鋁電解陽極組裝系統(tǒng)自動控制新技術(shù)研究*

李愿飛，丁 磊，普俊彪，趙瑞敏，李順華，肖 劍，祁連偉

（云南云鋁涌鑫鋁業(yè)有限公司，云南 建水 654300）

鋁電解用陽極炭塊是電解生產(chǎn)不可缺少的原材料，隨著中國電解槽技術(shù)自動化裝備、智能化裝備技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)電解鋁企業(yè)淘汰了傳統(tǒng)的地?cái)偸綕茶T方式，轉(zhuǎn)而采用大型機(jī)電一體化生產(chǎn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了陽極上下線、在線運(yùn)輸、電解質(zhì)清理、破碎、殘極、磷鐵環(huán)壓脫、陽極組裝、澆鑄等工序的機(jī)械化和自動化。現(xiàn)有的電解鋁廠陽極自動化組裝車間配置情況而言，雖然先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備和管理水平使車間生產(chǎn)環(huán)境有了很大改善，但存在陽極炭塊澆鑄生產(chǎn)力低、炭塊鋼炭壓降高、陽極鋼爪氧化層清理難度大等技術(shù)難題，對電解生產(chǎn)工藝產(chǎn)生較大的影響。

本文針對某電解鋁廠陽極組裝車間現(xiàn)狀，開展全流程一體化自動控制技術(shù)方案研究、單懸鏈雙小車自動控制系統(tǒng)技術(shù)研究、甩鏈清理機(jī)自動控制技術(shù)研究等，開發(fā)出鋁電解陽極組裝系統(tǒng)全流程一體化自動生產(chǎn)線及控制技術(shù)，解決了陽極組裝系統(tǒng)設(shè)備缺陷多、自動化程度低、澆鑄壓降高等技術(shù)難題。

1 技術(shù)研究及開發(fā)

1.1 陽極組裝系統(tǒng)全流程一體化自動控制技術(shù)方案研究

針對傳統(tǒng)陽極組裝系統(tǒng)設(shè)備缺陷多、停機(jī)率高、生產(chǎn)工藝不匹配、檢修頻繁、生產(chǎn)成本高、自動化程度低、澆鑄壓降高等鋁行業(yè)共性工程技術(shù)難題，研究陽極組裝系統(tǒng)全流程一體化自動控制技術(shù)，以PLC控制系統(tǒng)和觸摸屏為主要技術(shù)手段，利用PLC的通訊控制功能實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控通訊，通過生產(chǎn)過程的自動控制、過程監(jiān)視、故障自動診斷及安全實(shí)時(shí)監(jiān)控，改善炭塊組裝系統(tǒng)的性能，完成組裝生產(chǎn)工藝的自動控制，生產(chǎn)線運(yùn)行協(xié)調(diào)性和安全可靠性將得到大幅提高，有效地實(shí)現(xiàn)人機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)全流程一體化控制。

1.2 單懸鏈雙小車自動控制系統(tǒng)技術(shù)研究

420 kA電解槽單塊陽極重量1 t左右，陽極的增大增重對自動化陽極組裝生產(chǎn)懸鏈系統(tǒng)提出了更高的要求。原設(shè)計(jì)懸鏈單小車在運(yùn)行過程中經(jīng)常需要旋轉(zhuǎn)陽極以方便作業(yè)，由于陽極增重小車在經(jīng)常性的旋轉(zhuǎn)過程中旋轉(zhuǎn)慣性較大，導(dǎo)致小車轉(zhuǎn)向架損壞而影響生產(chǎn)的正常開展。單懸鏈雙小車運(yùn)行方式的難點(diǎn)在于前后小車位置不能變換，小車在進(jìn)入卸站須自動轉(zhuǎn)為橫向卸新陽極，裝殘極出裝站須自動轉(zhuǎn)為縱向，以滿足地面設(shè)備正常生產(chǎn)需要[1]。針對此工程技術(shù)問題公司自主開發(fā)出單懸鏈雙小車自動控制系統(tǒng)技術(shù)，采用陽極縱向行走的雙小車結(jié)構(gòu)形式來解決這一難題。在裝卸站承載小車對應(yīng)懸鏈段采用雙軌道形式，即前小車在一個(gè)承載軌上運(yùn)行，后小車在另一個(gè)平行的承載軌上運(yùn)行，小車帶著承載桿運(yùn)行和懸鏈成90度，輔助的牽引鏈把每個(gè)小車輸送到各自的停止工位，輔助的牽引鏈單獨(dú)設(shè)立驅(qū)動裝置，并單獨(dú)設(shè)置一套絲杠張緊裝置，便于調(diào)整推桿能夠同時(shí)進(jìn)入平行軌道。

開展了單懸鏈雙小車裝卸站自動行程控制技術(shù)研究，從入口到緩沖站的輸送小車組縱向積存在入口前停止器后方，停止器打開小車組被逐一放到裝卸站緩沖區(qū)，在至緩沖區(qū)的道岔前設(shè)置一個(gè)檢測開關(guān)，前小車通過動力鏈牽引通過道岔直行，前小車通過道岔后會有檢測開關(guān)檢測，道岔閉合，后小車通過道岔后在彎道上運(yùn)行，在設(shè)定位置后前后小車均被動力鏈牽引平行運(yùn)行，小車需要停止的地方均按要求積存間距設(shè)置停止器，前后小車各行其道，但軌道間距不同，兩條軌道上均設(shè)置了停止器，保證前后小車同時(shí)停放，緩沖站位置設(shè)置6對停止器，停止器間距為（700+840+700+840+700）mm。從緩沖區(qū)到卸站的輸送兩個(gè)對應(yīng)的停止器打開，小車從緩沖位置輸送到卸站第一個(gè)位置后停止，其它5臺小車重復(fù)同樣的動作完成緩沖區(qū)到卸站的輸送功能，從卸站到裝站的輸送原理與從緩沖區(qū)到卸站的輸送相同，從卸站到卸站緩沖區(qū)的輸送原理與從緩沖區(qū)到卸站的輸送相同，卸站緩沖區(qū)到出口的輸送前后小車2個(gè)并列的軌道通過道岔回合為一條軌道，前小車通過道岔并經(jīng)檢測后，后小車也進(jìn)入相同的的軌道開始縱向運(yùn)行，后小車通過道岔時(shí)，后小車動力鏈脫鉤。承載梁上設(shè)置軸承，便于承載梁旋轉(zhuǎn)靈活，兩條并列的軌道軌間距不同。通過創(chuàng)新型配置，實(shí)現(xiàn)了陽極從橫向上鏈轉(zhuǎn)到縱向運(yùn)行及陽極從縱向運(yùn)行轉(zhuǎn)向橫向下鏈的全過程，實(shí)現(xiàn)全流程自動化控制，陽極澆鑄處理能力70顆/h。

圖1 雙小車運(yùn)行結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of double trolley running structure

1.3 甩鏈清理機(jī)自動控制技術(shù)

甩鏈清理機(jī)由四臺甩鏈及噴吹系統(tǒng)組成，其作業(yè)過程主要是清理殘極上、側(cè)表面和鋼爪表面的粘附雜物并進(jìn)行噴吹清潔。甩鏈清理機(jī)在投入使用初期便出現(xiàn)甩鏈機(jī)聯(lián)軸器頻繁損壞問題，清理下來的物料落入輸送皮帶后混入收邊破碎料和覆蓋料中，造成鋁液質(zhì)量波動[2]。甩鏈機(jī)的正常使用能有效清除殘極上、側(cè)表面的極上料及鋼爪表面產(chǎn)生的部分氧化鐵[3]。針對甩鏈機(jī)清理下來的物料會影響原鋁質(zhì)量的問題，在甩鏈機(jī)下制作收料箱將該物料進(jìn)行收集裝袋分離處理，避免與破碎料混合。針對甩鏈清理機(jī)在投入使用過程中甩鏈機(jī)聯(lián)軸器頻繁損壞的問題，通過分析原因主要是甩鏈機(jī)啟動力矩較大造成。通過重新計(jì)算選型，采取如下改進(jìn)措施：

1）采用新型具有抗較大扭矩的聯(lián)軸器；

2）增設(shè)變頻器實(shí)現(xiàn)甩鏈機(jī)的柔性啟動，減小啟動阻力，甩鏈清理機(jī)改造使用至今，運(yùn)行穩(wěn)定，清理效果良好；

3）自主開發(fā)出自動、快速清理陽極鋼爪氧化鐵的滾筒裝置，用環(huán)形鐵鏈，借助高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)形鐵鏈撞擊鋼爪表面的電解質(zhì)和鐵銹，確保不同氧化程度鋼爪表面所依附的雜質(zhì)通過回轉(zhuǎn)撞擊震動后，能有效的從鋼爪表面脫落，改變清刷器的轉(zhuǎn)速，即可調(diào)節(jié)環(huán)形鐵鏈對附著物的清刷力，改變環(huán)形鐵鏈的長短，則可調(diào)整清刷區(qū)域的大小。由一根2 400 mm的長軸，加工成兩端φ50 mm中部φ70 mm的階梯軸，兩側(cè)安裝軸承座，帶輪。軸從圓周方向劃成六等分，每一等分面上焊接高150 mm長1 700 mm的鋼板在軸上，每一塊鋼板上有13個(gè)槽，在槽兩側(cè)分別焊接上φ15的無縫鋼管，插入一根1 600 mm的圓鋼在無縫鋼管內(nèi)，每個(gè)鋼板上的槽內(nèi)穿入一截環(huán)鏈，圓鋼一端用角鋼螺栓固定，一端抵在鋼板槽內(nèi)壁上，保證圓鋼不會在整個(gè)甩鏈滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)過程中脫落。整套裝置安裝完成后，做動平衡調(diào)整確保運(yùn)轉(zhuǎn)的平順性[4]。裝置處理能力75顆/h。

圖2 鋼爪清理滾筒外形結(jié)構(gòu)Fig.2 Appearance structure of steel claw cleaning roller

1.4 殘極電解質(zhì)全自動清理技術(shù)研發(fā)

從電解槽換出的殘極表面覆蓋一層18 cm左右的電解質(zhì)塊（面殼塊），在組裝生產(chǎn)線上通過人工將其破碎與殘極炭塊分離，破碎作業(yè)量大、效率低，平均一次清理一塊殘極，需要耗時(shí)2 min，原設(shè)計(jì)為保證正常生產(chǎn)該工位每班采用6人，分3個(gè)工位同時(shí)作業(yè)，但是部分殘極的極上覆蓋料較硬，每班需清理更換的陽極300顆，按連續(xù)重復(fù)不間斷作業(yè)量大，沒有機(jī)械清理設(shè)備，使用風(fēng)鎬作業(yè)，風(fēng)鎬打擊力度不夠，使用壽命不高，不能滿足組裝生產(chǎn)線設(shè)計(jì)產(chǎn)能60組/h。當(dāng)殘極上的電解質(zhì)較少或者已經(jīng)脫落，人工清理相對容易，清理速度最快可達(dá)到65 s/顆，項(xiàng)目開發(fā)出陽極電解質(zhì)自動清理裝置，實(shí)現(xiàn)清理速度≤60 s/顆，替代人工清理。

圖3 人工清理殘極表面覆蓋料Fig.3 Anode scrap surface cover material by manual cleaning

統(tǒng)計(jì)了6個(gè)工人清理一塊陽極電解質(zhì)的作業(yè)時(shí)間，生產(chǎn)過程中6個(gè)工人平均清理一顆陽極需要112 s。電解殘極面殼塊人工清理存在的主要弊端：①清理作業(yè)體力繁重。清理作業(yè)量大，耗費(fèi)作業(yè)人員體力，清理時(shí)間長，效率低，降低鋁電解經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)；②對職業(yè)健康不利。清理過程風(fēng)鎬振動、粉塵危害作業(yè)人員職業(yè)健康；③安全隱患。清理作業(yè)時(shí)間過長導(dǎo)致作業(yè)人員疲勞，同時(shí)易發(fā)生機(jī)械傷害，產(chǎn)生安全隱患。人工清理殘極炭塊時(shí)間見表1。

表1 人工清理時(shí)間統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of manual cleaning time s

傳統(tǒng)的殘極極上料電解質(zhì)塊料清理裝置，一般采用炭塊鋼爪梁進(jìn)行扶正定位、機(jī)械穿刺對殘極極上料電解質(zhì)塊料進(jìn)行清理[5]。存在的問題有：在扶正定位過程中炭塊碎裂，不利于物料分離、殘極上電解質(zhì)超過鋼爪梁時(shí)就無法準(zhǔn)確定位扶正，無法進(jìn)行清理[6]；機(jī)械穿刺受限于電解塊料硬度及形狀，無法對電解質(zhì)塊料堅(jiān)硬以及形狀較大的殘極進(jìn)行清理。自主開發(fā)出電解質(zhì)全自動清理機(jī)，裝置由機(jī)架總成單元、控制單元、動力單元、執(zhí)行單元四大部分組成。該裝置自動協(xié)同上下游設(shè)備完成殘極鋁導(dǎo)桿扶正、鋁導(dǎo)桿爆炸塊扶正定位、風(fēng)動打殼機(jī)進(jìn)行殘極極上料電解清理等工作流程[5]。機(jī)架總成：機(jī)架由厚壁方管、矩形管焊接成兩層長方體框架結(jié)構(gòu)，其余裝置焊接在框架結(jié)構(gòu)的橫梁上，框架結(jié)構(gòu)四個(gè)側(cè)面除兩道檢修門外，其余均由薄鋼板覆蓋，保證清理裝置的氣密性確保粉塵不外溢。正下方焊接一個(gè)下料溜槽；推進(jìn)裝置、鋼爪定位裝置焊接在長方體框架結(jié)構(gòu)的兩個(gè)對面；導(dǎo)桿居中裝置，焊接在長方體頂面的一側(cè)?？刂茊卧呵謇硌b置的電氣控制，傳感器、執(zhí)行元件分設(shè)在現(xiàn)場，統(tǒng)一接入現(xiàn)場的一個(gè)I/O站點(diǎn)模塊。I/O站點(diǎn)ControlNet網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)模塊接入主控制PLC網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)在主控制PLC的控制下自動運(yùn)行。動力單元：裝置需要的動力能源，主要由壓縮空氣、液壓提供。分別由現(xiàn)場的壓縮空氣管道和現(xiàn)場液壓站提供。執(zhí)行單元：由液壓油缸、氣動打殼機(jī)組成。工作流程：懸鏈輸送機(jī)導(dǎo)桿運(yùn)輸?shù)轿弧鷮?dǎo)桿居中關(guān)閉到位→鋼爪梁居中關(guān)閉到位→推進(jìn)裝置前進(jìn)→打殼機(jī)氣源電磁閥開啟→一次推進(jìn)不到位→推進(jìn)裝置后退3 s→推進(jìn)裝置后退到位→導(dǎo)桿居中、鋼爪梁后退到位→懸鏈輸送機(jī)排除導(dǎo)桿到下一個(gè)工位安全聯(lián)鎖裝置：操作臺上設(shè)急停按鈕，與懸鏈輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)。急停按鈕按下時(shí)，懸鏈輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)急停保護(hù)。

圖4 電解質(zhì)自動清理機(jī)示意圖Fig.4 Schematic diagram of electrolyte automatic clean machine

電解質(zhì)全自動清理機(jī)清理殘極炭塊時(shí)間統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 電解質(zhì)全自動清理機(jī)清理時(shí)間統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of electrolyte automatic clean time s

通過表2可以看出，該裝置應(yīng)用后每班6個(gè)人減少為3個(gè)人，對3個(gè)人清理一塊陽極時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并繪制了折線圖，通過全自動清理機(jī)清理時(shí)間可以看出：自主研發(fā)的電解質(zhì)自動清理機(jī)應(yīng)用后件減少崗位人員配置3人、提高勞動生產(chǎn)力50%，清理殘極的平均為56 s，與6個(gè)工位112 s時(shí)間相比縮短時(shí)間56 s、縮短工時(shí)50%。自動清理機(jī)清理后鋼爪完好率為100%。

圖5 殘極自動清理鋼爪完好Fig.5 Steel claw in excellent condition after anode scrap automatic clean

殘極底掌電解質(zhì)清理技術(shù)：殘極底部表層電解質(zhì)含量較高，其中含有大量的Na，Ca等雜質(zhì)，是降低殘極灰分控制的關(guān)鍵，并且人工清理相當(dāng)困難。為實(shí)現(xiàn)殘極底部表層電解質(zhì)清理的自動化，項(xiàng)目結(jié)合自身生產(chǎn)實(shí)際，進(jìn)行了殘極電解質(zhì)清理的技術(shù)研發(fā)。發(fā)現(xiàn)殘極底部粘附的電解質(zhì)附著力不強(qiáng)，疏松、稍加外力便能將其清除[7]。項(xiàng)目開發(fā)出殘極底部電解質(zhì)清掃裝置安裝于殘極壓脫機(jī)前進(jìn)行殘極底部粘附電解質(zhì)的清掃工作[8]。該清掃裝置由固定支架、可調(diào)節(jié)升降支架及清刷鋼絲繩等組成。其工作原理是通過調(diào)節(jié)升降支架來滿足不同殘極底掌高度，利用鋼絲繩具有柔性和剛性能滿足一定高度變化要求的特性將鋼絲繩端頭解散為掃把狀來實(shí)現(xiàn)對通過陽極底掌電解質(zhì)的刮掃工作，處理能力75顆/h。

2 試驗(yàn)研究及分析

2.1 陽極炭塊鋼炭壓降變化情況

研究技術(shù)在陽極組裝車間產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，鋼炭壓降由原來的114.3 mV降至74.20 mV、降低40.1 mV，節(jié)能效果顯著。應(yīng)用效果見統(tǒng)計(jì)表3所示。

表3 技術(shù)應(yīng)用前后澆鑄鋼炭壓降對比Tab.3 Pressure drop comparison of casting steel carbon before and after technology application mV

2.2 殘極返回料成份檢測

通過對7批次返回料成份進(jìn)行檢測，殘極分析水為0.10%、殘極灰分為0.88%、鐵含量為1 027.14 g/t，整體質(zhì)量得到有效保障。分析檢測結(jié)果如表4所示。

表4 殘極返回料成分檢測Tab.4 Composition detection of return scarp of anode scrap

3 技術(shù)效果及應(yīng)用

技術(shù)在某電解鋁企業(yè)陽極組裝車間應(yīng)用，陽極澆鑄處理能力70顆/h、殘極表面面殼塊清理時(shí)間平均為56 s/棵、縮短工時(shí)50%、鋼爪完好率達(dá)100%、陽極底掌電解質(zhì)清理處理能力75顆/小時(shí)、殘極灰分≤1.0%，新澆鑄陽極鋼炭壓降≤75 mV。

圖6 智能化陽極組裝系統(tǒng)Fig.6 Intelligent anode assembling system

4 結(jié)語

1）采用全流程一體化自動控制技術(shù)，解決了陽極組裝系統(tǒng)設(shè)備缺陷多、自動化程度低、澆鑄壓降高等技術(shù)難題；

2）實(shí)現(xiàn)了陽極炭澆鑄流程中自動控制、過程監(jiān)視、故障自動診斷、安全實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能；

3）新陽極炭塊澆鑄鋼炭壓降≤75 mV；

4）陽極澆鑄速度達(dá)到70顆/h，殘極的清理速度達(dá)到75顆/h，鋼爪完好率達(dá)100%；

5） 殘極中水為0.10%、殘極灰分0.88%、鐵含量為1 027.14 g/t。