自動(dòng)上料與出渣裝置的設(shè)計(jì)與研究

0 引言

在皮江法煉鎂工藝中，還原罐內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以制備出粗鎂。化學(xué)反應(yīng)前需要向還原罐中填裝反應(yīng)物，反應(yīng)后還需要將反應(yīng)完成的還原鎂渣清理出去，以便進(jìn)行下一次反應(yīng)。雖然有輔助工具，但是勞動(dòng)強(qiáng)度高，裝料和出渣的效率低，嚴(yán)重制約著鎂冶煉的效率。此外，人工掏渣造成很大的揚(yáng)塵，加之鎂冶煉在高溫下進(jìn)行，給操作工人身體造成了一定的危害。現(xiàn)在應(yīng)用最廣的是螺旋式清渣機(jī)，主要是有一根剛性的直軸，其上焊有螺旋葉片，它在旋轉(zhuǎn)同時(shí)直線推進(jìn)的同時(shí)反向旋出爐渣，只有當(dāng)螺旋葉非常貼近罐下壁時(shí)才能清理干凈，而且對操作工人的技術(shù)要求高。還原罐中的爐渣清理不干凈將影響還原罐的裝料量、傳熱效率和使用壽命，因此扒渣機(jī)清渣之后往往需要人工進(jìn)行二次清渣，以清理剩余鎂渣，較為耗時(shí)。目前國內(nèi)外的鎂冶煉企業(yè)中，出渣環(huán)節(jié)逐漸由人工掏渣向半自動(dòng)化掏渣轉(zhuǎn)變；上料環(huán)節(jié)則是通過簡易輔助裝置送料，由人工實(shí)現(xiàn)上料。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)檢索有向自動(dòng)化控制方向發(fā)展的趨勢[1-4]，但是還有一定的改進(jìn)空間。

1 自動(dòng)上料與出渣裝置的研制

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

自動(dòng)上料與出渣裝置主要由原料存放罐、移動(dòng)裝置、上料裝置、出渣裝置、鎂渣收集箱、軌道、Z向移動(dòng)裝置、Y向移動(dòng)裝置、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、視覺分析系統(tǒng)和其他輔助裝置構(gòu)成，主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，為了直觀展示部分細(xì)節(jié)未畫出。

圖1 自動(dòng)上料與出渣裝置

原料存儲(chǔ)罐（3）、移動(dòng)裝置（4）、上料裝置（5）、出渣裝置（6）和鎂渣存儲(chǔ)罐（7）固定于移動(dòng)裝置（4）上，移動(dòng)裝置（4）可在軌道（8）上移動(dòng)，升降電機(jī)（9）、移動(dòng)電機(jī)A（10）、移動(dòng)電機(jī)B（11）控制上料裝置（5）和出渣裝置（6）沿著還原罐（1）軸線方向進(jìn)出以實(shí)現(xiàn)上料和出渣。上料裝置（5）和出渣裝置（6）為傳送帶結(jié)構(gòu)，側(cè)面焊接有齒條。通過上料裝置（5）、出渣裝置（6）和移動(dòng)裝置（4）互相配合實(shí)現(xiàn)煉鎂工藝中自動(dòng)上料與出渣功能。裝有傳感器采集各部位信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析后調(diào)整各機(jī)構(gòu)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)智能控制。

1.2 工作原理

本裝置的工作原理如圖2所示，可在固定于地面的軌道上面行駛，實(shí)現(xiàn)水平方向平行于還原爐的移動(dòng)（X方向），上料裝置和出渣裝置可分別沿著豎直方向移動(dòng)（Z方向），以實(shí)現(xiàn)上下兩層還原罐之間的切換，通過X方向和Z方向之間的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。到達(dá)預(yù)設(shè)位置后，上料裝置沿著還原罐軸線方向（Y軸負(fù)方向）移動(dòng)至最深處，隨后傳送帶開始旋轉(zhuǎn)，原料存放罐中的反應(yīng)物由于重力作用掉落于傳送帶上，傳送帶整體向Y軸正向移動(dòng)，將物料完全放置于還原罐中。具有半圓形刮板結(jié)構(gòu)的傳送帶沿著X和Z方向到達(dá)指定位置后，傳送帶旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿著Y軸負(fù)向伸入還原罐，最終將鎂渣清理出還原罐并掉落于鎂渣收集箱中。

圖2 自動(dòng)上料與出渣裝置原理圖

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 移動(dòng)裝置

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料與出渣的目的，上料裝置和出渣裝置需要實(shí)現(xiàn)X、Y和Z移動(dòng)，并能準(zhǔn)確進(jìn)入還原罐。電機(jī)經(jīng)過減速器后帶動(dòng)滑輪在軌道上運(yùn)動(dòng)，使得上料裝置和出渣裝置同時(shí)沿著X方向移動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過變速器后驅(qū)動(dòng)上料裝置和出渣裝置分別沿著移動(dòng)裝置的Z方向獨(dú)自運(yùn)動(dòng)。當(dāng)行走至合適位置后，限位傳感器檢測到信號(hào)，并通過視覺系統(tǒng)再次確認(rèn)還原罐的軸線方向，從而實(shí)現(xiàn)伸入或者退出還原罐。Y和Z方向的移動(dòng)，都通過步進(jìn)電機(jī)減速后驅(qū)動(dòng)齒條來實(shí)現(xiàn)，其連接形式如圖3所示。上料裝置和出渣裝置側(cè)面具有齒條，圖中顯示上料裝置側(cè)面的齒條39，通過31、32、33和34四個(gè)齒輪固定住齒條39，使其沿著Y方向運(yùn)動(dòng)。Y驅(qū)動(dòng)齒輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)可將該裝置沿著Y軸送入還原罐，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)則移出還原罐。移動(dòng)裝置豎直方向的四個(gè)立柱上方固定有齒條，齒輪35、36、37和38共同作用使上料裝置沿著Z軸方向移動(dòng)。驅(qū)動(dòng)齒輪通過軸與減速后的步進(jìn)電機(jī)相連，其速度可根據(jù)傳感器反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行閉環(huán)控制。當(dāng)上料裝置深入到還原罐最深處時(shí)，該裝置承受載荷最大，Y限位齒輪2和Z限位齒輪承受載荷最大，需要對其進(jìn)行加固保證其強(qiáng)度和剛度。限位齒輪起到支撐上料裝置和限制自由度的作用，所有齒輪的軸上都有軸承，以減少摩擦力。此外，可通過傳感器檢測和急停保護(hù)，防止出現(xiàn)意外。

圖3 移動(dòng)裝置與上料機(jī)構(gòu)的連接形式

2.2 上料裝置

上料裝置為類似傳送帶結(jié)構(gòu)，金屬材質(zhì)的傳送帶可實(shí)現(xiàn)物料轉(zhuǎn)運(yùn)，如圖4所示。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)傳送帶旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速可隨著上料速度進(jìn)行調(diào)整。傳送帶側(cè)面有齒條，傳輸機(jī)構(gòu)通過齒條固定并驅(qū)動(dòng)上料裝置整體進(jìn)入還原罐。上料裝置強(qiáng)度高，并能承受原料存放罐中掉落反應(yīng)物料的沖擊。

圖4 上料裝置和出渣裝置

2.3 出渣裝置

出渣裝置和上料裝置類似，但是其傳送帶上固定有半圓形的刮板，傳送帶運(yùn)動(dòng)的同時(shí)驅(qū)動(dòng)刮板旋轉(zhuǎn)。出渣裝置伸入圓柱狀的還原罐后，半圓形的刮板貼合還原罐壁，鎂渣隨著刮板移動(dòng)至罐口，由于重力作用落入原料存儲(chǔ)罐。刮板與罐壁之間留有縫隙，刮板與傳送帶之間可以小范圍晃動(dòng)，防止出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象。

2.4 存儲(chǔ)罐

存儲(chǔ)罐分為原料存儲(chǔ)罐和鎂渣存儲(chǔ)罐，原料放置在原料存儲(chǔ)罐中，通過重力落在傳送帶上面，隨后進(jìn)入還原罐參加反應(yīng)。原料參加反應(yīng)后變?yōu)殒V渣，被出渣裝置運(yùn)送至鎂渣存儲(chǔ)罐中。存儲(chǔ)罐外面有保溫材料，防止物料溫度下降。剛出爐的鎂渣溫度很高，保溫可最大限度地保證其余熱利用。存儲(chǔ)罐下端有閥門，可以調(diào)節(jié)物料下降的速度。

2.5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本裝置的X、Y和Z方向的前進(jìn)速度、傳送帶的轉(zhuǎn)速和伸入還原罐的深度等參數(shù)可根據(jù)實(shí)際工況及時(shí)調(diào)整，數(shù)據(jù)分析后進(jìn)行智能控制，其控制系統(tǒng)原理如圖5所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后會(huì)進(jìn)入初始化并自檢，讀取相關(guān)設(shè)置信息。根據(jù)自身傳感器采集信息，判斷本裝置所處位置、是否卡頓、是否意外停機(jī)或者緊急停止。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)合人工指令判斷是否恢復(fù)至初始位置，檢查確認(rèn)無異常后將上料裝置和出渣裝置沿Y方向退出還原罐，分別Z向移動(dòng)至初始高度，整體X向移動(dòng)至初始位置?？梢栽O(shè)置模擬運(yùn)動(dòng)、自動(dòng)上料、自動(dòng)出渣、上料出渣同時(shí)進(jìn)行和手動(dòng)模式。上料裝置和輔助裝置之間增加距離傳感器和限位開關(guān)，保證Z向運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)互相干擾。

圖5 控制系統(tǒng)原理圖

2.5.1 自動(dòng)上料

當(dāng)使用自動(dòng)上料功能時(shí)，需保證還原罐內(nèi)無鎂渣占用空間，視覺分析系統(tǒng)輔助工人檢測是否符合上料要求。上料時(shí)出渣裝置沿Z向移動(dòng)至最下端，防止其影響上料裝置的運(yùn)動(dòng)。上料裝置Y負(fù)向運(yùn)動(dòng)至還原罐最深處時(shí)開啟傳送帶，打開原料存儲(chǔ)罐倉門，上料裝置整體沿Y正向運(yùn)動(dòng)時(shí)物料隨傳送帶落入還原罐。調(diào)整傳送帶速度和物料下落速度，將反應(yīng)物完全填充至還原罐。

2.5.2 自動(dòng)出渣

還原罐中的化學(xué)反應(yīng)完全后，取出粗鎂后即可清理鎂渣。視覺分析系統(tǒng)輔助工人檢測確保出渣裝置對準(zhǔn)還原罐軸線位置，開啟傳送帶。出渣裝置整體沿著Y軸負(fù)向運(yùn)動(dòng)，傳送帶下部分的半圓形刮板接觸鎂渣后將其移動(dòng)出還原罐。出渣裝置運(yùn)行至最深處后沿著Y軸正向運(yùn)動(dòng)，最終停至Y向的初始位置。

2.5.3 上料的同時(shí)出渣

出渣和上料同時(shí)進(jìn)行的原理與單獨(dú)進(jìn)行相同，需要注意Z向移動(dòng)時(shí)互相干涉的問題。同時(shí)進(jìn)行上料和出渣工藝能進(jìn)一步減少煉鎂的時(shí)間，提高煉鎂效率。

3 性能特點(diǎn)

該裝置將有效地提高煉鎂工藝中上料與出渣的效率，并減少人工勞動(dòng)強(qiáng)度。其主要特點(diǎn)是：①在不改變車間結(jié)構(gòu)的前提下，通過增加附屬結(jié)構(gòu)提高填裝反應(yīng)物和清理鎂渣的效率，投入成本低；②能精準(zhǔn)移動(dòng)至指定位置完成上料和出渣，改善車間環(huán)境并降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度；③通過傳感器監(jiān)測并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)智能控制，提高煉鎂的效率。

4 總結(jié)展望

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)上料與出渣裝置在不改變原有車間結(jié)構(gòu)的前提下，通過增加附屬結(jié)構(gòu)和優(yōu)化控制的方式，克服傳統(tǒng)工藝中裝料和出渣時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度高和效率低下的缺點(diǎn)。該裝置通過傳感器精準(zhǔn)定位，準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)至還原罐軸線位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料與出渣的功能。通過減少上料和出渣的時(shí)間來提高煉鎂效率；減少工作過程中產(chǎn)生的廢氣和粉塵，從而改善車間的工作環(huán)境。