無(wú)液壓圓盤澆鑄機(jī)的研制與應(yīng)用

陳一波

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 貴溪冶煉廠,江西 貴溪 335424）

1 引言

2020年末，中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議確定，當(dāng)前的重點(diǎn)任務(wù)之一，是要增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈自主可控能力，要盡快解決一批“卡脖子”的問(wèn)題。全自動(dòng)圓盤澆鑄機(jī)作為銅冶煉廠生產(chǎn)陽(yáng)極板的主要大型設(shè)備，國(guó)外先進(jìn)企業(yè)掌控其核心技術(shù)，并不斷對(duì)其進(jìn)行迭代更新，使其設(shè)備性能始終保持領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)企業(yè)要得到高效的陽(yáng)極澆鑄設(shè)備，只能成套引進(jìn)。江西銅業(yè)集團(tuán)貴溪冶煉廠（下文簡(jiǎn)稱：貴冶）先后引進(jìn)了28模單圓盤澆鑄機(jī)、雙16模圓盤澆鑄機(jī)、雙18模圓盤澆鑄機(jī)［1］等國(guó)外先進(jìn)設(shè)備。

貴冶經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用積累，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)進(jìn)口圓盤澆鑄機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的消化、吸收。以此為基礎(chǔ)，自主研發(fā)一款性能達(dá)到國(guó)外最先進(jìn)水平的圓盤澆鑄機(jī)，打破國(guó)外的技術(shù)壟斷，憑借成本優(yōu)勢(shì)將可占領(lǐng)國(guó)內(nèi)廣闊的銅冶煉裝備市場(chǎng)。對(duì)研發(fā)企業(yè)而言將獲得較好的經(jīng)濟(jì)回報(bào)，對(duì)國(guó)內(nèi)銅冶煉行業(yè)而言將得到更具性價(jià)比的先進(jìn)設(shè)備。

2 幾種典型圓盤澆鑄機(jī)存在的弊端

圓盤澆鑄機(jī)的升級(jí)換代，就是一個(gè)通過(guò)改進(jìn)消除設(shè)備弊端、解決生產(chǎn)問(wèn)題的過(guò)程。國(guó)內(nèi)目前在用的幾種圓盤澆鑄機(jī)主要存在以下幾點(diǎn)弊端。

（1） 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在漏油風(fēng)險(xiǎn)。圓盤澆鑄機(jī)作為成套的自動(dòng)化設(shè)備，機(jī)械動(dòng)作部件多，分散在圓盤周邊多個(gè)點(diǎn)位且工況較為惡劣。液壓油缸具有運(yùn)行穩(wěn)定、能適應(yīng)惡劣工況的優(yōu)勢(shì)，因此液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械部件動(dòng)作，是以往澆鑄機(jī)的首選方式。但液壓系統(tǒng)內(nèi)油壓高，油管或接頭一旦出現(xiàn)漏點(diǎn)，會(huì)在短時(shí)間泄漏大量液壓油至圓盤下方的地溝［2］。由于噴淋在模具底部為其降溫的循環(huán)冷卻水也是通過(guò)圓盤下方地溝收集，因此泄漏的液壓油將會(huì)混入澆鑄循環(huán)水系統(tǒng)中污染水體。循環(huán)水被污染后，很快將污染物擴(kuò)散至澆鑄成型的陽(yáng)極板表面。為避免污染物進(jìn)一步擴(kuò)散，被污染的循環(huán)水必須在系統(tǒng)內(nèi)部采用吸油氈進(jìn)行吸油處理，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且效果不佳。

（2）周邊驅(qū)動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn)。28模單圓盤的盤面直徑大，中間操作空間寬敞，控制室視野良好。但由于圓盤直徑過(guò)大，中心支撐不能獨(dú)立承擔(dān)整個(gè)圓盤的重量，所以圓盤外沿配備有一圈環(huán)形軌道和托輥，用于分擔(dān)圓盤及其上方模具的重量。28根弧形軌道拼接而成的環(huán)形軌道和28個(gè)托輥的安裝精度不夠，以及后期各托輥不一致的機(jī)械磨損等原因都會(huì)引起模具在圓盤運(yùn)行時(shí)上下抖動(dòng)，從而導(dǎo)致模具內(nèi)尚未凝固的陽(yáng)極板四周起毛邊。單圓盤采用周邊驅(qū)動(dòng)，配有兩臺(tái)電子秤，同步澆鑄兩塊陽(yáng)極板，因此在電子秤澆鑄間隙時(shí)間需要轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)模位，位于圓盤外沿的模具每次行走的距離較長(zhǎng)。為控制較短的澆鑄間隙時(shí)間，圓盤啟動(dòng)加速和制動(dòng)停止較為急促，導(dǎo)致尚未凝固的陽(yáng)極銅熔體在模具內(nèi)來(lái)回晃蕩，凝固后陽(yáng)極板的耳部及兩側(cè)出現(xiàn)明顯的卷邊［3］。

（3）水槽鏈條出現(xiàn)卡板故障影響澆鑄順行。水槽內(nèi)的鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸機(jī)用于承接提取裝置從圓盤的模具內(nèi)提出的陽(yáng)極板，在陽(yáng)極板被快速冷卻的同時(shí)，將其逐步輸送到水槽尾部，并分成垛。然后由水槽尾部的堆垛頂升機(jī)構(gòu)將成垛的陽(yáng)極板頂起，再由叉車叉走。當(dāng)偶爾出現(xiàn)提取裝置夾取偏差或陽(yáng)極板耳部不完整的情況時(shí)，就會(huì)引發(fā)陽(yáng)極板掉入水槽卡住鏈條的故障，即使只掉入一塊陽(yáng)極板也會(huì)導(dǎo)致單個(gè)圓盤的澆鑄暫停［4］。

（4）電子秤備件昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修困難。目前國(guó)內(nèi)銅冶煉廠在用的定量澆鑄電子秤幾乎被國(guó)外公司所壟斷，備件采購(gòu)價(jià)格昂貴，單臺(tái)秤成本近百萬(wàn)元。進(jìn)口電子秤內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且安裝精度非常高，廠家基本無(wú)售后服務(wù)，現(xiàn)場(chǎng)維修困難。有時(shí)甚至故障原因都無(wú)法明確，只能整體更換，增加了工廠的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用［5］。

3 新一代圓盤澆鑄機(jī)的研制

為了避免國(guó)外企業(yè)的行業(yè)壟斷，貴冶在學(xué)習(xí)消化國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)了新一代無(wú)液壓圓盤澆鑄機(jī)。該澆鑄機(jī)具有以下幾大創(chuàng)新點(diǎn)。

（1）采用伺服電動(dòng)缸替代液壓油缸。圓盤澆鑄機(jī)中的液壓油缸全部采用伺服電動(dòng)缸替代。伺服電動(dòng)缸是將伺服電機(jī)與絲杠一體化設(shè)計(jì)的模塊化產(chǎn)品，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)［6］，見(jiàn)圖1。

圖1 伺服電動(dòng)缸結(jié)構(gòu)示意圖

伺服電動(dòng)缸包括行星滾柱絲杠和帶動(dòng)行星滾柱絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)，伺服電機(jī)通過(guò)控制電纜與變頻器連接，變頻器與圓盤澆鑄機(jī)PLC控制系統(tǒng)連接。行星滾柱絲杠上安裝有位置傳感器，可將位置信號(hào)通過(guò)變頻控制器反饋給PLC控制系統(tǒng)。便于控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收電動(dòng)缸的位置信息，不再需要外接限位開(kāi)關(guān)，控制方便的同時(shí)，集成度也更高，減少了故障點(diǎn)。

伺服電動(dòng)缸具有以下多方面優(yōu)點(diǎn)：能通過(guò)精確的轉(zhuǎn)數(shù)控制實(shí)現(xiàn)推進(jìn)距離的精準(zhǔn)控制；能通過(guò)精確的轉(zhuǎn)速控制實(shí)現(xiàn)推進(jìn)速度的精準(zhǔn)控制；能通過(guò)精確扭矩控制實(shí)現(xiàn)推進(jìn)力度的精準(zhǔn)控制；從而實(shí)現(xiàn)高精度直線運(yùn)動(dòng)。同時(shí)伺服電動(dòng)缸還具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

（2）采用中心驅(qū)動(dòng)雙18模圓盤。雙18模圓盤主體結(jié)構(gòu)由圓盤框架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、回轉(zhuǎn)支撐、中心軸承組成，見(jiàn)圖2。

圖2 雙18模圓盤主體結(jié)構(gòu)示意圖

兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)圓盤旋轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)安裝于圓盤中心回轉(zhuǎn)支撐內(nèi)，其中一個(gè)電機(jī)稱為“主電機(jī)”，另一個(gè)叫“副電機(jī)”。當(dāng)圓盤靜止時(shí)，副電機(jī)輕微地向反方向推，主電機(jī)保持不動(dòng)。這樣減速機(jī)、小齒輪和矢圈的背隙被消除了。圓盤被“鎖”在它的位置上，當(dāng)圓盤開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)開(kāi)始緩慢加速，推動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)。圓盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了目前最先進(jìn)的現(xiàn)代伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)和伺服電機(jī)，系統(tǒng)可控制交流伺服電機(jī)提供從0到最高的轉(zhuǎn)速及從最高到0的轉(zhuǎn)速的整個(gè)扭矩?？蓪?shí)現(xiàn)圓盤的平穩(wěn)加速和緩慢減速，從而有效避免模具內(nèi)液態(tài)銅水的晃動(dòng)。

（3）采用無(wú)鏈條的拉板運(yùn)輸機(jī)。拉板運(yùn)輸機(jī)橫跨在水槽上方，兩邊的導(dǎo)輪落在水槽兩側(cè)的專用導(dǎo)軌上，由兩側(cè)的電動(dòng)缸共同驅(qū)動(dòng)其在水槽頭部和尾部之間來(lái)回運(yùn)行。與傳統(tǒng)鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸機(jī)不同,水槽中懸掛陽(yáng)極板的導(dǎo)軌上沒(méi)有鏈條由拉板運(yùn)輸機(jī)拉動(dòng)陽(yáng)極板在導(dǎo)軌上分段接力式向尾部滑行，當(dāng)水槽尾部的陽(yáng)極板累積至一定塊數(shù)時(shí)，由叉車叉走。懸掛陽(yáng)極板的導(dǎo)軌帶有向上的坡度，陽(yáng)極板在向尾部滑行的過(guò)程中逐漸升高，到達(dá)尾部時(shí)陽(yáng)極板的耳部超出水槽邊框的高度，以便于叉車的叉運(yùn)。

拉板運(yùn)輸機(jī)兼具有傳統(tǒng)水槽鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸機(jī)和堆垛頂升裝置的功能，將水槽簡(jiǎn)化為一個(gè)內(nèi)部無(wú)任何機(jī)械部件的矩形容器。其在生產(chǎn)中具有以下優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)少數(shù)幾塊陽(yáng)極板掉入水槽內(nèi)時(shí)，并不會(huì)影響澆鑄的正常運(yùn)行。拉板機(jī)在冷卻水的液面之上運(yùn)行，運(yùn)行狀況清晰可見(jiàn)。水槽底部寬闊、平坦，便于清理底部沉積的銅屑。

（4）開(kāi)發(fā)滑移式澆鑄電子秤。貴冶聯(lián)合國(guó)內(nèi)衡器廠家開(kāi)發(fā)了一款新型滑移式電子秤?；剖诫娮映佑煞Q重傳感器、稱重機(jī)構(gòu)、滑移機(jī)構(gòu)和電子單元等部件組成。與進(jìn)口電子秤復(fù)雜的拉桿結(jié)構(gòu)連接單個(gè)重量傳感器不同，滑移電子秤稱重機(jī)構(gòu)采用4個(gè)重量傳感器均布在稱重框架上，四個(gè)傳感器呈正方形分布，受力均勻。精準(zhǔn)調(diào)整四個(gè)傳感器處于同一水平，可確保稱量結(jié)果準(zhǔn)確。滑移機(jī)構(gòu)整體安裝在稱重機(jī)構(gòu)上，其上方安放澆鑄包，在澆鑄包隨滑移機(jī)構(gòu)持續(xù)向后滑移的過(guò)程中完成澆鑄動(dòng)作。

自主開(kāi)發(fā)的滑移式電子秤打破了國(guó)外公司的壟斷，備件采購(gòu)價(jià)格僅為進(jìn)口電子秤的1/5。對(duì)比傳統(tǒng)垂直油缸傾斜方式，滑移式電子秤具有以下優(yōu)勢(shì)：①澆鑄包在澆鑄時(shí)的滑移運(yùn)動(dòng)將銅水在模具內(nèi)的落點(diǎn)由固定的一條澆鑄線拓展為一塊澆鑄面，熱負(fù)荷分散至模具內(nèi)較大的區(qū)域，利于提高模具壽命。②澆鑄包嘴與模具的落差較小，澆鑄時(shí)銅水飛濺小，可減少陽(yáng)極板周邊的飛邊毛刺。③通過(guò)水平運(yùn)動(dòng)來(lái)預(yù)防稱重核心垂直方向震動(dòng)，可以快速精準(zhǔn)的讀取重量數(shù)據(jù)，所澆鑄陽(yáng)極板單重的精準(zhǔn)度更高。

4 生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題與改進(jìn)措施

貴冶利用一系統(tǒng)年修的機(jī)會(huì)實(shí)施改造，將原有28模圓盤全部拆除，建設(shè)一臺(tái)新研制的雙18模圓盤澆鑄機(jī)，進(jìn)行升級(jí)換代。新的圓盤澆鑄機(jī)在生產(chǎn)初期也遇到了以下問(wèn)題。

（1）拉板運(yùn)輸機(jī)兩側(cè)電動(dòng)缸故障率高。拉板運(yùn)輸機(jī)由兩側(cè)的兩臺(tái)電動(dòng)缸共同驅(qū)動(dòng)，在生產(chǎn)中容易出現(xiàn)兩側(cè)電動(dòng)缸受力不均或單側(cè)電動(dòng)缸故障卡阻的問(wèn)題；當(dāng)一側(cè)電動(dòng)缸出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，不僅會(huì)造成澆鑄暫停，還可能引發(fā)兩臺(tái)電動(dòng)缸同時(shí)損壞的設(shè)備事故。

改進(jìn)措施：采用一臺(tái)驅(qū)動(dòng)力為5噸的電動(dòng)缸居中安裝，取代水槽兩側(cè)驅(qū)動(dòng)力為3噸的兩臺(tái)電動(dòng)缸。杜絕了兩臺(tái)電動(dòng)缸受力不均導(dǎo)致單側(cè)卡阻的問(wèn)題。

（2）頂起裝置的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)缸故障率高。位于水槽頭部提取機(jī)正下方的陽(yáng)極板頂起裝置的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)缸，不僅要應(yīng)對(duì)高溫的炙烤，同時(shí)受到冷卻水槽溢流出來(lái)的循環(huán)冷卻水的侵蝕，工況特別惡劣，因而故障率較高。

改進(jìn)措施：采用一臺(tái)大缸徑、短行程的氣缸，安裝在陽(yáng)極板模具頂桿的正下方，取代由電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)的頂起裝置。氣缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電氣元件，作為動(dòng)力的壓縮空氣還自帶降溫功能；因此能適應(yīng)此處的惡劣工況，大大降低了該部件的故障率。

（3）電子秤驅(qū)動(dòng)電機(jī)皮帶易老化?；剖诫娮映拥幕茩C(jī)構(gòu)通過(guò)傳動(dòng)帶與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連。電子秤處于澆鑄包下方的高溫環(huán)境中，傳動(dòng)帶極易老化，需要頻繁的進(jìn)行檢查與更換。

改進(jìn)措施：將滑移機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式改進(jìn)為齒輪傳動(dòng)，徹底解決了此問(wèn)題。

5 成功應(yīng)用產(chǎn)生的效益

自主研制的無(wú)液壓圓盤澆鑄機(jī)在貴冶一系統(tǒng)陽(yáng)極爐成功應(yīng)用，從根本上杜絕了液壓油泄漏污染水體的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)取得了以下效益。

（1）澆鑄工序能耗下降。無(wú)液壓雙18模圓盤澆鑄機(jī)的澆鑄速度可達(dá)106 t/h。按爐澆鑄陽(yáng)極板350 t計(jì)算，每爐銅的澆鑄時(shí)間由M28模圓盤的4.5h縮短至3.5h。圓盤澆鑄機(jī)及其輔助的澆鑄循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間均得以縮短，減少了電能消耗。

無(wú)液壓雙18模圓盤澆鑄機(jī)與液壓驅(qū)動(dòng)的圓盤澆鑄機(jī)相比，不需要大功率液壓泵持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)維持系統(tǒng)壓力。每個(gè)電動(dòng)缸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，間歇性動(dòng)作，只有在動(dòng)作時(shí)其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)才需要運(yùn)轉(zhuǎn)，而且澆鑄機(jī)所有伺服電機(jī)的功率總和也遠(yuǎn)低于單臺(tái)液壓泵的功率。單爐銅的澆鑄電耗下降逾千kW·h，見(jiàn)表1，取得了顯著的節(jié)能效益。

表1 圓盤澆鑄機(jī)能耗對(duì)比

（2）陽(yáng)極板品質(zhì)提升。無(wú)液壓雙18模圓盤澆鑄機(jī)采用中心驅(qū)動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，滑移電子秤澆鑄包嘴與模具的落差較小，均有利于陽(yáng)極板質(zhì)量的控制，具體生產(chǎn)實(shí)績(jī)見(jiàn)表2。

表2 陽(yáng)極板月均合格率對(duì)比

（3）運(yùn)行維護(hù)成本降低。通過(guò)前文所述幾項(xiàng)改進(jìn)措施的實(shí)施，以及一段時(shí)間的人機(jī)磨合后，無(wú)液壓圓盤澆鑄機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，故障率更低。無(wú)液壓圓盤澆鑄機(jī)的電子秤等關(guān)鍵備件實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，不再受制于人。國(guó)產(chǎn)備件與進(jìn)口備件相比，不僅采購(gòu)價(jià)格大幅降低、采購(gòu)周期縮短，還能得到設(shè)備廠家的應(yīng)急服務(wù)保障。無(wú)液壓澆鑄機(jī)，完全免了去液壓油消耗成本。上述三方面的改善，均不同程度的為工廠節(jié)約了運(yùn)行維護(hù)成本。

6 結(jié)束語(yǔ)

貴冶自主研制的新一代無(wú)液壓圓盤澆鑄機(jī)，自動(dòng)化程度高、故障率低，節(jié)能環(huán)保。打破了國(guó)外企業(yè)的行業(yè)壟斷，降低了國(guó)內(nèi)冶煉企業(yè)的建設(shè)投資以及運(yùn)行維護(hù)成本，為國(guó)家銅工業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)了力量。