陳金球，湯同歡，程文炳

（銅陵有色金冠銅業(yè)分公司，安徽 銅陵 244021）

金冠銅業(yè)分公司冰銅水淬和渣水淬是閃速爐銅冶煉工藝流程中的關(guān)鍵工序，其工作原理是采用高壓水流對熔融狀態(tài)下的冰銅（渣）液進(jìn)行冷擊，被冷擊的高溫熔體爆裂成細(xì)小的水淬冰銅和水淬渣沉積在水淬池中。鏈斗式提升機(jī)將水淬冰銅和水淬渣即時打撈瀝水，然后進(jìn)入下一道工序。放銅、放渣的不均勻性，酸性水淬環(huán)境等要求鏈斗式提升機(jī)適應(yīng)生產(chǎn)工況，既要防止量大導(dǎo)致設(shè)備故障，又要保證銅渣的瀝水效果。由于鏈斗式提升機(jī)是閃速銅冶煉水淬系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其使用效果直接影響閃速爐作業(yè)率，老式鏈斗式提升機(jī)不能滿足生產(chǎn)要求，因此開發(fā)新型鏈斗撈渣機(jī)勢在必行。

1 鏈斗撈渣機(jī)概述

鏈斗撈渣機(jī)主要由驅(qū)動系統(tǒng)、撈渣系統(tǒng)、卷揚提升系統(tǒng)、機(jī)架滑軌系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鏈斗撈渣機(jī)結(jié)構(gòu)

驅(qū)動系統(tǒng)通過頭輪軸帶動撈渣系統(tǒng)運轉(zhuǎn)；撈渣系統(tǒng)通過渣斗撈起水淬池內(nèi)的冰銅（渣）；控制系統(tǒng)根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)負(fù)荷反饋到提升系統(tǒng)，提升系統(tǒng)根據(jù)反饋的負(fù)荷調(diào)整撈渣系統(tǒng)的高度以達(dá)到均勻生產(chǎn)的目的，防止撈渣量過大導(dǎo)致?lián)圃鼨C(jī)出現(xiàn)故障，同時提升系統(tǒng)在撈渣機(jī)需要檢修時將撈渣機(jī)提升到檢修平臺以便檢修作業(yè)。其特點有：可移動式機(jī)體為撈渣量的自動控制提供條件，同時方便檢修作業(yè)；撈渣量的自動控制系統(tǒng)使撈渣機(jī)運行負(fù)荷均勻；輸送鏈采用軸銷鏈更加適應(yīng)物料工況。

2 鏈斗撈渣機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 可移動式機(jī)體

可移動式鏈斗撈渣機(jī)增加了一套卷揚提升系統(tǒng)，卷揚提升系統(tǒng)包括電機(jī)、減速機(jī)、卷揚裝置、定滑輪、鋼絲繩和配重等[1]。卷揚機(jī)繩索一端與斗提機(jī)撈渣系統(tǒng)機(jī)體相連，另一端與設(shè)定的配重相連。根據(jù)設(shè)計額定撈渣量，粗略計算卷揚提升系統(tǒng)靜態(tài)平衡狀態(tài)下的配重設(shè)置質(zhì)量。在忽略次要因素的情況下，撈渣機(jī)受力分析如圖2所示。

根據(jù)受力分析可得：

式中，mg為平均撈取物料質(zhì)量（料斗容積為0.144 m3；有效料斗數(shù)量為15個；冰銅密度為4.0 t/m3；機(jī)架1質(zhì)量為6.38 t；機(jī)架2質(zhì)量為5.3 t；鏈條質(zhì)量為1.77 t；料斗總質(zhì)量為0.115×30=3.45 t；驅(qū)動為6.976 t；尾輪為1.29 t；機(jī)架為3 t；機(jī)架殘余物料質(zhì)量估計為3 t?？傎|(zhì)量mg為41.5 t）。

提升機(jī)靜止時，機(jī)架滾輪與軌道之間靜摩擦力：

式中，μ為不銹鋼與不銹鋼無潤滑狀況下的滑動摩擦系數(shù)，取值為0.35（0.3～0.4）。

機(jī)架向下運動時配重力的選擇為：

機(jī)架向上運行時配重力的選擇為：

鏈斗撈渣機(jī)配重總量的選擇為：

因此，鏈斗撈渣機(jī)總配重取36 t，東側(cè)西側(cè)配重各18 t。

另外，鏈斗撈渣機(jī)有帶軌道的固定機(jī)架，撈渣系統(tǒng)通過四組滾輪在固定機(jī)架的槽導(dǎo)軌上上下滾動移動。滾輪沿著鏈斗撈渣機(jī)撈渣系統(tǒng)框架兩側(cè)對稱布置，同時動支架兩側(cè)設(shè)有防傾翻裝置，結(jié)構(gòu)如圖3所示。撈渣系統(tǒng)在導(dǎo)軌上移動改變撈料深度，為自動控制撈渣量的大小提供可能。

圖3 防傾翻裝置

2.2 撈渣量的自動控制

可移動式機(jī)體是撈渣量自動控制設(shè)計的基礎(chǔ)，鏈斗撈渣機(jī)通過鏈斗驅(qū)動電機(jī)的電流來決定撈渣系統(tǒng)本體的升降，撈渣系統(tǒng)本體利用升降控制撈渣深度來調(diào)節(jié)撈渣量。鏈斗撈渣機(jī)設(shè)有工作、檢修和非工作三種狀態(tài)。

工作狀態(tài)：鏈斗驅(qū)動電機(jī)有4個電流值的設(shè)定，即最大電流、最小電流、最大工作電流和最小工作電流。4個電流的關(guān)系如表1所示。

表1 電流設(shè)定關(guān)系

最大電流45 A和最小電流30 A是系統(tǒng)動作的觸發(fā)電流值，即鏈斗驅(qū)動電機(jī)電流大于45 A或者小于30 A時都會導(dǎo)致提升系統(tǒng)動作。鏈斗驅(qū)動電機(jī)電流大于45 A時，控制系統(tǒng)會自動啟動卷揚電機(jī)將撈渣系統(tǒng)上提，鏈斗驅(qū)動電機(jī)電流就會減小，當(dāng)電流減小于最大工作電流，卷揚電機(jī)就會停止工作。同理，鏈斗驅(qū)動電機(jī)電流小于30 A時，控制系統(tǒng)會自動啟動卷揚電機(jī)將撈渣系統(tǒng)下放，鏈斗驅(qū)動電機(jī)電流就會增加，電流大于最小工作電流時，卷揚電機(jī)就會停止工作。系統(tǒng)動作都有延時設(shè)定，設(shè)置成3 s，當(dāng)鏈斗驅(qū)動電機(jī)電流連續(xù)3 s大于45 A或者小于30 A時，提升系統(tǒng)才會動作。

檢修狀態(tài)：提升裝置先將撈渣系統(tǒng)慢速提至水面位置，再快速提至提升調(diào)速位開關(guān)位置，最后再慢速提升至上限位開關(guān)位置處停止。在系統(tǒng)不停車情況下對鏈斗撈渣機(jī)進(jìn)行檢修。檢修結(jié)束，提升裝置先將撈渣系統(tǒng)慢速下放至調(diào)速位開關(guān)位置處，再快速下放至水面位置，最后慢速下放至下限位開關(guān)位置處停止。

非工作狀態(tài)：斗式提升機(jī)驅(qū)動裝置電機(jī)以低速運行。

2.3 適應(yīng)工況的軸銷輸送鏈

鏈斗撈渣機(jī)輸送鏈條是撈渣機(jī)的關(guān)鍵部件，經(jīng)過研究分析，如果采用滾子鏈，撈渣系統(tǒng)滾子鏈滾子與軌道間為滾動摩擦，驅(qū)動力減少量為滑動摩擦力與滾動摩擦力差值：

式中，μk為不銹鋼間無潤滑狀態(tài)下滾動摩擦系數(shù)，取值為0.11（0.10～0.12）。

采用滾子鏈有鏈斗驅(qū)動力小、所需電機(jī)功率小、軌道與鏈條件磨損較小的優(yōu)點。但是，銅冶煉撈冰銅（渣）作業(yè)含沙量大且渣硬度較高，在酸性環(huán)境運行，滾子鏈存在諸多劣勢：鏈條材質(zhì)既要考慮耐磨性，又要考慮耐腐蝕性，選用3Cr13比較合適，馬氏體不銹鋼具有良好的淬火硬度，但淬火工藝要求非常高；鏈條因腐蝕磨損導(dǎo)致銷軸與鏈板接觸處間隙過大，內(nèi)鏈板易從銷套上脫離，鏈條易被拉壞；隨著套與銷磨損間隙變大，渣會進(jìn)入套內(nèi)，滾子套不能轉(zhuǎn)動或被卡碎，產(chǎn)生斷鏈等缺點[2]。

綜合各種因素考慮使用軸銷鏈，根據(jù)計算鏈條選型。鏈條材質(zhì)：ZG35CrMo，套筒；銷軸的材質(zhì)：1Cr13；鏈條運行速度：11 m/min；鏈條張力：82.5kN；破斷載荷≥825 kN。鏈條節(jié)距P=304.8 mm，每四節(jié)為一個單元，其中一節(jié)帶安裝座。輸送鏈結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 撈冰渣機(jī)輸送鏈結(jié)構(gòu)

3 生產(chǎn)實踐中持續(xù)改進(jìn)

鏈斗式撈渣機(jī)在生產(chǎn)實踐過程中，存在著設(shè)計不合理、選型不恰當(dāng)?shù)惹闆r。通過分析生產(chǎn)實踐中出現(xiàn)的問題，筆者對鏈斗進(jìn)行了優(yōu)化，并對張緊裝置、尾輪組進(jìn)行了改造。

3.1 鏈斗的優(yōu)化

在鏈斗撈渣機(jī)運行過程中，鏈斗會出現(xiàn)變形，在鏟起物料時，鏈斗的外框會受到物料的反作用力。該反作用力的分力在垂直于鏈斗運動方向上對鏈斗產(chǎn)生壓力，使之發(fā)生變形；在平行于鏈斗運動方向上的分力作用在鏈斗以及鏈斗與鏈條的連接處，產(chǎn)生傾翻力矩和彎矩，造成鏈斗變形、連接板處螺栓斷裂等故障。

通過總結(jié)分析鏈斗運行過程中的受力狀態(tài)，經(jīng)過三維建模和有限元分析，筆者發(fā)現(xiàn)：物料對鏈斗反作用力的力臂長度過長；鏈斗固定板的連接處剛度較弱；物料作用力與鏈斗沿口成63°角[3]。針對分析結(jié)果，可以將鏈斗固定螺栓孔的位置整體下移80 mm，縮短反作用力的力臂長度，減小傾翻力矩和彎矩；在鏈斗的背部，增加三個均勻分布的加強筋板，增加鏈斗背部的抗變形能力；將中間沿口支撐改到斜下方，并與沿口成63°角，減小了中間支撐受到的扭力，也保護(hù)了支撐焊縫。改進(jìn)前后鏈斗結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 改進(jìn)前后鏈斗結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的鏈斗受力狀況大大改善，承載能力大幅度提高。在相同的負(fù)載下，改進(jìn)前單位負(fù)載下最大應(yīng)力為224 MPa，改進(jìn)后單位負(fù)載下最大應(yīng)力為127.74 MPa。改進(jìn)后的鏈斗沒有出現(xiàn)變形、連接板處螺栓斷裂等故障，實踐證明受力分析與建模的正確性。

3.2 張緊裝置的改造

在輸送鏈運行過程中，軸銷與鏈孔磨損會導(dǎo)致鏈條節(jié)距變大，累計達(dá)到一定的程度，會造成尾輪齒擠壓鏈條，致使鏈條受損斷裂。而鏈斗撈渣機(jī)尾輪張緊裝置主要作用則是調(diào)整因不均勻磨損導(dǎo)致兩條鏈條長短誤差而帶來的跑偏情況。改進(jìn)前，張緊裝置采用兩根張緊絲桿調(diào)節(jié)尾輪的方式，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 改進(jìn)前的尾輪張緊裝置

張緊裝置的設(shè)計無法實現(xiàn)其功能。首先對鏈條的張緊必須將撈渣系統(tǒng)提升到檢修位置，同時滑軌長期在渣池酸性環(huán)境，有腐蝕與卡塞情況，絲桿張緊需要的扭力非常大。其次，鏈條跑偏調(diào)整需要在撈渣系統(tǒng)滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行。因此，鏈條過長與跑偏情況時有發(fā)生，鏈條的磨損與損傷大大降低了輸送鏈的壽命。借鑒傳統(tǒng)鏈斗式提升機(jī)張緊裝置經(jīng)驗，將張緊裝置設(shè)置在頭輪組的位置，結(jié)構(gòu)如圖7所示。利用兩個蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)分別調(diào)整兩條輸送鏈的張緊度，同時實現(xiàn)了鏈斗撈渣機(jī)負(fù)荷運轉(zhuǎn)時跑偏的調(diào)整。

圖7 改進(jìn)后的頭輪張緊裝置

3.3 尾輪組的改造

鏈斗撈渣機(jī)尾輪組長期處于渣池中運行，工作環(huán)境很惡劣。前期設(shè)計為了防止帶溫的酸性水對軸承的影響，對密封性考慮得非常多，卻帶來了諸多未預(yù)想到的問題：整個尾輪組制造裝配要求非常高；給脂裝置長期處于溫度較高的渣水中，造成潤滑脂變硬，堵塞管道，無法達(dá)到加脂的目的；輪齒裝配緊密需要足夠大的力才能使尾輪齒旋轉(zhuǎn)，加上張緊裝置不能適時對輸送鏈張緊，尾輪齒基本處于不能旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，增加了輸送鏈條與輪齒的磨損（鏈條與輪齒之間滾動摩擦變成了滑動摩擦）等。改造前尾輪結(jié)構(gòu)如圖8所示。

通過鏈斗撈渣機(jī)運行發(fā)現(xiàn)，渣水溫度在60°左右，尾輪軸承所處位置深度不超過2 m，水溫水壓對軸承座影響不會太大。因此，只要保證尾輪組裝配與運行期間軸承座腔內(nèi)充滿足夠多的潤滑脂，采用普通軸承座加上雙層橡膠骨架油封就可以滿足要求。改進(jìn)后的尾輪組結(jié)構(gòu)如圖9所示。改進(jìn)后的尾輪組不但結(jié)構(gòu)簡單，制造費用低，而且確保軸承不會受到影響，尾輪組也一直處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

圖8 改進(jìn)前的尾輪組

圖9 改進(jìn)后的尾輪組

4 結(jié)語

新型鏈斗式提升機(jī)采用了有可移動式機(jī)體、撈渣量可控的自動控制系統(tǒng)，軸銷型輸送鏈能滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的需要，達(dá)到新型鏈斗式提升機(jī)開發(fā)的目的。通過幾年的生產(chǎn)實踐，隨著鏈斗的優(yōu)化以及張緊裝置和尾輪組改進(jìn)的完成，鏈斗撈渣機(jī)運行平穩(wěn)性得到大幅提高，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時在銅冶煉行業(yè)得到了推廣，取得了良好的社會效益。