电解铝阳极导杆组铝导杆表面在线自动清刷机的研发与应用

电解铝阳极导杆组铝导杆表面在线自动清刷机的研发与应用

张万聪

铝电公司青铜峡分公司  751603

一、前言

铝电公司（宁夏能源铝业）承担着国家电投“专业化产业子集团、铝业贸易服务平台、铝业科技创新平台”三大战略使命。青铜峡铝业分公司隶属国家电投集团宁夏青铜峡能源铝业有限公司（青铜峡铝业股份有限公司），其核心产业包括电解、阳极、铸造三大生产系统及动力、物流等辅助系统。电解系统目前运行200kA、350kA两个电解生产系列，均采用大型预焙阳极生产技术，年产电解铝43万吨，配套阳极系统年产阳极制品30万吨。

组装车间两个系列分别于2001年和2005年投产，是青铜峡铝业分公司两个电解铝预焙阳极配套车间，主要为200kA、350kA电解系列提供组装阳极，是集团公司阳极组装工的培训基地。其工艺（见图1）是将电解返回的残极进行清理、压脱、破碎后进入成型车间配料系统，导杆组件经铁环压脱、钢爪清理、导杆检测校直、蘸石墨、烘干后与焙烧块进行配位，用1350℃的高温铁水进行浇铸，将浇铸好的阳极组送电解使用。

二、实施背景

铝电解槽的炭阳极由铝导杆组和炭块组成,被称为电解槽的“心脏”。在铝电解过程中起着非常重要的作用，阳极铝导杆是炭阳极的导电体，结构分铝导杆部分、钢爪组部分、铝钢爆炸焊接头三部分,是预焙电解槽生产重要的损耗部件。在不断循环生产使用过程中各部分都会发生不同程度的损坏,铝导杆根部开焊产生裂纹,增加压降；钢爪受热膨胀内曲变形,无法置入炭块炭碗内；铝导杆表面产生氧化皮、划痕、毛刺等缺陷；造成与电解槽水平母排接触不良，导电率下降。面对导杆表面氧化皮、导杆上的毛刺以及附着物和划痕无法清理修整，尚未有使用效果较好的专用设备，导致铝导杆使用状况日趋恶化，不能满足生产需要，急需研制一种铝导杆表面清理机，用于打磨、抛光铝导杆与阳极母线接触的表面，清除其表面的氧化层和微小凸起物，保证在电解铝生产时降低接触压降，对吨铝辅材消耗和能耗 方面有较大影响,易造成生产成本升高,对人身、设备、安全造成隐患。因此,阳极铝导杆表面的修复是电解铝企业的一项重点工作,本文围绕铝电公司青铜峡分公司存在的上述现象,在生产实践中寻找出解决问题的办法,取得了实际成效。

三、成果内涵与方案

（一）铝导杆清刷机主要研究内容

    以车间技术骨干，高级技师，专工为主成立项目小组，通过网上查阅参观学习开阔设计思路，利用小组成员的技术特长，发挥每个人的技术创新力，研究攻克以下难题：

（1）各机构动作要通过自主研发的PLC控制程序对接收到的现场信号进行处理，可手动操作也可自动控制。

（2）PLC控制电磁阀、油缸、气缸和清刷电机等部件动作，保证清刷机各部件的动作与输送链上铝导杆的动作相匹配，实现由夹紧装置将铝导杆夹紧后，通过钢丝刷辊上下运动来完成对铝导杆表面的清理。

（3）清刷厚度采用直线导轨定位，利用伺服电机对清刷厚度进行精确调整，用同步马达保证各运动副之间的精度。

（4）清理后的铝导杆表面光洁平整，不能有大于1mm的凸凹痕和附着物。

（二）铝导杆清刷机原理

     小组人员通过现场测量分析，选定清刷机在组装流水线上的安装位置，利用气动停止器精确实现铝导杆组到达清刷工位后停止，夹紧装置夹紧导杆，利用刷辊旋转打磨、抛光导杆的两个工作面，由升降油缸推动清刷机构清理导杆工作面，清刷长度不小于1000mm的部分。

（1）导杆清刷机安装工位的选定

在原组装生产工艺流程中增加一道导杆表面清刷工序，具体位置选定在蘸石墨工位前方。如（图2）所示：

（2）导杆清刷机的结构组成

6、铝导杆在线自动清理机主要由机架、夹紧装置、升降装置、清刷装置、收尘装置、PLC控制系统等组成

（3）导杆清刷机各机构动作信号的选定

当导杆到达清刷工位时，夹紧装置夹紧导杆，升降油缸推动清刷系统对导杆两侧进行打磨、抛光，清理导杆长度不小于1000mm的部分。利用PLC控制系统的输入、输出信号，控制各执行机构的动作，保证导杆清刷机各部分的动作与输送链上铝导杆组运行的信号相匹配（见图4）。

（4）导杆夹紧机构设计

利用导杆到位信号控制两个锁紧气缸动作，采用菱形夹具与气缸连接实现钢爪锁紧，上下4个锁紧气缸同时动作，将导杆组锁死在清刷位置，实现定位功能

（5）清刷机自动控制程序编写

1）伺服机构控制器与驱动器的连接与动作功能

程控：电机根据用户编写的任务中的指令执行； 直控：按键抬起来停止，按下运行，可设定步数，当设定步数走完后，即使按键没抬起，仍然会停止，当步数没走完抬起来也停止。当步数设为0时，一直执行按下运行，抬起停止。 直控按键为外部按键时，接在左键和右键的端口上。              注：关于每圈的脉冲量 对于步矩角是1.8度的步进电机，转动一圈是200个脉冲，驱动器在2细分的情况下是每圈400个脉冲，8细分时每圈1600个脉冲，16细分时每圈3200个脉冲。

2）导杆清刷机PLC程序运行顺序表

按照停止-锁紧-清刷-锁紧打开-放行的循环过程来编制各机构动作的PLC程序顺序

（三）清刷机主要技术参数    

清刷工作行程:       1000mm    

生产能力:           ＞45组/小时    

铝导杆截面：        130mm×130mm

钢丝刷辊规格：      Φ200mm×200mm   

刷辊转速：          1470r/min

气动系统工作压力：  0.4-0.6Mpa

设备总功率：        12kW

四、实施效果

（1）通过PLC控制顺序（见图7），实现导杆清刷机与运行的悬链形成闭环联动，最终达到自动清理导杆表面的效果。

（2）利用水平电液推杆运行稳定、同步性强、速度行程可调等优点，实现左右刷辊的升降，可同步调节

（3）用伺服电机微调的特性，实现了0.02mm的行程微调整，保证氧化皮和毛刺的清刷厚度（见图9）。

（4）安排班次试验清刷，达到了预期效果

经过团队近两年的努力，铝导杆清刷机项目已完全结题，平均槽平均电压降降低了1.65mv。该课题为自主研发和应用，利用先进的控制技术，实现了设备各机构功能。自行编写的控制程序可划归为软件注册权专利，研制的设备已申报了新产品研发专利。通过对导杆表面清刷厚度的精细控制，带动了车间生产装备提升及质量管理方面的整体提升，消除了人员手工清理带来的安全隐患。

五、经济效益

该项目实施后，清刷后的铝导杆阳极组通过与电解车间配和挂槽测试，数据连续采集了电解三、四厂房27台电解槽进行了对比，槽平均压降降低1.65mv，吨铝节约电量：1.65mv*3.3kw.h/mv=5.445 kw.h，取得了明显效益。

（一）安全方面，消除了铝导杆与水平母排接触不良造成打火的重大安全隐患。

（二） 该设备投入使用后运行平稳，除正常计划检修外，生产期间运转率达到100%。

六、优化与发展方向

通过当前课题的过程管理及成功实施，在产品质量提升，创新方法方面取得了良好效果，锻炼了一个优秀团队，但也存在不足，还需进一步优化，铝电公司青铜峡组装车间计划持续在以下几个方面加强该课题管理，逐步走向专业化、规范化和标准化。

该项目采用“优质、精密、高效”的过程管理模式，通过不懈努力，课题组在研发、创新、质量管理体系方面基本成型，课题质量管理进一步规范，工作效率和质量逐步提升，帮扶参与课题的相关团队建立了科研质量管理流程和创新方法的完善。通过该课题的实施，参研团队质量意识普遍提高，人员过程控制水平显著提升，管理体系日渐完善，为后续其他项目课题实施打下坚实的基础。在国电投“2035一流战略”目标落地，年度JYKJ各项重点任务创新落实，全面实现绿色能源转型的压力推动下，项目组通过严密的质量管理，有序推动课题进展，基本实现了“以质量保进度、以创新促发展”的预期目标。