铅铸型机用全自动扒渣机的研制

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第３１卷

第９期

２００９－０９

铅铸型机用全自动扒渣机的研制

Development of automatic dross remover for electrolytic lead casting

贺地求，肖 将ＨＥ　Ｄｉ－ｑｉｕ，　ＸＩＡＯ　Ｊｉａｎｇ

（中南大学　现代复杂装备设计与极端制造教育部重点实验室，长沙 ４１００８３）

摘 要：铅锭扒渣机是为实现在电铅冶炼过程中，逐模扒渣工序的自动化而研制的。采用模拟手工的

方式，用曲柄滑块机构翻转捞渣铲的方式扒渣，对扒渣速度和轨迹进行了优化设计，以气－液联动缸作为驱动部件，动作稳定可靠。采用摆杆机构实现对正与同步。用ＰＬＣ实现扒渣过程

的自动控制。在生产应用中取得了良好的效果。

关键词：电铅；扒渣机；自动化；气－液联动缸中图分类号：ＴＦ８０７　

文献标识码：Ａ

文章编号：１００９－０１３４（２００９）０９－０１１８－０４

０ 引言

铅锭扒渣机是电铅生产过程中的辅助设备。铅冶炼系统采用的是烧结——鼓风炉熔炼——电解精炼的工艺流程［１］。精炼铅液由浇注保温箱进入铅模，上面浮着一层氧化物浮渣。为保证铅铸锭的表面质量，长期以来，国内冶炼企业多采用手工逐模扒渣方式除去浮渣［２］。铅属于重金属，且熔沸点较低（熔点３２７．５℃，沸点１７４０℃），浇注现场的铅蒸汽对工人有较大的危害，扒渣作业工人长期近距离接触铅液，金属铅经呼吸道和皮肤进入人体，造成铅中毒职业病。在浇铸生产线上，铅模以工艺要求的速度传送，要保证扒渣效率，工人的劳动强度很大。为解决上述问题，作者为国内某冶炼厂的电铅生产线设计了铅锭扒渣机，它采用了模拟人工手动除渣的方式，实现了扒渣工序的自动化。

１ 扒渣作业应满足的技术要求

铅浇注系统由定量浇注装置和直线铸型机组成，铸型机在电机驱动下由传送链带动铸模匀速前进。扒渣机安装在直线铸型机的一侧，定量浇注装置的对面，如图１所示。其主要技术要求如下［３］　：

１）捞渣机构与铸模准确对正，同步行走。

收稿日期：２００８－１２－１２

作者简介：贺地求（１９６３－），男，湖南娄底人，教授，主要研究方向为冶金设备。２）除渣干净，扒渣死区小。

３）扒渣动作匀速平缓，以免铸模内铅液振荡，在铅锭表面形成波纹和飞边，影响铅锭质量。

４）铅渣捞起后需要及时有效的抖落，以免粘

铲。

图１ 扒渣机布局

设计与应用

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２ 扒渣机的工作过程

扒渣机主要有基座、台车、升降工作台、扒渣机构、同步机构，工作台回转机构、接渣斗等部分组成。如图２所示。

同步摆杆机构的作用是使台车与铸机同步行走。台车承载着工作台，沿导轨在相对基座作往复运动。升降工作台在气缸驱动下可以相对台车上下运动。回转机构的作用是驱动工作台相对台车体转

位。扒渣机构实现捞渣动作。

１．　扒渣机构 ２．　同步摆杆 ３．　工作台回转机构 ４．　台车 ５．　基座

图２ 扒渣机三维模型

扒渣机的一个工作周期如下：首先检测同步摆杆的位置信号，若摆杆已落下（在摆杆限制下台车与铸机取得同步，使捞渣铲正对铸模），则工作台下降，使捞渣铲落到铅水液面以下，进行扒渣动作，之后工作台上升，并旋转９０°，使捞渣铲正对接渣斗，将铅渣抖落。随后工作台反向旋转９０°回原位，台车也快速返回，同步摆杆自动与传送链滚轮脱离，回到初始状态，准备下一个工作循环。

如图３所示。

图３ 扒渣工作周期

３ 扒渣机主要机构

３．１ 摆杆式同步机构

在一个工作周期中，扒渣机构与铸模对正并同步行走是实现自动扒渣的前提。一个工作周期结束时，应保证两者已经完全脱离，回到初始状态。为实现这个目的，设计了如图所示的摆杆式同步机构。摆杆可绕固定在台车上的轴摆动，上有一个三角形

挂钩。如图４所示，摆杆支架固定在台车上，铸模随传送链匀速运动。扒渣周期开始时，摆杆落下（图ａ），扒渣机台车与铸模沿相同方向运动，台车在气缸驱动下快速追上铸机传送链滚轮（图ｂ）。之后因三角挂钩顶靠滚轮而使台车限速，从而与铸型机同步前进。扒渣结束时，台车快速返回，摆杆被滚轮推开（图ｃ），在重力作用下，挂钩落在下一个传送链滚轮上，进入下一个扒渣周期。

综上所述，该机构能够保证台车与铸机传送链的有效同步和分离，使两者在一个扒渣工作周期中

同步运行，周期结束时又可以可靠地分离。

图４ 同步摆杆机构工作原理

３．２ 扒渣机构

该机构是扒渣机的核心部分。设计扒渣机构

时，主要考虑扒渣轨迹的实现，以及运动的平稳性。

根据铅渣的特性，设计了模仿人工扒渣工具的捞渣铲，铲面用１２目不锈钢丝网蒙制。为保证扒渣效率，采用一次扒双模腔的方式，配置两个捞渣铲。

为使钢丝抄网不会搅动铸模的铅液从而影响铅锭质量，要求该机构能够保证抄网的末端在铸模的运动轨迹近似为水平直线，并且运动区间覆盖整个铸模宽度。基于以上考虑，传动部分设计为曲柄滑块机构，使结构紧凑，运动可靠；并在虚拟样机软件ＭＳＣ．ＡＤＡＭＳ中对杆件长度和抄网端点位置等参数进行优化设计，保证捞渣抄网的运动轨迹。扒渣机构及扒渣过程如图５所示。

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图６为在ＡＤＡＭＳ环境下，仿真得到的捞渣抄网末端位移曲线［６］（图中的梯形框为铸模），在工作过程中最大竖直位移波动为４ｍｍ，扒渣轨迹近似水

平。

图６ 捞渣铲位移曲线

落渣过程如图７所示。捞渣动作结束后，工作台上升并转动９０°，使捞渣铲位于接渣斗上方，扒渣机构摇杆快速反向旋转，带动抄网翻转，转到终位时撞击止动螺钉，获得一个较大的冲力，从而将

铅渣有效抖落。

图７ 抖渣过程

考虑到动作的灵敏性以及扒渣机负载和体积较小的特点，以及设计成本的因素，扒渣机构的驱动部分采用了气动系统［５］。最初选用了双作用气缸作为驱动部件。为研究气动系统的运动规律，采用ＨＵＢＡ　５１１型压力传感器测试了气缸两腔压力，用转角电位器测试了摇杆（如图５所示）转速，将传感器测试结果输入研华ＰＣＩ１７１１型数据采集卡进行记录。图８和图９分别为不同工况下的气缸排气腔压力和摇杆角位移曲线（以摇杆转角为扒渣机构的等效构件进行分析）。由于系统采用出口节流调速方式，进气腔的气压在方向阀换向后迅速上升并保持在气源压力。以图８中曲线１（节流阀开口最小，流通面积为０．１ｍｍ２）为例，方向控制阀换向后，排气腔压力由气源压力开始下降，在１．２ｓ时刻气缸两腔压差达到驱动压力，活塞开始运动，至２．７ｓ扒渣动作完毕，排气腔卸荷。在动作过程中有明显的压力波动，摇杆角位移曲线也出现了明显的台阶。究其原因，是由于空气可以压缩，具有储能性质所致。随节流阀开口增大（图９曲线２，３），转角曲线的台阶逐渐不明显，但此时摇杆速度加快，扒渣速度过快，会造成铅液溅出。

为使扒渣速度平稳且足够缓慢，使用气－液联动缸代替双作用气缸，并测试了不同工况下的排气腔压力及摇杆角位移曲线，如图１０和图１１所示。以图１０曲线１（节流阀开口最小）为例，背压的变化比双作用气缸平稳，扒渣过程历时６．５ｓ，摇杆角位移近似为直线。通过调节节流阀的开口，可对扒渣速度进行调节，并能保证接近匀速。

气－液联动缸的优点在于由于油的不可压缩性，背压变化平稳，可以使活塞在运动较慢时下仍保持速度的平稳性；另外，图９与图１１对比可知，在气－液联动缸作用下，

从方向阀换向到活塞启动的准备

１．　捞渣抄网 ２．　摇杆 ３．　铸模

图

５ 扒渣过程

图８ 双作用气缸排气腔压力曲线