閆淑君

(神華準(zhǔn)能資源綜合開(kāi)發(fā)有限公司氧化鋁中試廠，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

0 前言

自動(dòng)下料控制技術(shù)作為鋁電解的核心技術(shù)，是評(píng)價(jià)鋁電解技術(shù)水平的重要標(biāo)志。自動(dòng)下料控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)必須基于良好的軟硬件環(huán)境，其中硬件部分最為核心的是下料器的設(shè)計(jì)，軟件部分為下料制度的建立。采用較為先進(jìn)的氧化鋁打殼、下料系統(tǒng),有利于氧化鋁在電解槽中順暢下料。

原神華準(zhǔn)資公司開(kāi)發(fā)的“一步酸溶法”粉煤灰生產(chǎn)新型氧化鋁工藝[1]，已經(jīng)打通全部的技術(shù)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)4 000 t氧化鋁中試全系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行?！耙徊剿崛芊ā碑a(chǎn)生的新型氧化鋁與傳統(tǒng)的拜耳法、燒結(jié)法或聯(lián)合法等工藝生產(chǎn)的氧化鋁產(chǎn)品相比，純度均達(dá)到99%以上，但是新型氧化鋁粒度分布較寬、細(xì)顆粒含量較多、磨損系數(shù)高、顆粒松裝密度較小。新型氧化鋁也存在一些缺點(diǎn)，如顆粒機(jī)械性能較差，容易形成大量的細(xì)顆粒等。如直接采用現(xiàn)行下料器，面臨下料過(guò)程中飛揚(yáng)大、下料器易堵塞卡死、冒料漏料嚴(yán)重、定容不準(zhǔn)等問(wèn)題，即自動(dòng)下料控制中第一個(gè)環(huán)節(jié)就無(wú)法高效準(zhǔn)確執(zhí)行，進(jìn)而影響其相關(guān)特性和下料控制技術(shù)。鑒于此，本文通過(guò)鋁電解槽打殼下料裝置內(nèi)部流暢仿真與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為新型氧化鋁下料提供口對(duì)口的下料裝置，同時(shí)將現(xiàn)行鋁電解槽采用的兩套相對(duì)獨(dú)立的打殼和下料系統(tǒng)簡(jiǎn)化成為一套系統(tǒng)，解決新型氧化鋁細(xì)粉多、易飛揚(yáng)等難題，節(jié)約設(shè)備維護(hù)成本。

1 打殼下料裝置模型構(gòu)建

1.1 流場(chǎng)模型構(gòu)建

在打殼和下料的過(guò)程中，氧化鋁的流動(dòng)分為兩部分：一是氧化鋁從料箱通過(guò)進(jìn)料口進(jìn)入定容器；另一個(gè)是氧化鋁從定容器通過(guò)導(dǎo)料管進(jìn)入電解槽[2-3]。為此，對(duì)這兩個(gè)不同的流動(dòng)狀態(tài)分別進(jìn)行流場(chǎng)仿真。

在氧化鋁打殼下料過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)桿向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)定容器進(jìn)料孔活塞，使氧化鋁從料箱內(nèi)的4個(gè)進(jìn)料口進(jìn)入定容器，這個(gè)空間為進(jìn)料流場(chǎng)。氧化鋁進(jìn)料流場(chǎng)三維物理模型如圖1所示。

圖1 氧化鋁進(jìn)料流場(chǎng)三維物理模型

在氧化鋁打殼下料過(guò)程中，氧化鋁通過(guò)定容器的出料口進(jìn)入氧化鋁暫存區(qū)，然后從氧化鋁暫存區(qū)流入鋁電解槽中，這個(gè)空間為下料流場(chǎng)。氧化鋁下料的流場(chǎng)三維物理模型[4]如圖2所示。

圖2 氧化鋁下料流場(chǎng)三維物理模型

1.2 流場(chǎng)模型設(shè)置

下料過(guò)程口，氧化鋁流體是不規(guī)則、多尺度、有結(jié)構(gòu)的湍流，一般是三維、非定常的，具有很強(qiáng)的擴(kuò)散性和耗散性[5]。將其視為不可壓縮流體，并且將整個(gè)模型設(shè)置為計(jì)算域，在計(jì)算域內(nèi)施加重力因素g=9.8 N/kg。在求解區(qū)域的邊界上，將環(huán)境大氣壓設(shè)置為101 325 Pa，在進(jìn)料口設(shè)置流體流動(dòng)的動(dòng)力，并依據(jù)氧化鋁的進(jìn)料口和出料口的位置，設(shè)置流體的inlet和outlet。

2 仿真結(jié)果分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 氧化鋁進(jìn)入定容器中的流動(dòng)形態(tài)

氧化鋁進(jìn)入定容器中的流場(chǎng)分布如圖3所示。從圖3可知，氧化鋁流速最大值為3.10×10-1m/s，最小值為1.89×10-3m/s；速度在進(jìn)料口處分布均勻，說(shuō)明下料器進(jìn)料口大小完全滿足氧化鋁進(jìn)入定容器的要求。氧化鋁進(jìn)入進(jìn)料口后，受重力加速度和密封環(huán)斜坡阻力的影響，氧化鋁的理論運(yùn)動(dòng)為加速度減小的加速運(yùn)動(dòng)，速度越來(lái)越大；但隨著速度增加，阻力越來(lái)越大，當(dāng)氧化鋁重力與阻力相等時(shí)，速度達(dá)到最大；隨著氧化鋁顆粒在定容器的不斷積累，顆粒與顆粒之間碰撞產(chǎn)生阻力，顆粒的速度不斷減小直到為零。從圖3可看到，最大速度3.10×10-1m/s分布在定容器空間的上部，下部速度最小，1.89×10-3m/s可以近似看作零，密封環(huán)斜坡的速度大于進(jìn)口速度而小于定容器的最大速度，說(shuō)明速度的模擬值與理論分析值吻合。

圖3 氧化鋁進(jìn)入定容器中的流場(chǎng)分布

氧化鋁在定容器中的速度矢量分布如圖4所示。由圖4可看出，氧化鋁從進(jìn)料孔進(jìn)入后，小部分沿密封環(huán)斜坡流入定容器中，而大部分以垂直的運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)入定容器內(nèi)。進(jìn)入定容器時(shí)，極少數(shù)細(xì)小顆粒受流場(chǎng)的影響會(huì)沿定容器側(cè)部運(yùn)動(dòng)，同時(shí)氧化鋁與定容器底部相撞使細(xì)小的顆粒有向側(cè)部運(yùn)動(dòng)的速度，但隨著越來(lái)越多氧化鋁的流入，最終速度為零，留在定容器內(nèi)。

圖4 氧化鋁在定容器中的速度矢量分布

2.2 氧化鋁在暫存區(qū)和導(dǎo)流管中的流動(dòng)形態(tài)

氧化鋁下料流場(chǎng)速度分布如圖5所示。從圖5可以看出，氧化鋁剛從定容器進(jìn)入氧化鋁暫存區(qū)時(shí)具有初始速度，受內(nèi)部活塞的影響，速度不斷減小；當(dāng)氧化鋁運(yùn)動(dòng)到暫存區(qū)中部時(shí)，由于不再受活塞的影響，下落速度不斷增加；當(dāng)氧化鋁運(yùn)動(dòng)到暫存區(qū)下部時(shí)，受密封環(huán)斜坡和打殼錘頭的影響，其速度不斷減小，直到氧化鋁從下料設(shè)備中流出。這說(shuō)明，雖然裝置內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)桿、活塞、打殼錘頭占用了氧化鋁一定的運(yùn)動(dòng)空間，但不影響氧化鋁的下料，其速度分布合理，氧化鋁打殼下料裝置能夠滿足電解槽的下料需求。

圖5 氧化鋁在暫存區(qū)流場(chǎng)分布

氧化鋁下料流場(chǎng)速度矢量分布如圖6所示。從圖6可以看到，當(dāng)氧化鋁從定容器下落后，大部分氧化鋁沿中心向下運(yùn)動(dòng)，只有極少細(xì)小顆粒受流場(chǎng)的影響向四周運(yùn)動(dòng)。隨后氧化鋁受活塞的影響，速度逐漸減小，氧化鋁下落到一定距離后沿著導(dǎo)流管側(cè)壁均勻地向下運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)流管的縮口處時(shí)，氧化鋁沿密封環(huán)斜坡下落，由于在此處不受活塞的影響，運(yùn)動(dòng)空間增大，內(nèi)部的湍流減小，因而氧化鋁顆粒之間的碰撞減少，下降速度增大[6]。當(dāng)氧化鋁下降到導(dǎo)流管底部時(shí)，受打殼錘頭的影響，氧化鋁下降空間減少，導(dǎo)致其下降速度不斷減小，直到氧化鋁從下料設(shè)備中流出。氧化鋁的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象，完全符合電解槽的下料要求。

圖6 氧化鋁在暫存區(qū)下料速度矢量分布

2.3 打殼下料裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)打殼下料裝置如圖7所示。下料器各結(jié)構(gòu)部件說(shuō)明見(jiàn)表1。

1-氣缸；2-支撐筒；3-定容器進(jìn)料口活塞；4-進(jìn)料口；5-定容器出料口活塞；6-定容器；8-下料口活塞；9-氧化鋁暫存區(qū)；10-出料口密封環(huán)；11-導(dǎo)流管；12-錘頭

表1 下料器部分結(jié)構(gòu)部件說(shuō)明

打殼下料裝置主要部件為定容器、暫存區(qū)與導(dǎo)流管。

1)定容器內(nèi)徑為146 mm，高度為190 mm，定容量設(shè)計(jì)值為3.18 L，有效容積為2.46 L。定容量的具體大小應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整定容器直徑或高度進(jìn)行相應(yīng)放大或縮小。

2)暫存區(qū)與導(dǎo)流管：暫存區(qū)的主要作用是實(shí)現(xiàn)裝備打殼與下料兩個(gè)環(huán)節(jié)的銜接，保證打殼過(guò)程中氧化鋁原料從定容器中流入暫存區(qū)，而不至于沿著錘桿漏到覆蓋料結(jié)殼上；而導(dǎo)料管的作用是在打殼動(dòng)作完成后將氧化鋁直接導(dǎo)流至電解槽火眼中，其長(zhǎng)度可根據(jù)殼面距離進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)“口對(duì)口”的高效精準(zhǔn)下料。

3 打殼下料裝置現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 室溫下新型氧化鋁下料裝置測(cè)試結(jié)果

在室溫環(huán)境下對(duì)新型氧化鋁下料器進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出，在全部測(cè)試結(jié)果中，定容量均為1.23 kg，下料量為1.21～1.22 kg，飄逸量為0.01～0.02 kg，下料精度均達(dá)到98.37%以上，這表明新型氧化鋁下料器的精度高、穩(wěn)定可靠。

表2 室溫下新型氧化鋁下料器的測(cè)試結(jié)果

3.2 80 ℃條件下的測(cè)試結(jié)果

為了更好地模擬下料器在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的使用情況，在熱態(tài)條件下對(duì)下料器進(jìn)行測(cè)試，即對(duì)氧化鋁進(jìn)行加熱，讓熱態(tài)氧化鋁進(jìn)入下料器，以更好地評(píng)估下料器的可靠性?，F(xiàn)行工業(yè)鋁電解槽中上部料箱中氧化鋁的溫度與加熱時(shí)間和位置有關(guān)，一般隨新加料加熱時(shí)間的延長(zhǎng)而上升，每個(gè)班組一般加料兩次，即每箱料加熱時(shí)間為3～4 h，中部下料點(diǎn)的氧化鋁溫度高于兩端下料點(diǎn)的溫度。根據(jù)包頭鋁業(yè)華云二廠320 kA鋁電解槽現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，中間溫度最高約為75 ℃，而兩端料箱的氧化鋁溫度約為60 ℃。為此，將氧化鋁溫度加熱到80 ℃，然后進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可看出，在全部測(cè)試數(shù)據(jù)中，定容量為1.25～1.26 kg，下料量為1.23～1.25 kg，飄逸量為0.01～0.02 kg，下料精度達(dá)98.41%以上。這表明在工業(yè)生產(chǎn)條件下，新型下料器的精度、穩(wěn)定性、可靠性未受影響，完全能滿足要求。

表3 80 ℃條件下的測(cè)試結(jié)果

3.3 打殼下料動(dòng)作連貫性測(cè)試數(shù)據(jù)

為了考察新型下料器的動(dòng)作連貫性和一致性，針對(duì)下料器的兩大動(dòng)作(打殼和下料)分別進(jìn)行測(cè)試，打殼動(dòng)作的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。從表4中可以看出，每次打殼動(dòng)作耗時(shí)均為1.2 s，說(shuō)明打殼動(dòng)作穩(wěn)定，連貫性和一致性非常好，不存在卡堵現(xiàn)象。

表4 打殼動(dòng)作連貫性測(cè)試

料箱進(jìn)料時(shí)間見(jiàn)表5。從表5可以看出，在進(jìn)料4 s后，下料量不一，表明定容器中氧化鋁未達(dá)飽和，但在6 s后，下料量穩(wěn)定，表明定容器已被氧化鋁填滿。這說(shuō)明只要在電解過(guò)程中，每次下料間隔不小于6 s，即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定下料，完全滿足生產(chǎn)要求。

表5 料箱進(jìn)料時(shí)間測(cè)試結(jié)果 kg

4 結(jié)論

1)氧化鋁進(jìn)入定容器的速度值依次減小、分布均勻，進(jìn)入定容器中的氧化鋁存儲(chǔ)位置準(zhǔn)確，下料速度分布合理，表明打殼下料裝置完全滿足工業(yè)化鋁電解下料需求，計(jì)算結(jié)果為下料器的設(shè)計(jì)制作提供了理論支撐。

2)下料器樣機(jī)定容器設(shè)計(jì)尺寸即定容量大小可根據(jù)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，只需對(duì)定容器直徑或高度進(jìn)行相應(yīng)放大或縮小。而導(dǎo)料管在打殼動(dòng)作完成后將氧化鋁直接導(dǎo)流至電解槽中，導(dǎo)料管長(zhǎng)度可根據(jù)殼面距離進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)“口對(duì)口”地高效精準(zhǔn)下料。

3)室溫和熱態(tài)條件下的下料器測(cè)試結(jié)果表明下料器定容準(zhǔn)確，下料精度達(dá)到98.37%以上，每次打殼動(dòng)作耗時(shí)均為1.2 s，進(jìn)料時(shí)間為6 s，下料器動(dòng)作穩(wěn)定，連貫性和一致性良好，穩(wěn)定可靠完全能滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。