智能化電鎳出裝機組的研制與應用

閆剛剛,王 磊,滕 波,張 鵬

(金川集團股份有限公司,甘肅 金昌 538000)

用電解工藝生產的純鎳,在有色冶金行業內稱之為電鎳。電解工藝完成后,電鎳從電解槽中吊出,需要先抽掉導電棒、再經過燙洗、挑出等外品等工序后才能入庫。行業內又把這一工藝過程稱之為電鎳的出裝。由于電鎳生產過程遠比電銅生產過程復雜,再加上資源的限制,所以生產電鎳的企業在數量與生產規模上,都遠遠不及電銅的生產企業多和規模大。這就導致在世界范圍內,電鎳生產過程中裝備的自動化水平落后于電銅。電鎳與電銅的生產過程與原理雖然相似,但是電鎳的生產在一些細節上有特殊工藝要求。例如電鎳的燙洗工藝、電鎳挑選工藝等都與電銅完全不同。實踐證明,照搬電銅的生產設備用于電鎳,基本都無法滿足生產工藝要求。

1 國內外研究現狀

金川公司是我國電鎳生產規模最大、生產電鎳最早的大型國有企業。1964 年已經生產出來我國第一批電鎳。到2021 年為止,在電鎳出裝這一工段,還處于人工加簡單工裝的生產狀況。2015 年也曾經嘗試用電銅的出裝機組由于電鎳出裝生產,實踐證明使用效果很不理性。

通過CNKI 中國知網平臺,分別以“電鎳出裝”、“電鎳出裝機組”、“電鎳燙洗”、“電鎳翻板”、“電鎳抽棒”等主題及關鍵字,對相關學術論文進行文獻檢索,檢索情況顯示均無相關研究論文發表。文獻檢索表明,關于電鎳出裝機組的整機研發,在國內還是空白,但有一部分與電鎳出裝功能要求相關的專利,也表明有企業已經對電鎳出裝的相關功能裝置進行了研究。

2 智能化電鎳出裝機組研制解決的技術難題

2.1 全自動軌道車式步進輸送機

有色金屬電解的生產車間,一般都設計有2～3個跨。采用電鎳出裝機組出裝電鎳時,就必然要把每個跨的電鎳都輸送到出裝機組的進料口。這就產生了電鎳隔跨輸送轉運的問題。國外解決這一問題的方案基本都是采用“儲板架+步進輸送機+移載小車”的模式,如圖1 所示。國內也基本都照搬使用這一模式。其工作原理是:2 個跨的行車都把電鎳上到儲板架上先儲存,再由移載小車把電鎳整槽轉運到步進輸送機上,由步進輸送機輸出加工。

這一模式有兩個問題:第一要求在設計廠房時,就要統一規劃場地。對已經投入生產的老企業,改造車間來使用這種方案,幾乎不可能。第二是移載小車移板到步進輸送機上時,步進輸送機需要停機等待,這就影響了整個機組的工作效率。

全自動軌道車式步進輸送機的實質,是把步進輸送機放置在一個軌道式平板車上,控制系統借鑒AGV 車的控制理念,如圖2 所示。讓步軌道式平板車搭載步進輸送機在車間各個跨運行,直接接受各個跨的電鎳。平行布置兩臺全自動軌道車式步進輸送機交替工作,不但可以完成各個跨的電鎳的轉運工作,還可以始終有一臺處于輸出工作狀態,實現了生產無間斷的工作狀態,提高了生產效率。一個年產3 萬t 的車間,每天需要加工生產約80 槽電鎳,如果每槽節省30 s,每天可以節省時間40 min。

圖2 電鎳隔跨轉運方式二

2.2 基于機器視覺的電鎳預分選系統

金川公司根據企業標準對電解鎳進行檢驗,金川公司最新的企業標準是《電解鎳外觀質量判定規則》,標準號為Q/YSJC-FX23-2022。該標準主要從鎳板的物理外觀質量、表面化學成分變化、表面顏色異常、夾層等四方面對電鎳質量進行評判和控制。每個方面又有許多具體分項目需要判斷確定,是一項細致的專業技術工作,目前還沒有專門的檢測儀器可以使用。所以在該標準中,檢測方法定為目視檢測。這樣的檢測方法需要車間崗位人員人工翻板挑選,勞動強度很大。

電鎳預分選理念是,把有可疑點的板自動挑選出來,讓合適板通過。然后人工只復檢已經挑出來有可疑點的板,極大降低人工挑板的工作量。由于電鎳檢測和挑選情況非常復雜,機器視覺技術很難達到100%準確,所以采用預分選的理念來處理這一問題比較符合實際情況。

機器視覺技術分為3D 技術和2D 技術。3D 技術主要是偵測板面物理外觀質量;2D 技術主要是偵測板面是否有異常顏色,根據顏色判斷板面是否發生化學性質的變化。3D 系統和2D 系統對應的檢測項目如圖3 所示。

圖3 3D/2D 系統對應的檢測項目

3D 系統采用3D 激光相機,掃描速度500 mm/s。算法采用的是自主研發的專用軟件,2.5 s 可以檢測出數據。實測效果是:對于高度和直徑大于2 mm的結粒(圖4),可以準確偵測并統計出來。對于深度和直徑大于2 mm 的氣孔(圖5),也可以準確偵測并統計出來。由于受算法影響,對于特大異型結粒3D 系統判斷不出來。由于受到3D 激光相機性能限制,對于微小結粒和小氣孔,3D 系統偵測不出來。由于3D 系統偵測特大異型結粒、微小結粒和小氣孔有困難,這一部分的偵測最后改造2D系統完成。

圖4 高度和直徑大于2 mm 的結粒

圖5 深度和直徑大于2 mm 的氣孔

圖6 大的異型結粒

2D 系統采用的是2 000 萬像素面陣相機;算法采用的是自主研發的專用軟件,1.5 s 可以得出檢測數據。由于2D 系統是通過檢測板面顏色,來判斷電鎳板面是否有化學變化。如圖3 所示,2D 系統需要檢測至少六種顏色。而實際情況是由于電鎳板面化學變化的嚴重程度千差萬別,所以反應在顏色方面就會有分布范圍很大的深淺變化。特別是在臨界狀態時,機器視覺系統很難判斷。

2D 系統設計時需要注意以下問題:①拍照的背景顏色不能和需要檢測的顏色相同;②處理好燈光,不用讓板面上的皺褶形成陰影,陰影會被誤判成油污或氫氧化鎳等;③鎳板的兩個面不要同時布置相機拍照,錯開一個工位,避免相互干擾;④要采用人工光源,因為自然光有顏色。

計算機系統采用的是自主研發的系統,界面設置了靈活的對話框(圖8)。使用人員可以根據生產情況,設定挑選條件。基于機器視覺的電鎳預分選系統通過6 個月的試用,在生產正常的情況下,挑出每天產量的20%～30%,可以把有問題的板覆蓋完。這樣原來人工挑板工作量減少了70%～80%。

圖8 挑板條件設定界面

2.3 程序控制的電鎳自動燙洗機

目前鎳電解行業內燙洗電鎳方法主要有兩種:①直接帶著導電棒入燙洗槽燙洗或沖洗,這種工藝不能保證燙洗質量要求;②把一批電鎳先抽去導電棒、碼垛整齊、用鋼絲繩捆住、再用行車吊進燙洗槽進行燙洗。行車起吊電鎳時,要求電鎳耳部朝下(圖9 所示)。這種工藝能保證燙洗質量,但是人工操作勞動強度大、生產安全性差。

圖9 行車吊電鎳去燙洗

電鎳自動燙洗機如圖10 所示,地軌行車帶動專用吊具完成直線往返運動,這個運動用于去取電鎳。卷楊機通過鋼絲繩-滑輪系統帶動專用吊具完成升降運動,這個運動用于讓電鎳下燙洗槽。電鎳由專用吊具的底部鉤板抬住,并由八字形抱爪抱住。這樣就控制住了整摞電鎳板不至于散開八字形抱爪由氣缸推動,可以前進和后退。

圖10 電鎳自動燙洗機

電鎳的燙洗工藝要求是:電鎳入水停留時間t1秒;出水停留t2秒,循化N次。在用行車吊板燙洗時,t1、t2和N都是行車工根據經驗掌握。用程序控制燙洗機后,t1、t2和N都可以在控制程序中設定,實現了精準控制。

專用吊具抱板燙洗與鋼絲繩捆板吊燙相對比。板與板之間的間隙更大,板面更垂直。這有利于板面結晶和溶液的排除。使用效果證明,用自動燙洗機燙洗鎳板,燙洗質量達到了歷史最好水平。

3 結束語

金川集團有限公司2021 年重點科研項目“智能化電鎳出裝機組的研究與應用”,于2022 年9 月投入生產。每天小時加工電鎳250 張,運行穩定可靠、加工質量優良。本項目在以下三方面取得了突破性成果:第一,創新設計了“全自動軌道式步進輸送機”,很好地解決了三個跨車間的物料轉運問題。第二,提出了“電鎳預分選的理念”,并研發了基于機器視覺的電鎳預分選系統,行業內率先實現了智能化挑選電鎳。第三,研制了程序控制的電鎳自動燙洗機,行業內率先實現電鎳整摞耳部朝下自動燙洗。