高文娟　張劍　Risa Mar S. Cataluna

〔摘 要〕分析了傳統(tǒng)銅電解廠生產(chǎn)中存在的主要問題，介紹了國內(nèi)銅電解智能化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。分析認為，目前國內(nèi)銅電解智能化技術(shù)在紅外光譜短路識別系統(tǒng)、三維視覺檢測系統(tǒng)、陰陽極板智能轉(zhuǎn)運及倉儲和數(shù)字化點檢與設(shè)備在線智能診斷等方面已經(jīng)進行了探索和應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上，對銅電解廠未來的生產(chǎn)系統(tǒng)和管理系統(tǒng)智能化發(fā)展進行了探索與展望。

〔關(guān)鍵詞〕智能工廠；銅冶煉；紅外光譜識別；三維視覺檢測；智能轉(zhuǎn)運；數(shù)字化點檢；設(shè)備在線智能診斷；數(shù)字化輔助決策

中圖分類號：TF08? 文獻標志碼：A文章編號：1004-4345（2023）05-003１-04

Current Situation and Exploration of Intelligent Application in Copper Electrolysis Plants

GAO Wenjuan， ZHANG Jian， Risa Mar S. Catalu？觡a

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi? 330038， China）

Abstract? Analyzing the main problems in the production of traditional copper electrolysis plants， and introducing the current development status of intelligent copper electrolysis technology in China. Analysis suggests that intelligent technologies for copper electrolysis in China have been explored and applied in areas such as infrared spectrum short circuit recognition systems， three-dimensional visual detection systems， intelligent transportation and storage of cathode and anode plates， digital spot checks， and online intelligent diagnosis of equipment. Based on this， the future development of intelligent production and management systems for copper electrolysis plants is explored and prospected.

Keywords? intelligent factory; copper smelting; infrared spectral recognition; 3D visual inspection; Intelligent transportation; Digital inspection; online intelligent diagnosis of equipment; digitally assisted decision-making

為推動我國企業(yè)加速實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級，2015年5月，國務(wù)院正式印發(fā)《中國制造 2025》，提出以促進制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展為主題，以提質(zhì)增效為中心，以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，推進智能制造發(fā)展，滿足經(jīng)濟社會發(fā)展和國防建設(shè)對重大技術(shù)裝備的需求，強化工業(yè)基礎(chǔ)能力，提高綜合集成水平，促進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)我國制造業(yè)由大變強的歷史跨越。在此政策倡導(dǎo)下，國內(nèi)各行業(yè)生產(chǎn)制造企業(yè)都在進行“智能工廠”的升級改造和布局。智能工廠能有效地降低企業(yè)成本，實現(xiàn)減員增效，減少環(huán)境污染，使資源得到有效利用[1-5]。

銅冶煉行業(yè)作為傳統(tǒng)重工業(yè)的重要組成部分，其產(chǎn)能逐年上升，面對著資源消耗大、生產(chǎn)成本高、招工難、盈利能力受限等問題。同時，隨著環(huán)保要求的日益嚴格，風險管理壓力的日益增大，銅冶煉行業(yè)亟需結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)型升級。在此背景下，銅冶煉智能工廠的建設(shè)需要采用新型的生產(chǎn)制造模式，改進傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，提高資源利用率，實現(xiàn)安全、清潔生產(chǎn)。本文擬結(jié)合銅電解廠生產(chǎn)中存在的主要問題，分析智能化建設(shè)對銅電解廠的影響，并對銅電解廠可進一步實施的智能化建設(shè)內(nèi)容進行探討。

1? ?銅電解企業(yè)生產(chǎn)面臨的主要問題

銅冶煉企業(yè)經(jīng)常會遇到原料質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)過程波動大、需要反復(fù)調(diào)整、反應(yīng)中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換不充分等困境。原料質(zhì)量不穩(wěn)定，主要是由于原料多源、成分多變、難冶資源多；生產(chǎn)過程波動大、不穩(wěn)定，會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量難以控制；反應(yīng)中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換不充分，會導(dǎo)致高排放；生產(chǎn)過程反復(fù)調(diào)整，會導(dǎo)致高能耗。

基于此，技術(shù)人員對現(xiàn)在主流銅冶煉生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)過程進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，目前電解車間人工參與的工序依舊很多。例如，對電極短路故障進行排查，對陰極銅質(zhì)量的檢測，陰極板、陽極板的轉(zhuǎn)運等都依賴人工操作；企業(yè)的生產(chǎn)、維修管理等也多為線下人工或單機管理模式。例如：

1） 電極短路的故障檢測。電流效率和電銅的品級率是考核電解生產(chǎn)效率和能力的重要指標。在電解過程中，經(jīng)常會發(fā)生電極短路的故障現(xiàn)象，影響電解銅的產(chǎn)量、質(zhì)量并造成電能的損耗。因此，及時檢測出電解槽短路極板并精確定位，一直以來是電解生產(chǎn)管理的難點問題。目前，國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)仍在使用人工巡檢的方式對電極短路故障進行排查，即在陰極導(dǎo)電棒上灑水觀察蒸發(fā)情況，紅外測溫槍測量電極溫度數(shù)據(jù)，用托表測量電極磁場大小等[６]。此類方法實施較為便捷，但依靠人工手動在電解槽槽面巡回檢測，工人勞動強度極大，很難獲得良好的檢測效果，且無法有效保障短路故障的及時排除，同時非常容易出現(xiàn)漏檢和錯檢現(xiàn)象。因此，銅冶煉企業(yè)亟需一種在線高精度檢測及定位系統(tǒng)替代人工巡檢。

2） 陰極銅質(zhì)量檢測依靠人工。一直以來各大電解廠均采用人工檢測陰極銅質(zhì)量的方式，在銅板流轉(zhuǎn)過程中通過目視以及攝像頭實時視頻的方式對陰極銅表面情況進行觀察。此種方式費時費力，漏檢率高，嚴重影響生產(chǎn)與檢測效率[3]。因此，利用機器視覺設(shè)備進行自動檢測很有必要。

3） 陰極板、陽極板轉(zhuǎn)運效率低。大多電解廠陰極板、陽極板轉(zhuǎn)運靠人工叉車和平板車配合作業(yè)，存在效率低、能耗高、車輛尾氣污染環(huán)境等問題，也存在道路運輸安全隱患。因此，利用智能控制系統(tǒng)在陰極板、陽極板轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)實現(xiàn)無人作業(yè)能極大地提高效率、降低能耗、減少安全隱患。

4） 點檢。生產(chǎn)型企業(yè)傳統(tǒng)的設(shè)備管理模式通常以設(shè)備管理信息化系統(tǒng)為抓手，根據(jù)點檢標準自動排點檢計劃，手工錄入點檢實績。這種模式已經(jīng)跟不上時代的步伐，很難使管理人員實時地掌握設(shè)備投入運行之后的狀態(tài)變化，從而難以及時避免由設(shè)備缺陷、隱患、劣化造成的故障停機、停產(chǎn)，甚至重大事故的發(fā)生。

2? ?銅電解廠智能優(yōu)化技術(shù)的研發(fā)

基于上述問題，中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司（以下簡稱“中國瑞林”）為了優(yōu)化生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)效率，對冶煉工廠的智能化、清潔化升級改造進行了諸多嘗試，目前已研發(fā)出來并已投入生產(chǎn)，產(chǎn)生了良好應(yīng)用效果的有紅外光譜短路識別系統(tǒng)、三維視覺檢測系統(tǒng)、陰陽極板智能轉(zhuǎn)運及倉儲、數(shù)字化點檢與設(shè)備在線智能診斷系統(tǒng)等。

2.1? 紅外光譜短路識別系統(tǒng)

如前所述，電解過程中經(jīng)常會發(fā)生電極短路故障，人工巡檢存在勞動強度大、檢測效率低、處理不及時等一系列問題。中國瑞林采用電解槽故障電極高精度檢測及定位系統(tǒng)，在紅外熱成像技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合機器視覺算法及光機電控制技術(shù)開發(fā)了電極故障高精度檢測及定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)能自動掃描監(jiān)測各電解槽中極板溫度，準確識別并定位出短路極板位置與編號，生成相關(guān)報表，進而指導(dǎo)人員處理。

該系統(tǒng)前端監(jiān)測探頭固定安裝在電解車間頂部鋼梁上，探頭高精度光電轉(zhuǎn)臺搭載有高分辨率的“雙光譜”相機，可對電解槽極板進行在線24 h不間斷巡航掃描，并將獲取的各電解槽極板溫度和圖像信息通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸至后端工作站分析處理，實現(xiàn)對電解槽短路極板的準確識別和定位，系統(tǒng)可輸出短路極板位置與編號，生成相關(guān)報表，指導(dǎo)人員處理。

系統(tǒng)對電解槽面形成“雙光譜”監(jiān)控，可實時掌握電解車間生產(chǎn)狀況，檢出并定位短路極板的位置。此系統(tǒng)已在國內(nèi)幾座大型銅電解廠投入使用，效果良好。目前，此技術(shù)已被整體輸送至國外銅電解廠且取得了良好效果。紅外在線系統(tǒng)監(jiān)控示意見圖1。

2.2? 三維視覺檢測系統(tǒng)

三維視覺檢測系統(tǒng)是結(jié)合三維點云檢測算法、深度學(xué)習(xí)、自動化控制、3D視覺相機等綜合而成的應(yīng)用系統(tǒng)，運用機器視覺設(shè)備代替人眼完成檢測、測量和判斷，具有非接觸、可重復(fù)、高精度、連續(xù)性、高效率等優(yōu)點。該系統(tǒng)可以檢測出4 mm及以上粒子，并可有效檢測出大面積相連的粒子。該檢測系統(tǒng)不僅可以節(jié)省大量人工成本，還可以大大提高銅板缺陷檢測效率，降低缺陷漏檢與誤檢率。同時，借助該系統(tǒng)檢測及計算得到的數(shù)據(jù)，可對陰極銅進行質(zhì)量分級，為企業(yè)產(chǎn)品提供便利。該三維視覺檢測系統(tǒng)已在貴溪冶煉廠電解車間投運，效果良好。三維視覺檢測系統(tǒng)檢測效果示意見圖2。

2.3? 陰陽極板智能轉(zhuǎn)運及倉儲

針對極板轉(zhuǎn)運問題，中國瑞林設(shè)計了一套智能轉(zhuǎn)運及倉儲系統(tǒng)，包括陽極板自動下線、搬運及存儲，自動搬運至電解車間陽極整形機組，陰極銅的自動下線、不合格品的分離、合格品自動在線稱重捆包、在線噴碼、自動入庫、存儲及自動發(fā)貨等功能。極板轉(zhuǎn)運設(shè)備通常會采用RGV或AGV，而倉儲可采用穿梭車搬運的立體庫房。該系統(tǒng)的出現(xiàn)真正實現(xiàn)了工段少人化，甚至無人化作業(yè)。

該系統(tǒng)于2019年首次在貴溪冶煉廠投入運行，系統(tǒng)采用的RGV運載能力為2.5 t/臺，運行速度最高可達120 m/min，與之匹配的提升機運行速度可達20 m/min。系統(tǒng)采用的單臺堆垛機能力高達40 垛/h，運行速度可達120 m/min。系統(tǒng)采用的AGV運載能力為2.5 t/臺，空載速度達60 m/min，滿載速度達45 m/min。該系統(tǒng)的穩(wěn)定運行成功解決了該廠電解系統(tǒng)一直以來存在的大量極板運轉(zhuǎn)問題，有效減少了車間勞動定員，降低了生產(chǎn)成本，獲得了良好的經(jīng)濟效益。貴冶二系統(tǒng)AGV轉(zhuǎn)運陰陽極板現(xiàn)場見圖3。

2.4? 數(shù)字化點檢與設(shè)備在線智能診斷

隨著設(shè)備管理數(shù)字化、信息化和智能化發(fā)展，數(shù)字化點檢與設(shè)備在線智能診斷手段的出現(xiàn)把維修模式從計劃維修、事后維修向預(yù)知性維修、狀態(tài)維修轉(zhuǎn)變，讓設(shè)備高效、安全運行，并可進一步降低設(shè)備維修成本。

目前，利用數(shù)字化、信息化技術(shù)，一些先進的銅電解廠已能夠?qū)嵤┑臄?shù)字化點檢功能要有：1）儀器功能，主要包括點檢項顯示、區(qū)域顯示、周期篩選、路線顯示、點檢查詢、數(shù)值預(yù)測等；2）點檢，主要包括用戶管理，路線、區(qū)域、設(shè)備、點檢項目管理，設(shè)備運行、停機、維修管理，振動、溫度、手抄、觀察量、照片等類型信息的采集、上傳，點檢周期管理，點檢工時統(tǒng)計，點檢結(jié)果追憶，報警提示與二次重測等；3）臨時測振，包括提供臨時測振功能，數(shù)據(jù)可離線保存；4）臨時測溫，包括提供臨時測溫功能，數(shù)據(jù)可離線保存；5）統(tǒng)計，點檢項目已檢、漏檢、報警統(tǒng)計；6）工具，包括帶密碼管理的針對區(qū)域進行 RFID 卡綁定管理，提供待機設(shè)置，提供常見物質(zhì)的發(fā)射率；7）通信管理，支持網(wǎng)絡(luò)切換、支持斷點續(xù)傳。

在此基礎(chǔ)上，中國瑞林對工廠核心設(shè)備運行狀態(tài)實時數(shù)據(jù)進行采集、監(jiān)測、分析、處理，又構(gòu)建了故障診斷專家系統(tǒng)，其具體功能包括但不限于數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)報警、設(shè)備健康綜合評價、圖譜分析及全矢普技術(shù)、故障專家診斷、趨勢預(yù)測、異常數(shù)據(jù)追溯、報警信息推送等。

1）數(shù)據(jù)采集。利用已有或新增振動、溫度、相位、轉(zhuǎn)速等傳感器，獲取振動、溫度、轉(zhuǎn)速等信息，采集的數(shù)據(jù)必須同時傳送給工廠實時數(shù)據(jù)庫，支持Modbus TCP/IP通信協(xié)議。

2）狀態(tài)監(jiān)測。實時監(jiān)測能夠在設(shè)備圖形的對應(yīng)位置顯示各測點標識及系統(tǒng)采集的轉(zhuǎn)速、振動、溫度、電流等運行狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并提供多種形式的展現(xiàn)。對工廠實時數(shù)據(jù)庫中采集的設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)，如設(shè)備啟停信息、壓力信息、流量信息等根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求，結(jié)合系統(tǒng)監(jiān)測功能及設(shè)備評價模型，進行監(jiān)測與評價分析。

3）狀態(tài)報警。建立科學(xué)的監(jiān)測報警體系，對采集的設(shè)備狀態(tài)關(guān)鍵參數(shù)進行綜合評判，建立多參數(shù)報警機制?？啥喾N形式觸發(fā)報警，嚴密監(jiān)控，無漏網(wǎng)。報警值的設(shè)定需要遵循相應(yīng)國家標準或行業(yè)標準。報警信息可及時推送給設(shè)備管理系統(tǒng)。

4）設(shè)備健康綜合評價。根據(jù)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采集的參數(shù)，通過多方融合，建立客觀、科學(xué)、符合工廠實際的設(shè)備健康評價模型。該模型按照一定權(quán)重進行評分，權(quán)重系數(shù)可靈活配置。通過該模型可精確判斷機組整體的運行狀態(tài)情況（良好、可用、需維修、停機檢修），并根據(jù)定制周期自動出具綜合評價報告。評價報告可推送給設(shè)備管理系統(tǒng)。

5）圖譜分析及全矢譜技術(shù)。系統(tǒng)具備相關(guān)圖譜分析功能，對設(shè)備故障準確判斷，圖譜分析必須包括常規(guī)分析方法及功能，如棒圖、趨勢圖、軸心軌跡圖、時間波形、頻譜、啟停機圖譜、滾動軸承齒輪箱診斷圖譜等。

6）故障專家診斷。系統(tǒng)提供設(shè)備故障知識庫，減少設(shè)備故障的漏判、誤判情況，結(jié)合設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)對設(shè)備故障進行智能診斷，得出明確的診斷結(jié)論，并給出相應(yīng)的維修和維護建議。系統(tǒng)可全面、可靠地診斷設(shè)備常見的轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子平衡、彎曲）、軸承磨損、齒輪斷齒、裂紋等常見的機械故障，并以圖形化展示。設(shè)備故障知識庫要求具備以下功能：（1）建立故障現(xiàn)象真?zhèn)闻袆e數(shù)學(xué)模型，以及其他相關(guān)的數(shù)學(xué)模型特征數(shù)據(jù)庫。（2）設(shè)備故障知識庫具備自動檢測完整性、一致性的特點，具有良好的開放性和擴展性，可通過知識確認流程對知識庫不斷充實完善；能夠動態(tài)根據(jù)自動診斷信息和用戶驗證信息實時調(diào)整知識庫結(jié)構(gòu)。（3）可將源于生產(chǎn)的運行經(jīng)驗進行分類建模，存入知識庫中，方便對運行知識的查詢和修改。

7）趨勢預(yù)測。通過監(jiān)測設(shè)備運行的歷史數(shù)據(jù)，利用相關(guān)模型，預(yù)測受控設(shè)備未來一段時間的運行狀況。若有劣化傾向，系統(tǒng)能夠及時預(yù)警，自動將預(yù)警信息推送給設(shè)備管理系統(tǒng)。

8）異常數(shù)據(jù)追溯。當設(shè)備出現(xiàn)報警時，系統(tǒng)自動保存報警前后一段時間的數(shù)據(jù)，以便更好地分析報警原因。

9）報警信息推送。系統(tǒng)可以根據(jù)角色動態(tài)配置報警信息，當設(shè)備狀態(tài)達到相應(yīng)的報警閥值時，能夠自動將報警信息推送給設(shè)備管理系統(tǒng)。

10）設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計。設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計功能負責提供可供定制的監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計報表，包括但不限于設(shè)備狀態(tài)報表（正常、報警、危險）、綜合評價報表、專家診斷報表等。

3? ?未來探索方向展望

3.1? 生產(chǎn)系統(tǒng)

除了以上描述的工序之外，電解車間人工大幅參與的工序依然存在不少。不同溶液成分的檢測、陰極板成分檢測、藥劑添加等目前仍大都完全由人工操作。因此對于溶液或陰極銅產(chǎn)品成分實現(xiàn)在線檢測、藥劑自動控制添加、專用吊車無人化操作是下一步有待解決的問題。另外，對于自有鐵路運輸系統(tǒng)的電解廠，如何實現(xiàn)同時既滿足汽車自動裝車，又滿足火車車廂自動裝車也是值得探索的方向。

3.2? 管理系統(tǒng)

當生產(chǎn)系統(tǒng)達到一定的智能化程度時，就為智能化管理奠定了基礎(chǔ)。三維數(shù)字化輔助決策平臺會成為未來智能電解廠智能化管理建設(shè)的重要方向之一。通過搭建可視性高且能實時動態(tài)反映車間運行狀態(tài)和生產(chǎn)情況的三維數(shù)字電解車間輔助決策平臺，有助于生產(chǎn)管理者實時地掌握車間運行情況，及時調(diào)整生產(chǎn)計劃，合理分配制造資源，實現(xiàn)資源的高效利用。

設(shè)計思路為：將設(shè)備的實際屬性與對應(yīng)的三維模型進行掛接，實現(xiàn)設(shè)備屬性的三維查詢管理；通過將電解車間的傳感器數(shù)據(jù)實時接入三維數(shù)字工廠軟件平臺，實現(xiàn)對設(shè)備設(shè)施實時數(shù)據(jù)的查看顯示；與此同時，整合管理運營數(shù)據(jù)，實現(xiàn)三維數(shù)字電解車間輔助決策平臺開發(fā)。

該平臺的技術(shù)特點是，綜合利用三維建模、虛擬現(xiàn)實、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)手段，將真實的電解車間三維場景客觀、準確、完整地記錄下來，并以可交互、可管理的方式進行展現(xiàn)，從而為優(yōu)化監(jiān)控、設(shè)備、人員管理等工作提供更為有力的數(shù)據(jù)支撐和重要的輔助工具。該平臺還能往更深層次擴展工廠運維、展示應(yīng)用，為工廠的生產(chǎn)管理、調(diào)度管理、運檢管理、防災(zāi)減災(zāi)與應(yīng)急指揮等專業(yè)應(yīng)用提供基礎(chǔ)服務(wù)支撐，擴展服務(wù)范圍，提升服務(wù)質(zhì)量。

理想的電解廠三維數(shù)字輔助決策平臺具備以下功能：1）基于三維場景實景視點操作、指定路線瀏覽、設(shè)備檢索和空間測量等功能；2）采用真實3D還原生產(chǎn)車間，能夠真實模擬生產(chǎn)過程；在三維傳感器模型上進行實時數(shù)據(jù)展示；3）在三維工廠場景中通過點擊各種對象查詢設(shè)備信息；4）能夠快速定位到發(fā)生報警的設(shè)備；5）實時采集設(shè)備運行狀態(tài)，在三維場景中三維模型狀態(tài)實時同真實設(shè)備運動一致；6）模擬巡檢員按照固定的路線在三維場景中進行巡檢；7）集成現(xiàn)場已安裝的攝像頭，快速定位攝像頭空間位置，點擊調(diào)取實時監(jiān)控視頻；基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行車間瀏覽。

4? ?結(jié)語

綜上所述，紅外光譜短路識別系統(tǒng)、三維視覺檢測系統(tǒng)、陰陽極板智能轉(zhuǎn)運及倉儲和數(shù)字化點檢與設(shè)備在線智能診斷作為智能化銅電解廠的首批落地方案，如期實現(xiàn)了減少勞動定員、降低勞動強度、提升生產(chǎn)效率的目標，為銅電解行業(yè)智能化建設(shè)奠定了初步基礎(chǔ)。

智能化將成為依靠地區(qū)資源優(yōu)勢的企業(yè)未來發(fā)展的重點方向之一。一方面，通過智能建設(shè)和改造，用設(shè)備的自動化、集成化、智能化替代人工操作，可實現(xiàn)節(jié)能減排，提高資源利用效率和優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品率；另一方面，通過實現(xiàn)無人化作業(yè)執(zhí)行、在線檢測、高性能閉環(huán)控制，可提高控制精度，提升產(chǎn)線質(zhì)量水平。通過實時的數(shù)據(jù)采集、全程協(xié)同的智能排產(chǎn)、質(zhì)量全流程的智能管控、關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)可視化及預(yù)測維修、能源環(huán)境精準管控、物流協(xié)同優(yōu)化，可實現(xiàn)工廠管控集中化和扁平化；通過數(shù)據(jù)集成和共享，生產(chǎn)、物流、設(shè)備、能源等資源形成自主綜合、聯(lián)動平衡和優(yōu)化調(diào)度，從而真正實現(xiàn)協(xié)同高效柔性制造，滿足企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低能耗與成本的需求。

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收稿日期：2023-01-18

作者簡介：高文娟（1986—），女，高級工程師，主要從事有色金屬冶金設(shè)計與研究工作。