鋁用冷搗糊滾動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)研究

高軍永，吳中鼎，陳才榮，王新華

（1.貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽 550000；2.云南云鋁綠源慧邦工程技術(shù)有限公司，云南建水 654300）

鋁用冷搗糊作為一種新型環(huán)保陰極糊料，廣泛應(yīng)用于鋁電解槽的陰極扎固。相比于傳統(tǒng)的熱糊扎固，該鋁用冷搗糊具有操作溫度低、環(huán)境污染小、扎固質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。研究表明，采用冷糊扎固的鋁電解槽的平均壽命普遍高于采用熱糊扎固的[1]，但由于傳統(tǒng)人工扎固工藝的限制，無法保證鋪料與搗固質(zhì)量的均勻性。因此，研究鋁用冷搗糊新型扎固工藝對(duì)于提高槽平均壽命具有重要意義。

目前，國內(nèi)各大鋁廠對(duì)于鋁用冷搗糊的應(yīng)用大多停留在極間糊和周圍糊上，對(duì)于間隙相對(duì)較小、扎固要求相對(duì)較高的陰極炭塊鋼棒縫，相關(guān)的應(yīng)用還比較少，有關(guān)鋁用冷搗糊滾動(dòng)壓實(shí)特性的研究更是鮮有耳聞。鑒于此，為了促進(jìn)鋁用冷搗糊及其滾壓方式在陰極炭塊組裝上的全面應(yīng)用，本文將對(duì)鋁用冷搗糊進(jìn)行滾動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)，以期找尋一種壓實(shí)質(zhì)量更佳的滾動(dòng)壓實(shí)工藝，并提出規(guī)范化的滾動(dòng)壓實(shí)操作指標(biāo)。

1 滾動(dòng)壓實(shí)機(jī)理分析

1.1 滾動(dòng)壓實(shí)裝置簡(jiǎn)介

滾動(dòng)壓實(shí)裝置主要由移動(dòng)平臺(tái)、布料機(jī)構(gòu)和壓實(shí)機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。整機(jī)工作時(shí)，布料機(jī)構(gòu)通過料倉下方的旋轉(zhuǎn)下料閥、集料裝置和刮平裝置對(duì)陰極炭塊鋼棒縫進(jìn)行糊料的填充與均布，壓實(shí)機(jī)構(gòu)通過液壓缸帶動(dòng)壓實(shí)輪盤對(duì)糊料進(jìn)行恒壓碾壓，在移動(dòng)平臺(tái)的往返運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)糊料的來回鋪設(shè)與壓實(shí)。

圖1 壓實(shí)機(jī)三維示意

1.2 滾動(dòng)壓實(shí)原理分析

鋼輪工作時(shí)料層中的壓實(shí)應(yīng)力分布如圖2所示。當(dāng)鋼輪以一定的行進(jìn)速度向圖示方向進(jìn)行滾壓作業(yè)時(shí)，料面的壓應(yīng)力從鋼輪與料面的接觸點(diǎn)1開始增加，隨后逐漸達(dá)到峰值2，最終回到零點(diǎn)3。當(dāng)鋼輪從位置1行進(jìn)至位置2時(shí)，會(huì)形成如圖3所示的滾壓效果，保證了整個(gè)料層獲得均勻的壓實(shí)度。

圖2 鋼輪料層壓實(shí)應(yīng)力分布

圖3 鋼輪連續(xù)滾壓效果示意

在壓實(shí)過程中，鋼制壓實(shí)輪盤與料面之間的相互作用主要集中在垂直方向和水平方向。

1）垂直方向上。油缸的靜態(tài)壓應(yīng)力通過壓實(shí)輪盤直接作用于料面，在該靜態(tài)載荷作用下，具有級(jí)配組合的冷搗糊料層會(huì)產(chǎn)生剪切作用。當(dāng)該剪應(yīng)力達(dá)到剪切極限時(shí)，各冷搗糊混合顆?？朔嗷ラg的粘聚力和內(nèi)摩擦阻力，顆粒間的空氣被不斷排出，不同粒度顆粒間的空隙逐漸減少，料層內(nèi)部的鑲嵌結(jié)構(gòu)趨于致密、穩(wěn)定[2]。

2）水平方向上。料層與壓實(shí)輪盤的相互作用力集中體現(xiàn)為壓實(shí)輪盤的行駛阻力，該行駛阻力主要由滾動(dòng)阻力、驅(qū)動(dòng)輪劃轉(zhuǎn)阻力以及推土阻力等幾部分組成[3]。根據(jù)Bekker假定的相關(guān)內(nèi)容，在上述驅(qū)動(dòng)輪行駛阻力的作用下，料層上表面會(huì)受到一個(gè)與之等效的反作用力，從而使料層內(nèi)部發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，有利于糊料內(nèi)部顆粒位置的重新組合。

由此，通過垂直作用力與水平作用力的聯(lián)合作用會(huì)對(duì)冷搗糊料層產(chǎn)生強(qiáng)烈的揉搓效果，從而實(shí)現(xiàn)糊料的壓實(shí)作業(yè)。

1.3 行駛阻力分析

通過上述分析可知，行駛阻力是輪式滾壓系統(tǒng)中對(duì)鋪料層產(chǎn)生密實(shí)和平整作用的主要因素[4]，因此有必要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。行駛阻力主要由滾動(dòng)阻力、驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)阻力以及推土阻力等幾部分組成，各部分的計(jì)算方法不同。參考輪式壓路機(jī)械力學(xué)分析，在不影響分析結(jié)果的前提下，為方便計(jì)算，僅考慮鋼輪與料面接觸部分的平面部分。假設(shè)油缸傳遞給鋼輪的垂直靜載荷為G，輪寬為b，接地部分長(zhǎng)度為l，則料層單位面積所受載荷為：

設(shè)鋼輪的滾動(dòng)阻力為Fρ，由能量守恒定律，當(dāng)寬度為b的車輪經(jīng)過長(zhǎng)度為L(zhǎng)的距離時(shí)，克服的滾動(dòng)阻力所做的功為：

式中：Kρ為冷搗糊粘聚力系數(shù)；Kφ為冷搗糊內(nèi)摩擦系數(shù)；Z為冷搗糊的垂直變形量；n為冷搗糊的變形指數(shù)。聯(lián)立可得鋼輪的滾動(dòng)阻力為：

驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)阻力為：

式中：M為驅(qū)動(dòng)力矩；r為鋼輪半徑；i為滑轉(zhuǎn)率。

推土阻力Fb，可根據(jù)朗金被動(dòng)土壓力理論近似表示為：

式中：m、q為常數(shù)。

基于上述求解可得鋼輪的行駛阻力為：

由上式可知，鋼輪的滾動(dòng)壓實(shí)效果主要受物料特性、鋼輪規(guī)格、油缸壓力以及行進(jìn)速度等方面的影響，對(duì)于不同物料的滾壓只要合理調(diào)節(jié)其余各參數(shù)之間的配合就能得到較好的壓實(shí)效果。

綜上所述，滾壓工藝對(duì)于陰極炭塊組裝過程中鋁用冷搗糊的扎固是適用的。為了進(jìn)一步論證其可靠性，下文將對(duì)其進(jìn)行滾動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)研究。

2 滾動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容

試驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容如下：

1）對(duì)松散的A型鋼棒糊進(jìn)行稱重試驗(yàn)。通過計(jì)算得到該狀態(tài)下的A型鋼棒糊堆積密度，最終求出該A型鋼棒糊達(dá)到指定壓實(shí)密度1.6 g/cm3時(shí)的理論壓縮比。

2）利用計(jì)算得到的理論壓縮比對(duì)A型鋼棒糊進(jìn)行滾壓試驗(yàn)。通過針入度測(cè)量結(jié)果和溫度測(cè)量結(jié)果與廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)作比，驗(yàn)證該理論壓縮比的正確性。

3）對(duì)A型鋼棒糊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過針入計(jì)測(cè)量結(jié)果和溫度測(cè)量結(jié)果與廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)作比，驗(yàn)證滾壓方式的可行性。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及耗材

1）壓實(shí)機(jī) GBKY 100.0（見圖 4）。

圖4 壓實(shí)機(jī)GBKY 100.0

2）冷搗糊為A型鋼棒糊。其操作說明如下：（1）糊料施工溫度范圍15～40℃，其中25～35℃為最佳；（2）糊料溫度低于15℃或高于40℃時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)搗固糊料的密度檢測(cè)，要求控制密度在1.53～1.60 g/cm3之間，避免欠搗和過搗情況的發(fā)生；（3）環(huán)境溫度較高時(shí)，施工前應(yīng)該將糊料置于干燥陰涼處，以便隨時(shí)取用；（4）使用前不需要進(jìn)行加熱(以排除澆注料水分為目的加熱除外)，不噴焦油、炭膠泥或?yàn)r青。

3）試驗(yàn)支架（見圖 5），用于模擬陰極炭塊鋼棒縫。

圖5 試驗(yàn)支架

4）其余配套設(shè)備（見圖6）。針入計(jì)、電子天平HP-A 500、紅外測(cè)溫槍FLUKE 574以及試驗(yàn)盒等。

圖6 其余設(shè)備

2.3 試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析

1）利用松散的A型鋼棒糊將試驗(yàn)盒裝滿，利用電子天平HP-A 500對(duì)其進(jìn)行稱重測(cè)量。通過計(jì)算得出該松散狀態(tài)下的A型鋼棒糊堆積密度，最終求出該A型鋼棒糊達(dá)到指定壓實(shí)密度1.6 g/cm3時(shí)的理論壓縮比。試驗(yàn)盒外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）120 mm×180 mm×25 mm；試驗(yàn)盒空盒質(zhì)量G1為97 g；試驗(yàn)盒滿載質(zhì)量G2為453 g；理論壓縮比k為：

2）根據(jù)計(jì)算得到的理論壓縮比，利用試驗(yàn)支架對(duì)A型鋼棒糊進(jìn)行鋪料滾壓作業(yè)（見圖7），每次都將縫隙鋪滿，將其壓縮到合適位置，保證每次滾壓后的壓縮比都為2.4。壓好后取樣6個(gè)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行溫度和針入度測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果如表1所示。

圖7 模擬試驗(yàn)照片

表1 A型鋼棒糊模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由上可知，當(dāng)糊料溫度為29℃壓縮比控制在2.4左右時(shí)，該鋁用A型冷搗鋼棒糊的針入度約為40 mm。

相比廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)（如圖8所示），A型鋼棒糊操作溫度為29℃時(shí)，其理想壓實(shí)狀態(tài)的針入度為40～50 mm，該試驗(yàn)所測(cè)針入度在要求范圍內(nèi)。因此，本文中計(jì)算所得的理論壓縮比是正確的。

圖8 廠家標(biāo)準(zhǔn)

3）如圖9所示，利用真實(shí)炭塊對(duì)A型鋼棒糊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)滾壓試驗(yàn)，以上述壓縮比為操作指標(biāo)，壓實(shí)后對(duì)整個(gè)炭塊的ABCD 4條縫分別取樣6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行針入度實(shí)測(cè)，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片

表2 針入度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（操作溫度20℃） mm

對(duì)比廠家標(biāo)準(zhǔn)可知，整個(gè)炭塊4條鋼棒縫的針入度均達(dá)到要求以上，個(gè)別點(diǎn)還存在過搗現(xiàn)象。在同一條縫的不同點(diǎn)位，其針入度存在著較大差異，通過現(xiàn)場(chǎng)分析可知：1）該現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)不同于模擬試驗(yàn)，與A型鋼棒糊的接觸面不再全是鋼板，存在有一半以上的接觸面是炭塊表面，增大了鋪料阻力；2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)冷搗糊的用量比模擬試驗(yàn)多，糊料在縫隙中存在較大空洞以及糊料起拱的可能性增大。以上原因都會(huì)導(dǎo)致鋪料均勻性被破壞，從而影響滾壓效果。在本文這種恒壓壓實(shí)工藝流程下，布料均勻性的破壞必然引起壓實(shí)質(zhì)量的變化。因此，對(duì)于本文中的滾動(dòng)壓實(shí)工藝，布料的均勻性是最關(guān)鍵的。

3 結(jié)論

為了使鋁用冷搗糊在鋁電解槽上得到全面的應(yīng)用，擬選出一種壓實(shí)質(zhì)量更佳的滾動(dòng)壓實(shí)工藝，同時(shí)提出規(guī)范化的滾動(dòng)壓實(shí)運(yùn)行指標(biāo)。本文通過對(duì)滾動(dòng)壓實(shí)機(jī)理及特性進(jìn)行分析，論證其在鋁用冷搗糊應(yīng)用上的可行性，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，通過結(jié)果分析得到如下結(jié)論：1）初步驗(yàn)證了滾動(dòng)壓實(shí)工藝在陰極炭塊組裝冷糊扎固的應(yīng)用是可行的；2）對(duì)于滾動(dòng)壓實(shí)工藝，布料的均勻性是最關(guān)鍵的；3）該A型鋼棒糊滾動(dòng)壓實(shí)工藝下的壓縮比為2.4。