對沖破擊式電解鋁殘陽極清理裝置研究

常德凡， 劉寶

（河南理工大學，河南 焦作454003）

0 引 言

殘陽極電解質清理主要是指對殘陽極表面電解質進行破碎處理及殘渣清理工作。目前國內電解鋁企業已經較廣泛地使用各種殘極清理設備來代替人工進行清理，但這些設備存在著殘陽極清理不徹底、性能差、維護成本高及殘陽極清理效率低[1]等問題。

本文針對現有設備存在的問題，并結合實際生產中的需求和特點，研制出自動化程度適中、生產效率高、性能穩定和易維護的電解鋁殘陽極電解質清理裝置。

1 設備的結構設計

1.1 整體設計方案及工作原理

電解鋁殘陽極電解質清理裝置主要由主框架、殘陽極導桿夾緊裝置、電解質沖擊破碎機構、PLC控制系統及液壓系統等部件組成。利用SolidWorks軟件建立其整體三維模型，如圖1所示。

圖1 對沖破擊式電解鋁殘陽極清理裝置三維模型

其工作原理 如下：打開導桿夾緊裝置的夾棍，殘陽極從入口處吊裝進入清理裝置，在此過程中，導桿通過導向板滑入清理裝置。當殘陽極位于圖1中位置時，將殘陽極放置在陽極底座上，此時啟動導桿夾緊裝置將導桿夾緊。兩個導桿夾緊裝置與導向板共同作用把導桿夾緊。然后啟動電解質對沖破擊機構，安裝在對沖破擊機構下方的液壓缸推動液壓破碎錘及其錘頭部的鏟刀機構向殘陽極作直線運動，兩側鏟刀對進接近殘陽極。當鏟刀頭與電解質接觸時，電解質在破碎錘的沖擊振動作用下，破碎成塊狀并落下，然后被收集起來流入下一道工序。當殘陽極上電解質基本被清理干凈時，使破擊機構遠離殘陽極，再將殘陽極從后方吊出，流入下一道清理工序，上述過程實現了殘陽極電解質破碎清理。

1.2 對沖破擊機構主要部件設計

電解質對沖破擊機構主要由液壓破碎錘、鏟刀、線性滑軌及破碎錘底座等部件組成。在殘陽極兩側對稱布置。圖2所示為去掉了線性滑軌及液壓缸后端固定部分主框架的對沖破擊機構示意圖。線性滑軌通過螺栓固定在主框架上，液壓缸通過銷軸連接在主框架上。

1.2.1 鏟刀的設計

圖2 對沖破擊機構的主要結構

鏟刀是破擊機構的核心部件之一，采用組合式結構，由鏟刀架和鏟刀頭2部分組成。鏟刀架和鏟刀頭共同起到傳遞液壓破碎錘活塞的沖擊能的作用，能直接破碎物料。后部與液壓破碎錘相連接，固定在破碎錘中。前部鏟刀頭在工作時與電解質直接接觸。破擊機構在工作時，鏟刀架受到的沖擊力較大，鏟刀的好壞直接影響到破碎機構破碎電解質的效率、整個破碎機構的穩定性及后期的維護成本。鏟刀整體要有足夠的剛度、強度和穩定性。鏟刀架要有良好的彈性，以保證鏟刀尾部在破碎錘活塞的沖擊下，不會堆頂和炸頂；鏟刀頭由于在沖擊載荷的作用下反復與電解質接觸，因此還應具有較高的表面硬度和耐磨性，對鏟刀頭外表面淬硬，以提高其硬度及耐磨性。鏟刀頭前部使用一字形設計，以提高刀頭的侵入性。特點是速度快、制造和修磨簡單，但缺點是磨損快、易夾釬。后部以傳動銷和鏟刀部分相連，鏟刀頭和鏟刀架之間能夠做微小角度的轉動。由于鉸接不會傳遞力矩，所以能一定程度上保護鏟刀架。

鏟刀的材料選用高強度、高剛度、有良好抗沖擊韌性的42CrMo4，調質處理后，有較高的疲勞極限和抗多次沖擊的能力，低溫沖擊韌性也較好，高溫時有高蠕變強度的持久強度，如表1所示。

表1 鏟刀的材料參數

鏟刀架前部由5根刀柱組成，能夠分別伸入殘陽極鋼爪之間和兩側，將鋼爪之間與兩側的電解質清理干凈[2]。整個清理裝置將2個鏟刀在一條直線上作對稱布置，在清理過程中，2個鏟刀作相向運動。要將殘陽極鋼爪之間的電解質清理到位，則鏟刀架的刀柱必須伸過鋼爪的另一側，而這帶來了一個新的問題：其中一個鏟刀刀柱伸到了鋼爪的另一側，為防止2個鏟刀相碰撞，則另外一個鏟刀必然不能伸過鋼爪，2只鏟刀只能交替穿過殘極鋼爪，這就影響了電解質清理效率，并且由于鏟刀工作時振動的存在，會加劇2只鏟刀的不平衡。所以其中一個鏟刀架的刀柱設計成三長兩短，另外一個則是兩短三長。這樣就實現了鏟刀頭在殘陽極鋼爪之間對穿，能使絕大部分的電解質得到較高的破碎和松脫效率，如圖3所示。

圖3 鏟刀頭對沖破擊電解質過程

1.2.2 電解質清理裝置主框架的設計

主框架是整個電解鋁陽極殘極電解質處理裝置的主體部分，將殘陽極導桿夾緊裝置、電解質破碎清理機構等部件連接為一個整體，如圖4所示。

圖4 電解質清理裝置主框架三維模型

主框架的主體部分用空心方管搭起整個主框架的骨架，中間部分用鋼板四面圍起來形成一個箱體結構，這就是殘陽極清理裝置的清理間。設計成半封閉的箱式結構主要有以下好處：1) 減少殘陽清在清理過程中的煙塵向周圍空氣中彌漫；2) 防止殘陽極在清理過程中的碎塊飛濺出來，保護了操作人員的安全；3)半封閉的空間有利于后期加裝除塵裝置，可以提高除塵的效率。

清理間內部底面設計有用于放置殘陽極的支撐架，支撐架上表面做粗糙處理，以增加殘陽極與支撐架的摩擦力，使殘陽極在清理過程中可以僅靠自重產生的摩擦力即能保持足夠的穩定。清理間頂部有供導桿夾緊裝置安裝的支架，左右兩個，一高一低，用于上下間隔布置2組導桿夾緊裝置。通過導桿夾緊裝置對殘陽極上部導桿進行限位夾緊，再加上殘陽極下部靠摩擦力產生的限位作用，夾持位置靠近殘陽極，使殘陽極穩固性高、晃動幅度小，能進一步提高殘陽極的清理效率。支撐架下部中空，連接至電解質粉碎車間，清理下來的大塊電解質將通過粉碎車間的粉碎設備進一步破碎。清理間的上部有殘陽極導桿組移動通過的開槽，開槽沿前后方向延伸，開槽處設有用于引導殘陽極導桿的導向板。清理間兩側設有左右各一個鏟刀隔板，隔板上開有供鏟刀進出的通孔，防止電解質塊卡在任意兩相鄰鏟刀柱之間，降低后期破鏟刀的清理難度。清理間左右兩側對稱設置有安裝清理破碎機構的支架。破碎機構支架兩側的空心方管上表面水平度和粗糙表面質量要求較高，用于安裝用于移動液壓破碎錘的線性滑軌。破碎機構支架后端設有安裝推動破碎裝置左右移動液壓缸的鉸接支座。

1.2.3 殘陽極導桿夾緊裝置的設計

如圖5所示，殘陽極導桿夾緊裝置是殘陽極電解質清理裝置的重要部件之一，主要起到固定殘陽極導桿的作用，使殘陽極在清理電解質過程中有足夠的穩定性。除了這個作用，導桿夾緊裝置還必須滿足的基本要求為：足夠的夾緊力；正確的夾持位置；結構簡單，可靠性高；在夾持機構完全張開時，必須把清理間上部的開槽位置讓開，不能妨礙殘陽極導桿在開槽中的順利移動，如圖5所示。

圖6為殘陽極導桿夾緊裝置的三維模型[3]，其中左側視圖去掉了一側的槽蓋。其工作過程為：當夾持臂完全打開時，清理間開槽被讓開，殘陽極通過導向板被送入清理間，殘陽極位置放好后，夾持裝置液壓缸開始工作。隨著液壓缸活塞向前推進，2根連桿在彈簧的拉力作用力下，連桿和夾持臂的角度并不會立刻發生變化，而是保持著圖6中左側視圖的狀態。在液壓缸活塞的推進下，連桿、夾持臂、彈簧、夾持臂連接件和移動滑塊作為整體，同時向前移動。當移動滑塊被推進至滑槽末端時，滑塊和夾持臂連接件在滑槽的阻礙下停止移動，此時液壓缸活塞繼續向前推進。隨著活塞的繼續前進，彈簧被拉伸到極限，兩根連桿被打開，如圖6右側視圖所示。隨著連桿的打開，兩根夾持臂的角度也隨之改變，夾持臂前端逐漸閉合。當夾持臂前端把導桿夾緊時，停止液壓缸運動。

圖5 導桿夾緊裝置結構

圖6 夾持臂打開與夾緊對比圖

2 液壓破碎錘的選型

確定液壓破碎錘的沖擊能量，首先要知道被破碎物質即電解質的強度。初選強度大于等于殘陽極電解質的巖石作為參考，以此先確定液壓破碎錘的選型。表2為某68破碎錘的參數，常用于破碎公路混凝土[4]。殘陽極電解質因為內部有大量縫隙的存在，所以其抗破碎能力遠小于石灰巖的強度，因此可采用此款液壓破碎錘。

表2 某68液壓破碎錘參數

3 液壓系統方案確定

根據電解鋁殘陽極電解質清理裝置的實際工作需要與主回路初選定的基礎上，設計液壓系統原理圖[5]如圖7所示。

圖7 液壓系統原理圖

如圖7所示，電解鋁陽極殘極電解質處理裝置開始工作時，啟動泵站，三位四通電磁換向閥7的電磁鐵3YA 得電，處于左工位，油液從制動液壓缸9的無桿腔進入，活塞桿伸出，實現制動，使夾緊裝置固定殘陽極不發生移動，隨后電磁換向閥12 的電磁鐵1YA得電后，處于左工位，驅動液壓缸10的無桿腔進油，活塞桿伸出，驅動液壓破碎錘前端鏟刀逐漸靠近炭塊，當液壓破碎錘15到達指定工作位置時，三位四通電磁換向閥12斷電，讓破碎裝置保持位置的穩定，然后讓三位四通電磁換向閥13的電磁鐵5YA得電，并處于左工位[6]，此時液壓破碎錘開始工作。

4 結 論

本文針對目前電解鋁企業中，殘陽極清理設備存在的各種問題，設計了一種對沖破擊式電解鋁殘陽極清理裝置，設計了該裝置的液壓系統方案并擬定了液壓系統原理圖。

本文所設計的裝置主要包括主框架、對沖破碎清理機構和導桿夾緊裝置等。其創新點在于利用對稱沖擊破碎的方法對殘陽極電解質進行較為徹底的清理，該裝置結構簡單、易維護、清理效率高、自動動化程度適中且體積小巧，能夠適應電解鋁企業對于殘陽極的清理要求。