倾动炉扒渣小车的优化与设计

杨德辉，李文峰

（江西铜业集团有限公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

贵溪冶炼厂倾动炉是由德国马尔兹（MAERZ）炉窑公司设计的亚洲第一台倾转式反射炉用于杂铜冶炼的冶金炉窑，于2003 年建成投产。该技术是依照钢铁工业应用的倾动式平炉，结合有色金属冶炼的特殊工艺要求开发成功的，它实际上是可倾动的反射炉，既有固定式反射炉加料，扒渣方便的特点，又有回转式阳极炉可根据不同的操作周期 改变炉位的特点。倾动炉是固体铜料精炼的一种改进炉型，是冶炼固体粗杂铜最先进的工艺设备。其生产工艺流程为：通过加入粗杂铜等原料入炉融化，熔化的铜水进行氧化造渣作业，氧化造好渣之后进行排渣，再进行还原反应，还原好的铜水最后通过双圆盘浇铸成合格的阳极板。

2 放渣生产过程存在的问题

（1）倾动炉炉产350t，每炉次会产生约35t 的渣量，倒渣过程中需用8 个渣包进行装运见（图1）所示。在倒运的过程需要行车和扒渣小车的配合，整个流程需要90min。每倒一包渣小车需推近至渣口区域，操作工站在小车平台进行扒渣。待渣包装满后需将小车退出渣平台，行车吊走渣包再吊入空渣包，所以每倒一包渣扒渣小车就需要前进、后退一个来回［1］。

（2）扒渣小车所处的位置在尺寸为4m 长，3m宽，1.5m 高的倒渣平台上，属高温区域。由于空间狭窄，离渣口距离近，在倒渣过程会产生几百度的辐射热，以及铜水还会四处飞溅。自投产以来扒渣小车一直靠人力推拉,使小车前进或后退。每次倒渣时至少需要两名操作工来回推动1t 多重的小车，不仅劳动强度大，生产环境恶劣，而且还存在一定的生产安全隐患。

图1 倾动炉倒渣作业示意图

3 优化设计

由于小车无驱动装置，所处的位置为铜水飞溅的高温区域，如果选用电气驱动存在一定的安全隐患以及故障率高的问题。因此设计一套安全、稳定、实用的驱动装置是此项优化设计的关键［2］。

3.1 驱动装置的选型

综合考虑，选用气动马达作为扒渣小车的驱动装置，其优点是:

（1）通过调节气源压力或流量实现马达的无极变速和可变扭矩，而不需要使用价格昂贵的控制器。

（2）可频繁快进快出进行起动，停机和换向操作，即使在超负载和堵转的情况下也不会变得过热或烧坏。

（3）在危险条件下能安全运转，没有电火花或液压油泄露，是绝对防爆设备。

（4）压缩气源在马达内部流通自带冷却效果，冷动行特性将高温、潮湿、多粉尘环境对设备的影响降到最低。

（5）设计简洁，结构坚固，故障率低，外形紧凑，重量轻，输出功率大。

3.2 如何选用气动马达

在选用气动马达时须注意技术规格列表的性能参数都是在特定的工作压力下取得的。气动马达工作时的输出能力与现场气源有很大关系，通过调节工作压力及供气或排气流量，同一气动马达可以在一定范围内实现不同的输出转速，扭矩和功率。当气动马达在气源压力低于0.25MPa 状态下运转时，其性能可能会不稳定。通常情况下建议70%的技术参数为基准来选定气动马达的规格。这样选的型号能保证气动马达有额外的功率应对启动和运转中可能出现的超载情况。通常情况下，气动马达的输出功率在其工作转速约为空转转速的50%时最大。选用气动马达应考虑工作转速而不是空转转速，与气动马达工作转速同样重要技术参数是工作扭矩，转速和扭矩两个参数决定所需马达的功率，另外必须注意堵转扭矩和工作扭矩之间的区别。功率和转速，扭矩的关系：启动扭矩约为堵转扭矩的75%,任何转速下的扭矩，功率都接近气动马达的性能曲线或用下列公式计算取得，即：扭矩（Nm）=9550×功率（kW）/转速（rpm）［3］。

3.3 扒渣小车气动马达的参数计算

经计算小车的总体重量为1t，故气动马达的最大负载M=1000kg。小车的车轮直径D=0.15m，得车轮周长C=πD=3.14×0.15=0.471m。小车的行进速度V=2m/min,车轮与钢平面的摩擦系数为钢与钢的摩擦系数μ，μ 的取值为0.08，g 取10N/kg。可以计算出：

摩擦力F=μG=μMg=0.08×1000×10=800N

牵引力F＇=FL=FD/2=800×0.15/2=60Nm

车轮转速n= V/C=2/0.471=4.2rpm ≈5 rpm（此为方便计算取整数）

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

在常见的气动马达参数标示中，通常只标示最大输出功率时的转速和空转速度，根据设计需要，所选马达转速范围通常选在实际要求转速的50%～80%之间(这样就算现场气源压力有压降也能保证设备正常工作),其工作性能达到最佳状态，本案计算的实际速度约5rpm，故马达转速应选在6～10rpm 之间（供气压力为0.63MPa），若现场气源压力较低则需要相应选配更高转速的马达［4］。经设计及计算，最终选定型号为M220WX-M052叶片式气动马达,其性能参数及安装尺寸见（图2、图3 和表1）所示。

3.4 气动马达正反转控制系统的设计

（1）马达的正反转是由一个三位四通手动换向阀来实现的，以此达到控制小车的前进与后退。因为三位四通阀具有中位功能，操作人员可随时控制小车的启动与停止。在马达的进出口配置快速排气阀，以防排气不畅出现抱死的情况。

（2）气源系统的管路管径应满足气动马达最大功率的耗气量为准，如果管路过长相应适当增大管径。

（3）气源管路安装一个气动三联件，三联件有过滤器、减压阀、油雾器三部分组成。过滤器起到除去压缩空气中的灰尘，杂质，并将空气中的水分分离出来；减压阀起到减压和稳压的作用，将较高的压力调到规定的输出压力，并保证输出压力稳定，不受空气流量的变化；油雾器起当压缩空气流过时，它将润滑油喷射成雾状，随压缩空气流入需要润滑的部件，达到润滑的目的［5］。

（4）在马达的进出口分别安装一个节流阀，以达到无极变速的目的，通过节流调速控制小车的行进速度，其工作原理见（图4）所示。

图2 功率、扭矩和转速的关系曲线图

图3 径向负载、耗气量和转速的关系曲线图

表1 马达安装尺寸参数

4 传动机构的设计

小车在生产作业时无需改变方向，只需直线来回运动，因此采用通轴设计双轮同时驱动，其优点是小车一共四个车轮，两排车轮的高度差为1.5m，所在的位置均是钢板铺设的平面，钢板容易高温变形，根据三点一面的原理，至少能保证一个驱动轮与地面接触进行驱动，保证了运行的稳定性。联轴器采用刚性联轴器设计，其优点是承受负载大，零回转间隙，刚性好，结构简单，拆装方便，可传递较大转矩，转速低，无冲击，对中性好，适用现场的高温环境［6］。联轴器、车轮、主轴的装配图见（图5），安装实物图见（图6）所示。

图4 气动马达工作原理图

图5 联轴器、车轮、主轴组配图

图6 扒渣小车安装图

5 实际效果

通过对扒渣小车的优化设计后，实现了小车无需靠人力移动小车位移的目的，提高了设备的自动化程度。在生产过程中，每班倒渣作业由改进前的4 名操作人员才能完成的工作量减少到只需2 名人员完成，保证了倒渣工艺流程的流畅行和紧凑性，优化了人员配置，减轻了工人的劳动强度，缩短了倒渣作业时间，提高了生产效率，达到了降本增效的目的。