圓盤澆鑄系統運行中存在的問題及完善論文
金冠銅業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，設計年產陰極銅 400 kt、硫酸 1 453.9 kt. 圓盤澆鑄系統采用 Outotec 生產的 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
1.1 陽極精煉與澆鑄系統配置
金冠銅業的陽極精煉與澆鑄系統配有 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。 回轉式陽極爐由國內設計，規格為 4.9 m×14.18 m,除傳動系統、氮氣攪拌裝置、稀氧燒嘴為引進外，其余均為國內制造。 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。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
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、液壓系統和控制系統組成。圓盤澆鑄機的工作原理如下[2]:1）熔融態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滿。 2）帶有銅水的銅模依次通過噴淋冷卻系統，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，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。圓盤澆鑄系統的技術參數如表 1 所示。
2 運行初期狀況
金冠銅業分公司的圓盤澆鑄自2013年初開始投入試生產由于建設期的安裝和調整工作準備充足，以及閃速吹煉爐低投料量的關系，在運行最初的3個月，圓盤澆鑄系統運行較穩定。伴隨著閃速吹煉爐投料量的增加，圓盤澆鑄系統逐漸暴露出一些問題
2.1設備故障率高
據統計，自2013年1月至2014年1月期間圓盤發生了29起機械性故障，本文對這些故障進行了分類統計。結果如圖1所示。從圖 1 可以看出，2013 年全年共發生的 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。 盡管全年只發生了 2 起稱量及澆鑄單元故障，但是從故障的處理過程來看，由于需要終止澆鑄且處理難度大，該故障對整個澆鑄過程產生了極大的影響。 液壓系統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計，結果圖 2 所示。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的故障。 同步連桿和偏心盤故障一旦發生就是破壞性故障，修復更換備件時間很長（平均需要約 4 個小時）。 在投入試生產的第 1 年，同步連桿和偏心盤故障對整個陽極澆鑄生產過程產生的影響極大。
2.2 陽極板合格率低
陽極板雖然是銅冶煉過程的中間產品，但是其質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品質量。而在該項目生產初期，陽極板的合格率相對較低。表 2 和圖 3 所示為金冠銅業的陽極板檢測標準。基于所列標準，分段統計了自 2013 年 7 月至2013 年 9 月 的陽極板檢測合格率數據 ,結果如表3所示。從以上數據可以看出，圓盤投產初期，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。 經過分析和生產實際驗證，現場情況中影響陽極板質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，且無法通過調節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量。2）冷卻水的噴淋區域不夠均勻。在現場操作經驗中， 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，噴淋冷卻區域不均勻導致了銅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，進而影響陽極板質量。 圖 4 為 2013 年 12月至 2014 年 3 月，連續 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.
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較少，但是其故障對生產過程也會產生較大影響。 以下是針對圓盤澆鑄系統的改進。
3.1 提取機的改進
在圓盤投入使用前期連續多次發生故障，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生了意外碰撞造成，但經過一段時間的觀察，發現即使在沒有發生意外碰撞的情況下，該部位還是會出現這樣的故障。
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。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動齒形帶做搖籃運動[3]. 在運行前期，發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。經現場探查發現，滾針軸承已經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。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生較大的徑向載荷，同時還會產生一定的軸向載荷。 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，技術人員改進了現有滑輪和支架的結構，改用調心滾子軸承，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 噴淋系統改進
經過生產實際驗證，噴淋冷卻系統所提供的設計技術參數（5~6 bar,200 m3/h）偏小，無法滿足澆鑄速度、保證澆鑄質量，且原有的噴淋區域偏小，會導致銅模冷卻不均勻。經過一段時間的試驗與摸索，噴淋冷卻系統的參數調整為（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場生產的需要。改進后，圓盤的平均澆鑄速度穩定在 101 t/h 以上，最大澆鑄速度達到115 t/h,如圖 8 所示。3.4 模溫檢測改進原有的設計系統中自帶模溫檢測系統，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，并將數據連入系統，用來指導操作人員根據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
圓盤澆鑄系統運行至今已有兩年，在這段時間內，金冠銅業通過加強操作技能培訓，改進工藝和設備，使圓盤澆鑄系統已經可以穩定運行，圓盤澆鑄速度穩定在平均約 101 t/h,最高平均澆鑄速度達到115 t/h,并且陽極精煉系統也已達到設計能力。 目前，圓盤澆鑄機的故障率已經下降到較低水平，自2014 年 2 月運行至同年 9 月 ,圓 盤澆鑄機僅發生3次液壓系統故障，未再發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%.
參考文獻
[1] Zhou Jun ,Sun Laisheng, An Overview of Tongling New FlashSmelting and Flash Converting Project [C]//Proceedings of thethirteenth 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].
[3] 成大先。機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2008.
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