溫振剛，段維剛，張麗，張立興

（1.河北安泰可耐特冶金科技股份有限公司，河北 冀州 053200；2.河北聯(lián)冠電極股份有限公司，河北 冀州 053200）

節(jié)能環(huán)保整體電解槽全自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備研究與設(shè)計(jì)

溫振剛1，段維剛2，張麗2，張立興2

（1.河北安泰可耐特冶金科技股份有限公司，河北 冀州 053200；2.河北聯(lián)冠電極股份有限公司，河北 冀州 053200）

本文通過(guò)優(yōu)化整體電解槽的傳統(tǒng)制作工藝，對(duì)工藝優(yōu)化過(guò)程中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，采用模塊化、集成化設(shè)計(jì)原理，以PLC為控制器，WinCC為過(guò)程控制系統(tǒng)，對(duì)模具拆卸組裝、混凝土制備、產(chǎn)品恒溫固化進(jìn)行過(guò)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)整體槽全自動(dòng)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)。

整體槽；工藝優(yōu)化；全自動(dòng)；節(jié)能環(huán)保

電解槽是有色金屬濕法冶煉生產(chǎn)的核心設(shè)備，其技術(shù)的先進(jìn)性直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)鋼筋混凝土內(nèi)襯FRP電解槽耐腐蝕性能差、滲漏、污染嚴(yán)重、能耗高、尺寸精度差，已無(wú)法滿(mǎn)足目前電解設(shè)備的配套使用要求。樹(shù)脂混凝土整體澆鑄電解槽成為替代產(chǎn)品，其具有節(jié)能環(huán)保、耐腐蝕性能優(yōu)良、安全可靠、高效電解等特點(diǎn)，得到客戶(hù)認(rèn)可【1】。目前國(guó)內(nèi)整體槽廠家生產(chǎn)工藝分散，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，現(xiàn)有整體槽工藝技術(shù)滿(mǎn)足不了客戶(hù)需求。例如：對(duì)于一個(gè)40 wt/a的電解銅項(xiàng)目，需要1 400臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)銅槽。按每個(gè)模具每天生產(chǎn)一臺(tái)計(jì)算，工期6個(gè)月，滿(mǎn)負(fù)荷生產(chǎn)需要8臺(tái)模具。工期緊，勞動(dòng)強(qiáng)度高，質(zhì)量難以保證以及產(chǎn)生高額的模具費(fèi)，客戶(hù)難以接受。所以針對(duì)此問(wèn)題，我公司通過(guò)對(duì)工藝流程進(jìn)行優(yōu)化；關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)；設(shè)備模塊化、集成化設(shè)計(jì)；研究設(shè)計(jì)一套整體槽全自動(dòng)生產(chǎn)線，降低勞動(dòng)成本、勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量，適應(yīng)市場(chǎng)需求。

1　優(yōu)化工藝流程

（1）傳統(tǒng)工藝流程。傳統(tǒng)工藝流程：模具組裝-原材料準(zhǔn)備-樹(shù)脂配制-石英砂配制-混凝土攪拌-混凝土澆鑄-產(chǎn)品固化-脫模-維修-出廠。其中模具脫模、組裝，樹(shù)脂混凝土的制備（材料準(zhǔn)備-攪拌），需要投入大量勞動(dòng)力，每臺(tái)模具20人；產(chǎn)品常溫固化需要8 h，達(dá)到固化時(shí)間后才能脫模。所以如何縮短固化時(shí)間，提高混凝土制備、模具拆卸組裝的自動(dòng)化是本項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)。

（2）關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。①縮短固化時(shí)間。固化時(shí)間是指樹(shù)脂加入固化劑后開(kāi)始交聯(lián)反應(yīng)直至完全固化的時(shí)間，固化過(guò)程體現(xiàn)在樹(shù)脂混凝土溫度由室溫（23℃）升至38℃后，又降至室溫的過(guò)程。檢查樹(shù)脂混凝土是否固化完全最簡(jiǎn)單的方法就是使用HBa巴氏硬度計(jì)測(cè)試電解槽底部樹(shù)脂混凝土硬度，HBa≥40，固化完全。縮短固化時(shí)間的方法：a.提高樹(shù)脂反應(yīng)活性，凝膠后30 min出現(xiàn)溫度峰值；b.嚴(yán)格控制樹(shù)脂凝膠時(shí)間，電解槽澆鑄需要30 min，凝膠時(shí)間控制在（30+5）min；c.高溫固化，樹(shù)脂混凝土出現(xiàn)峰值溫度后，根據(jù)放熱曲線溫度，給產(chǎn)品均布加熱，讓產(chǎn)品保持45±1℃溫度2 h，然后降至室溫，固化完全。②混凝土制備自動(dòng)化。樹(shù)脂混凝土的制備包括：原材料準(zhǔn)備-樹(shù)脂配制-骨料配制-樹(shù)脂混凝土攪拌，成平面排布且分散，中間需要大量的物料輸送與搬運(yùn)。解決的有限途徑就是垂直四層區(qū)域設(shè)計(jì)：四層為儲(chǔ)料，原材料儲(chǔ)存；三層為配料，樹(shù)脂、骨料配制；二層為攪拌，樹(shù)脂混凝土攪拌；一層為澆鑄區(qū)域。垂直設(shè)計(jì)節(jié)約占地面積及能耗【2】，將石英砂、樹(shù)脂等一次提升攪拌系統(tǒng)最高層，利用重力勢(shì)能，由上至下自流，無(wú)需動(dòng)力源。③模具快速拆卸組裝。整體槽模具由2部分組成：內(nèi)部和外模，內(nèi)部采用整體設(shè)計(jì)，外模拼裝設(shè)計(jì)。產(chǎn)品脫模順序：產(chǎn)品和外模從內(nèi)膜中脫出，然后外模從產(chǎn)品分離；模具組裝倒序，外模5部分組裝起來(lái)，然后通過(guò)定位導(dǎo)向與內(nèi)模合模，內(nèi)外模之間形成產(chǎn)品澆鑄空腔。由于每次模具的運(yùn)動(dòng)軌跡一樣，可以采用伺服電機(jī)或液壓控制系統(tǒng)對(duì)模具的運(yùn)行軌跡進(jìn)行控制。

（3）工藝流程優(yōu)化設(shè)計(jì)。將模具脫模和組裝合并，改為模具拆卸組裝；將原材料準(zhǔn)備、樹(shù)脂配制、石英砂配制、樹(shù)脂混凝土攪拌集成一體-樹(shù)脂混凝土攪拌系統(tǒng)；通過(guò)樹(shù)脂配方的調(diào)整和恒溫固化，縮短產(chǎn)品固化時(shí)間；提高模具接縫處理，使產(chǎn)品脫模后不需要維修。優(yōu)化后工藝流程：模具拆卸組裝-樹(shù)脂混凝土制備澆鑄-恒溫固化-模具拆卸組裝，形成緊密的閉環(huán)流水線。

2　全自動(dòng)流水線設(shè)計(jì)

（1）模塊化設(shè)計(jì)。根據(jù)新工藝流程劃分3個(gè)模塊：模具拆卸組裝模塊、樹(shù)脂混凝土制備澆鑄模塊、恒溫固化模塊。①模具拆卸組裝模塊。模具拆卸組裝動(dòng)作分解：模具拆卸-內(nèi)模固定-外模和產(chǎn)品提升、向前平移、下降-放置移動(dòng)平板車(chē)-外模拆卸-產(chǎn)品移走-外模組裝-上升、向后平移、下降-完成合模。其中提升、向前后平移、下降動(dòng)作是由自動(dòng)行車(chē)完成；外模拆卸、組裝由A、B、C、D機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)，考慮模具高溫固化環(huán)境，采用氣缸伸縮臂，過(guò)程控制采用PLC編程控制，動(dòng)作執(zhí)行見(jiàn)圖1。

圖1　模具拆卸組裝示意圖

②混凝土制備澆鑄模塊?；炷翑嚢铦茶T模塊是通過(guò)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)及軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂混凝土自動(dòng)化生產(chǎn)和科學(xué)化管理調(diào)度，系統(tǒng)執(zhí)行上料、儲(chǔ)料、物料稱(chēng)量、計(jì)量、配料、攪拌及澆鑄的操作。PLC按照設(shè)定的配方指令控制倉(cāng)門(mén)上的開(kāi)關(guān)、計(jì)量斗、流量計(jì)、卸料閥門(mén)等數(shù)控元件。石英砂儲(chǔ)料倉(cāng)上的料斗秤將重量傳遞給稱(chēng)重傳感器，將重量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)微處理器處理后，數(shù)字部位顯示稱(chēng)重值，達(dá)到配比重量，蝶閥開(kāi)啟，骨料進(jìn)入骨料攪拌室。流量計(jì)、計(jì)量泵通過(guò)設(shè)定的流量后，電池閥關(guān)閉，物料進(jìn)入樹(shù)脂攪拌罐，攪拌3 min后，進(jìn)入樹(shù)脂混凝土攪拌罐，攪拌5 min后放料澆鑄，見(jiàn)圖2。

③恒溫固化模塊。恒溫固化模塊是保證產(chǎn)品完全固化的關(guān)鍵功能模塊，主要由精度0.1℃的溫度傳感器、24 kW空氣加熱器組成，以產(chǎn)品內(nèi)模為加熱空腔，設(shè)定產(chǎn)品固化溫度45±1℃，產(chǎn)品溫度高于46℃，空氣加熱器停止工作；低于44℃，啟動(dòng)工作。保證產(chǎn)品在45±1℃范圍內(nèi)，固化2 h。完成恒溫后固化后，停止加熱，對(duì)模具內(nèi)進(jìn)行吹風(fēng)，加快熱量流失，給產(chǎn)品降溫，為產(chǎn)品脫模做準(zhǔn)備。

（2）集成化設(shè)計(jì)。集成化設(shè)計(jì)就是將以上3個(gè)功能模塊集成到一個(gè)控制器進(jìn)行控制。PLC是當(dāng)今生產(chǎn)領(lǐng)域的主要控制設(shè)備，在工業(yè)應(yīng)用中占有重要位置【3】WinCC是工藝過(guò)程監(jiān)視系統(tǒng)中的人機(jī)界面組件，通過(guò)服務(wù)器軟件使PLC與WinCC數(shù)據(jù)聯(lián)通，WinCC監(jiān)控畫(huà)面實(shí)時(shí)監(jiān)控整體槽工藝流程。如設(shè)備或產(chǎn)品出現(xiàn)問(wèn)題，WinCC發(fā)出報(bào)警，并顯示故障發(fā)生的具體位置，方便維修。PLC與WinCC技術(shù)的選用，集生產(chǎn)自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化于一體，實(shí)現(xiàn)整體槽全自動(dòng)化生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)，如圖3。

（3）節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)。整體槽全自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)響應(yīng)國(guó)家節(jié)能環(huán)保的號(hào)召，有以下節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)：①混凝土制備系統(tǒng)垂直設(shè)計(jì)，充分利用重力勢(shì)能自流，減少物料輸送搬運(yùn)。②恒溫固化系統(tǒng)，模具內(nèi)加熱，間歇式工作，節(jié)約能源。③混凝土制備系統(tǒng)主體采用全封閉設(shè)計(jì)，阻止粉塵進(jìn)入周邊的大氣環(huán)境；骨料、樹(shù)脂采用管道封閉輸送，主體結(jié)構(gòu)向外排氣管道設(shè)有活性炭過(guò)濾吸附，防止污染物外泄。

圖2　樹(shù)脂混凝土攪拌澆鑄流程圖

圖3　整體槽工藝流程集成化設(shè)計(jì)

3　工藝對(duì)比分析

針對(duì)40 wt/a銅電解槽項(xiàng)目（1 400臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)銅槽）。從工期、成本，生產(chǎn)效率、投資等對(duì)新工藝與傳統(tǒng)工藝對(duì)比分析，結(jié)果顯示新工藝提高生產(chǎn)率的同時(shí)，大幅度降低勞動(dòng)成本，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

4　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)乙烯基樹(shù)脂混凝土整體澆鑄電解槽的傳統(tǒng)工藝進(jìn)行優(yōu)化，關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)；設(shè)備模塊化、集成化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整體槽的全自動(dòng)化生產(chǎn)，打破歐美技術(shù)壟斷，對(duì)我國(guó)有色冶煉設(shè)備的發(fā)展具有積極意義。

參考文件：

［1］ 溫振剛. 濕法冶金超大型鋅用電解槽設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.世界有色金屬，2015.（11）：96-98.

［2］ 張瑞軍.HZS120型混凝土攪拌站的改進(jìn)設(shè)計(jì)［J］. 工程機(jī)械，2008.7（39）：17-19.

［3］ 周秀君.基于PLC的混凝土攪拌站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2008.

表1 工藝對(duì)比分析表

TH122

A

1671-0711（2016）08（下）-0072-02