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摘要：本文针对铜冶炼渣缓冷场工艺，提出了一套智能化解决方案。该方案中的智能渣缓冷场由三台双悬臂冶金门机、六台电动平车及喷淋系统组成。门机轨道的中间矩形缓冷场区域分为三部分存放渣包，门机轨道的两侧分别为电动平车运行区域、倒渣区域。工艺流程如下：电动平车通过带有岔道的平行轨道循环运行到接渣口接取渣包，然后由门机吊运至缓冷场区进行存放，渣包经过喷淋系统降温后，再由门机吊运渣包至倒渣区进行翻包倒渣。整个铜冶炼渣缓冷场工艺通过上位机调度系统实现全过程无人化、智能化作业，为铜冶炼行业智能化升级提供了可行的技术路径。
关键词：渣缓冷场；冶金门机；电动平车；调度控制
作者：刘小辉
中国恩菲工程技术有限公司
一
引言
铜火法冶炼产生的炉渣通常含有少量铜等有价金属，通过渣缓冷工艺可以完成有价金属的最大化回收，实现资源高效利用。国内原有铜冶炼厂渣缓冷作业多以人工操作设备为主，简单的自动控制设备辅助，近年来，随着智能工厂建设逐步推进，渣缓冷工艺的自动化与智能化水平显著提高，部分企业已在远程遥控技术、全自动设备、精确定位、机器视觉、优化调度控制等技术领域开展了广泛深入的应用。本文针对电动平车运输渣包、冶金门机吊运渣包与翻包工艺，探讨渣包转运、冶金门机作业以及喷淋水系统的全自动化控制，以期实现渣缓冷场的智能化运行。
二
铜冶炼渣缓冷场概述
目前，铜火法冶炼渣缓冷场工艺主要有两种模式。第一种是人工驾驶抱罐车作业，抱罐车的两个货叉托举渣包的两个耳轴进行运输；将接满热熔渣的渣包送往缓冷场进行摆放到位后，按照缓冷工艺流程进行冷却（喷淋系统阀门一般由人工远程控制或现场手动控制）；缓冷完成后，再由人工驾驶抱罐车把渣包送至渣场进行翻包倒渣。该方式全程需要人工参与，渣缓冷场的渣包存在爆炸的风险，有非常大的安全隐患。第二种是通过人工遥控有轨电动平车运载空包至卸渣口接渣后，将其送往缓冷场，再由人工操作冶金门机吊运渣包至缓冷场内进行摆放，并按照缓冷工艺流程进行冷却（喷淋控制方式同上）；缓冷完成后，的渣包需要翻包倒渣时，再由人工操作冶金门机将渣包吊运至倒渣区翻包倒渣，之后把空包装载到电动平车，人工遥控操作电动平车再次去卸渣口接渣；该方式仍然是多人工交叉作业，同样存在安全隐患。
铜冶炼渣一般采用先冷却、后选矿的工艺进行处理，以进一步回收渣中的铜，这种渣冷却的过程叫作缓冷，共分为两个阶段：第一阶段为自然缓冷，将装有熔融炉渣（温度＞1300℃）的渣包在渣缓冷场先放置2～8小时，直至炉渣温度达到1050℃左右，这一过程不需要喷淋等降温手段，反而需要使炉渣尽可能缓慢地降温，从而给渣中的含铜小颗粒物料有更多的时间长成大颗粒，以利于后面的选矿；第二阶段是喷淋冷却，通过间歇或连续喷淋方式对渣包中的炉渣进行降温，待炉渣冷却到安全温度后，将渣包中的渣倒出并送去选矿系统处理。
三
智能渣缓冷场方案
为了提高渣缓冷自动化与智能化作业水平，减少生产期间岗位工进入缓冷区的频次，改善岗位工作业环境并降低劳动强度，本文提出了以冶金门式起重机（简称“冶金门机”）、电动平车、智能喷淋系统作为主要设备的智能渣缓冷场方案，如图1所示。该方案通过上位机软件与卸渣口实现联锁动作，实现全过程无人化作业。调度多台电动平车，通过带有岔道的两组平行轨道实现循环空包接渣与满包倒运，三台冶金门机根据调度任务实现连续自动作业，喷淋系统则根据渣包摆放情况和缓冷周期自动进行喷淋。
图1 智能渣缓冷场方案
本方案将常规的人工操作提升为全过程自动化作业，岗位工由现场手动操作升级为远程监控，即自动化产线负责正常生产，岗位工负责故障排查和常规检修，从而降低了人工现场作业的时间，提高了接渣、喷淋的作业效率和安全性，同时对缓冷场的所有渣包状态、喷淋过程、接渣、翻包倒渣的全过程进行了数字化管理。
1.冶金门机
冶金门机用于渣缓冷场内渣包吊运，包括热熔体渣包（如侧吹炉熔融渣，温度约1250℃）吊运、缓冷包吊运、翻包倒渣（固态渣）。冶金门机在室外运行，其设计充分考虑渣包缓冷过程存在灼热高温，含有少量SO2气体、烟尘；还存在喷淋水雾，偶尔可能还有炉渣爆溅与高温熔体溅落（接触温度可达800℃）等情况。冶金门机具备驾操、远程手动控制与全自动操作等多种模式，并以自动控制为主。本方案按常规三台冶金门机，采用共轨串行方式布置；门机吊具由双板主钩和镰刀式副钩组成，如图2所示。
图2 冶金门机总图
2.电动平车
电动平车顶部平台用来放置渣包，具有弯道行驶能力，可以通过岔路口进行换轨行驶。如图3所示，电动平板车由车架（台车四周设置防喷溅隔热层及防倾斜装置）、模块化绝缘车轮组、三合一硬齿面变频制动减速电机、车轮受电器、拉簧式轨道受电器及清轨器、升压变压器、辅助电源、事故牵引装置、车载电控系统、声光报警器等组成。电动平车采用轨道实现不间断持续供电，通过无线模块实现与上位机软件的信息交互，并自带电池，确保在轨道生锈或者接缝处，轨道供电不连续时，可以通过电池供电。
图3 电动平车结构
3.智能喷淋
智能喷淋系统控制几十台气动开关球阀的开闭。如图4所示，控制器采用PLC，配有DI、DO和AI扩展模块，并控制气动球阀的开关，采集阀门的开到位和关到位信号、管道压力和流量信号。柜内中间继电器采用具有强制吸合作用继电器，每路模拟量输入均配有信号隔离模块，接线端子均具有插拔功能。缓冷喷淋PLC与智能生产管理系统采用有线网络通讯，可以实现手动、自动模式的缓冷场喷淋。
图4 出库流程示意图
四
智能渣缓冷场工艺流程
1.空渣包、满渣包转运流程
如图1所示，电动平车的两组平行轨道分别正对着两个卸渣口，规定正对1、正对2；电动平车携带空包在空包轨道排队到达卸渣口前“X”道岔口前等待，当1，空包轨道排队在前面的电动平车携带空渣包进入1；当2，可以直接沿着满包轨道送往缓冷场；在满包轨道上携带满渣包的电动平车，根据上位机调度任务，按照顺序为三台门机依次送满渣包，按照优先为远端的3，防止出现在1；三台冶金门机分别在自己的工作区域内工作，当满渣包在三个区域分别被门机吊起送往缓冷场后进行自动喷淋缓冷，空的电动平车分别沿着当前区域的道岔进入到空包轨道等待；当缓冷场内有缓冷时间到期的渣包出现后，上位机软件会调度门机把缓冷好的渣包吊运至渣池上方进行翻包倒渣，然后把空渣包送至当前区域在空包轨道等待的电动平车进行装载，优先装载1，防止出现空包轨道堵塞。
电动平车和冶金门机实现了渣包的“空渣包接渣—满渣包转运—热包缓冷—冷包翻包—空包装车”的循环调用，利用放渣口装满一个渣包的时间预计为10～15分钟的间隙时间内，实现两个卸渣口空渣包和满渣包的互换，确保在两个卸渣口在间隙时间内同时要有两个渣包到位才能确保生产安全，一个卸渣口卸渣装包、另一个卸渣口空渣包等待。
2.冶金门机控制
渣缓冷场的冶金门机吊运渣包的流程如图5所示。电动平车载着满渣包沿着满包轨道运行至缓冷场指定吊装位后，由门机将满包吊运至缓冷场存储；待渣包完成缓冷，再由冶金门机吊运至渣场进行翻包倒掉；空渣包或者缓冷场内的空渣包，通过冶金门机吊运至电动平车，由其送至接渣口接渣。本方案选用双悬臂冶金门机，其轨道的中间区域用来为渣包存放区；一侧悬臂端下方覆盖区域为电动平车轨道，冶金门机的小车携带吊钩可以运行至电动平车上方对渣包进行吊运；另一侧悬臂下方覆盖区域为渣池，冶金门机小车将完成缓冷的渣包吊运至渣池上方并进行翻包倒渣。
图5 渣缓冷冶金门机侧视图
本方案中三台冶金门机以共轨串联方式布置在缓冷场，主要承担两项任务，把热包从电动平车吊起送入缓冷场摆放，以及将缓冷好的渣包吊至渣池上方翻包倒渣。为了提高整体作业效率，系统需要均衡三台冶金门机的工作负荷；并确保三台门机与电动平车连续交互，减少门机等待电动平车、平车等待冶金门机的情况出现。此外，由于单台冶金门机自重在百吨以上，为降低大车移动频次，提升运行效率，作业中应尽量依靠门机小车移动作业。
本方案中渣缓冷场分为三个存储区域，每个区域设置一台冶金门机。如图6所示，在各自的存储区域内，冶金门机大车每次运行至一列渣包正上方后，通过小车沿着渣包列方向来回移动即可，直至把当前列的渣包吊运空渣包替换为满渣包后，再让冶金门机的大车运行至下一列。
图6 渣包吊运顺序图
3.电动平车控制
本智能缓冷场方案具有两个放渣口，通过双向溜槽进行交替放渣；两组平行轨道通过5个道岔进行连接，形成三个循环回路，多台电动平车根据调度系统的任务要求，在循环回路中交替实现空包接渣、满包转运，电动平车的运行路线可以简化为如图7所示。
图7 电动平车轨道简化图
在正常状态下，两个卸渣口应该各停有一辆电动平车，例如，当1，2，等待溜槽切换；1，沿着交叉轨道运行至热包轨道向前运行至缓冷场，根据调度软件的要求，由指定的门机把热渣包吊运进入缓冷场进行缓冷，空的电动平车沿着缓冷区分支轨道进入空包轨道，等待冶金门机把缓冷场内翻包后的空包装载到空车上，然后运行至卸渣口前“X”轨道处排队等待出现卸渣口空位；如果是1，则携带空包的电动平车沿着空包轨道直接向前运行至1；如果2，则携带空包的电动平车沿着“X”型轨道道岔，由空包轨道运行至满包轨道后，再到达2。
4.喷淋系统控制
渣包按照四个一组摆放在缓冷场中，根据缓冷工艺要求，每组热渣包需要经过空气冷却、间断喷淋、连续喷淋进行降温缓冷完成后，才能让冶金门机把渣包进行翻包倒渣。因此，首先需要每一个渣包的当前状态通过上位机软件系统进行记录和识别，才能准确对每个渣包进行精准喷淋，否则会出现对热渣包进行喷淋的危险动作造成炸包风险；其次，喷淋系统的间断喷淋、连续喷淋需要对喷淋阀的控制进行时间记录，按照喷淋工艺要求的时间定时进行开关指定的阀门；最后，由于每一组渣包到达缓冷场的时间不同，其缓冷启动的时间不同，因此，上位机调度管理系统需要对每一组渣包进行独立的喷淋逻辑控制。
五
智能渣缓冷调度管理系统
1.通信、视频与控制系统
智能渣缓冷调度管理系统的硬件由电脑、服务器、交换机、无线基站、车载无线模块、摄像头等组成，系统分为远程控制中心端、渣缓冷场、通信网络三部分。其中，远程控制中心端主要包括显示层和操作层，显示层实现各类状态数据的监测、视频界面显示，操作层主要是控制指令下发，包括手柄/按钮操作单元/图形操作单元；控制系统与视频系统为两套相互独立的系统，防止控制信号受到视频信号的干扰，造成信息传递受阻。如图8所示，为渣缓冷系统的视频和通信系统架构图。
图8 通信及视频系统架构图
智能渣缓冷场的软件调度管理系统主要包括感知层、决策层、控制层、执行层：感知层主要由摄像头、大小车编码尺，绝对值旋转编码器等组成，用来感知位置、重量、设备状态等信息；决策层由各种自动化功能算法制定控制策略软件层面实现；执行层主要执行控制策略，通过对接起重机、电动平车的控制协议和接口，实现起重机自动控制、自动喷淋水控制和电动平车自动控制，电机、变频器、电动球阀等执行机构的状态可以通过感知层获得，实现闭环控制。
智能渣缓冷场的设备控制系统由冶金门机控制系统、电动平车控制系统、喷淋水系统组成。冶金门机控制系统采用云台变焦摄像技术、智能遥控技术、定位技术，精准确定起重机大车、小车、吊钩实时位置信息，根据位置信息和视频信号，进行自动挂钩，实现远程遥控模式下的自动取包、自动放包、自动倒渣功能。每台电动平车均自带独立的控制系统，通过无线模块接收上辅机下发的命令、向上位机发送当前运行的状态信息；电动平车采用轨道供电，同时车载蓄电池，可以边运行边供电，在运行轨道出现断轨和锈蚀断电时进行供电，可以实现无线持续供电；采用激光和RFID组合方式实现精准定位；采用防碰撞激光雷达进行防撞检测，防止运行过程中与其他车辆或者障碍物发生碰撞；多台电动平车并按照作业逻辑，通过WCS调度软件，进一步实现电动平车与起重机的自动化协同。喷淋系统通过上位机软件进行精准记录每一个渣包接渣的状态，根据控制工艺自动对喷淋阀进行启动和关闭，实现全缓冷场的蓄水池给水、缓冷喷淋、喷淋水收集的全过程管控。
2.调度管理过程
如图9所示，智能渣缓冷调度管理系统通过车间级或者厂级MES等上层管理系统，下达生产任务至缓冷场。冶炼厂生产需要放渣时，上层管理系统向WMS管理系统下发接渣任务，WMS系统分解任务给WCS调度系统，WCS系统根据生产节拍和设备运行情况，生成接渣任务单，各任务单中明确了各设备（电动平车、冶金门机、喷淋阀门等）的启动和运行起止点和接驳联锁逻辑，系统根据溜槽的实时排渣状态，自动调度电动平车接渣、冶金门机吊运（将高温渣包存入缓冷场，将冷却完成的渣包吊至渣池翻包）。。在此调度管理过程中，上位机向各设备下达指令，设备执行机构响应动作，并将实时状态反馈给控制器，由控制器判定指令完成情况，形成闭环控制。
图9 控制系统通讯连接图
六
应用效果
某冶炼厂缓冷场经以“电动平车+冶金门机”智能化转运系统替代传统抱罐车、配套喷淋系统自动化升级及全流程数字化管理为核心的智能化改造后，其运行效能与综合效益得到显著优化。针对240个渣包的转运、3个接渣口循环接渣及缓冷后翻包倒渣任务，改造前需依赖6台长度超10米的柴油抱罐车，需预留专用运行通道且拐弯半径不小于8.5米，场地占用超16500平方米；渣包喷淋需人工记录、现场手动开阀，单班喷淋操作与指挥人员需至少4人，总操作管理人员10人/班。
改造后通过6台电动平车承担渣包水平转运，3台冶金门机实现渣包进出缓冷场的调度管理，由于设备无需预留通道及拐弯半径，场地占用面积缩减至改造前的50%，单班操作管理人员精简至3人；同时，喷淋系统可自动记录各渣包状态并智能控制喷淋启停，实现渣包生产状态、喷淋状态及设备运行状态的全程数字化记录与追溯；且因冶金门机与电动平车替代柴油燃料驱动的抱罐车，彻底消除了尾气排放引发的空气污染，提升了绿色生产水平，还大幅节省了传统抱罐车高额的维修保养费用。该方案的应用，全面实现缓冷场在土地集约利用、人力成本控制、管理精细化及环保运维优化等方面的跨越式提升。
七
结论
本论文设计的一套铜冶炼智能渣缓冷场设备调度与管理方案，核心在于构建冶金门机、电动平车与喷淋系统的协同控制架构，并依托上位机调度系统实现缓冷场全过程无人化、智能化作业。方案通过简化道岔结构优化电动平车运行路径，在降低设备配置复杂度的同时提升了周转效率；通过制定冶金门机分区调度策略，进一步完善其与电动平车的协同作业逻辑，减少交叉作业干扰；结合喷淋过程精准控制与全流程数字化管理，形成覆盖“转运－缓冷－管控”的闭环式作业体系。该方案技术路线简洁、可操作性强，为铜冶炼行业渣缓冷环节的智能化升级提供了经济合理、切实可行的技术路径。
从工程应用实践来看，国内已有多家铜冶炼企业在渣缓冷场新建或升级改造项目中，采纳本方案的核心技术思路并落地实施。从已投产项目的运行反馈可知，相关企业渣缓冷设备的自动化控制水平得到显著提升，缓冷场作业调度的精细化管理能力与应急响应效率大幅优化，渣缓冷生产作业的整体效能（含场地利用率、缓冷周期稳定性）实现较大幅度改善。这一应用成果充分验证了本方案的工程适用性与实践价值，可为铜冶炼行业同类缓冷场的智能化改造提供直接参考，具备进一步推广应用的潜力。
———— 物流技术与应用融媒 ————
编辑、排版：王茜
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