剥锌机锌片预剥离影响因素分析

□ 赵晓燕 □ 李恒通 □ 高泽宇 □ 王 凯 □ 姜 勇

1.矿冶科技集团有限公司 北京 100160 2.北矿机电科技有限责任公司 北京 100160

1 分析背景

据不完全统计,我国大小型锌冶炼企业超过350家,只有云南驰宏锌锗、新疆紫金等少数大型企业采用大极板电解和自动剥锌,其余绝大部分采用小极板电解和人工剥锌。目前,国外拥有成熟大极板自动剥锌技术的公司只有保尔沃特、三井、奥图泰。而国内只有几家院所企业对大极板自动剥锌技术进行了深入研究,以矿冶科技集团有限公司研发的智能剥锌机技术最为成熟,2015年完成国内首台套大极板自动剥锌机工业示范应用,各项指标远超进口剥锌机,达到国际领先水平。

阴极板锌片预剥离是机械化剥锌的核心工序。阴极板锌片剥离的难点是阴极板锌片的预开口,只有阴极板上锌片被成功预开口,后续剥离整个锌片才有了基础。

现有技术中,阴极板锌片预剥离包括冲击式预剥离、振动式预剥离和静态铲切式预剥离。

笔者针对以上问题中预剥离锌片开口的影响因素进行分析研究,针对冲击式预开口方式,研究刀具运行速度与刀具分布位置对于剥锌预开口的影响规律,为提高剥锌机预开口进行工艺优化。

2 预剥离整体结构

预剥离设备的结构如图1所示。该设备在阴极板两侧上部边缘均安装有预剥离刀具,由多液压缸控制,多点剥离、异步驱动,通过几把刀的异步驱动,逐步实现预剥离。通过静态铲切的方式对吸附在阴极板上的锌片进行预剥离。该设备主要由机架、两侧的小凿刀组件、中间的斜刃刀组件、举升装置等部分组成。机架起支撑固定作用,由举升装置将传送链上的阴极板举起并固定,由两侧的小凿刀组件和中间的斜刃刀组件先后铲切锌片上边缘,使锌片与阴极板之间产生缝隙,然后由举升装置将已预开口阴极板放回传送链。举升装置举起阴极板的运动由举升油缸驱动,三组剥刀的下剥运动均有剥刀组件的压下油缸驱动,剥刀在下剥前应先由开合油缸驱动其闭合成一定间隙,此间隙由阴极板厚度决定。

3 预剥离动作原理

该预剥离设备是全自动运行的智能设备,图2所示为容易剥离时的控制策略,图3所示为较难剥离时的控制策略。

▲图1 预剥离设备结构▲图2 容易剥离时控制策略

预剥离设备的动作只与链条的运动有关系,而链条运动前要判断预剥离设备的某些传感器信号。

最初的设计时序是:① 链条步进完成;② 举升油缸举起阴极板;③ 三把刀同时闭合;④ 两把小凿刀进刀;⑤ 斜刃刀进刀;⑥ 三把刀同时打开;⑦ 三把刀同时退刀;⑧ 阴极板下降到链条。

后来通过现场使用,发现对于较难剥离的锌片,小凿刀下剥后先打开,产生一个缝隙便于斜刃刀进刀。所以运动时序修改为:① 链条步进完成;② 举升油缸举起阴极板;③ 三把刀同时闭合;④ 两把小凿刀进刀;⑤ 两把小凿刀同时打开;⑥ 斜刃刀进刀;⑦ 斜刃刀打开;⑧ 三把刀同时退刀;⑨ 阴极板下降到链条。

4 智能剥锌机预剥离力学模型

小凿刀剥离锌片的过程,主要是刀刃铲切进入阴极板和锌片之间的粘结部分和刀背对锌片的外掰作用。假定小凿刀以速度v下行,建立的小凿刀力学模型如图4所示。

▲图3 较难剥离时控制策略▲图4 小凿刀力学模型

假定此剥离过程的小凿刀运行速度v恒定,即小凿刀处于平衡状态。在垂直阴极板面和平行于阴极板面的两个参考方向,由力的平衡方程得到:

Fq=Ff1+Fz+Ff2cosα+Fbsinα

(1)

Fbcosα=Fy+Ff2sinα

(2)

Ff1=μFy′

(3)

Fy′=Fy

(4)

由式(1)～式(4)得:

Ff2=(Fbcosα-Fy)/sinα

(5)

Fq=Fz+(μ-cosα/sinα)Fy

+(cos2α/sinα+sinα)Fb

(6)

式中:Fq为驱动力,使小凿刀铲切剥离锌片的动力来源;Fy为阴极板对小凿刀的正压力,与Fy′是一对作用力和反作用力,Fy′由开合油缸提供,使小凿刀压紧阴极板;Fb为劈裂力,即外掰力;Fz为剥离阻力,即小凿刀下剥时破坏锌片和阴极板之间粘结作用时所受的阻力;Ff1为摩擦阻力,即小凿刀与阴极板之间的摩擦力;Ff2为摩擦阻力,即小凿刀与已剥离锌片之间的摩擦力;μ为小凿刀和阴极板之间的滑动摩擦因数;α为刀具角度。

5 预剥离阶段锌片开口影响因素分析

小凿刀预剥离锌片的过程是一个复杂多变的过程,影响成功剥离的因素也很多,有可测因素,也有不可测因素。

如刀具运行速度、刀具分布位置等是可测因素,锌电解工艺导致含氟量的变化从而影响锌片粘结程度,以及阴极板表面变形等都是不可测因素。

5.1 预剥刀具运行速度对锌片开口影响

冲击式预开口工作方式的基本原理是将蓄能器储存的液压能转变为冲击活塞和剥刀的高速运动冲击能,显著加快预开口刀具相对于阴极板的运动速度,充分利用剥刀的惯性力和运动冲量扩展裂隙,起达到锌片预开口的目的。为达到降低能耗同时保证预开口成功率的目标,需要研究预开口刀具运行速度对于剥离预开口的影响,为此利用已建立模型进行分析计算,探索预开口完成时,刀具行程与剥离速度变化规律。相关计算参数见表1。

表1 预剥刀具部分工作参数

取锌片端点垂直于阴极板正面Z方向位移作为预开口完成的参考量如图4,定义锌片端点在Z方向位移大于0.5 mm即认为剥离预开口完成。分析计算五种不同的刀具运行速度下锌片端点在Z方向位移与时间的变化规律,如图5所示。

▲图5 锌片端点处位移与时间变化规律

由图5可以看出,随着刀具运行速度的增加,完成预开口所需的刀具运动时间降低,为了进一步研究刀具移动距离与刀具移动速度的关系,笔者对数值计算得到的数据进行了拟合,如图6所示。

▲图6 刀具移动距离与刀具运行速度关系拟合曲线

线性拟合所得拟合方程为式(7),拟合相关因数R2为0.907。

y=11.116x+ 10.976

(7)

二次拟合所得拟合方程为式(8),拟合相关因数R2为0.983 8。

y=-6.414 4x2+25.3x+5.888 6

(8)

式中:x为刀具运行速度;y为刀具移动距离。

拟合相关因数越接近1,表示拟合效果越好,由此可以看出二次拟合效果更好。

实际剥锌过程中,锌片预剥离的优化既要考虑锌片预开口的成功率,也需要尽量降低预开口所需时间以提高生产效率。一般情况下,提高剥离刀具移动速度可以实现这一目标。由图6可知,随着刀具运行速度的增加,锌片完成预开口时所需的刀具移动距离开始增加,由二次拟合方程计算得刀具运行速度为1.97 m/s左右时,刀具移动距离达到峰值。因此,为保证锌片的预开口,同时考虑到设备的能耗与安全,刀具运行速度的上限值不应超过1.97 m/s。刀具预开口所需移动距离可以通过拟合方程和实际生产中的刀具参数和所需的剥离时间进行优化设计。

5.2 预剥刀具分布位置对锌片开口影响

锌片预开口的效果好坏除了受到预剥刀具运动速度的影响外,对于刀具在锌片横向的分布位置也比较敏感,为探索刀具分布位置对于锌片预剥离开口的影响,利用已建立模型进行分析计算,探索预开口完成时,刀具行程与刀具分布位置的变化规律。预剥刀具相应的试验工况见表2。

分析计算五种不同的刀具分布位置,即刀具与锌片侧边沿的不同距离,即刀具逐渐靠近锌片中轴线。锌片端点垂直于阴极板正面Z方向位移与刀具移动距离的变化规律如图7所示。

表2 刀具预剥离试验工况

▲图7 锌片端点处位移与刀具移动距离变化规律

由图7可以看出,随着刀具与锌片端点处距离的增加,即刀具逐渐靠近锌片中轴线,预开口所需的刀具的运动行程相应增加,为了进一步研究其变化规律,笔者对数值计算得到的数据进行了拟合,如图8所示。

▲图8 刀具移动距离与刀具分布位置关系拟合曲线

线性拟合所得拟合方程为式(9),拟合相关因数R2为0.923 4。

y=0.355 3a-5.765 8

(9)

二次拟合所得拟合方程为式(10),拟合相关因数R2为0.981 7,可以看出二次拟合效果更好。

y=0.002 5a2-0.097 5a+10.079

(10)

式中:a为刀具与锌片边缘的距离。

在实际剥锌过程中,阴极板被竖直吊装在横向链条上,预剥刀具在锌片上端悬挂,由上述分析可知,刀具与锌片侧边沿的距离存有显著影响锌片的预开口成功率。因此锌片预剥离的优化还要考虑预剥刀具的分布位置。随着预剥刀具分布位置变化,刀具越靠近锌片那一侧边沿,那侧锌片越先发生剥离。当只采用一把预剥刀时,则预剥刀应位于锌片中心位置。若采用两把预剥刀时,则两把刀具需对称分布在锌片上边沿四等分处。

6 结束语

笔者介绍了全自动剥锌机冲击式预开口预剥离机的结构和动作原理,并建立分析其力学模型。在积累了相关剥离影响因素研究经验的基础上,研究了刀具运行速度与刀具分布位置对于剥锌预开口的影响规律,并得到结论。

对锌片的预剥离过程进行仿真分析,结果表明在保证锌片完成预开口的前提下,随着预剥刀具剥离速度的增加,预开口所需的刀具运动行程反而降低。随着刀具与锌片端点处距离的增加,即刀具逐渐靠近锌片中轴线。预开口所需的刀具运动行程相应增加。随后对仿真结果进行了曲线拟合,得到了两种变化规律的拟合方程。

同时针对冲击式预开口方式,提出了预剥刀具的运行速度及分布位置优化设计意见,为提高全自动剥锌机预开口工艺设计奠定了理论基础。