一种铝槽打壳助力提锤装置的制作方法

本发明属于设备制造技术领域，具体涉及一种铝槽打壳助力提锤装置。

背景技术：

在电解铝生产中，自焙电解槽中电解质的表面会凝固一层硬壳，妨碍下料和熄灭阳极效应，必须定时打掉这层硬壳，才能保持生产的正常进行。因此，打壳作业是电解车间一道重要的生产工序。

自焙槽电解质表面凝固层的硬度和韧性较大，需要有快速有力的打壳机构。打壳机以压缩空气为动力，机头采用气动冲击气缸，通过气阀切换气路，完成锤头的连续上下运动，实现打壳功能。

锤头和活塞钎杆采用螺纹或焊接连接，钎杆末端为锤头，锤头要到达熔融电解质液，否则易出现打壳不到位，进料口不开，氧化铝不能及时进入电解质熔液导致发生阳极效应；然而，锤头过长在熔融电解质熔液中浸泡时间延长，从而电解质黏附物比较多，有助于“粘包”长大，随后降低打壳效率。

打壳锤头所发生的“粘包”现象，导致槽电压波动范围大，劳动强度明显增加，影响电解槽稳定运行，降低电流效率，严重时破坏电解槽热平衡，引发化炉帮、槽壳发红等不良情况。

打壳缸主要是在每次电解槽下料前打破电解质表层结壳，保证氧化铝原料顺利进入电解槽。气缸主供气压力约为6～8bar，全程气动驱动控制，气控二位五通阀安装在竖立打壳缸的上端盖，形成阀缸一体型。

打壳气缸发出向下锤击动作时，气缸推动加上锤杆重量双力作用，打壳效果显著；而打壳气缸发出向上提锤动作时，气缸需克服锤杆重量，提升回程缓慢；另外，气缸同时充气拉低管网气压，或者管接线路有泄漏发生，打壳锤头执行动作无力，导致锤头在熔融电解质熔液中浸泡时间延长，从而电解质黏附物比较多，“粘包”容易长大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铝槽打壳助力提锤装置，达到缩短高温熔液浸泡时间、提高锤头使用寿命的效果。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种铝槽打壳助力提锤装置，包括：

储能弹簧，安装在气缸缓冲室内，能够将活塞末端行程动能转换成机械能蓄积，打壳期间气缸向下压紧活塞，锤头行程到底静止后，储能弹簧提供有限回跳力，小幅抬升锤头，微跳改善在熔融电解质液中浸泡强度；

还包括稳压单向进气储能罐和自力调节阀，单向进气储能罐与主供气管并联设置，单向进气并储存适量气体，自力调节阀依据气源压力波动，吐出储气，维持气缸供气压力稳定；

提锤初期气缸向下压紧活塞力解除，储能弹簧再次顶抬活塞上移，弹簧助力在前、稳压供气推升活塞随后，形成双力连贯驱动，锤头迅速脱离熔融电解质液层。

进一步，所述行程储能弹簧，安装在气缸缓冲室内，当活塞进入行程缓冲段，逐步压缩所述行程储能弹簧，伴随活塞动能耗尽、制动停止，压紧所述行程储能弹簧，实现动能转换成机械能并蓄积。

进一步，所述行程储能弹簧为具有储能效果的压缩型单弹簧或者套装弹簧组。

进一步，所述单向进气储能罐由逆止阀和储气罐构成，并与所述主供气管并连，当所述主供气管压力高于所述储气罐的压力时，所述逆止阀打开给所述储气罐蓄积气体。

进一步，所述自力调节阀，从主气源上取压力控制信号，自力调节阀门开度，主气源压力低时开度大，主气源压力高时开度小，依据吐出储气量，缓解主供气管压力波动。

本发明的有益效果在于：本发明主要由活塞末端的行程储能弹簧和单向进气储能罐，以及自力调节阀，三种标配机械设备组成，无惧强磁场、大电流、高温侵扰，具有技术上成熟可靠、流程简单通用，针对电解铝槽环境适应性较强的特点。同时本发明将系统内部原本富余动能，顺势转换成助力提锤势能，重构助力提锤连贯加速装置，起到迅速脱离熔融电解质液层、达到缩短高温熔液浸泡时间、提高锤头使用寿命的效果；装置结构简单、作用功效明显。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为铝槽打壳气路、电控系统主要部件图；

图2为活塞末端行程储能弹簧势能蓄积示意图；

图3为储能弹簧套配示意图；

图4为储能弹簧顶抬重载活塞示意图；

图5为储能弹簧顶抬轻载活塞示意图；

图6为稳压充气原理示意图；

图7为铝槽打壳助力提锤装置原理图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

通常电解铝槽厂房内分成两个工作区域，每个区大致并置有74槽系列；通常电解铝槽约17.5米长、4.9米宽，铝槽间距约2.9米；单个电解铝槽配置一路供气管，分别向六处气缸打壳点、对应的六处加料点，提供6～8bar动力供气源。周期动作按：1、3、5奇数点先执行a秒打壳，6秒～7秒后1、3、5点下料，再2、4、6偶数点打壳，随后2、4、6点下料，间隔130秒后重复执行。

如附图1铝槽打壳气路、电控系统主要部件图所示，打壳气缸6垂直安装，相对活塞7上下划界，分别有上气孔和下气孔，上气孔与气控二位五通阀4号气路口连接，下气孔与2号气路口连接，气控二位五通阀1号气路口接6～8bar动力供气源管。

当打壳时，地面气控柜内的打壳换向阀，3号气路口接～2bar气控指令气源，打壳电磁阀受电后，2-3和1-4气路通，发出打壳气控指令给气控二位五通阀，此时气控二位五通阀1-4气路通，供气源向打壳上气缸充压，同时2-3气路通，下气缸对外排放气，在气缸活塞行程推力和活塞连接的锤头8重力共同作用下，活塞7快速驱动锤头8向下，实现有力打壳。

执行a秒后，还是气控柜内的打壳换向阀，打壳电磁阀失电，阀芯弹簧推动自复位，切换成1-2和3-4气路通，即放空打壳气控指令、发出提锤气控指令；这时，气控二位五通阀收到提锤气控指令后，切换至1-2气路通，供气源向提锤下气缸充压，同时4-5气路通，上气缸对外排放气，在气缸活塞行程推动下，克服活塞连接的锤头8重力，活塞缓慢向上提锤。

气控柜内的打壳换向阀，电磁阀受电发出a秒打壳气控指令外，其余时段保持提锤气控指令130秒，如此循环。传输气控指令的低压气源与气缸动力供气源，相互独立。

气缸6上连接的气控二位五通阀，听从打壳换向阀气控指令，操控活塞7作上行或者下行往复二位动作。

由于电解铝槽可能带有电势，借道各种电缆不慎形成对地短路，将造成车间供电设备损毁，后果不堪设想；其次是巨大的电解电流，伴随着强大的干扰电磁场，未作特殊防护的电子类仪器极易失效。因此，在电解铝槽环境中，采用线缆式电子仪表设备隐藏着较高的风险。所以电子仪表都要作好磁防护的同时，尽量不要在电解铝槽与地面设备之间敷设电缆。

如电解铝槽上气控二位五通阀，与地面气控柜内的打壳换向阀连接，全部采用气控信号传递，气控指令管采用分段式金属和绝缘胶管交替敷设，杜绝沿信号线路出现对地短路风险。

同理，还对应配置有一套加料气控系统，在发出打壳气控指令6秒～7秒后，下料阀换向，驱动下料缸通过打壳开孔，添加氧化铝或氟化盐物料，打壳与加料时序联动。

气缸6行程末端设有缓冲室，气缸6气压缓冲件压缩缓冲室内余留空气，当作气垫防止活塞与端底盖碰撞；锤头8和活塞钎杆间采用螺纹或焊接连接，要求锤头8必须到达熔融电解质液，否则易出现打壳不到位，进料口不开，不能及时加进料，导致发生阳极效应；然而，锤头太长在熔融电解质液中浸泡时间过长，从而电解质熔融黏附物比较多，有助于“粘包”长大，降低打壳效率。

气缸昼夜动作700次以上，每次锤头8浸泡在高达950℃的冰晶石90％、氧化铝5％及添加剂5％组成的熔液中2～3秒，造成锤头浸泡时间过长、电解质熔融黏附物比较多、清理“粘包”费时耗力、甚至频繁更换锤头等系列问题的原因有：设定执行打壳气控指令a秒时长过大，同时多气缸充气拉低供气管网压力，活塞提锤缓慢；活塞连接的钎杆锤头过重，启动惯性太大；气缸活塞下面积小于上面积，天生提升力不足。

通常活塞行程约有2000mm长，一方面由氧化钠、氧化钙、氧化镁分解成的冰晶石所构成的电解质主体成分不断变化，会造成表面结壳硬度和粘度不一样；另一个方面熔融电解质液，随生产调整有100mm波动范围，电解质壳体温度500℃左右，因此，打壳所需锤击力度和插入有效深度也要跟随调控。

到目前为止，围绕打壳效率设计的气动系统，对提锤效率考虑不够，减少锤头滞留措施不力，另外打壳过程按时序开环控制；本专利借助打壳气缸末端行程储能，弹跳助力于提锤效率上，减少锤头接触熔液时长，进而改善由“粘包”引起的系列问题。

如附图2活塞末端的行程储能弹簧势能蓄积示意图所示，活塞7末端的行程储能弹簧9安装在气缸6的缓冲室内，活塞7快速驱动锤头8，打穿电解质硬壳体，会触碰到熔融电解质液，此时活塞7进入行程缓冲段，逐步压缩活塞7末端的行程储能弹簧9，伴随活塞7动能耗尽、制动停止，压紧行程储能弹簧9，实现动能转换成机械能蓄积。

打壳行程前段，锤击电解质硬壳消耗动能较多，而后段进入电解质熔液软层，消耗动能较少，在活塞7末端行程到制动停止期间，行程储能弹簧9储能效率较高，能够蓄积到较多弹性势能。

如附图3储能弹簧套配示意图所示，除压缩型单弹簧外，大直径弹簧内，套装小直径弹簧，套装弹簧组能够更好防止倒簧，增强冲击稳定性。

弹簧还可以安置在气缸外，一头固定在气缸下底盖外壳上，一头固定在锤头上，采用拉簧形式蓄能。

所以，活塞末端行程储能弹簧，包含具有储能效果的压缩型单弹簧、套装弹簧组，还也可以是拉伸型弹簧，如图3所示，其中9-1为压缩型单弹簧，9-2为弹簧套组，9-3为拉伸型弹簧。

如附图4蓄能弹簧顶抬重载活塞示意图所示，活塞7末端的行程储能弹簧9一旦蓄积到较多弹性势能后，对静止下来的活塞施加回跳力，此时上气缸仍处于带压过程中，活塞7巨大的下压力，加上活塞钎杆和锤头8重力，活塞7处于重载状况下，行程储能弹簧9抬升位移较小，微跳只能小幅提升钎杆锤头，对改善熔液浸泡强度的效果有限。

打壳指令执行a秒在2～6秒可调，接着发出提锤气控指令，活塞7执行提锤动作，气控二位五通阀完成切换，1-2气路通，供气源向提锤下气缸充压，同时4-5气路通，上气缸对外排放气，解除了活塞7巨大的下压力，活塞7处于轻载状况下，行程储能弹簧9顶抬位移显著，如附图5蓄能弹簧顶抬轻载活塞示意图，巨跳能进一步提升钎杆和锤头8，离开熔液层，进一步改善浸泡强度。

尤其是重载消失过程，伴随巨大弹跳位移生成过程，行程储能弹簧9向活塞7提供起动初速度，加上气力作用活塞7向上推动增援，行程储能弹簧9的顶抬力和活塞7递增推力，两者作用方向一致，有利于加速提升锤头8，尽快脱离熔融电解质液。

然而，前述打壳换向阀对如1、3、5奇数点发送提锤指令，也就是说有此时三个气缸同时执行提锤动作，导致多气缸充气拉低供气管网压力，提供的6～8bar动力供气源，动态瞬间会滑落到2～3bar范围，随着用气量减少，气压才逐步上升，直到不消耗静态，气压恢复到6～8bar；压力波动会造成有效供气不足，影响提升速度，使得初期活塞提锤缓慢。

如附图6稳压充气原理示意图所示，单向进气储能罐由逆止阀10和储气罐11构成，逆止阀10和储气罐11与主供气管并联设置，使得储气罐入口仅能单向进气，主供气管压力高时，只能让高波峰压力挤进储能罐，收集供气源最高气压保存。

在储气罐11出口，设置自力调节阀12，从主气源管上取压力控制信号，自力调节开度，主气源压力低时调节阀开度大，主气源压力高时开度小，缓解主供气管压力波动；储气罐11用削峰收集来的高压气，充填主供气管压力低波谷，推迟甚至消除供气源压力下降，借助双路供气实现稳压，加快提升活塞7和锤头8初始段速度。

储气罐11，储存打壳气缸容积一半左右适量气体，随着储气吐出而罐内压力降低，逐渐失去稳压作用，因而后程提锤速度，将受供气管网压力波动而随波逐流。

储气罐11靠近耗气点设置，对应单个气缸小容量、跟前配置时，与气控二位五通阀一起，安装在竖立打壳缸的上端盖；也可以是单槽上多气缸共用大型化、前沿配置，气路会稍长。

在储气罐11上，设有就地压力表，指示罐内储气压力值，供气源支管上发生泄漏，将影响储气压力最高值，方便供气管路漏气检查。

自力调节阀12，采用弹簧平衡式气动快开阀形式，特别作用于打壳、提锤气缸活塞动作初期。引入主气源管上压力推动薄膜，带动阀杆、阀芯，调整开度大小；快开阀芯工作曲线，实现较小开度变化量、吐出较大调配气量的特性。

如附图7铝槽打壳助力提锤装置原理图所示，一种铝槽打壳助力提锤装置，闲暇时储气罐11通过逆止阀10收集并储存少量高压气源，通过自力调节阀回吐，弥补供气管网压力不足；首先利用活塞7末端行程缓冲段，行程储能弹簧9充分蓄积机械能；随后打壳动作尾段，活塞7仍处于重载下，行程储能弹簧9小幅度释放势能，微跳改善锤头浸泡强度；后续提锤动作始段，活塞7一旦轻载后，进一步顶抬活塞7巨跳上移，实现弹簧助力在前、活塞强劲推升随后，在双力连贯作用下，力保活塞提锤初期快速高效。

所带来的显著优势：将系统内部原本富余动能，顺势转换成助力提锤势能，重构助力提锤连贯加速装置，起到迅速脱离熔融电解质液层、达到缩短高温熔液浸泡时间、提高锤头使用寿命的效果；装置结构简单、作用功效明显。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。