生陽極炭塊編組機組的探討

劉兵

生陽極炭塊編組機組的探討

劉兵

(貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，貴州貴陽550081)

通過對生陽極炭塊編組機組發(fā)展歷程的追蹤，闡述了各階段生陽極炭塊編組機組的基本組成、順序及對影響該機組適應性的關(guān)鍵設(shè)備的創(chuàng)新。

生陽極炭塊;炭塊編組;編組機組設(shè)計

0 引言

在電解鋁行業(yè)中，陽極擔當著非常重要的角色。最初焙燒爐內(nèi)生陽極炭塊采用臥式的放置方式，由焙燒天車將放置在爐間輸送機上的炭塊夾持放入焙燒爐內(nèi);炭塊焙燒好后，再由焙燒天車將炭塊夾出焙燒爐放在爐間輸送機上。20世紀90年代末，隨著焙燒爐內(nèi)生陽極炭塊由臥裝改為豎裝，誕生了地面編解組機組。該生產(chǎn)線是豎裝陽極焙燒爐生產(chǎn)作業(yè)所需的專有大型機組，1997年由GAMI開發(fā)設(shè)計完成了地面編解組機組，具有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，國產(chǎn)化率達到100%。用于國內(nèi)幾乎所有的新建陽極焙燒系統(tǒng)和改造工程，其中有:貴州鋁廠、白銀鋁廠、青海鋁廠、青銅峽鋁廠等工程。并由于在貴州鋁廠項目中的初次成功運用，獲得1999年度有色金屬建設(shè)協(xié)會首次優(yōu)秀非標準設(shè)備設(shè)計創(chuàng)新二等獎。

生陽極炭塊編組機組為了適應炭塊轉(zhuǎn)運倉庫存儲的需要發(fā)生了革命性的變化，其具體表現(xiàn)在炭塊出倉庫的方式由縱向輸送變?yōu)闄M向輸送。

1 生陽極炭塊編組機組的設(shè)計

生陽極炭塊編組機組是對來自炭塊倉庫的生陽極炭塊進行編組操作，完成兩組陽極炭塊(7塊/組)豎裝編組。編組生產(chǎn)工藝原理見圖1。

生陽極炭塊編組機組中相關(guān)設(shè)備的中心距與焙燒多功能機組中雙聯(lián)夾具中心間距保持一致，從而配合了焙燒多功能機組的雙聯(lián)夾具的高效運行，一次操作可夾取14塊陽極塊，從而減少了焙燒多功能機組的雙聯(lián)夾具重復運行的操作時間，提高了陽極塊對爐室的定位精度，大大減少了爐口面的破損。

生陽極炭塊編組機組中，采用了步進輸送編組方式，從而縮短了陽極塊直立后的物料流程，提高了工作效率，同時減少了陽極塊傾翻的可能，完成兩組陽極炭塊的編組時間≤10 min，提高了工作效率，完全滿足新型陽極焙燒系統(tǒng)高效節(jié)能的生產(chǎn)工藝要求。

采用了先進的控制技術(shù)，整個機組通過PLC可編程控制器，可在全自動的狀態(tài)下穩(wěn)定運行，同時便于故障的查找和排除;對于炭塊在整個操作過程中的定位問題，采用“三合一”電機驅(qū)動和液壓傳動相結(jié)合的方式，提高了操作定位的精度。

該機組是一條生產(chǎn)線，是由鏈式輸送機、輥式輸送機、推料機1#、推料機2#、水平回轉(zhuǎn)臺、垂直翻轉(zhuǎn)裝置、步進機、液壓系統(tǒng)等組成，其工藝配置見圖2。這種配置的生陽極炭塊編組機組是為了適應長方向輸送炭塊而設(shè)置的。當時碳素廠的產(chǎn)能比較小，所以在18 m寬跨度的炭塊倉庫中陽極炭塊是縱向10塊堆存，每臺鏈式輸送機的長度與廠房的寬度相同，這樣每次可將10塊炭塊放在鏈式輸送機上。在這些設(shè)備中生陽極炭塊輸送機(鏈式和輥式)、水平回轉(zhuǎn)臺和垂直翻轉(zhuǎn)裝置是由電機驅(qū)動，推料機1#、推料機2#和步進移動臺車是由液壓缸推動。

圖2 生陽極炭塊編組機組(原)Fig.2 Green Anode Carbon Block Organizing Unit(Original)

此生陽極炭塊編組機組的動作順序如下:當倉庫內(nèi)鏈式輸送機(一)，鏈式輸送機(二)和鏈式輸送機(三)(一般情況下，炭塊倉庫有三跨廠房)上無炭塊時，發(fā)出報警信號(蜂鳴及信號指示)，通知倉庫內(nèi)堆垛天車操作人員及時夾放生陽極炭塊組(十塊/組)，待三臺輸送機上放入炭塊后輸送機處于等待狀態(tài)。

當編組機組啟動后，鏈式輸送機(一)運行，炭塊組運行至輥式輸送機前時，啟動編組機組中的輥式輸送機，通過PLC的控制，炭塊被間斷輸送進入編組機組。當鏈式輸送機(一)上最后一塊炭塊離開后，鏈式輸送機(二)運行，炭塊組通過鏈式輸送機(一)，運行至輥式輸送機前，再通過PLC的控制，炭塊被間斷輸送進入編組機組。同理鏈式輸送機(三)。當三個炭塊組的最后一塊炭塊進入輥式輸送機后，三條鏈式輸送機的電機停止運行，同時發(fā)出信號，通知倉庫內(nèi)堆垛天車操作人員及時夾放炭塊組。

當炭塊到達輥式輸送機末端，1#推料裝置油缸動作，將輥式輸送機上的炭塊推至水平回轉(zhuǎn)臺上，油缸到位后即返回。當水平回轉(zhuǎn)臺上檢測到有炭塊后，水平回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)90°后停止，則2#推料裝置油缸動作，將炭塊推至入口平臺處，并將垂直翻轉(zhuǎn)裝置中已翻轉(zhuǎn)好的炭塊推入步進機入口端，垂直翻轉(zhuǎn)裝置電機啟動，垂直翻轉(zhuǎn)裝置作±90°旋轉(zhuǎn)到位后停止。

當垂直翻轉(zhuǎn)裝置中已翻轉(zhuǎn)好的炭塊被推入步進機到位后，步進機升降油缸伸出，活動軌道上升，然后軌道水平移動油缸動作，活動軌道水平前進，到位后，升降油缸縮回，軌道下降到位，水平移動油缸返回到位。按上述動作循環(huán)操作7次，直到步進移動臺車末端有炭塊，即完成7塊炭塊的豎裝編組操作。

當完成一組炭塊的編組操作后，步進機橫向移動油缸前進，該線入口端移至垂直翻轉(zhuǎn)裝置出口處，完成相同的操作步驟，此時該線編組操作完成。整個生塊編組生產(chǎn)線操作全部停止，同時發(fā)出報警信號，通知焙燒多功能機組夾取兩組共14塊炭塊。當焙燒多功能機組進入編組區(qū)內(nèi)夾取炭塊時，焙燒多功能機組端梁上安裝的感應開關(guān)與焙燒廠房內(nèi)天車軌道上安裝的感應開關(guān)(由焙燒多功能機組配帶)對位復合后，地面編組設(shè)備不能進行操作;待焙燒多功能機組離開后，感應開關(guān)解除對位，生陽極炭塊編組機組設(shè)備方可運行。

2 生陽極炭塊編組機組的發(fā)展

隨著碳素廠產(chǎn)能的不斷擴大，要求相同的炭塊倉庫中可以擺放更多的陽極炭塊，因此炭塊的擺放方式也發(fā)生了革命性的變化。即將縱向擺放的炭塊旋轉(zhuǎn)90°變?yōu)闄M向擺放，這樣在18 m寬跨度的范圍內(nèi)，擺放的炭塊就由10塊變成了18～21塊，庫容量增大了許多。所以生陽極炭塊編組機組的配置也相應發(fā)生了一些變化，見圖3。

圖3 生陽極炭塊編組機組(改進后)Fig.3 Green Anode Carbon Block Organizing Unit(Improved)

在圖3的配置之中由于陽極炭塊是橫向輸送過來的，因此取消了水平回轉(zhuǎn)臺這個設(shè)備，而把垂直翻轉(zhuǎn)裝置入口處進行了一些變動來適應這個配置上的變化。

由于近幾年隨著電解鋁廠產(chǎn)能的不斷擴大，有很多電解鋁廠的各個車間是在不同時期建成的，其電解槽的規(guī)格也不盡相同，也因此造成所需陽極炭塊的尺寸各不相同。所以作為焙燒車間主要設(shè)備的生陽極炭塊編組機組就要適應這種變化，即要從滿足單一尺寸規(guī)格炭塊到滿足多規(guī)格尺寸炭塊需求。

根據(jù)不斷的發(fā)展形勢，我們對生陽極炭塊編組機組的配置進行了一些比較大的改進，見圖4。

新機組是由鏈式輸送機、輥式輸送機、炭塊輸送機(帶十字轉(zhuǎn)向)、推料機1#、推料機2#、傾翻裝置、回轉(zhuǎn)裝置、步進機、液壓系統(tǒng)等組成。鏈式輸送機和輥式輸送機圖中沒有表示，與原配置一樣鏈式輸送機位于炭塊倉庫內(nèi)，輥式輸送機承接鏈式輸送機和炭塊輸送機。當炭塊橫向輸送到炭塊輸送機上時，其上的十字轉(zhuǎn)向裝置將炭塊旋轉(zhuǎn)90°變?yōu)榭v向擺放，當炭塊到達炭塊輸送機末端，傾翻裝置上的電機啟動，將炭塊用輥子帶到傾翻裝置的端部，傾翻裝置上的油缸動作，將炭塊傾翻變?yōu)橹绷ⅲ缓?#推料機油缸動作，將傾翻裝置上的炭塊推至回轉(zhuǎn)裝置上，接著回轉(zhuǎn)裝置上的電機啟動，回轉(zhuǎn)裝置作±90°回轉(zhuǎn)。當步進機入口端空位時，則步進機上的電機和2#推料機油缸動作，將炭塊推至步進機入口端空位，然后炭塊在步進機上的輥子的帶動下繼續(xù)前進一個工位。按上述動作循環(huán)操作7次，即完成7塊炭塊的豎裝編組操作。

圖4 新生陽極炭塊編組機組Fig.4 New Green Anode Carbon Block Organizing Unit

2.1 單體設(shè)備的改變

隨著炭塊規(guī)格的多樣化，垂直翻轉(zhuǎn)裝置已不能滿足生產(chǎn)的要求，為此設(shè)計了傾翻裝置和回轉(zhuǎn)裝置取代垂直翻轉(zhuǎn)裝置。

垂直翻轉(zhuǎn)裝置的作用是將從倉庫里輸送出來的生陽極炭塊翻轉(zhuǎn)90°，從平放(碳碗面水平)變成立放(碳碗面垂直于地面)，見圖5。由于垂直翻轉(zhuǎn)裝置本身的局限性，整個機組的輸送設(shè)備(從倉庫的鏈式輸送機到垂直翻轉(zhuǎn)裝置前的輥式輸送機)的炭塊底標高為1 750 mm，而焙燒爐內(nèi)炭塊的底標高才1 235 mm。另外由于翻轉(zhuǎn)架的尺寸一定，能放入的炭塊最大尺寸就確定了。如果炭塊長度大了，炭塊就放不進翻轉(zhuǎn)架裝炭塊的框。如果炭塊長度比翻轉(zhuǎn)架裝炭塊的框的尺寸小得比較多，當炭塊從水平翻轉(zhuǎn)到垂直的過程中，炭塊會發(fā)生滑動，炭塊的端部就會與翻轉(zhuǎn)架發(fā)生碰撞。如果碰撞經(jīng)常發(fā)生，會令設(shè)備本身造成損壞。另外此設(shè)備翻轉(zhuǎn)架的翻轉(zhuǎn)是由小齒輪和大齒圈完成的，這種尺寸下的大齒圈的價格是非常昂貴的。

圖5 垂直翻轉(zhuǎn)裝置Fig.5 Vertical Overturning Device

傾翻裝置的功能與垂直翻轉(zhuǎn)裝置的一樣，都是令炭塊從水平傾翻到垂直位置。但其結(jié)構(gòu)完全不同，傾翻裝置的炭塊翻轉(zhuǎn)工作位置見圖6。傾翻裝置主要由機架1、機架2、傾翻架、油缸以及電機減速機等組成。翻轉(zhuǎn)架與機架1鉸鏈連接;一端與油缸推頭鉸鏈連接;另一端自由，自由端可平放在機架2上;油缸與機架2上的油缸支座鉸鏈連接，活塞桿推頭與翻轉(zhuǎn)架一端鉸鏈連接。機架1和機架2固定于地面。傾翻架用于裝載炭塊，其上有輥子，輥子由電機減速機驅(qū)動，油缸的作用是帶動傾翻架傾翻90°，油缸的動力來自生陽極炭塊編組機組中的液壓站。

傾翻裝置的工作原理:初始狀態(tài)，翻轉(zhuǎn)架平放于機架2上，炭塊進入傾翻架后由電機帶動輥子將其輸送到傾翻架端部。油缸活塞桿收回，翻轉(zhuǎn)架翻轉(zhuǎn)，使炭塊立放。然后，在生陽極炭塊編組機組中的1#推料機的作用下，將炭塊推出翻轉(zhuǎn)架框架。接著，油缸活塞桿伸出，翻轉(zhuǎn)架直立翻轉(zhuǎn)回到水平狀態(tài)，完成一個工作循環(huán)。

回轉(zhuǎn)裝置的工作原理:當?shù)谝粔K炭塊被1#推料機從傾翻裝置推到回轉(zhuǎn)裝置上后，作順時針90°水平回轉(zhuǎn)，然后再由2#推料機將炭塊從回轉(zhuǎn)裝置上推到步進機上。當?shù)诙K炭塊被1#推料機從傾翻裝置推到回轉(zhuǎn)裝置上后，作逆時針90°水平回轉(zhuǎn)，然后再由2#推料機將炭塊從回轉(zhuǎn)裝置上推到步進機上?？傊畣螖?shù)塊和偶數(shù)塊是交錯排列的。這樣做的目的是為了適應炭塊的拔模斜度，炭塊正反靠在一起可以靠得很緊密，這樣焙燒多功能機組在夾取炭塊時就不會掉塊。

圖6 傾翻裝置Fig.6 Tipping Device

一般情況下，布置在炭塊轉(zhuǎn)運倉庫里的輸送設(shè)備均為鏈式輸送機，每個倉庫根據(jù)產(chǎn)能會有2～3跨，每跨布置有一臺鏈式輸送機，每臺鏈式輸送機均有一套動力裝置，包括電機，減速機，頭輪裝置，尾輪裝置及輸送鏈。因為由縱向10塊輸送變?yōu)闄M向21塊輸送，電機的功率也隨之由4 kW增大到7.5 kW。為了盡可能地節(jié)約能源，所以最新的設(shè)計是將鏈式輸送機改為炭塊擺放裝置，只供擺放炭塊，不需要動力，也取消了頭輪裝置、尾輪裝置及輸送鏈。在炭塊擺放裝置中間有一臺炭塊輸送車，每次只輸送7塊炭塊，采用軌道運輸，所以只需1.5 kW的動力就能滿足生產(chǎn)的要求。

2.2 新生陽極炭塊編組機組突出的特點

(1)能適應目前各企業(yè)生產(chǎn)的炭塊尺寸;

(2)采用新生陽極編組機組可使炭塊底標高降低515 mm，由1 750 mm變?yōu)? 235 mm，節(jié)省了大量的鋼材;

(3)布置在炭塊轉(zhuǎn)運倉庫里的鏈式輸送機全部改為炭塊擺放裝置，節(jié)省了能源和制造、維修成本。

3 結(jié)語

20多年來，預焙陽極電解槽的電流從160 kA提高到目前的500 kA，預焙陽極的長度也從1 400 mm增加到1 750 mm。通過設(shè)備的發(fā)展和創(chuàng)新盡力滿足節(jié)能降耗、降低成本的總體要求，也能適應電解鋁用陽極生產(chǎn)規(guī)模不斷提高的發(fā)展趨勢。

炭塊的規(guī)格尺寸發(fā)生變化時，無需更改機組中的設(shè)備配置，這個特性無論是對于新建項目，還是對于改造項目，技術(shù)經(jīng)濟上有積極的意義。

［1］殷恩生.160 kA中心下料預焙鋁電解槽生產(chǎn)工藝及管理［M］.長沙:中南工業(yè)大學出版社，1997.

Probe into Green Anode Carbon Block Organizing Unit

LIU Bing
(Guiyang Aluminum－Magnesium Design＆Research Institute Co.Ltd.，Guiyang 550081，China)

By unfolding the development history of green anode carbon block organizing unit，the basic constituent and sequence of each stage green anode carbon block organizing unit，and the innovation of the key equipment influencing the unit’s adaptability were expounded.

green anode carbon block;carbon block organizing;organizing unit design

TF821

A

1004－2660(2012)02－0017－05

2012－04－13.

劉兵(1973－)，男，貴州人，高級工程師.主要研究方向:非標準設(shè)備設(shè)計與研究.E－mail:13985039156@139.com