電鎳倒置自動燙洗系統(tǒng)的研制與應用

閆剛剛,王 磊,滕 波,張 鵬

(金川集團股份有限公司,甘肅金昌 538000)

0 引言

用電解工藝生產(chǎn)的純鎳,在有色冶金行業(yè)內(nèi)稱之為電鎳。電解工藝完成后,電鎳從電解槽中吊出后,需要經(jīng)過燙洗,去除表面附著的電解液,才能夠入庫儲存。電鎳燙洗質(zhì)量要求:燙洗后的鎳板表面為金屬純銀白色,不允許有電解液形成的印記或水印。目前,國內(nèi)各大電解鎳生產(chǎn)企業(yè)對于電解鎳的出裝燙洗生產(chǎn)作業(yè),大多采用人工作業(yè)的生產(chǎn)方式,并無更好的自動化生產(chǎn)設(shè)備。本公司目前在用的一條電鎳出裝自動化機組,采用的是掛式噴淋的沖洗法,雖屬國內(nèi)唯一的電鎳出裝自動化生產(chǎn)線,但其燙洗原理完全借鑒了電解銅的出裝作業(yè)機組,實際上是將電解銅的出裝機組移植到了電解鎳的出裝生產(chǎn)作業(yè)中。由于兩種金屬的電解生產(chǎn)工藝系統(tǒng)存在較大差別,其燙洗方式不能很好的適用于電解鎳的出裝燙洗生產(chǎn),燙洗質(zhì)量存在一定問題,不能完全達到本廠對電鎳燙洗的生產(chǎn)質(zhì)量要求。因此,研發(fā)一種新的電鎳燙洗技術(shù)及設(shè)備,對提高電鎳燙洗質(zhì)量,提升電鎳燙洗生產(chǎn)作業(yè)的自動化水平,具有重要意義。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于電解鎳生產(chǎn)工藝過程遠比電解銅的生產(chǎn)工藝過程復雜,再加上鎳金屬資源數(shù)量也非常少。所以,在生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量及生產(chǎn)規(guī)模等方面,電解鎳都遠遠不及電解銅的生產(chǎn)企業(yè)多,生產(chǎn)規(guī)模也遠不及后者。這就導致多年來在世界范圍內(nèi),電解鎳的生產(chǎn)過程裝備及自動化水平遠遠落后于電解銅。國內(nèi)對于電鎳出裝燙洗技術(shù)的研究應用極其少見,僅有的研究應用還是局限于借鑒電銅的出裝燙洗技術(shù),是掛式噴洗法的技術(shù)路線[1-4]。通過CNKI 中國知網(wǎng)平臺,分別以“電鎳出裝”、“電鎳出裝機組”、“電鎳燙洗”等主題及關(guān)鍵字,對相關(guān)學術(shù)論文進行文獻檢索,檢索情況顯示,除掛式噴洗法以外,再無其他相關(guān)研究論文發(fā)表。

國內(nèi)鎳電解企業(yè)的實際生產(chǎn)現(xiàn)狀方面,始極片制備等前段生產(chǎn)流程基本實現(xiàn)機械化,部分大型企業(yè)實現(xiàn)了自動化作業(yè)方式。但是,對于電鎳出裝燙洗的后段工藝過程基本還是采用人工作業(yè)的方式,其原因主要是鎳電解生產(chǎn)工藝體系的復制性、特殊性,以及對成品電鎳燙洗的高質(zhì)量要求。而國內(nèi)僅有的電鎳出裝機組還是借鑒電解銅出裝機組的掛式噴洗法技術(shù),不能完全適應電解鎳的燙洗要求。因此,在鎳電解行業(yè)還沒有先進、可靠的電鎳燙洗技術(shù)及裝備。

2 掛式噴洗與倒置燙洗的優(yōu)缺點

目前,在電解鎳的實際出裝生產(chǎn)作業(yè)過程中,電鎳的洗滌方法主要有兩種,掛式噴洗和倒置燙洗。

2.1 掛式噴洗

2.1.1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理掛式噴洗的基本結(jié)構(gòu)及工作過程原理如圖1 所示。行車將整槽電鎳從電解槽吊運到受料輸送機的輸送鏈條上;此時,電鎳板通過導電棒等間距垂直懸掛在輸送機鏈條上;輸送機的上方布置有噴淋管道及噴頭,當電鎳隨輸送鏈條移送到噴淋管道下方時,通過噴頭噴出的水流,從上到下對電鎳板面完成自動噴淋沖洗,產(chǎn)生的水蒸氣由收集裝置收集后自動排出,這種方法可以稱之為掛式噴洗法。這種方法已實現(xiàn)電鎳出裝的自動化生產(chǎn)作業(yè)。

圖1 掛式噴洗結(jié)構(gòu)原理圖

2.1.2 優(yōu)點

掛式噴洗法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,在電解銅的出裝作業(yè)過程中已經(jīng)廣泛應用,屬于較為成熟的一種清洗技術(shù),操作簡單容易實現(xiàn)自動化。

2.1.3 缺點

1)電解鎳的生產(chǎn)工藝體系與電解銅的工藝體系不同,其生產(chǎn)工藝體系更為復雜和特殊。導致電解鎳在電解生產(chǎn)過程中,其始極片與吊耳結(jié)合部位的夾層內(nèi)部縫隙,以及吊耳與導電棒的懸掛部位的縫隙內(nèi)部等,都會產(chǎn)生很多結(jié)晶體,導電棒及吊耳表面產(chǎn)生的硫酸銅結(jié)晶體。這種結(jié)晶體粘接較為牢固,噴洗方法,在設(shè)備程序設(shè)定的有限時間內(nèi)不一定能完全清除結(jié)晶體。

2)由于噴頭布置在電鎳之上,其布置位置以及布置角度是固定的,加之設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工藝特點,電鎳板只能懸掛在導電棒上平行等間距排列,在電鎳板移送的過程中完成噴洗;考慮設(shè)備的運行效率,電鎳板間距還不能太大;導致圖2 所示的,始極片與吊耳結(jié)合部位的夾層縫隙內(nèi)部不能被完全沖洗到,特別是吊耳與導電棒懸掛部位的縫隙內(nèi)部基本上是沖洗不到的。即:這種噴洗方法,可以沖洗到電鎳板身,但未必能沖洗得到板身之外的其它部位,特別是夾縫內(nèi)部。

圖2 吊耳和導電棒上的結(jié)晶

3)掛式噴淋沖洗法,電鎳板是通過導電棒垂直懸掛沖洗,而導電棒、吊耳等處于電鎳板的上方。所以,噴洗完成后,吊耳夾層縫隙內(nèi)部、吊耳與導電棒懸掛結(jié)合部位縫隙內(nèi)部的殘留電解液、硫酸銅溶解液等,會順著吊耳流向電鎳板面,在板面上形印記,從而造成電鎳板面的二次污染,影響電鎳的燙洗質(zhì)量。

2.2 倒置燙洗

2.2.1 操作流程

電鎳出裝時的另外一種操作流程是:先抽去懸掛電鎳的導電棒,并將抽棒后的電鎳齊整碼垛,電鎳垛翻轉(zhuǎn)呈耳部朝下的豎直狀態(tài)后,再用鋼絲繩將電鎳垛捆扎鎖緊,最后用行車將電鎳板垛吊運到燙洗槽進行燙洗,如圖3、圖4 所示。這種方法為倒置燙洗法,是目前國內(nèi)各電鎳生產(chǎn)企業(yè)普遍使用的電鎳出裝燙洗方法。

圖3 倒置燙洗法示意圖

圖4 燙洗槽的水蒸汽

2.2.2 優(yōu)點

1)相對于噴洗方式,燙洗方法是將整垛電鎳一起放入燙洗池進行浸泡,燙洗水體無縫不入,吊耳夾層內(nèi)部夾縫內(nèi)部中的結(jié)晶污物等,都可以被浸泡溶解。因此,燙洗更全面、燙洗質(zhì)量好;多塊成垛燙洗,燙洗效率高。

2)由于鎳電解生產(chǎn)過程中,表面結(jié)晶最為嚴重的是暴露于電解液面外的部分,如圖2 中所示的吊耳及導電棒,其表面均殘存有大量的硫酸銅等結(jié)晶物,而且粘接比較牢固,難以清洗掉。而處于電解液面下的部分是電鎳板身,除了電解液以外,并沒有其它污物殘存其表面,比較容易燙洗干凈。電鎳出裝時采用倒置燙洗法,由于已經(jīng)抽去了導電棒,可以大大減少結(jié)晶溶解液的來源,有效降低燙洗水源的污染,提高燙洗水源的重復利用率,避免燙洗水體對電鎳板身造成污染。

3)電鎳燙洗的工作重點是板身的燙洗,評價燙洗質(zhì)量的主要指標也以板身是否干凈為標準。采用耳部向下的姿態(tài)燙洗,電鎳移出燙洗槽后,耳部夾層處的結(jié)晶溶解液直接向下流走,不會對電鎳板身造成二次污染。因此,這種方法能夠很好地保證電鎳的燙洗質(zhì)量。

2.2.3 缺點

1)從圖3 所示的倒置燙洗方法及操作流程可以看出,抽棒碼垛后的電鎳需翻轉(zhuǎn)、鋼繩捆扎,再吊運到燙洗池燙洗,操作復雜。目前還沒有實現(xiàn)機械化和自動化,還處于人工捆扎鋼絲繩,行車工吊運燙洗的工作模式。因此,當前的倒置燙洗方式,工人的勞動強度大,而且存在較大的安全隱患。

2)由于是行車吊運的人工燙洗方式,為方便行車工可視操作,燙洗槽只能設(shè)計成開放式結(jié)構(gòu),即:燙洗槽的上方無水蒸氣收集裝置,這就使得燙洗槽上方水蒸氣四溢,如圖4 所示為現(xiàn)場工作狀況。水蒸氣的散發(fā)會帶來如下影響:其一,行車工吊運時影響其工作視線,容易發(fā)生電鎳垛撞壞燙洗槽的事故;其二,水蒸汽帶有酸性氣體,污染車間工作環(huán)境,腐蝕車間內(nèi)部的生產(chǎn)設(shè)備。

3 電鎳倒置自動燙洗系統(tǒng)的研制

目前的電鎳倒置燙洗方法,基本上是人工作業(yè)。要實現(xiàn)自動化作業(yè),須解決兩個核心問題。其一,如何研發(fā)抓取豎直電鎳垛的專用燙洗機械手,以替代人工捆扎電鎳板垛的的工作過程;其二,如何解決燙洗槽在非工作狀態(tài)時的水蒸氣散溢問題,避免水蒸氣的污染及腐蝕問題。

所研發(fā)的電鎳倒置自動燙洗系統(tǒng)主要包含兩大部分:一是電鎳倒置自動燙洗機,用于實現(xiàn)電鎳板垛的翻轉(zhuǎn)倒置、散狀豎直板垛抓取、電鎳板垛的吊運燙洗等機械化及自動化作業(yè);二是燙洗槽與給排水系統(tǒng),為配套自動燙洗機自動工作,對燙洗槽與給排水系統(tǒng)進行專門優(yōu)化設(shè)計,自動阻斷非工作狀態(tài)時的水蒸氣蒸發(fā)散溢,有效減少水蒸氣對工作環(huán)境的污染及對設(shè)備的腐蝕。

如圖5 所示為電鎳倒置自動燙洗系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)組成。主要包括:電鎳倒置自動燙洗機、燙洗槽及自動蓋板裝置、導軌、翻板機等。系統(tǒng)工作過程如下:翻板機先將水平碼好的電鎳板垛翻轉(zhuǎn)成耳部朝下的豎直狀態(tài);自動燙洗機的專用燙洗機械手將電鎳板垛從翻板機上抱起;自動燙洗機沿軌道向燙洗槽方向運行,將電鎳垛移送到燙洗槽上方;此時自動蓋板裝置動作,自動打開燙洗槽上方的移動蓋板;燙洗機械手下落,將電鎳垛放入燙洗槽內(nèi),按程序設(shè)定時間定時燙洗;燙洗過程中,機械手在卷揚機的牽引下,循環(huán)往復上下動作,電鎳的攪動加速結(jié)晶體等污物的溶解及散落;燙洗完成后,燙洗機械手上升,將電鎳垛提出燙洗槽,并定時停留于燙洗槽上方,等待電鎳板垛濾干水分;自動燙洗機繼續(xù)沿導軌前行,將電鎳板垛移送到下一工位;與此同時,自動蓋板裝置動作,關(guān)閉燙洗槽上方的移動蓋板。由于燙洗槽的閑置時段遠遠大于其燙洗工作時段,所以,燙洗槽的移動蓋板可以大量防止水蒸氣的散發(fā)。

圖5 電鎳倒置自動燙洗系統(tǒng)示意圖

3.1 電鎳倒置自動燙洗機

電鎳倒置自動燙洗機的主要結(jié)構(gòu)組成如圖6 所示。主要由龍門式地軌行車、電鎳燙洗機械手及卷揚機等部分組成,其中,燙洗機械手及卷揚機安裝在地軌行車上。各組成部分的功能如下:地軌行車可沿導軌做直線往復運動,運動范圍覆蓋翻板工位、燙洗工位等多工位,這個運動可實現(xiàn)電鎳板垛在多工位間的長距離轉(zhuǎn)運;卷楊機通過鋼絲繩-滑輪系統(tǒng)帶動燙洗機械手完成升降運動,實現(xiàn)電鎳板垛的上下取放動作,主要用于電鎳板垛的燙洗及出入燙洗槽。

圖6 電鎳倒置自動燙洗機

專用燙洗機械手主要由橫梁、電鎳抬架以及防傾抱爪等三部分組成。其中,抬架底部有托抬電鎳的底板,總體結(jié)構(gòu)形狀呈“L”型,兩件對稱固定安裝在橫梁下部,用于抬住豎直的電鎳板垛。兩套防傾抱爪的內(nèi)側(cè)工作部分設(shè)計呈梯形喇叭口結(jié)構(gòu),分別對稱安裝于橫梁下表面,處于電鎳臺架的外側(cè),由氣缸推動,可以前進和后退。豎直電鎳板垛的取放就是靠電鎳臺架及防傾抱爪的相互配合動作實現(xiàn)的。其整個抱取電鎳垛的動作過程如下:機械手隨地軌行車移動到豎直電鎳板垛的下方;兩套防傾抱爪在氣缸推動下,同時向電鎳垛靠攏,由梯形喇叭口限制住板垛的側(cè)向散倒;機械手整體在卷揚機的作用下向上提升,即可由抬架下部的底板將電鎳板垛抬起。機械手抱取電鎳后,即可隨地軌行車移送到程序指定的工位。

采用倒置自動燙洗機燙洗電鎳,除了具有2.2節(jié)中所述的優(yōu)點之外,還具有以下優(yōu)勢:

1)物料取放效率高。由于采用專用機械手抱取電鎳板垛,按上述抱取過程,其動作簡單,物料取放效率高。

2)可以有效提高燙洗質(zhì)量。如圖7 所示為電鎳板的設(shè)定碼垛高度(或垛體厚度),圖中用H 表示。經(jīng)過反復實驗測量,同樣垛高H 的電鎳板垛,如果采用圖1 所示的鋼絲繩捆吊方式,在鋼繩的壓縮作用下,其垛體厚度將減少15%～30%,即:垛體中電鎳板堆疊比較緊密,板間間隙變小。而機械手中的電鎳抬架以及防傾抱爪的工作寬度是按電鎳碼垛高度H 匹配設(shè)計的,防傾抱爪只是側(cè)向擋住電鎳板,防止其散落,對電鎳板垛沒用夾緊的作用,豎直垛體中的電鎳板處于松散狀態(tài),其板間間隙比垛體水平放置時還要大。這就意味著機械手抱取的電鎳板,其間具有更大的板間間隙。另外,機械手抱取的電鎳,幾乎呈豎直狀態(tài);而用鋼絲繩捆吊的電鎳,板面基本呈15°～25°傾斜姿態(tài)。在燙洗電鎳板垛時,板面間隙越大、板面角度越直立,燙洗過程中越有利于水體浸入垛體,有利于板面的燙洗,也更加有利于結(jié)晶體等污物下落排出;燙洗完成提出燙洗槽后,有利于垛體間燙洗溶液的快速排出,從而有效提高電鎳燙洗質(zhì)量。

圖7 電鎳碼垛厚度值H

3)便于實現(xiàn)電鎳燙洗工藝的程控化

電鎳垛燙洗的工藝參數(shù)要求是:電鎳入水后的浸泡停留時間t1(s);電鎳出槽后的排水停留時間t2(s),電鎳反復出入水體液面的攪動循環(huán)次數(shù)N。人工用行車捆吊燙洗時,t1、t2和N三個燙洗參數(shù)都是行車工根據(jù)經(jīng)驗控制的,控制的一致性和準確性得不到保證。采用自動燙洗機燙洗,所有動作及工藝參數(shù)均由PLC 對相應的功能裝置進行自動控制,可以實現(xiàn)電鎳燙洗工藝參數(shù)程控化。

3.2 燙洗槽及蓋板裝置

采用專門設(shè)計的燙洗機實現(xiàn)電鎳板垛的自動燙洗后,即可對燙洗槽進行配套優(yōu)化設(shè)計,在燙洗槽上方增設(shè)自動蓋板裝置,控制燙洗槽閑置時段的水蒸氣溢散。自動蓋板裝置的結(jié)構(gòu)如圖8 所示,蓋板滑槽安裝在燙洗槽頂面,燙洗槽蓋板可在蓋板滑槽中滑動,燙洗槽蓋板的開閉由氣缸推動。通過PLC 控制氣缸的動作,即可簡單實現(xiàn)移動蓋板的自動開閉,并與自動燙洗機形成自動聯(lián)動及互鎖。

圖8 燙洗槽及蓋板裝置示意圖

燙洗槽的配套優(yōu)化設(shè)計,對改善車間工作環(huán)境及燙洗液的保溫節(jié)能起具有重要作用。因為,燙洗槽只有燙洗電鎳時,蓋板才打開,其它閑置時段都處于關(guān)閉狀態(tài)。以每天工作8 h 計算,每天需要燙洗40 垛電鎳,每次燙洗開蓋3 min,每天累計開蓋工作時間為2 h,則每天有6 h 燙洗槽處于閑置覆蓋狀態(tài),占總工作時間的75%。即:粗略估算每天水蒸氣的蒸發(fā)量減少了75%,這對改善車間工作環(huán)境和燙洗液的保溫節(jié)能有明顯效果。

4 結(jié)論

電鎳倒置自動燙洗機解決了電鎳耳部朝下整垛自動燙洗的技術(shù)難題,實現(xiàn)了燙洗工藝參數(shù)的程序化控制,大大提高了燙洗效率。與自動燙洗機配套的燙洗槽增加自動蓋板后,可以減少75%的水蒸氣的蒸發(fā)量。電鎳倒置自動燙洗系統(tǒng)的研制與應用,使金川集團公司的電鎳燙洗質(zhì)量得到顯著提升,車間工作環(huán)境得到了明顯改善,電鎳倒置自動燙洗機已經(jīng)申報發(fā)明專利。