電鎳倒置自動燙洗系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

閆剛剛,王 磊,滕 波,張 鵬

(金川集團(tuán)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(jī)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(jī)組,實(shí)際上是將電解銅的出裝機(jī)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(dá)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(yuǎn)比電解銅的生產(chǎn)工藝過程復(fù)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(yuǎn)遠(yuǎn)不及電解銅的生產(chǎn)企業(yè)多,生產(chǎn)規(guī)模也遠(yuǎn)不及后者。這就導(dǎo)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(yuǎn)遠(yuǎn)落后于電解銅。國內(nèi)對于電鎳出裝燙洗技術(shù)的研究應(yīng)用極其少見,僅有的研究應(yīng)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(jī)組”、“電鎳燙洗”等主題及關(guān)鍵字,對相關(guān)學(xué)術(shù)論文進(jìn)行文獻(xiàn)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(shí)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(shí)現(xiàn)機(jī)械化,部分大型企業(yè)實(shí)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(fù)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(jī)組還是借鑒電解銅出裝機(jī)組的掛式噴洗法技術(shù),不能完全適應(yīng)電解鎳的燙洗要求。因此,在鎳電解行業(yè)還沒有先進(jìn)、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(diǎn)

目前,在電解鎳的實(shí)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(yùn)到受料輸送機(jī)的輸送鏈條上;此時,電鎳板通過導(dǎo)電棒等間距垂直懸掛在輸送機(jī)鏈條上;輸送機(jī)的上方布置有噴淋管道及噴頭,當(dāng)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(shí)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(diǎn)

掛式噴洗法的優(yōu)點(diǎn)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(yīng)用,屬于較為成熟的一種清洗技術(shù),操作簡單容易實(shí)現(xiàn)自動化。

2.1.3 缺點(diǎn)

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(fù)雜和特殊。導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(diǎn),電鎳板只能懸掛在導(dǎo)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(yùn)行效率,電鎳板間距還不能太大;導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電棒上的結(jié)晶

3)掛式噴淋沖洗法,電鎳板是通過導(dǎo)電棒垂直懸掛沖洗,而導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(yùn)到燙洗槽進(jìn)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(diǎn)

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(jìn)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(yán)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(dǎo)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(dǎo)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(fù)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(diǎn)是板身的燙洗,評價燙洗質(zhì)量的主要指標(biāo)也以板身是否干凈為標(biāo)準(zhǔn)。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(diǎn)

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(yùn)到燙洗池燙洗,操作復(fù)雜。目前還沒有實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化,還處于人工捆扎鋼絲繩,行車工吊運(yùn)燙洗的工作模式。因此,當(dāng)前的倒置燙洗方式,工人的勞動強(qiáng)度大,而且存在較大的安全隱患。

2)由于是行車吊運(yùn)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(yùn)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(shí)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(jī)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(jī),用于實(shí)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(yùn)燙洗等機(jī)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(jī)自動工作,對燙洗槽與給排水系統(tǒng)進(jìn)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(jī)、燙洗槽及自動蓋板裝置、導(dǎo)軌、翻板機(jī)等。系統(tǒng)工作過程如下:翻板機(jī)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(jī)的專用燙洗機(jī)械手將電鎳板垛從翻板機(jī)上抱起;自動燙洗機(jī)沿軌道向燙洗槽方向運(yùn)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(jī)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(jī)械手在卷揚(yáng)機(jī)的牽引下,循環(huán)往復(fù)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(jī)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(jī)繼續(xù)沿導(dǎo)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)

電鎳倒置自動燙洗機(jī)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(jī)械手及卷揚(yáng)機(jī)等部分組成,其中,燙洗機(jī)械手及卷揚(yáng)機(jī)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(dǎo)軌做直線往復(fù)運(yùn)動,運(yùn)動范圍覆蓋翻板工位、燙洗工位等多工位,這個運(yùn)動可實(shí)現(xiàn)電鎳板垛在多工位間的長距離轉(zhuǎn)運(yùn);卷?xiàng)顧C(jī)通過鋼絲繩-滑輪系統(tǒng)帶動燙洗機(jī)械手完成升降運(yùn)動,實(shí)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(jī)

專用燙洗機(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)的。其整個抱取電鎳垛的動作過程如下:機(jī)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(jī)械手整體在卷揚(yáng)機(jī)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(jī)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(jī)燙洗電鎳,除了具有2.2節(jié)中所述的優(yōu)點(diǎn)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(jī)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(fù)實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jī)械手抱取的電鎳板,其間具有更大的板間間隙。另外,機(jī)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(shí)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(fù)出入水體液面的攪動循環(huán)次數(shù)N。人工用行車?yán)Φ鯛C洗時,t1、t2和N三個燙洗參數(shù)都是行車工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)控制的,控制的一致性和準(zhǔn)確性得不到保證。采用自動燙洗機(jī)燙洗,所有動作及工藝參數(shù)均由PLC 對相應(yīng)的功能裝置進(jìn)行自動控制,可以實(shí)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(jī)實(shí)現(xiàn)電鎳板垛的自動燙洗后,即可對燙洗槽進(jìn)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(shí)現(xiàn)移動蓋板的自動開閉,并與自動燙洗機(jī)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?yàn)?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(jī)解決了電鎳耳部朝下整垛自動燙洗的技術(shù)難題,實(shí)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(jī)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(yīng)用,使金川集團(tuán)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(jī)已經(jīng)申報發(fā)明專利。