陈一波

（江西铜业集团有限公司 贵溪冶炼厂,江西 贵溪 335424）

1 引言

2020年末，中央经济工作会议确定，当前的重点任务之一，是要增强产业链、供应链自主可控能力，要尽快解决一批“卡脖子”的问题。全自动圆盘浇铸机作为铜冶炼厂生产阳极板的主要大型设备，国外先进企业掌控其核心技术，并不断对其进行迭代更新，使其设备性能始终保持领先优势。国内企业要得到高效的阳极浇铸设备，只能成套引进。江西铜业集团贵溪冶炼厂（下文简称：贵冶）先后引进了28模单圆盘浇铸机、双16模圆盘浇铸机、双18模圆盘浇铸机［1］等国外先进设备。

贵冶经过多年的应用积累，已经实现了对进口圆盘浇铸机关键技术的消化、吸收。以此为基础，自主研发一款性能达到国外最先进水平的圆盘浇铸机，打破国外的技术垄断，凭借成本优势将可占领国内广阔的铜冶炼装备市场。对研发企业而言将获得较好的经济回报，对国内铜冶炼行业而言将得到更具性价比的先进设备。

2 几种典型圆盘浇铸机存在的弊端

圆盘浇铸机的升级换代，就是一个通过改进消除设备弊端、解决生产问题的过程。国内目前在用的几种圆盘浇铸机主要存在以下几点弊端。

（1） 液压驱动系统存在漏油风险。圆盘浇铸机作为成套的自动化设备，机械动作部件多，分散在圆盘周边多个点位且工况较为恶劣。液压油缸具有运行稳定、能适应恶劣工况的优势，因此液压系统驱动机械部件动作，是以往浇铸机的首选方式。但液压系统内油压高，油管或接头一旦出现漏点，会在短时间泄漏大量液压油至圆盘下方的地沟［2］。由于喷淋在模具底部为其降温的循环冷却水也是通过圆盘下方地沟收集，因此泄漏的液压油将会混入浇铸循环水系统中污染水体。循环水被污染后，很快将污染物扩散至浇铸成型的阳极板表面。为避免污染物进一步扩散，被污染的循环水必须在系统内部采用吸油毡进行吸油处理，费时费力且效果不佳。

（2）周边驱动圆盘转动不平稳。28模单圆盘的盘面直径大，中间操作空间宽敞，控制室视野良好。但由于圆盘直径过大，中心支撑不能独立承担整个圆盘的重量，所以圆盘外沿配备有一圈环形轨道和托辊，用于分担圆盘及其上方模具的重量。28根弧形轨道拼接而成的环形轨道和28个托辊的安装精度不够，以及后期各托辊不一致的机械磨损等原因都会引起模具在圆盘运行时上下抖动，从而导致模具内尚未凝固的阳极板四周起毛边。单圆盘采用周边驱动，配有两台电子秤，同步浇铸两块阳极板，因此在电子秤浇铸间隙时间需要转动两个模位，位于圆盘外沿的模具每次行走的距离较长。为控制较短的浇铸间隙时间，圆盘启动加速和制动停止较为急促，导致尚未凝固的阳极铜熔体在模具内来回晃荡，凝固后阳极板的耳部及两侧出现明显的卷边［3］。

（3）水槽链条出现卡板故障影响浇铸顺行。水槽内的链式运输机用于承接提取装置从圆盘的模具内提出的阳极板，在阳极板被快速冷却的同时，将其逐步输送到水槽尾部，并分成垛。然后由水槽尾部的堆垛顶升机构将成垛的阳极板顶起，再由叉车叉走。当偶尔出现提取装置夹取偏差或阳极板耳部不完整的情况时，就会引发阳极板掉入水槽卡住链条的故障，即使只掉入一块阳极板也会导致单个圆盘的浇铸暂停［4］。

（4）电子秤备件昂贵、结构复杂、维修困难。目前国内铜冶炼厂在用的定量浇铸电子秤几乎被国外公司所垄断，备件采购价格昂贵，单台秤成本近百万元。进口电子秤内部结构复杂且安装精度非常高，厂家基本无售后服务，现场维修困难。有时甚至故障原因都无法明确，只能整体更换，增加了工厂的运行维护费用［5］。

3 新一代圆盘浇铸机的研制

为了避免国外企业的行业垄断，贵冶在学习消化国内外先进技术的基础上，自主研发了新一代无液压圆盘浇铸机。该浇铸机具有以下几大创新点。

（1）采用伺服电动缸替代液压油缸。圆盘浇铸机中的液压油缸全部采用伺服电动缸替代。伺服电动缸是将伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品，将伺服电机的旋转运动转换成直线运动［6］，见图1。

图1 伺服电动缸结构示意图

伺服电动缸包括行星滚柱丝杠和带动行星滚柱丝杠运转的伺服电机，伺服电机通过控制电缆与变频器连接，变频器与圆盘浇铸机PLC控制系统连接。行星滚柱丝杠上安装有位置传感器，可将位置信号通过变频控制器反馈给PLC控制系统。便于控制系统实时接收电动缸的位置信息，不再需要外接限位开关，控制方便的同时，集成度也更高，减少了故障点。

伺服电动缸具有以下多方面优点：能通过精确的转数控制实现推进距离的精准控制；能通过精确的转速控制实现推进速度的精准控制；能通过精确扭矩控制实现推进力度的精准控制；从而实现高精度直线运动。同时伺服电动缸还具有节能环保的优点。

（2）采用中心驱动双18模圆盘。双18模圆盘主体结构由圆盘框架、驱动电机、回转支撑、中心轴承组成，见图2。

图2 双18模圆盘主体结构示意图

两台驱动圆盘旋转的伺服电机安装于圆盘中心回转支撑内，其中一个电机称为“主电机”，另一个叫“副电机”。当圆盘静止时，副电机轻微地向反方向推，主电机保持不动。这样减速机、小齿轮和矢圈的背隙被消除了。圆盘被“锁”在它的位置上，当圆盘开始转动时，两台电机同时开始缓慢加速，推动圆盘转动。圆盘驱动系统采用了目前最先进的现代伺服驱动技术和伺服电机，系统可控制交流伺服电机提供从0到最高的转速及从最高到0的转速的整个扭矩。可实现圆盘的平稳加速和缓慢减速，从而有效避免模具内液态铜水的晃动。

（3）采用无链条的拉板运输机。拉板运输机横跨在水槽上方，两边的导轮落在水槽两侧的专用导轨上，由两侧的电动缸共同驱动其在水槽头部和尾部之间来回运行。与传统链式运输机不同,水槽中悬挂阳极板的导轨上没有链条由拉板运输机拉动阳极板在导轨上分段接力式向尾部滑行，当水槽尾部的阳极板累积至一定块数时，由叉车叉走。悬挂阳极板的导轨带有向上的坡度，阳极板在向尾部滑行的过程中逐渐升高，到达尾部时阳极板的耳部超出水槽边框的高度，以便于叉车的叉运。

拉板运输机兼具有传统水槽链式运输机和堆垛顶升装置的功能，将水槽简化为一个内部无任何机械部件的矩形容器。其在生产中具有以下优点：当少数几块阳极板掉入水槽内时，并不会影响浇铸的正常运行。拉板机在冷却水的液面之上运行，运行状况清晰可见。水槽底部宽阔、平坦，便于清理底部沉积的铜屑。

（4）开发滑移式浇铸电子秤。贵冶联合国内衡器厂家开发了一款新型滑移式电子秤。滑移式电子秤由称重传感器、称重机构、滑移机构和电子单元等部件组成。与进口电子秤复杂的拉杆结构连接单个重量传感器不同，滑移电子秤称重机构采用4个重量传感器均布在称重框架上，四个传感器呈正方形分布，受力均匀。精准调整四个传感器处于同一水平，可确保称量结果准确。滑移机构整体安装在称重机构上，其上方安放浇铸包，在浇铸包随滑移机构持续向后滑移的过程中完成浇铸动作。

自主开发的滑移式电子秤打破了国外公司的垄断，备件采购价格仅为进口电子秤的1/5。对比传统垂直油缸倾斜方式，滑移式电子秤具有以下优势：①浇铸包在浇铸时的滑移运动将铜水在模具内的落点由固定的一条浇铸线拓展为一块浇铸面，热负荷分散至模具内较大的区域，利于提高模具寿命。②浇铸包嘴与模具的落差较小，浇铸时铜水飞溅小，可减少阳极板周边的飞边毛刺。③通过水平运动来预防称重核心垂直方向震动，可以快速精准的读取重量数据，所浇铸阳极板单重的精准度更高。

4 生产中出现的问题与改进措施

贵冶利用一系统年修的机会实施改造，将原有28模圆盘全部拆除，建设一台新研制的双18模圆盘浇铸机，进行升级换代。新的圆盘浇铸机在生产初期也遇到了以下问题。

（1）拉板运输机两侧电动缸故障率高。拉板运输机由两侧的两台电动缸共同驱动，在生产中容易出现两侧电动缸受力不均或单侧电动缸故障卡阻的问题；当一侧电动缸出现问题时，不仅会造成浇铸暂停，还可能引发两台电动缸同时损坏的设备事故。

改进措施：采用一台驱动力为5吨的电动缸居中安装，取代水槽两侧驱动力为3吨的两台电动缸。杜绝了两台电动缸受力不均导致单侧卡阻的问题。

（2）顶起装置的驱动电动缸故障率高。位于水槽头部提取机正下方的阳极板顶起装置的驱动电动缸，不仅要应对高温的炙烤，同时受到冷却水槽溢流出来的循环冷却水的侵蚀，工况特别恶劣，因而故障率较高。

改进措施：采用一台大缸径、短行程的气缸，安装在阳极板模具顶杆的正下方，取代由电动缸驱动的顶起装置。气缸结构简单、无电气元件，作为动力的压缩空气还自带降温功能；因此能适应此处的恶劣工况，大大降低了该部件的故障率。

（3）电子秤驱动电机皮带易老化。滑移式电子秤的滑移机构通过传动带与驱动电机相连。电子秤处于浇铸包下方的高温环境中，传动带极易老化，需要频繁的进行检查与更换。

改进措施：将滑移机构的传动方式改进为齿轮传动，彻底解决了此问题。

5 成功应用产生的效益

自主研制的无液压圆盘浇铸机在贵冶一系统阳极炉成功应用，从根本上杜绝了液压油泄漏污染水体的环保风险，同时取得了以下效益。

（1）浇铸工序能耗下降。无液压双18模圆盘浇铸机的浇铸速度可达106 t/h。按炉浇铸阳极板350 t计算，每炉铜的浇铸时间由M28模圆盘的4.5h缩短至3.5h。圆盘浇铸机及其辅助的浇铸循环水系统运转时间均得以缩短，减少了电能消耗。

无液压双18模圆盘浇铸机与液压驱动的圆盘浇铸机相比，不需要大功率液压泵持续运转来维持系统压力。每个电动缸独立驱动，间歇性动作，只有在动作时其对应的驱动电机才需要运转，而且浇铸机所有伺服电机的功率总和也远低于单台液压泵的功率。单炉铜的浇铸电耗下降逾千kW·h，见表1，取得了显著的节能效益。

表1 圆盘浇铸机能耗对比

（2）阳极板品质提升。无液压双18模圆盘浇铸机采用中心驱动，运转平稳，滑移电子秤浇铸包嘴与模具的落差较小，均有利于阳极板质量的控制，具体生产实绩见表2。

表2 阳极板月均合格率对比

（3）运行维护成本降低。通过前文所述几项改进措施的实施，以及一段时间的人机磨合后，无液压圆盘浇铸机运行稳定，故障率更低。无液压圆盘浇铸机的电子秤等关键备件实现国产化，不再受制于人。国产备件与进口备件相比，不仅采购价格大幅降低、采购周期缩短，还能得到设备厂家的应急服务保障。无液压浇铸机，完全免了去液压油消耗成本。上述三方面的改善，均不同程度的为工厂节约了运行维护成本。

6 结束语

贵冶自主研制的新一代无液压圆盘浇铸机，自动化程度高、故障率低，节能环保。打破了国外企业的行业垄断，降低了国内冶炼企业的建设投资以及运行维护成本，为国家铜工业的发展贡献了力量。