圓盤(pán)澆鑄系統運行中存在的問(wèn)題及完善論文
金冠銅業(yè)是銅陵有色集團公司為提升銅冶煉技術(shù)水平而實(shí)施的一項大型技術(shù)升級改造項目。 該項目采用閃速熔煉、閃速吹煉、回轉式陽(yáng)極爐精煉、永久不銹鋼陰極電解、兩轉兩吸制酸的主工藝流程，設計年產(chǎn)陰極銅 400 kt、硫酸 1 453.9 kt. 圓盤(pán)澆鑄系統采用 Outotec 生產(chǎn)的 1 臺雙 18 模定量澆鑄機，用于將陽(yáng)極爐精煉合格的陽(yáng)極銅澆鑄成單重為 385 kg的陽(yáng)極板，設計能力為 110 t/h.
1 圓盤(pán)澆鑄系統
1.1 陽(yáng)極精煉與澆鑄系統配置
金冠銅業(yè)的陽(yáng)極精煉與澆鑄系統配有 2 臺 660t/爐的回轉式陽(yáng)極爐和 1 臺 110 t/h 的雙 18 模圓盤(pán)澆鑄機。 回轉式陽(yáng)極爐由國內設計，規格為 4.9 m×14.18 m,除傳動(dòng)系統、氮氣攪拌裝置、稀氧燒嘴為引進(jìn)外，其余均為國內制造。 陽(yáng)極爐的燃料和還原劑均采用天然氣，氧化為壓縮空氣，并在爐底增加使用氮氣的透氣磚攪拌系統。為了處理電解車(chē)間返回的殘極、不合格陰極、銅粒及陽(yáng)極澆鑄時(shí)產(chǎn)生的不良陽(yáng)極，配備了1 臺能力為 40 t/h 的豎爐和 1 臺 180 t /爐的保溫爐[1].
1.2 圓盤(pán)澆鑄機工作原理和性能參數
雙 18 模圓盤(pán)澆鑄機由稱(chēng)量和澆鑄單元、陽(yáng)極拒收單元、陽(yáng)極提取和收集單元、噴涂和噴淋冷卻單元、液壓系統和控制系統組成。圓盤(pán)澆鑄機的工作原理如下[2]:1）熔融態(tài)的銅液由陽(yáng)極爐通過(guò)固定溜槽流入稱(chēng)重和澆鑄單元的中間包，中間包將銅水傾倒入一側澆鑄包。 澆鑄包的裝入量和澆鑄量由稱(chēng)量單元檢測和控制。當澆鑄包中銅水量達到設定值后，中間包恢復中位并轉而向另一側澆鑄包傾倒。 當圓盤(pán)將銅模運轉到澆鑄位時(shí)，澆鑄包向銅模中傾倒銅水。 當澆鑄完成后，圓盤(pán)將下一塊空模運轉至澆鑄位，同時(shí)中間包將澆鑄包再次倒滿(mǎn)。 2）帶有銅水的銅模依次通過(guò)噴淋冷卻系統，銅模由底部噴淋水進(jìn)行冷卻，陽(yáng)極板由上部噴淋水進(jìn)行冷卻。3）冷卻完成后，陽(yáng)極板運轉到挑揀工位，不合格陽(yáng)極板在此處被系統挑選并拒收。為了避免給圓盤(pán)造成額外負載，由液壓鎖模裝置將銅模鎖緊，而后通過(guò)頂起靠耳部的位置使陽(yáng)極板從銅模中脫模預頂起，而廢陽(yáng)極拒收單元會(huì )在此時(shí)將不合格陽(yáng)極板挑選出圓盤(pán)。4）在預頂起之后，陽(yáng)極板運轉到收集工位。 此時(shí)陽(yáng)極板被再次從靠耳部位置頂起，并由提取機將陽(yáng)極板從模位抓取入水槽進(jìn)行冷卻。在收集到設定數量的陽(yáng)極板后，通過(guò)鏈條將陽(yáng)極板運送至水槽尾部，由叉車(chē)取出放入陽(yáng)極板堆場(chǎng)。 5）在陽(yáng)極板被取出后，空模運轉至銅模噴涂系統，銅模在此位置被噴上一層硫酸鋇作為脫模層，并等待下一次澆鑄。圓盤(pán)澆鑄系統的技術(shù)參數如表 1 所示。
2 運行初期狀況
金冠銅業(yè)分公司的圓盤(pán)澆鑄自2013年初開(kāi)始投入試生產(chǎn)由于建設期的安裝和調整工作準備充足，以及閃速吹煉爐低投料量的關(guān)系，在運行最初的3個(gè)月，圓盤(pán)澆鑄系統運行較穩定。伴隨著(zhù)閃速吹煉爐投料量的增加，圓盤(pán)澆鑄系統逐漸暴露出一些問(wèn)題
2.1設備故障率高
據統計，自2013年1月至2014年1月期間圓盤(pán)發(fā)生了29起機械性故障，本文對這些故障進(jìn)行了分類(lèi)統計。結果如圖1所示。從圖 1 可以看出，2013 年全年共發(fā)生的 29 起機械類(lèi)故障中，大部分機械故障都來(lái)自陽(yáng)極提取單元，其他故障分別來(lái)自稱(chēng)量澆鑄單元和液壓系統。 盡管全年只發(fā)生了 2 起稱(chēng)量及澆鑄單元故障，但是從故障的處理過(guò)程來(lái)看，由于需要終止澆鑄且處理難度大，該故障對整個(gè)澆鑄過(guò)程產(chǎn)生了極大的影響。 液壓系統故障均為液壓管爆裂，影響程度相對較小。
對于陽(yáng)極板提取單元的故障進(jìn)行了更進(jìn)一步的分析統計，結果圖 2 所示。從圖 2 中可以看出，大部分提取單元故障原因來(lái)自機械因素，同時(shí)同步連桿和偏心盤(pán)位置造成了最多次數的故障。 同步連桿和偏心盤(pán)故障一旦發(fā)生就是破壞性故障，修復更換備件時(shí)間很長(cháng)（平均需要約 4 個(gè)小時(shí)）。 在投入試生產(chǎn)的第 1 年，同步連桿和偏心盤(pán)故障對整個(gè)陽(yáng)極澆鑄生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的影響極大。
2.2 陽(yáng)極板合格率低
陽(yáng)極板雖然是銅冶煉過(guò)程的中間產(chǎn)品，但是其質(zhì)量不但會(huì )影響電解精煉過(guò)程中部分設備的操作使用（如陽(yáng)極準備機組），還會(huì )影響到最終電解銅的產(chǎn)品質(zhì)量。而在該項目生產(chǎn)初期，陽(yáng)極板的合格率相對較低。表 2 和圖 3 所示為金冠銅業(yè)的陽(yáng)極板檢測標準�；谒袠藴�，分段統計了自 2013 年 7 月至2013 年 9 月 的陽(yáng)極板檢測合格率數據 ,結果如表3所示。從以上數據可以看出，圓盤(pán)投產(chǎn)初期，陽(yáng)極板的澆鑄合格率一直處于較低的水平（平均為 78.52%）。
同時(shí)，對不合格陽(yáng)極板進(jìn)行了分類(lèi)統計，其中變形19 404 塊，占 66%;錐度 5 405 塊，占 18%;耳部厚度3 233 塊 ,占 11%;其 余飛邊毛刺 522 塊 ;拒 收陽(yáng)極板 316 塊；表面鼓包 228 塊；耳部過(guò)薄 150 塊，板面過(guò)厚 24 塊，所占比例均在 2%以下。 經(jīng)過(guò)分析和生產(chǎn)實(shí)際驗證，現場(chǎng)情況中影響陽(yáng)極板質(zhì)量的原因可總結如下：1）噴淋冷卻水的設計能力比實(shí)際需求量小。 噴淋冷卻水的設計能力為 5~6 bar,200 m3/h,現場(chǎng)陽(yáng)極板的澆鑄溫度大約在 1 210 ℃。 在這樣的工況下澆鑄，銅模溫度上升非�？�，且無(wú)法通過(guò)調節噴淋冷卻水來(lái)控制溫度。 銅模溫度過(guò)高將會(huì )影響陽(yáng)極板的表面質(zhì)量。2）冷卻水的噴淋區域不夠均勻。在現場(chǎng)操作經(jīng)驗中， 越低的銅模表面溫差越能夠使陽(yáng)極板外形符合要求，而目前現場(chǎng)要求銅模上不同位置直接的溫度差異在低于 50℃時(shí)可以保證較好的陽(yáng)極板外觀(guān)，但是通過(guò)在澆鑄過(guò)程中的實(shí)際測量，銅模表面不同位置上的溫度差最高可達104℃。 由于銅模是由底部進(jìn)行噴淋，噴淋冷卻區域不均勻導致了銅模不同位置的溫差較大，而較大的銅模溫差導致了陽(yáng)極板的較大變形。
2.3 澆鑄速度慢
圓盤(pán)的澆鑄速度直接影響到了閃速吹煉爐和陽(yáng)極爐之間的作業(yè)時(shí)序。在圓盤(pán)投入運行的早期，受制于圓盤(pán)的高故障率，其澆鑄速度一直處于較低水平。但是到 2013 年底時(shí)，圓盤(pán)的故障率已經(jīng)得到有效控制的情況下，圓盤(pán)的澆鑄速度仍然沒(méi)有明顯提升。當操作人員將圓盤(pán)的系統速度設定到較高檔位時(shí)，噴淋冷卻強度偏弱使得過(guò)高的澆鑄速度會(huì )使銅模溫度迅速上升，進(jìn)而影響陽(yáng)極板質(zhì)量。 圖 4 為 2013 年 12月至 2014 年 3 月，連續 3 個(gè)月的圓盤(pán)澆鑄速度曲線(xiàn)，從圖上可以看出這期間澆鑄的平均速度為 88 t/h.
3 存在的問(wèn)題及改進(jìn)
在圓盤(pán)投入運行的初期，高機械故障率是制約生產(chǎn)的最大問(wèn)題。 當故障率開(kāi)始得到有效控制時(shí)，提高陽(yáng)極板合格率和提高圓盤(pán)澆鑄速度成為生產(chǎn)維護的首要目標。 如上文所述，機械故障主要集中在圓盤(pán)的陽(yáng)極板提取機單元。此單元工況環(huán)境惡劣且工作負載高，同步連桿和偏心盤(pán)是提取機的主要故障位置。而稱(chēng)量和澆鑄單元盡管故障次數較少，但是其故障對生產(chǎn)過(guò)程也會(huì )產(chǎn)生較大影響。 以下是針對圓盤(pán)澆鑄系統的改進(jìn)。
3.1 提取機的改進(jìn)
在圓盤(pán)投入使用前期連續多次發(fā)生故障，而且兩個(gè)圓盤(pán)的故障形式和故障部位均相同。 起初技術(shù)人員認為是提取機在運行過(guò)程中發(fā)生了意外碰撞造成，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的觀(guān)察，發(fā)現即使在沒(méi)有發(fā)生意外碰撞的情況下，該部位還是會(huì )出現這樣的故障。
最終認定這是由于鍵與鍵槽的配合尺寸存在問(wèn)題，鍵與鍵槽配合不夠緊密，微小的配合間隙在工作過(guò)程中會(huì )逐漸變大，進(jìn)而引發(fā)的故障。
偏心盤(pán)和同步連桿的故障照片見(jiàn)圖 5,零部件位置如圖 6 所示。由圖 5、圖 6 所示，故障位置處于提取機爪手主軸與偏心盤(pán)連接部位，軸上的鍵與鍵槽所起作用不僅是傳遞扭矩，更主要的是要保證提取機爪手一直處于正確的工作角度。當兩者之間的間隙變大后，提取機爪手的工作角度會(huì )在澆鑄過(guò)程中產(chǎn)生變化，造成提取機從銅模抓取陽(yáng)極板放入水槽的動(dòng)作過(guò)程無(wú)法保持穩定。 在此過(guò)程中陽(yáng)極板很有可能撞擊到水槽的頭部甚至導致偏心盤(pán)和同步連桿的損壞。 在選用過(guò)盈配合尺寸后，再也沒(méi)有發(fā)生這樣的問(wèn)題。
3.2 稱(chēng)量和澆鑄單元部分結構的改進(jìn)
澆鑄包由伺服電機驅動(dòng)齒形帶做搖籃運動(dòng)[3]. 在運行前期，發(fā)生的兩次澆鑄包故障都集中在齒形帶滑輪組件上，故障使正在運動(dòng)的澆鑄包突然無(wú)法運動(dòng)進(jìn)而導致整個(gè)澆鑄過(guò)程終止。經(jīng)現場(chǎng)探查發(fā)現，滾針軸承已經(jīng)損壞而且銷(xiāo)軸表面磨損嚴重。 圖 7 為齒形帶滑輪的結構和其在澆鑄包中的位置。澆鑄包定滑輪采用滾針軸承（HK2524,基本載荷 25.0 kN,額定載荷 35.2 kN），雖然結構比較簡(jiǎn)單緊湊，但是這樣的結構存在以下問(wèn)題：1）由于齒形帶輪與滑輪對中程度的差異，滑輪在轉動(dòng)過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生較大的徑向載荷，同時(shí)還會(huì )產(chǎn)生一定的軸向載荷。 但是，滾針軸承僅能承受徑向載荷，不能承受軸向載荷，因此不能限制軸向位移。 而原有設計中，用墊片來(lái)補償位移會(huì )增加滑輪轉動(dòng)負載。2）由于結構和空間限制，滑輪的安裝僅能從單側安裝，受限于空間，安裝和檢查極不方便；3）該類(lèi)型軸承為一次性潤滑軸承，即在安裝前涂抹好潤滑脂后，安裝后無(wú)法繼續潤滑加脂。 如需檢查及維護，只有解體滑輪組裝配，同樣存在安裝和檢查極不方便的問(wèn)題；4）由于軸承無(wú)內圈，滾針是在滑輪銷(xiāo)軸上轉動(dòng)，銷(xiāo)軸表面直接承受交變載荷，易產(chǎn)生表面疲勞，對銷(xiāo)軸的表面加工工藝有較高要求。
基于上述原因，技術(shù)人員改進(jìn)了現有滑輪和支架的結構，改用調心滾子軸承，在保證軸承承載能力的情況下，不但能夠承受軸向載荷而且方便安裝、檢查和潤滑、維護。
3.3 噴淋系統改進(jìn)
經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)際驗證，噴淋冷卻系統所提供的設計技術(shù)參數（5~6 bar,200 m3/h）偏小，無(wú)法滿(mǎn)足澆鑄速度、保證澆鑄質(zhì)量，且原有的噴淋區域偏小，會(huì )導致銅模冷卻不均勻。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試驗與摸索，噴淋冷卻系統的參數調整為（8 bar,320 m3/h），同時(shí)徹底更改了下部噴淋水的結構布局，使得噴淋冷卻強度能夠更加符合現場(chǎng)生產(chǎn)的需要。改進(jìn)后，圓盤(pán)的平均澆鑄速度穩定在 101 t/h 以上，最大澆鑄速度達到115 t/h,如圖 8 所示。3.4 模溫檢測改進(jìn)原有的設計系統中自帶模溫檢測系統，但是原有模溫檢測裝置所檢測的為銅模邊緣溫度，而邊沿溫度與實(shí)際的銅模中心溫度有一定的差異，操作人員無(wú)法準確掌握銅模溫度的變化趨勢。對此，增加了對銅模中心溫度的檢測裝置，并將數據連入系統，用來(lái)指導操作人員根據模溫變化情況在線(xiàn)控制噴淋冷卻量。此項改進(jìn)對提高陽(yáng)極板合格率、銅模使用壽命和澆鑄速度起到了重要作用。
4 結束語(yǔ)
圓盤(pán)澆鑄系統運行至今已有兩年，在這段時(shí)間內，金冠銅業(yè)通過(guò)加強操作技能培訓，改進(jìn)工藝和設備，使圓盤(pán)澆鑄系統已經(jīng)可以穩定運行，圓盤(pán)澆鑄速度穩定在平均約 101 t/h,最高平均澆鑄速度達到115 t/h,并且陽(yáng)極精煉系統也已達到設計能力。 目前，圓盤(pán)澆鑄機的故障率已經(jīng)下降到較低水平，自2014 年 2 月運行至同年 9 月 ,圓 盤(pán)澆鑄機僅發(fā)生3次液壓系統故障，未再發(fā)生提取機部位和澆鑄單元的故障；陽(yáng)極板合格率已從約 78.5%提升至約 98%.
參考文獻
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