上海罗泾港铁矿石全自动取制样系统应用及改进*

2018-03-15王意彤

现代矿业 2018年1期

王兵陈杰徐鼎王意彤刘曙

(上海出入境检验检疫局工业品与原材料检测技术中心)

我国作为全球铁矿石进口大国，2016年全年进口量已突破了10亿t大关。上海罗泾矿石码头地处长江入海口，依托长江12.5m黄金深水航道，地理位置优越，区位优势明显，主要承担上海周边及长江沿线各钢铁企业进口铁矿石的中转接卸任务。作为我国铁矿石进口的缩影，罗泾矿石码头年接卸船舶数及卸货量从2007年开港至今持续攀升，2016年全年吞吐量已超过5 200万t，已远超港口设计作业能力。罗泾矿石码头靠泊铁矿船基本以拼装船为主，具有数量大、批次多的特点，取制样任务繁重，仅依靠手工取制样已很难适应进口贸易发展的需要。

上海出入境检验检疫局于2011年在罗泾矿石码头建设了我国首套铁矿石全自动取制样设施，该取制样系统自建成投入使用后，至今已稳定运行7 a时间，年均取样量约150批次，1 500万t左右。作为国内首套以机械手为主要设备的自动化取制样系统，完全满足铁矿石相关取制样标准要求，与常规取制样系统相比，工艺技术先进，使用方便灵活，节能环保效益显著，是未来散装货物取制样设备的发展方向[1]。为此，对该系统的组成、功能及应用等情况进行了详细的介绍，并总结出使用过程中应重点关注的问题，为其他港口类似系统的设计、建设和使用提供参考，提高我国自动化取制样技术水平。

1 机械取制样系统发展

目前，铁矿石取制样主要有手工和机械两种取样方式，且逐步呈现出以机器取样为主、手工取样为辅的发展格局。我国机械化取制样系统的发展可以概括为三个阶段：

(1)单体设备取样阶段。该阶段主要以单个取制样设备为主，如取样器、缩分器等，是手工取制样的辅助用具。

(2)半自动化取制样阶段。我国从20世纪80年代开始，陆续从国外引进或自主设计建造了一批机械取制样设施，该阶段已开始形成一个比较完备的取制样系统，但自动化程度较低，机器可以完成部分程序，如取样、缩分等，但仍有部分程序如更换筛网、称量水分等需要人工介入，依靠手工辅助完成。

(3)全自动取制样阶段。即全自动取制样设施，这也是目前采用的主流系统。1998年宝钢率先在铁矿石取制样系统中引入了机器人的水分在线测定系统，拉开了机器人用于取制样系统的序幕[2]。近几年得益于自动控制技术和机器人技术的发展，使得自动化程度大大提高。除故障检修外，系统运行期间，基本不需人工介入，从而保证了样品的代表性和检验数据的客观准确。全自动取制样系统与常规取制样系统详细比较见表1。

2 罗泾港取制样系统组成

上海罗泾港铁矿石全自动取制样系统主要由取样系统部分、机器人单元部分、弃样系统部分和控制系统部分四部分组成。全自动取制样系统组成见图1。

取样系统部分主要由一采机、二采机和样品输送皮带组成。弃样系统部分主要由弃样皮带机、斗提机、弃样溜槽组成，此部分与常规取制样方案基本相同。

表1 全自动取制样系统与常规取制样系统工艺方案比较

图1 全自动取制样系统组成

机器人单元部分主要设备包括机械手、缩分机、烘箱、振动筛、破碎机、研磨机、筛网存储架、称量设备等。机械手是全自动系统在线检测部分的核心设备，采用瑞士ABB公司产品，其最大负载可达130 kg，最大工作半径为2 m。周边设备采用澳大利亚ESSA公司产品，呈环形分布于机械手的周围。该单元可完成的主要任务有：矿石的粒度分布测定、矿石水分含量测定、化学分析样品的制备及各类样品的收集等。

控制系统具有对取制样设备进行控制、监视管理的功能。控制系统的主要设备有工业控制计算机、PLC可编程序控制器和视频监控设备等。工控机用于实现人机交互联系、系统指令的发送、显示取制样系统的实时工作情况等。PLC可编程序控制器采用美国AB公司产品，具有处理能力强大，运行稳定可靠，人机界面友好等特点。通过设备网实现PLC对现场所有设备的控制。设备现场还安装有视频监控设备及通话设备，可用于实时查看取样机取样过程，观察港口皮带机卸货情况，设备周围环境等，及时了解设备状态和保证现场人员的安全。通话设备可用于控制室控制人员与现场人员的远程联系和互动。

3 取制样系统工作流程

上海罗泾港有2个20万t级卸船泊位，进口的铁矿石主要分为3种，块矿、粉矿和球团矿，允许取样的最大公称粒度为50 mm。港口有2条卸货主皮带机，分别为DS3和DS4。两条皮带机规格相同，均为带宽1 600 mm，带速3.15 m/s，额定卸货能力为4 500 t/h。其中DS4皮带机具有“水水中转”功能，货物通过该皮带机，可直接由大船卸到接驳小船上，省去进入场地再出货环节。在实际工作过程中，DS3和DS4会同时输送相同或不同种类矿石，当港口两条皮带机同时接卸两种不同的矿种时，取制样系统对其中一种矿种进行作业，另一种矿种将由所对应的来样皮带机反转，利用旋转取样机进行取样，样品送入制样间进行后续制备工作。块矿、球团矿和粉矿取制样流程见图2、图3。

图2 块矿或球团矿取制样流程

4 系统性能改进

该铁矿石全自动取制样系统在设计、建造过程中，参考了国外先进系统的经验。考虑到罗泾港在接卸矿石种类、卸货方式、设施布局等方面均与国外港口存在明显不同，因此在设计、建造过程中进行了相应的改进和完善，使之更加适应取制样工作的需要。

(1)由于码头先于取制样系统建设，因此在后期建造取制样系统时，发现部分预留空间不足，造成设备安装和维修困难。建议在空间允许的情况下：①在一采机周边留出足够的落料空间，避免因空间狭小造成积料，影响采样机的运行；②对单向运行皮带机，在空间满足的情况下尽量将电机安装在主动端处，对双向运行皮带机，将电机安装在皮带机主要运行的方向端，以减少皮带打滑和欠速现象的发生。

(2)通常接卸矿石、煤炭等散货的码头，作业环境都相对较差，加强对设备的防护尤其重要。粉尘、潮湿、振动、货物腐蚀等因素都会对设备的正常运行造成潜在的威胁。建议对电机、传感器等重要设备加装保护罩，并采用不锈钢材料，增强耐腐蚀能力；在取制样过程中，尤其对水分含量较大或较黏湿的矿种时，应增加巡视，发现积料，及时清除。对控制箱，电源箱可进行全密封保护；对裸露在外的螺栓和螺母，也应加装保护套，否则受环境影响两者很容易被锈蚀在一起，螺纹纹路堵塞，造成维修时无法拆卸。

图3 粉矿取制样流程

(3)取制样系统中使用的溜槽主要用于输送物料，工作中除受到料流腐蚀外，受料流冲击影响较大。应有足够的强度和耐磨度，否则易发生被料流击穿，产生溢料的情况。因此建议：①加强溜槽的强度，在溜槽的受力面采用硬度和耐磨度更好的材料或在内部冲击面处加装耐磨衬板。同时要求溜槽内部光滑，抗腐蚀，无棱角、棱边；②改变溜槽的倾斜角度，最好采用垂直式设计，既方便料流排出，减少溜槽内堵料，又可以减小料流对溜槽的冲击，延长溜槽使用寿命。在溜槽适当位置应设置密封检视窗口，方便检查溜槽内部情况和清除溜槽内积料[3]。

(4)机器人单元环境虽没有取样单元的环境恶劣，但粉尘、温度和振动对设备的影响依然很大。①机器人单元内精密设备和传感器众多，该单元为相对密闭的空间，通风不畅，除尘设施很难做到全方位无死角除尘，对设备精密防护要求较高。建议设备制造商在确定设备参数时，可参照防水等级参数，引入防尘等级参数的概念，对设备提供更好的防护；②该单元内烘箱和设备散热较多，室温较高，易造成电气设备工作异常，尤其影响PLC的正常工作。建议在该单元内加装温度调节设施，控制环境温度；对位置固定的气管可使用金属气管替代塑料气管，减少破损；③机械手动作及夹具位置在调试完成后，均已固定，几乎没有可以调节的余量，因此对机器人及周边设备的相对位置要求固定，应减小振动等外力对设备位移的影响，减少夹具报警。对传感器、PLC，触摸屏等精密设备尽可能提供密封保护，防止灰尘入侵；定期排除空气压缩机中的过滤水，防止进入气路，对设备造成腐蚀和损坏；对机械手夹具的传动部分应经常进行检查，防止粉尘和异物对夹具张合的影响。