趙志浩，鄧建民

（寧夏英力特化工股份有限公司，寧夏 石嘴山 753202）

電石是有機(jī)化工的基礎(chǔ)原料，70%電石用于產(chǎn)生乙炔生產(chǎn)聚氯乙烯，近年來，聚氯乙烯行業(yè)發(fā)展促進(jìn)電石行業(yè)的產(chǎn)能提升，至2022 年底，國內(nèi)電石生產(chǎn)廠家有120 家，產(chǎn)能達(dá)到3 920 萬t/a。 電石作為傳統(tǒng)高耗能、高排放產(chǎn)業(yè)，在“十三五”至“十四五”期間，新改擴(kuò)建項目受到“能耗雙控”和“雙碳”政策一定的限制， 但國內(nèi)聚氯乙烯行業(yè)對電石的需求和能源資源“少油、缺氣、煤炭相對豐富”的現(xiàn)狀特點(diǎn)，在未來一段時間， 電石仍然在國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有不可替代的重要作用。 電石行業(yè)的發(fā)展方向是通過推行綠色低碳技術(shù)，提升科技創(chuàng)新，提高生產(chǎn)自動化、智能化水平， 加強(qiáng)應(yīng)用領(lǐng)域研發(fā)和推動下游消費(fèi)多元化，以保持電石行業(yè)持續(xù)發(fā)展。

電石生產(chǎn)是以炭素和白灰作為原料，在2 000 ℃左右的高溫下冶煉， 冶煉后的液體電石從爐眼流至電石鍋。傳統(tǒng)電石爐出爐作業(yè)時，由多名操作人員穿戴勞動保護(hù)用品，用長釬進(jìn)行燒爐眼，勞動強(qiáng)度大；出爐開爐眼和堵爐眼等操作都由人工手動完成，不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化操作要求，鋼釬等材料消耗量也高；電石爐出爐部位處于高溫、高電流和高粉塵環(huán)境中，人員長期在其中作業(yè)存有極大的安全隱患， 因人工出爐造成的灼燙、機(jī)械傷害、觸電等事故時有發(fā)生，因此電石爐出爐作業(yè)成為困擾行業(yè)安全生產(chǎn)和健康發(fā)展的難題。 英力特化工現(xiàn)有2 臺容量3 萬kVA 的密閉電石爐，為實現(xiàn)電石出爐操作的本質(zhì)安全，以科技創(chuàng)新為根本，結(jié)合生產(chǎn)實際情況，對電石生產(chǎn)智能出爐操作進(jìn)行研究，建設(shè)3 萬kVA 密閉電石爐智能出爐機(jī)器人技術(shù)改造項目。

1 電石爐人工出爐操作過程

電石生產(chǎn)主要原料是生石灰和炭素材料， 烘干后的炭素材料和生石灰分別經(jīng)皮帶輸送機(jī)輸送至料倉稱量， 再進(jìn)入環(huán)形料斗機(jī)后通過下料管流入電石爐中，由電極提供的電能、輻射熱能及焦炭自身的電阻熱能使?fàn)t料在高溫熔融狀態(tài)進(jìn)行反應(yīng)， 生成的液態(tài)電石通過批次出爐操作方式從爐眼流入電石鍋中，電石鍋用有軌小車?yán)\(yùn)至冷卻破碎工序。

目前電石爐出爐操作主要包括爐眼維護(hù)、 開爐眼、堵爐眼等[1]。 大多電石生產(chǎn)企業(yè)都采用手動的傳統(tǒng)操作方式完成，操作頻次約為1 次/h，其操作步驟見圖1。

圖1 人工出爐操作步驟簡圖

1.1 爐眼維護(hù)操作

在出爐時，出爐工穿戴好勞動防護(hù)用品，用燒穿器將爐眼維護(hù)到標(biāo)準(zhǔn)要求，維護(hù)爐眼時，爐眼宜保持外大里小的喇叭形，爐眼深500 mm，外口不得小于300 mm。 該爐眼形狀便于后續(xù)堵眼操作。

1.2 開爐眼操作

捅開爐眼時，多人合力，由一人手握鋼釬掌舵，掌握鋼釬方向找準(zhǔn)爐眼，多人共同推拉鋼釬，要求鋼釬快進(jìn)快出，快速打開爐眼，使熔融的液態(tài)電石流出。

1.3 堵爐眼操作

爐內(nèi)液態(tài)電石流盡后， 出爐工用燒穿器找正爐眼位置將爐眼修理成喇叭形狀，然后架好橫桿，放好堵頭，封堵爐眼時要求一人側(cè)立，用堵頭摸清爐眼位置。 將泥球扔至爐眼后，要快速側(cè)身，另一人用堵頭將泥球側(cè)身擰入爐眼[2]。

1.4 電石人工出爐操作過程發(fā)生的事故

在電石出爐操作過程中，因現(xiàn)場存在高溫、電弧強(qiáng)光及大電流等危險， 人員處于極大的不安全環(huán)境中。在電石冶煉行業(yè)，因人工出爐操作曾發(fā)生多起事故，2006 年某電石廠進(jìn)行出料操作， 由于人工操作時爐眼沒能在正常要求的時間打開， 爐內(nèi)積存的電石液位不斷上升，在爐眼打開的瞬間，液態(tài)電石大量噴出，因電石鍋小車數(shù)量準(zhǔn)備不足，使大量液態(tài)電石流淌至地面，出爐工急忙封堵爐眼操作，因干泥球準(zhǔn)備不足，緊急使用濕泥球，濕泥球水分較大與電石反應(yīng)產(chǎn)生乙炔氣體，露天高溫環(huán)境下使泥球炸開，緊急堵眼沒有成功， 大量噴出的液態(tài)電石將操作人員右腳燙傷；2008 年某電石廠在開爐眼采用吹氧操作時，因電石爐內(nèi)壓力過大產(chǎn)生回火，高壓氧氣膠管炸裂將操作人員手指炸斷；2009 年9 月， 某電石廠操作工做出爐準(zhǔn)備工作， 將出爐小車上的空電石鍋用鋼絲繩從軌道拉運(yùn)至爐眼處時， 因卷揚(yáng)機(jī)上的鋼絲繩擺放錯誤，使電石鍋小車運(yùn)轉(zhuǎn)受阻，鋼絲繩將小車上的導(dǎo)向輪拉飛， 將準(zhǔn)備電石鍋的操作人員雙腿打擊骨折[3]。

傳統(tǒng)電石行業(yè)出爐操作基本為人工操作， 極大耗費(fèi)人員體力， 是電石生產(chǎn)過程中最為復(fù)雜危險的環(huán)節(jié)，具有人員密集度高和易發(fā)生安全事故的特點(diǎn)。因此在出爐操作環(huán)節(jié)推行無人化、智能化，對于企業(yè)安全生產(chǎn)和提升自動化水平都具有重要意義。

2 電石操作出爐機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

2.1 國外電石機(jī)械化出爐操作的研究

日本在上個世紀(jì)電石工業(yè)興盛時， 日本電氣化學(xué)公司曾研發(fā)出了一種電石出爐機(jī)器人， 使電石爐出爐操作實現(xiàn)了機(jī)械化， 只需要一人就可完成電石的出爐作業(yè)?；谠摮鰻t機(jī)，該公司發(fā)明了一種可以更安全高效實施電石出爐作業(yè)的遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以控制出爐機(jī)器人， 實現(xiàn)電石出爐作業(yè)的遠(yuǎn)程操作。 但該公司在轉(zhuǎn)讓該技術(shù)時設(shè)立價格壁壘，沒有技術(shù)推廣轉(zhuǎn)讓意向。

2.2 國內(nèi)電石智能出爐操作的研究

隨著電石工業(yè)的不斷發(fā)展， 對電石出爐作業(yè)自動化的需求不斷上升， 國內(nèi)越來越多的機(jī)械加工企業(yè)與電石生產(chǎn)企業(yè)合作，共同對出爐機(jī)器人進(jìn)行研究。

新疆中泰礦冶公司電石產(chǎn)能達(dá)到128 萬t/a，有極大的智能操作需求， 為提高工作效率， 該公司2018 年與哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所開始合作研制出了中國第一套智能出爐機(jī)器人系統(tǒng)； 山東軍成機(jī)械科技有限公司2018 年研究申報“一種全自動出爐機(jī)械手”專利（申請?zhí)朇N201822215486.7），該專利將全液壓系統(tǒng)的控制與機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計相結(jié)合， 控制驅(qū)動機(jī)送進(jìn)機(jī)構(gòu)上的鑿巖機(jī)進(jìn)行開爐眼操作， 在縱移平臺末端設(shè)有堵眼機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動化封堵爐眼， 該技術(shù)能夠在電石爐出爐操作時實現(xiàn)全自動機(jī)械代替人工完成燒眼、 堵眼等出爐操作動作；安徽科鈞智能技術(shù)有限公司2019 年研究申報 “一種新型智能出爐機(jī)器人” 專利 （申請?zhí)朇N201922394684.9）， 包括作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)提供動力， 智能控制系統(tǒng)對各單元操作進(jìn)行控制；新疆天業(yè)（集團(tuán)）有限公司作為國內(nèi)電石行業(yè)的龍頭企業(yè)， 對出爐操作也進(jìn)行研究，2019 年研究申報“一種電石爐堵眼器自動加料系統(tǒng)”專利（申請?zhí)朇N201920264828.6），包括堵眼器、封蓋開合裝置、堵眼介質(zhì)輸送裝置、第一滑軌等裝置，通過真空吸盤和氣動扳手聯(lián)合動作實現(xiàn)堵眼器封蓋的遠(yuǎn)程開啟與閉合，同時結(jié)合堵眼介質(zhì)輸送裝置，實現(xiàn)堵眼器的遠(yuǎn)程自動加料， 確保利用出爐機(jī)器人進(jìn)行出爐操作時的連續(xù)性，提高了出爐效率，減少了安全風(fēng)險；聊城研聚新材料有限公司2020 年申報“電石爐智能出爐機(jī)器人”專利（申請?zhí)朇N202010698809.1），包括懸掛式的軌道、連接柱、與頂板側(cè)面和水平分支滑動配合的移動臺， 移動臺的后端設(shè)置連接凸臺和壓力驅(qū)動機(jī)構(gòu)，移動臺的下方設(shè)置有滑觸機(jī)構(gòu)，滑觸機(jī)構(gòu)的頂部設(shè)置有步進(jìn)電機(jī)， 滑觸機(jī)構(gòu)的底部轉(zhuǎn)動設(shè)置有1 對轉(zhuǎn)夾板， 軌道上傾斜設(shè)置有5 對間隔分布的機(jī)械臂，利用5 對機(jī)械臂完成燒穿、捅爐眼、堵爐眼以及更換出爐工具的操作； 安徽博微長安電子有限公司對電石出爐操作進(jìn)行較多研究，申報多項專利，其中2020 年申報“一種電石自動出爐機(jī)器人”專利（申請?zhí)朇N202020362651.6），該專利包括行走軌道、小車底盤、回轉(zhuǎn)驅(qū)動、回轉(zhuǎn)支座、大臂支座、大臂以及俯仰油缸， 出爐機(jī)器人的中臂與大臂支座通過齒輪齒條嚙合傳動，大臂的行程足夠長，滿足出爐機(jī)器人拉釬作業(yè)對爐深的要求，同時該公司還研發(fā)“一種電石自動出爐方法和出爐裝置” 專利 （申請?zhí)朇N202010202103.1）， 出爐機(jī)器人能夠沿電石爐的爐眼軸線方向前后移動， 具有4 個運(yùn)動自由度的出爐機(jī)器人通過大臂夾持工具， 該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)出爐機(jī)器人的遠(yuǎn)程操控； 哈爾濱博實自動化股份有限公司2022 年研究申報“一種出爐機(jī)器人”專利（申請?zhí)朇N202210518015.1），該專利包括伸縮、抓取、俯仰、回轉(zhuǎn)和前進(jìn)機(jī)構(gòu)，通過前進(jìn)、回轉(zhuǎn)、俯仰、取放工具的動作配合，可完成復(fù)雜的多工序出爐工作，在復(fù)雜的爐前作業(yè)環(huán)境下，可實現(xiàn)自適應(yīng)控制；該公司通過校企合作方式， 與哈爾濱工業(yè)大學(xué)合作研發(fā)“極端惡劣工況下的工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)” 應(yīng)用于電石生產(chǎn)， 后該技術(shù)入選2019 年黑龍江省 “百千萬”工程科技項目，2017 年末，該公司與中泰礦冶有限公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)合作研發(fā)實施的“電石冶煉出爐作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)研發(fā)及示范應(yīng)用項目”列入國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“智能機(jī)器人”重點(diǎn)專項中，在2022 年通過驗收。

目前， 國內(nèi)多家研發(fā)單位通過自主研發(fā)或與電石生產(chǎn)廠家合作， 都基本具有了電石生產(chǎn)智能出爐機(jī)器人的工業(yè)化應(yīng)用經(jīng)驗。 由于國外具有大量的石油資源，對有機(jī)基礎(chǔ)原料從乙炔逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐蚁瑴p緩了電石生產(chǎn)的研究發(fā)展， 國內(nèi)對電石智能出爐的操作研究后來居上，已達(dá)到國際先進(jìn)水平。

3 英力特化工實施電石智能出爐機(jī)器人項目

3.1 項目實施及投運(yùn)過程

2021 年英力特化工投資685 萬元，與電石出爐自動化技術(shù)研發(fā)單位合作， 就電石智能機(jī)器人代替人工出爐操作進(jìn)行研究。 建設(shè)3 萬kVA 密閉電石爐專用的智能機(jī)器人出爐操作改造提升項目， 使用6臺爐前作業(yè)機(jī)器人和1 臺自動搗爐機(jī)器人， 代替人工完成電石生產(chǎn)危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)。

該項目在3 萬kVA 密閉電石爐每個爐眼處設(shè)置1 臺出爐機(jī)， 配套高清數(shù)字?jǐn)z像頭用于現(xiàn)場操作環(huán)境圖像采集與視頻錄制， 操作人員在可視化操作系統(tǒng)的輔助下，可實現(xiàn)自動上母線、燒爐眼、開眼、帶釬子、扒爐舌、維護(hù)爐眼、堵爐眼和清理爐舌等功能；配備的所有堵爐眼專用工具均采用高熔點(diǎn)材料制成，可以循環(huán)重復(fù)使用；機(jī)器人系統(tǒng)兼容現(xiàn)有作業(yè)生產(chǎn)方式，對生產(chǎn)維護(hù)過程有冗余性。 項目于2021 年6 月投運(yùn)試車，控制人員在DCS 操作室控制智能出爐機(jī)器人，依次完成了炭棒抓取、開爐眼、帶釬、清理爐舌和堵爐眼操作， 最終將裝滿熱電石的電石鍋通過卷揚(yáng)機(jī)牽引拉入冷卻廠房，完成了試運(yùn)行。經(jīng)過不斷的試驗調(diào)整、完善控制參數(shù)、培訓(xùn)員工、提升遠(yuǎn)程操作控制和總結(jié)經(jīng)驗后， 智能出爐機(jī)器人已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 智能出爐機(jī)器人系統(tǒng)組成

智能出爐機(jī)器人主要分為機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)、 電動控制系統(tǒng)和視頻系統(tǒng)3 部分， 機(jī)器設(shè)備包括移動大車基座、移動大車機(jī)器人本體、工具庫、燒穿器總成、自動供電裝置和自動上電裝置。 其中工具庫包括爐舌清理器、拉渣器、開眼器和堵眼器；自動控制包括控制器、檢測元件、操作面板、控制元件以及執(zhí)行元件等。英力特化工自智能出爐機(jī)器人投運(yùn)后，電石爐燒眼、帶釬、扒爐舌、堵眼和撬爐舌等整套工藝流程全部在主控室通過人機(jī)交互平臺遠(yuǎn)程操作完成。

4 智能出爐機(jī)器人裝置特點(diǎn)

4.1 靈活的出爐機(jī)器人本體及長行程的移動車

機(jī)器人本體末端手爪具備旋轉(zhuǎn)功能， 可實現(xiàn)燒眼、取釬、帶釬、放釬、扒爐舌、修眼、堵眼和清爐舌等功能。 其中燒眼深度可達(dá)1.5～2.0 m，帶釬深度3.0～3.5 m，長行程移動車及基座移動車搭載機(jī)器人本體沿爐口方向移動，行程可達(dá)7 m。

4.2 自動上電裝置及簡潔的燒穿器裝置

自動上電裝置采用氣動控制， 實現(xiàn)燒穿器電源合閘和開閘，具有斷氣自鎖功能，母線與燒穿器采用直連方式放在燒穿器支架上，布置在工具庫的對側(cè)。

4.3 適用于電石爐的現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)

采用高清攝像頭及工業(yè)計算機(jī)實現(xiàn)爐眼、 電石鍋、機(jī)器人本體等現(xiàn)場環(huán)境的觀測，具有視頻清晰，圖像傳輸速度快等特點(diǎn)， 該系統(tǒng)克服了高溫電石弧光對監(jiān)控的影響；設(shè)置5 路觀測點(diǎn)，包括正向觀測爐口2 路，側(cè)向觀測爐舌1 路，觀測電石鍋液位1 路，觀測現(xiàn)場全局1 路； 圖像監(jiān)控系統(tǒng)由一體化網(wǎng)絡(luò)攝像頭、高性能臺式計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成，攝像機(jī)支持寬動態(tài)、強(qiáng)光抑制，可在劇烈光照變化下看清物體；根據(jù)出爐需要，系統(tǒng)配置有半球型云臺廣角攝像機(jī)觀察全局， 高倍率長焦攝像機(jī)觀察爐口上、 爐口下、爐舌和電石鍋液面，并可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展。

4.4 遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)

遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)采用2 個搖桿控制機(jī)器人本體沿各方向運(yùn)動，配備手動/自動切換、取/放工具切換、自動上電、帶釬、扒爐舌、堵眼和清爐舌等功能，選擇開關(guān)用于機(jī)器人的手動操作， 使操作更加靈活、方便。 監(jiān)控系統(tǒng)和觸摸屏顯示當(dāng)前與各項操作相對應(yīng)的系統(tǒng)信息，方便操作人員了解目前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并在出現(xiàn)故障時及時顯示報警代碼， 提示操作人員進(jìn)行處理。

4.5 干泥球的儲存及自動輸送系統(tǒng)

將泥球預(yù)先置于出爐機(jī)的儲存處，封堵爐眼時，泥球自動滾動至爐眼位置，便于堵眼操作，同時，泥球的預(yù)先放置還起到烘干作用， 減少了泥球中的水分，防止水分與電石接觸造成事故。

5 結(jié)語

英力特化工3萬kVA密閉電石爐智能機(jī)器人出爐操作改造提升項目投運(yùn)后，由于勞動強(qiáng)度降低，可實現(xiàn)一名員工遠(yuǎn)程出爐操作。 出爐工在DCS控制室遠(yuǎn)程操控，根據(jù)現(xiàn)場傳回的實時生產(chǎn)畫面和數(shù)據(jù)，微調(diào)機(jī)器人動作指令， 讓電石出爐操作工藝達(dá)到最佳狀態(tài)。機(jī)器人上崗后，電石爐燒穿器開爐眼標(biāo)準(zhǔn)工時由24 min降至19 min，生產(chǎn)效率提高26%；每班組操作人員由6人減至兩三人， 合計減少操作人員24人，每年減少人力成本約200萬元； 通過出爐機(jī)器人的使用，工作效率提升，每臺電石爐的產(chǎn)能由150 t/d提高到180 t/d； 規(guī)范化出爐操作方式對穩(wěn)定爐況和爐眼維護(hù)有利，每噸電石可減少用電20 kW·h，全年可節(jié)約電量220萬kW·h；用智能機(jī)器人出爐不需要氧氣、鋼釬、吹氧管等進(jìn)行開眼操作，每年可節(jié)約輔材32萬元，降低了運(yùn)營成本，提高了生產(chǎn)效率；更重要的是電石智能出爐機(jī)器人代替人工操作， 降低了出爐操作過程異常情況下對人傷害事故發(fā)生的風(fēng)險。

智能出爐機(jī)器人的投運(yùn)是電石行業(yè)智能化提升的一次革命，是實現(xiàn)電石出爐操作本質(zhì)安全的典范。英力特化工3 萬kVA 密閉電石爐智能機(jī)器人項目投運(yùn)后，不但可實現(xiàn)危險環(huán)境下的無人化、減人化作業(yè)，還節(jié)約了大量的人力和材料費(fèi)用，對降低電石生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率和標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，實現(xiàn)本質(zhì)安全都具有重大意義。