圆盘浇铸系统运行中存在的问题及完善论文
金冠铜业是铜陵有色集团公司为提升铜冶炼技术水平而实施的一项大型技术升级改造项目。 该项目采用闪速熔炼、闪速吹炼、回转式阳极炉精炼、永久不锈钢阴极电解、两转两吸制酸的主工艺流程，设计年产阴极铜 400 kt、硫酸 1 453.9 kt. 圆盘浇铸系统采用 Outotec 生产的 1 台双 18 模定量浇铸机，用于将阳极炉精炼合格的阳极铜浇铸成单重为 385 kg的阳极板，设计能力为 110 t/h.
1 圆盘浇铸系统
1.1 阳极精炼与浇铸系统配置
金冠铜业的阳极精炼与浇铸系统配有 2 台 660t/炉的回转式阳极炉和 1 台 110 t/h 的双 18 模圆盘浇铸机。 回转式阳极炉由国内设计，规格为 4.9 m×14.18 m,除传动系统、氮气搅拌装置、稀氧烧嘴为引进外，其余均为国内制造。 阳极炉的燃料和还原剂均采用天然气，氧化为压缩空气，并在炉底增加使用氮气的透气砖搅拌系统。为了处理电解车间返回的残极、不合格阴极、铜粒及阳极浇铸时产生的不良阳极，配备了1 台能力为 40 t/h 的竖炉和 1 台 180 t /炉的保温炉[1].
1.2 圆盘浇铸机工作原理和性能参数
双 18 模圆盘浇铸机由称量和浇铸单元、阳极拒收单元、阳极提取和收集单元、喷涂和喷淋冷却单元、液压系统和控制系统组成。圆盘浇铸机的工作原理如下[2]:1）熔融态的铜液由阳极炉通过固定溜槽流入称重和浇铸单元的中间包，中间包将铜水倾倒入一侧浇铸包。 浇铸包的装入量和浇铸量由称量单元检测和控制。当浇铸包中铜水量达到设定值后，中间包恢复中位并转而向另一侧浇铸包倾倒。 当圆盘将铜模运转到浇铸位时，浇铸包向铜模中倾倒铜水。 当浇铸完成后，圆盘将下一块空模运转至浇铸位，同时中间包将浇铸包再次倒满。 2）带有铜水的铜模依次通过喷淋冷却系统，铜模由底部喷淋水进行冷却，阳极板由上部喷淋水进行冷却。3）冷却完成后，阳极板运转到挑拣工位，不合格阳极板在此处被系统挑选并拒收。为了避免给圆盘造成额外负载，由液压锁模装置将铜模锁紧，而后通过顶起靠耳部的位置使阳极板从铜模中脱模预顶起，而废阳极拒收单元会在此时将不合格阳极板挑选出圆盘。4）在预顶起之后，阳极板运转到收集工位。 此时阳极板被再次从靠耳部位置顶起，并由提取机将阳极板从模位抓取入水槽进行冷却。在收集到设定数量的阳极板后，通过链条将阳极板运送至水槽尾部，由叉车取出放入阳极板堆场。 5）在阳极板被取出后，空模运转至铜模喷涂系统，铜模在此位置被喷上一层硫酸钡作为脱模层，并等待下一次浇铸。圆盘浇铸系统的技术参数如表 1 所示。
2 运行初期状况
金冠铜业分公司的圆盘浇铸自2013年初开始投入试生产由于建设期的安装和调整工作准备充足，以及闪速吹炼炉低投料量的关系，在运行最初的3个月，圆盘浇铸系统运行较稳定。伴随着闪速吹炼炉投料量的增加，圆盘浇铸系统逐渐暴露出一些问题
2.1设备故障率高
据统计，自2013年1月至2014年1月期间圆盘发生了29起机械性故障，本文对这些故障进行了分类统计。结果如图1所示。从图 1 可以看出，2013 年全年共发生的 29 起机械类故障中，大部分机械故障都来自阳极提取单元，其他故障分别来自称量浇铸单元和液压系统。 尽管全年只发生了 2 起称量及浇铸单元故障，但是从故障的处理过程来看，由于需要终止浇铸且处理难度大，该故障对整个浇铸过程产生了极大的影响。 液压系统故障均为液压管爆裂，影响程度相对较小。
对于阳极板提取单元的故障进行了更进一步的分析统计，结果图 2 所示。从图 2 中可以看出，大部分提取单元故障原因来自机械因素，同时同步连杆和偏心盘位置造成了最多次数的故障。 同步连杆和偏心盘故障一旦发生就是破坏性故障，修复更换备件时间很长（平均需要约 4 个小时）。 在投入试生产的第 1 年，同步连杆和偏心盘故障对整个阳极浇铸生产过程产生的影响极大。
2.2 阳极板合格率低
阳极板虽然是铜冶炼过程的中间产品，但是其质量不但会影响电解精炼过程中部分设备的操作使用（如阳极准备机组），还会影响到最终电解铜的产品质量。而在该项目生产初期，阳极板的合格率相对较低。表 2 和图 3 所示为金冠铜业的阳极板检测标准。基于所列标准，分段统计了自 2013 年 7 月至2013 年 9 月 的阳极板检测合格率数据 ,结果如表3所示。从以上数据可以看出，圆盘投产初期，阳极板的浇铸合格率一直处于较低的水平（平均为 78.52%）。
同时，对不合格阳极板进行了分类统计，其中变形19 404 块，占 66%;锥度 5 405 块，占 18%;耳部厚度3 233 块 ,占 11%;其 余飞边毛刺 522 块 ;拒 收阳极板 316 块；表面鼓包 228 块；耳部过薄 150 块，板面过厚 24 块，所占比例均在 2%以下。 经过分析和生产实际验证，现场情况中影响阳极板质量的原因可总结如下：1）喷淋冷却水的设计能力比实际需求量小。 喷淋冷却水的设计能力为 5~6 bar,200 m3/h,现场阳极板的浇铸温度大约在 1 210 ℃。 在这样的工况下浇铸，铜模温度上升非常快，且无法通过调节喷淋冷却水来控制温度。 铜模温度过高将会影响阳极板的表面质量。2）冷却水的喷淋区域不够均匀。在现场操作经验中， 越低的铜模表面温差越能够使阳极板外形符合要求，而目前现场要求铜模上不同位置直接的温度差异在低于 50℃时可以保证较好的阳极板外观，但是通过在浇铸过程中的实际测量，铜模表面不同位置上的温度差最高可达104℃。 由于铜模是由底部进行喷淋，喷淋冷却区域不均匀导致了铜模不同位置的温差较大，而较大的铜模温差导致了阳极板的较大变形。
2.3 浇铸速度慢
圆盘的浇铸速度直接影响到了闪速吹炼炉和阳极炉之间的作业时序。在圆盘投入运行的早期，受制于圆盘的高故障率，其浇铸速度一直处于较低水平。但是到 2013 年底时，圆盘的故障率已经得到有效控制的情况下，圆盘的浇铸速度仍然没有明显提升。当操作人员将圆盘的系统速度设定到较高档位时，喷淋冷却强度偏弱使得过高的浇铸速度会使铜模温度迅速上升，进而影响阳极板质量。 图 4 为 2013 年 12月至 2014 年 3 月，连续 3 个月的圆盘浇铸速度曲线，从图上可以看出这期间浇铸的平均速度为 88 t/h.
3 存在的问题及改进
在圆盘投入运行的初期，高机械故障率是制约生产的最大问题。 当故障率开始得到有效控制时，提高阳极板合格率和提高圆盘浇铸速度成为生产维护的首要目标。 如上文所述，机械故障主要集中在圆盘的阳极板提取机单元。此单元工况环境恶劣且工作负载高，同步连杆和偏心盘是提取机的主要故障位置。而称量和浇铸单元尽管故障次数较少，但是其故障对生产过程也会产生较大影响。 以下是针对圆盘浇铸系统的改进。
3.1 提取机的改进
在圆盘投入使用前期连续多次发生故障，而且两个圆盘的故障形式和故障部位均相同。 起初技术人员认为是提取机在运行过程中发生了意外碰撞造成，但经过一段时间的观察，发现即使在没有发生意外碰撞的情况下，该部位还是会出现这样的故障。
最终认定这是由于键与键槽的配合尺寸存在问题，键与键槽配合不够紧密，微小的配合间隙在工作过程中会逐渐变大，进而引发的故障。
偏心盘和同步连杆的故障照片见图 5,零部件位置如图 6 所示。由图 5、图 6 所示，故障位置处于提取机爪手主轴与偏心盘连接部位，轴上的键与键槽所起作用不仅是传递扭矩，更主要的是要保证提取机爪手一直处于正确的工作角度。当两者之间的间隙变大后，提取机爪手的工作角度会在浇铸过程中产生变化，造成提取机从铜模抓取阳极板放入水槽的动作过程无法保持稳定。 在此过程中阳极板很有可能撞击到水槽的头部甚至导致偏心盘和同步连杆的损坏。 在选用过盈配合尺寸后，再也没有发生这样的问题。
3.2 称量和浇铸单元部分结构的改进
浇铸包由伺服电机驱动齿形带做摇篮运动[3]. 在运行前期，发生的两次浇铸包故障都集中在齿形带滑轮组件上，故障使正在运动的浇铸包突然无法运动进而导致整个浇铸过程终止。经现场探查发现，滚针轴承已经损坏而且销轴表面磨损严重。 图 7 为齿形带滑轮的结构和其在浇铸包中的位置。浇铸包定滑轮采用滚针轴承（HK2524,基本载荷 25.0 kN,额定载荷 35.2 kN），虽然结构比较简单紧凑，但是这样的结构存在以下问题：1）由于齿形带轮与滑轮对中程度的差异，滑轮在转动过程中会产生较大的径向载荷，同时还会产生一定的轴向载荷。 但是，滚针轴承仅能承受径向载荷，不能承受轴向载荷，因此不能限制轴向位移。 而原有设计中，用垫片来补偿位移会增加滑轮转动负载。2）由于结构和空间限制，滑轮的安装仅能从单侧安装，受限于空间，安装和检查极不方便；3）该类型轴承为一次性润滑轴承，即在安装前涂抹好润滑脂后，安装后无法继续润滑加脂。 如需检查及维护，只有解体滑轮组装配，同样存在安装和检查极不方便的问题；4）由于轴承无内圈，滚针是在滑轮销轴上转动，销轴表面直接承受交变载荷，易产生表面疲劳，对销轴的表面加工工艺有较高要求。
基于上述原因，技术人员改进了现有滑轮和支架的结构，改用调心滚子轴承，在保证轴承承载能力的情况下，不但能够承受轴向载荷而且方便安装、检查和润滑、维护。
3.3 喷淋系统改进
经过生产实际验证，喷淋冷却系统所提供的设计技术参数（5~6 bar,200 m3/h）偏小，无法满足浇铸速度、保证浇铸质量，且原有的喷淋区域偏小，会导致铜模冷却不均匀。经过一段时间的试验与摸索，喷淋冷却系统的参数调整为（8 bar,320 m3/h），同时彻底更改了下部喷淋水的结构布局，使得喷淋冷却强度能够更加符合现场生产的需要。改进后，圆盘的平均浇铸速度稳定在 101 t/h 以上，最大浇铸速度达到115 t/h,如图 8 所示。3.4 模温检测改进原有的设计系统中自带模温检测系统，但是原有模温检测装置所检测的为铜模边缘温度，而边沿温度与实际的铜模中心温度有一定的差异，操作人员无法准确掌握铜模温度的变化趋势。对此，增加了对铜模中心温度的检测装置，并将数据连入系统，用来指导操作人员根据模温变化情况在线控制喷淋冷却量。此项改进对提高阳极板合格率、铜模使用寿命和浇铸速度起到了重要作用。
4 结束语
圆盘浇铸系统运行至今已有两年，在这段时间内，金冠铜业通过加强操作技能培训，改进工艺和设备，使圆盘浇铸系统已经可以稳定运行，圆盘浇铸速度稳定在平均约 101 t/h,最高平均浇铸速度达到115 t/h,并且阳极精炼系统也已达到设计能力。 目前，圆盘浇铸机的故障率已经下降到较低水平，自2014 年 2 月运行至同年 9 月 ,圆 盘浇铸机仅发生3次液压系统故障，未再发生提取机部位和浇铸单元的故障；阳极板合格率已从约 78.5%提升至约 98%.
参考文献
[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。机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2008.
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