泥與火百煉成“膜” 數(shù)與智久變出新

陶瓷是在泥與火的交融中演繹東方美學的傳統(tǒng)材料，而在現(xiàn)代工業(yè)的淬煉“雕琢”下，它可以搖身一變，成為生物發(fā)酵、藥物提取、水處理與資源化利用等行業(yè)的“靈魂”——陶瓷膜。

陶瓷膜是一種精密陶瓷過濾材料，可用于解決資源、能源、環(huán)境等領域的瓶頸問題。5月28日，筆者走進江蘇久吾高科技股份有限公司（以下簡稱“久吾高科”）橋林廠區(qū)高度智能化陶瓷膜工廠，只見一根根陶瓷膜在工業(yè)機器人的抓取、傳遞中逐漸成型；一臺臺自動搬運車（AGV）穿梭在檢測車間和窯爐之間，與機械臂配合，為“新鮮出爐”的陶瓷膜“體檢”；在后臺的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）中，每一根陶瓷膜從成型到出廠的“軌跡”都能被追溯。

近日，工信部公布第二批智能制造標準應用試點項目名單，久吾高科牽頭打造的“高度智能化陶瓷膜工廠建設標準應用試點”位列其中。

機器“巧手”融入傳統(tǒng)經(jīng)驗

久吾高科生產(chǎn)的陶瓷膜主要由氧化鋁構成，在每根長約1.2米、直徑約3厘米的圓柱形膜上，貫穿著密密麻麻的小孔。通道內壁一次或多次涂敷不同厚度、粒度的氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯等無機材料后，將形成一層層過濾膜。

“當待處理的溶液被輸送進陶瓷膜后，液體中的小分子會沿著小孔內膜層的垂直方向朝外滲透，液體中的大顆粒會被膜截留下來，從而實現(xiàn)液體的分離、純化、濃縮。”久吾高科陶瓷膜生產(chǎn)部副經(jīng)理常冬杰介紹，根據(jù)應用場景的需要，通道內的膜層分離精度分為微米級、納米級等不同規(guī)格。

陶瓷膜產(chǎn)業(yè)涉及材料科學、分離工程及相關下游應用領域的眾多前沿技術。隨著市場需求持續(xù)增長和環(huán)保要求的提高，企業(yè)亟須對傳統(tǒng)生產(chǎn)模式進行智能化改造、提升產(chǎn)品競爭力。

“2017年我們啟動建立智能生產(chǎn)線，但當時國內并沒有陶瓷膜智能制造經(jīng)驗，為了把老工人的生產(chǎn)經(jīng)驗和智能制造相融合，我們和設計商一起，將傳統(tǒng)工藝融入智能化裝備，先后制定了幾十版方案。”常冬杰舉例說，陶瓷膜在傳統(tǒng)擠出成型時，原來靠人工牽引坯體，產(chǎn)品質量依靠師傅的操作經(jīng)驗；如果操作欠妥，在切割時會導致陶瓷膜變形，表面還可能出現(xiàn)凹凸不平等情況。

后來，久吾高科與技術供應商合作，用機器人識別工人的動作，再提取重要工藝參數(shù)，將關鍵動作指令植入機器人，同時設計生產(chǎn)線，用機器人進行陶瓷膜的自動切割、牽引、翻滾，提高了生產(chǎn)質量和效率。

技術供應商相關負責人介紹，為確保陶瓷膜擠出成型的一致性，公司設計了機器人夾具來模擬人手的動作，并讓夾具的移動時間與擠出機的擠出速度保持同步。為了減少牽引過程中重力對陶瓷膜形狀的影響，公司還在承托的“氣托”上設計了一層“氣膜”，讓陶瓷膜能懸浮在氣托上。在陶瓷膜成型下線時，公司又通過對機器人的程序和電機進行控制，避免陶瓷膜跌落或者人為觸碰帶來的變形。

“高度智能化陶瓷膜工廠建成后，訂單準時交付率提高至99%，生產(chǎn)效率提升100%，設備綜合利用率從80%提升至85%，單位產(chǎn)品能耗降低了20%。”常冬杰告訴筆者，借助人工智能等技術，工廠進行數(shù)字化改造、智能化升級，實現(xiàn)產(chǎn)能翻番，產(chǎn)品遠銷韓國、印度、俄羅斯、哈薩克斯坦等40多個國家和地區(qū)。

智能“烤驗”實現(xiàn)華麗蛻變

陶瓷制品須經(jīng)過一番火的淬煉方能“成器”。

在高度智能化陶瓷膜工廠盡頭，6排52米長的高溫窯爐并列排開。橙紅色的火焰跳動，等待一場華麗蛻變。窯爐旁，成型后的陶瓷膜坯體被AGV運載到這里，等待進入窯爐接受“烤驗”。

“從成型車間到高溫窯爐區(qū)大約有100米，陶瓷膜在尚未定型、結構強度不夠時，要減少在環(huán)境中的暴露時間，否則膜會膨脹或收縮，影響產(chǎn)品性能，這對物流運送時間提出了很高的要求。”前述技術供應商相關負責人介紹，為了掌握配送時間，該公司規(guī)劃了AGV的行駛路線，確保陶瓷膜能在適宜的時間抵達高溫窯爐區(qū)。

燒制是決定陶瓷膜性能的關鍵環(huán)節(jié)之一。陶瓷膜要經(jīng)過5～7天的燒制，如果燒制時間過短，則陶瓷膜的強度不夠，就容易掰斷；如果燒制時間過長，陶瓷膜的孔徑會更加致密，影響過濾效率和液體通量。

“現(xiàn)在通過智能設備，可以控制窯車進出窯爐的速度，從而確保燒制質量。”常冬杰說。

高溫燒制成型的陶瓷膜支撐體，再經(jīng)過一次次涂上膜層，低溫燒制后，才終于初步定型，但它們還要走完最后一程——出廠前的質量檢測。

在質量檢測環(huán)節(jié)，一輛輛AGV載著陶瓷膜行駛到檢測池前停下，協(xié)作機器人的機械臂依次夾取陶瓷膜浸入水中。如果有氣泡低于設定壓力滲出，意味著這根膜質量不合格。這時，站立在一旁手持平板電腦的工人，手指一滑，殘次品便被機械臂吊取放到固定的報廢區(qū)域。

“借助AGV和機械臂，我們可以實現(xiàn)陶瓷膜的自動檢測、產(chǎn)能翻番，并降低工人勞動強度。”常冬杰說。

智慧“大腦”記錄“生命信息”

對一根陶瓷膜來說，它經(jīng)受的每一次“淬煉”，在智能工廠里都有跡可循。

“每根陶瓷膜的外壁上，都有一個激光雕刻的編碼和二維碼，這相當于陶瓷膜的身份證。”常冬杰指著一根剛剛下線的陶瓷膜說，生產(chǎn)過程中掃描二維碼，就可以定位到陶瓷膜從原材料到成品的全流程，查看其生產(chǎn)過程中的工藝條件、設備狀態(tài)和操作人員信息等關鍵參數(shù)。

抬眼向車間高處望去，窯爐內有多少根陶瓷膜在燒制、已經(jīng)檢測了多少根、不合格率多高，都一目了然。

更值得關注的是，生產(chǎn)流程的所有信息，都被MES悉數(shù)掌控。它就像精準調度生產(chǎn)信息的智慧“大腦”。在MES中，筆者看到，工業(yè)排產(chǎn)、物流配送、質量追溯和改進、產(chǎn)品運營、智能運維等數(shù)據(jù)都被悉數(shù)收入。

常冬杰點開檢測頁面，最新一批陶瓷膜的水壓、泡壓、膜面積、水通量等數(shù)據(jù)清晰可見。“我們在成型設備、AGV、窯爐中安裝了許多傳感器。如果某批次陶瓷膜產(chǎn)品出現(xiàn)質量異常，可以通過MES迅速查詢到該批次產(chǎn)品的歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括原材料供應商、生產(chǎn)設備運行狀態(tài)以及工藝參數(shù)等。通過分析這些數(shù)據(jù)，就發(fā)現(xiàn)問題的根源，從而及時調整供應鏈并優(yōu)化生產(chǎn)工藝，避免了類似問題的再次發(fā)生。”常冬杰說。

以數(shù)字化賦能工業(yè)生產(chǎn)，以智慧化提升產(chǎn)品質量，讓久吾高科收獲了更低的生產(chǎn)成本、更高的生產(chǎn)效率。常冬杰介紹，如今，公司每年可降低人工成本約100萬元，設備故障率降低50%，設備維護成本降低25%。同時，公司產(chǎn)品研發(fā)周期縮短50%，設計效率提升30%，產(chǎn)品不良率下降8%，質量追溯時間從原來的數(shù)小時縮短至幾分鐘，追溯準確率超99%。

“我們希望通過高度智能化陶瓷膜工廠的互聯(lián)互通和數(shù)字化精細管理，推動陶瓷膜行業(yè)的技術進步。”常冬杰說。