大型高效預(yù)熱混捏機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用

姜玉敬，王毅，鄭艷珍，王永興

（1 中商碳素研究院有限公司，江蘇 蘇州215203，2 山東華鵬精機(jī)股份有限公司，山東 煙臺(tái)264003）

鋁電解工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展迅速，其主要的特點(diǎn)表現(xiàn)在：鋁電解槽的容量不斷增大，1970年世界新建電解系列的槽容量為150～160kA，1983年增至180～190kA，20世紀(jì)80年代中期以來，工業(yè)試驗(yàn)槽的容量突破280kA，進(jìn)入新世紀(jì)，我國較普遍采用了280～400kA容量的超大型槽已形成系列化生產(chǎn)，近10年來500～660kA容量的更大型槽已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中使用。這種超大容量電解槽的出現(xiàn)，由于在高效能、自動(dòng)化水平、環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)營費(fèi)用、建設(shè)投資等方面的顯著優(yōu)勢，使之成為現(xiàn)代鋁工業(yè)發(fā)展的大趨勢；隨著超大容量鋁電解槽的應(yīng)用，要求預(yù)焙陽極的生產(chǎn)技術(shù)也越來越高。

預(yù)焙陽極生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序是混捏，為了使顆粒、粉末和粘結(jié)劑等原料達(dá)到分布均勻、結(jié)構(gòu)均一，且具有塑性、易成型等目的，通常采用的混捏方法有兩種：一種是擠壓混捏法，這種方法是把應(yīng)變力反復(fù)地加在不同的相互接觸的糊料上，讓應(yīng)力加在糊料的各個(gè)部位，使力的方向交錯(cuò)地通過糊料的不同平面，造成物料相互擠壓變形和相對(duì)流動(dòng)。第二種是分離混捏法，此法是從一部分糊料中分出少量的糊料加到另一部分中，這樣反復(fù)進(jìn)行分離和重合的過程。此外，還有揉搓、高壓、負(fù)壓等混捏方法。

我國有關(guān)大型炭素企業(yè)采用了進(jìn)口連續(xù)攪拌混捏機(jī)，連續(xù)攪拌混捏機(jī)的工作原理是葉片和螺桿被組裝在2個(gè)水平方向平行的軸上，按同一速度和方向轉(zhuǎn)動(dòng)。材料隨著葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)體積收到壓縮、拉伸發(fā)生變化，同時(shí)靠葉片剪切作用進(jìn)行捏合，分散效果好，但由于物料混捏時(shí)間短，混捏的物料物理性能差；同時(shí)葉片磨損嚴(yán)重、使用壽命短，不僅造成產(chǎn)品質(zhì)量下降，而且購買國外配件價(jià)格昂貴等。

為克服現(xiàn)行預(yù)焙陽極生產(chǎn)過程中混捏工序存在的不足，進(jìn)一步提高陽極生產(chǎn)效率和質(zhì)量、降低能耗等，滿足現(xiàn)代化鋁冶煉生產(chǎn)的要求，我國山東華鵬精機(jī)股份有限公司成功研制開發(fā)了大型高效節(jié)能型預(yù)熱混捏冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)置獨(dú)立預(yù)熱、混捏、冷卻工藝單元，三段工藝同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了國際先進(jìn)炭素生產(chǎn)工藝配套設(shè)備完全國產(chǎn)化，享有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，完全可以替代國外先進(jìn)企業(yè)的進(jìn)口產(chǎn)品，與美國BP、德國艾力許等國際品牌系列產(chǎn)品相比，企業(yè)生產(chǎn)投入和生產(chǎn)成本大大降低，實(shí)現(xiàn)混捏產(chǎn)品多樣化，產(chǎn)品成品率有所提高，為鋁用炭素企業(yè)生產(chǎn)出滿足大型鋁電解槽生產(chǎn)用的高質(zhì)量產(chǎn)品提供了保障。

1 大型高效節(jié)能型混捏機(jī)工作原理及加熱性能

炭素糊料的制備包含干料預(yù)熱、糊料混捏及糊料冷卻三個(gè)工序，我國已開發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)熱、混捏及冷卻系統(tǒng)設(shè)備，其性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，從裝備水平上保證了炭素產(chǎn)品的質(zhì)量，并且大幅度降低了設(shè)備投資，目前，我國已成功研發(fā)單體最大容量的NHS6000雙層預(yù)熱混捏機(jī)，見圖1所示。

1.1 大型高效預(yù)熱混捏機(jī)工作原理及加熱性能

大型高效預(yù)熱混捏機(jī)工作原理及加熱性能歸納如表1。

表1 大型高效節(jié)能型混捏機(jī)工作原理及加熱性能

表2 大型高效節(jié)能型混捏機(jī)主要生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)

1.2 大型高效預(yù)熱混捏機(jī)主要生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)

按照年產(chǎn)量每日生產(chǎn)20h、年平均生產(chǎn)320日計(jì)算，大型高效節(jié)能型混捏機(jī)主要生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)見表2。

圖1 大型高效節(jié)能型混捏機(jī)

2 大型高效節(jié)能型混捏機(jī)的主要技術(shù)及特點(diǎn)

2.1 大型高效節(jié)能型混捏機(jī)的主要技術(shù)

大型高效節(jié)能型混捏機(jī)的主要技術(shù)包括如下方面：

（1）對(duì)高效節(jié)能型預(yù)熱混捏冷卻系統(tǒng)進(jìn)行全自動(dòng)化設(shè)計(jì)：采用PLC全自動(dòng)控制，網(wǎng)絡(luò)通訊方式，可實(shí)時(shí)測量、顯示、傳遞設(shè)備工作和狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全自動(dòng)化運(yùn)行。

（2）對(duì)混捏系統(tǒng)進(jìn)行精確測溫設(shè)計(jì)：采用補(bǔ)償鎖緊裝置，自動(dòng)補(bǔ)償由于被測量對(duì)象溫度的大幅度、快速變化造成的測溫元件結(jié)構(gòu)性變化與振動(dòng)，保持測溫元件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而保證溫度測量的準(zhǔn)確性及快速響應(yīng)性；采用測溫組件內(nèi)部核心部件模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于不同規(guī)格、類別產(chǎn)品測溫裝置核心部件的互換性、通用性、按需組合性，從而簡化測溫組件結(jié)構(gòu)、降低生產(chǎn)成本；金屬測溫組件外殼形狀采用曲面設(shè)計(jì)，外殼表面采用涂層和表面處理技術(shù)，提高金屬測溫組件外殼的抗炭素糊料粘附性能。

（3）對(duì)混捏機(jī)系統(tǒng)地進(jìn)行無泄漏密封設(shè)計(jì)：對(duì)回轉(zhuǎn)軸端超細(xì)顆粒（0.075mm以下）進(jìn)行密封；采用顆粒密封裝置采用長效抗磨損技術(shù)；采用密封裝置便捷維護(hù)、更換技術(shù)。

（4）對(duì)混捏機(jī)進(jìn)行強(qiáng)化傳熱設(shè)計(jì)：傳熱表面制作湍流化裝置，采用無序分布多點(diǎn)凸凹形結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)熱介質(zhì)流經(jīng)其表面時(shí)產(chǎn)生渦流和紊流，破壞原有傳熱表面，形成二次傳熱表面，降低傳熱熱阻；采用多支回轉(zhuǎn)面形翹片式攪葉，增加傳熱面積、降低傳熱熱阻，進(jìn)一步強(qiáng)化攪刀的傳熱功能。

（5）動(dòng)壓力工作環(huán)境。缸體內(nèi)外部壓力平衡裝置采用浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)。當(dāng)缸體內(nèi)外部壓力平衡情況下，浮動(dòng)裝置在彈性組件的作用下處于閉合狀態(tài)；當(dāng)缸體內(nèi)部由于大量物料進(jìn)入而瞬間壓力升高的情況下，缸體內(nèi)部壓力克服彈性組件阻力使浮動(dòng)密封結(jié)構(gòu)開啟釋放壓力，直至內(nèi)外部壓力達(dá)到平衡。

2.2 大型高效節(jié)能型混捏機(jī)的特點(diǎn)

大型高效節(jié)能型混捏機(jī)的主要特點(diǎn)有：

（1）集成了預(yù)熱、混捏及冷卻功能為一體的三段工藝同時(shí)進(jìn)行的成套混捏系統(tǒng)。采用全面積加熱技術(shù)，加熱結(jié)構(gòu)五進(jìn)五出、通過閥門調(diào)節(jié)保證均勻加熱，加熱效率高、加熱均勻，保證糊料混捏過程中溫度均勻，從而保證混捏質(zhì)量；預(yù)熱、混捏過程在比較高的溫度下進(jìn)行，屬于高溫混捏過程。冷卻過程將糊料溫度降低至適宜成型的工藝溫度，實(shí)現(xiàn)與低溫混捏共同的目的，使瀝青吸附層的內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)更趨于有序排列。滿足預(yù)焙炭陽極大型化、高產(chǎn)化生產(chǎn)的需求；預(yù)熱、混捏及冷卻功能單元模塊化設(shè)計(jì)，采用立式上中下層三層布置結(jié)構(gòu)，節(jié)省設(shè)備擺放空間；

（2）實(shí)現(xiàn)了預(yù)熱、混捏、冷卻系統(tǒng)PLC自動(dòng)化控制；精確糊料冷卻溫度的測量，完備混捏工藝，提高生產(chǎn)效率；

（3）提高糊料進(jìn)入成型工序的糊料冷卻溫度，冷卻溫度的提高有利于保持粘結(jié)劑瀝青良好的粘合性，有利于擠壓成型；生坯回脹減少、焙燒品收率升高、廢品率降低。

（4）無泄漏密封，保護(hù)生產(chǎn)環(huán)境、提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約成本；新型缸體結(jié)構(gòu)，提高干料預(yù)熱效率，節(jié)約能源；

（5）采用專用設(shè)備加工缸體內(nèi)徑，攪刀與缸體間隙控制精度高，粒度破碎少；

（6）液壓鎖緊旋轉(zhuǎn)卸料系統(tǒng)，密封可靠，排料迅速、不殘余物料；

（7）溫度精確實(shí)時(shí)測量，生產(chǎn)工藝精確控制；

（8）性能特點(diǎn)：采用相交同速、交合重迭混捏技術(shù)。攪刀超過缸體中心，作用范圍大；兩攪刀旋向相同、轉(zhuǎn)向相反，一攪刀向中間撥料、另一攪刀向兩邊撥料，物料在缸體內(nèi)“8”字形流動(dòng)。

引進(jìn)日本原型攪刀，帶復(fù)葉、攪葉截面橢圓形，推動(dòng)物料沿橢圓截面的各垂直方向移動(dòng)，擠壓作用增強(qiáng)，使物料顆粒間充分混合，強(qiáng)化混捏效果。橢圓型截面使物料難于附著，攪刀表面不易粘料。

3 工業(yè)應(yīng)用效果

新開發(fā)的大型高效預(yù)熱混捏機(jī)成功應(yīng)用于河南科峰碳材料有限公司、開封炭素、新疆東方希望碳素有限公司、索通發(fā)展股份有限公司炭素糊料制備生產(chǎn)過程，經(jīng)過運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)優(yōu)異，其性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，從裝備水平上保證了炭素產(chǎn)品的質(zhì)量，并且大幅度降低了設(shè)備投資。

3.1 工業(yè)應(yīng)用獲得的主要技術(shù)指標(biāo)

（1）設(shè)備集成了預(yù)熱、混捏及冷卻功能并滿足預(yù)焙陽極大型化、高產(chǎn)化生產(chǎn)的需求；

（2）預(yù)熱、混捏及冷卻功能單元模塊化設(shè)計(jì)，采用立式上中下層三層布置結(jié)構(gòu)，節(jié)省設(shè)備擺放空間；

（3）實(shí)現(xiàn)了預(yù)熱、混捏、冷卻系統(tǒng)PLC自動(dòng)化控制；

（4）糊料冷卻溫度的測量比較精確，誤差2℃左右；

（5）混捏工藝更加完備，設(shè)備提高生產(chǎn)效率1.5倍；

（6） 高溫高效預(yù)熱機(jī)可以使干料溫度達(dá)到190-200℃，單位產(chǎn)量節(jié)約熱能10%；

（7）預(yù)焙陽極成品率平均提高3%～5%；

（8）炭素混捏系統(tǒng)粉塵收集系統(tǒng)降低瀝青用量2%；

（9）提高成型工序體積密度0.02以上；

（10）冷卻的糊料狀態(tài)發(fā)散；

（11）提高糊料進(jìn)入成型工序的糊料冷卻溫度，冷卻溫度的提高有利于保持粘結(jié)劑瀝青良好的粘合性，有利于擠壓成型；生坯回脹減少、焙燒品收率升高、廢品率降低。生產(chǎn)過程中，在干料預(yù)熱機(jī)入口導(dǎo)熱油溫度達(dá)到275-280℃、壓力0.25MPa的情況下，4500Kg干料干混加熱30分鐘，干料溫度達(dá)到180℃以上；干混加熱50分鐘，干料溫度達(dá)到210℃以上。設(shè)備配有攪刀獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng)，上述數(shù)據(jù)是在攪刀獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng)尚未開啟的情況下達(dá)到的，如開啟攪刀獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng)干料加熱效率將進(jìn)一步提高。

3.2 工業(yè)應(yīng)用獲得的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

通過工業(yè)應(yīng)用，獲得的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為：實(shí)現(xiàn)了單個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)能9～11萬噸/年；糊料冷卻溫度控制精度±2℃；提高生產(chǎn)效率1.5倍；單位產(chǎn)量節(jié)約熱能10%；成品率平均提高3%～5%；降低瀝青用量2%；成型產(chǎn)品體積密度提高0.02g/cm3；在導(dǎo)熱油溫度275℃～280℃、壓力0.3MPa的情況下，25-30分鐘干料加熱溫度可達(dá)到180℃以上；各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn)。

3.3 工業(yè)應(yīng)用獲得的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

大型高效預(yù)熱混捏機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用，已累計(jì)實(shí)現(xiàn)利稅2.4億元。該產(chǎn)品在炭素行業(yè)的成功運(yùn)用，大幅度降低了投資成本，提高了生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

4 結(jié)論

大型高效預(yù)熱混捏機(jī)的開發(fā)成功與工業(yè)應(yīng)用，為我國鋁用炭素工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展起到了積極地推動(dòng)作用，為滿足現(xiàn)代化大容量預(yù)焙鋁電解槽生產(chǎn)技術(shù)提供了可靠的保障，為炭素行業(yè)的提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能減排做出了重要貢獻(xiàn)。該成套技術(shù)在行業(yè)具有廣闊的推廣應(yīng)用價(jià)值，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。