魏敬忠
江蘇金恒信息科技股份有限公司
摘 要：近些年來(lái)，伴隨著鐵礦產(chǎn)能的提高、設(shè)備的更新以及原料的變化，在造球質(zhì)量上存在不同的差異。而造球作為球團(tuán)生產(chǎn)過(guò)程中的一項(xiàng)重要工序，生球質(zhì)量與成球率將直接影響到球團(tuán)的產(chǎn)量以及投入。而伴隨著科學(xué)技術(shù)水平的逐漸提高，圖像處理技術(shù)在球團(tuán)粒度識(shí)別領(lǐng)域中的應(yīng)用，通過(guò)造球盤上的數(shù)字圖像采集、處理、識(shí)別并對(duì)粒度范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，及時(shí)提供粒度區(qū)間百分比，為自動(dòng)造球提供快速、準(zhǔn)確的信息，模擬人工操作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)造球。本文中，筆者就結(jié)合球團(tuán)全自動(dòng)造球技術(shù)，對(duì)球團(tuán)造球系統(tǒng)優(yōu)化改造進(jìn)行分析。
關(guān)鍵詞：球團(tuán)造球；系統(tǒng)優(yōu)化；全自動(dòng)造球；生產(chǎn)質(zhì)量
為實(shí)現(xiàn)造球過(guò)程混合料水分在線檢測(cè)和精準(zhǔn)的水分控制，確保生球的水分適宜，提高生球質(zhì)量和成球率，節(jié)約能源消耗，同時(shí)減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度避免人工調(diào)整的滯后性，提高生產(chǎn)及時(shí)性、穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)提高產(chǎn)品品質(zhì)，增加經(jīng)濟(jì)效益。在以下內(nèi)容中，我將結(jié)合增加造球過(guò)程在線水分檢測(cè)和自動(dòng)加水控制，與生球粒度分析系統(tǒng)形成閉環(huán)，針對(duì)球團(tuán)全自動(dòng)造球技術(shù)進(jìn)行研究，致力于對(duì)現(xiàn)有球團(tuán)造球系統(tǒng)的優(yōu)化改造，促使我國(guó)在這一領(lǐng)域當(dāng)中進(jìn)一步發(fā)展。
一、概述
造球是球團(tuán)生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要工序，生球的質(zhì)量和成球率直接影響球團(tuán)生產(chǎn)的產(chǎn)量和成本，影響生球的質(zhì)量和成球率的主要因素包括崗位操作水平、經(jīng)驗(yàn)、責(zé)任心和精力等主觀因素和原料配比變化、水分變化、造球盤角度和轉(zhuǎn)速變化等客觀因素，目前有效的調(diào)控手段是通過(guò)人工觀察，預(yù)估生球粒度的大小，然后再?zèng)Q定加減水量或加減造球盤轉(zhuǎn)速或加減加料量。由于人的精力、責(zé)任心和經(jīng)驗(yàn)差異導(dǎo)致成球率和生球質(zhì)量不穩(wěn)定。
隨著圖像處理技術(shù)的不斷成熟和在球團(tuán)粒度識(shí)別領(lǐng)域中的應(yīng)用，通過(guò)造球盤上的數(shù)字圖像采集、處理、識(shí)別并對(duì)粒度范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，及時(shí)提供粒度區(qū)間百分比，為自動(dòng)造球提供快速、準(zhǔn)確的信息，模擬人工操作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)造球。
與此同時(shí)，增加造球過(guò)程在線水分檢測(cè)和自動(dòng)加水控制，與生球粒度分析系統(tǒng)形成閉環(huán)。目的是實(shí)現(xiàn)造球過(guò)程混合料水分在線檢測(cè)和精準(zhǔn)的水分控制，確保生球的水分適宜，提高生球質(zhì)量和成球率，節(jié)約能源消耗，同時(shí)減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度避免人工調(diào)整的滯后性，提高生產(chǎn)及時(shí)性、穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)提高產(chǎn)品品質(zhì)，增加經(jīng)濟(jì)效益。
二、自動(dòng)造球系統(tǒng)基本構(gòu)成
自動(dòng)造球系統(tǒng)，基本組成有檢測(cè)單元、控制單元、信號(hào)傳輸單元、工程師站以及系統(tǒng)軟件等組成。而系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)用的主要儀器則有三種，即粒度分析儀、在線水分檢測(cè)儀以及具體的執(zhí)行設(shè)備。
三、設(shè)計(jì)與優(yōu)化改造過(guò)程分析
(一)造球系統(tǒng)造球過(guò)程
第一步，通過(guò)皮帶輸料機(jī)器將混合料輸送到造球盤當(dāng)中，此時(shí)的造球盤是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的；第二步，結(jié)合混合料當(dāng)中的水分含量以及本次生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)來(lái)控制水量，從而達(dá)到成球標(biāo)準(zhǔn)；第三步，造球成球借助于重力或者離心力，從造球盤當(dāng)中脫落，最終通過(guò)輸送皮帶運(yùn)送到篩分室當(dāng)中。在造球系統(tǒng)造球生產(chǎn)過(guò)程中，主要存在的問(wèn)題表現(xiàn)為以下幾方面：首先，就是造球系統(tǒng)造球質(zhì)量不夠穩(wěn)定，無(wú)法更好的滿足生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)，主要表現(xiàn)在生球水分與強(qiáng)度不夠穩(wěn)定。其次，就是生球的（8- 16厘米）合格粒級(jí)沒(méi)有較高的合格率，返料頻繁，返料總量往往能夠達(dá)到20%以上。
(二)影響造球質(zhì)量的主要因素以及設(shè)備缺陷
1、原料與添加物特性
在影響生球質(zhì)量的眾多因素當(dāng)中，最為重要的兩方面就是原料的特性與添加物的特性，在以往的生產(chǎn)過(guò)程中，我們借助于對(duì)配料結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善、對(duì)原料質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，以求從根本上提高生球質(zhì)量。而在本文中，我將主要針對(duì)如何在已有原料以及添加物的基礎(chǔ)上對(duì)造球技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高造球質(zhì)量。
2、供料是否穩(wěn)定可控
借助于輸送皮帶，將物料經(jīng)料倉(cāng)當(dāng)中的原料輸送到造球盤當(dāng)中，待母球成型之后，母球會(huì)隨著自身的不斷滾動(dòng)以及不間斷的物料作用，逐漸變大、變密實(shí)。送料是否穩(wěn)定，將直接影響到生球的成長(zhǎng)以及在造球盤當(dāng)中的滯留時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)物料快速增加時(shí)，生球的強(qiáng)度會(huì)逐漸變?nèi)跬瑫r(shí)粒度會(huì)變大，而當(dāng)物料快速減少時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致生球的成長(zhǎng)速度衰減，在造球盤當(dāng)中長(zhǎng)時(shí)間停留以及密實(shí)的時(shí)間延長(zhǎng)。而生球是否密實(shí)，則既能夠影響預(yù)熱效果與焙燒質(zhì)量，同時(shí)也能夠直接影響產(chǎn)能。由于物料條件，或者其他直接因素的影響，導(dǎo)致對(duì)生球粒度進(jìn)行調(diào)控的主要手段就是在粒度過(guò)大或者過(guò)小時(shí)，將供料速度進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，從而改善生球在造球盤當(dāng)中的停留時(shí)間。在全自動(dòng)造球系統(tǒng)改造之前，主要存在以下缺陷：在造球生產(chǎn)過(guò)程中，受物料水分改變以及其他主要因素的影響，料倉(cāng)下料受阻，或者供料直接中斷的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，對(duì)造球生產(chǎn)的效率會(huì)造成直接影響。與此同時(shí)，供料輸送皮帶在速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，也會(huì)直接導(dǎo)致供料速度不可控，即可控性受到影響。
3、加水方式及過(guò)程控制
(1)控制思路
生球的性能主要包括生球水分、粒度組成、抗壓強(qiáng)度、生球落下強(qiáng)度以及生球的破裂溫度。與生球性能直接相關(guān)的有物料結(jié)構(gòu)、物料粒度、物料配比以及水分含量對(duì)自動(dòng)造球起決定性作用，除此之外在生產(chǎn)過(guò)程中原料水分的干燥、造球加水、給料量調(diào)整、造球時(shí)間（圓盤轉(zhuǎn)速和傾角）決定生產(chǎn)合格率和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素。因此，該自動(dòng)造球系統(tǒng)基本方針是穩(wěn)水穩(wěn)料。在生產(chǎn)過(guò)程中，原料供應(yīng)要保持穩(wěn)定的水分，及時(shí)為造球提供原料水分?jǐn)?shù)據(jù)；在造球過(guò)程中根據(jù)來(lái)料水分情況，做到給料、加水的穩(wěn)定，通過(guò)粒度分析儀和生球水分實(shí)時(shí)檢測(cè)、反饋給控制系統(tǒng)，對(duì)給料、加水做進(jìn)一步微調(diào)，以保證出球率的穩(wěn)定。在原料穩(wěn)定、給料穩(wěn)定、水分以及加水穩(wěn)定的前提下，根據(jù)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化控制微調(diào)在閾值內(nèi)的造球盤轉(zhuǎn)速和傾角，讓生產(chǎn)合格率和生產(chǎn)效率達(dá)到最佳效果，否責(zé)先不宜調(diào)節(jié)其他生產(chǎn)設(shè)備及參數(shù)。
(2)方式及過(guò)程
結(jié)合當(dāng)前的實(shí)際物料條件，通常采用的造球方式為烘干→潤(rùn)磨→加水。其中，在影響生球強(qiáng)度、粒度、含粉量以及水分的眾多因素當(dāng)中，霧水與滴水的加水狀態(tài)、位置以及加水調(diào)控是否精細(xì)是最主要的因素。在本次全自動(dòng)造球系統(tǒng)改造之前，加水系統(tǒng)當(dāng)中主要有以下幾點(diǎn)缺陷：首先，就是滴水在分布上呈現(xiàn)出不均勻的狀態(tài)，在對(duì)水量進(jìn)行調(diào)控過(guò)程中這種不均勻表現(xiàn)往往更加明顯，這最終會(huì)直接導(dǎo)致母球形成的均勻程度不足。其次，就是霧水在覆蓋范圍上有明顯誤差，當(dāng)這個(gè)誤差超過(guò)了生產(chǎn)工藝基本所需標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，霧水將直接對(duì)生球是否密實(shí)造成影響。最后，就是霧水在調(diào)控性上有明顯不足，在結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行減水操作時(shí)，霧水的霧化情況會(huì)隨之發(fā)生變化，而在減水過(guò)程中，由于水壓變化較大，導(dǎo)致滴水現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，最終直接影響到生球的整體成長(zhǎng)過(guò)程，造成生球質(zhì)量低下。其控制流程主要有：
①干燥前在線水分檢測(cè)作為前饋調(diào)節(jié)干燥機(jī)內(nèi)熱能煤氣輸入量，確保水分最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到目標(biāo)水分。
②干燥后在線水分檢測(cè)反饋疊加調(diào)節(jié)干燥機(jī)內(nèi)熱能煤氣，實(shí)現(xiàn)干燥后原料水分精準(zhǔn)控制。
③建立干燥水分?jǐn)?shù)據(jù)模型，根據(jù)原料配比量、原始水分建立數(shù)據(jù)模型與在線水分檢測(cè)共同完成控制調(diào)節(jié)。
④自動(dòng)聯(lián)鎖，調(diào)取原料配比重量、干燥前皮帶啟停信號(hào)和干燥機(jī)啟停信號(hào)聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)干燥水分自動(dòng)控制。
⑤干燥后水分檢測(cè)、料倉(cāng)存量數(shù)據(jù)建模作為前饋，粒度檢測(cè)作為反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)給料量，如物料水分在生產(chǎn)工藝閾值內(nèi)且粒度范圍比例正常不進(jìn)行給料量調(diào)節(jié)，如原料水分與閾值偏差較大且粒度范圍合格率差適量進(jìn)行給料量調(diào)節(jié)。
⑥干燥后水分檢測(cè)與給料量建模作為前饋，快速調(diào)節(jié)造球加水量。
⑦造球盤上粒度檢測(cè)與生球水分建模作為反饋，實(shí)時(shí)、穩(wěn)定調(diào)節(jié)造球盤上滴水與霧化水加水量。
⑧粒度與水分都屬正向邏輯關(guān)系，低加、高減，每個(gè)個(gè)檢測(cè)設(shè)備的信號(hào)可進(jìn)行疊加控制，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工序時(shí)間建立數(shù)據(jù)疊加模型。
⑨前饋模型、反饋模型都作為一級(jí)調(diào)節(jié)，加水流量檢測(cè)作為二級(jí)與一級(jí)進(jìn)行串級(jí)調(diào)整，確保加水快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確。
⑩造球加水自動(dòng)聯(lián)鎖，取圓盤給料啟停信號(hào)、圓盤啟停信號(hào)以及順序延時(shí)信息進(jìn)行聯(lián)鎖，控制電動(dòng)切斷閥實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)啟或關(guān)停電動(dòng)切斷閥，防止錯(cuò)加或遺漏加水。
4、造球盤的運(yùn)行及底料形成狀態(tài)
在結(jié)合實(shí)際物料條件對(duì)一些主要參數(shù)（包括造球盤直徑、造球盤轉(zhuǎn)速、造球盤傾角、造球盤邊高以及容積充滿率等）進(jìn)行確定之后，底料形成狀態(tài)將直接對(duì)母球的成長(zhǎng)速度與運(yùn)動(dòng)性質(zhì)造成影響。除此之外，底料形成狀態(tài)以及穩(wěn)定性也會(huì)受到造球盤襯板性質(zhì)的影響。在全自動(dòng)造球系統(tǒng)改造之前，造球盤的運(yùn)行及底料形成狀態(tài)主要有以下缺陷：造球盤襯板的質(zhì)量是否可靠與性質(zhì)無(wú)法匹配物料條件和產(chǎn)能控制目標(biāo)，對(duì)造球過(guò)程產(chǎn)生影響，從而阻礙了生球質(zhì)量與造球產(chǎn)能的提高。
四、成套系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析
(一)設(shè)備裝置
在本次全自動(dòng)造球系統(tǒng)的優(yōu)化改造當(dāng)中，系統(tǒng)中的主要設(shè)備裝置包括在線微波水分儀、粒度分析儀、加水噴頭、管道執(zhí)行設(shè)備、控制端、工程師站以及操作終端。第一，在線微波水分儀有三套，分別安裝于干燥前、干燥后、生球輸送帶上。干燥前在線水分檢測(cè)用于超前控制調(diào)整干燥機(jī)內(nèi)熱能煤氣輸入量，確保物料干燥水分略低于造球適宜目標(biāo)水分。干燥后在線水分檢測(cè)用于反饋控制調(diào)整干燥機(jī)內(nèi)熱能煤氣輸入量，以及超前指導(dǎo)調(diào)整造球盤加水量和物料給定量，確保造球盤生產(chǎn)穩(wěn)定性與生產(chǎn)效率。生球在線水分檢測(cè)用于指導(dǎo)判斷生球爆裂溫度和其他性能，為后續(xù)的干燥、預(yù)熱、焙燒工序提供控制依據(jù)，同時(shí)反饋指導(dǎo)造球生產(chǎn)加水、給料及其他參數(shù)在閾值內(nèi)進(jìn)行微調(diào)。第二，粒度分析儀在每一個(gè)造球盤上都安裝一套專業(yè)系統(tǒng)，用于檢測(cè)粒徑范圍比例含量控制滴水與霧化水，給出信號(hào)指導(dǎo)調(diào)整料量、圓盤轉(zhuǎn)速以及傾角。第三，加水噴頭則需要在造球盤上確保滴水噴頭、霧化水噴頭設(shè)備和位置正常完好，否則需要完善好，原則上保障滴水成球、霧水長(zhǎng)大、無(wú)水緊密。第四，管道執(zhí)行設(shè)備的主要作用就是增加電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門或變頻泵、電磁流量計(jì)、電動(dòng)切斷閥、手動(dòng)閥門等，供自動(dòng)調(diào)節(jié)加水量使用。確保供水管道壓力穩(wěn)定。第四，控制端就是PLC集成控制系統(tǒng)。第五，工程師站包括服務(wù)器與終端軟件。第六，操作終端包括工控機(jī)、上位軟件、界面以及粒度顯示。
(二)生球水分控制
1、造球過(guò)程中生球水分與生球強(qiáng)度的關(guān)系
造球最佳水分，應(yīng)根據(jù)生球的抗壓強(qiáng)度和落下強(qiáng)度這兩個(gè)重要的特性來(lái)確定。水分高于或者低于最佳值時(shí)，生球強(qiáng)度都會(huì)下降。因?yàn)樗值陀谧罴阎?，生球中礦粒之間毛細(xì)水不足，孔隙被空氣填充，因此，生球非常脆弱。若水分過(guò)大，使礦粒間毛細(xì)管的水過(guò)于飽和，這時(shí)毛細(xì)黏結(jié)力將不存在，球就會(huì)互相黏結(jié)丶變形。不同的原料，其最佳造球水分是不相同的。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，生球都是稍微過(guò)濕的。希望原料的水分略低于最佳造球水分，在造球過(guò)程中再補(bǔ)加少量的水，這樣有利于控制生產(chǎn)。
2、造球過(guò)程中生球水分的判斷與調(diào)整造球過(guò)程中的加水方法
原則滴水成球，霧水長(zhǎng)大，無(wú)水緊密。加水位置：必須符合“既易形成母球，又能使母球迅速長(zhǎng)大和緊密”的原則，為了實(shí)現(xiàn)生球粒度和強(qiáng)度的最佳操作，加水點(diǎn)設(shè)在球盤上方，范圍偏大。根據(jù)混合料水分檢測(cè)大小和粒度分析儀比例檢測(cè)范圍，控制給料量和給水量。混合料水分大時(shí)，根據(jù)盤上粒度分析儀分析狀況相應(yīng)增加下料量，減少給水量?；旌狭纤中r(shí)，根據(jù)盤上粒度分析儀分析狀況相應(yīng)減少下料量，增加給水量。
3、造球過(guò)程中生球粒度的控制
影響生球粒度因素很多，例如：圓盤下料量是否正常、有無(wú)卡塊現(xiàn)象、下料量多少、膨潤(rùn)土配比、停留時(shí)間（球盤傾角或轉(zhuǎn)速）、原料來(lái)料水分等。該系統(tǒng)主要采用原料在線水分檢測(cè)、生球水分在線檢測(cè)和粒度分析系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)加水量提高產(chǎn)品合格率和生產(chǎn)效率，系統(tǒng)可提供粒度檢測(cè)范圍信號(hào)，指導(dǎo)生產(chǎn)大系統(tǒng)聯(lián)鎖調(diào)節(jié)圓盤給料量以及閾值內(nèi)的圓盤傾角和轉(zhuǎn)速。例如：圓盤下料量是否正常、有無(wú)卡塊現(xiàn)象、下料量多少、膨潤(rùn)土配比、停留時(shí)間（球盤傾角或轉(zhuǎn)速）、原料水分等。該系統(tǒng)主要采用原料在線水分檢測(cè)、生球水分在線檢測(cè)和粒度分析系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)加水量提高產(chǎn)品合格率和生產(chǎn)效率，系統(tǒng)可提供粒度檢測(cè)范圍信號(hào)，指導(dǎo)生產(chǎn)大系統(tǒng)聯(lián)鎖調(diào)節(jié)圓盤給料量以及閾值內(nèi)的圓盤傾角和轉(zhuǎn)速。
(三)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)
本次全自動(dòng)造球系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①設(shè)計(jì)新穎，功能全面，系統(tǒng)穩(wěn)定性高；②界面友好，操作簡(jiǎn)單實(shí)用，符合工礦企業(yè)操作人員的需求；③對(duì)抗自然環(huán)境能力強(qiáng)，提高抗粉塵、抗干擾、抗高溫能力；④自動(dòng)化程度高，采樣率高，真正的實(shí)現(xiàn)解放人力的目標(biāo)；⑤多球盤自動(dòng)分析，數(shù)據(jù)對(duì)比清晰顯著；⑥系統(tǒng)數(shù)據(jù)開(kāi)放，可與自動(dòng)化造球系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守；⑦圖像清晰，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、精確性高；⑧控制精確、調(diào)節(jié)速度快、穩(wěn)定性高。
(四)系統(tǒng)功能
本次全自動(dòng)造球系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要有以下幾點(diǎn)功能：①?gòu)?qiáng)大的軟件分析功能以及生球合格率異常報(bào)警功能；②自動(dòng)化精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采樣功能；③歷史查詢功能；④具備多種數(shù)據(jù)輸出端口；⑤全中文操作界面，系統(tǒng)兼容性、易操作、可維護(hù)性極高；⑥以現(xiàn)場(chǎng)成像系統(tǒng)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)；⑦機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的應(yīng)用；⑧自動(dòng)調(diào)節(jié)加水量，同時(shí)為造球盤控制系統(tǒng)提供信號(hào)；⑨及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，減少生產(chǎn)損失；⑩分析與控制球盤的生球粒徑的功能。
總的來(lái)說(shuō)，本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要的目的有以下幾點(diǎn)：提高生產(chǎn)效率、提高生產(chǎn)質(zhì)量、降低成本投入、減少經(jīng)濟(jì)損失、實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)目的。
五、結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，為從根本上解決球團(tuán)造球質(zhì)量不足的問(wèn)題，提高球團(tuán)造球的生產(chǎn)效率與質(zhì)量，本文中結(jié)合球團(tuán)全自動(dòng)造球技術(shù)方案的具體內(nèi)容，針對(duì)全自動(dòng)造球系統(tǒng)的優(yōu)化與改造進(jìn)行分析，從優(yōu)化與改造的過(guò)程以及各種影響因素的角度出發(fā)，引出具體的成套系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，力求為同行業(yè)內(nèi)的相關(guān)企業(yè)提供一定理論依據(jù)。
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