CN107497793B - 一种铝槽打壳锤头超声振动清洗装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝槽打壳锤头超声振动清洗装置及方法，该方法包括以下步骤：首先，锤头脱离熔融电解质液后，电解质熔融黏附物具有一定的流动性时，超声波顺控发生器高功率输出，高效清除裹挟着细粒固渣料的熔融电解质液；随后，在锤头上残余渣料凝结成薄壳后，转入低功率输出时段，实施振松、裂解预处理；最后，等待后续再次执行打壳动作时，锤头穿越电解质外层硬壳，发生磨损式刮擦，将布满裂隙的残留渣料壳剥离干净。本发明具有除垢效率高的特点，实现了工作状态下的在线清洗。
Description
技术领域
本发明属超声振动清洗技术领域，具体涉及一种铝槽打壳锤头超声振动清洗装置及方法。
背景技术
超声清洗的应用范围非常广泛，能有效地去除难以归类的附着于物体表面的杂质，具有清洗净度高、速度快、均匀、易于实现遥控或自动化的特点。
作为超声清洗的特殊应用，浸泡在清洗液中的结垢物质，在超声场的作用下，物理形态和化学性能发生一系列变化，粉碎、松散、脱落器壁上形成的积垢。
超声振动清洗机能分两种情况，一种情况是超声清洗在中、低频时，频率在20kHz～200kHz范围内，由于超声波与声波一样是一种疏密的振动波，介质中的压力作交替变化。在密集状态时，液体受到正压力，而在稀疏状态时，液体受到拉力即负压力，主要在疏密交替拉压清洗液时，形成真空的气泡，随后又被挤压而破灭过程；在气泡破裂时，将产生强大的冲击波，局部压强可达到上千个大气压，这种现象称为超声空化。
另种情况，超声清洗工作频率在700kHz～1MHz时，有时被称之为兆赫级超声清洗。由于频率太高，声波在清洗液中很难发生空化，其清洗机能主要由声压梯度、粒子速度及声流的作用，而空化效应是次要的。
还有一种无清洗液超声振动清洗方法，有别于上述两种常规超声振动清洗液清洗机能，并不是利用超声空化或者粒流轰击清洗机能。而是利用超声波在固体介质传播时，能使介质质点产生极大的加速度和作用力这一特点，将超声波经振动头传送给被清洗物件，从而使物件介质质点在平衡位置高速振动，致使污物被振松、脱离，达到清洗目的。这种技术有一定局限性，不能清洗超大、带油污的物件。
频率一定时，增大振幅可提高振动清洗速度，但振幅不宜过大，否则会使材料的振动超过疲劳强度范围而损坏被洗工件。同样，当位移振幅一定，增加频率，可大幅度提高质点的加速度和作用力，加快振动清洗的速度。但频率太高，振动能量损耗增大，会导致换能器发热，工作不稳定。
由此可见，超声振动清洗系统应根据被清洗工件的材料性质、形状大小、固定方式以及主要污染物的性质等参量选择合适的位移振幅、振动频率、功率范围、清洗时间。
针对仍处于工作状态下的工件，使用这种无需任何清洗液、无任何污染的超声振动清洗装置，是保证特殊工件维持清洁度的一种简单有效的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种铝槽打壳锤头超声振动清洗方法，本发明的目的之二是提供一种铝槽打壳锤头超声振动清洗装置，本发明具有除垢效率高的特点，实现了工作状态下的在线清洗。
本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的，一种铝槽打壳锤头超声振动清洗方法，包括以下步骤：
1)初始强振清洗，打壳锤头脱离熔融电解质液后，对超声清洗共振体，加载高功率超声波，抛摔清洗黏附于锤头上具有一定流动性的熔融电解质液；
2)持续弱振裂解，随后针对打壳锤头上残余黏附物，对超声清洗共振体，加载低功率超声波，振松锤头上残余渣料凝结成的薄壳；
3)锤击刮擦剥离，等待后续再次执行打壳动作时，打壳锤头穿越电解质外层硬壳，发生磨损式刮擦，将布满裂隙的残余渣料凝结薄壳剥离。
进一步，所述超声清洗共振体，包括安装在打壳气缸3内、活塞2上的超声波换能器5，与活塞刚性连接的钎杆锤头4，超声清洗共振体内质点振动加速度相同。
本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的，一种铝槽打壳锤头超声振动清洗装置，其特征在于：包括超声波顺控发生器和超声清洗共振体，所述超声清洗共振体，包括安装在打壳气缸3内、活塞2上的超声波换能器5，与活塞刚性连接的钎杆锤头4，超声清洗共振体内质点振动加速度相同；所述超声波换能器驱动超声清洗共振体作超声振动；所述超声波顺控发生器具有顺序切换、高低功率调控功能，且超声波顺控发生器具备连接多个超声波换能器的能力；超声波换能器把电磁振动信号转化为超声振动波，超声振动波在刚性连接的超声清洗共振体中传播，驱使质点在平衡位置上下作高速振动，根据高密度锤头与低密度熔融电解质液存在密度差异，形成具有清洗、裂解效果的振动作用力差。
进一步，所述超声波换能器的端面为斜面，超声波换能器发射超声波方向与超声清洗共振体轴线偏斜。
进一步，所述超声波顺控发生器与超声波换能器间通过传导电磁振荡功率信号的连接电缆，采用螺旋状随活塞运动伸缩方式连接。
进一步，所述超声波顺控发生器与超声波换能器间通过传导电磁振荡功率信号的连接电缆，采用活塞升顶到位后触碰固定触点方式连接。
进一步，所述超声波顺控发生器具有先高后低的功率输出调控功能，采用变振幅方式实现输出功率高低变化，高低功率输出时长可设定。
进一步，所述超声波顺控发生器具有先高后低的功率输出调控功能，采用变频率方式实现输出功率高低变化，高低功率输出时长可设定。由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
本发明无需清洗液，主要依据超声振动清洗机理，实施抛摔熔融电解质液、裂解凝结薄壳、锤击刮擦残留渣料壳三步骤，起到保持铝槽打壳锤头清洁的效果，具有技术成熟可靠、除垢效率高的特点，实现了工作状态下的在线清洗。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1铝槽打壳气路系统主要部件图；
图2打壳锤头超声振动清洗装置构成图；
图3超声清洗共振体上黏附物清洗机能图；
图4超声振动清洗流程时序图；
图5锤头刮擦剥离渣料壳示意图；
图6固定触点方式连接示意图；
图7超声清洗共振体上黏附物偏斜清洗机能图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
铝电解槽在正常生产中，950℃熔融的电解质液上会形成一层坚硬的电解质外层壳体，从而阻碍向电解槽中加入氧化铝原料。
打壳锤头利用打壳气缸的动力，冲击并打穿电解质壳体，从而保证氧化铝原料，经打穿的壳孔中进入电解槽内。
因打壳锤头在工作时会进入到熔融的电解质液内，使打壳锤头不断地被磨损、熔化、黏附，所以其必须定期对打壳锤头进行更换。并且在打壳过程中打壳锤头进入熔融电解质液中，电解槽的直流电会通过打壳机构与电解槽上部连通，导致打壳气缸损坏，因此打壳气缸支承座与槽上部之间须采用绝缘垫板、绝缘套和绝缘垫等大量绝缘元件，以隔绝直流电串流。
如附图1铝槽打壳气路系统主要部件图所示，打壳气缸垂直安装，相对活塞上下划界，分别有上气孔和下气孔；上气孔与气控二位五通阀4号气路口连接，下气孔与2号气路口连接，气控二位五通阀1号气路口接6～8Bar动力供气源管。
当打壳时，气控二位五通阀1-4气路通，供气源向打壳上气缸充压，同时2-3气路通，下气缸对外排放气，在气缸活塞行程推力和活塞连接的钎杆锤头重力共同作用下，活塞快速驱动锤头向下，实现有力打壳。
发出A秒后，气控二位五通阀收到提锤气控指令后，切换至1-2气路通，供气源向提锤下气缸充压，同时4-5气路通，上气缸对外排放气，在气缸活塞行程推动下，克服活塞连接的钎杆锤头重力，活塞缓慢向上提锤。
执行A秒打壳气控指令外，其余时段保持提锤气控指令130秒，打壳锤头如此循环动作。
由于电解铝槽可能带有电势，借道各种电缆不慎形成对地短路，将造成车间供电设备损毁，后果不堪设想；其次是巨大的电解电流，伴随着强大的干扰电磁场，未作特殊防护的电子类仪器极易失效。因此，在电解铝槽环境中，电子仪表设备将采用严密的电磁防干扰措施，连接电缆作分段隔离处理。
打壳气缸行程末端设有缓冲室，起防撞作用的气缸压气缓冲件，压缩缓冲室内余留空气，压缩的残余空气当作气垫，防止活塞与端底盖碰撞；锤头和活塞钎杆间采用螺纹或焊接连接，打壳气缸昼夜动作700次以上，每次锤头浸泡在高达950℃的冰晶石90％、氧化铝5％及添加剂5％组成的熔液中2～3秒，造成锤头浸泡时间过长、电解质熔融黏附物比较多、清理“粘包”费时耗力、甚至频繁更换锤头等系列问题的原因有：设定执行打壳气控指令A秒时长过大；同时多气缸充气拉低供气管网压力，活塞提锤缓慢；活塞连接的钎杆锤头过重，启动惯性太大；气缸活塞下面积小于上面积，天生提升力不足。
到目前为止，围绕打壳效率设计的气动系统，对提锤效率考虑不够，减少锤头滞留措施不力，另外打壳过程按时序开环控制；本发明主要利用超声振动清洗机能，实施抛摔熔融电解质液、裂解凝结薄壳、锤击刮擦残留渣料壳三步骤，清除电解质熔融黏附物，起到保持铝槽打壳锤头清洁的效果。
如附图2打壳锤头超声振动清洗装置构成图所示，打壳锤头超声振动清洗装置，包括超声波顺控发生器和超声清洗共振体，所述超声清洗共振体，包括安装在打壳气缸3内、活塞2上的超声波换能器5，与活塞刚性连接的钎杆锤头4，超声清洗共振体内质点振动加速度相同。
通常电解铝槽约18米长、5米宽，单个电解铝槽配置一套气路系统，分别向六处气缸打壳点，周期动作按：1、3、5奇数点先执行A秒打壳，完成后再2、4、6偶数点打壳，前后间隔130秒后重复执行。
如附图3超声清洗共振体上黏附物清洗机能图所示，所述超声波顺控发生器具有顺序切换、高低功率调控功能且超声波顺控发生器具备连接多个超声波换能器的能力；超声波换能器通过连接电缆输出功率给安装在活塞上的超声波换能器，把电磁振动信号转化为超声振动波，超声振动波在刚性连接的超声清洗共振体中传播，驱使质点在平衡位置上下作高速振动，根据高密度锤头与低密度熔融电解质液存在密度差异，形成具有清洗、裂解效果的振动作用力差。
超声波顺控发生器，在奇数组或偶数组打壳完成后，依打壳完成后提锤指令，通过巡振继电器切换，分组实施奇组或偶组超声振动清洗流程。
进一步说明，当超声波的频率、振幅一定时，共振体上质点的加速度一样，根据牛顿第二定律，材料密度越高、质点质量越大、作用受力就越强。如锤头钢质密度7.8x103kg/m3，加速度3x105m/s2时，质点受力23.4x108N；混合黏附物主要按冰晶石考虑，密度2.95x103kg/m3，一样加速度下，质点受力9.8x108N；按铝熔液考虑，密度2.7x103kg/m3，质点受力仅8.1x108N。换言之，质点密度差越大，感受力差愈大，振动清洗效果越佳。
具体来讲，打壳锤头每打一次壳，粘一层混合黏附物。打壳锤头上混合黏附物，包含熔融电解质液，以及氧化铝、炭渣等细粒固渣料。打壳完成初期，电解质熔融黏附物还具有一定的流动性，随着在空气中暴露时间延长，而凝固黏附结垢，导致打壳锤头发生“粘包”现象。由此打壳效率明显降低，导致氧化铝加料不及时，影响电解槽稳定运行，降低电流效率，严重时破坏电解槽热平衡，引发化炉帮、槽壳发红等不良情况。
铝槽打壳锤头超声振动清洗装置，超声振动频率20～40kHz，高功率时大振幅20～40μm执行清洗时间为10～15s，低功率时小振幅10～20μm执行清洗时间大致100s。
配合打壳时间周期，如附图4超声振动清洗流程时序图所示，原设定顺控逻辑，要求打壳指令执行A秒在2～6秒可调，提锤指令执行130秒；超声波顺控发生器收到提锤指令B秒在1～5秒可调，预计活塞提升锤头脱离熔融电解质液后，利用同处超声清洗共振体中质点密度差引发剪切力，且电解质熔融黏附物还有一定的流动性时，超声波顺控发生器输出大振幅、高功率、短时间的电磁振荡信号，通过连接电缆1输送给超声波换能器，驱动连成一体的超声清洗共振体，高效抛摔裹挟着细粒固渣料的熔融电解质液。
超声波顺控发生器具备分别向奇偶两组，同时提供电磁振荡信号的能力，分组执行起始位由提锤指令决定，结束位由清洗程序决定，同组内执行的清洗流程是一样的。
随后，少量熔融电解质液会沿锤头表面，薄层延展、快速冷却、收缩固化，凝结成薄壳；另外，混合黏附物凝结成的薄壳中铝含量较高，且铝元素作为活跃碱金属，类似焊接机理，附着力极强。
鉴于碱金属焊接式附着力极强，调控超声波顺控发生器，通过缩小振动幅度，来降低输出功率，进而削减加速度，弱化超声清洗共振体质点作用力，缓慢将少量混合黏附物凝结的薄壳振松；即锤头上残余渣料凝结成薄壳，转入输出小振幅、低功率、长时间的电磁振荡信号时段，低能实施裂解预处理。
上述描述中超声波顺控发生器，通过采用调控振幅大小，来实现输出功率变化，为了实现同样的目的，还可采用调控振动频率，即变频方式，来实现输出功率变化。
如附图5锤头刮擦剥离渣料壳示意图所示，再次执行打壳动作时，等待时机，利用锤头穿越电解质表层硬壳，发生磨损式刮擦机会，将布满裂隙的残留渣料壳剥离干净。
另外，超声波换能器安装在打壳气缸内活塞上，跟随活塞上下位移时，超声波顺控发生器与超声波换能器间，传导电磁振荡功率信号的连接电缆，采用螺旋状随活塞运动伸缩方式连接时，需要螺旋管足够的稳定性，一旦偏斜倒伏，将遭受活塞挤压，可能造成剪断的恶果。
图6为固定触点方式连接示意图所示，还也可采用活塞升顶到位后，超声波换能器触碰固定软触点方式连接，传导电磁振荡功率信号。
最后有实验表明，振动波偏离轴线在固体介质中传播，大致会发生轴向10比切向1的轻微二维振动，超声振动清洗振动维数越多、表示越紊乱，洁净效果越显著。
如附图7超声清洗共振体上黏附物偏斜清洗机能图所示，还可斜切超声波换能器端面，发射方向与超声清洗共振体轴线偏斜的超声波，促使超声清洗共振体产生轴向和切向叠加偏振，在最多仅130秒不长的锤头清洗流程中，混合黏附物既受轴向抛摔力，又受切向挤压力，二维振动清洗方式，有利于提高清洗效率。
利用前述清洗装置清洗打壳锤头的方法，包括：首先，锤头脱离熔融电解质液后，电解质熔融黏附物具有一定的流动性时，超声波顺控发生器高功率输出，高效清除裹挟着细粒固渣料的熔融电解质液；随后，在锤头上残余渣料凝结成薄壳后，转入低功率输出时段，实施振松、裂解预处理；最后，等待后续再次执行打壳动作时，锤头穿越电解质外层硬壳，发生磨损式刮擦，将布满裂隙的残留渣料壳剥离干净。
本发明的显著优势：无需清洗液，主要依据超声振动清洗机理，实施抛摔熔融电解质液、裂解凝结薄壳、锤击刮擦残留渣料壳三步骤，起到保持铝槽打壳锤头清洁的效果，具有技术成熟可靠、清除电解质熔融黏附物效率高的特点，实现了工作状态下的在线清洗。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种铝槽打壳锤头超声振动清洗方法，其特征在于：该方法基于一种铝槽打壳锤头超声振动清洗装置，该装置包括超声波顺控发生器和超声清洗共振体，所述超声清洗共振体，包括安装在打壳气缸（3）内、活塞（2）上的超声波换能器（5），与活塞刚性连接的钎杆锤头（4），超声清洗共振体内质点振动加速度相同；所述超声波换能器驱动超声清洗共振体作超声振动；所述超声波顺控发生器具有顺序切换、高低功率调控功能，且超声波顺控发生器具备连接多个超声波换能器的能力；超声波换能器把电磁振动信号转化为超声振动波，超声振动波在刚性连接的超声清洗共振体中传播，驱使质点在平衡位置上下作高速振动，根据高密度锤头与低密度熔融电解质液存在密度差异，形成具有清洗、裂解效果的振动作用力差；
该方法包括以下步骤：
1）初始强振清洗，打壳锤头脱离熔融电解质液后，对超声清洗共振体，加载高功率超声波，抛摔清洗黏附于锤头上具有一定流动性的熔融电解质液；
2）持续弱振裂解，随后针对打壳锤头上残余黏附物，对超声清洗共振体，加载低功率超声波，振松锤头上残余渣料凝结成的薄壳；
3）锤击刮擦剥离，等待后续再次执行打壳动作时，打壳锤头穿越电解质外层硬壳，发生磨损式刮擦，将布满裂隙的残余渣料凝结薄壳剥离。
2.根据权利要求1所述的一种铝槽打壳锤头超声振动清洗方法，其特征在于：所述超声波换能器的端面为斜面，超声波换能器发射超声波方向与超声清洗共振体轴线偏斜。
3.根据权利要求1所述的一种铝槽打壳锤头超声振动清洗方法，其特征在于：所述超声波顺控发生器与超声波换能器间通过传导电磁振荡功率信号的连接电缆，采用螺旋状随活塞运动伸缩方式连接。
4.根据权利要求1所述的一种铝槽打壳锤头超声振动清洗方法，其特征在于：所述超声波顺控发生器与超声波换能器间通过传导电磁振荡功率信号的连接电缆，采用活塞升顶到位后触碰固定触点方式连接。
5.根据权利要求1所述的一种铝槽打壳锤头超声振动清洗方法，其特征在于：所述超声波顺控发生器具有先高后低的功率输出调控功能，采用变振幅方式实现输出功率高低变化，高低功率输出时长可设定。
6.根据权利要求1所述的一种铝槽打壳锤头超声振动清洗方法，其特征在于：所述超声波顺控发生器具有先高后低的功率输出调控功能，采用变频率方式实现输出功率高低变化，高低功率输出时长可设定。
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