基于熟料質(zhì)量預(yù)測的水泥生料配料優(yōu)化研究

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(dòng)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(gè)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(duì)于水泥配料進(jìn)行預(yù)測分析，以自動(dòng)化數(shù)據(jù)分析代替人工配料計(jì)算的方法。此方法對(duì)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(duì)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(jìn)水泥的生料配料實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jì)迅猛發(fā)展和工業(yè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)改進(jìn)，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(huì)出現(xiàn)大幅度變化，水泥行業(yè)的生產(chǎn)目標(biāo)從產(chǎn)量轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量，相關(guān)水泥企業(yè)也遇到時(shí)代影響，新的機(jī)遇到來的同時(shí)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(jìn)行相對(duì)應(yīng)的指標(biāo)分析。通常采取人工取樣的方式，平均兩小時(shí)一次的檢驗(yàn)耗費(fèi)時(shí)間較長。檢驗(yàn)結(jié)果將指導(dǎo)后續(xù)生料的配料比與一系列的工藝流程，這就存在嚴(yán)重的滯后、后續(xù)配比不穩(wěn)定等問題。

許多研究專家對(duì)于熟料質(zhì)量進(jìn)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(jìn)，在計(jì)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(jìn)計(jì)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(duì)于質(zhì)量進(jìn)行更加優(yōu)化的控制。建立系統(tǒng)的知識(shí)庫去解決后續(xù)生料率值變化較強(qiáng)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(yùn)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(dòng)控制系統(tǒng)。相關(guān)領(lǐng)域的專家發(fā)明出自動(dòng)計(jì)算出生率的自控系統(tǒng)，在線分析儀可以通過元素自動(dòng)檢測生料中氧化物的含量，并且運(yùn)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(diǎn)問題；

2.1 水泥熟料的質(zhì)量難以通過計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行測量。熟料控制質(zhì)量的檢測指標(biāo)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(dǎo)意義但都無法進(jìn)行在線的測量，及時(shí)地反饋控制無法達(dá)到。在線測量熟料質(zhì)量指標(biāo)的是近年來需要攻破的難題之一。

2.2 生料配料無法進(jìn)行高自動(dòng)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(yàn)室分析水泥熟料成分，然后再反饋數(shù)據(jù)指導(dǎo)廠區(qū)生料的配料三率值與各種參數(shù)設(shè)定，反饋時(shí)間長導(dǎo)致最終指導(dǎo)的作用不強(qiáng)。在水泥配比調(diào)整的方面，大部分的工廠進(jìn)行了人工取樣，導(dǎo)致后續(xù)采樣結(jié)果無法獲得瞬時(shí)的樣本數(shù)據(jù)，分析滯后性大、自動(dòng)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(shí)際生產(chǎn)過程中，兩個(gè)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(biāo)值，前者對(duì)于后者可進(jìn)行相關(guān)的指導(dǎo)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(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)再去調(diào)整生料的配料比將出現(xiàn)較為嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。不對(duì)窯生料波動(dòng)進(jìn)行提前的預(yù)知，容易使得窯工況產(chǎn)生波動(dòng)，實(shí)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(jìn)行了大量的研究工作，但少有人對(duì)于兩個(gè)環(huán)節(jié)的工作銜接進(jìn)行研究。在實(shí)際生產(chǎn)中，兩個(gè)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(jìn)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(qiáng)二者的工作聯(lián)系是該工藝重點(diǎn)需要關(guān)注的部分。

2.5 生料制備的環(huán)節(jié)有嚴(yán)重的滯后性。生料從開始的進(jìn)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(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行選粉機(jī)的篩選將細(xì)度不達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的重磨。傳統(tǒng)模式下的獲取化驗(yàn)結(jié)果需要數(shù)小時(shí)的時(shí)間，具有較差長的滯后時(shí)間。

2.6 對(duì)于水泥的生料采取控制需要獲取多種材料的占比率。如對(duì)四種氧化物含量進(jìn)行檢測控制需要分別進(jìn)行四種測定，但是實(shí)際情況只允許對(duì)于進(jìn)場的原材料采取一次的化驗(yàn)測定，不具有實(shí)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(dòng)性也較差。

2.7 人工操作配比大多數(shù)依靠工作人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，缺少十分精確的原料配比計(jì)算，而部分廠家將采取公式去計(jì)算原料的配比，但是原料成分的波動(dòng)性較差，計(jì)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(jìn)行煅燒處理成熟料，第三步采用前期準(zhǔn)備好的熟料粉進(jìn)行水泥配料的步驟，其中包括：水泥的原材料進(jìn)廠先需要在進(jìn)行預(yù)處理過程，以便于后續(xù)存入各個(gè)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(jì)算公式得出相關(guān)的配比值，經(jīng)后進(jìn)入工藝流程生產(chǎn)線進(jìn)行研磨篩選，只有細(xì)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的合格的生料才可以經(jīng)提分機(jī)保存到庫區(qū)進(jìn)行下一步的生產(chǎn)，而細(xì)度達(dá)不到合格要求的生料將回到上一步再次進(jìn)入研磨區(qū)，以此多次往返來保證生料的細(xì)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(diǎn)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(gè)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(jìn)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(duì)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(duì)于四種元素的生料中比例控制是整個(gè)工藝流程的基礎(chǔ)，也是生產(chǎn)的重點(diǎn)。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(gè)值。每水泥廠家可以根據(jù)原料的成分與市場需求，計(jì)算三率值。一般水泥企業(yè)將使用多組的原材料進(jìn)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(jìn)行設(shè)計(jì)，并且兼顧多種特殊的工況進(jìn)行三組分配原材料的計(jì)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(dá)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(gè)礦區(qū)開采的石灰石，其質(zhì)量差距較大，還需要進(jìn)行其他添加劑的調(diào)整，使得石灰石中各元素比例達(dá)到生產(chǎn)要求。

3.3 離線式生料質(zhì)量控制特點(diǎn)分析

離線式的生料質(zhì)量控制不同于自動(dòng)化的控制，該工藝的主要過程是：自動(dòng)化的取樣器能夠每隔一分鐘對(duì)于樣品進(jìn)行取樣，在一個(gè)小時(shí)內(nèi)連續(xù)抽取六十次，將六十次的結(jié)果自動(dòng)生成一個(gè)混合樣本，然后操作人員還需使用檢測儀——熒光分析儀對(duì)混合樣品進(jìn)行測量，可以得到一個(gè)出磨生料多種原材的含量比率，最后一步化驗(yàn)室的工作人員可以通知中控系統(tǒng)的操作員及時(shí)的直接對(duì)于原材料進(jìn)行調(diào)整配比值。該控制方式的滯后時(shí)間也很長，是其生產(chǎn)的主要特點(diǎn)之一，但由于化驗(yàn)結(jié)果受到上一小時(shí)生料成分的影響，可以調(diào)整下一階段及一小時(shí)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(yàn)，從而對(duì)于生產(chǎn)進(jìn)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(shí)際情況以及工作人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行具體情況具體分析的調(diào)整，無具體的計(jì)算過程，所以難地產(chǎn)生穩(wěn)定的生料質(zhì)量。

對(duì)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(dá)標(biāo)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(duì)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(jì)算出水泥的比例指標(biāo)，即通過調(diào)節(jié)若四種化學(xué)成分的含量占比讓使水泥生料中多種元素化學(xué)成分比例達(dá)到一定要求，這也是生料的質(zhì)量控制難點(diǎn)。無法進(jìn)行原材料的實(shí)時(shí)監(jiān)控、水泥原材料的成分不確定等因素，導(dǎo)致水泥的生料率往往出現(xiàn)波動(dòng)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(jì)

本文研究方向?qū)⒉捎迷隽渴降挠?jì)算方法，同時(shí)針對(duì)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(duì)于生料質(zhì)量采取控制等有針對(duì)性的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，以便于減小了原料的成分波動(dòng)與人為影響原因帶來的影響、生料成分不能夠?qū)崟r(shí)的反饋成分結(jié)果，所以將數(shù)據(jù)進(jìn)行化驗(yàn)室小時(shí)報(bào)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(yàn)同時(shí)結(jié)合工作人員的建議，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出人工智能分析系統(tǒng)規(guī)則，從而達(dá)到后續(xù)的自動(dòng)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(yàn)后可以設(shè)計(jì)相關(guān)的工廠控制的系統(tǒng)，以便于后期的進(jìn)行特殊的工作情況的處理：同時(shí)還需要在最終的配比計(jì)算中利用增量式的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)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(gè)水泥必備的環(huán)節(jié)在我國進(jìn)行自動(dòng)化操作的水平并不高，具體表現(xiàn)在以下兩個(gè)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(jìn)行調(diào)節(jié)，是需要中控室的操作員人員進(jìn)行多方面的計(jì)算出相關(guān)的出磨的各種差值，同時(shí)結(jié)合相關(guān)操作工人的人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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(dǎo)致調(diào)整的不及時(shí)都可以讓生料的質(zhì)量產(chǎn)生較大的波動(dòng)，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(jí)的階段，而其中的設(shè)備操作負(fù)責(zé)、原材料的價(jià)格十分高昂等諸多社會(huì)因素導(dǎo)致該自動(dòng)化的設(shè)備難以普及，但自動(dòng)化的系統(tǒng)其自身檢測迅速快、可實(shí)時(shí)反饋進(jìn)行生產(chǎn)線的調(diào)整等諸多優(yōu)點(diǎn)必將在后續(xù)逐步代替使用較多、缺點(diǎn)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(huì)在將來實(shí)現(xiàn)全部環(huán)節(jié)的自動(dòng)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(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，提出了多種改進(jìn)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(jì)算軟件后能夠結(jié)合于實(shí)際的生產(chǎn)情況，進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整以便于日后能夠投入實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用。