陶瓷生產(chǎn)智能化在球磨動(dòng)力節(jié)能降耗方面的應(yīng)用探索*

吳 彤 楊毓隆 馬兆利

(1 清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車(chē)工程學(xué)院 廣東 清遠(yuǎn) 511000)

(2 廣州博依特智能信息科技有限公司 廣州 510520)

(3 清遠(yuǎn)納福娜陶瓷有限公司 廣東 清遠(yuǎn) 511000)

為了打贏“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”,全國(guó)陶瓷行業(yè)“煤改氣”工作全面推進(jìn),截止到2020 年12 月,廣東省清遠(yuǎn)市34 家陶瓷企業(yè),169 條生產(chǎn)線,已全部使用天然氣,但無(wú)一能夠達(dá)到智能化生產(chǎn)和信息化生產(chǎn),陶瓷產(chǎn)業(yè)亟待信息化轉(zhuǎn)型升級(jí)。

根據(jù)目前陶瓷企業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)狀,球磨工序占據(jù)陶瓷工藝鏈能耗的30%～35%[1],在這樣的背景下,基于大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用基礎(chǔ)上的智能化轉(zhuǎn)型,通過(guò)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)管理、運(yùn)行調(diào)度、能耗、品質(zhì)等數(shù)據(jù)在平臺(tái)上集成共享,運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)和知識(shí)發(fā)現(xiàn)等大數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù),運(yùn)用陶瓷球磨機(jī)理,深入挖掘陶瓷企業(yè)工業(yè)數(shù)據(jù)價(jià)值,通過(guò)實(shí)際應(yīng)用,調(diào)整球石配比,提高球磨一次合格率等工藝措施,為企業(yè)提質(zhì)增效、節(jié)能降耗。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

利用陶瓷企業(yè)主要原料,粘土、長(zhǎng)石、石英、鈣鎂質(zhì)類(lèi)的4大原料配制拋釉底料,在研磨過(guò)程中通過(guò)加入水玻璃等分散劑進(jìn)行助磨。

1.2 制備

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

1.3 表征

用325 目篩檢測(cè)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(jì)測(cè)量拋釉底料的流速;將200 g物料在電熱烘箱內(nèi)烘干1 h后,稱(chēng)量物料測(cè)算物料的密度;利用企業(yè)連接平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 坯料單耗隨產(chǎn)量的變化趨勢(shì)分析

表1為2021年9月某陶瓷企業(yè)拋釉底料(簡(jiǎn)稱(chēng)坯料)產(chǎn)量(t)與研磨過(guò)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(tǒng)計(jì)表。表1的數(shù)據(jù)來(lái)源于智能化數(shù)字平臺(tái),主要是基于同一噸位的球磨機(jī),在8個(gè)批次的球磨過(guò)程中的用電量的數(shù)據(jù)對(duì)比。從表1可以看出,在同樣的工藝條件下,球磨機(jī)的單耗存在較大的差異,平均極差高達(dá)0.61 k W·h/t,單位用電成本平均極差高達(dá)0.86元/t,這凸顯了陶瓷球磨動(dòng)力能耗的問(wèn)題,也為智能化的節(jié)能降耗提供了較大的調(diào)整空間[2]。

表1 坯料產(chǎn)量與用電總量,單耗,單位用電成本的統(tǒng)計(jì)表

圖1為在同一臺(tái)球磨機(jī)研磨同樣配方的坯料過(guò)程中,單耗隨坯料產(chǎn)量的變化趨勢(shì)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(xù)數(shù)據(jù)的分析反饋提供了一定的空間。在與清遠(yuǎn)某陶瓷企業(yè)研討中發(fā)現(xiàn),動(dòng)力車(chē)間確實(shí)存在較大的節(jié)能空間。

圖1 坯料單耗隨球磨產(chǎn)量的變化趨勢(shì)圖

2.2 研磨體的級(jí)配對(duì)動(dòng)力球磨節(jié)能降耗的影響

鑒于球磨單耗在陶瓷生產(chǎn)過(guò)程中存在的巨大差距,經(jīng)過(guò)分析和比對(duì)平臺(tái)中多組數(shù)據(jù),利用動(dòng)力球磨的原理,針對(duì)于能耗較大的球磨動(dòng)力工序,采取了改變研磨體級(jí)配的方式進(jìn)行能耗的對(duì)比試驗(yàn)[3]。試驗(yàn)對(duì)象為單耗較高的7號(hào)、28號(hào)、39號(hào)、40號(hào)球磨機(jī),試驗(yàn)的球磨機(jī)研磨體級(jí)配分布如表2所示。

表2 球磨機(jī)裝配研磨體的級(jí)配分布表

通過(guò)企業(yè)連接應(yīng)用平臺(tái)查詢(xún)球磨機(jī)歷史產(chǎn)生的單耗發(fā)現(xiàn),研磨工藝前,2021年9月份數(shù)據(jù),7號(hào)球磨機(jī)(36 t),22個(gè)樣本中產(chǎn)品單耗平均49.23 k W·h/t,28號(hào)球磨機(jī),6個(gè)樣本中56.23 k W·h/t,39號(hào)球磨機(jī),6個(gè)樣本中55.40 kw·h/t。40號(hào)球磨機(jī),36 t 28個(gè)樣本中54.02 kw·h/t。

針對(duì)于陶瓷企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際,利用陶瓷物料研磨機(jī)理中,研磨體和內(nèi)襯設(shè)備對(duì)物料施加應(yīng)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(zhì)的多少、大小、級(jí)配、形狀、密度間的關(guān)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(shí)調(diào)整研磨體級(jí)配進(jìn)行試驗(yàn)。

2022年1月開(kāi)始,制備坯料時(shí),以7號(hào)球磨機(jī),28號(hào)球磨機(jī),39號(hào)球磨機(jī),40號(hào)球磨機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象,調(diào)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(guò)平臺(tái)數(shù)據(jù)采集,產(chǎn)品單耗分別為7號(hào)球磨機(jī)41.144 k W·h/t,28號(hào)球磨機(jī)38.729 k W·h/t,39 號(hào)球磨機(jī)4.197 k W·h/t,40號(hào)球磨機(jī)單耗為45.492 k W·h/t。

球磨機(jī)在工藝改造后主要數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 球磨機(jī)在工藝改造后單耗采集數(shù)據(jù)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(yàn)通過(guò)對(duì)84批次的球磨進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤和采集,基于同種配方的坯料進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)28號(hào)球磨機(jī)中,研磨體φ20∶φ30∶φ40∶φ50∶φ60比例級(jí)配為1∶3.5∶2.2∶2.3∶1時(shí),能耗最低。

對(duì)比其他球磨機(jī)的研磨體配比來(lái)說(shuō),28號(hào)球磨機(jī)利用了小球的細(xì)磨作用,在物料破碎到一定程度時(shí),細(xì)粒徑的研磨體,對(duì)于物料的顆粒級(jí)配具有重要的意義。這主要是由于當(dāng)研磨到一定階段后,通過(guò)細(xì)粒徑的研磨體的加入,可以提高研磨效率[5]。

圖2為四臺(tái)球磨機(jī)在不同批次的球磨過(guò)程中的單耗統(tǒng)計(jì)對(duì)比柱狀圖。從圖2可以看出,技術(shù)改造以后,4臺(tái)球磨機(jī)的單耗大部分低于50 k W·h/t,綜合四臺(tái)試驗(yàn)球磨機(jī)來(lái)說(shuō),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(jiàn)統(tǒng)計(jì)表4。

圖2 坯料磨機(jī)在工藝改造后單耗采集數(shù)據(jù)對(duì)比柱狀圖

表4 球磨機(jī)在工藝改造前后單耗對(duì)比數(shù)據(jù)一覽表

目前,由于企業(yè)用電均采取市場(chǎng)定價(jià)的原則,根據(jù)清遠(yuǎn)目前工業(yè)用電的成本計(jì)算,以某陶瓷企業(yè)的日生產(chǎn)量1 200 t(30個(gè)球磨機(jī),40 t磨料)核算,經(jīng)過(guò)技術(shù)改造,將會(huì)為企業(yè)節(jié)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(wàn)/年。

2.3 一次合格率對(duì)球磨節(jié)能降耗的影響

圖3是試驗(yàn)的四臺(tái)球磨機(jī)出料一次合格率對(duì)比柱狀圖。從圖3可以看出,陶瓷坯料在球磨過(guò)程中一次出磨合格率有較大的差異。7號(hào)球磨機(jī)的一次合格率情況不太理想,而39號(hào)和40號(hào)的球磨機(jī)一次合格率較高。目前陶瓷企業(yè)對(duì)于漿料的檢測(cè)項(xiàng)目主要有料漿的篩余、水分、流速、比重等指標(biāo),在對(duì)比試驗(yàn)過(guò)程中,出現(xiàn)不合格指標(biāo)的項(xiàng)目主要集中于水分、漿料粒徑等方面[6]。圖4是四個(gè)球磨機(jī)散點(diǎn)分布圖。從圖4可以看出,7號(hào)球磨機(jī)中停磨次數(shù)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(hào)球磨機(jī)中坯料達(dá)到合格停磨次數(shù)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(yè)的球磨機(jī)動(dòng)力運(yùn)行現(xiàn)狀,40 t的球磨機(jī),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(shí)間一般為20～30 min,70×25×0.55=962.5元/次。根據(jù)7號(hào)球磨機(jī)和28號(hào)球磨機(jī)研磨現(xiàn)狀,7號(hào)球磨機(jī)加磨次數(shù)9次,28號(hào)球磨機(jī)加磨次數(shù)8次,兩臺(tái)球磨機(jī)共加磨17 次,能耗增加962.5×17=16362.5元。球磨機(jī)39號(hào)和40號(hào),都實(shí)現(xiàn)一次球磨合格,有效降低了能耗產(chǎn)生。分析39號(hào)和40號(hào)球磨機(jī)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(shí)控制球磨機(jī)的有效研磨時(shí)間,以防止超細(xì)微粉的產(chǎn)生,防止過(guò)磨而引起的顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象[7],從而達(dá)到提高坯料研磨的一次合格率。

圖3 不同球磨機(jī)一次出磨合格率對(duì)比柱狀圖

圖4 不同球磨機(jī)一次出磨合格率散點(diǎn)分布圖

3 結(jié)論

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

(2)經(jīng)過(guò)信息化數(shù)據(jù)的采集,研磨體的級(jí)配對(duì)動(dòng)力球磨節(jié)能降耗具有較大的影響,通過(guò)對(duì)球石的級(jí)配等工藝參數(shù)的技改,利用系統(tǒng)反饋調(diào)整球磨的技術(shù)參數(shù),當(dāng)小中大球的比例為1∶3.5∶2.2∶2.3∶1時(shí),球磨單耗最低,可以降低能耗達(dá)21%。

(3)提高球磨一次合格率能有效節(jié)能降耗,通過(guò)試驗(yàn),在保證水分流速,確保漿料能夠完全釋放干凈,同時(shí)控制球磨機(jī)的有效研磨時(shí)間,以防止超細(xì)微粉的產(chǎn)生,防止過(guò)磨而引起的顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象,能夠提高坯料研磨的一次合格率,平均可以有效節(jié)約球磨能耗962.5元/次。