节能环保整体电解槽全自动生产设备研究与设计

温振刚，段维刚，张丽，张立兴

（1.河北安泰可耐特冶金科技股份有限公司，河北 冀州 053200；2.河北联冠电极股份有限公司，河北 冀州 053200）

节能环保整体电解槽全自动生产设备研究与设计

温振刚1，段维刚2，张丽2，张立兴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.河北联冠电极股份有限公司，河北 冀州 053200）

本文通过优化整体电解槽的传统制作工艺，对工艺优化过程中关键技术进行研究，采用模块化、集成化设计原理，以PLC为控制器，WinCC为过程控制系统，对模具拆卸组装、混凝土制备、产品恒温固化进行过程监控，实现整体槽全自动生产线的设计。

整体槽；工艺优化；全自动；节能环保

电解槽是有色金属湿法冶炼生产的核心设备，其技术的先进性直接影响产品质量和生产效率。传统钢筋混凝土内衬FRP电解槽耐腐蚀性能差、渗漏、污染严重、能耗高、尺寸精度差，已无法满足目前电解设备的配套使用要求。树脂混凝土整体浇铸电解槽成为替代产品，其具有节能环保、耐腐蚀性能优良、安全可靠、高效电解等特点，得到客户认可【1】。目前国内整体槽厂家生产工艺分散，生产效率低，劳动强度大，面对激烈的市场竞争，现有整体槽工艺技术满足不了客户需求。例如：对于一个40 wt/a的电解铜项目，需要1 400台标准铜槽。按每个模具每天生产一台计算，工期6个月，满负荷生产需要8台模具。工期紧，劳动强度高，质量难以保证以及产生高额的模具费，客户难以接受。所以针对此问题，我公司通过对工艺流程进行优化；关键技术进行攻关；设备模块化、集成化设计；研究设计一套整体槽全自动生产线，降低劳动成本、劳动强度，提高生产效率、产品质量，适应市场需求。

1　优化工艺流程

（1）传统工艺流程。传统工艺流程：模具组装-原材料准备-树脂配制-石英砂配制-混凝土搅拌-混凝土浇铸-产品固化-脱模-维修-出厂。其中模具脱模、组装，树脂混凝土的制备（材料准备-搅拌），需要投入大量劳动力，每台模具20人；产品常温固化需要8 h，达到固化时间后才能脱模。所以如何缩短固化时间，提高混凝土制备、模具拆卸组装的自动化是本项目的关键技术。

（2）关键技术攻关。①缩短固化时间。固化时间是指树脂加入固化剂后开始交联反应直至完全固化的时间，固化过程体现在树脂混凝土温度由室温（23℃）升至38℃后，又降至室温的过程。检查树脂混凝土是否固化完全最简单的方法就是使用HBa巴氏硬度计测试电解槽底部树脂混凝土硬度，HBa≥40，固化完全。缩短固化时间的方法：a.提高树脂反应活性，凝胶后30 min出现温度峰值；b.严格控制树脂凝胶时间，电解槽浇铸需要30 min，凝胶时间控制在（30+5）min；c.高温固化，树脂混凝土出现峰值温度后，根据放热曲线温度，给产品均布加热，让产品保持45±1℃温度2 h，然后降至室温，固化完全。②混凝土制备自动化。树脂混凝土的制备包括：原材料准备-树脂配制-骨料配制-树脂混凝土搅拌，成平面排布且分散，中间需要大量的物料输送与搬运。解决的有限途径就是垂直四层区域设计：四层为储料，原材料储存；三层为配料，树脂、骨料配制；二层为搅拌，树脂混凝土搅拌；一层为浇铸区域。垂直设计节约占地面积及能耗【2】，将石英砂、树脂等一次提升搅拌系统最高层，利用重力势能，由上至下自流，无需动力源。③模具快速拆卸组装。整体槽模具由2部分组成：内部和外模，内部采用整体设计，外模拼装设计。产品脱模顺序：产品和外模从内膜中脱出，然后外模从产品分离；模具组装倒序，外模5部分组装起来，然后通过定位导向与内模合模，内外模之间形成产品浇铸空腔。由于每次模具的运动轨迹一样，可以采用伺服电机或液压控制系统对模具的运行轨迹进行控制。

（3）工艺流程优化设计。将模具脱模和组装合并，改为模具拆卸组装；将原材料准备、树脂配制、石英砂配制、树脂混凝土搅拌集成一体-树脂混凝土搅拌系统；通过树脂配方的调整和恒温固化，缩短产品固化时间；提高模具接缝处理，使产品脱模后不需要维修。优化后工艺流程：模具拆卸组装-树脂混凝土制备浇铸-恒温固化-模具拆卸组装，形成紧密的闭环流水线。

2　全自动流水线设计

（1）模块化设计。根据新工艺流程划分3个模块：模具拆卸组装模块、树脂混凝土制备浇铸模块、恒温固化模块。①模具拆卸组装模块。模具拆卸组装动作分解：模具拆卸-内模固定-外模和产品提升、向前平移、下降-放置移动平板车-外模拆卸-产品移走-外模组装-上升、向后平移、下降-完成合模。其中提升、向前后平移、下降动作是由自动行车完成；外模拆卸、组装由A、B、C、D机械臂实现，考虑模具高温固化环境，采用气缸伸缩臂，过程控制采用PLC编程控制，动作执行见图1。

图1　模具拆卸组装示意图

②混凝土制备浇铸模块。混凝土搅拌浇铸模块是通过现有网络及软件技术，实现树脂混凝土自动化生产和科学化管理调度，系统执行上料、储料、物料称量、计量、配料、搅拌及浇铸的操作。PLC按照设定的配方指令控制仓门上的开关、计量斗、流量计、卸料阀门等数控元件。石英砂储料仓上的料斗秤将重量传递给称重传感器，将重量转化为电信号，经微处理器处理后，数字部位显示称重值，达到配比重量，蝶阀开启，骨料进入骨料搅拌室。流量计、计量泵通过设定的流量后，电池阀关闭，物料进入树脂搅拌罐，搅拌3 min后，进入树脂混凝土搅拌罐，搅拌5 min后放料浇铸，见图2。

③恒温固化模块。恒温固化模块是保证产品完全固化的关键功能模块，主要由精度0.1℃的温度传感器、24 kW空气加热器组成，以产品内模为加热空腔，设定产品固化温度45±1℃，产品温度高于46℃，空气加热器停止工作；低于44℃，启动工作。保证产品在45±1℃范围内，固化2 h。完成恒温后固化后，停止加热，对模具内进行吹风，加快热量流失，给产品降温，为产品脱模做准备。

（2）集成化设计。集成化设计就是将以上3个功能模块集成到一个控制器进行控制。PLC是当今生产领域的主要控制设备，在工业应用中占有重要位置【3】WinCC是工艺过程监视系统中的人机界面组件，通过服务器软件使PLC与WinCC数据联通，WinCC监控画面实时监控整体槽工艺流程。如设备或产品出现问题，WinCC发出报警，并显示故障发生的具体位置，方便维修。PLC与WinCC技术的选用，集生产自动化和过程自动化于一体，实现整体槽全自动化生产工艺的设计，如图3。

（3）节能环保设计。整体槽全自动化生产线设计响应国家节能环保的号召，有以下节能环保设计：①混凝土制备系统垂直设计，充分利用重力势能自流，减少物料输送搬运。②恒温固化系统，模具内加热，间歇式工作，节约能源。③混凝土制备系统主体采用全封闭设计，阻止粉尘进入周边的大气环境；骨料、树脂采用管道封闭输送，主体结构向外排气管道设有活性炭过滤吸附，防止污染物外泄。

图2　树脂混凝土搅拌浇铸流程图

图3　整体槽工艺流程集成化设计

3　工艺对比分析

针对40 wt/a铜电解槽项目（1 400台标准铜槽）。从工期、成本，生产效率、投资等对新工艺与传统工艺对比分析，结果显示新工艺提高生产率的同时，大幅度降低劳动成本，具体数据见表1。

4　结语

本文通过对乙烯基树脂混凝土整体浇铸电解槽的传统工艺进行优化，关键技术进行攻关；设备模块化、集成化设计，实现整体槽的全自动化生产，打破欧美技术垄断，对我国有色冶炼设备的发展具有积极意义。

参考文件：

［1］ 温振刚. 湿法冶金超大型锌用电解槽设计与应用［J］.世界有色金属，2015.（11）：96-98.

［2］ 张瑞军.HZS120型混凝土搅拌站的改进设计［J］. 工程机械，2008.7（39）：17-19.

［3］ 周秀君.基于PLC的混凝土搅拌站控制系统设计［D］.广州：广东工业大学，2008.

表1 工艺对比分析表

TH122

A

1671-0711（2016）08（下）-0072-02