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摘要：本文針對銅冶煉渣緩冷場工藝，提出了一套智能化解決方案。該方案中的智能渣緩冷場由三臺雙懸臂冶金門機、六臺電動平車及噴淋系統(tǒng)組成。門機軌道的中間矩形緩冷場區(qū)域分為三部分存放渣包，門機軌道的兩側(cè)分別為電動平車運行區(qū)域、倒渣區(qū)域。工藝流程如下：電動平車通過帶有岔道的平行軌道循環(huán)運行到接渣口接取渣包，然后由門機吊運至緩冷場區(qū)進行存放，渣包經(jīng)過噴淋系統(tǒng)降溫后，再由門機吊運渣包至倒渣區(qū)進行翻包倒渣。整個銅冶煉渣緩冷場工藝通過上位機調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)全過程無人化、智能化作業(yè)，為銅冶煉行業(yè)智能化升級提供了可行的技術(shù)路徑。

關(guān)鍵詞：渣緩冷場；冶金門機；電動平車；調(diào)度控制

作者：劉小輝

中國恩菲工程技術(shù)有限公司

一

引言

銅火法冶煉產(chǎn)生的爐渣通常含有少量銅等有價金屬，通過渣緩冷工藝可以完成有價金屬的最大化回收，實現(xiàn)資源高效利用。國內(nèi)原有銅冶煉廠渣緩冷作業(yè)多以人工操作設(shè)備為主，簡單的自動控制設(shè)備輔助，近年來，隨著智能工廠建設(shè)逐步推進，渣緩冷工藝的自動化與智能化水平顯著提高，部分企業(yè)已在遠程遙控技術(shù)、全自動設(shè)備、精確定位、機器視覺、優(yōu)化調(diào)度控制等技術(shù)領(lǐng)域開展了廣泛深入的應(yīng)用。本文針對電動平車運輸渣包、冶金門機吊運渣包與翻包工藝，探討渣包轉(zhuǎn)運、冶金門機作業(yè)以及噴淋水系統(tǒng)的全自動化控制，以期實現(xiàn)渣緩冷場的智能化運行。

二

銅冶煉渣緩冷場概述

目前，銅火法冶煉渣緩冷場工藝主要有兩種模式。第一種是人工駕駛抱罐車作業(yè)，抱罐車的兩個貨叉托舉渣包的兩個耳軸進行運輸；將接滿熱熔渣的渣包送往緩冷場進行擺放到位后，按照緩冷工藝流程進行冷卻（噴淋系統(tǒng)閥門一般由人工遠程控制或現(xiàn)場手動控制）；緩冷完成后，再由人工駕駛抱罐車把渣包送至渣場進行翻包倒渣。該方式全程需要人工參與，渣緩冷場的渣包存在爆炸的風(fēng)險，有非常大的安全隱患。第二種是通過人工遙控有軌電動平車運載空包至卸渣口接渣后，將其送往緩冷場，再由人工操作冶金門機吊運渣包至緩冷場內(nèi)進行擺放，并按照緩冷工藝流程進行冷卻（噴淋控制方式同上）；緩冷完成后，的渣包需要翻包倒渣時，再由人工操作冶金門機將渣包吊運至倒渣區(qū)翻包倒渣，之后把空包裝載到電動平車，人工遙控操作電動平車再次去卸渣口接渣；該方式仍然是多人工交叉作業(yè)，同樣存在安全隱患。

銅冶煉渣一般采用先冷卻、后選礦的工藝進行處理，以進一步回收渣中的銅，這種渣冷卻的過程叫作緩冷，共分為兩個階段：第一階段為自然緩冷，將裝有熔融爐渣（溫度＞1300℃）的渣包在渣緩冷場先放置2～8小時，直至爐渣溫度達到1050℃左右，這一過程不需要噴淋等降溫手段，反而需要使?fàn)t渣盡可能緩慢地降溫，從而給渣中的含銅小顆粒物料有更多的時間長成大顆粒，以利于后面的選礦；第二階段是噴淋冷卻，通過間歇或連續(xù)噴淋方式對渣包中的爐渣進行降溫，待爐渣冷卻到安全溫度后，將渣包中的渣倒出并送去選礦系統(tǒng)處理。

三

智能渣緩冷場方案

為了提高渣緩冷自動化與智能化作業(yè)水平，減少生產(chǎn)期間崗位工進入緩冷區(qū)的頻次，改善崗位工作業(yè)環(huán)境并降低勞動強度，本文提出了以冶金門式起重機（簡稱“冶金門機”）、電動平車、智能噴淋系統(tǒng)作為主要設(shè)備的智能渣緩冷場方案，如圖1所示。該方案通過上位機軟件與卸渣口實現(xiàn)聯(lián)鎖動作，實現(xiàn)全過程無人化作業(yè)。調(diào)度多臺電動平車，通過帶有岔道的兩組平行軌道實現(xiàn)循環(huán)空包接渣與滿包倒運，三臺冶金門機根據(jù)調(diào)度任務(wù)實現(xiàn)連續(xù)自動作業(yè)，噴淋系統(tǒng)則根據(jù)渣包擺放情況和緩冷周期自動進行噴淋。

圖1 智能渣緩冷場方案

本方案將常規(guī)的人工操作提升為全過程自動化作業(yè)，崗位工由現(xiàn)場手動操作升級為遠程監(jiān)控，即自動化產(chǎn)線負責(zé)正常生產(chǎn)，崗位工負責(zé)故障排查和常規(guī)檢修，從而降低了人工現(xiàn)場作業(yè)的時間，提高了接渣、噴淋的作業(yè)效率和安全性，同時對緩冷場的所有渣包狀態(tài)、噴淋過程、接渣、翻包倒渣的全過程進行了數(shù)字化管理。

1.冶金門機

冶金門機用于渣緩冷場內(nèi)渣包吊運，包括熱熔體渣包（如側(cè)吹爐熔融渣，溫度約1250℃）吊運、緩冷包吊運、翻包倒渣（固態(tài)渣）。冶金門機在室外運行，其設(shè)計充分考慮渣包緩冷過程存在灼熱高溫，含有少量SO2氣體、煙塵；還存在噴淋水霧，偶爾可能還有爐渣爆濺與高溫熔體濺落（接觸溫度可達800℃）等情況。冶金門機具備駕操、遠程手動控制與全自動操作等多種模式，并以自動控制為主。本方案按常規(guī)三臺冶金門機，采用共軌串行方式布置；門機吊具由雙板主鉤和鐮刀式副鉤組成，如圖2所示。

圖2 冶金門機總圖

2.電動平車

電動平車頂部平臺用來放置渣包，具有彎道行駛能力，可以通過岔路口進行換軌行駛。如圖3所示，電動平板車由車架（臺車四周設(shè)置防噴濺隔熱層及防傾斜裝置）、模塊化絕緣車輪組、三合一硬齒面變頻制動減速電機、車輪受電器、拉簧式軌道受電器及清軌器、升壓變壓器、輔助電源、事故牽引裝置、車載電控系統(tǒng)、聲光報警器等組成。電動平車采用軌道實現(xiàn)不間斷持續(xù)供電，通過無線模塊實現(xiàn)與上位機軟件的信息交互，并自帶電池，確保在軌道生銹或者接縫處，軌道供電不連續(xù)時，可以通過電池供電。

圖3 電動平車結(jié)構(gòu)

3.智能噴淋

智能噴淋系統(tǒng)控制幾十臺氣動開關(guān)球閥的開閉。如圖4所示，控制器采用PLC，配有DI、DO和AI擴展模塊，并控制氣動球閥的開關(guān)，采集閥門的開到位和關(guān)到位信號、管道壓力和流量信號。柜內(nèi)中間繼電器采用具有強制吸合作用繼電器，每路模擬量輸入均配有信號隔離模塊，接線端子均具有插拔功能。緩冷噴淋PLC與智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)采用有線網(wǎng)絡(luò)通訊，可以實現(xiàn)手動、自動模式的緩冷場噴淋。

圖4 出庫流程示意圖

四

智能渣緩冷場工藝流程

1.空渣包、滿渣包轉(zhuǎn)運流程

如圖1所示，電動平車的兩組平行軌道分別正對著兩個卸渣口，規(guī)定正對1、正對2；電動平車攜帶空包在空包軌道排隊到達卸渣口前“X”道岔口前等待，當(dāng)1，空包軌道排隊在前面的電動平車攜帶空渣包進入1；當(dāng)2，可以直接沿著滿包軌道送往緩冷場；在滿包軌道上攜帶滿渣包的電動平車，根據(jù)上位機調(diào)度任務(wù)，按照順序為三臺門機依次送滿渣包，按照優(yōu)先為遠端的3，防止出現(xiàn)在1；三臺冶金門機分別在自己的工作區(qū)域內(nèi)工作，當(dāng)滿渣包在三個區(qū)域分別被門機吊起送往緩冷場后進行自動噴淋緩冷，空的電動平車分別沿著當(dāng)前區(qū)域的道岔進入到空包軌道等待；當(dāng)緩冷場內(nèi)有緩冷時間到期的渣包出現(xiàn)后，上位機軟件會調(diào)度門機把緩冷好的渣包吊運至渣池上方進行翻包倒渣，然后把空渣包送至當(dāng)前區(qū)域在空包軌道等待的電動平車進行裝載，優(yōu)先裝載1，防止出現(xiàn)空包軌道堵塞。

電動平車和冶金門機實現(xiàn)了渣包的“空渣包接渣—滿渣包轉(zhuǎn)運—熱包緩冷—冷包翻包—空包裝車”的循環(huán)調(diào)用，利用放渣口裝滿一個渣包的時間預(yù)計為10～15分鐘的間隙時間內(nèi)，實現(xiàn)兩個卸渣口空渣包和滿渣包的互換，確保在兩個卸渣口在間隙時間內(nèi)同時要有兩個渣包到位才能確保生產(chǎn)安全，一個卸渣口卸渣裝包、另一個卸渣口空渣包等待。

2.冶金門機控制

渣緩冷場的冶金門機吊運渣包的流程如圖5所示。電動平車載著滿渣包沿著滿包軌道運行至緩冷場指定吊裝位后，由門機將滿包吊運至緩冷場存儲；待渣包完成緩冷，再由冶金門機吊運至渣場進行翻包倒掉；空渣包或者緩冷場內(nèi)的空渣包，通過冶金門機吊運至電動平車，由其送至接渣口接渣。本方案選用雙懸臂冶金門機，其軌道的中間區(qū)域用來為渣包存放區(qū)；一側(cè)懸臂端下方覆蓋區(qū)域為電動平車軌道，冶金門機的小車攜帶吊鉤可以運行至電動平車上方對渣包進行吊運；另一側(cè)懸臂下方覆蓋區(qū)域為渣池，冶金門機小車將完成緩冷的渣包吊運至渣池上方并進行翻包倒渣。

圖5 渣緩冷冶金門機側(cè)視圖

本方案中三臺冶金門機以共軌串聯(lián)方式布置在緩冷場，主要承擔(dān)兩項任務(wù)，把熱包從電動平車吊起送入緩冷場擺放，以及將緩冷好的渣包吊至渣池上方翻包倒渣。為了提高整體作業(yè)效率，系統(tǒng)需要均衡三臺冶金門機的工作負荷；并確保三臺門機與電動平車連續(xù)交互，減少門機等待電動平車、平車等待冶金門機的情況出現(xiàn)。此外，由于單臺冶金門機自重在百噸以上，為降低大車移動頻次，提升運行效率，作業(yè)中應(yīng)盡量依靠門機小車移動作業(yè)。

本方案中渣緩冷場分為三個存儲區(qū)域，每個區(qū)域設(shè)置一臺冶金門機。如圖6所示，在各自的存儲區(qū)域內(nèi)，冶金門機大車每次運行至一列渣包正上方后，通過小車沿著渣包列方向來回移動即可，直至把當(dāng)前列的渣包吊運空渣包替換為滿渣包后，再讓冶金門機的大車運行至下一列。

圖6 渣包吊運順序圖

3.電動平車控制

本智能緩冷場方案具有兩個放渣口，通過雙向溜槽進行交替放渣；兩組平行軌道通過5個道岔進行連接，形成三個循環(huán)回路，多臺電動平車根據(jù)調(diào)度系統(tǒng)的任務(wù)要求，在循環(huán)回路中交替實現(xiàn)空包接渣、滿包轉(zhuǎn)運，電動平車的運行路線可以簡化為如圖7所示。

圖7 電動平車軌道簡化圖

在正常狀態(tài)下，兩個卸渣口應(yīng)該各停有一輛電動平車，例如，當(dāng)1，2，等待溜槽切換；1，沿著交叉軌道運行至熱包軌道向前運行至緩冷場，根據(jù)調(diào)度軟件的要求，由指定的門機把熱渣包吊運進入緩冷場進行緩冷，空的電動平車沿著緩冷區(qū)分支軌道進入空包軌道，等待冶金門機把緩冷場內(nèi)翻包后的空包裝載到空車上，然后運行至卸渣口前“X”軌道處排隊等待出現(xiàn)卸渣口空位；如果是1，則攜帶空包的電動平車沿著空包軌道直接向前運行至1；如果2，則攜帶空包的電動平車沿著“X”型軌道道岔，由空包軌道運行至滿包軌道后，再到達2。

4.噴淋系統(tǒng)控制

渣包按照四個一組擺放在緩冷場中，根據(jù)緩冷工藝要求，每組熱渣包需要經(jīng)過空氣冷卻、間斷噴淋、連續(xù)噴淋進行降溫緩冷完成后，才能讓冶金門機把渣包進行翻包倒渣。因此，首先需要每一個渣包的當(dāng)前狀態(tài)通過上位機軟件系統(tǒng)進行記錄和識別，才能準(zhǔn)確對每個渣包進行精準(zhǔn)噴淋，否則會出現(xiàn)對熱渣包進行噴淋的危險動作造成炸包風(fēng)險；其次，噴淋系統(tǒng)的間斷噴淋、連續(xù)噴淋需要對噴淋閥的控制進行時間記錄，按照噴淋工藝要求的時間定時進行開關(guān)指定的閥門；最后，由于每一組渣包到達緩冷場的時間不同，其緩冷啟動的時間不同，因此，上位機調(diào)度管理系統(tǒng)需要對每一組渣包進行獨立的噴淋邏輯控制。

五

智能渣緩冷調(diào)度管理系統(tǒng)

1.通信、視頻與控制系統(tǒng)

智能渣緩冷調(diào)度管理系統(tǒng)的硬件由電腦、服務(wù)器、交換機、無線基站、車載無線模塊、攝像頭等組成，系統(tǒng)分為遠程控制中心端、渣緩冷場、通信網(wǎng)絡(luò)三部分。其中，遠程控制中心端主要包括顯示層和操作層，顯示層實現(xiàn)各類狀態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測、視頻界面顯示，操作層主要是控制指令下發(fā)，包括手柄/按鈕操作單元/圖形操作單元；控制系統(tǒng)與視頻系統(tǒng)為兩套相互獨立的系統(tǒng)，防止控制信號受到視頻信號的干擾，造成信息傳遞受阻。如圖8所示，為渣緩冷系統(tǒng)的視頻和通信系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖8 通信及視頻系統(tǒng)架構(gòu)圖

智能渣緩冷場的軟件調(diào)度管理系統(tǒng)主要包括感知層、決策層、控制層、執(zhí)行層：感知層主要由攝像頭、大小車編碼尺，絕對值旋轉(zhuǎn)編碼器等組成，用來感知位置、重量、設(shè)備狀態(tài)等信息；決策層由各種自動化功能算法制定控制策略軟件層面實現(xiàn)；執(zhí)行層主要執(zhí)行控制策略，通過對接起重機、電動平車的控制協(xié)議和接口，實現(xiàn)起重機自動控制、自動噴淋水控制和電動平車自動控制，電機、變頻器、電動球閥等執(zhí)行機構(gòu)的狀態(tài)可以通過感知層獲得，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

智能渣緩冷場的設(shè)備控制系統(tǒng)由冶金門機控制系統(tǒng)、電動平車控制系統(tǒng)、噴淋水系統(tǒng)組成。冶金門機控制系統(tǒng)采用云臺變焦攝像技術(shù)、智能遙控技術(shù)、定位技術(shù)，精準(zhǔn)確定起重機大車、小車、吊鉤實時位置信息，根據(jù)位置信息和視頻信號，進行自動掛鉤，實現(xiàn)遠程遙控模式下的自動取包、自動放包、自動倒渣功能。每臺電動平車均自帶獨立的控制系統(tǒng)，通過無線模塊接收上輔機下發(fā)的命令、向上位機發(fā)送當(dāng)前運行的狀態(tài)信息；電動平車采用軌道供電，同時車載蓄電池，可以邊運行邊供電，在運行軌道出現(xiàn)斷軌和銹蝕斷電時進行供電，可以實現(xiàn)無線持續(xù)供電；采用激光和RFID組合方式實現(xiàn)精準(zhǔn)定位；采用防碰撞激光雷達進行防撞檢測，防止運行過程中與其他車輛或者障礙物發(fā)生碰撞；多臺電動平車并按照作業(yè)邏輯，通過WCS調(diào)度軟件，進一步實現(xiàn)電動平車與起重機的自動化協(xié)同。噴淋系統(tǒng)通過上位機軟件進行精準(zhǔn)記錄每一個渣包接渣的狀態(tài)，根據(jù)控制工藝自動對噴淋閥進行啟動和關(guān)閉，實現(xiàn)全緩冷場的蓄水池給水、緩冷噴淋、噴淋水收集的全過程管控。

2.調(diào)度管理過程

如圖9所示，智能渣緩冷調(diào)度管理系統(tǒng)通過車間級或者廠級MES等上層管理系統(tǒng)，下達生產(chǎn)任務(wù)至緩冷場。冶煉廠生產(chǎn)需要放渣時，上層管理系統(tǒng)向WMS管理系統(tǒng)下發(fā)接渣任務(wù)，WMS系統(tǒng)分解任務(wù)給WCS調(diào)度系統(tǒng)，WCS系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍和設(shè)備運行情況，生成接渣任務(wù)單，各任務(wù)單中明確了各設(shè)備（電動平車、冶金門機、噴淋閥門等）的啟動和運行起止點和接駁聯(lián)鎖邏輯，系統(tǒng)根據(jù)溜槽的實時排渣狀態(tài)，自動調(diào)度電動平車接渣、冶金門機吊運（將高溫渣包存入緩冷場，將冷卻完成的渣包吊至渣池翻包）。。在此調(diào)度管理過程中，上位機向各設(shè)備下達指令，設(shè)備執(zhí)行機構(gòu)響應(yīng)動作，并將實時狀態(tài)反饋給控制器，由控制器判定指令完成情況，形成閉環(huán)控制。

圖9 控制系統(tǒng)通訊連接圖

六

應(yīng)用效果

某冶煉廠緩冷場經(jīng)以“電動平車+冶金門機”智能化轉(zhuǎn)運系統(tǒng)替代傳統(tǒng)抱罐車、配套噴淋系統(tǒng)自動化升級及全流程數(shù)字化管理為核心的智能化改造后，其運行效能與綜合效益得到顯著優(yōu)化。針對240個渣包的轉(zhuǎn)運、3個接渣口循環(huán)接渣及緩冷后翻包倒渣任務(wù)，改造前需依賴6臺長度超10米的柴油抱罐車，需預(yù)留專用運行通道且拐彎半徑不小于8.5米，場地占用超16500平方米；渣包噴淋需人工記錄、現(xiàn)場手動開閥，單班噴淋操作與指揮人員需至少4人，總操作管理人員10人/班。

改造后通過6臺電動平車承擔(dān)渣包水平轉(zhuǎn)運，3臺冶金門機實現(xiàn)渣包進出緩冷場的調(diào)度管理，由于設(shè)備無需預(yù)留通道及拐彎半徑，場地占用面積縮減至改造前的50%，單班操作管理人員精簡至3人；同時，噴淋系統(tǒng)可自動記錄各渣包狀態(tài)并智能控制噴淋啟停，實現(xiàn)渣包生產(chǎn)狀態(tài)、噴淋狀態(tài)及設(shè)備運行狀態(tài)的全程數(shù)字化記錄與追溯；且因冶金門機與電動平車替代柴油燃料驅(qū)動的抱罐車，徹底消除了尾氣排放引發(fā)的空氣污染，提升了綠色生產(chǎn)水平，還大幅節(jié)省了傳統(tǒng)抱罐車高額的維修保養(yǎng)費用。該方案的應(yīng)用，全面實現(xiàn)緩冷場在土地集約利用、人力成本控制、管理精細化及環(huán)保運維優(yōu)化等方面的跨越式提升。

七

結(jié)論

本論文設(shè)計的一套銅冶煉智能渣緩冷場設(shè)備調(diào)度與管理方案，核心在于構(gòu)建冶金門機、電動平車與噴淋系統(tǒng)的協(xié)同控制架構(gòu)，并依托上位機調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)緩冷場全過程無人化、智能化作業(yè)。方案通過簡化道岔結(jié)構(gòu)優(yōu)化電動平車運行路徑，在降低設(shè)備配置復(fù)雜度的同時提升了周轉(zhuǎn)效率；通過制定冶金門機分區(qū)調(diào)度策略，進一步完善其與電動平車的協(xié)同作業(yè)邏輯，減少交叉作業(yè)干擾；結(jié)合噴淋過程精準(zhǔn)控制與全流程數(shù)字化管理，形成覆蓋“轉(zhuǎn)運－緩冷－管控”的閉環(huán)式作業(yè)體系。該方案技術(shù)路線簡潔、可操作性強，為銅冶煉行業(yè)渣緩冷環(huán)節(jié)的智能化升級提供了經(jīng)濟合理、切實可行的技術(shù)路徑。

從工程應(yīng)用實踐來看，國內(nèi)已有多家銅冶煉企業(yè)在渣緩冷場新建或升級改造項目中，采納本方案的核心技術(shù)思路并落地實施。從已投產(chǎn)項目的運行反饋可知，相關(guān)企業(yè)渣緩冷設(shè)備的自動化控制水平得到顯著提升，緩冷場作業(yè)調(diào)度的精細化管理能力與應(yīng)急響應(yīng)效率大幅優(yōu)化，渣緩冷生產(chǎn)作業(yè)的整體效能（含場地利用率、緩冷周期穩(wěn)定性）實現(xiàn)較大幅度改善。這一應(yīng)用成果充分驗證了本方案的工程適用性與實踐價值，可為銅冶煉行業(yè)同類緩冷場的智能化改造提供直接參考，具備進一步推廣應(yīng)用的潛力。

———— 物流技術(shù)與應(yīng)用融媒 ————

編輯、排版：王茜

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