智能化電鎳出裝機(jī)組的研制與應(yīng)用

閆剛剛,王 磊,滕 波,張 鵬

(金川集團(tuán)股份有限公司,甘肅 金昌 538000)

用電解工藝生產(chǎn)的純鎳,在有色冶金行業(yè)內(nèi)稱之為電鎳。電解工藝完成后,電鎳從電解槽中吊出,需要先抽掉導(dǎo)電棒、再經(jīng)過燙洗、挑出等外品等工序后才能入庫(kù)。行業(yè)內(nèi)又把這一工藝過程稱之為電鎳的出裝。由于電鎳生產(chǎn)過程遠(yuǎn)比電銅生產(chǎn)過程復(fù)雜,再加上資源的限制,所以生產(chǎn)電鎳的企業(yè)在數(shù)量與生產(chǎn)規(guī)模上,都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及電銅的生產(chǎn)企業(yè)多和規(guī)模大。這就導(dǎo)致在世界范圍內(nèi),電鎳生產(chǎn)過程中裝備的自動(dòng)化水平落后于電銅。電鎳與電銅的生產(chǎn)過程與原理雖然相似,但是電鎳的生產(chǎn)在一些細(xì)節(jié)上有特殊工藝要求。例如電鎳的燙洗工藝、電鎳挑選工藝等都與電銅完全不同。實(shí)踐證明,照搬電銅的生產(chǎn)設(shè)備用于電鎳,基本都無法滿足生產(chǎn)工藝要求。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

金川公司是我國(guó)電鎳生產(chǎn)規(guī)模最大、生產(chǎn)電鎳最早的大型國(guó)有企業(yè)。1964 年已經(jīng)生產(chǎn)出來我國(guó)第一批電鎳。到2021 年為止,在電鎳出裝這一工段,還處于人工加簡(jiǎn)單工裝的生產(chǎn)狀況。2015 年也曾經(jīng)嘗試用電銅的出裝機(jī)組由于電鎳出裝生產(chǎn),實(shí)踐證明使用效果很不理性。

通過CNKI 中國(guó)知網(wǎng)平臺(tái),分別以“電鎳出裝”、“電鎳出裝機(jī)組”、“電鎳燙洗”、“電鎳翻板”、“電鎳抽棒”等主題及關(guān)鍵字,對(duì)相關(guān)學(xué)術(shù)論文進(jìn)行文獻(xiàn)檢索,檢索情況顯示均無相關(guān)研究論文發(fā)表。文獻(xiàn)檢索表明,關(guān)于電鎳出裝機(jī)組的整機(jī)研發(fā),在國(guó)內(nèi)還是空白,但有一部分與電鎳出裝功能要求相關(guān)的專利,也表明有企業(yè)已經(jīng)對(duì)電鎳出裝的相關(guān)功能裝置進(jìn)行了研究。

2 智能化電鎳出裝機(jī)組研制解決的技術(shù)難題

2.1 全自動(dòng)軌道車式步進(jìn)輸送機(jī)

有色金屬電解的生產(chǎn)車間,一般都設(shè)計(jì)有2～3個(gè)跨。采用電鎳出裝機(jī)組出裝電鎳時(shí),就必然要把每個(gè)跨的電鎳都輸送到出裝機(jī)組的進(jìn)料口。這就產(chǎn)生了電鎳隔跨輸送轉(zhuǎn)運(yùn)的問題。國(guó)外解決這一問題的方案基本都是采用“儲(chǔ)板架+步進(jìn)輸送機(jī)+移載小車”的模式,如圖1 所示。國(guó)內(nèi)也基本都照搬使用這一模式。其工作原理是:2 個(gè)跨的行車都把電鎳上到儲(chǔ)板架上先儲(chǔ)存,再由移載小車把電鎳整槽轉(zhuǎn)運(yùn)到步進(jìn)輸送機(jī)上,由步進(jìn)輸送機(jī)輸出加工。

這一模式有兩個(gè)問題:第一要求在設(shè)計(jì)廠房時(shí),就要統(tǒng)一規(guī)劃場(chǎng)地。對(duì)已經(jīng)投入生產(chǎn)的老企業(yè),改造車間來使用這種方案,幾乎不可能。第二是移載小車移板到步進(jìn)輸送機(jī)上時(shí),步進(jìn)輸送機(jī)需要停機(jī)等待,這就影響了整個(gè)機(jī)組的工作效率。

全自動(dòng)軌道車式步進(jìn)輸送機(jī)的實(shí)質(zhì),是把步進(jìn)輸送機(jī)放置在一個(gè)軌道式平板車上,控制系統(tǒng)借鑒AGV 車的控制理念,如圖2 所示。讓步軌道式平板車搭載步進(jìn)輸送機(jī)在車間各個(gè)跨運(yùn)行,直接接受各個(gè)跨的電鎳。平行布置兩臺(tái)全自動(dòng)軌道車式步進(jìn)輸送機(jī)交替工作,不但可以完成各個(gè)跨的電鎳的轉(zhuǎn)運(yùn)工作,還可以始終有一臺(tái)處于輸出工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)無間斷的工作狀態(tài),提高了生產(chǎn)效率。一個(gè)年產(chǎn)3 萬t 的車間,每天需要加工生產(chǎn)約80 槽電鎳,如果每槽節(jié)省30 s,每天可以節(jié)省時(shí)間40 min。

圖2 電鎳隔跨轉(zhuǎn)運(yùn)方式二

2.2 基于機(jī)器視覺的電鎳預(yù)分選系統(tǒng)

金川公司根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電解鎳進(jìn)行檢驗(yàn),金川公司最新的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是《電解鎳外觀質(zhì)量判定規(guī)則》,標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為Q/YSJC-FX23-2022。該標(biāo)準(zhǔn)主要從鎳板的物理外觀質(zhì)量、表面化學(xué)成分變化、表面顏色異常、夾層等四方面對(duì)電鎳質(zhì)量進(jìn)行評(píng)判和控制。每個(gè)方面又有許多具體分項(xiàng)目需要判斷確定,是一項(xiàng)細(xì)致的專業(yè)技術(shù)工作,目前還沒有專門的檢測(cè)儀器可以使用。所以在該標(biāo)準(zhǔn)中,檢測(cè)方法定為目視檢測(cè)。這樣的檢測(cè)方法需要車間崗位人員人工翻板挑選,勞動(dòng)強(qiáng)度很大。

電鎳預(yù)分選理念是,把有可疑點(diǎn)的板自動(dòng)挑選出來,讓合適板通過。然后人工只復(fù)檢已經(jīng)挑出來有可疑點(diǎn)的板,極大降低人工挑板的工作量。由于電鎳檢測(cè)和挑選情況非常復(fù)雜,機(jī)器視覺技術(shù)很難達(dá)到100%準(zhǔn)確,所以采用預(yù)分選的理念來處理這一問題比較符合實(shí)際情況。

機(jī)器視覺技術(shù)分為3D 技術(shù)和2D 技術(shù)。3D 技術(shù)主要是偵測(cè)板面物理外觀質(zhì)量;2D 技術(shù)主要是偵測(cè)板面是否有異常顏色,根據(jù)顏色判斷板面是否發(fā)生化學(xué)性質(zhì)的變化。3D 系統(tǒng)和2D 系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的檢測(cè)項(xiàng)目如圖3 所示。

圖3 3D/2D 系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的檢測(cè)項(xiàng)目

3D 系統(tǒng)采用3D 激光相機(jī),掃描速度500 mm/s。算法采用的是自主研發(fā)的專用軟件,2.5 s 可以檢測(cè)出數(shù)據(jù)。實(shí)測(cè)效果是:對(duì)于高度和直徑大于2 mm的結(jié)粒(圖4),可以準(zhǔn)確偵測(cè)并統(tǒng)計(jì)出來。對(duì)于深度和直徑大于2 mm 的氣孔(圖5),也可以準(zhǔn)確偵測(cè)并統(tǒng)計(jì)出來。由于受算法影響,對(duì)于特大異型結(jié)粒3D 系統(tǒng)判斷不出來。由于受到3D 激光相機(jī)性能限制,對(duì)于微小結(jié)粒和小氣孔,3D 系統(tǒng)偵測(cè)不出來。由于3D 系統(tǒng)偵測(cè)特大異型結(jié)粒、微小結(jié)粒和小氣孔有困難,這一部分的偵測(cè)最后改造2D系統(tǒng)完成。

圖4 高度和直徑大于2 mm 的結(jié)粒

圖5 深度和直徑大于2 mm 的氣孔

圖6 大的異型結(jié)粒

2D 系統(tǒng)采用的是2 000 萬像素面陣相機(jī);算法采用的是自主研發(fā)的專用軟件,1.5 s 可以得出檢測(cè)數(shù)據(jù)。由于2D 系統(tǒng)是通過檢測(cè)板面顏色,來判斷電鎳板面是否有化學(xué)變化。如圖3 所示,2D 系統(tǒng)需要檢測(cè)至少六種顏色。而實(shí)際情況是由于電鎳板面化學(xué)變化的嚴(yán)重程度千差萬別,所以反應(yīng)在顏色方面就會(huì)有分布范圍很大的深淺變化。特別是在臨界狀態(tài)時(shí),機(jī)器視覺系統(tǒng)很難判斷。

2D 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下問題:①拍照的背景顏色不能和需要檢測(cè)的顏色相同;②處理好燈光,不用讓板面上的皺褶形成陰影,陰影會(huì)被誤判成油污或氫氧化鎳等;③鎳板的兩個(gè)面不要同時(shí)布置相機(jī)拍照,錯(cuò)開一個(gè)工位,避免相互干擾;④要采用人工光源,因?yàn)樽匀还庥蓄伾?/p>

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用的是自主研發(fā)的系統(tǒng),界面設(shè)置了靈活的對(duì)話框(圖8)。使用人員可以根據(jù)生產(chǎn)情況,設(shè)定挑選條件?；跈C(jī)器視覺的電鎳預(yù)分選系統(tǒng)通過6 個(gè)月的試用,在生產(chǎn)正常的情況下,挑出每天產(chǎn)量的20%～30%,可以把有問題的板覆蓋完。這樣原來人工挑板工作量減少了70%～80%。

圖8 挑板條件設(shè)定界面

2.3 程序控制的電鎳自動(dòng)燙洗機(jī)

目前鎳電解行業(yè)內(nèi)燙洗電鎳方法主要有兩種:①直接帶著導(dǎo)電棒入燙洗槽燙洗或沖洗,這種工藝不能保證燙洗質(zhì)量要求;②把一批電鎳先抽去導(dǎo)電棒、碼垛整齊、用鋼絲繩捆住、再用行車吊進(jìn)燙洗槽進(jìn)行燙洗。行車起吊電鎳時(shí),要求電鎳耳部朝下(圖9 所示)。這種工藝能保證燙洗質(zhì)量,但是人工操作勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)安全性差。

圖9 行車吊電鎳去燙洗

電鎳自動(dòng)燙洗機(jī)如圖10 所示,地軌行車帶動(dòng)專用吊具完成直線往返運(yùn)動(dòng),這個(gè)運(yùn)動(dòng)用于去取電鎳。卷?xiàng)顧C(jī)通過鋼絲繩-滑輪系統(tǒng)帶動(dòng)專用吊具完成升降運(yùn)動(dòng),這個(gè)運(yùn)動(dòng)用于讓電鎳下燙洗槽。電鎳由專用吊具的底部鉤板抬住,并由八字形抱爪抱住。這樣就控制住了整摞電鎳板不至于散開八字形抱爪由氣缸推動(dòng),可以前進(jìn)和后退。

圖10 電鎳自動(dòng)燙洗機(jī)

電鎳的燙洗工藝要求是:電鎳入水停留時(shí)間t1秒;出水停留t2秒,循化N次。在用行車吊板燙洗時(shí),t1、t2和N都是行車工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)掌握。用程序控制燙洗機(jī)后,t1、t2和N都可以在控制程序中設(shè)定,實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制。

專用吊具抱板燙洗與鋼絲繩捆板吊燙相對(duì)比。板與板之間的間隙更大,板面更垂直。這有利于板面結(jié)晶和溶液的排除。使用效果證明,用自動(dòng)燙洗機(jī)燙洗鎳板,燙洗質(zhì)量達(dá)到了歷史最好水平。

3 結(jié)束語

金川集團(tuán)有限公司2021 年重點(diǎn)科研項(xiàng)目“智能化電鎳出裝機(jī)組的研究與應(yīng)用”,于2022 年9 月投入生產(chǎn)。每天小時(shí)加工電鎳250 張,運(yùn)行穩(wěn)定可靠、加工質(zhì)量?jī)?yōu)良。本項(xiàng)目在以下三方面取得了突破性成果:第一,創(chuàng)新設(shè)計(jì)了“全自動(dòng)軌道式步進(jìn)輸送機(jī)”,很好地解決了三個(gè)跨車間的物料轉(zhuǎn)運(yùn)問題。第二,提出了“電鎳預(yù)分選的理念”,并研發(fā)了基于機(jī)器視覺的電鎳預(yù)分選系統(tǒng),行業(yè)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了智能化挑選電鎳。第三,研制了程序控制的電鎳自動(dòng)燙洗機(jī),行業(yè)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)電鎳整摞耳部朝下自動(dòng)燙洗。