陽極銅澆鑄用中間包熱風循環(huán)烘箱的研制

劉志剛

（江西銅業(yè)集團貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

銅火法冶煉需要用中間包和澆鑄包將熔融流動的銅水澆鑄成具有一定形狀、一定重量的陽極板。在中間包和澆鑄包內需安裝有耐火澆注料，耐火澆注料需要用水攪拌均勻才能安裝于中間包和澆鑄包的內壁。澆注料含有水分后不能直接用于銅陽極板的澆鑄，否則銅水遇水后爆炸。國內常用天然氣、木炭等燃料烘烤，其缺點是熱利用率非常低，能耗高，烘烤一次成本超過1000元。

用天然氣烘烤采用天然氣簡易烘烤槍。現(xiàn)場環(huán)境較差，且需要來回移動，烘烤槍的軟管經(jīng)常出現(xiàn)破損、開裂現(xiàn)象，存在泄漏的天然氣的安全隱患。使用天然氣烘烤時需要人工調整天然氣和壓縮空氣閥門的開度，難以確保天然氣和壓縮風達到最佳混合比例，導致燃燒效率較低。烘烤過程中包子上方只覆蓋了一層鐵皮，大量火焰外溢導致熱損耗大，存在能源浪費現(xiàn)象。

為了解決燃料烘烤帶了問題，為此研發(fā)了一種用于烘烤中間包和澆鑄包的烘箱。如何提高烘烤的熱利用率，加速澆注料的水分蒸發(fā)，達到節(jié)能降耗的目的，同時提升加熱器使用壽命，是中間包烘箱的技術關鍵。

1 中間包烘箱的技術分析

熱風循環(huán)烘包箱是針對圓盤澆鑄機中間包、澆鑄包、鋼模的烘烤而研制的一款加熱、烘干、除濕設備。采用臺車式進出工件方式，適合于中間包、澆鑄包、鋼模、活動溜槽自動進出。澆鑄包與中間包烘干過程中，先鋼件吸熱而預熱、接著澆注料表面預干燥、澆注料內部最后干燥的加熱干燥工藝過程，直接影響澆鑄包和中間包干燥的質量，均勻的熱風循環(huán)干燥方式，確保耐火澆注料的均勻干燥，避免了澆鑄包和中間包澆注料的開裂。

國內某特大型銅冶煉廠有全自動澆鑄機4套，年澆鑄陽極銅近百萬噸，對解決中間包和澆鑄包烘烤難題極其迫切，因而該廠適宜研發(fā)熱風循環(huán)中間包烘箱。

1.1 烘箱工藝流程

該設備利用水份在100℃以上可汽化的特性，將澆鑄包、中間包、模子及活動溜槽通過平移車裝入爐膛進行加熱，通過熱風循環(huán)風機將加熱管表面的熱量吹送至工件，使工件上的水份在高溫下?lián)]發(fā)，同時再將蒸發(fā)的水汽帶著，熱風的流動加速了水汽的蒸發(fā)。再通過烘箱頂部的八個排氣孔將水蒸氣排出烘箱外。達到對工件的烘干作用。該設備較傳統(tǒng)天然氣烘烤方式可降低操作人員的工作量、安全、低碳排放及較有明顯的節(jié)能效果。

目前，在銅冶煉行業(yè)澆鑄包和中間包的烘烤，逐步被推廣開，技術較成熟，得到了行業(yè)的認可。其工藝流程為：人工按下開啟爐門按鈕→爐門開啟→臺車自動開出→行車或叉車擺放澆鑄包和中間包→人工按下小車退回按鈕→小車退回→爐門關閉→8臺熱風循環(huán)風機開啟→加熱器開啟→智能溫控器按觸摸屏升溫曲線加溫→按升溫曲線保溫→按設定時間停止加溫→關閉循環(huán)風機→烘烤結束。

為了降低能耗，人工砌筑好的澆鑄包和中間包先放置24小時以后，水分自然晾干部分水分，避免耐火材料水分過高延長了烘烤時間，增加了電能消耗。

1.2 主要優(yōu)缺點

該烘箱采用PLC程序自動控制，整套設備從爐門關閉，到升溫，再到熱風循環(huán)，到保溫，直到烘烤結束都為自動控制，無需人員中間參與操作。該設備易操作，僅需將中間包和澆鑄包擺放在臺車上1-2人操作即可

該熱風循環(huán)中間包烘箱具有良好的溫度均勻性、靈活的送風方式、節(jié)能效果優(yōu)、美觀的外表等優(yōu)點。目前屬于國內澆鑄包和中間包烘烤的首選設備。該烘烤箱還可以烘烤活動溜槽、可以烘烤澆鑄用鋼?；蛘咩~模。具有獨特設計的強鼓風循環(huán)系統(tǒng)確保了溫度的穩(wěn)定性，觸摸屏顯示，直觀醒目，設有可靠性保護裝置。

該烘箱實用性較強，但存在前期投資成本較高（通常投資費用在30-40萬之間），設備占地面積較大等缺點。

1.3 節(jié)能與環(huán)保分析

液化氣或其他燃料烘烤其熱效利用率不足30%，造成燃料消耗大，成本高；用傳統(tǒng)液化氣烘烤，每爐次烘烤液化氣需70Nm3左右，純液化氣比重為2.5kg/Nm3，單價6300元/噸[1]。單爐烘烤成本70×2.5×6300÷1000=1100元。

烘烤箱升溫設置為300攝氏度，4小時自動關機。升溫時間1.2小時左右，再恒溫烘烤2.8小時。

（1）加熱器升溫時間1.2小時全功率輸出電能消耗：160千瓦×1.2小時（加熱器）=192千瓦時

（2）恒溫時間約50%功率輸出電能消耗：160千瓦×2.8小時×40%=179.2千瓦時

（3）循環(huán)風機電能消耗：1.1千瓦×8(臺)×4小時=35.2千瓦時

總耗電量=a+b+c=192千瓦時+179.2千瓦時+35.2千瓦時=406.4千瓦時

電費=406.4千瓦時×0.7元/千瓦時=284元

陽極爐爐后澆鑄作業(yè)時需1個中間包和2個澆鑄包[2]，該烘箱烘干一次中間包和一次澆鑄包共需電費不足300元，比液化氣烘烤節(jié)約能源消耗成本低800元。加熱過程只產生水蒸氣，不產生任何污染物，有利于清潔生產。

包子的每個部位受熱均勻，澆注料不易開裂。

2 烘箱技術裝備的集成

臺車熱風循環(huán)中間包烘箱是利用不銹鋼翹片電加熱管加熱使?jié)茶T包和中間包干燥脫水的設備。由箱體、電熱系統(tǒng)、電動臺車、電動爐門、和自動控溫系統(tǒng)五部分組成。

圖1 熱風循環(huán)中間包烘箱結構示意圖

加熱腔的內腔尺寸規(guī)格2900×4500×1200（寬×深×高），保溫層厚度180，內腔為不銹鋼板制作；加熱管40根，單根加熱管功率為4千瓦，加熱總功率160千瓦，加熱管未帶翹片式不銹鋼加熱管，加熱單位分為獨立控制的四個區(qū)，每個區(qū)加熱功率均分為40千瓦；輸送臺車1臺，牽引功率2.2千瓦，臺車尺寸2900×4500，承載7噸；爐門1個，前開上拉打開方式，爐門開啟靠卷揚電機，鋼絲繩牽引，關閉靠自重下滑；熱風循環(huán)風機8臺，風機功率1.1千瓦；PLC 1套、觸摸屏電控系統(tǒng)1套，采用國產可編程控制器和觸摸屏。

2.1 烘箱箱體

烘箱箱體為框架結構，采用槽鋼制作成的框架。加熱腔采用304不銹鋼板制成，并在制作時考慮足夠的強度及熱脹冷縮系數(shù)。烘箱外殼采用冷軋板制作，外表噴漆，中間充填超細硅酸鋁棉保溫。

為了便于運輸，將烘箱箱體制作成獨立的兩段，安裝時再將兩段拼接成一個完成的箱體。

2.2 加熱系統(tǒng)

該烘箱頂部安裝有八臺熱風循環(huán)高溫風機，每兩個風機構成與兩片加熱管束構成一個加熱區(qū)。采用由循環(huán)風機吸取工作室內高溫空氣，吸入風道內，經(jīng)過發(fā)熱元件，加熱空氣后將熱空氣從烘箱頂部風道風口吹出，吹向正在烘烤的包子中，同包子澆筑料進行熱交換后，吸入頂部吸風口吸入風道，然后再次循環(huán)，構成一個強制對流熱風循環(huán)。如此反復工作，使得工作室溫度升高。此設備構造和熱風循環(huán)原理，確保了烘箱內各區(qū)域的溫度均勻性，排除了低溫死角及盲區(qū)。

加熱室設置在箱體爐膛兩側風道內，電熱管垂直安裝，臺車底部不配加熱管。選用U型不銹鋼翅片式管狀電熱器，加熱元件主功率為160千瓦。分4組加熱控制，每組加熱單元和2臺對向安裝的風機構成一個獨立的加熱和熱風循環(huán)單位。熱風循環(huán)，提升了加熱器表面散熱效果，加熱元件壽命可達3萬小時。

加熱主控制系統(tǒng)采用大功率智能溫控器，溫控器為可控硅組合單元。烘箱的升溫速度每分鐘：4℃～5℃，一個小時后能達到預設溫度。

2.3 電動臺車

輸送臺車整體采用12#槽鋼框架焊接而成，臺面鋪設10mm厚度的鋼板及底部鋪設鋼板，中間填充高密度硅酸鋁棉保溫及礦棉保溫板。底部裝有3對車輪，減小車輪及導軌的表面壓強，以確保其承載能力和行走的平衡性。

臺車裝有驅動裝置，驅動電機2.2千瓦。小車傳動方式采用鏈輪與鏈條傳送，小車安裝于車頭部，遠離高溫區(qū)。并在臺車的兩端裝有限位開關，牽引電機為帶抱閘的電機，以保證臺車的準確定位，并對電機及爐體的保護。

2.4 電動爐門

爐門采用升降式，通過一臺電動葫蘆牽引，而啟閉，在爐門降至最低部位后有橫向運動功能，保證了密封件不受爐門上下運動與門面摩擦。同時爐門下降到最低位時，爐門自帶的自動壓緊裝置，將爐門緊緊推向箱體，爐門和箱體接觸的部分安裝有密封條，防止爐門與箱體間隙大而造成熱量損失，增加電耗。電動葫蘆有抱閘剎車，在斷電時，可以保護爐門不下滑，較氣缸啟閉更安全，可靠。

2.5 PLC電氣控制系統(tǒng)

為實現(xiàn)整條生產線的自動化控制，構建了一個以PLC為核心的控制系統(tǒng)。進出料、爐門開關、風機啟停動作采用PLC與觸摸屏進行數(shù)據(jù)通訊，通過觸摸屏同時對溫度和動作進行自動控制，一鍵啟動，自動化控制。觸摸屏設計了參數(shù)設置、運行監(jiān)控和報警顯示界面，可實現(xiàn)整個烘箱的連鎖運行和在線監(jiān)控。PLC與觸摸屏采用串行通信方式通信，硬件上通過通訊電纜把觸摸屏與PLC連接起來。

整個控制系統(tǒng)的結構采用二層架構，第一層為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳感器和智能溫度調節(jié)模塊、通信模塊；第二層為觸摸屏與PLC控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場總線監(jiān)控與控制單元通訊，具體物理結構圖，圖2，如下。

圖2 硬件系統(tǒng)框架圖

3 烘箱溫控技術

中間包烘箱控制系統(tǒng)屬于工藝流程的控制，溫控技術是其技術核心。通過PLC和溫控器組成了一套烘箱控制系統(tǒng)，按照澆鑄包和中間包的具體工藝要求實施控溫，需隨水分的蒸發(fā)情況而變，要求升溫曲線的編輯、顯示必須直觀、簡單。

觸摸屏程序上可以編制多種升溫曲線，下裝到智能溫控器，直接控制中間包烘箱的加溫、保溫和停機，自動化程度高。同時觸摸屏可以實時記錄烘箱的溫度變化曲線，并可查詢歷史溫度曲線，可靠性高，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強，維護簡單。

3.1 PID智能溫控程序設計

烘箱的加溫控制由智能溫控器控制，智能溫控器執(zhí)行觸摸屏的參數(shù)設置。該智能溫控器具有智能PID控制算法，擁有自調整功能，可根據(jù)設置的升溫曲線（可設置50段）分別設定升溫速度、保溫溫度和降溫速度，溫度控制的自動調節(jié)控制，并可顯示理論值和實測值。

采用高精度具有PID自動演算功能的溫控器，配用K型感溫線[3]。智能溫控器采用可控硅電力相位調功器控制輸出，根據(jù)溫度的自動調整輸出功率，無觸點連續(xù)調節(jié)，自動完成烘干工藝全過程，能滿足任何固化曲線的要求，使得溫度控制更穩(wěn)定。加溫控制的參數(shù)設置界面分五個功能區(qū)域：PID參數(shù)、定值調試、限幅保護、手動調試、開爐溫度。

3.2 升溫曲線的程序設計

觸摸屏可以編輯加溫曲線。加溫曲線編輯完，可以通過曲線圖顯示，智能溫控器將執(zhí)行該加溫曲線。程序設計了已運行時間的監(jiān)視和按當前工藝進行加熱所用的時間。工藝下載界面如圖3所示。

圖3 工藝下載畫面

4 結語

近年來，隨著銅冶煉行業(yè)的綠色發(fā)展理念的深入人心，實現(xiàn)節(jié)能降耗，就是要共同抵制、拒絕高能耗生產，并提升冶煉裝備水平，成為永不松懈的追求目標。也是當前新常態(tài)下經(jīng)濟下行壓力大，銅冶煉行業(yè)需要大力推進節(jié)能減排，努力建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型企業(yè)，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的有機統(tǒng)一。新型的節(jié)能降耗的冶煉裝備得到了銅行業(yè)的認可和快速推廣。