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生產(chǎn)設(shè)備研究與設(shè)計
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)
本文通過優(yōu)化整體電解槽的傳統(tǒng)制作工藝,對工藝優(yōu)化過程中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,采用模塊化、集成化設(shè)計原理,以PLC為控制器,WinCC為過程控制系統(tǒng),對模具拆卸組裝、混凝土制備、產(chǎn)品恒溫固化進(jìn)行過程監(jiān)控,實現(xiàn)整體槽全自動生產(chǎn)線的設(shè)計。
整體槽;工藝優(yōu)化;全自動;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,已無法滿足目前電解設(shè)備的配套使用要求。樹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,得到客戶認(rèn)可【1】。目前國內(nèi)整體槽廠家生產(chǎn)工藝分散,生產(chǎn)效率低,勞動強度大,面對激烈的市場競爭,現(xiàn)有整體槽工藝技術(shù)滿足不了客戶需求。例如:對于一個40 wt/a的電解銅項目,需要1 400臺標(biāo)準(zhǔn)銅槽。按每個模具每天生產(chǎn)一臺計算,工期6個月,滿負(fù)荷生產(chǎn)需要8臺模具。工期緊,勞動強度高,質(zhì)量難以保證以及產(chǎn)生高額的模具費,客戶難以接受。所以針對此問題,我公司通過對工藝流程進(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;研究設(shè)計一套整體槽全自動生產(chǎn)線,降低勞動成本、勞動強度,提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量,適應(yīng)市場需求。
(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,樹脂混凝土的制備(材料準(zhǔn)備-攪拌),需要投入大量勞動力,每臺模具20人;產(chǎn)品常溫固化需要8 h,達(dá)到固化時間后才能脫模。所以如何縮短固化時間,提高混凝土制備、模具拆卸組裝的自動化是本項目的關(guān)鍵技術(shù)。
(2)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。①縮短固化時間。固化時間是指樹脂加入固化劑后開始交聯(lián)反應(yīng)直至完全固化的時間,固化過程體現(xiàn)在樹脂混凝土溫度由室溫(23℃)升至38℃后,又降至室溫的過程。檢查樹脂混凝土是否固化完全最簡單的方法就是使用HBa巴氏硬度計測試電解槽底部樹脂混凝土硬度,HBa≥40,固化完全??s短固化時間的方法:a.提高樹脂反應(yīng)活性,凝膠后30 min出現(xiàn)溫度峰值;b.嚴(yán)格控制樹脂凝膠時間,電解槽澆鑄需要30 min,凝膠時間控制在(30+5)min;c.高溫固化,樹脂混凝土出現(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混凝土制備自動化。樹脂混凝土的制備包括:原材料準(zhǔn)備-樹脂配制-骨料配制-樹脂混凝土攪拌,成平面排布且分散,中間需要大量的物料輸送與搬運。解決的有限途徑就是垂直四層區(qū)域設(shè)計:四層為儲料,原材料儲存;三層為配料,樹脂、骨料配制;二層為攪拌,樹脂混凝土攪拌;一層為澆鑄區(qū)域。垂直設(shè)計節(jié)約占地面積及能耗【2】,將石英砂、樹脂等一次提升攪拌系統(tǒng)最高層,利用重力勢能,由上至下自流,無需動力源。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,外模拼裝設(shè)計。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,然后通過定位導(dǎo)向與內(nèi)模合模,內(nèi)外模之間形成產(chǎn)品澆鑄空腔。由于每次模具的運動軌跡一樣,可以采用伺服電機或液壓控制系統(tǒng)對模具的運行軌跡進(jìn)行控制。
(3)工藝流程優(yōu)化設(shè)計。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、樹脂配制、石英砂配制、樹脂混凝土攪拌集成一體-樹脂混凝土攪拌系統(tǒng);通過樹脂配方的調(diào)整和恒溫固化,縮短產(chǎn)品固化時間;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。
(1)模塊化設(shè)計。根據(jù)新工藝流程劃分3個模塊:模具拆卸組裝模塊、樹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-放置移動平板車-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、下降動作是由自動行車完成;外模拆卸、組裝由A、B、C、D機械臂實現(xiàn),考慮模具高溫固化環(huán)境,采用氣缸伸縮臂,過程控制采用PLC編程控制,動作執(zhí)行見圖1。
圖1 模具拆卸組裝示意圖
②混凝土制備澆鑄模塊。混凝土攪拌澆鑄模塊是通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)及軟件技術(shù),實現(xiàn)樹脂混凝土自動化生產(chǎn)和科學(xué)化管理調(diào)度,系統(tǒng)執(zhí)行上料、儲料、物料稱量、計量、配料、攪拌及澆鑄的操作。PLC按照設(shè)定的配方指令控制倉門上的開關(guān)、計量斗、流量計、卸料閥門等數(shù)控元件。石英砂儲料倉上的料斗秤將重量傳遞給稱重傳感器,將重量轉(zhuǎn)化為電信號,經(jīng)微處理器處理后,數(shù)字部位顯示稱重值,達(dá)到配比重量,蝶閥開啟,骨料進(jìn)入骨料攪拌室。流量計、計量泵通過設(shè)定的流量后,電池閥關(guān)閉,物料進(jìn)入樹脂攪拌罐,攪拌3 min后,進(jìn)入樹脂混凝土攪拌罐,攪拌5 min后放料澆鑄,見圖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。集成化設(shè)計就是將以上3個功能模塊集成到一個控制器進(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是工藝過程監(jiān)視系統(tǒng)中的人機界面組件,通過服務(wù)器軟件使PLC與WinCC數(shù)據(jù)聯(lián)通,WinCC監(jiān)控畫面實時監(jiān)控整體槽工藝流程。如設(shè)備或產(chǎn)品出現(xiàn)問題,WinCC發(fā)出報警,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)自動化和過程自動化于一體,實現(xiàn)整體槽全自動化生產(chǎn)工藝的設(shè)計,如圖3。
(3)節(jié)能環(huán)保設(shè)計。整體槽全自動化生產(chǎn)線設(shè)計響應(yīng)國家節(jié)能環(huán)保的號召,有以下節(jié)能環(huán)保設(shè)計:①混凝土制備系統(tǒng)垂直設(shè)計,充分利用重力勢能自流,減少物料輸送搬運。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,阻止粉塵進(jìn)入周邊的大氣環(huán)境;骨料、樹脂采用管道封閉輸送,主體結(jié)構(gòu)向外排氣管道設(shè)有活性炭過濾吸附,防止污染物外泄。
圖2 樹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
針對40 wt/a銅電解槽項目(1 400臺標(biāo)準(zhǔn)銅槽)。從工期、成本,生產(chǎn)效率、投資等對新工藝與傳統(tǒng)工藝對比分析,結(jié)果顯示新工藝提高生產(chǎn)率的同時,大幅度降低勞動成本,具體數(shù)據(jù)見表1。
本文通過對乙烯基樹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,實現(xiàn)整體槽的全自動化生產(chǎn),打破歐美技術(shù)壟斷,對我國有色冶煉設(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[J]. 工程機械,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[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2008.
表1 工藝對比分析表
TH122
A
1671-0711(2016)08(下)-0072-02