銅冶煉極板智能轉運運行狀況分析及優化改進

李昱民

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠, 江西 貴溪 335424）

1 引言

2018年江銅貴溪冶煉廠在工信部“銅冶煉智能工廠試點示范”項目中設立“江銅貴溪冶煉廠二系統極板智能化轉運及質檢系統”子項目［1］；貴冶熔煉車間以長年累積的冶煉技術為基礎與科大智能通力合作，建設了極板智能化轉運及質檢系統［2］；于2019年11月開始滿負荷投入生產運行。在行業內率先建立了基于智能化立體庫房的極板智能轉運及質檢系統，使極板轉運、儲存及質量檢測實現無人化和智能化管控。極板智能化轉運系統的應用提升了工廠智能化、現代化水平。

2 極板智能轉運系統主要構造介紹

貴溪冶煉廠熔煉車間二系統陽極爐工序主要由2臺630T回轉式陽極爐和一臺雙18模圓盤澆鑄機組成。精煉陽極銅由圓盤澆鑄機將高溫液態銅定量澆鑄［3］成陽極板，經圓盤冷卻系統冷卻后，由提取機抓取到水槽進一步冷卻，并輸送到水槽末端；水槽抓取機械手將陽極板取出，通過陽極板背面視覺檢測后；放入翻轉機，將陽極板從直立狀態翻轉成水平狀態，輸送至下一個工位；陽極板正面視覺檢測陽極板正面尺寸是否合格，并將結果告知上位機；再輸送至碼垛機械手工位，通過碼垛機械手夾具抓取、將單個陽極板碼垛成6塊一垛；最后由RGV通過環形軌道將陽極板垛輸送到陽極板立體庫區域。極板智能轉運系統由東、西兩條輸送線路組成；東線對應圓盤澆鑄機的1號圓盤，西線對應2號圓盤。東、西線不合格陽極板碼垛放在專機頂升旋轉臺上，通過鏈條輸送將不合格陽極板輸送到端頭，由叉車取出。

2.1 區域設備流程

極板智能轉運［4］系統的轉運過程中需要完成自動取板、轉接、稱重、外形整修、碼垛、鉆孔取樣、打包、跨車間輸送、不合格品的分離、入庫、出庫、發貨輸出、噴碼、掃碼等眾多工序功能，還需完成在線質量自動檢測功能。極板轉運系統功能多、工序繁雜。圖1為區域設備流程圖。

圖1 區域設備流程圖

工位設備功能說明：

（1）水槽機械手：通過液壓夾爪從水槽中將陽極板取出，通過陽極板背面視覺檢測后，放入翻轉機后輸送。

（2）翻轉輸送機：將陽極板從直立狀態翻轉成水平狀態，再輸送至下一個工位。

（3）陽極板視覺檢測系統：檢測陽極板正面、背面尺寸是否合格，并將結果告知上位機。

（4）帶秤重功能的鏈條輸送機：檢測陽極板重量是否合格，并將結果告知上位機。

（5）打磨機械手：對上位機告知的陽極板需要打磨區域進行打磨。

（6）噴碼機：在陽極板耳部噴碼，為9位數字。

（7）碼垛機械手：通過夾具抓取、將單個陽極板碼垛成6塊一垛。再由鏈條輸送機及液壓頂升機組成，碼垛機械手將陽極板碼放在頂升機上，碼垛完成，頂升機下降，陽極板垛落在鏈條輸送機上進行輸送。

（8）旋轉輸送機：改變輸送方向，只在提升機或地坑輸送線故障時啟用，陽極板傳輸到不合格陽極板下線機由叉車叉走。

（9）提升機：改變輸送高度，將地面上陽極板下降到地下輸送。

（10）不合格陽極板下線機：具有頂升旋轉、鏈條輸送、翻轉功能。碼垛機械手將不合格陽極板碼垛放在專機頂升旋轉臺上，通過鏈條輸送將不合格陽極板輸送到端頭，由叉車叉走。

（11）RGV及RGV檢修區域：輸送轉運功能，通過環形軌道將陽極板垛輸送到陽極板立體庫區域；RGV故障時，將RGV手動開至檢修區域或推至檢修區域，進行檢修。

2.2 控制原理介紹

WCS與電氣系統架構原理：

（1）水槽檢測到陽極板，WCS根據水槽設備待抓陽極板信息生成機械手抓取任務；

（2）機械手接收到任務后，反面視覺檢測后放到翻轉機上；

（3）WCS任務完成時獲取反面視覺檢測結果并生成稱重任務；

（4）鏈式輸送機將陽極板輸送至稱重位置，經稱重后經過三維掃描相機進行正面掃描，并將掃描結果輸送給WCS；

（5）WCS通過輸送線將合格陽極板打磨結果發送給機械手根據掃描結果對陽極板表面進行去毛刺打磨作業,不合格陽極板直接通知WMS計數，排到不合格陽極板碼垛位置；

（6）打磨后陽極板進入噴碼位置，噴碼機在陽極板掛耳上修磨平整的區域進行噴碼（數字編號）標記，噴碼作業完成后進行碼垛；

（7）碼垛后的陽極板經過輸送線外形檢測；（8）外形合格陽極板；堆垛機取陽極板入庫存儲，WMS系統更新庫存信息；

（9）外形不合格陽極板，排除異常口，WMS更新單據。

WMS: 自產陽極板入庫：機械手從水槽抓取一塊陽極板，經過背面視覺檢測，放到翻轉輸送線，輸送至正面視覺檢測工位，檢測完成后輸送至稱重工位，WCS在此位置向WMS發送請求，附帶背面檢測結果、正面檢測結果和陽極板的重量，WMS接受到請求后會做如下判斷：

（1）如果檢測結果和重量有一項不合格，WMS會給WCS發送一條到異常排出口的任務；

（2）如果每項都合格，WMS會給WCS發送一條去碼垛工位的任務。

到達碼垛工位后，機械手自動碼垛，6塊為一垛，碼垛結束后自動觸發輸送至提升機對接口，通過提升機輸送至RGV，由RGV輸送至外購區域輸送線，到達外形檢測工位，在此工位WCS向WMS發送入庫請求，WMS接受到請求后，自動分配巷道、儲位，并將帶有終點位置的任務發送給WCS ，WCS接受到任務以后驅動自動化設備將陽極板垛送至庫內對應的儲位。

3 極板智能轉運運行中出現的問題

熔煉車間陽極爐工序陽極銅產量高，生產作業周期緊湊，對圓盤澆鑄能力要求較高。極板智能轉運系統因其功能多、工位多，故障率高，陽極板轉運時間長；從而制約了圓盤澆鑄能力。極板智能轉運系統故障圓盤運行不順暢直接影響了陽極板質量。

工序通過生產實踐摸索并結合極板智能轉運性能考核對板極板智能轉運系統進行了全面的分析；系統整體運行平穩，但存在有以下幾個問題：（1）極板智能轉運系統制約了圓盤澆鑄能力；（2）極板智能轉運系統與圓盤澆鑄系統未完全融合；（3）澆鑄陽極板質量會影響極板智能轉運系統的正常運行。

針對上述問題工序通過對整個系統的全面分析，發現問題產生的原因并進行了優化改進。

3.1 極板智能轉運系統制約了圓盤澆鑄能力

為全面了解極板智能轉運系統運行情況，提高系統的工作效率，工序對極板智能轉運系統每個工位設備運行時間及設備故障發生的原因進行摸底，并進行了改進優化。表1為生產運行中設備故障統計表。通過表1可看出：設備故障點主要為工位光電限位故障及機械手夾具的變形問題。

表1 設備故障統計表

3.2 圓盤澆鑄系統與極板智能轉運系統未完全融合

極板智能轉運系統運行前，極板智能轉運操作人員與圓盤澆鑄機操作人員之間需要密切協同，信息及時溝通，協調叉車師傅在圓盤澆鑄模式下將水槽內的陽極板取出，確保無陽極板滯留水槽內。再由輔助人員將水槽光電限位和擋塊安裝好，并保證安裝位置偏差不要大于5mm。圖2為水槽光電限位和擋塊。

圖2 水槽光電限位和擋塊

每爐次都須在水槽末端安裝水槽光電限位和擋塊存在一定的安全隱患，操作繁瑣。

3.3 澆鑄陽極板對極板智能轉運的影響

精煉陽極銅經圓盤澆鑄機澆鑄成陽極板；抓取到水槽的陽極板都需進入區域內極板轉運系統。水槽抓取機械手提取陽極板時機械手垂直向下插入陽極板上部并采用液壓夾具提取；如陽極板板面上部彎曲表形，機械手不能提取陽極板或導致機械手夾具（剪刀叉）變形損壞。鏈條輸送過程中如有變形、側面飛邊、毛刺等不合格陽極板提取至輸送鏈上會導致鏈條卡頓、不合格陽極板碼垛傾斜。

澆鑄陽極板質量［5］的好壞直接影響到極板智能轉運系統穩定運行，極板智能轉運的穩定性也直接影響到陽極板質量，兩者相互影響關聯。圖3為水槽機械手。圖4為夾具（剪刀叉）。

圖3 水槽機械手

圖4 夾具（剪刀叉）

生產實踐過程中工序通過極板智能轉運性能考核，系統分析了陽極板質量對極板智能轉運的影響，并制定了提高陽極板質量的措施。表2為極板智能轉運性能考核期間設備故障統計表。通過表2可以看出：陽極板出現變形、飛邊影響極板智能轉運系統運行次數最多。

表2 設備故障統計表

4 優化改進

4.1 針對制約圓盤澆鑄能力的解決方案

通過對極板智能轉運設備運行摸底調查，極板智能轉運系統制約圓盤澆鑄能力主要工位為：機器人自動打磨工位遇到難以處理的陽極板時等待時間太長；工位光電限位故障頻繁，影響整體輸送時間。

工序為減少極板智能轉運對圓盤澆鑄能力的影響；減掉了打磨、噴碼機兩個工位并保證每個工位輸送時間在15s 內通過，安裝了質量較好的光電設備。減少了光電限位故障發生率，縮短了極板智能轉運系統整體輸送時間，可保證與圓盤同步運行。

4.2 圓盤澆鑄與極板智能轉運系統融合的解決方案

圓盤澆鑄與極板智能轉運系統結合點在水槽末端限位，圓盤水槽堆垛限位只供圓盤澆鑄使用，極板智能轉運水槽光電限位和擋塊只供極板智能轉運系統使用，并未結合在一起。通過改變極板智能轉運系統水槽光電限位和擋塊、把圓盤水槽堆垛限位信號導入極板智能轉運系統，做到信號互通。圓盤操作人員只需切換到極板智能轉運模式，水槽機械手接到信號就可以自動啟動。

4.3 陽極板質量的解決方案

4.3.1 利用終點測氧儀,精準判斷銅液含氧量

通過生產的實踐摸索，在保證陽極銅澆鑄溫度1180～1190℃的情況下，還原終點含O量控制在0.20%以下，可以保證銅液的流動性，陽極板物理規格可以得到基本保證；采用終點測氧儀后，可以精準判斷銅液含氧量，保證陽極銅品質。

4.3.2 提高圓盤澆鑄機澆鑄陽極板質量的措施

（1）對噴淋水進行改進，對底部水噴頭進行固定，增加噴淋頭以達到均衡冷卻效果；并在噴淋水總管安裝過濾器，防止噴淋水雜物堵塞噴頭。

（2）對開裂的銅模進行捶打，開裂嚴重的銅模及時更換。

（3）銅模自然冷卻超過4h的提前烘烤（去除水蒸汽）；減少澆鑄陽極板前期飛邊、毛刺。

（4）嚴格噴涂配比。

（5）對銅模底邊進行抹粉作業。

（6）澆鑄開始上部水開啟量必須達到兩個要求：①上部水不能過大（水不能流入銅模尾部邊框）；②保證陽極板在廢陽極處不會被預頂起頂穿。

（7）廢陽極崗位人員必須對表面有渣及小包進行處理，以達到合格陽極板的要求。

（8）澆鑄正常情況下，銅模溫度控制在140～180℃之間，銅模溫度要保持均衡；并控制好澆鑄速度。

5 結語

工序通過生產實踐、性能考核對陽極板智能轉運系統的運行有了全面的了解,運行中遇到的問題得到優化改進，極板智能轉運系統整體運行平穩。極板智能轉運系統［6］取代了傳統的叉車轉運作業，提高了設備的機械化及自動化程度，減少了叉車作業，降低了人工成本及安全隱患。同時，極板轉運系統又保留了緊急情況下的叉車作業空間，作為系統故障時的應急補償手段，保證了生產的穩定性。