節能環保整體電解槽全自動生產設備研究與設計

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.河北聯冠電極股份有限公司，河北 冀州 053200）

節能環保整體電解槽全自動生產設備研究與設計

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.河北聯冠電極股份有限公司，河北 冀州 053200）

本文通過優化整體電解槽的傳統制作工藝，對工藝優化過程中關鍵技術進行研究，采用模塊化、集成化設計原理，以PLC為控制器，WinCC為過程控制系統，對模具拆卸組裝、混凝土制備、產品恒溫固化進行過程監控，實現整體槽全自動生產線的設計。

整體槽；工藝優化；全自動；節能環保

電解槽是有色金屬濕法冶煉生產的核心設備，其技術的先進性直接影響產品質量和生產效率。傳統鋼筋混凝土內襯FRP電解槽耐腐蝕性能差、滲漏、污染嚴重、能耗高、尺寸精度差，已無法滿足目前電解設備的配套使用要求。樹脂混凝土整體澆鑄電解槽成為替代產品，其具有節能環保、耐腐蝕性能優良、安全可靠、高效電解等特點，得到客戶認可【1】。目前國內整體槽廠家生產工藝分散，生產效率低，勞動強度大，面對激烈的市場競爭，現有整體槽工藝技術滿足不了客戶需求。例如：對于一個40 wt/a的電解銅項目，需要1 400臺標準銅槽。按每個模具每天生產一臺計算，工期6個月，滿負荷生產需要8臺模具。工期緊，勞動強度高，質量難以保證以及產生高額的模具費，客戶難以接受。所以針對此問題，我公司通過對工藝流程進行優化；關鍵技術進行攻關；設備模塊化、集成化設計；研究設計一套整體槽全自動生產線，降低勞動成本、勞動強度，提高生產效率、產品質量，適應市場需求。

1　優化工藝流程

（1）傳統工藝流程。傳統工藝流程：模具組裝-原材料準備-樹脂配制-石英砂配制-混凝土攪拌-混凝土澆鑄-產品固化-脫模-維修-出廠。其中模具脫模、組裝，樹脂混凝土的制備（材料準備-攪拌），需要投入大量勞動力，每臺模具20人；產品常溫固化需要8 h，達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鍵技術。

（2）關鍵技術攻關。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反應直至完全固化的時間，固化過程體現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。縮短固化時間的方法：a.提高樹脂反應活性，凝膠后30 min出現溫度峰值；b.嚴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，樹脂混凝土出現峰值溫度后，根據放熱曲線溫度，給產品均布加熱，讓產品保持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域設計：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；一層為澆鑄區域。垂直設計節約占地面積及能耗【2】，將石英砂、樹脂等一次提升攪拌系統最高層，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：內部和外模，內部采用整體設計，外模拼裝設計。產品脫模順序：產品和外模從內膜中脫出，然后外模從產品分離；模具組裝倒序，外模5部分組裝起來，然后通過定位導向與內模合模，內外模之間形成產品澆鑄空腔。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對模具的運行軌跡進行控制。

（3）工藝流程優化設計。將模具脫模和組裝合并，改為模具拆卸組裝；將原材料準備、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；通過樹脂配方的調整和恒溫固化，縮短產品固化時間；提高模具接縫處理，使產品脫模后不需要維修。優化后工藝流程：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，形成緊密的閉環流水線。

2　全自動流水線設計

（1）模塊化設計。根據新工藝流程劃分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-內模固定-外模和產品提升、向前平移、下降-放置移動平板車-外模拆卸-產品移走-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，考慮模具高溫固化環境，采用氣缸伸縮臂，過程控制采用PLC編程控制，動作執行見圖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有網絡及軟件技術，實現樹脂混凝土自動化生產和科學化管理調度，系統執行上料、儲料、物料稱量、計量、配料、攪拌及澆鑄的操作。PLC按照設定的配方指令控制倉門上的開關、計量斗、流量計、卸料閥門等數控元件。石英砂儲料倉上的料斗秤將重量傳遞給稱重傳感器，將重量轉化為電信號，經微處理器處理后，數字部位顯示稱重值，達到配比重量，蝶閥開啟，骨料進入骨料攪拌室。流量計、計量泵通過設定的流量后，電池閥關閉，物料進入樹脂攪拌罐，攪拌3 min后，進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品完全固化的關鍵功能模塊，主要由精度0.1℃的溫度傳感器、24 kW空氣加熱器組成，以產品內模為加熱空腔，設定產品固化溫度45±1℃，產品溫度高于46℃，空氣加熱器停止工作；低于44℃，啟動工作。保證產品在45±1℃范圍內，固化2 h。完成恒溫后固化后，停止加熱，對模具內進行吹風，加快熱量流失，給產品降溫，為產品脫模做準備。

（2）集成化設計。集成化設計就是將以上3個功能模塊集成到一個控制器進行控制。PLC是當今生產領域的主要控制設備，在工業應用中占有重要位置【3】WinCC是工藝過程監視系統中的人機界面組件，通過服務器軟件使PLC與WinCC數據聯通，WinCC監控畫面實時監控整體槽工藝流程。如設備或產品出現問題，WinCC發出報警，并顯示故障發生的具體位置，方便維修。PLC與WinCC技術的選用，集生產自動化和過程自動化于一體，實現整體槽全自動化生產工藝的設計，如圖3。

（3）節能環保設計。整體槽全自動化生產線設計響應國家節能環保的號召，有以下節能環保設計：①混凝土制備系統垂直設計，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，模具內加熱，間歇式工作，節約能源。③混凝土制備系統主體采用全封閉設計，阻止粉塵進入周邊的大氣環境；骨料、樹脂采用管道封閉輸送，主體結構向外排氣管道設有活性炭過濾吸附，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計

3　工藝對比分析

針對40 wt/a銅電解槽項目（1 400臺標準銅槽）。從工期、成本，生產效率、投資等對新工藝與傳統工藝對比分析，結果顯示新工藝提高生產率的同時，大幅度降低勞動成本，具體數據見表1。

4　結語

本文通過對乙烯基樹脂混凝土整體澆鑄電解槽的傳統工藝進行優化，關鍵技術進行攻關；設備模塊化、集成化設計，實現整體槽的全自動化生產，打破歐美技術壟斷，對我國有色冶煉設備的發展具有積極意義。

參考文件：

［1］ 溫振剛. 濕法冶金超大型鋅用電解槽設計與應用［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設計［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設計［D］.廣州：廣東工業大學，2008.

表1 工藝對比分析表

TH122

A

1671-0711（2016）08（下）-0072-02