銅冶煉智能渣緩冷場的設計與應用

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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組成。門機軌道的中間矩形緩冷場區域分為三部分存放渣包，門機軌道的兩側分別為電動平車運行區域、倒渣區域。工藝流程如下：電動平車通過帶有岔道的平行軌道循環運行到接渣口接取渣包，然后由門機吊運至緩冷場區進行存放，渣包經過噴淋系統降溫后，再由門機吊運渣包至倒渣區進行翻包倒渣。整個銅冶煉渣緩冷場工藝通過上位機調度系統實現全過程無人化、智能化作業，為銅冶煉行業智能化升級提供了可行的技術路徑。

關鍵詞：渣緩冷場；冶金門機；電動平車；調度控制

作者：劉小輝

中國恩菲工程技術有限公司

一

引言

銅火法冶煉產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，實現資源高效利用。國內原有銅冶煉廠渣緩冷作業多以人工操作設備為主，簡單的自動控制設備輔助，近年來，隨著智能工廠建設逐步推進，渣緩冷工藝的自動化與智能化水平顯著提高，部分企業已在遠程遙控技術、全自動設備、精確定位、機器視覺、優化調度控制等技術領域開展了廣泛深入的應用。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，探討渣包轉運、冶金門機作業以及噴淋水系統的全自動化控制，以期實現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，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（噴淋系統閥門一般由人工遠程控制或現場手動控制）；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，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，反而需要使爐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水平，減少生產期間崗位工進入緩冷區的頻次，改善崗位工作業環境并降低勞動強度，本文提出了以冶金門式起重機（簡稱“冶金門機”）、電動平車、智能噴淋系統作為主要設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聯鎖動作，實現全過程無人化作業。調度多臺電動平車，通過帶有岔道的兩組平行軌道實現循環空包接渣與滿包倒運，三臺冶金門機根據調度任務實現連續自動作業，噴淋系統則根據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

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

1.冶金門機

冶金門機用于渣緩冷場內渣包吊運，包括熱熔體渣包（如側吹爐熔融渣，溫度約1250℃）吊運、緩冷包吊運、翻包倒渣（固態渣）。冶金門機在室外運行，其設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、聲光報警器等組成。電動平車采用軌道實現不間斷持續供電，通過無線模塊實現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，軌道供電不連續時，可以通過電池供電。

圖3 電動平車結構

3.智能噴淋

智能噴淋系統控制幾十臺氣動開關球閥的開閉。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，采集閥門的開到位和關到位信號、管道壓力和流量信號。柜內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與智能生產管理系統采用有線網絡通訊，可以實現手動、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1，空包軌道排隊在前面的電動平車攜帶空渣包進入1；當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，根據上位機調度任務，按照順序為三臺門機依次送滿渣包，按照優先為遠端的3，防止出現在1；三臺冶金門機分別在自己的工作區域內工作，當滿渣包在三個區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前區域的道岔進入到空包軌道等待；當緩冷場內有緩冷時間到期的渣包出現后，上位機軟件會調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前區域在空包軌道等待的電動平車進行裝載，優先裝載1，防止出現空包軌道堵塞。

電動平車和冶金門機實現了渣包的“空渣包接渣—滿渣包轉運—熱包緩冷—冷包翻包—空包裝車”的循環調用，利用放渣口裝滿一個渣包的時間預計為10～15分鐘的間隙時間內，實現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同時要有兩個渣包到位才能確保生產安全，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，其軌道的中間區域用來為渣包存放區；一側懸臂端下方覆蓋區域為電動平車軌道，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；另一側懸臂下方覆蓋區域為渣池，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 渣緩冷冶金門機側視圖

本方案中三臺冶金門機以共軌串聯方式布置在緩冷場，主要承擔兩項任務，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。為了提高整體作業效率，系統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。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，作業中應盡量依靠門機小車移動作業。

本方案中渣緩冷場分為三個存儲區域，每個區域設置一臺冶金門機。如圖6所示，在各自的存儲區域內，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，形成三個循環回路，多臺電動平車根據調度系統的任務要求，在循環回路中交替實現空包接渣、滿包轉運，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

在正常狀態下，兩個卸渣口應該各停有一輛電動平車，例如，當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，根據調度軟件的要求，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分支軌道進入空包軌道，等待冶金門機把緩冷場內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.噴淋系統控制

渣包按照四個一組擺放在緩冷場中，根據緩冷工藝要求，每組熱渣包需要經過空氣冷卻、間斷噴淋、連續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前狀態通過上位機軟件系統進行記錄和識別，才能準確對每個渣包進行精準噴淋，否則會出現對熱渣包進行噴淋的危險動作造成炸包風險；其次，噴淋系統的間斷噴淋、連續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，上位機調度管理系統需要對每一組渣包進行獨立的噴淋邏輯控制。

五

智能渣緩冷調度管理系統

1.通信、視頻與控制系統

智能渣緩冷調度管理系統的硬件由電腦、服務器、交換機、無線基站、車載無線模塊、攝像頭等組成，系統分為遠程控制中心端、渣緩冷場、通信網絡三部分。其中，遠程控制中心端主要包括顯示層和操作層，顯示層實現各類狀態數據的監測、視頻界面顯示，操作層主要是控制指令下發，包括手柄/按鈕操作單元/圖形操作單元；控制系統與視頻系統為兩套相互獨立的系統，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，為渣緩冷系統的視頻和通信系統架構圖。

圖8 通信及視頻系統架構圖

智能渣緩冷場的軟件調度管理系統主要包括感知層、決策層、控制層、執行層：感知層主要由攝像頭、大小車編碼尺，絕對值旋轉編碼器等組成，用來感知位置、重量、設備狀態等信息；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；執行層主要執行控制策略，通過對接起重機、電動平車的控制協議和接口，實現起重機自動控制、自動噴淋水控制和電動平車自動控制，電機、變頻器、電動球閥等執行機構的狀態可以通過感知層獲得，實現閉環控制。

智能渣緩冷場的設備控制系統由冶金門機控制系統、電動平車控制系統、噴淋水系統組成。冶金門機控制系統采用云臺變焦攝像技術、智能遙控技術、定位技術，精準確定起重機大車、小車、吊鉤實時位置信息，根據位置信息和視頻信號，進行自動掛鉤，實現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，通過無線模塊接收上輔機下發的命令、向上位機發送當前運行的狀態信息；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，在運行軌道出現斷軌和銹蝕斷電時進行供電，可以實現無線持續供電；采用激光和RFID組合方式實現精準定位；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生碰撞；多臺電動平車并按照作業邏輯，通過WCS調度軟件，進一步實現電動平車與起重機的自動化協同。噴淋系統通過上位機軟件進行精準記錄每一個渣包接渣的狀態，根據控制工藝自動對噴淋閥進行啟動和關閉，實現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.調度管理過程

如圖9所示，智能渣緩冷調度管理系統通過車間級或者廠級MES等上層管理系統，下達生產任務至緩冷場。冶煉廠生產需要放渣時，上層管理系統向WMS管理系統下發接渣任務，WMS系統分解任務給WCS調度系統，WCS系統根據生產節拍和設備運行情況，生成接渣任務單，各任務單中明確了各設備（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鎖邏輯，系統根據溜槽的實時排渣狀態，自動調度電動平車接渣、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）。。在此調度管理過程中，上位機向各設備下達指令，設備執行機構響應動作，并將實時狀態反饋給控制器，由控制器判定指令完成情況，形成閉環控制。

圖9 控制系統通訊連接圖

六

應用效果

某冶煉廠緩冷場經以“電動平車+冶金門機”智能化轉運系統替代傳統抱罐車、配套噴淋系統自動化升級及全流程數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化。針對240個渣包的轉運、3個接渣口循環接渣及緩冷后翻包倒渣任務，改造前需依賴6臺長度超10米的柴油抱罐車，需預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臺電動平車承擔渣包水平轉運，3臺冶金門機實現渣包進出緩冷場的調度管理，由于設備無需預留通道及拐彎半徑，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，噴淋系統可自動記錄各渣包狀態并智能控制噴淋啟停，實現渣包生產狀態、噴淋狀態及設備運行狀態的全程數字化記錄與追溯；且因冶金門機與電動平車替代柴油燃料驅動的抱罐車，徹底消除了尾氣排放引發的空氣污染，提升了綠色生產水平，還大幅節省了傳統抱罐車高額的維修保養費用。該方案的應用，全面實現緩冷場在土地集約利用、人力成本控制、管理精細化及環保運維優化等方面的跨越式提升。

七

結論

本論文設計的一套銅冶煉智能渣緩冷場設備調度與管理方案，核心在于構建冶金門機、電動平車與噴淋系統的協同控制架構，并依托上位機調度系統實現緩冷場全過程無人化、智能化作業。方案通過簡化道岔結構優化電動平車運行路徑，在降低設備配置復雜度的同時提升了周轉效率；通過制定冶金門機分區調度策略，進一步完善其與電動平車的協同作業邏輯，減少交叉作業干擾；結合噴淋過程精準控制與全流程數字化管理，形成覆蓋“轉運－緩冷－管控”的閉環式作業體系。該方案技術路線簡潔、可操作性強，為銅冶煉行業渣緩冷環節的智能化升級提供了經濟合理、切實可行的技術路徑。

從工程應用實踐來看，國內已有多家銅冶煉企業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思路并落地實施。從已投產項目的運行反饋可知，相關企業渣緩冷設備的自動化控制水平得到顯著提升，緩冷場作業調度的精細化管理能力與應急響應效率大幅優化，渣緩冷生產作業的整體效能（含場地利用率、緩冷周期穩定性）實現較大幅度改善。這一應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，具備進一步推廣應用的潛力。

———— 物流技術與應用融媒 ————

編輯、排版：王茜

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