离合器半端连接，棘轮离合器另半端与固定轴及固定座连接，该半端棘轮离合器通过手柄可延固定轴轴向移动，但不可旋转。当棘轮离合器处于啮合状态时，凸轮只能单向旋转，当棘轮离合器脱开后，凸轮可正反双向旋转。扭簧用于保持凸轮平面处于水平位置，见图6。

图6 棘轮离合防滑装置

3.3 整体火道墙固定和吊运装置创新设计

传统吊运装置主要由压板、垫板、压紧螺母、穿墙螺杆组成，如图7所示。其主要缺陷有三点：由于连接螺杆的螺纹须矩形螺纹且连接杆直径较大，在压紧和松开过程中螺帽的调节工作量大；由于螺帽压紧只能一次性调节到位，无法对火道墙吊运过程中施加压紧力，而火道墙的各耐火砖之间难免细小有间隙，所以调运过程中存在火道墙垮塌等风险，安全性能较差。而新型吊运装置完全解决上述问题。

图7 吊运装置

新型的整体火道墙吊运装置充分考虑到火道墙的重心以及吊运过程的安全性。整体火道墙吊运装置由夹板式墙体托架、吊装横梁、起吊挂钩装置、预压式珩架机构、托架锁紧挂钩装置、斜拉张紧钢索等组成。该吊运装置采用在火道墙外挂钩连接的方式降低了劳动强度。使用预压式珩架机构降低了起吊点，同时使调运过程中由于火道墙的自重一直对火道墙施加一个压紧力防止火道墙垮塌，大大提高了吊运过程的安全性［3］如图8所示。

图8 整体火道墙调运装置

其中预压式珩架机构用于起吊时靠墙体自重产生一定的预压力，使墙体与安装吊运装置成为一个整体，保证吊装的平稳性，吊运时墙体不变形。斜拉张紧钢索主要便于在墙体堆放时加固，避免产生安全因患。

4 经济效益和社会效益

移动式火道墙砌筑机工作效率，两个熟练砌筑人员一个工作日（考虑到中夜班砌筑火道墙不安全，只计算白班）能一条火道墙，新火道墙安装就位只需4小时。即一台移动式火道墙砌筑机能满足360条火道墙的更换工作，按10万吨电解铝的配套焙烧炉平均每年更换133条火道墙（焙烧炉“AP”技术设计理论计算），一台移动式火道墙砌筑机完全能满足27万吨电解铝的生产需求。

使用移动式火道墙砌筑机，不但能效避免工人在线修理火道墙的安全风险且大大改善了员工的工作环境。