旋流电解铜开盖装置的设计

1、旋流电解铜开盖装置设计摘 要本文完成旋流电解铜开盖装置的整体设计。它包括了对整个系统工作要求和受力情况分析，以及设计要求，确定整个开盖装置的结构设计。首先根据开盖机构任务书的主要参数，确定开盖装置的总体方案，然后逐个去设计每个部分。同时计算打开盖子的扭力，提升盖子的力，并结合实际情况对气缸尺寸及连杆进行校核。最后根据气缸尺寸，合理设计联结机构和导向装置等辅助机构。根据以上参数绘制机械总图和重要非标准图。 关键字： 开盖机构，校核，受力 第一章 绪论1.1 选题背景嘉兴科菲冶金科技股份有限公司是嘉兴科菲投资公司在浙江嘉兴设立的一家具有独立法人资格，专业从事冶金技术研发，有色金属矿山、冶炼及稀有金

2、属冶炼等工程建设的技术咨询与矿业设计服务的高科技公司。科菲冶金科技股份有限公司拥有多位从事冶金技术和矿业工程方面的资深设计和研究人员，通过对多种金属提纯与分离的研究和试验，并结合国内外相关技术和先进经验，自主研制开发出旋流电解技术，填补了国内在智能化、选择性电解技术领域的技术空白，在包括铂、金、银、镍、钴、铜、锡、锌、镉等金属的生产和分离上有着无可比拟的技术优势，配套相关专用设备及技术专利若干。公司与北京设计院、南昌设计院、长沙设计院等国内知名有色设计单位建立了长期和良好的合作关系、与中南大学、西北有色研究院等科研院所建立校企或院企合作框架，聘有多名资深有色行业专家为公司常年技术顾问，可承接镍

3、、铜、钴、铅、锌、贵金属等矿业项目的咨询设计，并对中小型项目提供工程总承包。公司成立以来已经为多个海外及国内有色工程项目提供技术支持，成绩斐然。公司拥有一批高级管理人才，管理既严谨又灵活。公司坚持“质量第一，顾客至上”的原则，坚持“追求完善质量，提供优质服务”、“保持品质国内同行领先、跻身全球市场竞争舞台”的质量方针。优良的质量管理和质量保证能力得到客户的一致好评。展望未来，公司将断续加强与国内大专院校、国外知名企业的合作，继续深入推广旋流电解技术在冶炼、电镀及环保等行业中的废液及废渣里选择性提取有价金属的应用，继续深入研究从不同环境条件下有价金属提取的各种工艺技术条件，加强和完善该技术配套设

4、备的开发和研制，完善现有配套产品的各项性能，使旋流电解技术和配套设备设施等高新技术产品系列化，为有色金属矿山、冶炼厂及稀有金属冶炼、电镀、PCB板回收处理、废渣废液处理等行业提供全方位的开发、设计、制造、安装、调试等更优质的服务，为金属回收设备的国产化和环保事业作出更大的贡献。中国铜的生产状况和消费中国铜的生产状况据中国有色金属工业协会提供的统计资料显示，2000年底中国精炼铜产量为137.11万吨，2005年达260.04万吨，5年间增长100余万吨以上，居世界第二位；精铜消费量也呈快速增长态势，2000年精铜消费量为190万吨，2005年达到368万吨，居世界第一位。 中国铜产业技术改造步

5、伐明显加快，装备水平大幅提高。江西铜业集团公司、铜陵有色金属集团公司、云南铜业集团公司等骨干铜冶炼企业，先后引进了奥托昆普闪速熔炼、诺兰达熔炼等一批先进工艺和装备，使得中国铜企业的冶炼综合能耗呈现相当幅度的下降。目前，中国铜企业的经济实力不断提高。2000年，中国铜冶炼企业(含矿山、冶炼联合企业和独立冶炼企业)实现产品销售收入337亿元人民币。2005年，中国铜企业已实现销售收入1098.6亿元人民币。在中国国内铜产品需求增长和产量增加的带动下，中国铜产品进口快速增长。其中铜原料部分增加显著，特别是铜精矿和精铜的进口量增幅很大。2000年2005年净进口量平均分别增长了17.49%和12.86

6、%。在中国政府的大力支持下，中国铜工业在国际化经营和境外投资取得初步进展。目前，中国国内4家铜企业4个牌号的精炼铜产品已在伦敦金属交易所(LME)注册，成为国际认可的品牌。目前，中国在境外已获得投资权益铜金属基础储量约650万吨，形成了近8万吨/年的矿铜精矿(金属量)产能铜的消费我国既是铜资源较贫乏的国家又是世界上第二大铜消费国。从2001 年到2005 年，全球铜消费量增加了241.7 万吨，而中国的消费增量就达到152.5 万吨，占全球增量的63%。中国铜消费行业主要是带动了电力、电缆行业的发展。发电情况在80年到90年年平均增长速度是7.5%，90-2000年增长是8.2%，2000年到

7、2005年是12%，也就是说中国电力发展在近五年发展速度逐渐加快。装机容量应该从2005年9月份发电装容量突破5万亿千瓦。推动电力发展主要是电线、电缆主要大产品，其中中国电线、电缆在全球占的份额是20%。电信、电缆行业的用铜量是铜的绝对量，去年大概算下来是310万，这样一算国内电线、电缆行业占了将近60%，这是国内目前最大的用铜的情况。 对于未来的情况来看，电线、电缆未来用铜情况怎么样，主要看中国电力发 2展情况。十一五期间电力投资还是比较大，根据电力行业资料，未来五年的投资在3万亿左右，其中是电网、电站一半的格局。装机容量未来增长7-8%，这个速度未来电力发展增长速度应该比过去五年要放慢了。

8、总体来说是增长，所以对电线、电缆行业发展情况来看，这个也是发展相对匹配的。7-8%的样子，所以电线、电缆这个行业有一个电力行业大概在增长9%。 铜的冶炼方法从铜矿石中或精矿提取炼铜的方法较多，总括起来分火法和湿法两大类。铜的湿法冶金一般适于低品位的氧化铜，生产出的精铜称为电积铜。湿法炼铜目前主要用于处理氧化铜矿。有氧化铜矿直接酸浸和氨浸（或还原焙烧后氨浸）等法；酸浸应用较广，氨浸限于处理含钙镁较高的结合性氧化矿。处理硫化矿多用硫酸化焙烧-浸出或者直接用氨或氯盐溶液浸出等方法。硫酸化焙烧-浸出法是将精矿中的铜转变为可溶性硫酸铜溶出；氨液浸出法是将铜转变为铜氨络合物溶出，浸出液在高压釜内用氢还原，

9、制成铜粉，或者用溶剂萃取-电积法制取电铜；氯盐浸出法是将铜转变为铜氯络合物进入溶液，然后进行隔膜电解得电铜。(1) 氧化铜矿酸浸法流程 氧化铜矿一般不易用选矿法富集，多用稀硫酸溶液直接浸出，所得溶液含铜一般为15g/L，可用硫化沉淀、中和水解、铁屑置换以及溶剂萃取-电积等方法提取铜。近年来，萃取-电积法发展较快。其主要过程包括：用对铜有选择性的肟类螯合萃取剂（LiX64 N，N510，N530等）的煤油溶液萃取铜，铜进入有机相而与铁、锌等杂质分离。用浓度较高的 H2SO4溶液反萃铜，得到含铜约50g/L的溶液。反萃后的有机溶剂，经洗涤后，返回萃取过程使用。电积硫酸铜溶液得电铜，电解后液返回用作

10、反萃剂。生产流程见图1.2。图1.2 氧化铜矿酸浸法流程(2) 硫化铜精矿焙烧浸出法 硫化铜精矿经硫酸化焙烧后浸出，得到的含铜浸出液，经电积得电铜。此 3法适于处理含有钴、镍、锌等金属的硫化铜精矿，但铜的回收率低，回收贵金属较困难，电能消耗大，电解后液的过剩酸量须中和处理，所以一般不采用。(3) 从贫矿石和废矿中提取铜 铜矿开采后坑内的残留矿、露天矿剥离的废矿石和铜矿表层的氧化矿，含铜一般较低，多采用堆浸、就地浸出和池浸等方法，浸出其中氧化形态的铜，而所含硫化铜则利用细菌的氧化作用，使之溶解。浸出液中的铜可用铁置换得海绵铜，或者用溶剂萃取-电积法制取电铜。铜的火法冶金火法炼铜是将铜矿（或焙砂、

11、烧结块等）和溶剂一起在高温下熔化，或直接炼成粗铜，或先炼成冰铜（铜、铁、硫为主的熔体）然后在炼成粗铜。该法除部分预备作业及电解精炼作业外，均在高温下进行。其一般流程如图1.3：图1.3 铜火法冶金的一般流程火法流程最大的优点是适应性广，对各种不同的铜矿均能处理，特别是对一般硫化矿和富氧化矿很适用。火法和湿法两种工艺的特点 比较火法和湿法两种铜的生产工艺，有如下特点： （1）后者的冶炼设备更简单，但杂质含量较高，是前者的有益补充。 （2）后者有局限性，受制于矿石的品位及类型。 （3）前者的成本要比后者高。 可见，湿法冶炼技术具有相当大的优越性，但其适用范围却有局限性，并不是所有铜矿的冶炼都可采用

12、该种工艺。不过通过技术改良，这几年已经有越来越多的国家，包括美国、智利、加拿大、澳大利亚、墨西哥及秘鲁等，将该工艺应用于更多的铜矿冶炼上。湿法冶炼技术的提高及应用的推广，降低了铜的生产成 4本，提高了铜矿产能，短期内增加了社会资源供给，造成社会总供给的相对过剩，对价格有拉动作用。总之，火法和湿法炼铜都各有利弊，选用哪种方法，应根据矿物的特点，当地的经济情况，交通运输情况，地理条件，气候条件，特别是应根据矿物特点（化学成分，物相组成，含铜量，脉石组成等）和当地经济条件（燃料，水，旋流电解技术介绍旋流电解技术是一种有效分离和提纯金属的方法，是科菲冶金科技有限公司与澳大利亚迪若拉集团公司合作在中国进

13、行推广的一项新型电解专利技术。目前该技术应用领域包括：铜、锌、镍、钴、铅、金、银及贵金属等多个方面，在全世界拥有近百家用户。旋流电解技术是一种能够对有价金属进行选择性电解（电积）的新技术，特别适合于冶金行业进行低浓度溶液、成份复杂溶液的选择性电解（电积）分离和提纯，以及将废水中重金属离子进行剥离。1）工作原理所有的电解技术均建立在电化学基础理论之上，旋流电解技术也不例外。传统的电解技术是将阴阳极放置在缓慢流动或停滞的槽体内，在电场的作用下，阴离子向阳极定向移动，阳离子向阴极定向移动，通过控制一定的技术条件，欲获得的金属阳离子在阴极得到电子沉积析出，从而得到电解产品。阴极反应：金属离子在阴极得到

14、电子形成金属Me+(aq)+e- Me(S)阳极反应：阴极得到的电子需要通过阳极失去电子来平衡。阳极有几个可能的反应，最主要的反应是溶液中的水氧化产生氧气，反应如下：2H2O O2(g)+4H+4e-当电解液中的金属浓度降低时，很难保证金属在阴极还原而不发生其它反应。在金属浓度较低时最容易发生的化学反应是氢气的产生，如下：2H+(aq)+2e- H2(g)旋流电解技术是基于各金属离子理论析出电位（E）的差异，即欲被提取的 5金属只要与溶液体系中其他金属离子有较大的电位差，则电位较正的金属易于在阴极优先析出，其关键是通过高速溶液流动来消除浓差极化等对电解的不利因素，避免了传统电解过程受多种因素（

15、离子浓度、析出电位、浓差极化、超电位、pH值等）影响的限制，可以通过简单的技术条件生产出高质量的金属产品。图3.1 铜电解精炼的工艺流程图1.2 设计目的本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特殊功能，特殊要求的开盖装置。现上盖打开采用人工方式，由于槽内有强酸残液，可能会用人产生严重伤害，故需要设计一种自动开盖机械。盖的形状和尺寸如下图所示：流电解铜外部各形状及尺寸如右图所示： 8第二章 驱动盖子旋转机构本方案在上下方向运动靠行车来实现，开盖机构是一个类似于四杆机构的机构，通过气缸提供动力，推动其中一个杆，在通过该机构传递动力实现盖子的旋转，达到开盖的目

16、的。开盖的示意图如下所示：（1）各杆的尺寸计算根据实际情况，现取图中垂直方向的杆的长度L1=100mm，杆上孔的直径为10mm。杆的宽度20mm，连杆的长度L2=2000mm。（2）气缸的各参数设计计算。 连杆到盖子中心的距离D=150mm，由于盖子需要旋转22.5度才能打开，所以气缸活塞的行程要大于57.4mm。打开盖子需要克服摩擦力F=Ug. 式中：u-塑料与塑料的摩擦系数。 G-盖子的重力。 盖子的重量按10KG计算，材料为ABS. 查相关资料得，摩擦系数u=0.48，所以F=ug=48N.如果筒内是真空或与大气压有气压差，则还要考虑这个力的大小，现假设筒内是真空的，对盖子的压力F压=P

17、S=560N,所以需要克服总摩擦力为2189N.气缸的直径计算本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:式中: - 活塞杆上的推力，N - 弹簧反作用力，N- 气缸工作时的总阻力，N 9- 气缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算: 式中:- 弹簧刚度，N/m- 弹簧预压缩量，m- 活塞行程，m- 弹簧钢丝直径，m- 弹簧平均直径，.- 弹簧有效圈数.- 弹簧材料剪切模量，一般取在设计中，必须考虑负载率的影响，则:由以上分析得单向作用气缸的直径:代入有关数据，可得所以: 10查有关手册圆整，得由,可得活塞杆直径:

18、取活塞杆直径校核，按公式有:其中，则:满足实际设计要求。3,缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:式中:6- 缸筒壁厚，mm- 气缸内径，mm- 实验压力，取, Pa材料为:ZL3,=3MPa代入己知数据，则壁厚为:取，则缸筒外径为: .第三章 提起盖子的机构设计在开盖机构打开盖子以后，需要把盖子移到指定的地方，开盖机构我想到3种可行的方案，如下：1. 磁性吸附开盖机构这种吸附机构结构最简单，操作最可靠，既可采用电磁铁，也可以采用永磁铁，通过控制机构使其产生磁性，或消除磁性。由于盖子是塑料的，这种方案需要

19、在盖子上装上一块铁。2真空吸附开盖机构这种吸附机构结构也比较简单，通过控制压缩气流，使吸盘与槽盖之间形成真空，从而产生吸附力。这需要保证槽盖上表面平整，无凹陷，一般需要对槽盖表面进行紧密加工，并保证使用过程不变形，不产生凹陷。2. 机械抓手开盖机构机械抓手结构复杂，需要抓手如槽盖中心对中。这里有两种解决方案：一种是加装X-Y坐标定位系统，需要伺服电机、滚珠丝杆等，大幅度增加成本和调试难度。第二种是保证各电解槽中心位置的正确性，保证槽中心（特别强调一点：整个车间的所有框架中槽，均需要保证与图示坐标原点的位置精度）位置误差不超过3mm，这个有很大的难度。经分析，我决定用第一种方案，在盖子上加一块铁

20、块。实现开盖的装置的动作顺序如下；（1）开盖装置横向移动至电解槽正上方；（2）开盖吸盘下降与电解槽盖接触，对电磁铁通电。（3）通过电磁铁吸住槽盖；（4）通过气缸提供动力使槽盖旋转22.5度；使得盖子与筒体脱开（5）开盖吸盘上升，将电解槽盖脱离槽体；（6）横向移动到摆放卸下槽盖位置；（7）垂直下降，抵住摆放平台；（8）松开槽盖；（9）上升回位。电磁铁工作原理及磁力计算 当线圈通电后，铁心和衔铁被磁化，成为极性相反的两块磁铁，它们间产生电磁吸力。当吸力大于弹簧的反作用力时，衔铁开始向着铁心方向运动。当线圈中的电流小于某一定值或中断供电时，电磁吸力小于弹簧的反作用力，衔铁将在反作用力的作用下返回原来

21、的释放位置。 电磁铁是利用载流铁心线圈产生的电磁吸力来操纵机械装置，以完成预期动作的一种电器。它是将电能转换为机械能的一种电磁元件。 电磁铁主要由线圈、铁心及衔铁三部分组成，铁心和衔铁一般用软磁 12材料制成。铁心一般是静止的，线圈总是装在铁心上。开关电器的电磁铁的衔铁上还装有弹簧，如图所示。电磁吸盘：由盘形钢壳和壳内的激磁线圈组成(图1)，用以吸取导磁性物料，又称起重电磁铁，通常挂在起重机吊钩上使用，其电缆随吊钩一起升降。电磁式靠线圈通直流电激磁吸料，断电去磁卸料。为防止断电时物料坠落，带这种吸盘的起重机一般需要有备用电源。直流起重电磁铁的额定电压一般为220V，电磁铁的工作状况是重复短时工

22、作制，其按通电持续率TD = 50%-75%，每个工作周期T=10min。对于铜和铝质的激磁线圈，温度每上升1时电阻的增加率或电阻温度系数均为a=0.004/,所以电磁铁的消耗功率有两个不同值：冷态功率和热态功率，前者是指电磁绕组温度为20时的功率；后者是指绕组处于热稳定状态下的功率。1电磁铁的起重量与被吊物品的形状、尺寸、堆放状态有关，电磁铁的吸力可用麦克斯威尔电磁吸力公式来计算： F= 1/5000*B*S式中 F=起重电磁力（kg） S=工作气隙面积（cm） B=工作气隙磁密（Gs）2表征电磁铁的技术性能指标主要是吸重比、耗能比 吸重比：K1=起重量/自重 耗能比：K2=起重量/自重（k

23、g/kw） 图 1 3电磁铁系统构成 一般吊运钢板的电磁铁根据钢板的长度、宽度、厚度等参数由多台组合联用，电源控制要求具有隔离降压、整流、励磁、逆磁等主要功能，另外还有调磁、保磁、分组、分行列、遥控等其它功能。一套吊运钢板的起重电磁铁大体由：电磁铁组、主整流变压器、充电变压器、整流调磁柜、保磁柜、蓄电池组（18只）、操作开关、仪表箱、电磁挂梁、电缆卷筒和电缆连接器等组成。经查相关资料，决定使用“兰达”牌的吸盘电磁铁，型号为H4025，工作电压12/24V,外形尺寸40X25mm，初吸力200N，电流特性为直流。提起机构部件定位板设计。由于旋流电解铜筒体之间的间隔距离D=370mm，要一次性开启

24、6个槽盖，故取板的长度L=2400mm，宽度L1=200mm，厚度L2=20mm。提起机构部件轴设计取轴的长度L3=500mm，具体尺寸见图 第四章 过盈连接的力计算及校核过盈联接的工作原理及装配方法过盈联接是利用零件间的配合过盈实现联接的。由于配合直径间有过盈量，在装配后的配合面上，产生了一定的径向压力。当连接承受轴向力F或扭矩T时，配合面上产生摩擦阻力或摩擦阻力矩来抵抗和传递外载荷。过盈联接的装配方法：压入法：利用压力机将被包容件直接压入包容件中。由于有过盈量的存在，压入的过程中，配合表面微观不平度的峰尖不可避免的要受到处擦伤或压平，降低了联接的可靠性。在被包容件和包容件上分别制出导锥，并

25、对配合表面进行润滑，可以减轻上述缺点。由于过盈联接多次装拆后，配合面会受到严重损伤，当配合过盈量很大时，装好后再拆开就更困难。因此，为保证多次装拆后的配合仍能具有较好的紧固性，可采用液压拆卸，即在配合面间注入高压油，以胀大包容件的内径，缩小被包容件的外径，从而使联接便于拆开，并减小配合面的擦伤。但采用这种方法时，需在包容件或（和）被包容件上制出油孔和油沟。一 圆柱面过盈联接的设计计算过盈联接计算的假设条件：联接零件中的应力处于平面应力状态，应变均在弹性范围内；材料的弹性模量为常量；联接部分为两个等长的厚壁筒，配合面上的应力均匀分布。过盈联接主要用以承受轴向力或传递扭矩，或者同时兼有以上两种作用

26、。为保证过盈联接的工作能力，强度计算包括以下内容：1 联接强度的验算；2 组成联接的零件的应力和变形； 153 压入力和压出力的计算；联接强度的验算1 当外载已知时，求配合面间所需的压力强度。（1） 当外载荷为轴向载荷F时（2） 当外载荷为扭矩T 时（3） 轴向力F和扭矩T同时作用时由T、F引起的摩擦力的合力为：为使p不致过大，推荐2 理论过盈量min式中：C1-被包容件的刚性系数，； C2-包容件的刚性系数，。3 有效过盈量最小值min的计算压入法装配后，有压平、磨损，所以过盈量有变化。min=min+2u压配合擦伤量2u=0.8(RZ1+RZ2)式中：分别为被包容件和包容件配合表面上微观不

27、平度的十点高度，其值随表面粗糙度而异，见表7-6。 16*组成联接的零件应力和应变 过盈联接零件本身的强度，按材料力学中的厚壁圆筒强度计算方法进行校核。当压力p一定时，联接零件中应力大小及分布情况如图。首先国家所选的标准过盈配合种类查出最大过盈量max（采用压入法装配时应减掉被擦去的2u），求出最大径向压力，即然后，根据来校核联接零件本身的强度。当包容件（被包容件）为脆性材料时，按图所示的最大周向拉压应力用第一强度理论进行校核。其主要破坏形式是包容件内表层断裂。设分别为被包容件材料的压缩强度极限及包容件材料的拉伸强度极限，则强度校核公式为：被包容件 包容件 当零件材料为塑性材料时，按第三强度理论（ ）检验其承受最大应力的表层是否处于弹性变形范围内。设分别为被包容件及包容件材料的屈服极限，不出现塑性变形的检验公式为：被包容件内表层 包容件内表层 *压入力