阳极炉托轮装置的优化与实践

杨 武，陈士超,3，郑 竞，曾伟兵，闫玲娣

（1.中信重工机械股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司，河南 洛阳 471039；3.矿山重型装备国家重点实验室，河南 洛阳 471039；）

阳极炉是将粗铜精炼至阳极铜的大型有色冶炼设备。阳极炉可分为固定式阳极炉和回转式阳极炉两大类。与固定式阳极炉相比，回转式阳极炉具有机械化程度高、人工操作程度低、生产效率高、环境污染少、稳定可靠等优点，已得到业界广泛认可。

本文以江西某冶炼厂生产车间中进口的Φ4.572 m×10.668 m回转式阳极炉为例，分析阳极炉托轮装置运行过程中存在的问题，并提出针对性的解决办法和处理措施。

1 阳极炉结构及工作原理

阳极炉的基本结构由炉体、传动装置、固定端托轮装置、滑动端托轮装置、小齿轮装置、炉口启闭装置、固定端滚圈、滑动端滚圈等部分构成。图1为阳极炉的基本结构简图。

图1 阳极炉基本结构简图

阳极炉铜冶炼基本工作过程：首先传动装置通过小齿轮装置将动力传递给固定端滚圈，固定端滚圈转动再带动位于支撑装置上的筒体转动一定的角度（一般30°左右），打开炉口启闭装置进行进料或倒渣工作，然后传动装置中通过电机反转恢复原位继续进行冶炼工作。

通过阳极炉的精炼过程，可获得纯度达到99.5%的阳极铜，为后续电解得到阴极铜提供优质的原材料。图2为铜冶炼工艺流程图。

图2 铜冶炼工艺流程

2 托轮装置问题分析

在冶炼厂的生产过程中，阳极炉出现的故障主要发生在驱动端托轮装置或者自由端托轮装置上。当出现磨损、疲劳等故障时，需停炉维修，严重影响到日常生产。因此针对托轮装置结构特点，制定了相应的解决方案。

本文所研究的回转式阳极炉在铜冶炼作业过程中，通过将用户大量的统计数据与总结反馈作为依据，并针对用户需求进行研究分析，整理出常见的生产问题如下页表1所示。

表1 阳极炉托轮装置常见的生产问题

本次研究的对象是进口的回转式阳极炉中的托轮装置，其中的托轮与托轮轴是一体式（简称托轮体）。而托轮体是驱动端托轮装置和自由端托轮装置中的重要零件，且为易损件，更换或者维修都需要国外专业人员，维修更换成本非常高。从目前的生产现状来看，客户希望将托轮体国产化，同时希望托轮体可以做成分体式。因此，通过常规检修期间的现场超声波检测，需要找出具体破坏的是托轮还是托轮轴，并提前预购做好备用，从而避免停炉更换的周期过长，以保证日常的生产工作。

3 解决方案

根据用户要求，中信重工将托轮体拆分成托轮和托轮轴两部分进行设计，并通过模拟分析验证方案的可行性和合理性。

3.1 优化依据

本文优化是在原托轮体的基础上进行的。图3为本文作者现场实际测绘得到的托轮体原三维模型。表2为根据用户提出分体式要求后托轮和托轮轴材料需满足的性能指标。

图3 托轮体模型

表2 材料特性

3.2 三维模型简化

根据用户要求，将托轮体拆分为托轮和托轮轴的三维模型如图4、图5所示。为了验证拆分后的托轮装置能否满足使用要求，本文对其进行了有限元模拟分析。由于模型几何的对称性，建立1/4模型即可进行有限元分析计算。因此对模型进行了必要简化，去除小孔、小圆角、小倒角等小特征，简化后的三维模型见图6。

图4 托轮装置装配三维模型

图5 托轮轴三维模型

图6 托轮装置有限元计算模型

3.3 网格划分

托轮装置使用二十节点六面体实体单元进行网格划分，在关键部位对网格进行加密处理。图7为网格划分图，表3为有限元软件和有限元网格细节。

图7 托轮装置网格划分

表3 单元信息

3.4 边界条件

根据阳极炉满载总质量为900 t，托轮装置的受力情况，以及对应的力学关系：Fcos30°＝G/4，F1cos10°＝F/2，其中总重力G＝900000×9.8N，计算得出单个托轮承受来自阳极炉的径向载荷F1＝1 292.800 kN；1/4模型受载荷为F1/4＝323.200 kN。托轮装置受力示意图如图8所示。

图8 托轮装置受力示意图

在轴承位置加载轴承载荷，以模拟轴承的支撑力。考虑托轮与托轮轴的重力，1/4模型的轴承载荷值为327.170 kN。

考虑模型自重的影响，重力加速度取9.8 m/s2。

托轮与托轮轴结合面按照粘合方式进行处理，对称面设置对称约束，边界条件如图9所示。

图9 托轮装置边界条件

3.5 分析结果

托轮轴为主要受力零件，故调出托轮轴的分析数据。图10为托轮轴的变形量分布云图，托轮轴最大变形量为-0.093 mm。

图10 托轮轴变形量分布云图

图11为托轮轴的等效应力分布云图，最大应力值为184 MPa，位于R=3 mm圆角处。R=15 mm圆角处等效应力值为167 MPa。

图11 托轮轴等效应力分布云图

有限元分析结果显示，托轮轴的变形量为-0.093mm，等效应力最大值为184MPa。根据托轮轴材料40CrNiMo的屈服强度为835 MPa，可得出托轮轴的安全系数为835/184＝4.54。

通过以上分析，托轮轴的设计满足强度要求，得到了用户的高度认可。

4 备件生产及安装运行

客户江西（贵冶）对中信重工提供的模拟有限元报告中提到，非常认可设计方案的可行性，并与我司签订备件订货合同，图12为安装前状态。

图12 备件安装前状态

由于冶炼厂运行良好，一年后用户依然非常认可我司的设计能力及制造质量，又与我司签订了后续的进口阳极炉改造备件合同。现我司正在全力投产过程中，尽快满足用户更新换代的需求。

5 结语

通过对回转式阳极炉托轮装置进行优化改进，并利用有限元模拟对新设计的托轨轴进行强度验证，得出了托轨轴安全系数为4.54，满足设计要求，产品也得到用户一致认可，为阳极炉有色冶炼设备逐渐实现国产化，提供了有利开端。