高軍永，吳中鼎，陳才榮，王新華

（1.貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州貴陽 550000；2.云南云鋁綠源慧邦工程技術有限公司，云南建水 654300）

鋁用冷搗糊作為一種新型環(huán)保陰極糊料，廣泛應用于鋁電解槽的陰極扎固。相比于傳統(tǒng)的熱糊扎固，該鋁用冷搗糊具有操作溫度低、環(huán)境污染小、扎固質(zhì)量好等優(yōu)點。研究表明，采用冷糊扎固的鋁電解槽的平均壽命普遍高于采用熱糊扎固的[1]，但由于傳統(tǒng)人工扎固工藝的限制，無法保證鋪料與搗固質(zhì)量的均勻性。因此，研究鋁用冷搗糊新型扎固工藝對于提高槽平均壽命具有重要意義。

目前，國內(nèi)各大鋁廠對于鋁用冷搗糊的應用大多停留在極間糊和周圍糊上，對于間隙相對較小、扎固要求相對較高的陰極炭塊鋼棒縫，相關的應用還比較少，有關鋁用冷搗糊滾動壓實特性的研究更是鮮有耳聞。鑒于此，為了促進鋁用冷搗糊及其滾壓方式在陰極炭塊組裝上的全面應用，本文將對鋁用冷搗糊進行滾動壓實試驗，以期找尋一種壓實質(zhì)量更佳的滾動壓實工藝，并提出規(guī)范化的滾動壓實操作指標。

1 滾動壓實機理分析

1.1 滾動壓實裝置簡介

滾動壓實裝置主要由移動平臺、布料機構和壓實機構等組成，如圖1所示。整機工作時，布料機構通過料倉下方的旋轉(zhuǎn)下料閥、集料裝置和刮平裝置對陰極炭塊鋼棒縫進行糊料的填充與均布，壓實機構通過液壓缸帶動壓實輪盤對糊料進行恒壓碾壓，在移動平臺的往返運動中實現(xiàn)糊料的來回鋪設與壓實。

圖1 壓實機三維示意

1.2 滾動壓實原理分析

鋼輪工作時料層中的壓實應力分布如圖2所示。當鋼輪以一定的行進速度向圖示方向進行滾壓作業(yè)時，料面的壓應力從鋼輪與料面的接觸點1開始增加，隨后逐漸達到峰值2，最終回到零點3。當鋼輪從位置1行進至位置2時，會形成如圖3所示的滾壓效果，保證了整個料層獲得均勻的壓實度。

圖2 鋼輪料層壓實應力分布

圖3 鋼輪連續(xù)滾壓效果示意

在壓實過程中，鋼制壓實輪盤與料面之間的相互作用主要集中在垂直方向和水平方向。

1）垂直方向上。油缸的靜態(tài)壓應力通過壓實輪盤直接作用于料面，在該靜態(tài)載荷作用下，具有級配組合的冷搗糊料層會產(chǎn)生剪切作用。當該剪應力達到剪切極限時，各冷搗糊混合顆?？朔嗷ラg的粘聚力和內(nèi)摩擦阻力，顆粒間的空氣被不斷排出，不同粒度顆粒間的空隙逐漸減少，料層內(nèi)部的鑲嵌結構趨于致密、穩(wěn)定[2]。

2）水平方向上。料層與壓實輪盤的相互作用力集中體現(xiàn)為壓實輪盤的行駛阻力，該行駛阻力主要由滾動阻力、驅(qū)動輪劃轉(zhuǎn)阻力以及推土阻力等幾部分組成[3]。根據(jù)Bekker假定的相關內(nèi)容，在上述驅(qū)動輪行駛阻力的作用下，料層上表面會受到一個與之等效的反作用力，從而使料層內(nèi)部發(fā)生相對移動，有利于糊料內(nèi)部顆粒位置的重新組合。

由此，通過垂直作用力與水平作用力的聯(lián)合作用會對冷搗糊料層產(chǎn)生強烈的揉搓效果，從而實現(xiàn)糊料的壓實作業(yè)。

1.3 行駛阻力分析

通過上述分析可知，行駛阻力是輪式滾壓系統(tǒng)中對鋪料層產(chǎn)生密實和平整作用的主要因素[4]，因此有必要對其進行詳細分析。行駛阻力主要由滾動阻力、驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)阻力以及推土阻力等幾部分組成，各部分的計算方法不同。參考輪式壓路機械力學分析，在不影響分析結果的前提下，為方便計算，僅考慮鋼輪與料面接觸部分的平面部分。假設油缸傳遞給鋼輪的垂直靜載荷為G，輪寬為b，接地部分長度為l，則料層單位面積所受載荷為：

設鋼輪的滾動阻力為Fρ，由能量守恒定律，當寬度為b的車輪經(jīng)過長度為L的距離時，克服的滾動阻力所做的功為：

式中：Kρ為冷搗糊粘聚力系數(shù)；Kφ為冷搗糊內(nèi)摩擦系數(shù)；Z為冷搗糊的垂直變形量；n為冷搗糊的變形指數(shù)。聯(lián)立可得鋼輪的滾動阻力為：

驅(qū)動輪的滑轉(zhuǎn)阻力為：

式中：M為驅(qū)動力矩；r為鋼輪半徑；i為滑轉(zhuǎn)率。

推土阻力Fb，可根據(jù)朗金被動土壓力理論近似表示為：

式中：m、q為常數(shù)。

基于上述求解可得鋼輪的行駛阻力為：

由上式可知，鋼輪的滾動壓實效果主要受物料特性、鋼輪規(guī)格、油缸壓力以及行進速度等方面的影響，對于不同物料的滾壓只要合理調(diào)節(jié)其余各參數(shù)之間的配合就能得到較好的壓實效果。

綜上所述，滾壓工藝對于陰極炭塊組裝過程中鋁用冷搗糊的扎固是適用的。為了進一步論證其可靠性，下文將對其進行滾動壓實試驗研究。

2 滾動壓實試驗研究

2.1 試驗目的及內(nèi)容

試驗目的及內(nèi)容如下：

1）對松散的A型鋼棒糊進行稱重試驗。通過計算得到該狀態(tài)下的A型鋼棒糊堆積密度，最終求出該A型鋼棒糊達到指定壓實密度1.6 g/cm3時的理論壓縮比。

2）利用計算得到的理論壓縮比對A型鋼棒糊進行滾壓試驗。通過針入度測量結果和溫度測量結果與廠家提供的標準作比，驗證該理論壓縮比的正確性。

3）對A型鋼棒糊進行現(xiàn)場試驗。通過針入計測量結果和溫度測量結果與廠家提供的標準作比，驗證滾壓方式的可行性。

2.2 試驗設備及耗材

1）壓實機 GBKY 100.0（見圖 4）。

圖4 壓實機GBKY 100.0

2）冷搗糊為A型鋼棒糊。其操作說明如下：（1）糊料施工溫度范圍15～40℃，其中25～35℃為最佳；（2）糊料溫度低于15℃或高于40℃時，要加強對搗固糊料的密度檢測，要求控制密度在1.53～1.60 g/cm3之間，避免欠搗和過搗情況的發(fā)生；（3）環(huán)境溫度較高時，施工前應該將糊料置于干燥陰涼處，以便隨時取用；（4）使用前不需要進行加熱(以排除澆注料水分為目的加熱除外)，不噴焦油、炭膠泥或瀝青。

3）試驗支架（見圖 5），用于模擬陰極炭塊鋼棒縫。

圖5 試驗支架

4）其余配套設備（見圖6）。針入計、電子天平HP-A 500、紅外測溫槍FLUKE 574以及試驗盒等。

圖6 其余設備

2.3 試驗過程及數(shù)據(jù)分析

1）利用松散的A型鋼棒糊將試驗盒裝滿，利用電子天平HP-A 500對其進行稱重測量。通過計算得出該松散狀態(tài)下的A型鋼棒糊堆積密度，最終求出該A型鋼棒糊達到指定壓實密度1.6 g/cm3時的理論壓縮比。試驗盒外形尺寸（長×寬×高）120 mm×180 mm×25 mm；試驗盒空盒質(zhì)量G1為97 g；試驗盒滿載質(zhì)量G2為453 g；理論壓縮比k為：

2）根據(jù)計算得到的理論壓縮比，利用試驗支架對A型鋼棒糊進行鋪料滾壓作業(yè)（見圖7），每次都將縫隙鋪滿，將其壓縮到合適位置，保證每次滾壓后的壓縮比都為2.4。壓好后取樣6個點，對其進行溫度和針入度測量，其測量結果如表1所示。

圖7 模擬試驗照片

表1 A型鋼棒糊模擬試驗數(shù)據(jù)

由上可知，當糊料溫度為29℃壓縮比控制在2.4左右時，該鋁用A型冷搗鋼棒糊的針入度約為40 mm。

相比廠家提供的標準（如圖8所示），A型鋼棒糊操作溫度為29℃時，其理想壓實狀態(tài)的針入度為40～50 mm，該試驗所測針入度在要求范圍內(nèi)。因此，本文中計算所得的理論壓縮比是正確的。

圖8 廠家標準

3）如圖9所示，利用真實炭塊對A型鋼棒糊進行現(xiàn)場滾壓試驗，以上述壓縮比為操作指標，壓實后對整個炭塊的ABCD 4條縫分別取樣6個點進行針入度實測，測量結果如表2所示。

圖9 現(xiàn)場試驗照片

表2 針入度實測數(shù)據(jù)（操作溫度20℃） mm

對比廠家標準可知，整個炭塊4條鋼棒縫的針入度均達到要求以上，個別點還存在過搗現(xiàn)象。在同一條縫的不同點位，其針入度存在著較大差異，通過現(xiàn)場分析可知：1）該現(xiàn)場試驗不同于模擬試驗，與A型鋼棒糊的接觸面不再全是鋼板，存在有一半以上的接觸面是炭塊表面，增大了鋪料阻力；2）現(xiàn)場試驗時冷搗糊的用量比模擬試驗多，糊料在縫隙中存在較大空洞以及糊料起拱的可能性增大。以上原因都會導致鋪料均勻性被破壞，從而影響滾壓效果。在本文這種恒壓壓實工藝流程下，布料均勻性的破壞必然引起壓實質(zhì)量的變化。因此，對于本文中的滾動壓實工藝，布料的均勻性是最關鍵的。

3 結論

為了使鋁用冷搗糊在鋁電解槽上得到全面的應用，擬選出一種壓實質(zhì)量更佳的滾動壓實工藝，同時提出規(guī)范化的滾動壓實運行指標。本文通過對滾動壓實機理及特性進行分析，論證其在鋁用冷搗糊應用上的可行性，并進行試驗驗證，通過結果分析得到如下結論：1）初步驗證了滾動壓實工藝在陰極炭塊組裝冷糊扎固的應用是可行的；2）對于滾動壓實工藝，布料的均勻性是最關鍵的；3）該A型鋼棒糊滾動壓實工藝下的壓縮比為2.4。