STAS 公司開(kāi)發(fā)的真空抬包/虹吸管(吸鋁管)清理機(jī)

□韓 濤

在鋁冶煉廠，當(dāng)電解槽中的鋁液達(dá)到一定量時(shí)，就需要在負(fù)壓作用下，通過(guò)吸鋁管將電解槽中的鋁液吸入真空抬包中，然后用專用的鋁液運(yùn)輸車將盛裝了鋁液的真空抬包送到鑄造車間，再將鋁液轉(zhuǎn)注到熔煉爐或保溫爐中進(jìn)一步加工成重熔鋁錠、扁錠或鑄軋板。為了將鋁液轉(zhuǎn)注過(guò)程的鋁液氧化減小到最小程度，向熔煉爐或保溫爐中轉(zhuǎn)注鋁液時(shí)要使用虹吸管。當(dāng)真空抬包、吸鋁管和虹吸管使用幾次后，由于在真空抬包內(nèi)襯和底部、出鋁管和虹吸管內(nèi)壁沉積了電解質(zhì)和金屬鋁，使得真空抬包容量減小、自重增大;吸鋁管和虹吸管的內(nèi)徑變小，影響正常的出鋁和鋁液轉(zhuǎn)注速度，因此就必須定期對(duì)它們進(jìn)行清理，以除去沉積在真空抬包內(nèi)襯和底部以及虹吸管與出鋁管內(nèi)的電解質(zhì)和金屬鋁，從而恢復(fù)真空抬包的容量和自重以及虹吸管/出鋁管的內(nèi)徑，確保出鋁、鋁液運(yùn)送和轉(zhuǎn)注工序的順利完成。真空抬包(出鋁管)和虹吸管的使用原理見(jiàn)圖1 和圖2。

圖1 真空抬包裝配圖

一、目前的真空抬包、虹吸管和出鋁管的清理方法以及存在的缺點(diǎn)

目前，國(guó)內(nèi)電解鋁企業(yè)對(duì)真空抬包、虹吸管和出鋁管的清理與維護(hù)大多采用人工清理，其缺點(diǎn)如下:第一，勞動(dòng)強(qiáng)度大，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。清理一臺(tái)真空抬包(以容量5t 真空抬包為例)，需要清理人員2 名，耗時(shí)約6h，另外還需要一名起重工配合操作。對(duì)于吸鋁管和虹吸管，由于是多節(jié)組裝而成，且每一節(jié)的長(zhǎng)度均在1m 左右或大于1m，由于其內(nèi)徑較小，加之內(nèi)壁粘附了大量的電解質(zhì)和金屬鋁，僅靠人工和簡(jiǎn)單的鋼釬和鑿子等手工工具，難度很大，有時(shí)清理一根管子大約需要4h;第二，對(duì)于剛剛退出運(yùn)行的熾熱真空抬包，由于高溫?zé)彷椛?，清理人員不能立即進(jìn)行清理，需等待抬包耐火材料降低至室溫才能進(jìn)行清理，如若鋁電解生產(chǎn)急需使用，就會(huì)延誤生產(chǎn);第三，由于鋼釬、鑿子或風(fēng)動(dòng)工具操作的不穩(wěn)定性，在清理過(guò)程中很可能對(duì)真空抬包耐火材料內(nèi)襯和虹吸管/吸鋁管鑄鐵材質(zhì)造成人為損傷，嚴(yán)重時(shí)可能造成吸鋁管/虹吸管局部報(bào)廢或耐火材料內(nèi)襯脫落，導(dǎo)致內(nèi)火材料內(nèi)襯的重砌或部分虹吸管/出鋁管更換;第四，清理造成的人工和耗時(shí)，增加了生產(chǎn)成本;第五，清理時(shí)由于操作人員暴露于高溫和電解質(zhì)、耐火材料粉塵和高分貝的噪聲之中，可能會(huì)對(duì)長(zhǎng)期操作的清理人員身體健康造成影響;第六，人工清理出現(xiàn)人員碰傷、砸傷的可能性較大，存在安全隱患。

圖2 虹吸管使用原理圖

二、STAS 公司的真空抬包清理機(jī)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多企業(yè)均以一種鋁電解輔助設(shè)備的形式研究開(kāi)發(fā)真空抬包和虹吸管/吸鋁管清理設(shè)備，且取得了可喜的成效，也在一定程度上減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了清理時(shí)間并改善了操作人員的工作環(huán)境和安全狀況。然而，由于設(shè)備性能的不完善性，尚未實(shí)現(xiàn)集冷、熱抬包和虹吸管/吸鋁管清理與加熱于一體的集成操作。STAS 公司研究開(kāi)發(fā)的真空抬包、虹吸管和出鋁管清理機(jī)實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。STAS 公司真空抬包清理機(jī)的外觀如圖3所示。

圖3 STAS 公司開(kāi)發(fā)的真空抬包清理機(jī)外觀照片

(一)STAS 公司真空抬包、虹吸管和出鋁管清理機(jī)的基本構(gòu)成。STAS 公司開(kāi)發(fā)的真空抬包、虹吸管和出鋁管清理機(jī)主要由下列部分構(gòu)成:清理機(jī)底座;鉆孔機(jī)液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng);電氣系統(tǒng);自動(dòng)操作系統(tǒng);可編程邏輯控制器(PLC);帶吸塵罩的傾斜平臺(tái)。

1．清理機(jī)的底座。清理機(jī)的框架是運(yùn)輸分流并確保清理機(jī)穩(wěn)定性的部件，見(jiàn)圖4。

圖4 熱冷抬包清理機(jī)運(yùn)輸模塊和清理2．螺旋鉆的底座

2．運(yùn)輸模塊和清理鉆孔機(jī)。框架是一個(gè)保持溜板箱在導(dǎo)軌上移動(dòng)的堅(jiān)固結(jié)構(gòu)。在支撐溜板箱的框架兩側(cè)，有一個(gè)上導(dǎo)軌和一個(gè)下導(dǎo)軌。輪子精確移動(dòng)以提供最好的可行清理位置。需要時(shí)，可以很容易地更換導(dǎo)軌。根據(jù)必須要清理的特定抬包，運(yùn)輸模塊由一個(gè)裝備有兩個(gè)工廠規(guī)模螺旋鉆的主馬達(dá)組成。在每個(gè)螺旋鉆的后面，安裝了偏轉(zhuǎn)板，為的是從抬包中除去破碎的材料并直接將它們送入一個(gè)溜槽。

3．螺旋鉆液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)。螺旋鉆(或清理頭)旋轉(zhuǎn)是通過(guò)一個(gè)重型斜齒輪裝置激活的，是由一個(gè)高速低扭矩工業(yè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的。最終的旋轉(zhuǎn)速度大約為7 轉(zhuǎn)/分鐘。

4．電氣系統(tǒng)。為了確保安全操作并便于維護(hù)，子系統(tǒng)安裝在清理機(jī)的周圍。出于同樣的原因，還需要附件如檢測(cè)器、制動(dòng)器、接線盒、按鈕站和電纜托盤。

5．自動(dòng)操作系統(tǒng)。自動(dòng)化系統(tǒng)照料著抬包在傾斜臺(tái)上檢測(cè)瞬間和抬包返回水平位置瞬間之間的抬包清理過(guò)程操作，因而提供完全自動(dòng)化和最佳化的抬包清理。清理頭的水平速度取決于閉環(huán)控制，確保隨時(shí)最佳的清理效率。輸入變量是施加于清理頭上的反應(yīng)扭矩。過(guò)程變量是溜板箱的速度，根據(jù)清理頭在抬包中的位置，設(shè)定點(diǎn)需要載體的速度。

6．可編程邏輯控制器(PLC)。自動(dòng)化系統(tǒng)需要一個(gè)必須遵循所有順序和組合邏輯的工業(yè)控制器，以照顧一個(gè)抬包的整個(gè)清理周期。控制器通過(guò)一個(gè)眾所周知的帶安裝了設(shè)備的工廠2 級(jí)系統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)允許通訊。在監(jiān)控控制系統(tǒng)的控制器儲(chǔ)存器中，包含主要操作變量和報(bào)警器的交換平臺(tái)是程序化的。

7．帶吸塵罩的傾斜平臺(tái)。一旦臟抬包的清理過(guò)程發(fā)生，在清理頭的前方，適當(dāng)傾斜抬包。這種方式，通過(guò)螺絲鉆的旋轉(zhuǎn)僅僅把殘留物和灰塵吸出抬包至位于清理機(jī)下方的殘留物容器中。

傾斜臺(tái)(圖5)用于把每個(gè)傾斜到位。在清理機(jī)的端部有一個(gè)允許兩種不同類型抬包的傾斜臺(tái)。通常，一個(gè)傾斜臺(tái)專門用于清理金屬抬包，而另一個(gè)則專用于電解質(zhì)抬包。

圖5 傾斜臺(tái)

在雙頭清理機(jī)情況下，需要兩個(gè)傾斜平臺(tái)(一個(gè)清理抬包類)，要清理的抬包放置在對(duì)應(yīng)的平臺(tái)上。將抬包鎖定到位，傾斜平臺(tái)進(jìn)行清理操作。抬包鎖緊在平臺(tái)上，平臺(tái)傾斜，平臺(tái)鎖緊在工作位置，使用液壓缸使運(yùn)輸模塊產(chǎn)生位移。

設(shè)計(jì)冷熱抬包清理機(jī)是為了清理15t 大的抬包，如果需要的話，甚至可以更大。

吸塵罩戰(zhàn)略定位于清理頭和抬包開(kāi)口的上方。吸塵罩裝有利于抽氣均勻分布和所產(chǎn)生粉塵有效排泄的插槽機(jī)，插槽機(jī)在降低噪音方面發(fā)揮著重要作用?；谶@些原因，吸塵罩必須盡可能緊密地適合真空抬包法蘭。

冷熱抬包清理機(jī)設(shè)計(jì)不斷強(qiáng)調(diào)堅(jiān)固性、質(zhì)量和部件的可靠性以及易于維護(hù)的特性。設(shè)備的功能與特點(diǎn)包括:一是在市場(chǎng)上可用的設(shè)備中，其清理速度是最快的，每個(gè)抬包的清理時(shí)間少于20min;二是設(shè)備非常靈活，能夠清理任何溫度下的所有類型的抬包;三是處理新工廠的所有抬包并且對(duì)于進(jìn)一步擴(kuò)產(chǎn)仍然有理想的利潤(rùn)空間;四是清理頭的精確控制和結(jié)構(gòu)剛性增加了真空抬包耐火材料的壽命;五是避免了操作者對(duì)粉塵、熾熱顆粒和噪聲的直接暴露;六是計(jì)算機(jī)控制:具有專利、適度超前的旋轉(zhuǎn)刀頭;七是全自動(dòng)操作:在清理操作過(guò)程中不需要操作者;八是安裝成本低;九是操作和維護(hù)成本低。圖6 和圖7 顯示了抬包清理機(jī)的預(yù)期效果。

圖6 臟抬包

圖7 清理后的抬包

(二)抬包預(yù)熱器和干燥器。在返回運(yùn)行之前，金屬和電解質(zhì)抬包定期用耐火材料重新砌筑內(nèi)襯。這些內(nèi)襯安全干燥和預(yù)熱很重要。STAS 公司已經(jīng)設(shè)計(jì)并商業(yè)化了一種電預(yù)熱和干燥系統(tǒng)。使用此合成工藝意味著在整個(gè)加熱周期中，能源成本有相當(dāng)大的減少，從而確保第一次液態(tài)金屬注入之前均勻的熱量分布。這種加熱干燥方式不產(chǎn)生污染物并且?guī)缀鯖](méi)有噪音。

出于安全考慮，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控并報(bào)告每個(gè)抬包的加熱狀況。

圖8 金屬抬包預(yù)熱器和干燥器

基本設(shè)備主要由以下模塊組成:真空抬包蓋提升裝置、旋轉(zhuǎn)臂起重機(jī)、加熱蓋、配電盤和控制站。

1．提升裝置。憑借起重機(jī)加熱蓋上下移動(dòng)。關(guān)于這種裝置的使用，尤其是在懸浮載荷下車輛的流通，許多工廠都有嚴(yán)格的規(guī)定。為此，高估起重機(jī)以確保抬包蓋子下方的安全循環(huán)。起重機(jī)上的載荷(加熱蓋)是永久連接的，從而消除了處理風(fēng)險(xiǎn)。

2．旋臂起重機(jī)。為了提高生產(chǎn)率，旋臂起重機(jī)容許兩個(gè)抬包加熱。當(dāng)一個(gè)抬包加熱時(shí)，另一個(gè)抬包可以在第二個(gè)站點(diǎn)定位做好準(zhǔn)備。

3．加熱系統(tǒng)(蓋子)。加熱蓋設(shè)計(jì)適合抬包的形狀。其整個(gè)內(nèi)表面用陶瓷纖維棉隔熱。陶瓷纖維棉經(jīng)過(guò)壓縮并用STAS 公司開(kāi)發(fā)的特殊錨固系統(tǒng)捆扎在包蓋架上。加熱器受到重型構(gòu)架的保護(hù)，重型構(gòu)架好充當(dāng)著降低包蓋進(jìn)入抬包的導(dǎo)向。為了滿足客戶需求，設(shè)計(jì)了加熱功率。

4．配電盤和控制站。加熱控制系統(tǒng)是一臺(tái)程序化了的操縱溫度模塊的接觸器的可編程溫度控制器。這樣做是根據(jù)溫度設(shè)定點(diǎn)和使用高、低限死區(qū)。

位于蓋子上并指向抬包底部的熱電偶讀取過(guò)程溫度并將讀數(shù)重新發(fā)送給溫度顯示。

加熱元件受到一個(gè)高溫限制控制器的保護(hù)免受過(guò)度加熱。這個(gè)控制器由另一個(gè)也位于蓋子上的熱電偶讀取溫度，但是它指向加熱元件。

指示燈、按鈕、溫度顯示、繼電器、定時(shí)器和其他配件均安裝在控制盤上。轉(zhuǎn)換式起動(dòng)器、主接觸器、可控硅電源控制器、控制變壓器和主隔離開(kāi)關(guān)放置在配電盤上，而起重機(jī)啟動(dòng)器則放置在起重機(jī)自身上。加熱元件和熱電偶安裝在加熱蓋上。

設(shè)備的功能與優(yōu)點(diǎn)包括:一是可以用于抬包的固化和預(yù)熱;二是低操作、維護(hù)和投資成本;三是自動(dòng)操作:沒(méi)有專門的操作者;四是沒(méi)有污染物和噪聲;五是減少了能源費(fèi)用;六是更好的溫度控制，避免冷點(diǎn)和熱沖擊;七是安全監(jiān)控與報(bào)告狀況。

三、STAS 公司的吸鋁管和虹吸管清理機(jī)

圖9 吸鋁管清理機(jī)

(一)吸鋁管清理機(jī)。要除去累積在管子內(nèi)的殘留物，必須清理吸鋁管。STAS 公司花費(fèi)了許多精力，通過(guò)開(kāi)發(fā)市場(chǎng)上有效的更強(qiáng)大的管子清理機(jī)來(lái)完成其產(chǎn)品系列。這種管子清理機(jī)包括一個(gè)通過(guò)變量驅(qū)動(dòng)控制器用功率控制的電力驅(qū)動(dòng)清理工具。優(yōu)化旋轉(zhuǎn)速度為管子尺寸以及障礙物程度和類型的函數(shù)。

管子清理機(jī)由通風(fēng)隔音箱、內(nèi)部的管子錠尾和保持裝置和一個(gè)具有旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換功能的清理模塊組成。吸鋁管夾緊在箱子中，行駛系統(tǒng)在吸鋁管內(nèi)移動(dòng)清理頭。

管子清理機(jī)是為堅(jiān)固性和方便維修而設(shè)計(jì)的，使用了高質(zhì)量和可靠的部件。設(shè)備的功能與優(yōu)點(diǎn)包括:一是管子清理機(jī)可以清理用電解質(zhì)堵塞的吸鋁管或局部被電解質(zhì)和金屬鋁混合堵塞的吸鋁管;二是消除了操作者暴露于粉塵、熾熱顆粒和噪聲的可能;三是真正安全的清理機(jī);四是管子清理機(jī)清理頭的旋轉(zhuǎn)和模塊的轉(zhuǎn)換是由電力驅(qū)動(dòng)和控制的。

(二)虹吸管清理機(jī)。累積在內(nèi)壁的浮渣和鋁的沉積物需要定期清理，以保持管子開(kāi)口無(wú)障礙物。用傳統(tǒng)方法清理管子很危險(xiǎn):通常清理頭和軟管使用手工在管子里推擠，操作者可能與熾熱的虹吸管和旋轉(zhuǎn)頭接觸。STAS 公司虹吸管清理機(jī)提高了安全水平。

圖10 虹吸管清理機(jī)

STAS 公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了半自動(dòng)化或自動(dòng)啟動(dòng)鉸刀，這種鉸刀可以安裝在電解車間或鄰近的建筑物中。它可以在幾分鐘內(nèi)快速清理直管或彎管。由于極其快速的清理動(dòng)作，現(xiàn)在，在管子每次吸鋁操作之前清理管子，從而大大延長(zhǎng)吸鋁管/虹吸管的壽命。

圖11 虹吸管預(yù)熱站

當(dāng)抬包蓋在抬包上、在支架上(附在包蓋上)或與包蓋分離時(shí)，STAS 公司設(shè)計(jì)虹吸管清理機(jī)都可以清理管子。當(dāng)包蓋在抬包上時(shí)，具有節(jié)約時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)椴恍枰鸪茏樱瑥亩岣呱a(chǎn)效率。

設(shè)備的特點(diǎn)與功能包括:一是清理熾熱的虹吸管/吸鋁管，如果需要的話，同時(shí)附著在抬包上;二是適應(yīng)不同尺寸和形狀的管子;三是根據(jù)管子內(nèi)壁的輪廓挖展;四是可以利用固定的或移動(dòng)裝置;五是避免操作者暴露于粉塵、熾熱材料和噪聲;六是清理比現(xiàn)有方法更快;七是不用電(避免了電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)問(wèn)題);八是對(duì)于自動(dòng)操作，操作者只需要把管子安裝和固定在其支架上，夾緊并開(kāi)始自動(dòng)循環(huán)。

(三)虹吸管預(yù)熱系統(tǒng)。虹吸管是用來(lái)將鋁液由抬包中轉(zhuǎn)注入熔煉爐/保溫爐中的。在清理操作后和將虹吸管放入熔煉/保溫爐之前，虹吸管/吸鋁管需要預(yù)熱，這可以用虹吸管預(yù)熱站來(lái)完成，在承擔(dān)任務(wù)以前，一臺(tái)電動(dòng)機(jī)械用來(lái)預(yù)熱虹吸管。

虹吸管預(yù)熱站由以下部件組成:虹吸管支架，一個(gè)可以安裝兩根管子的鋼結(jié)構(gòu)。兩個(gè)位置都裝備有積塵系統(tǒng)?？梢酝瑫r(shí)預(yù)熱兩根虹吸管。

鼓風(fēng)機(jī)/加熱器總成，安裝在虹吸管支架的下方并提供加熱功率。

集熱器系統(tǒng)(配電箱、出入口、柔性連接、夾鉗)，旨在連接虹吸管與鼓風(fēng)機(jī)/加熱器總成。它也允許加熱的空氣在虹吸管內(nèi)流通。一個(gè)平臺(tái)準(zhǔn)許出入連接虹吸管的出口。

手動(dòng)集塵器傳輸門，安裝在虹吸管的出口，可清除預(yù)熱開(kāi)始時(shí)出現(xiàn)在虹吸管中的粉塵。這個(gè)箱子必須連接到工廠的集塵器中。

控制系統(tǒng)，包括一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制盤(帶信號(hào)燈、按鈕、溫度顯示和警報(bào)閃光燈)、配電盤(加熱接觸器、控制變壓器和主隔離開(kāi)關(guān))和一個(gè)安裝在鼓風(fēng)機(jī)/加熱器單元法蘭上的加熱器熱電偶、安裝在鼓風(fēng)機(jī)/加熱器總成出口和入口中的過(guò)程熱電偶。

可編程邏輯控制器也是清理機(jī)的一部分，主要用于所要求信息的傳輸(操作狀態(tài)、操作消失的累計(jì)數(shù)，等等)到級(jí)別2。

四、結(jié)語(yǔ)

本文所描述的設(shè)備是一個(gè)抬包和虹吸管/吸鋁管清理與維護(hù)的穩(wěn)健而完全集成的解決方案。STAS 公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了此項(xiàng)技術(shù)用集成控制系統(tǒng)來(lái)同時(shí)或分別操作。

最近幾年，這些技術(shù)的效率和可靠性已經(jīng)以用戶的滿意得到證明，如加拿大的云雀鋁業(yè)公司、莫桑比克的莫扎爾鋁廠、巴林王國(guó)的巴林鋁業(yè)公司、加拿大的阿爾瑪?shù)募幽么箐X業(yè)公司、阿曼蘇丹國(guó)的蘇哈爾鋁業(yè)公司、俄羅斯的俄鋁泰舍特和博古恰內(nèi);最近更多，交付給客戶的像阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)的阿聯(lián)酋鋁業(yè)公司、印度的吠檀多鋁業(yè)公司。值得一提的是，在某些情況下，設(shè)備的高清理率能夠通過(guò)擴(kuò)產(chǎn)或電流強(qiáng)化使用更多的生產(chǎn)，意味著更好的投資回報(bào)或不需要投資第二臺(tái)清理機(jī)。

STAS 公司清理技術(shù)的精度也轉(zhuǎn)化為較少的耐火材料更換成本，清理熱抬包以及冷抬包的可能性導(dǎo)致了能源和時(shí)間回報(bào)。它還避免了操作人員暴露于粉塵和噪聲并提供了高度的靈活性(電解質(zhì)或金屬鋁清理、單一或雙重清理頭、不同尺寸的抬包，等等)。

最后，在抬包到位之后，它是市場(chǎng)上唯一不涉及操作者處理的清理系統(tǒng)。