燒結(jié)混合料粒度及水分檢測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

曾小信，李宗平，過(guò)宇晟

（中冶長(zhǎng)天國(guó)際工程有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙 410007）

燒結(jié)混合料的粒度和水分是影響燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量、能源消耗、污染物排放的關(guān)鍵參數(shù)。燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程中，混合料的粒度分布將直接影響燒結(jié)料層的透氣性，而提高燒結(jié)機(jī)料層的透氣性，可使礦料受熱更加均勻，從而提高燒結(jié)礦的質(zhì)量和產(chǎn)量［1-2］?；旌狭狭６冗^(guò)小時(shí)，物料與物料間的間隙過(guò)小而導(dǎo)致燒結(jié)料層透氣性變差，風(fēng)量分布和熱量傳遞不均勻，不僅不利于燒結(jié)礦物理指標(biāo)的穩(wěn)定和改善，還會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)礦粉率升高，強(qiáng)度降低，燒結(jié)電耗升高?；旌狭狭６冗^(guò)大時(shí)，物料的間隙過(guò)大，而燒結(jié)時(shí)間有限，料層未能燒透，容易惡化燒結(jié)生產(chǎn)。因此控制混合料粒度是提高燒結(jié)料層透氣性的關(guān)鍵因素［3］。燒結(jié)混合料的水分含量是影響混合料制粒效果的重要因素之一，不同的原料結(jié)構(gòu)和粒度尺寸要求的混合料水分含量不同?；旌狭纤诌^(guò)低會(huì)導(dǎo)致混合料細(xì)粒級(jí)含量增多，混合料粒度組成變差，最終影響料層透氣性、燒結(jié)礦質(zhì)量；而混合料水分過(guò)高，一方面會(huì)增加燒結(jié)過(guò)程水分蒸發(fā)消耗的熱量，另一方面影響制粒效果，導(dǎo)致混合料粒度組成變差，增大燒結(jié)工序能耗［4-6］。

因生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜、粒徑分布范圍寬、物料堆疊等因素，實(shí)現(xiàn)混合料粒度和水分的在線準(zhǔn)確檢測(cè)一直是燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程控制的世界性難點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外沒(méi)有能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)混合料粒度和水分的在線檢測(cè)系統(tǒng)，基本上都是依靠人工獲取混合料樣本，人工篩分的方法獲取混合料的粒度組成。人工篩分法由于受人為因素影響，其混合料粒度組成篩分結(jié)果波動(dòng)較大。為此，本文通過(guò)研制一套燒結(jié)混合料粒度及水分檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)，系統(tǒng)融合智能取樣、微波干燥、機(jī)器人系統(tǒng)集成、自動(dòng)高效篩分等核心技術(shù)，以期為燒結(jié)過(guò)程智能控制模型提供一定的借鑒與參考。

1 系統(tǒng)介紹

燒結(jié)混合料粒度組成及水分檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)，以工業(yè)機(jī)器人為主體，集成了智能取樣縮分，微波智能干燥，自動(dòng)篩分、自動(dòng)稱(chēng)重、液氮定型等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同工況條件原燃料粒度組成的在線無(wú)人化快速檢測(cè)。系統(tǒng)采用皮帶中部采樣器從混合料膠帶機(jī)上獲取具有代表性的檢測(cè)樣本，利用微波快速干燥，通過(guò)在線稱(chēng)重裝置獲取到物料樣本干燥前后的質(zhì)量，然后精確計(jì)算出物料樣本水分值，利用液氮裝置實(shí)現(xiàn)混合料篩分前的冷凍定型，利用多層智能篩分機(jī)對(duì)混合料進(jìn)行振動(dòng)篩分，稱(chēng)量不同孔徑（篩盤(pán)孔徑分別為3、5、8 mm）篩盤(pán)的質(zhì)量，最后計(jì)算出混合料的粒度組成。該系統(tǒng)有效地保證了樣本的代表性與數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，顯著縮短檢測(cè)周期，大幅提升重復(fù)精度，為輔助燒結(jié)智能優(yōu)化決策提供準(zhǔn)確、及時(shí)、可靠的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)由智能取樣設(shè)備、機(jī)器人檢測(cè)主機(jī)兩大部分組成，其中智能取樣設(shè)備包括皮帶中部采樣器、縮分進(jìn)料皮帶、棄料皮帶及鏈?zhǔn)蕉诽釞C(jī)組成；機(jī)器人檢測(cè)主機(jī)包括機(jī)器人本體設(shè)備、微波干燥設(shè)備、多層智能篩分設(shè)備、一體化稱(chēng)重設(shè)備、液氮浸泡裝置、定質(zhì)量取樣及清掃裝置等，機(jī)器人檢測(cè)主機(jī)三維如圖1所示。

圖1 機(jī)器人檢測(cè)主機(jī)三維

燒結(jié)混合料粒度及水分檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖2所示。皮帶中部采樣器架設(shè)在混合料的膠帶機(jī)上，系統(tǒng)通過(guò)周期性地控制采樣器內(nèi)的采樣頭刮掃物料橫斷面來(lái)獲取混合料檢測(cè)樣品。檢測(cè)完的混合料樣本通過(guò)棄料皮帶和棄料斗提機(jī)返回到混合料的膠帶機(jī)處，以避免混合料的浪費(fèi)。

圖2 機(jī)器人系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)對(duì)各個(gè)單體設(shè)備進(jìn)行模塊化配置，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。主控制器（programmable logic controller，PLC）通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信方式連接其他設(shè)備，以及通過(guò)IO模塊連接電氣元器件，各部分協(xié)調(diào)完成各自功能，從而完成系統(tǒng)的粒度及水分檢測(cè)功能。PLC通過(guò)Profinet通訊協(xié)議連接機(jī)器人控制柜、微波設(shè)備和取樣設(shè)備的控制系統(tǒng)，以及通過(guò)OPC通訊協(xié)議連接上位機(jī)，以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)控制程序的數(shù)據(jù)交互。

圖3 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

PLC通過(guò)數(shù)字量輸出模塊（DO模塊）連接電磁閥，控制電磁閥的打開(kāi)或者關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)氣缸的動(dòng)作；通過(guò)數(shù)字量輸入模塊（DI模塊）連接接近開(kāi)關(guān)，接近開(kāi)關(guān)用于判斷篩分盤(pán)或者托盤(pán)是否到位、篩分機(jī)原點(diǎn)及極限位信號(hào)。主控PLC通過(guò)脈沖方式控制伺服驅(qū)動(dòng)器，主控PLC通過(guò)以太網(wǎng)與觸摸屏連接。

3.2 控制系統(tǒng)流程

整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)工作流程分為混合料粒度組成檢測(cè)和混合料水分檢測(cè)，兩個(gè)檢測(cè)工作流程可以同時(shí)進(jìn)行，互不干擾。

3.2.1 混合料粒度組成檢測(cè)工作流程

混合料的粒度組成檢測(cè)流程如圖4所示。取樣裝置獲取混合料樣本，機(jī)器人利用接料盤(pán)接取混合料樣本放入液氮噴灑裝置內(nèi)進(jìn)行液氮噴灑。液氮噴灑完畢，機(jī)器人再把冷凍固化混合料倒入篩分機(jī)中進(jìn)行篩分。篩分一定時(shí)間后，機(jī)器人分別把各個(gè)不同粒徑篩網(wǎng)從篩分機(jī)取出，放到稱(chēng)重平臺(tái)上進(jìn)行稱(chēng)重，并記錄各個(gè)粒徑的篩網(wǎng)連同混合料的質(zhì)量（Wti）?；旌狭虾Y分前，系統(tǒng)先將各個(gè)粒徑的空篩網(wǎng)進(jìn)行稱(chēng)重，記錄為Wki。根據(jù)Wti和Wki計(jì)算出各個(gè)粒徑的混合料質(zhì)量，從而獲取到混合料的粒度組成分布。對(duì)各個(gè)篩網(wǎng)連同混合料稱(chēng)重完畢后，將篩網(wǎng)放到定體積取樣及清掃箱內(nèi)，利用清掃裝置清掃干凈。對(duì)清掃后的篩網(wǎng)進(jìn)行稱(chēng)重，記錄為Wki，之后放入振動(dòng)篩分機(jī)內(nèi)。至此，一個(gè)完整的混合料的粒度組成檢測(cè)流程結(jié)束。

圖4 粒度組成檢測(cè)流程

3.2.2 混合料水分檢測(cè)工作流程

混合料水分檢測(cè)流程如圖5所示。機(jī)器人將接料盤(pán)中的物料倒入微波干燥盤(pán)中，再利用刮桿將干燥盤(pán)內(nèi)的物料刮平。系統(tǒng)開(kāi)啟微波腔門(mén)后，機(jī)器人把盛料的干燥盤(pán)放入微波腔內(nèi)進(jìn)行干燥，并通過(guò)微波腔內(nèi)的稱(chēng)重平臺(tái)獲取干燥盤(pán)的質(zhì)量，記為W1（g）。系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)干燥盤(pán)的失重速率確認(rèn)是否干燥完畢，當(dāng)該值小于閾值，則認(rèn)為干燥完畢，閾值設(shè)為0.001～0.010 g/s，優(yōu)選0.005 g/s。系統(tǒng)記錄干燥后的盛料盤(pán)質(zhì)量為W2（g），干燥盤(pán)空盤(pán)質(zhì)量為W0（g），此時(shí)可以計(jì)算出物料的水分值Wd（g），計(jì)算公式如下。

圖5 水分檢測(cè)流程

將干燥后的混合料連同干燥盤(pán)送入清掃箱內(nèi)，先倒掉混合料樣本，再啟動(dòng)清掃電機(jī)清掃干燥盤(pán)，最后將干凈的干燥盤(pán)放到（初始位置）干燥盤(pán)托架上。至此，一個(gè)完整的混合料水分檢測(cè)流程結(jié)束。

4 控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)器人夾具與本體

檢測(cè)系統(tǒng)采用KUKA機(jī)器人，型號(hào)為KR10 R900，具有6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，其最大工作載荷為10 kg，最大工作范圍為900 mm，重復(fù)位置精度為±0.03 mm。機(jī)器人作業(yè)范圍如圖6所示。

圖6 KR10 R900機(jī)器人工作范圍示意mm

機(jī)器人夾具系統(tǒng)（圖7）包括兩個(gè)夾具，其中一個(gè)由強(qiáng)力夾緊氣缸結(jié)構(gòu)、夾具定位銷(xiāo)和夾爪組成，用于干燥盤(pán)、篩盤(pán)的夾??；另一個(gè)由機(jī)械夾氣缸結(jié)構(gòu)、夾具定位銷(xiāo)和夾爪組成，用于臨時(shí)物料托盤(pán)夾取。兩個(gè)夾緊氣缸安裝在同一個(gè)夾具固定板上，并與機(jī)器人法蘭末端固定連接。夾具系統(tǒng)采用氣動(dòng)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

圖7 機(jī)器人末端夾具系統(tǒng)

4.2 多層智能篩分機(jī)

多層智能篩分機(jī)主要包含篩分機(jī)本體（圖8）和往復(fù)機(jī)構(gòu)（圖9）兩個(gè)部分。篩分機(jī)本體主要包含進(jìn)料斗、隔板、光軸、氣缸、篩盤(pán)和無(wú)油襯套。待篩分的物料由進(jìn)料斗進(jìn)入篩分機(jī)本體中進(jìn)行篩分。隔板用于放置篩盤(pán)，氣缸用于帶動(dòng)隔板上下運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)包括多個(gè)不同孔徑的篩盤(pán)，用于篩分物料；往復(fù)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)篩網(wǎng)的直線篩分動(dòng)作，其頻率和振動(dòng)幅度可調(diào)。

圖8 篩分機(jī)本體

圖9 往復(fù)機(jī)構(gòu)

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2021年6月，燒結(jié)混合料粒度組成及水分檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)在寶鋼湛江某燒結(jié)廠正式投入使用。為評(píng)判系統(tǒng)的檢測(cè)精度，對(duì)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)與人工檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。獲取兩份同一時(shí)刻、同一位置的混合料樣品，其中一份用于系統(tǒng)檢測(cè)，一份用于人工烘干或者人工篩分。根據(jù)兩者的水分值的絕對(duì)誤差來(lái)評(píng)判系統(tǒng)的水分檢測(cè)精度和穩(wěn)定性。水分檢測(cè)值數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如表1所示。由表1可知：5個(gè)樣品的水分檢測(cè)值誤差都小于0.2%，滿足系統(tǒng)水分誤差＜0.2%的控制要求。同理，混合料粒度組成檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如表2所示。由表2可知：3個(gè)樣品的累計(jì)誤差分別為3.83%、4.87%、2.73%，均小于5%，符合系統(tǒng)的粒徑檢測(cè)精度控制要求（＜5%）。

表1 系統(tǒng)水分檢測(cè)值對(duì)比

表2 系統(tǒng)粒徑檢測(cè)值對(duì)比

6 結(jié) 語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了燒結(jié)混合料粒度組成及水分檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、檢測(cè)流程及控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)部件。利用該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)燒結(jié)混合料粒度及水分的在線檢測(cè)，為二次圓筒混合機(jī)的混合料制粒提供實(shí)時(shí)反饋值，實(shí)現(xiàn)了混合料制粒過(guò)程的閉環(huán)控制；同時(shí)，水分檢測(cè)值為混合機(jī)加水控制模型提供了反饋參數(shù)，通過(guò)合理控制混合料的水分值和粒度值，提高燒結(jié)礦的質(zhì)量和產(chǎn)量。在某鋼廠的實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)檢測(cè)精度滿足燒結(jié)過(guò)程控制模型的精度要求。為實(shí)現(xiàn)混合機(jī)加水的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制，下一步應(yīng)重點(diǎn)研究提高系統(tǒng)水分檢測(cè)的準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性。