耐火材料智能制造的現(xiàn)狀和發(fā)展

胡乃民

中國中鋼集團(tuán)有限公司 北京 100080

耐火材料在現(xiàn)代工業(yè)體系中占有重要地位，是鋼鐵、有色、建材、石化等高溫工業(yè)的重要基礎(chǔ)材料和關(guān)鍵支撐材料。新中國成立尤其是改革開放以來，我國耐火材料工業(yè)快速發(fā)展，目前已是世界上最大的耐火材料生產(chǎn)國和消費(fèi)國，技術(shù)質(zhì)量逐漸接近國際先進(jìn)水平，為我國高溫工業(yè)的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)［1］。

作為傳統(tǒng)的勞動密集型產(chǎn)業(yè)，我國耐火材料行業(yè)整體上存在技術(shù)裝備、自動化和信息化水平較低等問題；整個行業(yè)生產(chǎn)效率較低，產(chǎn)品技術(shù)水平不高，質(zhì)量穩(wěn)定性不好；在資源效率利用方面，能耗比較高，污染嚴(yán)重。在需求端，耐火材料市場也趨于飽和，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，低端產(chǎn)品產(chǎn)能過剩，高端產(chǎn)品產(chǎn)能不足。在耐材企業(yè)方面，中國的耐火材料行業(yè)大而不強(qiáng)，企業(yè)面臨組合重整。因此，積極探索和加快新時代下耐火材料行業(yè)的供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革以及自動化、信息化、智能化發(fā)展是一項(xiàng)非常迫切的任務(wù)。為此，在本文中，闡述了耐火材料生產(chǎn)的主要裝備和智能制造關(guān)鍵技術(shù)，提出了耐火材料智能制造的發(fā)展建議。

1 耐火材料典型生產(chǎn)工藝

耐火材料是一種無機(jī)非金屬材料，耐火度不低于1 580℃，主要用作高溫窯爐或高溫容器等熱工設(shè)備的內(nèi)襯材料，以及高溫裝置中的元件、部件材料等。耐火材料在高溫下使用，要求具備很好的耐高溫性能、一定的高溫力學(xué)性能、良好的體積穩(wěn)定性以及某些工況下抗各種侵蝕性熔渣及氣體的侵蝕性等。

通過配料→混練→成型→干燥→燒成→加工→包裝等典型生產(chǎn)工藝流程，使散狀的不同配比的耐火原料、結(jié)合劑和添加劑等制成組織結(jié)構(gòu)均勻（配料和混練），具有一定規(guī)格尺寸（成型和加工），具有一定強(qiáng)度（干燥和燒成）的耐火材料制品。表1列出了耐火材料各生產(chǎn)工序的功能、主要裝備和智能制造關(guān)鍵技術(shù)。耐火產(chǎn)品的生產(chǎn)具有典型的流程模式，又具有其自身的特點(diǎn)，包括了原料采購入廠、原料破粉碎、配料系統(tǒng)、混碾攪拌系統(tǒng)、成型系統(tǒng)、燒成系統(tǒng)、成品檢測、包裝、出廠等生產(chǎn)活動，涉及采購、銷售、質(zhì)量控制、管理、服務(wù)等。根據(jù)《中國制造2025》的整體部署，耐火材料工藝流程必須由機(jī)械化向自動化、智能化邁進(jìn)，從傳統(tǒng)向現(xiàn)代跨越；企業(yè)優(yōu)化資源配置，從耐材產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝、制造、服務(wù)到退役全過程的高效管理，提升產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)和使用效果，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展之路。

表1 耐火材料各生產(chǎn)工序的功能、主要裝備及其智能制造關(guān)鍵技術(shù)

2 耐火材料智能制造關(guān)鍵技術(shù)

2．1 原料智能倉儲立體庫

傳統(tǒng)的原料倉庫管理一般為了利用空間，將包裝好的原料層層疊放，不僅存在安全隱患，而且長期受壓后細(xì)粉容易板結(jié)，影響產(chǎn)品質(zhì)量。原料智能倉儲立體倉庫（見圖1，某公司的原料倉庫現(xiàn)場照片）相比于傳統(tǒng)的倉庫，很大程度利用上了垂直空間布局。由圖1可見，主體由貨架（用于儲存貨物）、巷道式堆垛起重機(jī)、入（出）庫工作臺和自動運(yùn)進(jìn)（出）及操作控制系統(tǒng)組成。管理上采用倉儲控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。因此，具有柔性搬運(yùn)、智能分流、碼垛拆垛快速等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)存儲自動分配、先進(jìn)先出原則、實(shí)時庫存查詢；貨物庫存預(yù)警提示、配料倉低位聯(lián)動提示；進(jìn)出貨物日、月、年報(bào)表的生成。

圖1 某公司的原料智能倉儲立體倉庫現(xiàn)場照片

引入智能倉儲立體庫后，不僅可以充分利用空間，還可以實(shí)現(xiàn)倉儲管理的智能化［2］。所有原料都進(jìn)行編碼，并放置在獨(dú)立位置上。原料的編碼唯一，對到貨、上架、揀貨、補(bǔ)貨、發(fā)貨和盤點(diǎn)等每一流程動作精準(zhǔn)記錄，實(shí)現(xiàn)對庫存貨物的批次、保質(zhì)期等的精細(xì)化管理。

2．2 自動配料系統(tǒng)

傳統(tǒng)的手工配料計(jì)量方法存在人工配料繁瑣、出錯率高、配料數(shù)據(jù)不便記錄、配料效率低、勞動強(qiáng)度大等缺點(diǎn)。為擺脫手工操作的束縛，開發(fā)了自動配料系統(tǒng)，即一種在線測量動態(tài)計(jì)量系統(tǒng)，由儲料、給料、稱量、混合和輸送系統(tǒng)組成。某公司的自動配料系統(tǒng)現(xiàn)場照片見圖2。根據(jù)配方要求，先常規(guī)計(jì)算各原料所需質(zhì)量，再控制移動配料稱量車，自動在多個料倉下完成計(jì)量配料，到每個排料口自動卸料?？刂剖覂?nèi)采用工控計(jì)算機(jī)及PLC自動控制系統(tǒng)，移動配料稱量車上安裝有稱重專用控制儀表和電子秤，上、下位機(jī)之間通過通訊線連接。整個配料線狀態(tài)在工控計(jì)算機(jī)屏幕上可一目了然，系統(tǒng)還可記錄打印各次配料結(jié)果，打印日報(bào)表、月報(bào)表，系統(tǒng)可存儲多個配方［3］。因此，自動配料系統(tǒng)具有配料精度高、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)［4］，配料過程中自動密封對接入料口、出料口，避免揚(yáng)塵。目前在耐火材料企業(yè)得到大力推廣，配料周期最快可達(dá)2～3 min。同時配料系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫可與企業(yè)ERP系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)配料計(jì)劃任務(wù)管理、料倉庫存和物料消耗量管理。

圖2 某公司的自動配料系統(tǒng)現(xiàn)場照片

無人搬運(yùn)車（Automated Guided Vehicle，簡稱AGV），安裝了光學(xué)自動導(dǎo)引裝置，在規(guī)定的導(dǎo)引線路行駛，具有安全保護(hù)以及各種移載功能，具有快捷、工作效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可控性強(qiáng)、安全性好等優(yōu)勢。配料系統(tǒng)配制好物料后，自動向AGV小車發(fā)出信號，AGV小車接收信號后將配好的物料送至成品庫或睏料房。

2．3 成型自動化生產(chǎn)線

成型生產(chǎn)線包括混料→物料輸送→物料稱重→布料→壓制成型→出磚→質(zhì)檢和碼垛等工序。傳統(tǒng)的物料稱重、布料、出磚、質(zhì)檢和碼垛等都需要人工進(jìn)行，勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，質(zhì)量也得不到保證。而自動化生產(chǎn)線將以上工序全部實(shí)現(xiàn)自動化，基本上沒有人的參與，極大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。自動化生產(chǎn)線的關(guān)鍵裝備包括混料機(jī)、自動稱重布料機(jī)、全自動壓力成型機(jī)、自動檢測系統(tǒng)和自動碼垛系統(tǒng)（機(jī)器人）等。自動稱重布料機(jī)可根據(jù)設(shè)定的參數(shù)自動上料、自動計(jì)量稱重，布料速度可達(dá)1 m·s－1（也可根據(jù)工藝自行設(shè)置），最大誤差≤30 g，它改變了原有人工稱重和布料方式，提高了稱重和布料效率，帶來了質(zhì)量穩(wěn)定。某公司研制的全自動壓力機(jī)示意圖見圖3，可見該壓力機(jī)由主體結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、喂料系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、模具裝卸機(jī)等組成，能自動完成壓制過程中的布料、壓制、脫模、夾磚等工作，可滿足各種原料特性、外形結(jié)構(gòu)尺寸的產(chǎn)品生產(chǎn)需求，能夠輕松快速地更換模具并自動鎖緊。從質(zhì)量方面講，采用全自動壓力機(jī)生產(chǎn)的制品尺寸控制精準(zhǔn)，一般成型磚坯尺寸誤差小于±0．5%；增大了制品的致密度，保證落入模腔的粉料均勻，有效地解決粉料結(jié)團(tuán)及偏析現(xiàn)象，使得磚的質(zhì)量誤差極小。同時，還大幅減少了傳統(tǒng)壓磚機(jī)所致磚坯的缺棱、掉角、飛邊、麻面、層裂和扭曲等產(chǎn)品缺陷，明顯提高耐火磚的質(zhì)量［5］。

圖3 某公司研制生產(chǎn)的全自動耐火磚成型壓力機(jī)的示意圖

自動碼垛系統(tǒng)（機(jī)器人），可以實(shí)現(xiàn)自動取磚、碼垛等功能。該機(jī)器人也可用于烘干窯和高溫窯的耐火磚裝窯和出窯的碼垛，進(jìn)而替代人工，消除人工勞動的不確定因素，易于實(shí)現(xiàn)流水化作業(yè)，效率高。

2．4 全自動溫控超高溫隧道窯

傳統(tǒng)隧道窯具有使用重油等非清潔能源、產(chǎn)量小、人工控制、窯內(nèi)溫度波動大、窯爐設(shè)計(jì)不合理、能源利用率低等缺點(diǎn)。使用新型自動化超高溫隧道窯燒成耐火材料是目前最為經(jīng)濟(jì)和效率最高的生產(chǎn)方式，其中窯內(nèi)壓力控制、溫度控制及溫度均勻化對產(chǎn)品質(zhì)量起著重要作用。近年來隨著傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的深入應(yīng)用，通過在窯內(nèi)各作業(yè)段裝置溫度傳感器和氣壓傳感器實(shí)時傳輸至控制中心，利用大數(shù)據(jù)建模，根據(jù)氣氛智能調(diào)節(jié)助燃空氣與燃料的比例，通過傳感器連接控制系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整窯內(nèi)壓力和溫度，使其達(dá)到工藝范圍內(nèi)的溫度和壓力的均勻化。通過大數(shù)據(jù)分析，根據(jù)燒成品種不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)模型，可有效提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗，節(jié)省人工成本，提升科學(xué)化、智能化管理水平。

2．5 生產(chǎn)過程的智能在線檢測

通過對生產(chǎn)過程的實(shí)時檢測，能夠及時發(fā)現(xiàn)和揀出缺陷產(chǎn)品，防止進(jìn)入下一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)。通過智能在線檢測技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效地降低原料浪費(fèi)。例如，耐火磚的外部和內(nèi)部缺陷檢測。外部缺陷（缺角掉棱、麻面、飛邊以及平整度等）、成型階段磚坯內(nèi)部層裂、烘干和燒成階段磚坯開裂等可借助視覺分析系統(tǒng)和超聲波探傷儀來進(jìn)行檢測，并自動將不合格品揀出［6］。例如耐火磚自動化探傷儀，利用超聲波原理，配合機(jī)械手完成自動探傷，避免了原始的人工敲擊法，不僅探測速度快，還能一次性完成探傷，準(zhǔn)確判斷層裂位置，尤其是對鎂碳磚的檢測。

2．6 服役過程的智能在線監(jiān)測

作為高溫裝備的保護(hù)爐襯，耐火材料在現(xiàn)場服役過程中經(jīng)受高溫、高溫熔體或熔渣的侵蝕和滲透、高溫介質(zhì)的沖刷和磨損等作用，會逐漸損毀而失去保護(hù)作用［7］。爐襯損毀后如果不及時采取措施處理，如重新制作或進(jìn)行修補(bǔ)等，高溫熔體或熔渣、高溫介質(zhì)等就會對高溫裝備產(chǎn)生損傷，嚴(yán)重時甚至造成安全事故。

通過耐火材料爐襯的在線監(jiān)測，及時掌控爐襯狀態(tài)，既可以保障高溫作業(yè)的安全性，還可以基于服役大數(shù)據(jù)對耐火材料爐襯的優(yōu)化設(shè)計(jì)給出指導(dǎo)。例如，在出鐵溝外部鋼殼劃定網(wǎng)格，在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上布置一定數(shù)量的溫度傳感器，通過監(jiān)測鋼殼節(jié)點(diǎn)溫度變化，依據(jù)建立的熱傳遞模型，計(jì)算殘存溝襯厚度［8］；也可以基于紅外（IR）成像系統(tǒng)測量高溫容器外殼溫度，再計(jì)算出耐火材料殘襯厚度［9］。

3 發(fā)展建議

智能制造的發(fā)展方向包括：產(chǎn)品智能化、裝備智能化、車間智能化、工廠智能化。全自動的智能設(shè)備只是耐火材料智能制造的一小部分。耐火材料的智能化需要先完成生產(chǎn)裝備的自動化、測量儀表的數(shù)字化、生產(chǎn)實(shí)際的數(shù)字化、上下游工序的互聯(lián)、生產(chǎn)線之間的信息互聯(lián)，最終才是智能化。

多數(shù)耐材企業(yè)對智能制造認(rèn)識有待提高，缺乏明確的戰(zhàn)略規(guī)劃，路徑不清晰；缺乏精通耐火材料工藝、企業(yè)管理和信息技術(shù)專業(yè)的人才。智能制造是一個龐大的系統(tǒng)工程，涉及資金、技術(shù)、人才等各個方面，從自動化、數(shù)字化到智能化，企業(yè)需要理性規(guī)劃、持續(xù)提高，實(shí)現(xiàn)智能制造的目標(biāo)，每個企業(yè)甚至同一企業(yè)不同工序的智能化水平都存在差異。因此，耐火材料企業(yè)不能急功近利，一哄而上，需根據(jù)自身特點(diǎn)，理性認(rèn)識，分步實(shí)施，有序推進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)整個產(chǎn)業(yè)流程的智能化升級。

耐火材料智能制造具有以智能化耐火材料工廠為載體，以關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)智能化技術(shù)為核心，以端到端數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)為支撐等特征。耐火材料產(chǎn)業(yè)智能制造的核心技術(shù)、管理要求、主要功能和經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，體現(xiàn)了耐材產(chǎn)業(yè)智能制造對于我國耐材行業(yè)、高溫工業(yè)轉(zhuǎn)型升級和可持續(xù)發(fā)展的重要作用。