□韓 濤

在鋁冶煉廠，當(dāng)電解槽中的鋁液達(dá)到一定量時，就需要在負(fù)壓作用下，通過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，國內(nèi)電解鋁企業(yè)對真空抬包、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，勞動強(qiáng)度大，費(fèi)工費(fèi)時。清理一臺真空抬包(以容量5t 真空抬包為例)，需要清理人員2 名，耗時約6h，另外還需要一名起重工配合操作。對于吸鋁管和虹吸管，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，僅靠人工和簡單的鋼釬和鑿子等手工工具，難度很大，有時清理一根管子大約需要4h;第二，對于剛剛退出運(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，就會延誤生產(chǎn);第三，由于鋼釬、鑿子或風(fēng)動工具操作的不穩(wěn)定性，在清理過程中很可能對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，增加了生產(chǎn)成本;第五，清理時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，可能會對長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，國內(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強(qiáng)度，縮短了清理時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);自動操作系統(tǒng);可編程邏輯控制器(PLC);帶吸塵罩的傾斜平臺。

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)。框架是一個保持溜板箱在導(dǎo)軌上移動的堅(jiān)固結(jié)構(gòu)。在支撐溜板箱的框架兩側(cè)，有一個上導(dǎo)軌和一個下導(dǎo)軌。輪子精確移動以提供最好的可行清理位置。需要時，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)輸模塊由一個裝備有兩個工廠規(guī)模螺旋鉆的主馬達(dá)組成。在每個螺旋鉆的后面，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)是通過一個重型斜齒輪裝置激活的，是由一個高速低扭矩工業(yè)液壓馬達(dá)驅(qū)動的。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，還需要附件如檢測器、制動器、接線盒、按鈕站和電纜托盤。

5．自動操作系統(tǒng)。自動化系統(tǒng)照料著抬包在傾斜臺上檢測瞬間和抬包返回水平位置瞬間之間的抬包清理過程操作，因而提供完全自動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)。自動化系統(tǒng)需要一個必須遵循所有順序和組合邏輯的工業(yè)控制器，以照顧一個抬包的整個清理周期?？刂破魍ㄟ^一個眾所周知的帶安裝了設(shè)備的工廠2 級系統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)允許通訊。在監(jiān)控控制系統(tǒng)的控制器儲存器中，包含主要操作變量和報(bào)警器的交換平臺是程序化的。

7．帶吸塵罩的傾斜平臺。一旦臟抬包的清理過程發(fā)生，在清理頭的前方，適當(dāng)傾斜抬包。這種方式，通過螺絲鉆的旋轉(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(圖5)用于把每個傾斜到位。在清理機(jī)的端部有一個允許兩種不同類型抬包的傾斜臺。通常，一個傾斜臺專門用于清理金屬抬包，而另一個則專用于電解質(zhì)抬包。

圖5 傾斜臺

在雙頭清理機(jī)情況下，需要兩個傾斜平臺(一個清理抬包類)，要清理的抬包放置在對應(yīng)的平臺上。將抬包鎖定到位，傾斜平臺進(jìn)行清理操作。抬包鎖緊在平臺上，平臺傾斜，平臺鎖緊在工作位置，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。基于這些原因，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:一是在市場上可用的設(shè)備中，其清理速度是最快的，每個抬包的清理時間少于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于進(jìn)一步擴(kuò)產(chǎn)仍然有理想的利潤空間;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;七是全自動操作:在清理操作過程中不需要操作者;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]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。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)容許兩個抬包加熱。當(dāng)一個抬包加熱時，另一個抬包可以在第二個站點(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。其整個內(nèi)表面用陶瓷纖維棉隔熱。陶瓷纖維棉經(jīng)過壓縮并用STAS 公司開發(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。

加熱元件受到一個高溫限制控制器的保護(hù)免受過度加熱。這個控制器由另一個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、定時器和其他配件均安裝在控制盤上。轉(zhuǎn)換式起動器、主接觸器、可控硅電源控制器、控制變壓器和主隔離開關(guān)放置在配電盤上，而起重機(jī)啟動器則放置在起重機(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;三是自動操作:沒有專門的操作者;四是沒有污染物和噪聲;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，通過開發(fā)市場上有效的更強(qiáng)大的管子清理機(jī)來完成其產(chǎn)品系列。這種管子清理機(jī)包括一個通過變量驅(qū)動控制器用功率控制的電力驅(qū)動清理工具。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，以保持管子開口無障礙物。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)開發(fā)了半自動化或自動啟動鉸刀，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，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，具有節(jié)約時間的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)椴恍枰鸪茏?，從而提高生產(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(避免了電動機(jī)的磁場問題);八是對于自動操作，操作者只需要把管子安裝和固定在其支架上，夾緊并開始自動循環(huán)。

(三)虹吸管預(yù)熱系統(tǒng)。虹吸管是用來將鋁液由抬包中轉(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)熱站來完成，在承擔(dān)任務(wù)以前，一臺電動機(jī)械用來預(yù)熱虹吸管。

虹吸管預(yù)熱站由以下部件組成:虹吸管支架，一個可以安裝兩根管子的鋼結(jié)構(gòu)。兩個位置都裝備有積塵系統(tǒng)?？梢酝瑫r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。一個平臺準(zhǔn)許出入連接虹吸管的出口。

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

控制系統(tǒng)，包括一個現(xiàn)場控制盤(帶信號燈、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關(guān))和一個安裝在鼓風(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)到級別2。

四、結(jié)語

本文所描述的設(shè)備是一個抬包和虹吸管/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)開發(fā)出了此項(xiàng)技術(shù)用集成控制系統(tǒng)來同時或分別操作。

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)合酋長國的阿聯(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，它是市場上唯一不涉及操作者處理的清理系統(tǒng)。