王振啟， 楊支海， 呂艷瓊， 趙曉燕

(1.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 福建 上杭 364200；2.云南馳宏鋅鍺股份有限公司 會(huì)澤冶煉分公司， 云南 會(huì)澤 654211；3.北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司， 北京 100160)

0 前言

戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，資源安全也被提升到國(guó)家安全的戰(zhàn)略高度[1-2]。鋅金屬作為重要的戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源，廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍工及高新技術(shù)領(lǐng)域，其供應(yīng)安全具有重要意義[3]。近年來(lái)，我國(guó)有色金屬行業(yè)進(jìn)入轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展階段，“雙碳”戰(zhàn)略實(shí)施為我國(guó)有色冶煉行業(yè)帶來(lái)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[4]。智能制造賦能鋅冶煉行業(yè)，助力行業(yè)向低碳、綠色、智能、安全、高效方向轉(zhuǎn)型發(fā)展，實(shí)現(xiàn)業(yè)態(tài)重構(gòu)是必然選擇[5]。

當(dāng)前，鋅冶煉行業(yè)延續(xù)粗放式發(fā)展，仍面臨作業(yè)以人工為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、裝備落后能耗高、自動(dòng)化程度低、無(wú)組織排放大，環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題[6-8]。雖然國(guó)外已經(jīng)研發(fā)出了自動(dòng)剝鋅裝備，但無(wú)法適應(yīng)國(guó)內(nèi)復(fù)雜的鋅冶煉工藝，對(duì)國(guó)內(nèi)工藝“水土不服”，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化剝鋅，而且價(jià)格昂貴，售后維護(hù)不方便，我國(guó)急需開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)剝鋅裝備[9-10]。目前，國(guó)外擁有成熟大極板自動(dòng)剝鋅機(jī)技術(shù)的公司有保爾沃特(Paul Wurth)、日本三井(MESCO)和西班牙新科銳三家企業(yè)，而國(guó)內(nèi)只有幾家院所企業(yè)正在進(jìn)行大極板自動(dòng)剝鋅機(jī)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司從2010年開(kāi)始對(duì)大極板自動(dòng)剝鋅機(jī)進(jìn)行研究，承擔(dān)了國(guó)家課題《大極板電解與自動(dòng)剝板系統(tǒng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程》，掌握了成熟的大極板自動(dòng)剝鋅機(jī)技術(shù)，并且研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大極板自動(dòng)剝鋅機(jī)生產(chǎn)線，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)超國(guó)外進(jìn)口裝備，產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)鑒定達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。先后在云南馳宏鋅鍺、新疆紫金有色、山東恒邦、金鼎鋅業(yè)等冶煉廠成功應(yīng)用(如圖1所示)，近期研發(fā)出3.6 m2超大極板自動(dòng)剝鋅生產(chǎn)線并出口俄羅斯鋅冶煉廠，大幅提升了鋅冶煉行業(yè)的自動(dòng)化裝備水平，引領(lǐng)自動(dòng)剝鋅機(jī)技術(shù)向大型化、智能化方向發(fā)展。本文基于圖像識(shí)別技術(shù)，國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用到剝鋅生產(chǎn)線的剔補(bǔ)板環(huán)節(jié)，解決了生產(chǎn)過(guò)程中不良板的換取剔補(bǔ)難題，實(shí)現(xiàn)了不良板的自動(dòng)剔補(bǔ)，該產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鑒定達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

圖1 大極板自動(dòng)剝鋅生產(chǎn)線

1 自動(dòng)剝鋅生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)組成與工作原理

BGRIMM-32型自動(dòng)剝鋅生產(chǎn)線(如圖2所示)包括自動(dòng)剝鋅生產(chǎn)線上部剝鋅刷洗設(shè)備、自動(dòng)剝鋅生產(chǎn)線下部接鋅碼垛傳輸設(shè)備、液壓和電氣控制系統(tǒng)三部分。自動(dòng)剝鋅生產(chǎn)線上部剝鋅刷洗設(shè)備由預(yù)剝離設(shè)備、主剝離設(shè)備、陰極板間距調(diào)整設(shè)備、陰極板輸送線、橫向輸送鏈、自動(dòng)踢板設(shè)備、自動(dòng)補(bǔ)板設(shè)備、刷洗設(shè)備組成；自動(dòng)剝鋅生產(chǎn)線下部接鋅碼垛傳輸設(shè)備由溜槽、皮帶輸送機(jī)、碼垛機(jī)、自動(dòng)稱重、自動(dòng)噴碼、鏟裝機(jī)構(gòu)、鋅垛輸送鏈組成；液壓和電氣控制系統(tǒng)由液壓站、閥塊組件、傳動(dòng)柜、控制柜、操作箱、電氣元器件組成。各個(gè)設(shè)備協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)鋅電解過(guò)程自動(dòng)化剝鋅作業(yè)。

圖2 自動(dòng)剝鋅生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)組成圖

新疆紫金有色金屬有限公司建成的年產(chǎn)15萬(wàn)噸鋅電解自動(dòng)剝鋅生產(chǎn)線如圖3所示，在電解車間布置3臺(tái)套自動(dòng)剝鋅刷洗機(jī)組，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)運(yùn)行。

圖3 剝鋅機(jī)組布置圖

自動(dòng)剝鋅生產(chǎn)線的剝離、刷洗、圖像識(shí)別、剔板、補(bǔ)板工作流程，如圖4所示。

圖4 剝鋅系統(tǒng)作業(yè)流程

鋅電解車間的電解槽分為A、B兩個(gè)系列，電解周期為48小時(shí)。以A列電解槽和對(duì)應(yīng)的自動(dòng)剝鋅生產(chǎn)線為例對(duì)剝鋅系統(tǒng)作業(yè)流程進(jìn)行說(shuō)明。首先，自動(dòng)天車通過(guò)專用吊具將電解槽中的帶鋅陰極板吊裝到對(duì)應(yīng)的放板架上(57片)，然后運(yùn)板小車自動(dòng)運(yùn)行至放板架處，抓取19片陰極板，轉(zhuǎn)運(yùn)至偏跨剝鋅區(qū)域，放置在剝鋅鏈條上，檢測(cè)到有陰極板后，剝鋅系統(tǒng)的傳輸鏈條開(kāi)始步進(jìn)輸送陰極板至預(yù)剝離工作，完成預(yù)剝離作業(yè)后將預(yù)開(kāi)口的陰極板放置回鏈條，預(yù)剝離作業(yè)同主剝離作業(yè)并行同步進(jìn)行，通過(guò)陰極板間距調(diào)整裝卸機(jī)構(gòu)將預(yù)開(kāi)口的陰極板放置主剝工位下方，進(jìn)行主剝離作業(yè)，同時(shí)將主剝離后的陰極板放回至陰極輸送鏈條。下一步對(duì)主剝離作業(yè)后的陰極板進(jìn)行圖像識(shí)別，判別檢測(cè)陰極板表面是否剝離干凈。如果判定合格，將繼續(xù)正常傳輸至橫向輸送鏈，然后由掛取板機(jī)構(gòu)將陰極板放回至刷洗線進(jìn)行陰極板刷洗作業(yè)，再由轉(zhuǎn)運(yùn)小車轉(zhuǎn)運(yùn)回放板架，等待天車將剝離刷洗后的陰極板放回至電解槽進(jìn)行循環(huán)電解，如此循環(huán)，完成自動(dòng)剝鋅刷洗作業(yè)。同時(shí)，主剝離后的鋅片經(jīng)過(guò)溜槽由二樓溜到一樓，方向有豎直方向變?yōu)樗竭\(yùn)動(dòng)，依靠自身慣性滑入至傳輸皮帶，通過(guò)皮帶輸送至碼垛機(jī)，然后進(jìn)行碼垛，碼垛完成傳輸至自動(dòng)稱重工位稱重，再傳輸至鏟裝工位，等待鏟車轉(zhuǎn)載至熔鑄車間熔鑄作業(yè)。如果主剝離作業(yè)后的陰極板經(jīng)圖像識(shí)別系統(tǒng)判斷為不合格陰極板，就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)剔板和補(bǔ)板作業(yè)。主剝離后的陰極板由剔板小車將不合格陰極板剔除至剔板鏈條上，同時(shí)補(bǔ)板小車會(huì)將補(bǔ)板鏈條上合格的陰極板回補(bǔ)到橫向輸送鏈上，確保不空板連續(xù)自動(dòng)化運(yùn)行，避免了人工干預(yù)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)剝鋅生產(chǎn)線的高效安全運(yùn)行。

2 剝鋅機(jī)自動(dòng)剔補(bǔ)板機(jī)構(gòu)工作原理分析

剔板機(jī)構(gòu)用于將剝鋅傳輸鏈上的合格陰極板，掛到橫向鏈設(shè)備的掛勾上，為陰極板橫向轉(zhuǎn)移奠定基礎(chǔ)；或?qū)⒉涣及逄蕹教薨彐溕希瑢?shí)現(xiàn)對(duì)不良板的剔除操作。補(bǔ)板機(jī)構(gòu)用于將橫向鏈設(shè)備掛勾上的陰極板取下并放到刷洗傳輸鏈設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)陰極板通過(guò)傳輸鏈向刷洗機(jī)的傳輸；或?qū)⒑细耜帢O板從補(bǔ)板鏈補(bǔ)充到刷洗傳輸鏈設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)對(duì)合格陰極板的補(bǔ)板操作。

剔板機(jī)構(gòu)與補(bǔ)板機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同，僅是設(shè)備運(yùn)行方向不同，下面以剔板機(jī)構(gòu)為例說(shuō)明裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理。

2.1 自動(dòng)剔板機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成

剔板機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。剔板機(jī)構(gòu)主要由設(shè)備底座、升降裝置、升降和水平油缸、小車底盤、導(dǎo)向裝置組成。其中設(shè)備底座與廠方土建預(yù)埋件固定連接，小車底盤下方設(shè)計(jì)由4個(gè)滾輪，可以在設(shè)備底座上表面的V型導(dǎo)軌上前后移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水平方向的運(yùn)行。豎直方向經(jīng)升降裝置實(shí)現(xiàn)，通過(guò)導(dǎo)向筒導(dǎo)向，油缸伸縮實(shí)現(xiàn)豎直方向的運(yùn)行，水平方向和豎直方向移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力均通過(guò)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)油缸實(shí)現(xiàn)。升降裝置的上部設(shè)計(jì)有兩個(gè)舉升叉板，叉取陰極板上部導(dǎo)電梁的兩端，然后配合剔板機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)和升降裝置的上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)陰極板的掛板作業(yè)或自動(dòng)剔板功能。

圖5 自動(dòng)剔板機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖

剔板機(jī)構(gòu)上傳感器安裝圖如圖6所示，設(shè)計(jì)有6個(gè)感應(yīng)條和6個(gè)接近開(kāi)關(guān)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行。

圖6 剔板機(jī)構(gòu)傳感器安裝圖

2.2 自動(dòng)剔板機(jī)構(gòu)工作過(guò)程與原理

剔板機(jī)構(gòu)的作用是將剝鋅傳輸鏈設(shè)備上的不良板剔除到剔板鏈上，實(shí)現(xiàn)對(duì)不良板的自動(dòng)剔除操作。

(1)初始位置

剔板機(jī)構(gòu)處在初始位置情況如圖7所示。小車底盤?？吭谔薨鍣C(jī)構(gòu)的左端位置處，升降裝置處在下落底部位置，延長(zhǎng)縱向鏈右端接近開(kāi)關(guān)1上有陰極板，接近開(kāi)關(guān)1有信號(hào)，該陰極板在叉板叉口的正上方；剔板鏈鏈輪軸正上方的鏈條齒槽處已空出位置，該處接近開(kāi)關(guān)2無(wú)信號(hào)，可以接收陰極板；橫向鏈設(shè)備掛板工位光電開(kāi)關(guān)無(wú)信號(hào)，橫向鏈設(shè)備掛板工位的掛鉤上沒(méi)有陰極板。剔板作業(yè)過(guò)程首先是舉升陰極板，然后水平移動(dòng)陰極板，再下放陰極板，最后回到初始位置。

圖7 自動(dòng)剔板機(jī)構(gòu)處在初始位置

(2)剔板機(jī)構(gòu)舉升作業(yè)

檢測(cè)到舉升信號(hào)，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)升降油缸使升降裝置上升，直至升降裝置的中間位置，叉板上升后叉口舉起延長(zhǎng)縱向鏈上最右側(cè)的陰極板，剔板機(jī)構(gòu)處在中位舉升位置如圖8所示。此時(shí)陰極板已經(jīng)脫離開(kāi)鏈條，可以進(jìn)行水平方向移動(dòng)。

圖8 剔板機(jī)構(gòu)處在舉升位置

(3)剔板機(jī)構(gòu)水平移動(dòng)作業(yè)

檢測(cè)到水平移動(dòng)信號(hào)，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)水平牽引油缸使小車底盤向右移動(dòng)，運(yùn)行至水平方向的右端位置，如圖9所示。此時(shí)小車舉升叉板的叉口將陰極板移動(dòng)到剔板鏈接近開(kāi)關(guān)2的正上方，為剔板做好準(zhǔn)備。

圖9 剔板機(jī)構(gòu)處在水平移動(dòng)的右端位置

在剔板小車水平移動(dòng)陰極板后，剝鋅傳輸鏈向右傳送一步(180 mm)陰極板，接近開(kāi)關(guān)1有信號(hào)，為剔板小車下一次剔板做好準(zhǔn)備。

(4)剔板機(jī)構(gòu)下放作業(yè)

檢測(cè)到下降信號(hào)，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)升降油缸使升降裝置降至最低位置，叉口承載的陰極板就被放置在剔板鏈的鏈條上，如圖10所示。此時(shí)接近開(kāi)關(guān)2檢測(cè)到陰極板，剔板鏈向前進(jìn)一步，空出接近開(kāi)關(guān)2上方位置，為下次接收剔出的陰極板做好準(zhǔn)備。

圖10 剔板機(jī)構(gòu)處在下降位置

(5)回歸初始位置

檢測(cè)到水平移動(dòng)信號(hào)，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)水平油缸使小車底盤向左運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行至左端位置。此時(shí)剝鋅傳輸鏈也完成向右一倍間距的移動(dòng)，將陰極板移動(dòng)到叉板叉口的正上方，此時(shí)接近開(kāi)關(guān)1有信號(hào)，為下次掛板(剔板)小車剔板做好準(zhǔn)備。掛板(剔板)小車回到左端初始位置如圖11所示，掛板(剔板)小車經(jīng)過(guò)上述移動(dòng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)陰極板從剝鋅傳輸鏈到剔板鏈的剔板作業(yè)。

圖11 剔板機(jī)構(gòu)左側(cè)初始位置

對(duì)于設(shè)置在刷洗線的補(bǔ)板機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其與設(shè)置在剝鋅線的剔板機(jī)構(gòu)工作原理相同，只是補(bǔ)板機(jī)構(gòu)的運(yùn)行方向與剔板機(jī)構(gòu)的運(yùn)行方向正好相反。通過(guò)補(bǔ)板機(jī)構(gòu)的反向移動(dòng)過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)從補(bǔ)板鏈到刷洗傳輸鏈的補(bǔ)板操作。

3 自動(dòng)剔補(bǔ)板機(jī)構(gòu)液壓工作原理分析

剔板機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)用來(lái)對(duì)剔板機(jī)構(gòu)的小車底盤和升降裝置的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)陰極板移載動(dòng)作的平穩(wěn)和快速。剔板機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)與間距調(diào)整設(shè)備的液壓系統(tǒng)基本相同，不同之處僅為油缸行程不同，其工作原理是相同的，而補(bǔ)板機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)與剔板機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)完全相同，如圖12所示。

圖12 剔補(bǔ)板機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)

4 應(yīng)用實(shí)例

目前，北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司研制的帶有圖像識(shí)別系統(tǒng)的大極板智能剝鋅生產(chǎn)線及自動(dòng)剔補(bǔ)板機(jī)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外鋅冶煉企業(yè)得到成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了剝鋅刷洗生產(chǎn)線的自動(dòng)化、智能化及無(wú)人化。比如新疆紫金有色金屬有限公司、云南馳宏鋅鍺會(huì)澤冶煉分公司等企業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖如圖13所示。

圖13 新一代大極板自動(dòng)剝鋅機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖

5 結(jié)論

(1)針對(duì)國(guó)內(nèi)外鋅冶煉行業(yè)現(xiàn)狀及存在的弊端，北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司研制了全新一代大極板自動(dòng)剝鋅機(jī)組，由機(jī)械剝鋅替代人工剝鋅機(jī)，實(shí)現(xiàn)了剝鋅的自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化。

(2)研究介紹了全新一代大極板自動(dòng)剝鋅機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

(3)針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中不良板換取勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、安全性低等弊端，國(guó)內(nèi)外首次提出了一種全新的大極板剝鋅機(jī)自動(dòng)剔補(bǔ)板機(jī)構(gòu)，并對(duì)其工作過(guò)程和液壓控制原理進(jìn)行分析，為智能剝鋅技術(shù)發(fā)展提供理論參考和技術(shù)支持。

(4)該技術(shù)在國(guó)內(nèi)知名企業(yè)得到廣泛應(yīng)用，工業(yè)應(yīng)用效果遠(yuǎn)超進(jìn)口設(shè)備及國(guó)內(nèi)同行，經(jīng)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鑒定，技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。