阳极堆垛天车的发展与创新_阳极堆垛天车

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阳极堆垛天车的发展与创新

阳极堆垛天车的发展与创新

贵阳铝镁设计研究院

李梦石

[摘要] 从上世纪80年代初，我国开始采用大型预焙阳极电解技术进行电解铝生产，随之需要储存转运大量的生阳极和焙烧阳极碳块，阳极碳块转运仓库与其运输工具——阳极堆垛天车应运而生。20多年来，随着电解铝对阳极的需求不断增大以及不断增强的环保节能要求，阳极堆垛天车也在进行不断的发展和创新：从国外引进到拥有全部自主知识产权；适应多规格尺寸阳极碳块；天车结构和控制方式紧跟新技术发展，更加紧凑、精确、节能；堆垛形式向提高库容利用率和天车作业效率转换。通过阳极堆垛天车的创新实践证明，成功的技术创新能在社会效益和经济效益方面都取得令人满意的成果，已作为国际铝行业领先技术设备向海外输出。

[关键词] 阳极堆垛天车 自主知识产权 天车结构 控制方式 堆垛形式

1.阳极堆垛天车在我国的发展概况

阳极堆垛天车的引进

上世纪80年代初，为适应当时预焙阳极电解槽生产的需要，国内电解铝厂从日本引进了用于阳极碳块转运站的阳极堆垛天车，它采用继电器控制，大车运行及夹具卷扬系统均采用电阻调速，夹持采用气缸推动弹簧自锁的方式横向一次夹持10块碳块，夹具升降导向为立柱式，在14.4米跨距的厂房内对尺寸为1420X665X550的阳极进行输送和堆垛（见图1），立柱导向受厂房高度影响，堆高不能超过5层。此后不久，某铝厂根据自身输送机横向输送的情况，也从日本引进另一种形式的堆垛天车，它的夹具为气缸推动的凸轮自锁结构，一次可横向夹持6块阳极，夹具外形接近正方形，为能保持平衡，吊点布置在4个角上，结构复杂且无夹具导向装置。由于无导向装置，阳极的堆垛对位比较困难，虽然没有结构上的限制，也不能堆高超过5层并且夹具本身还容易与已堆好的碳块垛发生碰撞。夹具两端的凸轮所占空间较大，碳块垛之间间隙大，同样仓库面积下，仓库库容利用率较低，因而到现在为止，没有其它厂家再使用该结构的阳极堆垛天车。

图

阳极堆垛天车的发展与创新

阳极堆垛天车的借鉴设计与开发

进入九十年代，贵阳铝镁设计研究院和沈阳铝镁设计研究院开始在借鉴贵铝日本堆垛天车技术的基础上进行了国产阳极堆垛天车的设计和开发，天车跨距由14.4米增加到16.5米，碳块尺寸长度也由1400mm增为1450mm或1500mm，其余结构基本不变，该型天车成功应用于云南铝厂等工程。

随着电解铝产量的提高，为充分利用有效库容，提高碳块堆垛层数，以及天车PLC控制技术和变频技术的不断成熟，1999年，贵阳铝镁设计研究院开始设计开发采用PLC控制、变频调速等最新技术的连杆式导向阳极堆垛天车，该天车使可堆存高度从原来的5层增加到7层。2000年，该天车投入青铜峡铝厂实际生产中，达到设计目标，取得成功（见图2）。

图 2 1.3.完全所知识产权阳极堆垛天车

为克服阳极垛因为横向堆垛到6层以上自身的不稳定因素以及更加有效的利用仓库库容，提高作业效率，贵阳铝镁设计研究院研制和开发了采用自重原理一次纵向夹持21块阳极的新型堆垛天车并成功应用，该天车可将阳极堆高至8层或更高，并能通过只对夹具进行更换即可适用于不同规格阳极碳块的作业，与以前的堆垛天车相比，仓库库容利用率提高60%，作业效率提高110%。

1.4.阳极堆垛天车发展趋势

随着新技术的不断涌现和国际电解铝行业的高速发展，智能化、信息化、数字化、无人操作必然是阳极堆垛天车未来的发展趋势。因此，将信息技术、远程控制技术与最新天车机械技术融合的堆垛天车成为了今后不长时间内的开发方向。2.阳极堆垛天车的创新

2.1.在引进天车基础上的创新 2.1.1.天车结构创新

将夹具立柱式导向装置改为连杆式导向，缩小了天车大梁到厂房桁架下弦所需空间，同样库容可减少厂房基建投资；改变了导向立柱完全刚性的结构，连杆式导向装置制造、安装相对容易，工作时故障率降低；因为架构改变，取消了弹簧式空气卷筒和电缆卷筒两个经常出现故障且不易维修的部件，使设备运行可靠性得到提高 2.1.2.控制创新

阳极堆垛天车的发展与创新

大车行走和夹具卷扬采用变频调速取代原变电阻调速，使天车机构起制动平稳，减小整机冲击负荷，提高设备寿命；增大低速对位作业精确性，提高堆垛作业的安全性；

整车采用PLC控制取代继电器控制，机构动作反应时间缩短，连锁控制精确，维护容易并可进行功能升级，控制故障率降低。

2.2.改变转运站碳块堆存工艺的全新创新

2.2.1 原堆存工艺的不足

虽然经过对进口天车技术创新，应用于青铜峡铝厂等工程的阳极堆垛天车已经采用PLC控制、变频调速、连杆式夹具导向装置等技术，碳块的堆垛精确度和工作效率都较以往的堆垛天车有了很大的提高，但是由于每一垛仍是横向10块阳极的堆存工艺（此种堆存工艺以下简称横向堆垛）。因该堆垛方法每垛宽度（即碳块的宽度方向）只有665mm，且垛与垛之间须留有200mm的夹具进出空间，其每垛碳块的所占的堆垛面积为（665+200）mm（宽）x1570mm(长)，故其堆高的稳定性较差，一旦倒垛，将会形成连锁的多米勒骨牌效应，大量倒塌，造成重大事故，严重影响生产。为了生产安全，采用的横向堆垛最高堆至5层，并且横向堆垛的垛数较多，从而增加垛与垛之间夹具进出空间，对仓库库容的利用不够充分。这些不足在大产能的新建铝用碳素厂显现出来，所以需要采用全新的纵向堆垛工艺以提高堆垛安全性和库容利用率（安全性比较见图3），该工艺能够得以实施的关键就是要开发出与之相配套的纵向夹持的新型堆垛天车。

图 3 2.2.2 创新的实施

2.2.2.1库容利用、经济性、与相关设备之间配合三个方面的研究。

研究以生阳极尺寸为1570x665x605mm碳块为计算依据。 采用横向堆垛和纵向堆垛两种堆存工艺所需的碳块转运站的堆存面积。根据预焙阳极系统设计产能150kt/a，成型机最大能力42块/小时（成型机按每天21小时工作），焙烧炉产能210240块/年（共4个火焰系统），生阳极尺寸：1570x665x605mm。按焙烧炉的装炉能力及生块和焙烧块均按25天贮量计算，则生块贮量为22050块，焙烧块贮量为14400块。

横向堆垛：每一垛为10块阳极，堆高5层的堆存方法所需碳块转运站的堆存面积。碳块的宽度为0.665米，垛与垛之间所需夹具空间0.2米，故每垛碳块所占的长度为0.665m+0.2m=0.885m，取1m。另外两端跨及进出碳块转运站的输送机所在 阳极堆垛天车的发展与创新的厂房跨不能堆存碳块，其占用厂房的长度为：6m×8=48m，厂房两边的靠边距为1.15m×2。

所需厂房跨度为：10块/垛x1.57米/块+1.15mx2=18.00m 所需厂房长度为： 48m+[(22050块+14400块)÷(10块/层x5层/垛)]x1m/垛=777m 则需碳块转运站面积为：18m x 777m=13986m2

纵向堆垛：堆高8层堆存方法所需碳块转运站的堆存面积。采用每一垛21块，堆垛天车每一夹夹21块。碳块的长度为1.57m，垛与垛之间所需夹具空间0.2m，故每垛碳块所占的长度为1.57m+0.2m=1.77m，取2m。另两端跨及进出碳块转运站的输送机所在的厂房跨不能堆存碳块，其占用厂房的长度为：6m×8=48m，厂房两边的靠边距为1.25m×2=2.5m。

所需厂房跨度为：21块x0.665m/块+1.25米x2=16.5m，取18m 所需厂房长度为： 48m+[(22050块+14400块)÷(21块/层x8层/垛)]x2m/垛=482m 则需碳块转运站面积为：18m x 482m=8676m。

由上述计算可以得出,堆高8层的堆存方法（即纵向堆垛）所需碳块转运站的面积为8676m2，采用每一垛为10块阳极，堆高5层的堆存方法（即横向堆垛）所需碳块转运站的面积为13986m2，也就是说采用纵向堆垛要比采用横向堆垛所需的碳块转运站的堆存面积要小38%，这样可以大大节省工程所需的占地面积和基建投资费用。

 能耗比较

由于新型堆垛天车较以往多10吨提升载荷，经计算提升功率增加18Kw，车体增重约35吨，大车行走功率增加15Kw，但却由于使用机械自重夹具取消了22Kw的空压机，使得在每一次作业时所需能耗较以往大约增加16%，但作业效率从10块/次提高到21块/次，提高110%，作业次数减少超过一半，从而能耗也相应下降约50%。

 对地面整列设备的要求

纵向堆垛的堆垛天车夹具夹的是碳块的两个小的端面，即665x605mm或710x605mm面，每夹夹21块，这就要求堆垛天车及天车夹具精确对位及碳块编组之后的规整划一，也就要求碳块在横向输送过程中较少横向偏差。对地面整列输送机进行研究后，确定可以制造出满足堆垛天车需要的整列精度。2.2.2.2 对天车创新方案的一些重要环节和参数进行确定。

 一次夹持的块数，以焙烧炉每天的装出炉两来计算堆垛天车每天应夹块上运输线的数量。焙烧炉为9火道8料箱，每个料箱装21块，每个炉室则装168块，焙烧周期为28小时，4个焙烧系统。则可算出每天焙烧装、出炉量为：（168×4×24×2）÷28=1152块，堆垛夹具每夹夹21块时每天所要工作的夹数为：1152块÷21块/夹=55夹；另外，由于焙烧炉是以7的倍数的碳块进行焙烧，因此采用一次夹持7的倍数的碳块便于地面设备对焙烧阳极进行编组与解组控制。 取消气动夹持方案，因为若采用气动方式，就会增加很多的接头和阀件，易出现泄漏等故障，并且一个地方出现故障将是整个夹具不能工作，可靠性不高。确定采取21组独立的通过夹具梁连接起来的小夹具组成整个夹具，每个小夹具靠自重原理独立夹持一块碳块，形成逻辑“或”，一个或几个小夹具出现故 障，不影响其余夹具工作，提高设备可靠性；同时使得维护和检修较以前容易。夹具导向继续采用连杆式，在整体厂房高度增加不大的情况下，尽可能使堆垛层数增加。

阳极堆垛天车的发展与创新

 大车行走、夹具卷扬、天车操作采用以往已经非常成熟的技术。

满足新堆存工艺的天车图如下（图4）

图 4 2.3.新阳极堆垛天车突出的特点。

2.2.1.由于纵向堆垛，不易倾翻，安全性好，可堆垛至8层，能在相同仓库面积下有效提高库容； 2.2.2.堆垛天车一次装夹18~21块，工作效率高。2.2.3.夹具采用自重独立夹持方式，不受环境温度影响，利于天气恶劣的地区作业并易于维护、修理和更换。

2.2.4.对碳块输送机输送整列碳块的整齐度要求高，输送过程中对跑偏和错位现象应避免或尽量减小。

2.4.创新带来的直接成果及推广前景。

经全新设计的阳极堆垛天车在各工程的使用，使工厂的劳动效率提高了100~110%，土地使用面积节约三分之一以上，减少了天车设备投资及操作人员三分之一，节约大量基建投资，通过设备技术的创新尽力满足国家对电解铝行业节能降耗，降低成本的总体要求，也能适应电解铝用阳极生产规模不断提高的发展趋势。

创新后的阳极堆垛天车及其纵向堆垛方式已成为目前新建现代化的、大规模的预焙阳极厂碳块堆存方案的首选，在国内四川启明星铝业公司、新安万基铝业公司、哈沙克斯坦PAVLODA、印度YINDAL及VEDANTA等工程中都已采用。同时，国内现有铝厂85%的碳块仓库的堆垛天车跨距也是16.5m，因此，也可以作为今后技术改造的首选，值得推广。

3.结语

20多年来，预焙电解槽电流从160KA提高到400KA，单厂产能从80kt/a增加到1250kt/a，所需阳极也从40kt/a增长到750kt/a，对阳极碳块进行堆存和转运的需求也越来越大，经过发展创新，阳极堆垛天车对村输送处理阳极能力由25kt/台年提高到90kt/台年，同比能耗却下降近50%，占地面积同比减少30-40%，起到了保障国内铝用炭素工业的快速发展的作用，也作为先进铝工业技术的一部分成功输出海外。

[参考文献] [1]罗英涛 李旺兴 刘凤琴 王平甫、中国铝用炭素50年技术创新的回顾与展望、轻金属、2007（7）[2]陶积政

堆垛天车在运行中存在的问题及其解决方法、甘肃冶金、2006（3）

阳极堆垛天车的发展与创新

[3]刘小庆 范勤、基于PLC控制的变频调速在桥式起重机中的应用、机械、2004（8）[4]王荆 邓文 陈向阳、浅论铝用阳极碳块输送方式选择、四川有色金属、2004（3）[5]李猛、新型堆垛天车设计、有色金属设计、2002（2）

作者简介： 李梦石（1971年5月）男

高级工程师