铝电解槽打壳气缸升降装置的设计和试用

2022-08-06王建国乔若乾高德金苏玉玺

有色设备 2022年2期

刘驰,郭彬,王建国,乔若乾,高德金,苏玉玺

(内蒙古锦联铝材有限公司,内蒙古霍林郭勒 029200)

1 设计背景

电解铝厂电解槽的加料(氧化铝)通过电解槽上部的打壳下料系统完成,一般电解槽有4～8 个下料点,每个下料点配备一套下料装置和一套打壳装置,其结构示意图如图1 所示。电解槽打壳气缸是电解槽打穿下料点壳面的气动设备,铝电解槽在正常生产中,由于槽内外温差的原因,910～970 ℃熔融的电解质液面上会形成一层坚硬的电解质壳面,必须把该层壳面打穿,才能保证氧化铝进入槽内。打壳气缸用铰接头与打壳锤头相连,打壳锤头利用打壳气缸的动力,打穿电解质壳面,保证氧化铝从打壳的壳面中进入电解槽内。打壳锤头在工作时会进入熔融电解质熔液内,使打壳锤头不断地磨损、熔化,必须定期更换打壳锤头。由于槽上部是高温、强磁、高粉尘环境,更换锤头工作环境恶劣,劳动强度大。

图1 电解槽内部结构示意图

正常生产电解槽打击头粘包(俗称壳头包)是国内电解铝厂的生产难题,打壳锤头长壳头包与无粘包壳头的对比图如图2、图3 所示。壳头包对生产产生危害,不仅影响打壳下料,引发效应,还磨损下料点处的阳极,造成阳极使用周期缩短。工人处理壳头包的过程中,需用兑子人工敲打,费时费力,被打碎的壳头包会掉入下料点,容易造成下料点电解质发粘,但30 min 左右锤头又会粘包,周而复始容易造成槽况波动及操作人员劳动强度增加[1]。

图2 不粘包锤头

图3 粘包锤头

资料显示,打击头打击进入熔融电解质内深度过深是壳头包产生的主要原因之一[2]。如果设计出可调节打击头深度的装置,既能延长打击头的使用寿命,也能减少壳头包的产生。

2 普通槽上部打壳装置存在的问题

2.1 锤头消耗

在打壳锤头工作过程中,随着使用时间的增加,其磨损会越来越大,锤头变细、变短,直至锤头打击的深度和孔径偏小,导致锤头无法正常使用,此时必须更换。而在锤头更换时,需整体将打壳气缸和锤头吊出,操作过程繁琐。国内电解槽槽上部常用打壳锤头使用周期通常在6 个月至1 年不等,锤头长度大约在350～450 mm 之间。针对槽上部打壳气缸维修周期较长而言,降低打壳锤头的更换频率也是减少槽上部维修次数的关键因素之一[3]。

2.2 打壳装置不可升降

电解铝厂打壳气缸和锤头一旦安装固定,锤头打击进入电解槽内的深度即可确定。而电解槽由于槽况不尽相同,电解槽熔体的总高度是变化的,熔体总高偏高时,打击头进入熔体深度相应会增加,壳头包产生会增加;熔体总高偏低时,打击头进入熔体深度会降低,下料点会打不开或开孔不到位,造成下料点积料。另外新换的打壳锤头由于没有磨损,打击深度也会较正常的深些。

3 打壳气缸升降装置的设计及工作原理

3.1 设计思路

为减少壳头包的产生,考虑将打壳气缸安装在一个气缸升降装置上(做好绝缘处理的前提下,后面会提到),通过该升降装置来调整打壳气缸的空间下止点,既可以实现打壳下料的目的,又能控制壳头包的产生。将打壳锤头和锤杆整体加长,可在使用可靠质量的锤头前提下,通过降低打壳气缸的空间下止点来实现磨短锤头的不足,提高锤头有效长度的利用率,从而降低锤头的更换频率[2]。

3.2 装置结构

如图4 所示为打壳气缸的升降装置(首次设计试验装置)示意图,该装置结构包括气缸固定架、升降丝杠及丝母、固定轴承、气缸钟摆轴固定架及相关紧固螺栓等零部件。

3.3 安装

将气缸固定架合理安装并固定在电解槽上部承重部位,安装位置如图4 所示,通过螺栓进行紧固并锁紧,防止装置机构松动(图4 中序号9 处安装绝缘套)。将打壳气缸钟摆轴安装至气缸钟摆轴座位置,紧固气缸钟摆轴锁紧螺栓。

图4 打壳气缸升降装置结构原理示意图(初代)

3.4 工作原理及操作

(1)工作原理

此装置工作原理是将丝杠的旋转运动转变为升降架的直线运动,由于装置升降架和打壳气缸固定在一起,随着丝杠的旋转运动带动装置升降架上下行运动,从而带动气缸的升降运动[4]。

(2)操作步骤

将升降丝杠锁紧螺母松开,用扳手调整升丝杠,使打壳气缸下部铰接锤头悬至合适位置,手动打壳气缸动作,试验锤头的打击深度,直至打壳深度合理,锁紧升降丝杠螺母,调整完毕。

4 试用效果及缺点

经过某厂12 台电解槽上三个月的试用,发现该装置能满足正常生产需求,表1 为试验槽(1 台)和对比槽(1 台)的分析统计。从表1 可以看出,夜班壳头包数量大于中班,中班壳头包数量大于白班。白班最少,这与夜班(0:00—8:00)工作时间段有关,此时段员工容易犯困,对电解槽的检查和维护比白班差,中班(16:00—24:00)也受影响。总体计算来看,与对比槽相比,壳头包发生的概率降低了44%以上,磨短的锤头通过调整升降丝杠的方式得到长度补充,也减少了更换频次,目前已经延长了2个月,预计还会延长使用3 个月以上。

表1 试验槽和对比槽壳头包对比

但因结构设计未考虑下端摆动和人工调整丝杠的缺陷,调整气缸升降需要较多人工干预,增加了维修人员上槽调节的劳动强度,考虑现代电解铝生产工艺及打壳气缸的基本配置数量,目前暂不适合大规模推广,需要进一步改进。

5 改进设想

当打击头打击的深度需要调节时,无需人工用扳手调节,直接使用自动控制,即减少人工干预,使其通过一些控制程序和元件的控制能够自动调节,实现气缸及锤头的升降控制。

针对前期的使用效果评估,考虑加强其主体结构,对装置的易疲劳损坏的部位进行加固设计,将单升降丝杠改为双丝杠,增加其调节可靠性和精确度。

6 改进装置结构

如图5 所示为打壳气缸的改进升降装置,该装置除图4 设计装置外,新增升降限位、动力单元(气动马达),由单升降丝杠改为双升降丝杠,底部增设固定架。

图5 打壳气缸升降装置结构原理示意图(改进后)

7 改进后的工作及控制方式

目前,电解槽的打壳系统是通过槽控机和电磁阀完成的。预计将该装置的控制系统接入槽控机,槽控机接收锤头进入电解质的反馈信号,即只要槽控机检测不到相关信号,就由槽控机发出控制信号控制电磁阀动作,压缩空气驱动气动马达动作。为避免元件损坏,超行程无法控制,选用双限位控制方式,即上下工作限位和上下极限限位。当下工作限位动作时,槽控机接到回升指令,控制机构回到上工作限位,装置停止上行。上下极限限位是避免超行程动作致装置损坏。