铜冶炼渣缓冷全流程智能管控系统应用研究.pdf
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1、第 38 卷 第 1 期2024 年 2 月有色设备NONFERROUS METALLURGICAL EQUIPMENTVol.38 No.1Feb.2024铜冶炼渣缓冷全流程智能管控系统应用研究金泽志1,程摇 凯2,屈上林2,李摇 明2(1.铜陵有色金属集团股份有限公司 金冠铜业分公司,安徽 铜陵 244000;2.北京宸控科技有限公司,北京 102200)摘摇 要 渣缓冷工序是火法炼铜工艺必不可少的环节之一,随着熔炼渣处理的工艺、资源回收和安全管控需求的提升,渣缓冷处理系统亟待智能化升级。本文分析渣缓冷处理工艺的特点,给出了全流程智能化改造的适配条件,通过 5G 通讯网络、门式起重机和电动
2、平车智能化管控等关键技术,实现了渣包转运全流程的自主运行和智能控制,项目实施后操作人员减少了近 60%,渣包平均缓冷周期缩短 7%以上,取得了较好的经济效益。关键词 铜冶炼厂;渣缓冷场;门式起重机;电动平车;智能化管控;火法炼铜中图分类号 TF811摇 摇 摇 文献标志码 A摇 摇 摇 文章编号 1003-8884(2024)01-0056-06DOI:10.19611/11鄄2919/tg.2024.01.009收稿日期 2023-10-06第一作者 金泽志(1973),男,安徽桐城人,大学本科,主要从事有色金属火法冶炼和生产管理工作。引用格式 金泽志,程凯,屈上林,等.铜冶炼渣缓冷全流程智
3、能管控系统应用研究J.有色设备,2024,38(1):56-61+67.0摇 引言随着铜矿资源紧缺和铜价的攀升,通过技术创新来提高铜资源的回收率得到广泛关注1,2,火法炼铜的过程中会产生大量的熔融态炉渣,通常蕴合铜金银铁等有价元素3。铜冶炼后的熔炼渣通常采用电炉贫化和渣选矿等处理工艺。国内主要以选矿法为主,大多数铜冶炼厂为了适应渣选矿建设了渣缓冷场及配套设施,该方面具有能耗低、回收率高的特点,能够进一步提高资源综合利用率,增加企业的经济利益4-6。在铜冶炼渣缓冷工艺及生产实践中,存在缓冷效果差、缓冷管理制度复杂和安全风险高等问题7-9,同时,铜渣缓冷过程是一个涉及液固相变的复杂过程,肖瑶10、
4、王旭成等11分析了渣包缓冷过程中温度和液态渣占比变化规律的研究,张恒星等12研究了夏季和冬季工况铜渣缓冷制度下的热场分布情况。渣缓冷场运行需充分考虑渣缓冷场占地、渣包运输和翻包、渣包数量及安全生产等多方面的因素,何峰13、高磊14和姚书俊15充分考虑了缓冷场设计原则和注意事项,提出了渣包排布、设备配置及新技术应用的相关建议并进行实践应用。随着电气自动化和新一代信息通信技术的不断发展与进步,在有色冶炼熔炼渣处理过程中,渣缓冷自动化控制技术及相关系统得到了研究和实践16-18,与渣缓冷具体工艺相适配的设备自动化控制和智能化管控,成为铜冶炼渣缓冷智能化改造升级的关键技术。本文结合某铜冶炼厂渣缓冷场全
5、流程智能管控的需求,将 5G 无线通信网络和自动化控制、智能化管控、状态及故障监测等系统全面应用到渣缓冷场的改造升级中,通过项目的研究和实施应用,达到了其建设预期效果。1摇 渣处理全流程工艺及技术方案研究1郾 1摇 渣包车运输和翻包作业模式铜冶炼厂渣包转运采用专有渣包车进行渣包运输和翻包作业13,在年产 20 万 t 阴极铜的冶炼能力下,按照典型配置,此方案需要配置 3 台渣包车和220 个 12 m3左右的渣包,才能实现熔炼渣的转运和翻包处理。为了运输熔融状的大型渣包,与之相匹配的渣包车体积较大,其特殊的结构致使在运行过程中驾驶员视线范围较小且渣包车速度较快,通常在冶炼厂需要设置专用的封闭式
6、渣包车运输通道来保障铜渣运输过程中的效率和安全,其总体布局如图 1所示。渣包车在缓冷场运行模式的设计计算可以得图 1摇 渣包车运输和翻包作业模式下间隔布局的渣缓冷场示意摇出,整个缓冷场中渣包占地比例仅为 45%左右,但渣包车可以适应不规则的场地且能适度爬坡和转弯,场地适应性好。在智能化和无人化控制方面,渣包车一般在缓冷场通道端头翻包,由于多点运输且运行路径存在重叠和会车的情况,国外多采用智能化调度方案,进而实现渣包智能化和无人转运作业仍存在诸多困难。1郾 2摇 门式起重机和渣包车的模式结合门式起重机、渣包车、电动平车各自的优缺点,通过优化缓冷场布置方式,提出门式起重机和渣包车相结合的渣包运输和
7、翻包模式13,该方案是采用渣包车将渣包从接渣点运输至渣缓冷场指定位置,再由起重机进行吊运和翻包作业。按照年产20 万 t 阴极铜的冶炼产量规模,采用门式起重机和渣包车的模式需配置3 台渣包车、1 台起重机和4 台移动式喷洒车,其总体布局如图2 所示。图 2摇 门式起重机和渣包车模式下密集排布的渣缓冷场示意摇门式起重机和渣包车协同运输模式设计可以看出,采用该方案的渣缓冷场渣包密集排布,相比单一采用渣包车运输和翻包作业模式下的间隔布局,可节省场地约 60%。同时,该方案采用了移动式喷洒车进行移动喷淋,移动式喷洒车是近几年发展起来的一种喷淋方式,该喷淋形式能够适应渣包密集排布的场地,并能够有效克服固
8、定喷淋阀门多、维护工作量大的缺点。但在智能化和无人化方面,渣包转运过程中采用了渣包车的运输模式,其运输线路灵活多变,目前缺乏有效的渣包车智能化无人转运作业方案和实践案例。1郾 3摇 门式起重机和电动平车模式综合考虑以上2 种模式,可采用门式起重机和电动平车配合的渣包转运模式,该方案是从接渣口到缓冷场铺设36 V 低压供电轨道,采用电动平板车将渣包从接渣点运输至渣缓冷场指定位置后,再由门式起重机将渣包吊运至指定包位进行缓冷和翻包作业。在年产 20 万 t 阴极铜的冶炼产量规模下,按照门式起重机和电动平车运行方案设计,此方案需配置 6 8 台电动平板车和 3 台起重机,其总体布局如图 3 所示。图
9、 3摇 门式起重机和电动平车模式下分区布局的渣缓冷场示意图摇门式起重机和电动平车模式条件下的分区布局,相比渣包车运输和翻包作业模式下的间隔排布,可节省场地约 40%,同时,整个抓包转运和翻包过程采用了固定线路运输配合起重机转运,全流程具有完整的物料运输目标、明确的可控性和确定性,为自动化控制和智能化调度管控提供了有利的工艺条件和应用途径。1郾 4摇 渣缓冷智能化工艺适配选择以某铜冶炼厂的双闪厂区和奥炉厂区的渣缓冷场运行的实际需求设计估算,采用门式起重机和电动平车的分区布局投资最少,运行成本只有 8 1075金泽志等:铜冶炼渣缓冷全流程智能管控系统应用研究元/t,但该模式下人员配置达到 34 人
10、。门式起重机和渣包车模式下密集排布的渣缓冷场占地面积最省,只有 11 000 m2左右,而渣包车运输和翻包作业模式下间隔布局缓冷场占地面积高达 17 000 m2,且运行成本高达 24 元/t 左右,但人员配置只有 13 人。因此,通过渣缓冷场设计方案比较可以得出,若能通过智能化改造,将门式起重机和电动平车的人员配置降低,将是降低渣缓冷投资和运行成本的关键16-18。某铜冶炼厂在初步设计阶段经过广泛考察交流和详细科学论证,最终吹炼炉渣采取了门式起重机和电动平车的配置方式,自 2018 年 5 月投产以来,虽然系统运行稳定且成本可控,但在渣包吊运和翻包过程中,员工的作业环境差、劳动强度大,存在一
11、定的安全隐患;喷淋水采用单元控制,延长了渣包的运转周期并降低了渣包的使用效率;自动化程度低、人员配置多;渣缓冷终点判断不精准、尾矿含铜较高等不足。因此,亟待建设基于新一代信息技术的全流程智能化管控系统。2摇 基于 5G 的渣缓冷智能化关键技术2郾 1摇 渣缓冷场智能化建设的总体需求结合某铜冶炼厂渣缓冷工艺现场的实际需求,全流程智能管控系统建设内容由 5G 无线通信网络、起重机自动控制系统、喷淋水自动控制系统、电动平车和电动转台自动控制系统、状态及故障监测系统等 5 个子系统组成。渣缓冷场智能化建设的总体需求如下。1)通过对渣缓冷工艺全流程的三维建模,实现缓冷场区域关键设备设施及渣包的场景虚拟管
12、控和数字孪生。2)采用起重机利用精确定位和自动控制运行技术,实现自动取包、自动放包、自动挂钩和自动倒渣等功能。同时,建立电动平车与起重机系统间的联锁机制,实现渣包有轨运输与起重机吊运的无缝衔接。3)渣包落地后自动识别包位信息、记录初始状态和时间,基于红外热成像技术,起重机行驶过程中可通过红外测温扫描仪实时采集渣包外表壁温度信息,为热态渣包自然冷却和喷淋水冷的时间段提供判断依据,自动化控制喷淋阀组开关和运行状态。4)采集不同季节的渣包温度信息,通过自主学习、计算模拟渣包缓冷温度曲线,当渣包缓冷达到标准温度后,渣包倾翻系统自发提醒,降低渣包缓冷时长。5)在翻包过程中,起重机通过自动挂脱钩技术实现渣
13、包的自主挂钩、倒水、倾翻及脱钩的系列动作。6)整个渣包吊运及倾翻过程通过自动化控制系统和智能管控平台,实时监控所有系统运行装和故障预警信息,平台集成视频监控系统,全流程智能化管控渣缓冷场的运行。渣缓冷场智能化建设最终将达到以下目标。1)提高渣缓冷工艺的自动化控制水平,减少员工在缓冷场内作业的时间和概率,改善员工的工作环境,提高现场安全性。2)实现渣包精准定位,由起重机自动吊运至指定地点,运行过程稳定、可控,杜绝了在人为操作时,因渣包碰撞到喷淋水支架或包位摆放错误等主观性因素带来的误操作现象。3)通过对渣包温控建模,实时监测渣包整个自然冷却、水冷周期的温度变化,结合大数据分析,得到不同情况下铜的
14、回收率,反推找出最佳的缓冷温度,提高铜的综合回收率。4)根据渣包温控模型,结合大数据分析,智能判断炉渣的自然冷却终点,实现自动控制喷淋系统的打开或关闭,杜绝人工操作时因判断失误而引起炉渣放炮现象,确保设备和人身安全,提高缓冷效率。5)通过对渣包温度的监控,能适时反馈渣包各部位的温度变化,根据温变异常来判断渣包内壁的受损状况,对受损部位进行及时修复,既有利于提高渣包的使用寿命,又能杜绝熔体炉渣泄漏的事故发生。6)所有设备的状态及故障信息、视频信号将通过无线通信网络,通过智能管控平台集中管理,为管理者提供设备实时运行状态、故障预警和维修保养等指标信息。2郾 2摇 门式起重机自动控制系统研究1)智能
15、定位技术。为增加起重机定位的可靠性,在大车和小车位置新增了 1 套激光测距仪,结合条形编码尺传感器和电机绝对值编码器,组成双定位系统,结合自动控制算法,实现大、小车的定位精度不大于 3 cm。2)自动挂钩翻包技术。为了实现门式起重机的自动翻包功能,设计研制了起重机自动挂脱钩装置,该装置由副钩起升高度定位系统、自动旋转机构、挂钩及导向机构等 3 个子系统系统组成,自动挂85有色设备摇 2024 年第 1 期钩倒渣过程示意图如图 4 所示。图 4摇 自动挂钩倒渣过程示意摇通过自动挂脱钩装置及自动化控制技术,起重机在进行翻包倒渣挂脱钩时实现了自动化作业,现场工作无需人员辅助操作,进一步减少了现场人员
16、和远程控制人员的工作负荷。3)智能控制技术。起重机自动控采用“专用控制器+变频器冶的控制单元,根据记录的渣包脱钩时位置信息,通过远程控制中心实时计算起重机运行的目标位置,控制系统将控制起重机大、小车运行,结合辅助挂钩装置实现安全吊装渣包和自动倒渣的全过程自动化。系统集成了渣包智能调度管理功能,系统对渣包位进行编号,通过起重机的位置信息判断渣包号,再通过起重机的运动状态、重量和温度来判断包位状态信息。起重机在自动放包、取包和倒渣过程中,通过每个渣包的包位状态信息来完成渣包调度管理。2郾 3摇 电动平车定位及智能控制技术1)电动平车定位。考虑到现场工况环境和关键点可靠定位的需求,在电动平车上安装连
17、续定位系统,且通过 RFID 标签识别卡进行位置校准,电动平车定位状态和位置需要实时与远程操作平台同步。2)电动平车智能控制。电动平车智能控制由远程操作单元、核心控制单元、电平车控制器、电动门控制器和电动转台控制器组成。远程操作单元能够采集来自于控制台上的按键、按钮和手柄的指令封装处理;核心控制单元根据控制台的指令或者业务流程需要自行组装电平车启停/运行、电动门开关和电动状态换轨的指令;电平车控制器能够控制电动门开关并负责获取电平车的负载信息、故障信息、设备状态信息,并按照指令控制电平车启停/运行;电动门控制器实时监控电动门的状态信息、故障信息等;电动转台控制器实现电动转台换轨控制并实时采集电
18、动转台的状态信息、故障信息等信息。2郾 4摇 渣包温控模型与喷淋水控制通过红外测温扫描仪实时监测渣包的温度,在喷淋水控制系统的主控制器上建立渣包温控模型,预判自然冷却和水冷时间,喷淋水控制系统实时计算出最优的喷淋时间,实现喷淋水的全自动控制,整体缩短缓冷时间。渣包温控模型与喷淋水自动控制系统,能够提升渣包缓冷效率和铜的综合回收率,避免渣包放炮率的安全事故。3摇 渣缓冷全流程管控系统功能及实现3郾 1摇 基于 5G 无线通信技术的网络应用基于 5G 无线通信技术的网络系统能满足不断增长的数据传输需求,其高数据速率、低延迟、大连接数、广域覆盖与高速移动性以及频谱效率提升等特性,满足了渣缓冷场全流程
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- 冶炼 渣缓冷全 流程 智能 系统 应用 研究
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