無液壓圓盤澆鑄機的研制與應用

陳一波

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠,江西 貴溪 335424）

1 引言

2020年末，中央經濟工作會議確定，當前的重點任務之一，是要增強產業鏈、供應鏈自主可控能力，要盡快解決一批“卡脖子”的問題。全自動圓盤澆鑄機作為銅冶煉廠生產陽極板的主要大型設備，國外先進企業掌控其核心技術，并不斷對其進行迭代更新，使其設備性能始終保持領先優勢。國內企業要得到高效的陽極澆鑄設備，只能成套引進。江西銅業集團貴溪冶煉廠（下文簡稱：貴冶）先后引進了28模單圓盤澆鑄機、雙16模圓盤澆鑄機、雙18模圓盤澆鑄機［1］等國外先進設備。

貴冶經過多年的應用積累，已經實現了對進口圓盤澆鑄機關鍵技術的消化、吸收。以此為基礎，自主研發一款性能達到國外最先進水平的圓盤澆鑄機，打破國外的技術壟斷，憑借成本優勢將可占領國內廣闊的銅冶煉裝備市場。對研發企業而言將獲得較好的經濟回報，對國內銅冶煉行業而言將得到更具性價比的先進設備。

2 幾種典型圓盤澆鑄機存在的弊端

圓盤澆鑄機的升級換代，就是一個通過改進消除設備弊端、解決生產問題的過程。國內目前在用的幾種圓盤澆鑄機主要存在以下幾點弊端。

（1） 液壓驅動系統存在漏油風險。圓盤澆鑄機作為成套的自動化設備，機械動作部件多，分散在圓盤周邊多個點位且工況較為惡劣。液壓油缸具有運行穩定、能適應惡劣工況的優勢，因此液壓系統驅動機械部件動作，是以往澆鑄機的首選方式。但液壓系統內油壓高，油管或接頭一旦出現漏點，會在短時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冷卻水也是通過圓盤下方地溝收集，因此泄漏的液壓油將會混入澆鑄循環水系統中污染水體。循環水被污染后，很快將污染物擴散至澆鑄成型的陽極板表面。為避免污染物進一步擴散，被污染的循環水必須在系統內部采用吸油氈進行吸油處理，費時費力且效果不佳。

（2）周邊驅動圓盤轉動不平穩。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。但由于圓盤直徑過大，中心支撐不能獨立承擔整個圓盤的重量，所以圓盤外沿配備有一圈環形軌道和托輥，用于分擔圓盤及其上方模具的重量。28根弧形軌道拼接而成的環形軌道和28個托輥的安裝精度不夠，以及后期各托輥不一致的機械磨損等原因都會引起模具在圓盤運行時上下抖動，從而導致模具內尚未凝固的陽極板四周起毛邊。單圓盤采用周邊驅動，配有兩臺電子秤，同步澆鑄兩塊陽極板，因此在電子秤澆鑄間隙時間需要轉動兩個模位，位于圓盤外沿的模具每次行走的距離較長。為控制較短的澆鑄間隙時間，圓盤啟動加速和制動停止較為急促，導致尚未凝固的陽極銅熔體在模具內來回晃蕩，凝固后陽極板的耳部及兩側出現明顯的卷邊［3］。

（3）水槽鏈條出現卡板故障影響澆鑄順行。水槽內的鏈式運輸機用于承接提取裝置從圓盤的模具內提出的陽極板，在陽極板被快速冷卻的同時，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構將成垛的陽極板頂起，再由叉車叉走。當偶爾出現提取裝置夾取偏差或陽極板耳部不完整的情況時，就會引發陽極板掉入水槽卡住鏈條的故障，即使只掉入一塊陽極板也會導致單個圓盤的澆鑄暫停［4］。

（4）電子秤備件昂貴、結構復雜、維修困難。目前國內銅冶煉廠在用的定量澆鑄電子秤幾乎被國外公司所壟斷，備件采購價格昂貴，單臺秤成本近百萬元。進口電子秤內部結構復雜且安裝精度非常高，廠家基本無售后服務，現場維修困難。有時甚至故障原因都無法明確，只能整體更換，增加了工廠的運行維護費用［5］。

3 新一代圓盤澆鑄機的研制

為了避免國外企業的行業壟斷，貴冶在學習消化國內外先進技術的基礎上，自主研發了新一代無液壓圓盤澆鑄機。該澆鑄機具有以下幾大創新點。

（1）采用伺服電動缸替代液壓油缸。圓盤澆鑄機中的液壓油缸全部采用伺服電動缸替代。伺服電動缸是將伺服電機與絲杠一體化設計的模塊化產品，將伺服電機的旋轉運動轉換成直線運動［6］，見圖1。

圖1 伺服電動缸結構示意圖

伺服電動缸包括行星滾柱絲杠和帶動行星滾柱絲杠運轉的伺服電機，伺服電機通過控制電纜與變頻器連接，變頻器與圓盤澆鑄機PLC控制系統連接。行星滾柱絲杠上安裝有位置傳感器，可將位置信號通過變頻控制器反饋給PLC控制系統。便于控制系統實時接收電動缸的位置信息，不再需要外接限位開關，控制方便的同時，集成度也更高，減少了故障點。

伺服電動缸具有以下多方面優點：能通過精確的轉數控制實現推進距離的精準控制；能通過精確的轉速控制實現推進速度的精準控制；能通過精確扭矩控制實現推進力度的精準控制；從而實現高精度直線運動。同時伺服電動缸還具有節能環保的優點。

（2）采用中心驅動雙18模圓盤。雙18模圓盤主體結構由圓盤框架、驅動電機、回轉支撐、中心軸承組成，見圖2。

圖2 雙18模圓盤主體結構示意圖

兩臺驅動圓盤旋轉的伺服電機安裝于圓盤中心回轉支撐內，其中一個電機稱為“主電機”，另一個叫“副電機”。當圓盤靜止時，副電機輕微地向反方向推，主電機保持不動。這樣減速機、小齒輪和矢圈的背隙被消除了。圓盤被“鎖”在它的位置上，當圓盤開始轉動時，兩臺電機同時開始緩慢加速，推動圓盤轉動。圓盤驅動系統采用了目前最先進的現代伺服驅動技術和伺服電機，系統可控制交流伺服電機提供從0到最高的轉速及從最高到0的轉速的整個扭矩?？蓪崿F圓盤的平穩加速和緩慢減速，從而有效避免模具內液態銅水的晃動。

（3）采用無鏈條的拉板運輸機。拉板運輸機橫跨在水槽上方，兩邊的導輪落在水槽兩側的專用導軌上，由兩側的電動缸共同驅動其在水槽頭部和尾部之間來回運行。與傳統鏈式運輸機不同,水槽中懸掛陽極板的導軌上沒有鏈條由拉板運輸機拉動陽極板在導軌上分段接力式向尾部滑行，當水槽尾部的陽極板累積至一定塊數時，由叉車叉走。懸掛陽極板的導軌帶有向上的坡度，陽極板在向尾部滑行的過程中逐漸升高，到達尾部時陽極板的耳部超出水槽邊框的高度，以便于叉車的叉運。

拉板運輸機兼具有傳統水槽鏈式運輸機和堆垛頂升裝置的功能，將水槽簡化為一個內部無任何機械部件的矩形容器。其在生產中具有以下優點：當少數幾塊陽極板掉入水槽內時，并不會影響澆鑄的正常運行。拉板機在冷卻水的液面之上運行，運行狀況清晰可見。水槽底部寬闊、平坦，便于清理底部沉積的銅屑。

（4）開發滑移式澆鑄電子秤。貴冶聯合國內衡器廠家開發了一款新型滑移式電子秤?；剖诫娮映佑煞Q重傳感器、稱重機構、滑移機構和電子單元等部件組成。與進口電子秤復雜的拉桿結構連接單個重量傳感器不同，滑移電子秤稱重機構采用4個重量傳感器均布在稱重框架上，四個傳感器呈正方形分布，受力均勻。精準調整四個傳感器處于同一水平，可確保稱量結果準確?；茩C構整體安裝在稱重機構上，其上方安放澆鑄包，在澆鑄包隨滑移機構持續向后滑移的過程中完成澆鑄動作。

自主開發的滑移式電子秤打破了國外公司的壟斷，備件采購價格僅為進口電子秤的1/5。對比傳統垂直油缸傾斜方式，滑移式電子秤具有以下優勢：①澆鑄包在澆鑄時的滑移運動將銅水在模具內的落點由固定的一條澆鑄線拓展為一塊澆鑄面，熱負荷分散至模具內較大的區域，利于提高模具壽命。②澆鑄包嘴與模具的落差較小，澆鑄時銅水飛濺小，可減少陽極板周邊的飛邊毛刺。③通過水平運動來預防稱重核心垂直方向震動，可以快速精準的讀取重量數據，所澆鑄陽極板單重的精準度更高。

4 生產中出現的問題與改進措施

貴冶利用一系統年修的機會實施改造，將原有28模圓盤全部拆除，建設一臺新研制的雙18模圓盤澆鑄機，進行升級換代。新的圓盤澆鑄機在生產初期也遇到了以下問題。

（1）拉板運輸機兩側電動缸故障率高。拉板運輸機由兩側的兩臺電動缸共同驅動，在生產中容易出現兩側電動缸受力不均或單側電動缸故障卡阻的問題；當一側電動缸出現問題時，不僅會造成澆鑄暫停，還可能引發兩臺電動缸同時損壞的設備事故。

改進措施：采用一臺驅動力為5噸的電動缸居中安裝，取代水槽兩側驅動力為3噸的兩臺電動缸。杜絕了兩臺電動缸受力不均導致單側卡阻的問題。

（2）頂起裝置的驅動電動缸故障率高。位于水槽頭部提取機正下方的陽極板頂起裝置的驅動電動缸，不僅要應對高溫的炙烤，同時受到冷卻水槽溢流出來的循環冷卻水的侵蝕，工況特別惡劣，因而故障率較高。

改進措施：采用一臺大缸徑、短行程的氣缸，安裝在陽極板模具頂桿的正下方，取代由電動缸驅動的頂起裝置。氣缸結構簡單、無電氣元件，作為動力的壓縮空氣還自帶降溫功能；因此能適應此處的惡劣工況，大大降低了該部件的故障率。

（3）電子秤驅動電機皮帶易老化。滑移式電子秤的滑移機構通過傳動帶與驅動電機相連。電子秤處于澆鑄包下方的高溫環境中，傳動帶極易老化，需要頻繁的進行檢查與更換。

改進措施：將滑移機構的傳動方式改進為齒輪傳動，徹底解決了此問題。

5 成功應用產生的效益

自主研制的無液壓圓盤澆鑄機在貴冶一系統陽極爐成功應用，從根本上杜絕了液壓油泄漏污染水體的環保風險，同時取得了以下效益。

（1）澆鑄工序能耗下降。無液壓雙18模圓盤澆鑄機的澆鑄速度可達106 t/h。按爐澆鑄陽極板350 t計算，每爐銅的澆鑄時間由M28模圓盤的4.5h縮短至3.5h。圓盤澆鑄機及其輔助的澆鑄循環水系統運轉時間均得以縮短，減少了電能消耗。

無液壓雙18模圓盤澆鑄機與液壓驅動的圓盤澆鑄機相比，不需要大功率液壓泵持續運轉來維持系統壓力。每個電動缸獨立驅動，間歇性動作，只有在動作時其對應的驅動電機才需要運轉，而且澆鑄機所有伺服電機的功率總和也遠低于單臺液壓泵的功率。單爐銅的澆鑄電耗下降逾千kW·h，見表1，取得了顯著的節能效益。

表1 圓盤澆鑄機能耗對比

（2）陽極板品質提升。無液壓雙18模圓盤澆鑄機采用中心驅動，運轉平穩，滑移電子秤澆鑄包嘴與模具的落差較小，均有利于陽極板質量的控制，具體生產實績見表2。

表2 陽極板月均合格率對比

（3）運行維護成本降低。通過前文所述幾項改進措施的實施，以及一段時間的人機磨合后，無液壓圓盤澆鑄機運行穩定，故障率更低。無液壓圓盤澆鑄機的電子秤等關鍵備件實現國產化，不再受制于人。國產備件與進口備件相比，不僅采購價格大幅降低、采購周期縮短，還能得到設備廠家的應急服務保障。無液壓澆鑄機，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約了運行維護成本。

6 結束語

貴冶自主研制的新一代無液壓圓盤澆鑄機，自動化程度高、故障率低，節能環保。打破了國外企業的行業壟斷，降低了國內冶煉企業的建設投資以及運行維護成本，為國家銅工業的發展貢獻了力量。