張異才

（內(nèi)蒙古伊東冀東水泥有限公司，內(nèi)蒙古 012314 ）

0 引言

通過提高生料的質(zhì)量、降低回轉(zhuǎn)窯工況波動情況，水泥生產(chǎn)工廠可以協(xié)調(diào)生料配料與熟料煅燒這兩個環(huán)節(jié)。本文主要探尋基于預(yù)測熟料質(zhì)量的優(yōu)化水泥生料配料，利用各種數(shù)據(jù)軟件對于水泥配料進行預(yù)測分析，以自動化數(shù)據(jù)分析代替人工配料計算的方法。此方法對于提高水泥生料配料的精確度、穩(wěn)定相關(guān)生料的質(zhì)量有著巨大的幫助，還對于提高廠區(qū)最終水泥生產(chǎn)質(zhì)量具有一定幫助。最終可以促進水泥的生料配料實現(xiàn)自動化。

1 該領(lǐng)域近年來研究現(xiàn)狀

近年來，隨著我國的經(jīng)濟迅猛發(fā)展和工業(yè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)改進，中國道路路基的要求量在逐年下降，這就使得每年水泥的需求量不會出現(xiàn)大幅度變化，水泥行業(yè)的生產(chǎn)目標從產(chǎn)量轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量，相關(guān)水泥企業(yè)也遇到時代影響，新的機遇到來的同時也帶來了新的挑戰(zhàn)。

1.1 熟料質(zhì)量的預(yù)測

我國水泥廠控制熟料質(zhì)量檢測熟料率值是采取X 熒光分析儀進行相對應(yīng)的指標分析。通常采取人工取樣的方式，平均兩小時一次的檢驗耗費時間較長。檢驗結(jié)果將指導后續(xù)生料的配料比與一系列的工藝流程，這就存在嚴重的滯后、后續(xù)配比不穩(wěn)定等問題。

許多研究專家對于熟料質(zhì)量進行預(yù)測并且優(yōu)化水泥生產(chǎn)其他步驟，使用多類控制方法與研發(fā)多種智能控制系統(tǒng)應(yīng)用于水泥廠復(fù)雜的生產(chǎn)過程中，以便于關(guān)鍵環(huán)節(jié)的控制。分析配料之間的比例關(guān)系、率值、氧化物與礦物質(zhì)的聯(lián)系，可以研究出基于熟料率值的生料配料系統(tǒng)。

1.2 生料配料的控制

由于生料檢測設(shè)備的技術(shù)更新水泥生料的配比得以不斷改進，在計算層次上，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取的難度較高并且具有諸多不確定的因素，通過改進計算系統(tǒng)的性遺傳算法來獲取生料最佳程度的調(diào)配方案，可以在后續(xù)對于質(zhì)量進行更加優(yōu)化的控制。建立系統(tǒng)的知識庫去解決后續(xù)生料率值變化較強烈的情況，使用多種人工智能系統(tǒng)控制生產(chǎn)的規(guī)則可得出最終的優(yōu)化配比。

在不同的研究領(lǐng)域還有基于多種生料成分檢測設(shè)備，運用相關(guān)熒光分析的技術(shù)檢測水泥生料成分的占比；基于原材料中子活化等分析生料成分，最大程度采用最優(yōu)算法的自動控制系統(tǒng)。相關(guān)領(lǐng)域的專家發(fā)明出自動計算出生率的自控系統(tǒng)，在線分析儀可以通過元素自動檢測生料中氧化物的含量，并且運用最小二乘法去推算出原始水泥中氧化物的占比。

2 近年來所面臨的研究問題

根據(jù)以上研究現(xiàn)狀可以總結(jié)出以下幾點問題；

2.1 水泥熟料的質(zhì)量難以通過計算系統(tǒng)進行測量。熟料控制質(zhì)量的檢測指標主要有以下幾種物理性質(zhì)：立升重、熟料率值、游離的氧化鈣氧化鎂等。十分困難的是這些參數(shù)具有重大的指導意義但都無法進行在線的測量，及時地反饋控制無法達到。在線測量熟料質(zhì)量指標的是近年來需要攻破的難題之一。

2.2 生料配料無法進行高自動化程度。我國大部分的水泥廠首先是利用離線的方式在化驗室分析水泥熟料成分，然后再反饋數(shù)據(jù)指導廠區(qū)生料的配料三率值與各種參數(shù)設(shè)定，反饋時間長導致最終指導的作用不強。在水泥配比調(diào)整的方面，大部分的工廠進行了人工取樣，導致后續(xù)采樣結(jié)果無法獲得瞬時的樣本數(shù)據(jù)，分析滯后性大、自動化調(diào)整的程度低下。

2.3 水泥生產(chǎn)的環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)性不高。實際生產(chǎn)過程中，兩個環(huán)節(jié)是指生料配料與熟料煅燒，二者的聯(lián)系是通過離線分析得到的熟料數(shù)據(jù)與生料配料的率值目標值，前者對于后者可進行相關(guān)的指導調(diào)節(jié)。該調(diào)整方法由于是事后反應(yīng)較為滯后，得知熟料質(zhì)量達不到標準再去調(diào)整生料的配料比將出現(xiàn)較為嚴重的生產(chǎn)事故。不對窯生料波動進行提前的預(yù)知，容易使得窯工況產(chǎn)生波動，實際工人難以操作，水泥的煅燒也將受到影響后必然讓最終的產(chǎn)品質(zhì)量下降。

2.4 眾多專家在熟料的質(zhì)量預(yù)測、生料的配料控制算法進行了大量的研究工作，但少有人對于兩個環(huán)節(jié)的工作銜接進行研究。在實際生產(chǎn)中，兩個環(huán)節(jié)聯(lián)系緊密。后者受到前者的影響較大，后者也是根據(jù)前者來進行相關(guān)的比例調(diào)整。故此調(diào)節(jié)二者之間的聯(lián)系程度并且加強二者的工作聯(lián)系是該工藝重點需要關(guān)注的部分。

2.5 生料制備的環(huán)節(jié)有嚴重的滯后性。生料從開始的進入生產(chǎn)流程入磨到后續(xù)的出磨都需要有一定程度上的研磨，出磨后還需要對于產(chǎn)品質(zhì)量進行選粉機的篩選將細度不達到標準的重磨。傳統(tǒng)模式下的獲取化驗結(jié)果需要數(shù)小時的時間，具有較差長的滯后時間。

2.6 對于水泥的生料采取控制需要獲取多種材料的占比率。如對四種氧化物含量進行檢測控制需要分別進行四種測定，但是實際情況只允許對于進場的原材料采取一次的化驗測定，不具有實際的測定意義并且由于成分來源的不確定性其測定結(jié)果的波動性也較差。

2.7 人工操作配比大多數(shù)依靠工作人員的個人經(jīng)驗，缺少十分精確的原料配比計算，而部分廠家將采取公式去計算原料的配比，但是原料成分的波動性較差，計算結(jié)果也將產(chǎn)生較大的誤差。

3 水泥生料配料優(yōu)化研究方案

生產(chǎn)水泥的主要工藝流程節(jié)有：生料的制備（包括水泥生料的混合、粉磨等）、熟料的煅燒、水泥的粉磨與包裝，簡單概括為“兩磨一燒”，第一步需要將原材料的粉磨成水泥生產(chǎn)的生料，第二步再進行煅燒處理成熟料，第三步采用前期準備好的熟料粉進行水泥配料的步驟，其中包括：水泥的原材料進廠先需要在進行預(yù)處理過程，以便于后續(xù)存入各個料倉內(nèi)部。一般在水泥廠內(nèi)的原料有四種礦物質(zhì)主要成分為氧化鈣、氧化鋁、氧化硅和氧化鐵。依照相關(guān)的生產(chǎn)計算公式得出相關(guān)的配比值，經(jīng)后進入工藝流程生產(chǎn)線進行研磨篩選，只有細度達到標準的合格的生料才可以經(jīng)提分機保存到庫區(qū)進行下一步的生產(chǎn)，而細度達不到合格要求的生料將回到上一步再次進入研磨區(qū)，以此多次往返來保證生料的細度。這是使得生料將滯后于其他步驟的最主的要原因。為了解決滯后問題本文將提出以下幾點工藝技術(shù)：

3.1 新型干法水泥生產(chǎn)工藝簡介

新型干法水泥生產(chǎn)的主要的生產(chǎn)流程有：上文所介紹的“兩磨一燒”，這是一個是典型的工藝連續(xù)的過程。在該工藝過程中由于原材料是按照不同的比例進行混合處理所以原材料的配比過程是的該工藝重要的組成部分。配比例的合適程度決定了水泥生產(chǎn)的生料質(zhì)量高低與熟料質(zhì)量的好壞程度。

3.2 水泥生料調(diào)配工藝分析

在水泥的生產(chǎn)過程中，對于熟料質(zhì)量的影響元素主要是鈣元素、硅元素、鐵元素、鋁元素四種元素在原材料中所占比例。對于四種元素的生料中比例控制是整個工藝流程的基礎(chǔ)，也是生產(chǎn)的重點。水泥的生料是由多種原材料混合而成，每種原料中都有氧化鈣、氧化硅、氧化鐵、氧化鋁等多種氧化物，各種氧化物之間的數(shù)值差距較大。決定生料的質(zhì)量參數(shù)為∶硅酸率、鋁氧率、石灰飽和系數(shù)三個值。每水泥廠家可以根據(jù)原料的成分與市場需求，計算三率值。一般水泥企業(yè)將使用多組的原材料進行原材料的配料分配。本文所采取研究方法及軟件的開發(fā)是根據(jù)四組氧化物的原料為基礎(chǔ)進行設(shè)計，并且兼顧多種特殊的工況進行三組分配原材料的計算。水泥主要的元素是鈣、硅、鐵、鋁，其中鈣的原材料主要來源是石灰石，石灰石的主要成分為碳酸鈣；硅質(zhì)原材料是砂巖，砂巖中的二氧化硅的含量可達到百分之90 以上；矯正的原材料可分為鐵質(zhì)、鋁質(zhì)原材料兩大種，矯正的原材料來源于各個礦區(qū)開采的石灰石，其質(zhì)量差距較大，還需要進行其他添加劑的調(diào)整，使得石灰石中各元素比例達到生產(chǎn)要求。

3.3 離線式生料質(zhì)量控制特點分析

離線式的生料質(zhì)量控制不同于自動化的控制，該工藝的主要過程是：自動化的取樣器能夠每隔一分鐘對于樣品進行取樣，在一個小時內(nèi)連續(xù)抽取六十次，將六十次的結(jié)果自動生成一個混合樣本，然后操作人員還需使用檢測儀——熒光分析儀對混合樣品進行測量，可以得到一個出磨生料多種原材的含量比率，最后一步化驗室的工作人員可以通知中控系統(tǒng)的操作員及時的直接對于原材料進行調(diào)整配比值。該控制方式的滯后時間也很長，是其生產(chǎn)的主要特點之一，但由于化驗結(jié)果受到上一小時生料成分的影響，可以調(diào)整下一階段及一小時后的配比情況，其次該方式主要需要相應(yīng)的工作人員去總結(jié)相關(guān)的經(jīng)驗，從而對于生產(chǎn)進行配比的調(diào)整，而具體的調(diào)整情況與調(diào)整的量值大小根據(jù)實際情況以及工作人員的經(jīng)驗進行具體情況具體分析的調(diào)整，無具體的計算過程，所以難地產(chǎn)生穩(wěn)定的生料質(zhì)量。

對于生料的質(zhì)量控制就是基礎(chǔ)性的水泥生產(chǎn)過程，質(zhì)量達標的生料不僅可以使可以讓后續(xù)的生產(chǎn)熟料的質(zhì)量穩(wěn)定化，并且降低后續(xù)熟料生產(chǎn)的不確定性。生料的質(zhì)量控制的難于對于水泥的比例控制，根據(jù)四種氧化物的成分組合以便于計算出水泥的比例指標，即通過調(diào)節(jié)若四種化學成分的含量占比讓使水泥生料中多種元素化學成分比例達到一定要求，這也是生料的質(zhì)量控制難點。無法進行原材料的實時監(jiān)控、水泥原材料的成分不確定等因素，導致水泥的生料率往往出現(xiàn)波動較大的現(xiàn)象。

3.4 生料質(zhì)量控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本文研究方向?qū)⒉捎迷隽渴降挠嬎惴椒ǎ瑫r針對傳統(tǒng)的離線式滯后性的生料質(zhì)量控制系統(tǒng)，通過安裝在線分析元素儀、在線式對于生料質(zhì)量采取控制等有針對性的設(shè)計控制系統(tǒng)，以便于減小了原料的成分波動與人為影響原因帶來的影響、生料成分不能夠?qū)崟r的反饋成分結(jié)果，所以將數(shù)據(jù)進行化驗室小時報樣。為解決以上的問題可以提出該控制的方案：總結(jié)于現(xiàn)場的工作人員以及其相關(guān)的操作經(jīng)驗同時結(jié)合工作人員的建議，根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)得出人工智能分析系統(tǒng)規(guī)則，從而達到后續(xù)的自動化的控制目的；再根據(jù)前期使用所遇到的各種問題總結(jié)出相關(guān)的使用經(jīng)驗后可以設(shè)計相關(guān)的工廠控制的系統(tǒng)，以便于后期的進行特殊的工作情況的處理：同時還需要在最終的配比計算中利用增量式的特點進行優(yōu)化計算過程，減小原材料成分不確定、采樣之后的問題。

4 結(jié)束語

綜上所述由于水泥的生料制備這一個水泥必備的環(huán)節(jié)在我國進行自動化操作的水平并不高，具體表現(xiàn)在以下兩個方面：第一：水泥經(jīng)過人工分析后其人工誤差較大。第二：原料配比進行調(diào)節(jié)，是需要中控室的操作員人員進行多方面的計算出相關(guān)的出磨的各種差值，同時結(jié)合相關(guān)操作工人的人工經(jīng)驗進行適應(yīng)性的調(diào)整。控制滯后是由于熒光分析儀中的離線的控制有許多的弊端、離線檢測導致調(diào)整的不及時都可以讓生料的質(zhì)量產(chǎn)生較大的波動，是煅燒窯工況出現(xiàn)不穩(wěn)定的主要原因之一。雖然各種智能化的控制系統(tǒng)的應(yīng)用雖然仍處于較為初級的階段，而其中的設(shè)備操作負責、原材料的價格十分高昂等諸多社會因素導致該自動化的設(shè)備難以普及，但自動化的系統(tǒng)其自身檢測迅速快、可實時反饋進行生產(chǎn)線的調(diào)整等諸多優(yōu)點必將在后續(xù)逐步代替使用較多、缺點較多的離線控制。并且隨著互聯(lián)網(wǎng)工業(yè)化的日益完善，在不久的將來其水泥的生料配料環(huán)節(jié)必定會在將來實現(xiàn)全部環(huán)節(jié)的自動化操作。本文在深入分析現(xiàn)今水泥的生產(chǎn)現(xiàn)狀、了解了水泥生料的基礎(chǔ)配料工藝后，結(jié)合所多方人員在水泥廠中控室的實際生產(chǎn)經(jīng)驗，提出了多種改進生產(chǎn)工藝的流程。以便于后續(xù)適用于各種智能化在線分析儀器的生料配料優(yōu)化工藝方案，開發(fā)了相應(yīng)的計算軟件后能夠結(jié)合于實際的生產(chǎn)情況，進行參數(shù)的調(diào)整以便于日后能夠投入實際的生產(chǎn)應(yīng)用。