陶瓷生產智能化在球磨動力節能降耗方面的應用探索*

吳 彤 楊毓隆 馬兆利

(1 清遠職業技術學院機電與汽車工程學院 廣東 清遠 511000)

(2 廣州博依特智能信息科技有限公司 廣州 510520)

(3 清遠納福娜陶瓷有限公司 廣東 清遠 511000)

為了打贏“藍天保衛戰”,全國陶瓷行業“煤改氣”工作全面推進,截止到2020 年12 月,廣東省清遠市34 家陶瓷企業,169 條生產線,已全部使用天然氣,但無一能夠達到智能化生產和信息化生產,陶瓷產業亟待信息化轉型升級。

根據目前陶瓷企業生產的現狀,球磨工序占據陶瓷工藝鏈能耗的30%～35%[1],在這樣的背景下,基于大數據分析與應用基礎上的智能化轉型,通過設備狀態監測、生產管理、運行調度、能耗、品質等數據在平臺上集成共享,運用數據挖掘、機器學習和知識發現等大數據分析和處理技術,運用陶瓷球磨機理,深入挖掘陶瓷企業工業數據價值,通過實際應用,調整球石配比,提高球磨一次合格率等工藝措施,為企業提質增效、節能降耗。

1 實驗

1.1 原料

利用陶瓷企業主要原料,粘土、長石、石英、鈣鎂質類的4大原料配制拋釉底料,在研磨過程中通過加入水玻璃等分散劑進行助磨。

1.2 制備

陶瓷用4大類主要原料按照一定的配比進行稱量,進行裝球后,加入水玻璃為主的分散介質,按照料∶球∶水比為3.45∶2.36∶1的比例進行配制,采取一次性物料添加方式進行物料混合后,啟動球磨機后進行球磨制備拋釉底料。

1.3 表征

用325 目篩檢測物料的篩余控制拋釉底料的粒徑;利用上海精析儀器制造有限公司的LND-1 型,涂-4粘度計測量拋釉底料的流速;將200 g物料在電熱烘箱內烘干1 h后,稱量物料測算物料的密度;利用企業連接平臺進行數據采集和分析。

2 結果與討論

2.1 坯料單耗隨產量的變化趨勢分析

表1為2021年9月某陶瓷企業拋釉底料(簡稱坯料)產量(t)與研磨過程所需要的用電總量(k W·h),配制單位重量坯料的耗電量(k W·h/t),以及配制單位重量坯料的用電成本(元/t)的統計表。表1的數據來源于智能化數字平臺,主要是基于同一噸位的球磨機,在8個批次的球磨過程中的用電量的數據對比。從表1可以看出,在同樣的工藝條件下,球磨機的單耗存在較大的差異,平均極差高達0.61 k W·h/t,單位用電成本平均極差高達0.86元/t,這凸顯了陶瓷球磨動力能耗的問題,也為智能化的節能降耗提供了較大的調整空間[2]。

表1 坯料產量與用電總量,單耗,單位用電成本的統計表

圖1為在同一臺球磨機研磨同樣配方的坯料過程中,單耗隨坯料產量的變化趨勢圖。從圖1可以看出,球磨單耗隨球磨量有較大的起伏,單耗存在一定的差距,為后續數據的分析反饋提供了一定的空間。在與清遠某陶瓷企業研討中發現,動力車間確實存在較大的節能空間。

圖1 坯料單耗隨球磨產量的變化趨勢圖

2.2 研磨體的級配對動力球磨節能降耗的影響

鑒于球磨單耗在陶瓷生產過程中存在的巨大差距,經過分析和比對平臺中多組數據,利用動力球磨的原理,針對于能耗較大的球磨動力工序,采取了改變研磨體級配的方式進行能耗的對比試驗[3]。試驗對象為單耗較高的7號、28號、39號、40號球磨機,試驗的球磨機研磨體級配分布如表2所示。

表2 球磨機裝配研磨體的級配分布表

通過企業連接應用平臺查詢球磨機歷史產生的單耗發現,研磨工藝前,2021年9月份數據,7號球磨機(36 t),22個樣本中產品單耗平均49.23 k W·h/t,28號球磨機,6個樣本中56.23 k W·h/t,39號球磨機,6個樣本中55.40 kw·h/t。40號球磨機,36 t 28個樣本中54.02 kw·h/t。

針對于陶瓷企業的生產實際,利用陶瓷物料研磨機理中,研磨體和內襯設備對物料施加應力方式,充分利用大中小球的壓碎、沖擊、劈碎、研磨以及刨削等作用力[4],充分利用研磨效率與研磨介質的多少、大小、級配、形狀、密度間的關系,選用中高鋁,金剛高鋁的研磨體,其中研磨體中含鋁量為77.69%,同時調整研磨體級配進行試驗。

2022年1月開始,制備坯料時,以7號球磨機,28號球磨機,39號球磨機,40號球磨機為試驗對象,調整料∶球∶水比例為1∶0.75∶0.53,研磨體φ20∶φ30∶φ40∶φ50∶φ60比例分別為0∶1∶1.56∶1.78∶1.23,1∶3.5∶2.2∶2.3∶1,0∶3.2∶3.4∶1∶1.8,0∶3.75∶4∶1∶2.75,11 r/min工頻的前提下,通過平臺數據采集,產品單耗分別為7號球磨機41.144 k W·h/t,28號球磨機38.729 k W·h/t,39 號球磨機4.197 k W·h/t,40號球磨機單耗為45.492 k W·h/t。

球磨機在工藝改造后主要數據統計如表3所示。

表3 球磨機在工藝改造后單耗采集數據表

11 49.05 46.989 31.601 47.026 12 49.212 43.101 44.694 47.537 13 48.413 42.175 23.493 39.056 14 51.823 23.679 44.834 36.199 15 37.445 42.02 47.356 49.643 16 25.308 31.26 46.494 17 46.74 41.551 46.112 18 32.998 31.97 50.236 19 47.312 43.374 51.539 20 24.193 40.593 46.507 21 39.398 41.275 23.054 22 47.393 41.464 42.541 23 50.817 39.78 49.225 24 46.167 38.506 48.762 25 48.386 39.658 49.778 26 37.323 53.401 27 49.19 28 49.271平均單耗(k W·h/t)41.144 38.729 44.197 45.492

試驗通過對84批次的球磨進行數據跟蹤和采集,基于同種配方的坯料進行對比,發現28號球磨機中,研磨體φ20∶φ30∶φ40∶φ50∶φ60比例級配為1∶3.5∶2.2∶2.3∶1時,能耗最低。

對比其他球磨機的研磨體配比來說,28號球磨機利用了小球的細磨作用,在物料破碎到一定程度時,細粒徑的研磨體,對于物料的顆粒級配具有重要的意義。這主要是由于當研磨到一定階段后,通過細粒徑的研磨體的加入,可以提高研磨效率[5]。

圖2為四臺球磨機在不同批次的球磨過程中的單耗統計對比柱狀圖。從圖2可以看出,技術改造以后,4臺球磨機的單耗大部分低于50 k W·h/t,綜合四臺試驗球磨機來說,平均單耗為42.40 k W·h/t,這與技改前的平均單耗53.72 k W·h/t,相比減少了21%。具體見統計表4。

圖2 坯料磨機在工藝改造后單耗采集數據對比柱狀圖

表4 球磨機在工藝改造前后單耗對比數據一覽表

目前,由于企業用電均采取市場定價的原則,根據清遠目前工業用電的成本計算,以某陶瓷企業的日生產量1 200 t(30個球磨機,40 t磨料)核算,經過技術改造,將會為企業節能1 200 t×11.33 k W·h/t×0.55元k W·h/t=7477.80元/d,7477.80×330 d=246.7674萬/年。

2.3 一次合格率對球磨節能降耗的影響

圖3是試驗的四臺球磨機出料一次合格率對比柱狀圖。從圖3可以看出,陶瓷坯料在球磨過程中一次出磨合格率有較大的差異。7號球磨機的一次合格率情況不太理想,而39號和40號的球磨機一次合格率較高。目前陶瓷企業對于漿料的檢測項目主要有料漿的篩余、水分、流速、比重等指標,在對比試驗過程中,出現不合格指標的項目主要集中于水分、漿料粒徑等方面[6]。圖4是四個球磨機散點分布圖。從圖4可以看出,7號球磨機中停磨次數較多,在21批次的球磨物料中,一次合格率的坯料有14批次,二次球磨合格的坯料有4批次,三次球磨合格的坯料有3批次,四次球磨合格的坯料有1 批次。28 號球磨機中坯料達到合格停磨次數也較多,在22批次的物料中,一次球磨合格的坯料有4批次,二次球磨合格的坯料有6批次,三次球磨合格的坯料有2批次。按照某陶瓷企業的球磨機動力運行現狀,40 t的球磨機,功率一般為100～200 k W,加磨一次的能耗最低70 k W·h/min,加磨時間一般為20～30 min,70×25×0.55=962.5元/次。根據7號球磨機和28號球磨機研磨現狀,7號球磨機加磨次數9次,28號球磨機加磨次數8次,兩臺球磨機共加磨17 次,能耗增加962.5×17=16362.5元。球磨機39號和40號,都實現一次球磨合格,有效降低了能耗產生。分析39號和40號球磨機一次合格率的主要原因在于保證水分流速,確保漿料能夠完全釋放干凈,同時控制球磨機的有效研磨時間,以防止超細微粉的產生,防止過磨而引起的顆粒團聚現象[7],從而達到提高坯料研磨的一次合格率。

圖3 不同球磨機一次出磨合格率對比柱狀圖

圖4 不同球磨機一次出磨合格率散點分布圖

3 結論

(1)陶瓷坯料在制備過程中,球磨時的單耗隨產量具有較大的差異,同一臺球磨機在球磨同樣的物料時單耗相差也較大,這與料球水的比例,研磨體的級配等因素均有關。

(2)經過信息化數據的采集,研磨體的級配對動力球磨節能降耗具有較大的影響,通過對球石的級配等工藝參數的技改,利用系統反饋調整球磨的技術參數,當小中大球的比例為1∶3.5∶2.2∶2.3∶1時,球磨單耗最低,可以降低能耗達21%。

(3)提高球磨一次合格率能有效節能降耗,通過試驗,在保證水分流速,確保漿料能夠完全釋放干凈,同時控制球磨機的有效研磨時間,以防止超細微粉的產生,防止過磨而引起的顆粒團聚現象,能夠提高坯料研磨的一次合格率,平均可以有效節約球磨能耗962.5元/次。