自動上料與出渣裝置的設計與研究

0 引言

在皮江法煉鎂工藝中，還原罐內發生化學反應，以制備出粗鎂?；瘜W反應前需要向還原罐中填裝反應物，反應后還需要將反應完成的還原鎂渣清理出去，以便進行下一次反應。雖然有輔助工具，但是勞動強度高，裝料和出渣的效率低，嚴重制約著鎂冶煉的效率。此外，人工掏渣造成很大的揚塵，加之鎂冶煉在高溫下進行，給操作工人身體造成了一定的危害?，F在應用最廣的是螺旋式清渣機，主要是有一根剛性的直軸，其上焊有螺旋葉片，它在旋轉同時直線推進的同時反向旋出爐渣，只有當螺旋葉非常貼近罐下壁時才能清理干凈，而且對操作工人的技術要求高。還原罐中的爐渣清理不干凈將影響還原罐的裝料量、傳熱效率和使用壽命，因此扒渣機清渣之后往往需要人工進行二次清渣，以清理剩余鎂渣，較為耗時。目前國內外的鎂冶煉企業中，出渣環節逐漸由人工掏渣向半自動化掏渣轉變；上料環節則是通過簡易輔助裝置送料，由人工實現上料。根據相關文獻檢索有向自動化控制方向發展的趨勢[1-4]，但是還有一定的改進空間。

1 自動上料與出渣裝置的研制

1.1 裝置結構

自動上料與出渣裝置主要由原料存放罐、移動裝置、上料裝置、出渣裝置、鎂渣收集箱、軌道、Z向移動裝置、Y向移動裝置、執行系統、控制系統、視覺分析系統和其他輔助裝置構成，主要結構如圖1所示，為了直觀展示部分細節未畫出。

圖1 自動上料與出渣裝置

原料存儲罐（3）、移動裝置（4）、上料裝置（5）、出渣裝置（6）和鎂渣存儲罐（7）固定于移動裝置（4）上，移動裝置（4）可在軌道（8）上移動，升降電機（9）、移動電機A（10）、移動電機B（11）控制上料裝置（5）和出渣裝置（6）沿著還原罐（1）軸線方向進出以實現上料和出渣。上料裝置（5）和出渣裝置（6）為傳送帶結構，側面焊接有齒條。通過上料裝置（5）、出渣裝置（6）和移動裝置（4）互相配合實現煉鎂工藝中自動上料與出渣功能。裝有傳感器采集各部位信息，經過數據分析后調整各機構的參數，實現智能控制。

1.2 工作原理

本裝置的工作原理如圖2所示，可在固定于地面的軌道上面行駛，實現水平方向平行于還原爐的移動（X方向），上料裝置和出渣裝置可分別沿著豎直方向移動（Z方向），以實現上下兩層還原罐之間的切換，通過X方向和Z方向之間的調整，實現精準定位。到達預設位置后，上料裝置沿著還原罐軸線方向（Y軸負方向）移動至最深處，隨后傳送帶開始旋轉，原料存放罐中的反應物由于重力作用掉落于傳送帶上，傳送帶整體向Y軸正向移動，將物料完全放置于還原罐中。具有半圓形刮板結構的傳送帶沿著X和Z方向到達指定位置后，傳送帶旋轉的同時沿著Y軸負向伸入還原罐，最終將鎂渣清理出還原罐并掉落于鎂渣收集箱中。

圖2 自動上料與出渣裝置原理圖

2 關鍵結構與系統設計

2.1 移動裝置

為了實現自動上料與出渣的目的，上料裝置和出渣裝置需要實現X、Y和Z移動，并能準確進入還原罐。電機經過減速器后帶動滑輪在軌道上運動，使得上料裝置和出渣裝置同時沿著X方向移動。步進電機經過變速器后驅動上料裝置和出渣裝置分別沿著移動裝置的Z方向獨自運動。當行走至合適位置后，限位傳感器檢測到信號，并通過視覺系統再次確認還原罐的軸線方向，從而實現伸入或者退出還原罐。Y和Z方向的移動，都通過步進電機減速后驅動齒條來實現，其連接形式如圖3所示。上料裝置和出渣裝置側面具有齒條，圖中顯示上料裝置側面的齒條39，通過31、32、33和34四個齒輪固定住齒條39，使其沿著Y方向運動。Y驅動齒輪順時針旋轉可將該裝置沿著Y軸送入還原罐，逆時針旋轉則移出還原罐。移動裝置豎直方向的四個立柱上方固定有齒條，齒輪35、36、37和38共同作用使上料裝置沿著Z軸方向移動。驅動齒輪通過軸與減速后的步進電機相連，其速度可根據傳感器反饋數據進行閉環控制。當上料裝置深入到還原罐最深處時，該裝置承受載荷最大，Y限位齒輪2和Z限位齒輪承受載荷最大，需要對其進行加固保證其強度和剛度。限位齒輪起到支撐上料裝置和限制自由度的作用，所有齒輪的軸上都有軸承，以減少摩擦力。此外，可通過傳感器檢測和急停保護，防止出現意外。

圖3 移動裝置與上料機構的連接形式

2.2 上料裝置

上料裝置為類似傳送帶結構，金屬材質的傳送帶可實現物料轉運，如圖4所示。步進電機驅動軸實現傳送帶旋轉，其轉速可隨著上料速度進行調整。傳送帶側面有齒條，傳輸機構通過齒條固定并驅動上料裝置整體進入還原罐。上料裝置強度高，并能承受原料存放罐中掉落反應物料的沖擊。

圖4 上料裝置和出渣裝置

2.3 出渣裝置

出渣裝置和上料裝置類似，但是其傳送帶上固定有半圓形的刮板，傳送帶運動的同時驅動刮板旋轉。出渣裝置伸入圓柱狀的還原罐后，半圓形的刮板貼合還原罐壁，鎂渣隨著刮板移動至罐口，由于重力作用落入原料存儲罐。刮板與罐壁之間留有縫隙，刮板與傳送帶之間可以小范圍晃動，防止出現卡死的現象。

2.4 存儲罐

存儲罐分為原料存儲罐和鎂渣存儲罐，原料放置在原料存儲罐中，通過重力落在傳送帶上面，隨后進入還原罐參加反應。原料參加反應后變為鎂渣，被出渣裝置運送至鎂渣存儲罐中。存儲罐外面有保溫材料，防止物料溫度下降。剛出爐的鎂渣溫度很高，保溫可最大限度地保證其余熱利用。存儲罐下端有閥門，可以調節物料下降的速度。

2.5 控制系統設計

本裝置的X、Y和Z方向的前進速度、傳送帶的轉速和伸入還原罐的深度等參數可根據實際工況及時調整，數據分析后進行智能控制，其控制系統原理如圖5所示。系統啟動后會進入初始化并自檢，讀取相關設置信息。根據自身傳感器采集信息，判斷本裝置所處位置、是否卡頓、是否意外停機或者緊急停止。根據數據分析結合人工指令判斷是否恢復至初始位置，檢查確認無異常后將上料裝置和出渣裝置沿Y方向退出還原罐，分別Z向移動至初始高度，整體X向移動至初始位置?？梢栽O置模擬運動、自動上料、自動出渣、上料出渣同時進行和手動模式。上料裝置和輔助裝置之間增加距離傳感器和限位開關，保證Z向運動時不會互相干擾。

圖5 控制系統原理圖

2.5.1 自動上料

當使用自動上料功能時，需保證還原罐內無鎂渣占用空間，視覺分析系統輔助工人檢測是否符合上料要求。上料時出渣裝置沿Z向移動至最下端，防止其影響上料裝置的運動。上料裝置Y負向運動至還原罐最深處時開啟傳送帶，打開原料存儲罐倉門，上料裝置整體沿Y正向運動時物料隨傳送帶落入還原罐。調整傳送帶速度和物料下落速度，將反應物完全填充至還原罐。

2.5.2 自動出渣

還原罐中的化學反應完全后，取出粗鎂后即可清理鎂渣。視覺分析系統輔助工人檢測確保出渣裝置對準還原罐軸線位置，開啟傳送帶。出渣裝置整體沿著Y軸負向運動，傳送帶下部分的半圓形刮板接觸鎂渣后將其移動出還原罐。出渣裝置運行至最深處后沿著Y軸正向運動，最終停至Y向的初始位置。

2.5.3 上料的同時出渣

出渣和上料同時進行的原理與單獨進行相同，需要注意Z向移動時互相干涉的問題。同時進行上料和出渣工藝能進一步減少煉鎂的時間，提高煉鎂效率。

3 性能特點

該裝置將有效地提高煉鎂工藝中上料與出渣的效率，并減少人工勞動強度。其主要特點是：①在不改變車間結構的前提下，通過增加附屬結構提高填裝反應物和清理鎂渣的效率，投入成本低；②能精準移動至指定位置完成上料和出渣，改善車間環境并降低工人勞動強度；③通過傳感器監測并進行數據分析，實現智能控制，提高煉鎂的效率。

4 總結展望

本文設計的自動上料與出渣裝置在不改變原有車間結構的前提下，通過增加附屬結構和優化控制的方式，克服傳統工藝中裝料和出渣時勞動強度高和效率低下的缺點。該裝置通過傳感器精準定位，準確運動至還原罐軸線位置，實現自動上料與出渣的功能。通過減少上料和出渣的時間來提高煉鎂效率；減少工作過程中產生的廢氣和粉塵，從而改善車間的工作環境。