陽(yáng)極爐托輪裝置的優(yōu)化與實(shí)踐

楊 武，陳士超,3，鄭 競(jìng)，曾偉兵，閆玲娣

（1.中信重工機(jī)械股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，河南 洛陽(yáng) 471039；3.礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039；）

陽(yáng)極爐是將粗銅精煉至陽(yáng)極銅的大型有色冶煉設(shè)備。陽(yáng)極爐可分為固定式陽(yáng)極爐和回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐兩大類。與固定式陽(yáng)極爐相比，回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐具有機(jī)械化程度高、人工操作程度低、生產(chǎn)效率高、環(huán)境污染少、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，已得到業(yè)界廣泛認(rèn)可。

本文以江西某冶煉廠生產(chǎn)車間中進(jìn)口的Φ4.572 m×10.668 m回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐為例，分析陽(yáng)極爐托輪裝置運(yùn)行過程中存在的問題，并提出針對(duì)性的解決辦法和處理措施。

1 陽(yáng)極爐結(jié)構(gòu)及工作原理

陽(yáng)極爐的基本結(jié)構(gòu)由爐體、傳動(dòng)裝置、固定端托輪裝置、滑動(dòng)端托輪裝置、小齒輪裝置、爐口啟閉裝置、固定端滾圈、滑動(dòng)端滾圈等部分構(gòu)成。圖1為陽(yáng)極爐的基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖1 陽(yáng)極爐基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

陽(yáng)極爐銅冶煉基本工作過程：首先傳動(dòng)裝置通過小齒輪裝置將動(dòng)力傳遞給固定端滾圈，固定端滾圈轉(zhuǎn)動(dòng)再帶動(dòng)位于支撐裝置上的筒體轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度（一般30°左右），打開爐口啟閉裝置進(jìn)行進(jìn)料或倒渣工作，然后傳動(dòng)裝置中通過電機(jī)反轉(zhuǎn)恢復(fù)原位繼續(xù)進(jìn)行冶煉工作。

通過陽(yáng)極爐的精煉過程，可獲得純度達(dá)到99.5%的陽(yáng)極銅，為后續(xù)電解得到陰極銅提供優(yōu)質(zhì)的原材料。圖2為銅冶煉工藝流程圖。

圖2 銅冶煉工藝流程

2 托輪裝置問題分析

在冶煉廠的生產(chǎn)過程中，陽(yáng)極爐出現(xiàn)的故障主要發(fā)生在驅(qū)動(dòng)端托輪裝置或者自由端托輪裝置上。當(dāng)出現(xiàn)磨損、疲勞等故障時(shí)，需停爐維修，嚴(yán)重影響到日常生產(chǎn)。因此針對(duì)托輪裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定了相應(yīng)的解決方案。

本文所研究的回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐在銅冶煉作業(yè)過程中，通過將用戶大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與總結(jié)反饋?zhàn)鳛橐罁?jù)，并針對(duì)用戶需求進(jìn)行研究分析，整理出常見的生產(chǎn)問題如下頁(yè)表1所示。

表1 陽(yáng)極爐托輪裝置常見的生產(chǎn)問題

本次研究的對(duì)象是進(jìn)口的回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐中的托輪裝置，其中的托輪與托輪軸是一體式（簡(jiǎn)稱托輪體）。而托輪體是驅(qū)動(dòng)端托輪裝置和自由端托輪裝置中的重要零件，且為易損件，更換或者維修都需要國(guó)外專業(yè)人員，維修更換成本非常高。從目前的生產(chǎn)現(xiàn)狀來看，客戶希望將托輪體國(guó)產(chǎn)化，同時(shí)希望托輪體可以做成分體式。因此，通過常規(guī)檢修期間的現(xiàn)場(chǎng)超聲波檢測(cè)，需要找出具體破壞的是托輪還是托輪軸，并提前預(yù)購(gòu)做好備用，從而避免停爐更換的周期過長(zhǎng)，以保證日常的生產(chǎn)工作。

3 解決方案

根據(jù)用戶要求，中信重工將托輪體拆分成托輪和托輪軸兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過模擬分析驗(yàn)證方案的可行性和合理性。

3.1 優(yōu)化依據(jù)

本文優(yōu)化是在原托輪體的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。圖3為本文作者現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)繪得到的托輪體原三維模型。表2為根據(jù)用戶提出分體式要求后托輪和托輪軸材料需滿足的性能指標(biāo)。

圖3 托輪體模型

表2 材料特性

3.2 三維模型簡(jiǎn)化

根據(jù)用戶要求，將托輪體拆分為托輪和托輪軸的三維模型如圖4、圖5所示。為了驗(yàn)證拆分后的托輪裝置能否滿足使用要求，本文對(duì)其進(jìn)行了有限元模擬分析。由于模型幾何的對(duì)稱性，建立1/4模型即可進(jìn)行有限元分析計(jì)算。因此對(duì)模型進(jìn)行了必要簡(jiǎn)化，去除小孔、小圓角、小倒角等小特征，簡(jiǎn)化后的三維模型見圖6。

圖4 托輪裝置裝配三維模型

圖5 托輪軸三維模型

圖6 托輪裝置有限元計(jì)算模型

3.3 網(wǎng)格劃分

托輪裝置使用二十節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在關(guān)鍵部位對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。圖7為網(wǎng)格劃分圖，表3為有限元軟件和有限元網(wǎng)格細(xì)節(jié)。

圖7 托輪裝置網(wǎng)格劃分

表3 單元信息

3.4 邊界條件

根據(jù)陽(yáng)極爐滿載總質(zhì)量為900 t，托輪裝置的受力情況，以及對(duì)應(yīng)的力學(xué)關(guān)系：Fcos30°＝G/4，F(xiàn)1cos10°＝F/2，其中總重力G＝900000×9.8N，計(jì)算得出單個(gè)托輪承受來自陽(yáng)極爐的徑向載荷F1＝1 292.800 kN；1/4模型受載荷為F1/4＝323.200 kN。托輪裝置受力示意圖如圖8所示。

圖8 托輪裝置受力示意圖

在軸承位置加載軸承載荷，以模擬軸承的支撐力。考慮托輪與托輪軸的重力，1/4模型的軸承載荷值為327.170 kN。

考慮模型自重的影響，重力加速度取9.8 m/s2。

托輪與托輪軸結(jié)合面按照粘合方式進(jìn)行處理，對(duì)稱面設(shè)置對(duì)稱約束，邊界條件如圖9所示。

圖9 托輪裝置邊界條件

3.5 分析結(jié)果

托輪軸為主要受力零件，故調(diào)出托輪軸的分析數(shù)據(jù)。圖10為托輪軸的變形量分布云圖，托輪軸最大變形量為-0.093 mm。

圖10 托輪軸變形量分布云圖

圖11為托輪軸的等效應(yīng)力分布云圖，最大應(yīng)力值為184 MPa，位于R=3 mm圓角處。R=15 mm圓角處等效應(yīng)力值為167 MPa。

圖11 托輪軸等效應(yīng)力分布云圖

有限元分析結(jié)果顯示，托輪軸的變形量為-0.093mm，等效應(yīng)力最大值為184MPa。根據(jù)托輪軸材料40CrNiMo的屈服強(qiáng)度為835 MPa，可得出托輪軸的安全系數(shù)為835/184＝4.54。

通過以上分析，托輪軸的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求，得到了用戶的高度認(rèn)可。

4 備件生產(chǎn)及安裝運(yùn)行

客戶江西（貴冶）對(duì)中信重工提供的模擬有限元報(bào)告中提到，非常認(rèn)可設(shè)計(jì)方案的可行性，并與我司簽訂備件訂貨合同，圖12為安裝前狀態(tài)。

圖12 備件安裝前狀態(tài)

由于冶煉廠運(yùn)行良好，一年后用戶依然非常認(rèn)可我司的設(shè)計(jì)能力及制造質(zhì)量，又與我司簽訂了后續(xù)的進(jìn)口陽(yáng)極爐改造備件合同。現(xiàn)我司正在全力投產(chǎn)過程中，盡快滿足用戶更新?lián)Q代的需求。

5 結(jié)語

通過對(duì)回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐托輪裝置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并利用有限元模擬對(duì)新設(shè)計(jì)的托軌軸進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證，得出了托軌軸安全系數(shù)為4.54，滿足設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品也得到用戶一致認(rèn)可，為陽(yáng)極爐有色冶煉設(shè)備逐漸實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，提供了有利開端。