摘要：冶炼炉长期处于高温工况中，过高的温度会直接影响炉体结构的稳定性和服役寿命，因此需配备高效冷却系统，并对冷却系统冷却水的温度与流量进行实时、精准的监测。但在实际工业应用中，炉体冷却水监测系统故障频发，不仅破坏了生产过程数据的连续性，还降低了设备运维管理的可靠性。文章以某企业的炉体冷却水检测系统为例，通过深入剖析其故障原因，并分析其改造的必要性，提出了一套综合性技术改造方案，结合实际应用案例，解决了生产过程中的实际难题，降低了设备更换和维护的成本。

　　关键词：炉体冷却；监测系统；设备维护

　　1研究背景

　　某企业的有色金属火法冶炼流程采用侧吹熔炼工艺，后续衔接多枪顶吹连续吹炼环节，最终通过回转式阳极炉火法精炼完成阳极产品的制备，形成一套连续化、高效化的火法冶炼技术路线。该冶炼过程中涉及的冶炼炉包括1台侧吹炉、1台多枪顶吹炉和2台回转式阳极炉。侧吹炉主要处理铜精矿，通过熔炼产出高品位铜锍和熔炼渣，热态铜锍经流槽流入多枪顶吹炉连续吹炼，产出粗铜和吹炼渣，粗铜经流槽流入回转式阳极炉进行火法精炼。

　　冶炼炉炉体主要由耐火材料和铜水套组成，按结构分为炉缸、炉身和炉顶三个关键部位。铜水套的核心功能是实现炉体温度的精准调控，通过定向冷却保护炉体耐火衬里，进而延长炉体服役寿命、保障生产效率与产品质量稳定性［1］。冷却水从冷却水箱引出后，通过铜水套内部的冷却水管，吸收并带走炉体产生的热量，再流到回水箱中，形成炉体冷却水循环系统，有效控制炉体温度处于安全阈值，避免因超温导致炉体结构损坏。

　　根据《工贸企业重大事故隐患判定标准》，冶炼炉窑的水冷元件未配置温度、进出水流量差监测及报警装置，被判定为重大事故隐患［2］，因此，该企业配置了炉体冷却水监测系统，监测炉体周围水套冷却水的温度和流量。但自生产投用以来炉体冷却水监测系统故障频发，仪表离线数量不断上升，为保障对工艺生产过程的有效监测，降低系统的故障率，文章结合该企业的生产实践，着重分析炉体冷却水监测系统故障产生的主要原因，并提出相应的优化措施，确保监测系统的正常使用。

　　2炉体冷却水监测系统的构成

　　炉体冷却水监测系统由温度流量一体式仪表、数据采集箱、PLC和上位机组成，如图1所示。数据采集箱内主要包含断路器、24V电源、耦合器、IO-Link模块及其底板、交换机、接线端子。温度流量一体式仪表安装在炉体冷却回水管道，实时测量冷却回水温度和流量，再利用IO-Link传输协议采集仪表测得的数据，将数据传输到现场数据采集箱，通过模块传至交换机，再经由PLC上传到上位机，实现对流槽、烟道、放渣口及炉体周围等区域冷却水全方位的实时监测。

　　3炉体冷却水监测系统改造的必要性

　　炉体冷却水监测系统自生产运行以来，系统稳定性问题日益凸显，温度流量一体式仪表离线数量最多可达140台，离线率高达16.3%。这一现状意味着大量冷却回路处于监控盲区，不能及时掌握冷却回路的运行状态和冷却效果，生产工艺失去了可靠的数据支撑，对炉体本体的安全也构成了直接威胁，严重情况下会导致炉体局部过热而引发非计划停炉，甚至损坏事故。因此，对系统进行优化改造迫在眉睫，不仅为了降低设备维修次数，也为了保障生产连续稳定、预防事故发生和实现精细化管理。

　　4炉体冷却水监测系统故障原因分析

　　针对炉体冷却水监测系统仪表离线率高的问题，通过查询历史维护记录、统计分类故障类型并开展系统性分析可知，该监测系统的故障多以现场数据采集系统故障为主。在数据采集系统涵盖的供电系统、耦合器、主站模块、通讯系统及现场仪表等核心组成单元中，主站模块故障的占比相对更高，为数据采集系统故障中的主要诱因。

　　4.1数采箱内部环境温度过高

　　在生产过程中，炉体工作温度超过1000℃,炉体产生的高温热辐射会直接影响周边设备。炉体冷却水监测系统的数据采集箱受现场工艺流程和温度流量一体式仪表安装位置的限制，大多离炉体较近，在冶炼炉的高温热辐射下，即使箱体具备基础的隔热能力，也无法完全阻挡外部热量持续渗透。另外，数据采集箱箱体完全封闭，箱内模块、电源等电子元件在运行时自身也会发热，封闭的箱体加上外部的高温环境使热量无法释放，导致热量累积，“内外夹击”的环境进一步导致数采箱内温度的升高。实际测量数据显示，当外部环境温度达到35℃时，采集箱内部温度基本超过65℃,而主站模块的运行环境温度为-25~60℃,采集箱内部温度已远高于主站模块的正常工作温度范围，进而导致模块性能衰退、寿命减少甚至直接烧毁［3］。

　　4.2 IO-link模块防护等级不足

　　数据采集系统使用的IO-link模块防护等级为IP20，根据防护等级标准规定，模块能够防止直径大于12.5mm的固体颗粒物进入，但无防水能力。在实际生产中，该企业以铜精矿为原料，尽管采用了布袋除尘等环境保护措施，但冶炼过程中仍会产生细微粉尘。即使在日常维护过程中会定期用吹风机等设备对柜内进行清灰，也无法避免粉尘在箱内沉积，且这些粉尘直径远小于12.5mm。由于原料中含有铜、铁、铅、锌等金属，产生的粉尘极易导电，覆盖在元件表面不仅会影响散热，还有可能在潮湿或高温的环境下引起电气短路，导致设备损坏。

　　4.3供电回路过流保护机制存在缺失

　　数据采集箱供电回路如图2所示。

　　由图2可知，仅在总电源回路中设计安装了过流保护，耦合器及IO-link模块和其他支路中并未设置独立的过流保护元件，根据模块参数可知，每个模块在满载状态下的最大承载电流为2.03A，而总供电回路保险的熔断值远高于此。因此，当任一模块回路过流时，10A保险丝无法及时发挥作用，导致故障电流持续冲击承载能力较弱的IO-link模块，引起模块烧毁。在极端情况下，故障会进一步扩大，损毁模块底板，最终因过载导致整个数采箱失电。整套炉体冷却水监测系统数据的传输分为四条链路，各链路通过数据采集箱内的交换机采用串联的方式将数据最终传输至PLC柜，因此，任意一台数据采集箱失电都有可能造成系统大面积故障。

　　5炉体冷却水监测系统的改造措施

　　5.1数采箱加装风扇和过滤棉

　　针对数据采集箱结构封闭，外部环境温度高、内部设备自身产生热量导致温度升高的现象，采用通风散热的方式，在箱体安装风扇进行自然通风降温设计，根据“热空气上升”的物理原理，构建下进上出的定向气流通道，实现数采箱内部的降温［4］。

　　具体措施如下：在数采箱的箱门下半部分开设进风口，上半部分开设出风口，在进风口内侧安装高密度防尘过滤棉，确保引进外部冷却气流时能有效阻隔现场大量悬浮的导电性金属粉尘，避免其进入箱体内吸附在电气元件上而造成短路或腐蚀。在箱门的出风口处安装排气风扇，当系统运行时，箱内热空气在风扇的抽力作用下被持续地排出，箱内因此形成微负压，外部的冷却空气在压差作用下，从箱门下方的进风口经过滤棉过滤后，源源不断地吸入箱内，便形成从下往上的冷却风道，空气流经模块、电源等发热元件，不断地将其产生的热量带走，从而实现对整个数采箱内部环境的高效、强制降温。除此之外，通过定期更换或清洁过滤棉，保证对数据采集箱长期的散热与防护效果。

　　5.2更换IP67模块与喷涂三防漆

　　为解决模块因导电粉尘和高温潮湿环境导致的故障问题，在兼顾经济性的前提下，采取分层防护的办法，根据故障数据、现场环境恶劣程度和风险等级，采取不同的改造方案，大幅降低改造成本。

　　历史数据表明，引起模块损坏率极高的关键因素在于数据采集箱，因此，将其内部的IP20模块直接更换为防护等级为IP67的同功能模块。IP67模块通过完全防尘和短时浸水的双重认证，本体采用密封性浇注工艺，防护效果更好，能够从根本上杜绝粉尘与潮气的进入，一劳永逸地解决恶劣环境下点位模块故障的问题。

　　IP67模块防护等级高，价格也相对较高，因此，对于一些模块损坏率在可接受范围内或者环境相对良好的数据采集箱，则选用性价比较高的方案。在外界环境无法改变的情况下，增加模块的绝缘性能，能够有效避免导电粉尘和高温潮湿环境对模块的干扰。工业应用中，可以通过在模块电路板喷涂三防漆的方式保障电路板在恶劣的环境下保持稳定的运行。三防漆是一种特殊的涂层，通过均匀的喷涂在电路板表面形成一层透明的保护膜，因为其成分的特殊性能够有效隔离环境中的湿气、化学腐蚀和灰尘，提高模块在复杂工艺环境下的安全性、可靠性和使用寿命［5］。

　　结合现场环境和工艺，制定计划分批次将IP20模块拆下，按照三防漆的喷涂标准和使用说明，用仪表气吹扫清除附着在电路板上的导电粉尘和污垢后，在电路板表面均匀喷涂一层三防漆，待三防漆自然阴干后将模块重新装回，通过该措施可彻底隔离再次侵入电路板和模块内部的水汽及粉尘，保护模块的焊点和导线不被侵蚀，提高原有IP20模块适应恶劣环境的能力。

　　5.3供电回路加装保险端子

　　为解决回路过流保护设计不合理的缺陷，可设计分级过流保护系统，建立“支路-主干”两级协同的保护架构。在方案实施前，使用电流表对数采箱内耦合器及各模块、交换机正常运行状态下的电流进行测量，为每一个关键支路独立加装保险端子底座，根据测量结果为各支路选配额定电流略高于其工作电流但远小于模块最大承载能力的保险。作为第一级保护，每个模块一旦发生短路等异常情况，这些支路的保护器件就会断开，第一时间将故障隔离，避免引起更大范围的故障。与此同时，将总回路的原有保险根据系统总负载电流重新评估，将原来不合适的保险更换为容量更合适的保险，作为第二级保护，将故障隔离在最小的范围内，避免因某一支路故障而导致整个模块，甚至整个数采箱掉电的情况再次发生。

　　6炉体冷却水监测系统的改造效果

　　改造前，炉体冷却水监测系统温度流量一体式仪表的离线数量长期居高不下，系统几乎处于半瘫痪状态。实施综合性改造后，在相同生产负荷与工况下，仪表的离线数量大大降低，已稳定在10台的历史最低水平，通过计算，系统离线率从16.3%降低至约1.16%，降幅高达93%，直观地验证了此次改造的有效性。

　　首先，加装风扇后，对数据采集箱内部温度的控制成效显著，箱内温度均降到60℃以下，正常运行工况下平均温度在40℃左右，即使在夏季环境温度高的情况下，数采箱温度也未超过60℃,符合主站模块的工作温度要求，实现了用最小投入达到最佳散热效果的目标。

　　其次，完成更换模块并对原来模块进行改造后，对主站模块故障情况进行了为期一个月的跟踪调查，监测数据显示，仅有一个IP20模块发生故障，经检查发现，故障发生的原因为模块喷涂前灰尘未彻底清理干净，导致三防漆附着不良发生脱落，未达到对模块电路板的隔离保护效果。实践证明，此次改造提升了主站模块的可靠性，使主站模块故障数量大大降低，系统已基本达到稳定运行、近乎无故障的理想状态。

　　最后，在回路中增加过流保护元件后，当现场仪表出现过载、短路等异常情况发生故障时，模块所在支路的保险端子能够及时响应，第一时间熔断并迅速切断电路，有效防止故障扩散，将异常情况精准隔离于单一支路内，保障其他设备的正常运行。

　　总体而言，此次对系统的改造，使数据采集箱内主站模块的故障发生次数得到了有效控制，且未再出现因某一设备故障导致系统大面积离线的现象，改造效果明显。

　　7结语

　　综上所述，炉体冷却水监测系统的成功改造，用实践证明了对上述有关监测系统故障原因分析的正确性和解决问题的根本性。面对“高温环境、防护不足、保护缺失”导致的故障问题，通过为数据采集箱增加散热装置、对模块实施升级与防护、根据实际需求分级选择过流保护元件这一系列措施，从根本上解决了故障问题。

　　炉体冷却水监测系统离线率的降低，使原本因系统离线而处于“失明”状态的冷却回路重新回到可监测状态，为工艺提供了连续、可靠的数据支持，系统的稳定性与数据的可靠性大幅提高，同时，操作人员可以通过监测系统实时掌握炉体冷却水的运行状态，避免了隐患和风险。除此之外，模块损坏频次的减少，使备品备件的采购数量随之减少，有效节约了采购费用，故障发生率的降低也使人工维护成本大幅降低，改造的投入产生了明显的回报，设备的维护过程也实现了从“被动抢修”到“主动预防”的良性循环。

　　本次改造措施有效改善了炉体冷却水监测系统故障频发的状态，使其成为一个稳定、可靠、可信的生产保障单元。随着改造成果的深化，系统将在生产中发挥更加关键的作用，逐步提高生产效率和生产质量，为下一步实现设备的预测性维护与生产的智能化升级奠定基础。

　参考文献

　　［1］刘涛，黄文华.侧吹炉炉体设计优化与实践［J］.有色冶金设计与研究，2022，43（2）：30-33.

　　［2］工贸行业重大生产安全事故隐患判定标准［N］.中国安全生产报，2017-12-06（003）.

　　［3］潘建乔，吴迪，栾伊斌，等.箱体设备隔热降温措施研究［J］.中国电业（技术版），2015（2）：68-70.

　　［4］张东福，成水波，吕琦.气象观测场设备集成机柜降温系统研究与分析［J］.海峡科学，2022（8）：22-24+30.

　　［5］赵修勇.三防漆在数控系统维修中应用［J］.制造技术与机床，2016（7）：132-133.