1 改造背景

贫化电炉冰铜流槽系统是贵溪冶炼厂80年代初从日本全套引进的闪速炼铜工艺中的重要设备之一, 原系统由一个包子箱、一台行走于包子箱顶部的电动台车、两条7.5m长的冰铜流槽及其他附属设备组成。自1985年投入使用以来, 这套系统运行良好。但是, 随着该厂生产能力的大幅度提高, 这套系统已明显不能适应该厂生产发展的要求。其主要表现为流槽过长导致烟气量大、冰铜粘附率高、石墨消耗量大以及流槽的维修作业强度大。

20世纪90年代初期, 世界上一些主要炼铜企业如芬兰的奥托昆普厂已先后成功地完成了对贫化电炉冰铜流槽系统的改造, 改造后的冰铜流槽系统在节能、环保和劳动生产率等方面均成效显著。而这在我国同行业内尚无先例。

旨在充分利用该厂现有设备生产能力进行挖潜改造的“贵溪冶炼厂二期工程”上马后, 贫化电炉冰铜流槽系统的改造被提上议事日程。为了跟踪国际先进水平, 提高市场竞争能力, 该厂决定抓住“二期工程”这个契机, 依靠该厂自身的技术力量进行贫化电炉冰铜流槽系统的改造。

2 改造方案

改造前的贫化电炉冰铜流槽系统如图 1所示。贫化电炉冰铜由电炉的二个放铜口分别经二条冰铜流槽流入包子箱内的包子里, 装满冰铜后, 遮盖于包子箱上面的电动台车移开, 由65t行车将冰铜包吊送到转炉。放铜期间, 烟道系统始终工作着, 将包子箱内的烟气抽走, 从而防止烟气扩散污染环境。

贫化电炉冰铜流槽系统与闪速炉冰铜流槽系统在结构性能和总体配置有极大的相似性, 因此, 根据1994年成功改造闪速炉冰铜流槽系统的经验, 结合贫化电炉生产现场的实际状况, 将7.5m长的冰铜流槽缩短为3.1m长, 其与水平面的倾角由原来的7°25'改为12°; 将包子箱相应地向贫化电炉平移4.55m, 这将降低冰铜流槽的损耗和流槽上冰铜的粘附率、提高能源的利用率和改善作业环境。同时, 为适应冰铜流槽的这一改变, 在标高为-3m的基础上设置一台可往返于改变后冰铜包的冰铜装入位置与原起吊位置的冰铜包小车。

南昌有色冶金设计研究院在贫化电炉扩容改造方案中设置了a、b、c、d共4个放铜口, 考虑到现场的空间限制和贫化电炉冰铜口的实际压力及流量, 经与南昌有色冶金设计研究院反复探讨和多方论证, 一致同意去除原设计中的c放铜口, 并将冰铜口b、d西移620mm, 同时将其相应的冰铜流槽弯曲角度修改为9. 91°(见图 2)。

在确定冰铜包运输小车的传动方式时, 重点参考了闪速炉冰铜流槽系统改造所采用的钢丝绳传动方式。生产实践表明, 这种传动方式虽具有成本低廉、维修简便的特点, 但钢丝绳容易被外泄冰铜烧断而影响生产, 因此, 这次改造必须重新设计一种性能更稳妥可靠的传动方式以满足生产的要求。

根据该厂长期以来的生产经验, 结合贫化电炉生产作业现场的实际情况, 设计了链条传动方式(见图 3), 其工作原理为电机经摆线减速机及一级链轮减速后, 由链轮通过链条带动冰铜包子运输小车运行, 将传动链布置在一保护梁下, 以防止外泄冰铜烧坏链条。因小车行程长(5.82m), 故将较长的保护梁一端与小车相连, 另一端安装一滚轮来支撑自身的重量, 以提高保护梁在冰铜包子运输小车运行时的稳定性并确保链传动的可靠性。

此次贫化电炉冰铜流槽系统技术改造的方案见图 3, 改造后的贫化电炉冰铜流槽系统将由冰铜流槽、冰铜包子运输小车、包子箱及电动包子箱门和烟道系统所组成。当贫化电炉放铜时, 65t行车将冰铜包子吊放到冰铜包子运输小车上, 由传动系统将冰铜包子运输小车运送到放冰铜的位置; 包箱门关闭后, 集烟阀打开, 开始放入冰铜; 待冰铜包子装满冰铜后, 电动冰铜包箱门打开; 传动系统将冰铜包子运输小车运送到65t行车的起吊位置, 由65t行车吊走冰铜包了, 从而完成一个工作循环。整个工作循环由电气自动联锁控制。

3 设计计算 3.1 冰铜包子运输小车传动系统电动机选择 3.1.1 冰铜包子运输小车满载运行时的静阻力

静阻力P_j由小车运行摩擦阻力P_m、满载运行时的最大坡度阻力P_P和满载运行时最大风阻力P_f三部分组成。

(1) 小车运行摩擦阻力P_m为:

式中: m-运输小车和载重物总质量, m= 70×10³kg;

K-滚动摩擦系数, K = 0.09cm;

μ-车轮轴承摩擦系数, μ= 0.02;

d-轴承内径, d= 16cm;

D_C-车轮直径, D_C= 60cm;

K_f-附加摩擦阻力系数, K_f= 1.5;

g-重力加速度。

代入上述各值, 则:

(2) 小车满载运行时的最大坡度阻力P_P为:

式中: K_P-水平轨道坡度阻力系数, K_P= 0.001。代入上述值, 则:

(3) 小车满载运行时最大风阻力P_f为:

式中: C-风载体型系数, C= 1.4;

q-计算风压, q= 245Pa;

A-小车迎风面积, A= 14.3m²;

K-充满系数, K = 0.9。

代入上述各值, 则:

因而, 冰铜包子运输小车满载运行时的静阻力为:

3.1.2 电机选择

冰铜包子运输小车满载运行时电机的静功率为:

式中:ν-冰铜包子运输小车满载运行时的速度,初定ν= 0.12m/s;

n-驱动电机个数, n= 1;

η-运行机械总传动效率。

而

式中:η₁-联轴器传动效率, η₁= 0.97;

η₂-减速机传动效率, η₂= 0.90;

η₃-链轮传动效率, η₃= 0.96;

η₄-扭矩限制器传动效率, η₄= 0.90;

η₅-过渡轮传动效率, η₅= 0.90;

η₆-球轴承传动效率, η₆= 0.99。

代入上述各值, 则:

则电机静功率为:

考虑到要将传动系统配置在多尘、通风条件不好的标高为-3.00m的平面上, 为简化传动系统, 确保连续生产的安全与可靠, 选用SEJ112M-4-4电磁制动式电机, 功率为4KW, 同时选用大减速比的BW15-87-4摆线针轮减速机与其配套。

3.2 冰铜包子运输小车的实际运行速度

冰铜包子运输小车的实际运行速度计算式为:

式中: d₀-输出链轮的分度圆直径, d₀= 0.21m;

n-电机额定转速, n= 1 440r/min;

i₁-摆线减速机速比, i₁= 87;

i₂-链轮的减速比, i₂= 1.59。

代入上述各值, 则:

3.3 核算冰铜包子运输小车的起动时间

为避免电机过快起动所造成液态铜水的晃荡和电机起动时间过长所造成电动机的烧毁, 需核算冰铜包子运输小车的起动时间。

电机的平均起动力矩为:

满载运行时电机的静力矩为:

所以电机的起动时间为:

查相关设计资料, 冰铜包子运输小车的起动时为4~ 6s较为适宜。

3.4 核算冰铜包子运输小车平均加速度

小车运输冰铜时要求运行平稳, 其加速度要小些, 以避免起动瞬间所引起的包子中铜水的摇晃, 因此要核算冰铜包子运输小车的平均加速度。

查相关设计手册, 运送液体金属的平均加速度a ≤0. 1~ 0.2m/s²较为适宜。

4 改造效果

贫化电炉冰铜流槽系统第一期改造的工程总价为160万元, 而贫化电炉冰铜流槽系统改造后每年可节约的石墨材料费用及相应的检修费用约40万元, 静态投资回收期仅为4a, 经济效益明显。

两年来的生产实践表明, 改造后的贫化电炉冰铜流槽系统性能稳定、操作简便、故障率极低, 有效地解决了因原有流槽太长所导致的烟气量大、流槽冰铜粘附率高及石墨流槽消耗高等一系列问题, 从而改善了作业环境、降低了能耗和石墨流槽单耗, 使该厂的技术装备能紧跟世界先进水平, 始终处于国内的领先地位, 同时也可为国内同行进行类似的改造提供宝贵的经验。