水泥智能工廠智能實驗室系統的應用*

軒紅鐘，邵明軍，徐寅生，蔡盛強

（安徽海螺建材設計研究院有限責任公司 安徽 蕪湖 241070）

0 引言

近年來，隨著工業4.0 智能化概念的提出，中國國內各大水泥生產企業紛紛推出生產線智能化質量控制系統。按照《海螺集團智能工廠建設方案》的規劃，海螺集團首套智能質量控制系統于2018 年5 月在海螺某子公司正式投入生產運行。該系統實現了水泥生產從原、燃材料進廠——生產過程質量控制——熟料、水泥出廠整個過程的智能化、數據化控制[1]。

水泥生產線智能實驗室系統主要由4 個部分組成：分布于現場各取樣點的自動取樣——發送站；含有接收站、制樣系統、機械手、X-熒光/衍射儀組成的樣品處理與分析系統——中央實驗室；炮彈（樣品載體）自動輸送管網； 海螺自主開發的先進配料系統。智能實驗室系統圖如圖1，各部分組成及功能介紹如圖1：

圖1 智能實驗室系統圖

1 自動取樣——發送站

自動取樣——發送站分布于現場各取樣點，是水泥質量控制的源頭，主要由取樣器、制樣、縮分單元以及發送站組成。取樣及發送的規范性決定著后續水泥樣品的分析與配料的準確性。其中取樣器根據物料性質可分為粉料取樣器和塊狀物料取樣器兩種，由于樣品輸送為炮彈載體輸送，以及實驗室樣品處理設備的特殊性，塊狀物料取樣后在發送前，需要經過破碎處理方可封裝發送。海螺某項目根據智能實驗室系統的控制思想，配置了10 臺自動取樣器：其中生料、水泥粉料取樣器共計8 臺、熟料取樣器2 臺，取樣、發送站配置如表1。該項目在發送站配置上結合現場實際情況做了如下優化，1#、2# 水泥磨取樣器和3#、4# 水泥磨取樣器分別共用了發送站，其它各取樣點分別共6 臺發送站，另考慮水泥出廠發運量大，取樣分散的特點，在散裝廣場水泥庫側配置了一臺手動發送站，大幅降低取樣勞動強度。

在實際生產運行過程中，多余的樣品需通過壓縮空氣回收至原輸送系統，由于該樣品已經過縮分，為保證生產出水泥的質量，對壓縮空氣的品質要求較高。其中壓力露點溫度要求≤-20℃，而水泥工廠空壓機站配置的冷凍式干燥機出口露點最多只能做到≤10℃，無法滿足該系統用氣，因此該項目在取樣及發送時采用就近取氣的方式，并額外配置了吸附式干燥器對壓縮空氣進行預處理，從而有效降低了壓縮空氣溫度對回收樣品質量的影響。

2 中央實驗室

表1 取樣、發送站配置表

經取樣器取出的樣品需送至中央實驗室進行檢測分析，中央實驗室主要是由全自動實驗室、操作室、除塵室、空壓機房、輔助間及配套電力室組成，其中全自動實驗室由一套樣品接收、準備單元和若干分析設備組成。樣品接收、準備單元主要集成了樣品接收站、粉磨壓片一體機、留樣單元等設備間，這些設備間的工作銜接由一臺定制的機械手完成。中央實驗室工作原理圖如圖2。

圖2 中央實驗室工作原理

中央實驗室主要承擔著水泥生產中的分析環節，是控制水泥質量的核心，該實驗室從功能性上替代了傳統實驗室里的控制室、熒光制樣室和熒光分析室，其中分析設備主要有激光粒度儀、熒光儀、衍射儀等，可以對樣品的粒度，化學成分以及物相組成進行全面的分析，評價其質量的優劣。中央實驗室如圖3。若全自動實驗室與生產線同步實施，可將中控室、實驗室統籌考慮。

3 自動送樣管網

圖3 中央實驗室（中控視角）及機械手

自動送樣管網則是將現場各取樣發送站以及中央實驗室接收站連接的管道系統，是決定整個智能系統能否實現自動化的關鍵環節。該管道系統是通過氣力負壓輸送將載有試樣的炮彈輸送至實驗室，經機械手完成卸樣后，炮彈原路正壓返回至發送站準備下一次送樣。組成管網的主要設備、管件有：輸送風機、管道換向器（站）、φ80×2.5mm 無縫管道、R1000 彎頭、T 型閥、連接抱箍和管卡等。詳見圖4。

自動送樣管道雖與常見的煤粉輸送管道、壓縮空氣管道同為管道式氣力輸送，但要確保整個智能實驗室系統安全且高效運行，則需對管道系統的設計進一步改進，同時在安裝過程中應盡量避免客觀因素造成的調整。在管網的實際設計過程中，為滿足炮彈的順利輸送與返回，該系統重點從以下幾方面進行了考慮：

圖4 自動送樣管道組件

首先需要考慮的是輸送方式，與普通的正壓氣力輸送相比，由于該系統炮彈需要原路返回，所以設計上可以通過改變氣體去向來控制炮彈在管道中的運行方向，負壓輸送時氣體經風機外排，正壓輸送時通過T 型三通外排；其次在管道連接方式上應盡量減少輸送阻力的影響，管道對接通過抱箍緊固，管道內壁光潔度要求很高，不允許焊接，由于現場管網覆蓋范圍大，輸送距離長，取樣點分散的特點，必要時可采用帶坡度設計；最后考慮到輸送過程中的變向方式的設計，一方面由于炮彈區別于氣體和物料不具有流動性的特點，在輸送時遇到變向過程則需考慮將彎頭曲率相應提高，受炮彈尺寸影響，管徑一般不低于1000mm，在管道平面/豎向布置盡量橫平豎直，以減少彎頭數量。另一方面結合現場實際采用了雙路管道進中央試驗室的設計方案：兩條熟料線出磨和入窯生料匯總一路，另外出窯熟料×2、出磨水泥×4 樣和出廠手動樣匯總一路，兩路管道匯合并行，考慮兩邊樣品數量的不平衡性，在匯總之后需設置一個兩進兩出的換路站，解決兩路樣品數量的不平衡問題。

4 結語

智能實驗室系統的應用提高了生產檢驗的及時性和準確性，在大幅降低員工勞動強度同時，也有效提高了產品質量的穩定性[2]。質量控制系統的智能化、數據化控制，一方面指導著數字化智能礦山系統進行石灰石的合理開采與搭配，以提高資源利用率；另一方面也幫助專家優化控制系統和工藝參數，實現生產中的節能降耗目標。智能實驗室在水泥工廠中的成功應用，將成為未來水泥工廠的發展趨勢。