Công nghệ băng tải: Thiết kế cho tương lai bằng đổi mới hiện tại

Nhu cầu sản xuất cao hơn trên tất cả các công đoạn vận chuyển hàng rời đòi hỏi phải tăng hiệu suất lên với chi phí vận hành thấp nhất, theo cách thức an toàn nhất và hiệu quả nhất có thể. Khi các hệ thống băng tải trở nên rộng hơn, nhanh hơn và dài hơn, sẽ yêu cầu điện lượng lớn hơn và công suất kiểm soát tốt hơn. Đối với vấn đề này, chúng ta phải bổ sung thêm các quy định môi trường ngày càng nghiêm ngặt và các giám đốc nhà máy hiểu rõ các chi phí sẽ xem xét chặt chẽ việc các thiết bị mới và các thiết kế phù hợp ra sao với các mục tiêu dài hạn của họ để đạt được mức hoàn vốn đầu tư (ROI) tốt nhất.

An toàn với tốc độ băng tải cao hơn

An toàn có thể sẽ trở thành một nguồn giảm chi phí mới. Phần trăm các mỏ và các cơ sở chế biến có hệ thống an toàn vững chắc có khả năng sẽ tăng lên trong 30 năm tới cho đến khi trở thành chuẩn mực, không phải là ngoại lệ. Trong hầu hết các trường hợp, chỉ với một điều chỉnh nhỏ tốc độ băng tải, người vận hành nhanh chóng phát hiện được các sự cố không mong muốn trong thiết bị hiện có và an toàn nơi làm việc. Các sự cố này thường được xác định qua lượng liệu tràn lớn hơn, phát thải bụi tăng lên, độ lệch băng và độ mài mòn/lỗi thiết bị thường xuyên hơn.

Lượng liệu vận chuyển trên băng nhiều hơn có thể gây ra liệu tràn và bay lơ lửng nhiều hơn xung quanh hệ thống, có thể gây nguy cơ vấp ngã. Theo Cơ quan Quản lý An toàn và Sức khoẻ Nghề nghiệp Hoa Kỳ (OSHA), số lần trượt, vấp ngã chiếm 15% tổng số người chết nơi làm việc và 25% tổng số các yêu cầu bồi thường thương tích tại nơi làm việc.1 Hơn nữa, tốc độ băng cao hơn khiến cho các điểm thắt và nghiêng trên băng tải trở nên nguy hiểm  hơn, vì thời gian phản ứng bị giảm đáng kể khi một công nhân bị quần áo, dụng cụ hoặc tay chân mắc kẹt do va chạm ngẫu nhiên.²
 

Hình 1: Khi băng tải không được chất tải đúng tâm, trọng lượng nguyên liệu vận chuyển đấy băng về phía chất tải nhẹ hơn. ^®Martin Engineering 2022.

Băng tải càng chạy nhanh, nó càng nhanh bị lệch khỏi hành trình của nó và càng khó để thiết bị theo dõi băng bù khuyết cho, gây ra liệu tràn dọc theo toàn bộ tuyến băng tải. Nguyên nhân là do liệu vận chuyển nằm không đúng tâm, các con lăn căng băng bị kẹt hoặc các yếu tố khác nữa, băng tải có thể nhanh chóng tiếp xúc với phần khung chính, xé rách mép và có khả năng gây ra cháy do ma sát. Ngoài các hậu quả về an toàn nơi làm việc, băng tải có thể mang cháy đi khắp nhà máy với tốc độ cực kỳ cao. 

Một nguy hại khác nữa ở nơi làm việc, một nguy hại mà đang ngày càng được quản lý chặt chẽ hơn, là phát thải bụi. Sự gia tăng lượng nguyên vật liệu vận chuyển nghĩa là trọng lượng lớn hơn ở tốc độ băng tải cao hơn, gây ra nhiều độ rung hơn trên hệ thống và chất lượng không khí bị giảm đi do bụi. Ngoài ra, hiệu quả thanh gạt làm sạch có xu hướng bị giảm đi khi lượng liệu vận chuyển tăng lên, gây ra nhiều phát thải bụi bay lơ lửng trong hành trình trở về của băng tải. Các hạt ăn mòn có thể bám vào các chi tiết chuyển động và khiến cho chúng bị kẹt, làm tăng khả năng gây cháy do ma sát. Nó cũng làm tăng chi phí bảo dưỡng và gây dừng hoạt động. Hơn nữa, chất lượng không khí kém hơn có thể khiến phải chịu các khoản tiền phạt và thanh tra sẽ buộc phải dừng hoạt động thiết bị.

Căn chỉnh lệch tâm trước khi điều đó xảy ra

Khi băng tải dài hơn và nhanh hơn, công nghệ giám sát hiện đại trở nên bắt buộc, với khả năng dò tìm các thay đổi nhẹ trên tuyến hành trình của băng tải và nhanh chóng bù lại trước khi trọng lượng, tốc độ và lực trôi lệch có thể vượt qua thiết bị giám sát. Thường được lắp trên hành trình quay về và các phía mang tải cho mỗi đoạn 20 - 50m - trước puli trút tải ở phía mang liệu và puli cuối ở phía quay về - các thiết bị theo dõi phía trên và phía dưới sử dụng công nghệ nhiều mô-men, đa trục xoay cải tiến với một tổ hợp cần cảm biến hướng phát hiện các thay đổi nhẹ trên tuyến băng tải và ngay lập tức điều chỉnh con lăn căng băng đơn bằng cao su cán dẹt để đưa băng tải trở lại vị trí thẳng hàng. 

Hình 2: Thiết kế con lăn có gờ dẫn hướng hãm giữ băng tải và sử dụng lực cản để đưa nó trở lại vị trí thẳng hàng.

Thiết kế ống tháo liệu hiện đại

Để giảm bớt chi phí trên mỗi tấn nguyên vật liệu vận chuyển, rất nhiều ngành công nghiệp đang chuyển hướng sang sử dụng các băng tải rộng hơn và nhanh hơn. Thiết kế hình lòng máng truyền thống có khả năng vẫn sẽ là thiết kế tiêu chuẩn. Tuy nhiên, với việc chuyển hướng sang các băng tải rộng hơn và có tốc độ cao hơn, các bộ xử lý khối sẽ cần tới các cấu kiện tin cậy hơn đáng kể, như các con lăn căng băng, các giá đỡ chịu va đập và các ống tháo liệu.

Một vấn đề lớn đối với các thiết kế ống tháo liệu tiêu chuẩn nhất đó là chúng không được thiết kế cho đáp ứng nhu cầu sản xuất đang ngày càng gia tăng. Việc tháo liệu rời từ ống chuyển tải lên băng tải đang chuyển động nhanh có thể làm chuyển hướng dòng liệu trong ống tháo liệu, khiến cho tải trọng bị lệch tâm. Điều này làm gia tăng tràn liệu khiến liệu bay lơ lửng và gây phát sinh bụi sau khi ra khỏi vùng lắng.

Các thiết kế ống chuyển tải mới hơn tập trung liệu vào giữa băng trong một môi trường được làm kín tốt, đạt được sản lượng tối đa, hạn chế tràn liệu, giảm bớt lượng bụi bay lơ lửng và giảm thiểu các nguy cơ bị tổn thương thông thường ở nơi làm việc. Thay vì liệu rơi xuống va đập mạnh trực tiếp lên băng tải, việc hạ tải liệu được kiểm soát để tăng độ bền băng tải và kéo dài tuổi thọ của giá đỡ chịu va đập và các con lăn căng băng nhờ hạn chế được lực tải của liệu ở khu vực chất tải. Độ rối loạn giảm đi sẽ có lợi hơn cho lớp lót chịu mài mòn và tấm chắn gờ và giảm nguy cơ liệu bay lơ lửng bám vào giữa tấm chắn gờ và băng tải, mà có thể gây hư hại do ma sát và gây sờn băng tải.
 

Hình 3: Các thành phần tính năng của vùng tĩnh hiện đại được thiết kế để giảm thiểu việc bảo trì bảo dưỡng và cải thiện độ an toàn.

Dài hơn và cao hơn các thiết kế trước đây, các vùng tĩnh kiểu mô-đun giúp liệu có thời gian để lắng lại, tạo thêm không gian va thời gian cho không khí giảm bớt tốc độ, vì vậy bụi lắng xuống nhiều hơn. Các thiết kế kiểu mô-đun dễ dàng thích ứng với các thay đổi công suất trong tương lai. Lớp lót chịu mài mòn bên ngoài có thể thay thế được từ bên ngoài ống tháo liệu, thay vì phải yêu cầu đi vào bên trong ống tháo liệu nguy hiểm như trong các thiết kế trước đây. Nắp đậy ống tháo liệu với các màn chắn bụi bên trong kiểm soát dòng khí đi xuống theo chiều dài ống, khiến bụi tích tụ lại trên các màn chắn và cuối cùng là rơi trở lại lên băng tải thành từng cục lớn hơn. Và các hệ thống làm kín bằng gờ kép có vòng đệm kín sơ cấp và thứ cấp trong một dải băng đàn hồi hai mặt giúp ngăn ngừa liệu tràn và bụi thoát ra từ các phía của ống tháo liệu.

Xem xét lại việc làm sạch băng tải

Tốc độ băng nhanh hơn cũng có thể khiến cho nhiệt độ vận hành tăng cao hơn và dễ gây hư hỏng các thanh gạt làm sạch. Những lượng liệu lớn hơn tiếp cận với vận tốc cao va vào các thanh gạt chính với lực va lớn hơn, khiến cho một số kết cấu bị mòn đi nhanh chóng và dẫn đến lượng liệu đưa trở lại nhiều hơn và làm tăng lượng liệu tràn ra ngoài và lượng bụi phát tán tăng lên. Với cố gắng bù lại tuổi thọ thiết bị giảm đi, các nhà sản xuất có thể giảm bớt chi phí của các thiết bị làm sạch băng, nhưng đây là một giải pháp không bền vững vì không loại bỏ được việc phải dừng hoạt động thêm liên quan tới việc làm sạch và thay đổi thanh gạt thường xuyên. 

Khi một số nhà sản xuất thanh gạt đang cố gắng để theo kịp các nhu cầu sản xuất đang thay đổi, các công ty dẫn đầu ngành về các giải pháp băng tải đã tái tạo ngành công nghiệp máy làm sạch bằng cách cung cấp các thanh gạt bằng nhựa polyurethane (PUR) chịu lực lớn được chế tạo theo đơn hàng và được cắt tại hiện trường để đảm bảo sản phẩm mới nhất và bền nhất.

Sử dụng thiết bị kéo căng dạng xoắn, lò xo hoặc khí nén, các thiết bị làm sạch cơ bản sẽ bỏ qua băng tải và các mối nối nhưng vẫn đạt hiệu quả cao trong việc loại bỏ những thứ đưa trở lại. Đối với các ứng dụng công suất lớn nhất, thiết kế thiết bị làm sạch cơ bản gồm một tổ hợp các cánh gạt vonfram cacbit được lắp đặt theo đường chéo để tạo thành một đường cong ba chiều xung quanh puli đầu. Dịch vụ hiện trường đã xác định được rằng nó thường mang lại tuổi thọ hoạt động gấp 4 lần so với các thiết bị làm sạch cơ bản bằng urethane, mà không cần phải kéo căng lại.
 

Hình 4: Máy phát điện một lõi quấn có đủ công suất điện để chạy nhiều loại phụ kiện khác nhau.

Khi sử dụng công nghệ thiết bị làm sạch băng trong tương lai, một hệ thống được tự động hoá sẽ làm tăng tuổi thọ thanh gạt và độ bền của băng nhờ loại bỏ được sự tiếp xúc của thanh gạt với băng bất cứ khi nào băng tải chạy không tải. Các thiết bị kéo căng bằng khí nén được kết nối với hệ thống khí nén và được trang cấp các bộ cảm biến để phát  hiện khi nào băng tải chạy không tải và tự động lùi thanh gạt lại, giảm thiểu độ mài mòn không cần thiết cho cả băng và thiết bị làm sạch. Ngoài ra, nó còn giảm bớt nhân công giám sát và thường xuyên kéo căng thanh gạt để đảm bảo đạt hiệu quả cao nhất. Kết quả là duy trì ổn định độ căng chuẩn cho thanh gạt, hiệu quả làm sạch đáng tin cậy và tuổi thọ cánh gạt kéo dài hơn, tất cả được quản lý hiệu quả và không cần sự can thiệp của người vận hành.

Phát điện

Các hệ thống được thiết kế để vận hành với tốc độ cao trên những khoảng cách lớn nhìn chung chỉ được cấp điện tại các vị trí cần thiết như puli đầu, không kể đến nguồn điện cần thiết cấp cho “các hệ thống thông minh” tự hành, các bộ cảm biến, đèn, các phụ kiện hoặc các thiết bị khác dọc theo chiều dài băng tải. Việc chạy nguồn điện phụ có thể sẽ phức tạp và tốn kém, cần có các máy biến áp, các ống dẫn cáp, các hộp đấu nối và dây cáp quá cỡ để thích ứng với sự sụt điện áp không thể tránh khỏi trong thời gian hoạt động kéo dài. Năng lượng mặt trời và gió có thể không tin cậy được ở một số điều kiện môi trường, cụ thể là trong các khu mỏ, vì vậy người vận hành cần có các phương tiện phát điện tin cậy thay thế.

Nhờ lắp một máy phát điện nhỏ đã được cấp bằng sáng chế vào các con lăn căng băng và sử dụng động năng sinh ra khi băng chuyển động, những trở ngại về khả năng tiếp cận gặp phải trong quá trình cấp điện cho các hệ thống phụ trợ giờ đây có thể khắc phục được. Được thiết kế để trở thành các trạm điện độc lập mà được trang bị thêm vào các kết cấu đỡ con lăn căng băng hiện có, các máy phát điện này có thể được sử dụng trên hầu hết bất kỳ con lăn thép nào.

Thiết kế sử dụng một khớp nối từ tính gắn một ‘bánh cóc dẫn động’ vào đầu một con lăn hiện có, ăn khớp với đường kính ngoài. Được quay bởi chuyển động của băng, bánh cóc dẫn động nối với máy phát điện thông qua các tab dẫn động được gia công của vỏ ngoài. Liên kết điện từ đảm bảo rằng quá tải điện hoặc cơ không buộc lõi quấn (roll) phải dừng lại, thay vì các cục nam châm sẽ nhả ra khỏi bề mặt lõi quấn. Nhờ bố trí máy phát điện bên ngoài đường dẫn liệu, thiết kế mới này tránh được các tác hại gây ra bởi tải nặng và liệu bay lơ lửng.

Vận chuyển liệu rời, độ an toàn và tự động hoá trong tương lai

Tự động hoá là giải pháp trong tương lai, nhưng khi nhân viên bảo trì có kinh nghiệm nghỉ hưu, các công nhân trẻ hơn thực hiện công việc này sẽ đối mặt với những thách thức đặc biệt, với các kỹ năng bảo trì và an toàn đang ngày càng trở nên phức tạp và cần thiết hơn. Trong khi vẫn cần có sự hiểu biết cơ học cơ bản, nhân viên bảo trì mới cũng cần phải có sự hiểu biết kỹ thuật tiên tiến hơn. Việc phân chia yêu cầu công việc này sẽ gây khó khăn cho việc tìm kiếm những người có nhiều kỹ năng, khiến các nhà điều hành phải thuê ngoài một số dịch vụ chuyên biệt và khiến các hợp đồng bảo trì trở nên phổ biến hơn.

Việc giám sát băng tải liên quan tới sự an toàn và bảo dưỡng dự phòng sẽ càng ngày trở nên đáng tin cậy và phổ biến rộng rãi, giúp các băng tải tự động hoạt động và dự đoán các nhu cầu bảo trì bảo dưỡng. Sau cùng là, các phương tiện tự hành chuyên nghiệp (các robot, các máy bay không người lái…) sẽ đảm nhận một số công việc nguy hiểm, đặc biệt là trong quá trình khai thác mỏ dưới lòng đất vì ROI cho độ an toàn đưa ra sự điều chỉnh thêm.

Cuối cùng là, việc vận chuyển những lượng lớn nguyên liệu rời ít tốn kém và an toàn sẽ dẫn đến sự hình thành nhiều cơ sở trung chuyển liệu rời bán tự động mới và có năng suất cao hơn. Trước đây được cung cấp nguyên liệu bởi các xe tải, tầu hoả hoặc xà lan, các băng tải dài trên mặt đất vận chuyển nguyên liệu từ các mỏ hoặc mỏ đá tới kho chứa hoặc các cơ sở chế biến thậm chí có thể tác động tới lĩnh vực vận tải. Việc vươn tới những khoảng cách lớn, mạng lưới vận chuyển liệu rời dài này đã được xây dựng ở một số nơi có khả năng tiếp cận kém nhưng có thể sẽ sớm trở nên phổ biến ở nhiều nơi trên khắp thế giới.

R Todd Swinderman, CEO Emeritus, Martin Engineering
Nguyễn Thị Kim Lan dịch từ Global Cement Magazine số tháng 2/2022