銅始極片智能調(diào)節(jié)矯直技術(shù)及應(yīng)用

黃劍飛,張海寶,李健

（1.中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038；2.江西瑞林裝備有限公司，江西南昌 330038）

在傳統(tǒng)銅電解工藝方法中,采用始極片工藝是生產(chǎn)電解銅的主要方法之一。始極片一般是通過鈦種板作為陰極的電解工藝獲得的薄板，平均厚度為0.6~1.2 mm，長(zhǎng)寬在600~1 000 mm不等[1]。在始極片的生產(chǎn)過程中，由于鈦種板表面導(dǎo)電性不均勻、極間距不均勻、物料變化等原因，同一批始極片的重量及同一張始極片各處的厚度差異較大，同一槽的始極片、不同陽極周期的始極片的厚薄、均勻性都可能存在較大差異。始極片一般通過人工或機(jī)器剝離，在開口和剝離的過程中均對(duì)始極片施加額外的力，會(huì)造成始極片的額外變形彎曲，因此剝離后始極片的平面度很差，一般平面度≥20 mm，特別是在邊角處翹曲嚴(yán)重。若將剝離后的始極片直接用于裝配，將導(dǎo)致懸垂度數(shù)值過大、始極片裝槽困難、極板短路率高等問題，進(jìn)而造成電流效率低、能耗高、產(chǎn)品質(zhì)量低。

在電解銅生產(chǎn)過程中，為了獲得均勻的較小的陰極和陽極間距，減少短路發(fā)生次數(shù)，提高電解效率，減少固定資產(chǎn)投資，需要保證始極片的平面度及懸垂度盡量小。雖然通過提高生產(chǎn)工藝要求，能從源頭上一定程度地改善始極片的質(zhì)量，但是改進(jìn)工藝成本高且技術(shù)復(fù)雜，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)而言，通過對(duì)始極片進(jìn)行校平來提高其自身的平面度、懸垂度仍更具有合理性和經(jīng)濟(jì)性。本文擬介紹一種銅始極片智能調(diào)節(jié)矯直技術(shù)，并對(duì)其應(yīng)用情況進(jìn)行分析。

1 始極片校平方法現(xiàn)狀

目前，常見的始極片校平方法有平行輥矯直、拍打、平面擠壓、振動(dòng)壓平等方法。

1.1 平行輥矯直

平行輥矯直的工作原理是：始極片連續(xù)通過交錯(cuò)排列且轉(zhuǎn)動(dòng)的輥?zhàn)?得到多次反復(fù)反向的彎曲,使始極片產(chǎn)生一定的彈塑性變形。當(dāng)外力去除后，金屬板經(jīng)過彈性恢復(fù)達(dá)到平直效果。平行輥矯直采用的是平行輥式矯直機(jī)，其工作輥數(shù)量大于19，一般通過人工方式來對(duì)矯直機(jī)的壓下量進(jìn)行調(diào)整。始極片采用平行輥矯直校平的原理見圖1。

圖1 采用平行輥矯直校平的原理示意

采用平行輥矯直速度快，矯直效果好，但該技術(shù)對(duì)物料厚度敏感，不能適應(yīng)大范圍的厚度變化，維護(hù)要求較高。目前，該技術(shù)在業(yè)內(nèi)獲得了廣泛應(yīng)用，是始極片校平的主要技術(shù)方案。

1.2 拍打

拍打工藝主要是指采用拍平機(jī)或人工的方式，用帶有一定彈性的拍平板對(duì)始極片進(jìn)行拍打。拍打時(shí)始極片的一面倚靠于固定平板，對(duì)另一面進(jìn)行局部拍打，通過沖擊和擠壓作用對(duì)始極片進(jìn)行校平，一般只對(duì)下部邊角部位進(jìn)行拍打。始極片采用拍打進(jìn)行校平的原理見圖2。

圖2 拍打校平的原理示意

采用拍打進(jìn)行校平，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)厚薄適應(yīng)好，對(duì)邊角大變形的校平效果好，但整體校平效果一般，噪音大。目前，該技術(shù)的應(yīng)用較少，在云南某冶煉廠有局部使用。

1.3 平面擠壓

平面擠壓是采用壓力機(jī)對(duì)始極片整個(gè)表面進(jìn)行擠壓（可避開加強(qiáng)筋紋路和吊耳處）。壓力機(jī)接觸始極片的部位為平面。平面擠壓的原理見圖3。

圖3 平面擠壓原理示意

采用平面擠壓可覆蓋整個(gè)始極片表面，對(duì)局部少量結(jié)粒具有較好的壓平效果，但校平效果較差，噪音大。目前，該技術(shù)應(yīng)用很少。

1.4 振動(dòng)壓平

多片始極片層疊裝箱后，采用振動(dòng)壓頭對(duì)4個(gè)邊角進(jìn)行振動(dòng)壓平。該技術(shù)可以作為始極片整體校平前的預(yù)處理。振動(dòng)壓平技術(shù)原理見圖4。

圖4 振動(dòng)壓平原理示意

相比靜壓方式，振動(dòng)方式的局部壓平效果好，具有一定的穿透性，但該技術(shù)只能處理始極片4個(gè)邊角的大變形。目前，該技術(shù)沒有應(yīng)用情況。

綜上，若要對(duì)整個(gè)始極片區(qū)域進(jìn)行校平，需要對(duì)整個(gè)平面施加塑性變形力。而單張始極片各處厚薄不均勻,厚度最大值與最小值之比一般大于1.4，對(duì)整個(gè)始極片區(qū)域進(jìn)行校平需要的壓力和能耗非常高，因此采用拍打和平面擠壓方式均難以適應(yīng)整個(gè)始極片區(qū)域的校平需要。而振動(dòng)壓平方案[3]也僅適用于堆疊多張始極片的邊角處初步校平?？偠灾?，拍打、壓平、振動(dòng)壓平方法對(duì)始極片施加的變形影響大部分在彈性范圍內(nèi)，因而當(dāng)施加的力消失后，始極片會(huì)因失去平衡性而進(jìn)行彈性恢復(fù)，難以讓整個(gè)始極片發(fā)生彈塑性變形。

由于始極片的薄板特性，同時(shí)參考其它金屬薄板的校平方法，采用平行輥式矯直機(jī)對(duì)始極片加工具有矯直效果好、加工速度快、功耗低等特點(diǎn)，是始極片主要的校平方法。

2 傳統(tǒng)平行輥矯直存在問題

平行輥式矯直機(jī)的矯直效果與其壓下量有直接關(guān)系。一般而言，壓下量分為入口壓下量和出口壓下量。在材質(zhì)性能確定的情況下，壓下量的大小主要由金屬板的厚度尺寸確定[4-6]。因此，若平行輥式矯直機(jī)采用固定壓下量，則難以適應(yīng)厚度不均勻的始極片加工。

在現(xiàn)有生產(chǎn)中，一般根據(jù)始極片厚度數(shù)據(jù)中的較大值確定矯直機(jī)的壓下量，以避免過厚的始極片在矯直機(jī)中卡滯，但該方式對(duì)較薄始極片的矯直效果差，始極片的平面度差；且始極片的重量一般依靠人工抽檢，對(duì)生產(chǎn)的指導(dǎo)性不強(qiáng)且無數(shù)理統(tǒng)計(jì)功能，不能反映原料始極片的生產(chǎn)質(zhì)量狀況。同時(shí)，若有漏檢的超重始極片，部分局部厚度過大、單張厚薄分布均勻度差的始極片，或板面有結(jié)粒的始極片進(jìn)入機(jī)組都會(huì)影響矯直效果，并容易造成設(shè)備損壞。尤其是板面有結(jié)粒的始極片，機(jī)組往往無法識(shí)別，大結(jié)粒一旦進(jìn)入矯直機(jī)發(fā)生卡阻，會(huì)導(dǎo)致矯直輥軸斷裂，機(jī)組故障率隨之上升。

3 始極片智能調(diào)節(jié)矯直方案

3.1 技術(shù)方案

基于上述分析，本文介紹一種始極片智能調(diào)節(jié)矯直方案，以解決平行輥式矯直機(jī)壓下量調(diào)節(jié)問題。技術(shù)方案如下：在矯直機(jī)前道工序，增設(shè)稱重裝置，以便在線測(cè)量每一塊始極片的重量，通過重量數(shù)值推算始極片的平均厚度數(shù)值，再依據(jù)經(jīng)驗(yàn)算法自動(dòng)調(diào)節(jié)矯直機(jī)的進(jìn)出口壓下量等參數(shù)。另外，通過檢測(cè)始極片的局部厚度，使系統(tǒng)能夠?qū)κ紭O片的厚薄不均勻程度進(jìn)行預(yù)測(cè)，作為壓下量的調(diào)整補(bǔ)充依據(jù)。該技術(shù)方案原理，見圖5。

圖5 始極片智能調(diào)節(jié)矯直方案原理

3.2 始極片重量檢測(cè)

通過在始極片接板臺(tái)上設(shè)置平臺(tái)秤，進(jìn)行單張始極片的重量檢測(cè)。通過多個(gè)稱重傳感器在稱量過程中的數(shù)據(jù)變化及隔振措施，智能地判斷外部振動(dòng)等干擾影響是否消除，從而在盡可能短的時(shí)間內(nèi)，得到足夠精確的重量數(shù)據(jù)。經(jīng)重量檢測(cè)完成的始極片被送入到矯直機(jī)中。

3.3 始極片局部厚度檢測(cè)

沿始極片的輸送方向，在同一對(duì)輥?zhàn)由显O(shè)置了測(cè)厚裝置，在始極片輸送的過程中，對(duì)始極片對(duì)應(yīng)位置的厚度進(jìn)行測(cè)量。若所測(cè)厚度值變化大則可判定單張始極片的厚度不均勻性差。若厚度值存在多處跳動(dòng)，則認(rèn)為始極片表面可能存在結(jié)粒。

3.4 智能調(diào)節(jié)算法

由于始極片的長(zhǎng)寬尺寸相對(duì)固定，因此面積為相對(duì)固定值，設(shè)為A（單位為m2），Cu質(zhì)量密度為8.9 g/cm3。在獲知始極片重量G的情況下，始極片的平均厚度（單位為mm）可以通過式（1）得到：

平均厚度可作為矯直機(jī)的調(diào)節(jié)依據(jù)，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和算法就能得到矯直機(jī)的出口及入口調(diào)節(jié)量。但是如前所述，始極片的厚度分布很不均勻，根據(jù)實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，同一張始極片的厚度偏差比率（最大厚度/最小厚度）可以達(dá)到1.4以上，且始極片表面可能存在分散的結(jié)粒，這都會(huì)對(duì)矯直機(jī)的矯直效果產(chǎn)不利生影響。因此，本智能調(diào)節(jié)方案引入始極片修正厚度參數(shù)△δ，通過該參數(shù)修正平均厚度參數(shù)δ。

△δ的取值較為復(fù)雜，需要根據(jù)眾多的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行確定：1）厚度偏差比率越大，取值則越大。2）可通過測(cè)厚裝置測(cè)量處的厚度參數(shù)變化情況，對(duì)重量數(shù)據(jù)及矯直參數(shù)進(jìn)行校對(duì)和修正。根據(jù)測(cè)厚裝置所測(cè)厚度的跳動(dòng)數(shù)值大小及波動(dòng)分布綜合確定的大小。一般情況下，厚度數(shù)值波動(dòng)次數(shù)越多，則表面結(jié)粒多，取值則越大。

4 應(yīng)用效果

根據(jù)上述技術(shù)方案，在某200 kt/a銅電解車間的始極片加工機(jī)組上通過技術(shù)改造的方式進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用。具體實(shí)現(xiàn)流程見圖6。

圖6 智能矯直工業(yè)生產(chǎn)流程

單片始極片吸片移送后先進(jìn)行對(duì)中，以利于后續(xù)的測(cè)量及加工工序，然后再到稱重工位稱重，對(duì)于異常厚片進(jìn)行超重報(bào)警及停機(jī)處理，便于人工取出，同時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)分析。正常始極片則進(jìn)入測(cè)厚環(huán)節(jié)，之后再分別進(jìn)入第一道矯直機(jī)進(jìn)行初步矯直，初步矯直后再進(jìn)入自動(dòng)調(diào)節(jié)矯直機(jī)。自動(dòng)調(diào)節(jié)矯直機(jī)的壓下量根據(jù)重量及厚度等參數(shù)綜合確定，矯直完成后送入壓紋機(jī)。

該項(xiàng)目投入生產(chǎn)后，始極片加工機(jī)組矯直機(jī)實(shí)現(xiàn)了依據(jù)重量的自反饋調(diào)節(jié)，上述技術(shù)方案取得了良好的效益：1）始極片懸垂度優(yōu)良率提高了15%，從而降低了槽間短路率，提升了電流效率；2)始極片機(jī)組對(duì)始極片的適應(yīng)能力提升到0.5~1.5 mm范圍之間，矯直效果顯著提升；3）延長(zhǎng)了機(jī)組使用壽命，降低了機(jī)組檢修費(fèi)用；4）因矯直不良導(dǎo)致的廢片平均減少20片/d；5）降低了槽面作業(yè)人員處理燒板時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了勞動(dòng)生產(chǎn)率。同時(shí)，始極片智能調(diào)節(jié)矯直方案的實(shí)現(xiàn)，使系統(tǒng)對(duì)始極片重量、厚度等數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)，為種板始極片的質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供了數(shù)據(jù)支撐，有利于后續(xù)工藝的進(jìn)一步改進(jìn)。