阳极铜浇铸用中间包热风循环烘箱的研制

刘志刚

（江西铜业集团贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

铜火法冶炼需要用中间包和浇铸包将熔融流动的铜水浇铸成具有一定形状、一定重量的阳极板。在中间包和浇铸包内需安装有耐火浇注料，耐火浇注料需要用水搅拌均匀才能安装于中间包和浇铸包的内壁。浇注料含有水分后不能直接用于铜阳极板的浇铸，否则铜水遇水后爆炸。国内常用天然气、木炭等燃料烘烤，其缺点是热利用率非常低，能耗高，烘烤一次成本超过1000元。

用天然气烘烤采用天然气简易烘烤枪。现场环境较差，且需要来回移动，烘烤枪的软管经常出现破损、开裂现象，存在泄漏的天然气的安全隐患。使用天然气烘烤时需要人工调整天然气和压缩空气阀门的开度，难以确保天然气和压缩风达到最佳混合比例，导致燃烧效率较低。烘烤过程中包子上方只覆盖了一层铁皮，大量火焰外溢导致热损耗大，存在能源浪费现象。

为了解决燃料烘烤带了问题，为此研发了一种用于烘烤中间包和浇铸包的烘箱。如何提高烘烤的热利用率，加速浇注料的水分蒸发，达到节能降耗的目的，同时提升加热器使用寿命，是中间包烘箱的技术关键。

1 中间包烘箱的技术分析

热风循环烘包箱是针对圆盘浇铸机中间包、浇铸包、钢模的烘烤而研制的一款加热、烘干、除湿设备。采用台车式进出工件方式，适合于中间包、浇铸包、钢模、活动溜槽自动进出。浇铸包与中间包烘干过程中，先钢件吸热而预热、接着浇注料表面预干燥、浇注料内部最后干燥的加热干燥工艺过程，直接影响浇铸包和中间包干燥的质量，均匀的热风循环干燥方式，确保耐火浇注料的均匀干燥，避免了浇铸包和中间包浇注料的开裂。

国内某特大型铜冶炼厂有全自动浇铸机4套，年浇铸阳极铜近百万吨，对解决中间包和浇铸包烘烤难题极其迫切，因而该厂适宜研发热风循环中间包烘箱。

1.1 烘箱工艺流程

该设备利用水份在100℃以上可汽化的特性，将浇铸包、中间包、模子及活动溜槽通过平移车装入炉膛进行加热，通过热风循环风机将加热管表面的热量吹送至工件，使工件上的水份在高温下挥发，同时再将蒸发的水汽带着，热风的流动加速了水汽的蒸发。再通过烘箱顶部的八个排气孔将水蒸气排出烘箱外。达到对工件的烘干作用。该设备较传统天然气烘烤方式可降低操作人员的工作量、安全、低碳排放及较有明显的节能效果。

目前，在铜冶炼行业浇铸包和中间包的烘烤，逐步被推广开，技术较成熟，得到了行业的认可。其工艺流程为：人工按下开启炉门按钮→炉门开启→台车自动开出→行车或叉车摆放浇铸包和中间包→人工按下小车退回按钮→小车退回→炉门关闭→8台热风循环风机开启→加热器开启→智能温控器按触摸屏升温曲线加温→按升温曲线保温→按设定时间停止加温→关闭循环风机→烘烤结束。

为了降低能耗，人工砌筑好的浇铸包和中间包先放置24小时以后，水分自然晾干部分水分，避免耐火材料水分过高延长了烘烤时间，增加了电能消耗。

1.2 主要优缺点

该烘箱采用PLC程序自动控制，整套设备从炉门关闭，到升温，再到热风循环，到保温，直到烘烤结束都为自动控制，无需人员中间参与操作。该设备易操作，仅需将中间包和浇铸包摆放在台车上1-2人操作即可

该热风循环中间包烘箱具有良好的温度均匀性、灵活的送风方式、节能效果优、美观的外表等优点。目前属于国内浇铸包和中间包烘烤的首选设备。该烘烤箱还可以烘烤活动溜槽、可以烘烤浇铸用钢模或者铜模。具有独特设计的强鼓风循环系统确保了温度的稳定性，触摸屏显示，直观醒目，设有可靠性保护装置。

该烘箱实用性较强，但存在前期投资成本较高（通常投资费用在30-40万之间），设备占地面积较大等缺点。

1.3 节能与环保分析

液化气或其他燃料烘烤其热效利用率不足30%，造成燃料消耗大，成本高；用传统液化气烘烤，每炉次烘烤液化气需70Nm3左右，纯液化气比重为2.5kg/Nm3，单价6300元/吨[1]。单炉烘烤成本70×2.5×6300÷1000=1100元。

烘烤箱升温设置为300摄氏度，4小时自动关机。升温时间1.2小时左右，再恒温烘烤2.8小时。

（1）加热器升温时间1.2小时全功率输出电能消耗：160千瓦×1.2小时（加热器）=192千瓦时

（2）恒温时间约50%功率输出电能消耗：160千瓦×2.8小时×40%=179.2千瓦时

（3）循环风机电能消耗：1.1千瓦×8(台)×4小时=35.2千瓦时

总耗电量=a+b+c=192千瓦时+179.2千瓦时+35.2千瓦时=406.4千瓦时

电费=406.4千瓦时×0.7元/千瓦时=284元

阳极炉炉后浇铸作业时需1个中间包和2个浇铸包[2]，该烘箱烘干一次中间包和一次浇铸包共需电费不足300元，比液化气烘烤节约能源消耗成本低800元。加热过程只产生水蒸气，不产生任何污染物，有利于清洁生产。

包子的每个部位受热均匀，浇注料不易开裂。

2 烘箱技术装备的集成

台车热风循环中间包烘箱是利用不锈钢翘片电加热管加热使浇铸包和中间包干燥脱水的设备。由箱体、电热系统、电动台车、电动炉门、和自动控温系统五部分组成。

图1 热风循环中间包烘箱结构示意图

加热腔的内腔尺寸规格2900×4500×1200（宽×深×高），保温层厚度180，内腔为不锈钢板制作；加热管40根，单根加热管功率为4千瓦，加热总功率160千瓦，加热管未带翘片式不锈钢加热管，加热单位分为独立控制的四个区，每个区加热功率均分为40千瓦；输送台车1台，牵引功率2.2千瓦，台车尺寸2900×4500，承载7吨；炉门1个，前开上拉打开方式，炉门开启靠卷扬电机，钢丝绳牵引，关闭靠自重下滑；热风循环风机8台，风机功率1.1千瓦；PLC 1套、触摸屏电控系统1套，采用国产可编程控制器和触摸屏。

2.1 烘箱箱体

烘箱箱体为框架结构，采用槽钢制作成的框架。加热腔采用304不锈钢板制成，并在制作时考虑足够的强度及热胀冷缩系数。烘箱外壳采用冷轧板制作，外表喷漆，中间充填超细硅酸铝棉保温。

为了便于运输，将烘箱箱体制作成独立的两段，安装时再将两段拼接成一个完成的箱体。

2.2 加热系统

该烘箱顶部安装有八台热风循环高温风机，每两个风机构成与两片加热管束构成一个加热区。采用由循环风机吸取工作室内高温空气，吸入风道内，经过发热元件，加热空气后将热空气从烘箱顶部风道风口吹出，吹向正在烘烤的包子中，同包子浇筑料进行热交换后，吸入顶部吸风口吸入风道，然后再次循环，构成一个强制对流热风循环。如此反复工作，使得工作室温度升高。此设备构造和热风循环原理，确保了烘箱内各区域的温度均匀性，排除了低温死角及盲区。

加热室设置在箱体炉膛两侧风道内，电热管垂直安装，台车底部不配加热管。选用U型不锈钢翅片式管状电热器，加热元件主功率为160千瓦。分4组加热控制，每组加热单元和2台对向安装的风机构成一个独立的加热和热风循环单位。热风循环，提升了加热器表面散热效果，加热元件寿命可达3万小时。

加热主控制系统采用大功率智能温控器，温控器为可控硅组合单元。烘箱的升温速度每分钟：4℃～5℃，一个小时后能达到预设温度。

2.3 电动台车

输送台车整体采用12#槽钢框架焊接而成，台面铺设10mm厚度的钢板及底部铺设钢板，中间填充高密度硅酸铝棉保温及矿棉保温板。底部装有3对车轮，减小车轮及导轨的表面压强，以确保其承载能力和行走的平衡性。

台车装有驱动装置，驱动电机2.2千瓦。小车传动方式采用链轮与链条传送，小车安装于车头部，远离高温区。并在台车的两端装有限位开关，牵引电机为带抱闸的电机，以保证台车的准确定位，并对电机及炉体的保护。

2.4 电动炉门

炉门采用升降式，通过一台电动葫芦牵引，而启闭，在炉门降至最低部位后有横向运动功能，保证了密封件不受炉门上下运动与门面摩擦。同时炉门下降到最低位时，炉门自带的自动压紧装置，将炉门紧紧推向箱体，炉门和箱体接触的部分安装有密封条，防止炉门与箱体间隙大而造成热量损失，增加电耗。电动葫芦有抱闸刹车，在断电时，可以保护炉门不下滑，较气缸启闭更安全，可靠。

2.5 PLC电气控制系统

为实现整条生产线的自动化控制，构建了一个以PLC为核心的控制系统。进出料、炉门开关、风机启停动作采用PLC与触摸屏进行数据通讯，通过触摸屏同时对温度和动作进行自动控制，一键启动，自动化控制。触摸屏设计了参数设置、运行监控和报警显示界面，可实现整个烘箱的连锁运行和在线监控。PLC与触摸屏采用串行通信方式通信，硬件上通过通讯电缆把触摸屏与PLC连接起来。

整个控制系统的结构采用二层架构，第一层为现场数据采集传感器和智能温度调节模块、通信模块；第二层为触摸屏与PLC控制系统，通过现场总线监控与控制单元通讯，具体物理结构图，图2，如下。

图2 硬件系统框架图

3 烘箱温控技术

中间包烘箱控制系统属于工艺流程的控制，温控技术是其技术核心。通过PLC和温控器组成了一套烘箱控制系统，按照浇铸包和中间包的具体工艺要求实施控温，需随水分的蒸发情况而变，要求升温曲线的编辑、显示必须直观、简单。

触摸屏程序上可以编制多种升温曲线，下装到智能温控器，直接控制中间包烘箱的加温、保温和停机，自动化程度高。同时触摸屏可以实时记录烘箱的温度变化曲线，并可查询历史温度曲线，可靠性高，性能稳定，抗干扰能力强，维护简单。

3.1 PID智能温控程序设计

烘箱的加温控制由智能温控器控制，智能温控器执行触摸屏的参数设置。该智能温控器具有智能PID控制算法，拥有自调整功能，可根据设置的升温曲线（可设置50段）分别设定升温速度、保温温度和降温速度，温度控制的自动调节控制，并可显示理论值和实测值。

采用高精度具有PID自动演算功能的温控器，配用K型感温线[3]。智能温控器采用可控硅电力相位调功器控制输出，根据温度的自动调整输出功率，无触点连续调节，自动完成烘干工艺全过程，能满足任何固化曲线的要求，使得温度控制更稳定。加温控制的参数设置界面分五个功能区域：PID参数、定值调试、限幅保护、手动调试、开炉温度。

3.2 升温曲线的程序设计

触摸屏可以编辑加温曲线。加温曲线编辑完，可以通过曲线图显示，智能温控器将执行该加温曲线。程序设计了已运行时间的监视和按当前工艺进行加热所用的时间。工艺下载界面如图3所示。

图3 工艺下载画面

4 结语

近年来，随着铜冶炼行业的绿色发展理念的深入人心，实现节能降耗，就是要共同抵制、拒绝高能耗生产，并提升冶炼装备水平，成为永不松懈的追求目标。也是当前新常态下经济下行压力大，铜冶炼行业需要大力推进节能减排，努力建设资源节约型、环境友好型企业，实现经济效益和生态效益的有机统一。新型的节能降耗的冶炼装备得到了铜行业的认可和快速推广。