冯国胜  朱有良

(鹤壁煤业机械设备制造有限责任公司，河南  鹤壁  458000)

 

摘要：围绕铝用炭素混捏工艺要求，研究开发了适应炭素市场需求高效全面积加热相交等速传动HND-4000L混捏锅设备，采用了整体底盘和利用日本松下技术的特殊搅刀，对液压系统进行了优化设计，采用了SIEMENS公司PLC自动控制。该设备运行更稳定、性能更可靠，产品质量及各性能指标得到提高，极具推广价值。

关键词：炭素混捏设备 开发 推广 应用

一、问题提出

随着国内国际电解铝生产的迅速发展，铝用预焙阳极炭素进一步扩产和高质量生产的需求，对铝用炭素混捏工艺如何合理掌握混捏温度和混捏时间以达到最佳混捏效果提出了新的课题。

我公司是河南煤业化工集团下属机械设备制造公司，于1958年建厂，迄今已有50多年的发展历史。自1982年5月生产需求，积累了丰富的炭素设备制造经验。先后为炭素行业，设计制造了多台500L~4000L蒸汽或导热油加热混捏锅。82年至今系列混捏锅产品遍布全国20多个省市，在河南、河北、山东、山西、陕西、湖南、新疆、福建、广西、云南等省占有率达70%以上。

郑州萨辛曦晨氟铝公司、济南万方炭素公司、广西平果强强炭素公司共31家炭素厂使用85台2000L混捏锅。

德州欧莱恩永兴炭素公司使用12台3000L混捏锅，山东中兴炭素公司等13家炭素厂使用56台3000L混捏锅。

龙口东海铝业公司、滨州魏桥铝业公司等11个炭素厂家使用沈阳院设计的36台4000L混结锅。

2006年，与贵阳铝镁设计院进行技术合作，结合我公司生产混捏锅经验，联合设计开发了适应炭素市场需求的新型HND-4000L热煤油加热混捏锅。在吸收目前国内外现行设备优点的基础上，对设备结构作了多出重大改进，采用了整体底盘、双出轴空间二分力流的专用硬齿面减速器，利用日本松下技术的特殊搅刀形状和卵行横截面、耐磨圆弧衬板，改进了卸料门并对液压系统进行了优化设计。使新型HND-4000L卧式双搅刀热煤油加热混捏机运行更稳定、可靠，产品质量及各性能指标得以提高。

二、设备的技术性能及参数：HND—4000L混捏锅

1、容积

总容积：5800升

有效容积：4000升

2、物料处理量

最大物料处理量：4500公斤

最小物料处理量：3800公斤

3、搅刀形式及转速

卧式双轴相交布置的Z型搅刀，搅刀转速双轴同步12转/分

4、加热介质：（锅体及底开门两部分）

导热油加热锅体及底开门

（锅体底部中央液压驱动翻转开门卸料，带顶紧装置。）

工作压力：<0.5兆帕

工作温度：220℃—280℃

5、电机

主电机：Y315L1-6，N=110kw，n=980转/分

液压电机：Y100L2-4，N=3kw，n=1480转/分

减速机润滑电机功率：Y90L-4，N=1.5kw，n=1480转/分

6、减速机

空间二分流专用硬齿面减速机，HFY900，自带润滑系统

7、液力偶合器：TVA650

8、液压系统（一机一站）

液压缸：Φ100/Φ56，S=630

9、设备外形：6500*2450*3110（长*宽*高）

三、设备关键技术

1、采用了“并排相交重叠等速型”方式配置两套Z结构卵形横截面的搅刀，而不是采用传统的“并排相切不等速型”配置方式。既两搅刀直径相同且大于两搅刀中心距，搅刀作用半径中部成相交状态，并以同步转速转动，互成90度安装。Z型搅刀采用特殊耐磨钢材制成，大大提高了搅刀的使用寿命。刀轴采用优质碳素结构钢材质，刀体横截面设计为卵形结构，有效的防止了搅刀粘料现象，刀体横截面积有方行、梯形和卵行，经过生产碳素厂家使用对比，卵形横截面无粘料现象，克服粒度破坏，同时提高了混捏效果，减轻了衬板及刀体本身磨损。糊料在这种情形下的混捏过程中，除了沿搅刀径向和轴向的复合运动外，还加快了糊料之间在两搅刀作用范围内的相互交换，强化了揉搓，也就是捏这个工序，提高了糊料的物理性能，同时有效的减缓了对锅底圆弧衬板的磨损，避免了混捏死角。

2、在传动系统上采用了双出轴输出，空间二分流传动的专用硬齿面减速器，它将过去的同步减速箱和标准硬齿硬减速器和二为一，省去了一级传动，降低了电动机工作高度，增加了传动稳定性，改善了电动机工作环境，维护安装方便，同时缩小了设备占地面积及整机重量，使配套更为合理，电动机与双出轴输出二分力流传动的专用硬齿面减速器的联接采用液力偶合器，专用硬齿面减速器与搅刀轴间的联接采用齿轮连轴器，这样，改善了电动机启动性能和运转平稳性，提高了传动精度，降低了能耗。

3、搅刀轴与外界的密封，采用填料加迷宫双道密封，增设注油装置，保证密封性能，防止漏料。采用了防磨措施，轴与密封处设计了轴套，表面经特殊处理，迷宫压紧采用了特殊的蝶型弹簧紧固方式，有效的防止了糊料外漏及对搅刀轴的磨损；在轴承座轴承装配部位，设计了冷却水装置，根据膨胀系数，确定了准确的公差，防止轴承由于过热而烧坏；轴承采用了调心滚子轴承，减小了传动阻力；设计有锅体膨胀补偿结构。

4、衬板采用了特殊材质，不但大大提高了衬板的耐磨性，而且使衬板具有良好的高温抗氧化性和耐腐蚀作用。该衬板特别适用于阴极糊对衬板耐磨性的要求。锅体主体衬板采用了易拆卸的衬板结构，方便了最易磨损部位锅底圆弧衬板的更换。

5、锅体加热是采用全面积环行S回路，受热面积大，锅盖及卸料门也设计为热煤油加热。卸料门用耐高温金属软管与加热系统管路相连。并有闸门控制流量，这样避免了过去卸料门加热，由于控制失灵，而发生卸料门过热与锅体烧死，使用不灵活，甚至不能使用的现象。整个加热分为六个区域，并由分配器通过阀门控制各区域流量保证锅体各部温度均匀，所有法兰均采用金属缠绕柔性石墨垫片密封。

6、糊料测温点设计在搅刀轴中心位置，不受积料影响，料温是直接从糊料中心测出，在测温管与热电偶间填充导热糊，测温准确，避免了糊料表层与内部的温差。热电偶采用双支热电偶，满足整体自动控制要求。

7、锅体顶盖两个沥青注入孔和两个排尘孔均沿轴向对称布置，在沥青孔有分散板，在沥青注入过程中，混捏阻力均匀，有利于整机运行平稳；顶盖增加保温层，提高热效率。

8、双层外层保温层，有效防止了热量外散，降低了能耗，提高了混捏效率，改善了现场作业环境。

9、电控系统采用PLC可编制控制器，控制水平明显提高，除了对物料的混捏温度进行监控外，还可以对加热系统的温度进行监控，同时还对卸料过程进行连锁，以保证装卸料运行准确无误，可实现随时根据情况设计工作程序，自动化程度高。

10、在液压设计上采用液压互锁，在卸料门没有下降的情况下，卸料门不能翻转，同时在电器控制回路上也采用连锁，形成双重保护，即为摆动马达不工作，推力油缸不工作。增加集中润滑装置，对搅刀轴填料密封及迷宫密封，轴承部位，底开门机构进行加油润滑，减轻工作劳动强度。

四、工作原理

HND-4000L热煤油加热混捏机工作原理：物料通过下料口进入锅内在加热的锅体内进行混捏加热到一定温度后，加入沥青，再经过一段时间混捏后，加热到要求温度后通过锅底中央底开门将糊料均匀排出。底开门采用翻转结构，卸料时，是通过底开门两轴承的摆动马达旋转，带到升降螺杆旋转使底开门两轴承座下降2.5-3mm，这样底开门与锅体门框有一定间隙，然后推力油缸推动卸料门旋转，旋转90-110度，卸料完毕，液压油缸把卸料门推回原位，随后启动摆动马达，将底开门上移2.5-3mm，将门顶严，完成一个开启和关闭过程。该工作过程均由PLC可编制控制器控制为自动化作业。

五、设备控制

每台混捏锅有1个集中控制柜和1个就地防尘控制柜（防尘等级ＩＰ５４）组成。本控制系统采用德国西门子公司的S7-200、CPU224高性能可编程控制器模块，每台混涅机设置独立的模块，减少PLC损坏而导致的停锅数量。通过编程可自动控制混捏机的加热、混捏、进料、排料的工艺流程。可以通过模块上的通讯口和其他PLC通讯。就地柜可方便现场调试和切断PLC后的手动操作。

1、主要技术参数

（1）主回路

主电机功率110KW，额定电压AC380V频率50HZ。

液压电机功率３KW额定电压AC380V频率50HZ。

减速器润滑电机１.５ KW额定电压AC380V频率50HZ。

（2）控制回路

采用隔离变压器AC380/220V频率50HZ，功率1KVA，供给PLC电源。用直流稳压电源供给手动操作DC24V直流安全电压功率1KVA。

（3）仪表单元

测温仪表为DY2000系列智能仪表具有冷端补偿功能，测温热电偶分度号为Ｅ。用分度号E的补偿导线连接。

2、电路工作原理

（1）主电路：主电路有三台电机，主电路额定电压AC380V，主电机额定功率110KW，液压电机功率３KW，减速器润滑电机１.５KW。电机保护采用空气断路器进行短路保护，选用接触器和热继电器配合对电机进行断相和过载保护。每台电机均有手动自动两套控制线路，电机的运转情况及故障情况均有相应的指示灯指示和滤油故障蜂鸣器报警，主电机的负载情况可由设在集中控制柜和就地控制柜面板上的电流表检测到并指示。

（2）控制电路：控制电路有电源、PLC自动控制和手动控制三部分构成。

a、电源部分主要有1KVA隔离变压器AC380/220V和1KVA直流电源AC220V/DC24V构成。控制系统的供电是由外部引入AC380V电源，经断路器F1向380V/220V-1KVA隔离变压器供电，变压器次级的AC220V电源经熔断器RD01，RD02并通过系统启动接触器KM０的主触点向控制系统各部供电，DC24V直流电源是由隔离变压器的次级引来，经F4空气断路器进入直流稳压电源模块经整流、滤波、稳压得到的。经F５给手动控制供给DC24V直流电源，由隔离变压器次级引出经F７给PLC提供AC220V电源。经F6给接触器和电磁阀提供电源。同时给温度控制仪表供电。

b、在混捏机的就地控制柜上有1SA混捏控制手自动转换按扭和2SA液压手自动转换按扭可方便的实现手动控制和自动控制转换。在系统工作以前根据本单位工艺情况将物料控制仪表XMT1四限报警点设置好，（温度设置仅供参考）既01设置为锅体温度上限，02设置为干料温度上限，03设置为物料温度上限，将热电偶测温点在热媒油分配器内检测热媒油温度下限，热媒油控制仪表02设置为热媒油温度的下限。将1SA、2SA旋至自动位置，混捏系统将处于自动控制状态。根据PLC事先编制好的程序,混捏机将自动完成混捏过程。首先通过装在混捏机搅刀轴上的热电偶测锅体温度达到设定值时，混捏系统发出要干料信号给配料系统，当配料系统放料完毕后给混捏系统放料完毕信号，混捏机开始搅拌并干混计时达到时间后且温度达到工艺要求，混捏系统PLC向配料系统发出允许放沥青信号。配料系统放沥青完毕后发出放沥青完毕信号。混捏机开始湿混记时达到时间后且检测糊料温度达到工艺要求，混捏系统给出料系统一个申请出料信号，当出料小车到位后给PLC一个信号，PLC接到小车到位信号后给液压系统信号，液压系统自动启动然后再给开门电磁阀信号卸料门打开，当排料完毕后卸料门关闭，至此完成了一个混捏工艺过程，若出现故障请按系统停止按钮或急停按钮处理故障，并手动完成本次工艺过程（见图六所示）。

c、手动控制：将1SA、2SA旋至手动控制位置可以实现混捏机的手动控制。观察混捏机就地温控表温度达到要求值时，按动要干料信号按钮要求卸料，当放干料完毕铃声响起后按动主电机正转按钮混捏机开始混捏，混捏一定时间后按下允许放沥青按钮加入沥青。当看到放沥青完毕蜂鸣器信号后再混捏一定时间，同时观察温控仪表温度达到工艺要求温度，按下申请出料小车按钮，当出料车到位铃声响起后，旋转3SA至底门松开位置。旋转4SA至底门打开位置卸料。卸料完毕后将4SA旋至关门位置将底门关上，旋转3SA至底门顶紧位置。将锅门顶紧，完成一个手动混捏过程。上述工作过程可根据本单位工艺情况调整温度掌握时间长短。

六、2006年自今该设备在炭素厂使用业绩表

茌平华信碳素有限公司 HND—4000L 8 热媒油 2006.12

德州永兴重工碳素有限公司 HND---4000L 8 热媒油 2007.4

河南宇晖碳素公司 HND---4000L 2 热媒油 2007.5

沁阳市碳素公司 HND---4000L 3 热媒油 2007.6

平顶山三基碳素有限公司 HND---4000L 1 热媒油 2007.6

鲁山远宏碳素有限公司 HND---4000L 2 热媒油 2007.8

河南金驹实业有限公司碳素厂 HND---4000L 1 热媒油 2007.9

沁阳市黄河碳素有限责任公司 HND---4000L 4 热媒油 2007.9

洛阳金龙天灵炭素有限公司 HND---4000L 8 热媒油 2007.11

郑州市萨辛曦晨氟铝有限公司 HND---4000L 6 热媒油 2008.1

临邑索通碳素有限公司 HND---4000L 8 热媒油 2008.2

焦作博爱恒裕炭素公司 HND—4000L 6 热媒油 2009.1