傾動爐扒渣小車的優化與設計

楊德輝，李文峰

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

貴溪冶煉廠傾動爐是由德國馬爾茲（MAERZ）爐窯公司設計的亞洲第一臺傾轉式反射爐用于雜銅冶煉的冶金爐窯，于2003 年建成投產。該技術是依照鋼鐵工業應用的傾動式平爐，結合有色金屬冶煉的特殊工藝要求開發成功的，它實際上是可傾動的反射爐，既有固定式反射爐加料，扒渣方便的特點，又有回轉式陽極爐可根據不同的操作周期 改變爐位的特點。傾動爐是固體銅料精煉的一種改進爐型，是冶煉固體粗雜銅最先進的工藝設備。其生產工藝流程為：通過加入粗雜銅等原料入爐融化，熔化的銅水進行氧化造渣作業，氧化造好渣之后進行排渣，再進行還原反應，還原好的銅水最后通過雙圓盤澆鑄成合格的陽極板。

2 放渣生產過程存在的問題

（1）傾動爐爐產350t，每爐次會產生約35t 的渣量，倒渣過程中需用8 個渣包進行裝運見（圖1）所示。在倒運的過程需要行車和扒渣小車的配合，整個流程需要90min。每倒一包渣小車需推近至渣口區域，操作工站在小車平臺進行扒渣。待渣包裝滿后需將小車退出渣平臺，行車吊走渣包再吊入空渣包，所以每倒一包渣扒渣小車就需要前進、后退一個來回［1］。

（2）扒渣小車所處的位置在尺寸為4m 長，3m寬，1.5m 高的倒渣平臺上，屬高溫區域。由于空間狹窄，離渣口距離近，在倒渣過程會產生幾百度的輻射熱，以及銅水還會四處飛濺。自投產以來扒渣小車一直靠人力推拉,使小車前進或后退。每次倒渣時至少需要兩名操作工來回推動1t 多重的小車，不僅勞動強度大，生產環境惡劣，而且還存在一定的生產安全隱患。

圖1 傾動爐倒渣作業示意圖

3 優化設計

由于小車無驅動裝置，所處的位置為銅水飛濺的高溫區域，如果選用電氣驅動存在一定的安全隱患以及故障率高的問題。因此設計一套安全、穩定、實用的驅動裝置是此項優化設計的關鍵［2］。

3.1 驅動裝置的選型

綜合考慮，選用氣動馬達作為扒渣小車的驅動裝置，其優點是:

（1）通過調節氣源壓力或流量實現馬達的無極變速和可變扭矩，而不需要使用價格昂貴的控制器。

（2）可頻繁快進快出進行起動，停機和換向操作，即使在超負載和堵轉的情況下也不會變得過熱或燒壞。

（3）在危險條件下能安全運轉，沒有電火花或液壓油泄露，是絕對防爆設備。

（4）壓縮氣源在馬達內部流通自帶冷卻效果，冷動行特性將高溫、潮濕、多粉塵環境對設備的影響降到最低。

（5）設計簡潔，結構堅固，故障率低，外形緊湊，重量輕，輸出功率大。

3.2 如何選用氣動馬達

在選用氣動馬達時須注意技術規格列表的性能參數都是在特定的工作壓力下取得的。氣動馬達工作時的輸出能力與現場氣源有很大關系，通過調節工作壓力及供氣或排氣流量，同一氣動馬達可以在一定范圍內實現不同的輸出轉速，扭矩和功率。當氣動馬達在氣源壓力低于0.25MPa 狀態下運轉時，其性能可能會不穩定。通常情況下建議70%的技術參數為基準來選定氣動馬達的規格。這樣選的型號能保證氣動馬達有額外的功率應對啟動和運轉中可能出現的超載情況。通常情況下，氣動馬達的輸出功率在其工作轉速約為空轉轉速的50%時最大。選用氣動馬達應考慮工作轉速而不是空轉轉速，與氣動馬達工作轉速同樣重要技術參數是工作扭矩，轉速和扭矩兩個參數決定所需馬達的功率，另外必須注意堵轉扭矩和工作扭矩之間的區別。功率和轉速，扭矩的關系：啟動扭矩約為堵轉扭矩的75%,任何轉速下的扭矩，功率都接近氣動馬達的性能曲線或用下列公式計算取得，即：扭矩（Nm）=9550×功率（kW）/轉速（rpm）［3］。

3.3 扒渣小車氣動馬達的參數計算

經計算小車的總體重量為1t，故氣動馬達的最大負載M=1000kg。小車的車輪直徑D=0.15m，得車輪周長C=πD=3.14×0.15=0.471m。小車的行進速度V=2m/min,車輪與鋼平面的摩擦系數為鋼與鋼的摩擦系數μ，μ 的取值為0.08，g 取10N/kg。可以計算出：

摩擦力F=μG=μMg=0.08×1000×10=800N

牽引力F＇=FL=FD/2=800×0.15/2=60Nm

車輪轉速n= V/C=2/0.471=4.2rpm ≈5 rpm（此為方便計算取整數）

由功率P= F＇n/9550 得出 P=60×5÷9550=0.032kW=32W

在常見的氣動馬達參數標示中，通常只標示最大輸出功率時的轉速和空轉速度，根據設計需要，所選馬達轉速范圍通常選在實際要求轉速的50%～80%之間(這樣就算現場氣源壓力有壓降也能保證設備正常工作),其工作性能達到最佳狀態，本案計算的實際速度約5rpm，故馬達轉速應選在6～10rpm 之間（供氣壓力為0.63MPa），若現場氣源壓力較低則需要相應選配更高轉速的馬達［4］。經設計及計算，最終選定型號為M220WX-M052葉片式氣動馬達,其性能參數及安裝尺寸見（圖2、圖3 和表1）所示。

3.4 氣動馬達正反轉控制系統的設計

（1）馬達的正反轉是由一個三位四通手動換向閥來實現的，以此達到控制小車的前進與后退。因為三位四通閥具有中位功能，操作人員可隨時控制小車的啟動與停止。在馬達的進出口配置快速排氣閥，以防排氣不暢出現抱死的情況。

（2）氣源系統的管路管徑應滿足氣動馬達最大功率的耗氣量為準，如果管路過長相應適當增大管徑。

（3）氣源管路安裝一個氣動三聯件，三聯件有過濾器、減壓閥、油霧器三部分組成。過濾器起到除去壓縮空氣中的灰塵，雜質，并將空氣中的水分分離出來；減壓閥起到減壓和穩壓的作用，將較高的壓力調到規定的輸出壓力，并保證輸出壓力穩定，不受空氣流量的變化；油霧器起當壓縮空氣流過時，它將潤滑油噴射成霧狀，隨壓縮空氣流入需要潤滑的部件，達到潤滑的目的［5］。

（4）在馬達的進出口分別安裝一個節流閥，以達到無極變速的目的，通過節流調速控制小車的行進速度，其工作原理見（圖4）所示。

圖2 功率、扭矩和轉速的關系曲線圖

圖3 徑向負載、耗氣量和轉速的關系曲線圖

表1 馬達安裝尺寸參數

4 傳動機構的設計

小車在生產作業時無需改變方向，只需直線來回運動，因此采用通軸設計雙輪同時驅動，其優點是小車一共四個車輪，兩排車輪的高度差為1.5m，所在的位置均是鋼板鋪設的平面，鋼板容易高溫變形，根據三點一面的原理，至少能保證一個驅動輪與地面接觸進行驅動，保證了運行的穩定性。聯軸器采用剛性聯軸器設計，其優點是承受負載大，零回轉間隙，剛性好，結構簡單，拆裝方便，可傳遞較大轉矩，轉速低，無沖擊，對中性好，適用現場的高溫環境［6］。聯軸器、車輪、主軸的裝配圖見（圖5），安裝實物圖見（圖6）所示。

圖4 氣動馬達工作原理圖

圖5 聯軸器、車輪、主軸組配圖

圖6 扒渣小車安裝圖

5 實際效果

通過對扒渣小車的優化設計后，實現了小車無需靠人力移動小車位移的目的，提高了設備的自動化程度。在生產過程中，每班倒渣作業由改進前的4 名操作人員才能完成的工作量減少到只需2 名人員完成，保證了倒渣工藝流程的流暢行和緊湊性，優化了人員配置，減輕了工人的勞動強度，縮短了倒渣作業時間，提高了生產效率，達到了降本增效的目的。