圓盤澆鑄系統(tǒng)的運行狀況與改進

何梅松，田勇

(銅陵有色金屬集團金冠銅業(yè)分公司，安徽銅陵 244000）

圓盤澆鑄系統(tǒng)的運行狀況與改進

何梅松，田勇

(銅陵有色金屬集團金冠銅業(yè)分公司，安徽銅陵 244000）

金冠銅業(yè)采用雙18模圓盤澆鑄機,2013年初投入試生產(chǎn)一年時間內(nèi),表現(xiàn)為設備故障率高、陽極板合格率低、澆鑄速度慢等問題。為適應生產(chǎn)的需要,對圓盤澆鑄系統(tǒng)中不合理的結構進行了針對性的改進,調(diào)整了噴淋冷卻系統(tǒng)的參數(shù),更改了下部噴淋水的結構布局,消除了圓盤澆鑄故障引起的陽極板缺陷。改進后,圓盤澆鑄機的故障率大幅下降,系統(tǒng)已可以穩(wěn)定運行,陽極精煉系統(tǒng)也達到了設計能力。

圓盤澆鑄機；故障率；陽極板；提取機；澆鑄包

金冠銅業(yè)是銅陵有色集團公司為提升銅冶煉技術水平而實施的一項大型技術升級改造項目。該項目采用閃速熔煉、閃速吹煉、回轉式陽極爐精煉、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。圓盤澆鑄系統(tǒng)采用Outotec生產(chǎn)的1臺雙18模定量澆鑄機，用于將陽極爐精煉合格的陽極銅澆鑄成單重為385 kg的陽極板，設計能力為110 t/h。

1 圓盤澆鑄系統(tǒng)

1.1 陽極精煉與澆鑄系統(tǒng)配置

金冠銅業(yè)的陽極精煉與澆鑄系統(tǒng)配有2臺660t/爐的回轉式陽極爐和1臺110 t/h的雙18模圓盤澆鑄機?；剞D式陽極爐由國內(nèi)設計,規(guī)格為4.9 m×14.18 m，除傳動系統(tǒng)、氮氣攪拌裝置、稀氧燒嘴為引進外，其余均為國內(nèi)制造。陽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(tǒng)。為了處理電解車間返回的殘極、不合格陰極、銅粒及陽極澆鑄時產(chǎn)生的不良陽極，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 圓盤澆鑄機工作原理和性能參數(shù)

雙18模圓盤澆鑄機由稱量和澆鑄單元、陽極拒收單元、陽極提取和收集單元、噴涂和噴淋冷卻單元、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。圓盤澆鑄機的工作原理如下[2]：1）熔融態(tài)的銅液由陽極爐通過固定溜槽流入稱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。當圓盤將銅模運轉到澆鑄位時,澆鑄包向銅模中傾倒銅水。當澆鑄完成后，圓盤將下一塊空模運轉至澆鑄位，同時中間包將澆鑄包再次倒?jié)M。2）帶有銅水的銅模依次通過噴淋冷卻系統(tǒng)，銅模由底部噴淋水進行冷卻，陽極板由上部噴淋水進行冷卻。3）冷卻完成后，陽極板運轉到挑揀工位，不合格陽極板在此處被系統(tǒng)挑選并拒收。為了避免給圓盤造成額外負載，由液壓鎖模裝置將銅模鎖緊，而后通過頂起靠耳部的位置使陽極板從銅模中脫模預頂起，而廢陽極拒收單元會在此時將不合格陽極板挑選出圓盤。4）在預頂起之后，陽極板運轉到收集工位。此時陽極板被再次從靠耳部位置頂起，并由提取機將陽極板從模位抓取入水槽進行冷卻。在收集到設定數(shù)量的陽極板后，通過鏈條將陽極板運送至水槽尾部,由叉車取出放入陽極板堆場。5）在陽極板被取出后,空模運轉至銅模噴涂系統(tǒng)，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。

圓盤澆鑄系統(tǒng)的技術參數(shù)如表1所示。

表1 圓盤澆鑄系統(tǒng)技術參數(shù)

2 運行初期狀況

金冠銅業(yè)分公司的圓盤澆鑄自2013年初開始投入試生產(chǎn)。由于建設期的安裝和調(diào)整工作準備充足，以及閃速吹煉爐低投料量的關系，在運行最初的3個月，圓盤澆鑄系統(tǒng)運行較穩(wěn)定。伴隨著閃速吹煉爐投料量的增加，圓盤澆鑄系統(tǒng)逐漸暴露出一些問題。

2.1 設備故障率高

據(jù)統(tǒng)計，自2013年1月至2014年1月期間圓盤發(fā)生了29起機械性故障，本文對這些故障進行了分類統(tǒng)計，結果如圖1所示。

圖12013年圓盤澆鑄機機械故障統(tǒng)計

從圖1可以看出，2013年全年共發(fā)生的29起機械類故障中，大部分機械故障都來自陽極提取單元,其他故障分別來自稱量澆鑄單元和液壓系統(tǒng)。盡管全年只發(fā)生了2起稱量及澆鑄單元故障，但是從故障的處理過程來看，由于需要終止?jié)茶T且處理難度大,該故障對整個澆鑄過程產(chǎn)生了極大的影響。液壓系統(tǒng)故障均為液壓管爆裂,影響程度相對較小。

對于陽極板提取單元的故障進行了更進一步的分析統(tǒng)計，結果圖2所示。

圖2 圓盤提取機故障統(tǒng)計

從圖2中可以看出，大部分提取單元故障原因來自機械因素，同時同步連桿和偏心盤位置造成了最多次數(shù)的故障。同步連桿和偏心盤故障一旦發(fā)生就是破壞性故障，修復更換備件時間很長（平均需要約4個小時）。在投入試生產(chǎn)的第1年，同步連桿和偏心盤故障對整個陽極澆鑄生產(chǎn)過程產(chǎn)生的影響極大。

2.2 陽極板合格率低

陽極板雖然是銅冶煉過程的中間產(chǎn)品，但是其質(zhì)量不但會影響電解精煉過程中部分設備的操作使用（如陽極準備機組），還會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)的陽極板檢測標準。

表2 陽極板檢測標準（部分）

圖3 陽極板標準尺寸示意

基于所列標準，分段統(tǒng)計了自2013年7月至2013年9月的陽極板檢測合格率數(shù)據(jù)，結果如表3所示。

表32013年7月至9月陽極板合格率

從以上數(shù)據(jù)可以看出，圓盤投產(chǎn)初期，陽極板的澆鑄合格率一直處于較低的水平（平均為78.52%）。同時，對不合格陽極板進行了分類統(tǒng)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；拒收陽極板316塊；表面鼓包228塊；耳部過薄150塊，板面過厚24塊，所占比例均在2%以下。經(jīng)過分析和生產(chǎn)實際驗證，現(xiàn)場情況中影響陽極板質(zhì)量的原因可總結如下：1）噴淋冷卻水的設計能力比實際需求量小。噴淋冷卻水的設計能力為5～6 bar，200 m3/h，現(xiàn)場陽極板的澆鑄溫度大約在1 210℃。在這樣的工況下澆鑄,銅模溫度上升非常快，且無法通過調(diào)節(jié)噴淋冷卻水來控制溫度。銅模溫度過高將會影響陽極板的表面質(zhì)量。2）冷卻水的噴淋區(qū)域不夠均勻。在現(xiàn)場操作經(jīng)驗中，越低的銅模表面溫差越能夠使陽極板外形符合要求，而目前現(xiàn)場要求銅模上不同位置直接的溫度差異在低于50℃時可以保證較好的陽極板外觀，但是通過在澆鑄過程中的實際測量，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行噴淋，噴淋冷卻區(qū)域不均勻?qū)е铝算~模不同位置的溫差較大，而較大的銅模溫差導致了陽極板的較大變形。

2.3 澆鑄速度慢

圓盤的澆鑄速度直接影響到了閃速吹煉爐和陽極爐之間的作業(yè)時序。在圓盤投入運行的早期，受制于圓盤的高故障率，其澆鑄速度一直處于較低水平。但是到2013年底時，圓盤的故障率已經(jīng)得到有效控制的情況下，圓盤的澆鑄速度仍然沒有明顯提升。當操作人員將圓盤的系統(tǒng)速度設定到較高檔位時，噴淋冷卻強度偏弱使得過高的澆鑄速度會使銅模溫度迅速上升，進而影響陽極板質(zhì)量。圖4為2013年12月至2014年3月，連續(xù)3個月的圓盤澆鑄速度曲線，從圖上可以看出這期間澆鑄的平均速度為88 t/h。

圖42013年12月至2014年3月圓盤澆鑄速度曲線

3 存在的問題及改進

在圓盤投入運行的初期,高機械故障率是制約生產(chǎn)的最大問題。當故障率開始得到有效控制時,提高陽極板合格率和提高圓盤澆鑄速度成為生產(chǎn)維護的首要目標。如上文所述,機械故障主要集中在圓盤的陽極板提取機單元。此單元工況環(huán)境惡劣且工作負載高,同步連桿和偏心盤是提取機的主要故障位置。而稱量和澆鑄單元盡管故障次數(shù)較少,但是其故障對生產(chǎn)過程也會產(chǎn)生較大影響。以下是針對圓盤澆鑄系統(tǒng)的改進。

3.1 提取機的改進

在圓盤投入使用前期連續(xù)多次發(fā)生故障，而且兩個圓盤的故障形式和故障部位均相同。起初技術人員認為是提取機在運行過程中發(fā)生了意外碰撞造成，但經(jīng)過一段時間的觀察，發(fā)現(xiàn)即使在沒有發(fā)生意外碰撞的情況下，該部位還是會出現(xiàn)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題，鍵與鍵槽配合不夠緊密，微小的配合間隙在工作過程中會逐漸變大，進而引發(fā)的故障。

偏心盤和同步連桿的故障照片見圖5,零部件位置如圖6所示。

圖5 圓盤提取機偏心盤和同步連桿部位故障照片

圖6 提取機的故障位置示意

由圖5、圖6所示，故障位置處于提取機爪手主軸與偏心盤連接部位，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在澆鑄過程中產(chǎn)生變化，造成提取機從銅模抓取陽極板放入水槽的動作過程無法保持穩(wěn)定。在此過程中陽極板很有可能撞擊到水槽的頭部甚至導致偏心盤和同步連桿的損壞。在選用過盈配合尺寸后，再也沒有發(fā)生這樣的問題。

3.2 稱量和澆鑄單元部分結構的改進

澆鑄包由伺服電機驅(qū)動齒形帶做搖籃運動[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,故障使正在運動的澆鑄包突然無法運動進而導致整個澆鑄過程終止。經(jīng)現(xiàn)場探查發(fā)現(xiàn)，滾針軸承已經(jīng)損壞而且銷軸表面磨損嚴重。圖7為齒形帶滑輪的結構和其在澆鑄包中的位置。

圖7 澆鑄包齒形帶滑輪結構示意

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），雖然結構比較簡單緊湊，但是這樣的結構存在以下問題：1)由于齒形帶輪與滑輪對中程度的差異，滑輪在轉動過程中會產(chǎn)生較大的徑向載荷，同時還會產(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，用墊片來補償位移會增加滑輪轉動負載。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，安裝后無法繼續(xù)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題；4）由于軸承無內(nèi)圈，滾針是在滑輪銷軸上轉動，銷軸表面直接承受交變載荷，易產(chǎn)生表面疲勞，對銷軸的表面加工工藝有較高要求。

基于上述原因，技術人員改進了現(xiàn)有滑輪和支架的結構，改用調(diào)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(tǒng)改進

經(jīng)過生產(chǎn)實際驗證，噴淋冷卻系統(tǒng)所提供的設計技術參數(shù)（5～6 bar，200 m3/h）偏小，無法滿足澆鑄速度、保證澆鑄質(zhì)量，且原有的噴淋區(qū)域偏小，會導致銅模冷卻不均勻。經(jīng)過一段時間的試驗與摸索，噴淋冷卻系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整為（8 bar，320 m3/h），同時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(xiàn)場生產(chǎn)的需要。改進后，圓盤的平均澆鑄速度穩(wěn)定在101 t/h以上，最大澆鑄速度達到115 t/h，如圖8所示。

圖82014年6～9月圓盤澆鑄速度

3.4 模溫檢測改進

原有的設計系統(tǒng)中自帶模溫檢測系統(tǒng)，但是原有模溫檢測裝置所檢測的為銅模邊緣溫度，而邊沿溫度與實際的銅模中心溫度有一定的差異，操作人員無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(shù)據(jù)連入系統(tǒng)，用來指導操作人員根據(jù)模溫變化情況在線控制噴淋冷卻量。此項改進對提高陽極板合格率、銅模使用壽命和澆鑄速度起到了重要作用。

4 結束語

圓盤澆鑄系統(tǒng)運行至今已有兩年，在這段時間內(nèi)，金冠銅業(yè)通過加強操作技能培訓，改進工藝和設備，使圓盤澆鑄系統(tǒng)已經(jīng)可以穩(wěn)定運行，圓盤澆鑄速度穩(wěn)定在平均約101 t/h，最高平均澆鑄速度達到115 t/h，并且陽極精煉系統(tǒng)也已達到設計能力。目前，圓盤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，圓盤澆鑄機僅發(fā)生3次液壓系統(tǒng)故障，未再發(fā)生提取機部位和澆鑄單元的故障；陽極板合格率已從約78.5%提升至約98%。

[1]Zhou Jun，Sun Laisheng,An Overview of Tongling New Flash Smelting and Flash Converting Project[C]//Proceedings of the thirteenth international flash smelting congress，Elli Miettinen，Eds，Zambia，2011，191-200.

[2]Outotec.IOM MANUAL OF TWIN M18 ANODE CASTING SHOP [EB/OL].Finland:Outotec，（2011-06-14）[2014-12-08].http:// www.outotec.com.

[3]成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社，2008.

Operating Condition and Improvement of Casting Wheel System

HE Meisong,TIAN Yong
(Jinguan Copper Corporation of Tongling Nonferrous Metals Group Co.,Ltd.,Tongling,Anhui 244100,China)

Jinguan Copper Corporation adopts double 18-mode casting wheel,during one year of putting into commissioning in early 2013,it has some problems,such as high failure rate of equipment,low qualified rate of anode plate and low casting speed.In order to meet the need of production,unreasonable structure will be improved in casting wheel system by adjusting parameters of spraying cooling system and changing structural layout of lower spraying water and removing faults of anode plate caused by failure of casting wheel.After improvement,failure rate of casting wheel will be decreased significantly,the system can be operated stably,and anode refining system will also reach design capacity.

casting wheel;failure rate;anode plate;take-off device;casting ladle

TF808

B

1004-4345(2015)05-0016-04

2015-03-04

何梅松(1971—)，男，工程師，主要從事有色冶金企業(yè)設備管理工作。