水泥生料質量控制的過去現在和發展方向

導讀：水泥生產已有近百年的歷史，但是到目前為止，依舊採用的是後置控制法，是以出磨生料檢驗數據為基準，進行後期原料配比調整的一種控制方法，具有調整滯後的缺點。

1 水泥生料質量控制發展史

1.1 控制方法

水泥生產已有近百年的歷史，但是到目前為止，依舊採用的是後置控制法，是以出磨生料檢驗數據為基準，進行後期原料配比調整的一種控制方法，具有調整滯後的缺點。

1.2 檢驗方法

水泥生料的質量控制目標是生料三率值，早期出磨生料質量控制，是將單一的成分作為過程質量控制目標，比較典型的是鈣鐵控制法，每小時檢驗一次出磨生料的氧化鈣和三氧化二鐵，24小時綜合樣進行手工化學全分析，計算出生料的三率值，然後根據目標值要求，重新調整氧化鈣和三氧化二鐵的過程式控制制目標，可見滯後程度很長。

後來，由於檢驗儀器的發展，多元素熒光儀開始應用於出磨生料的成分檢驗，可在短時間內得到出磨生料的三率值，然後進行後期的原料配比調整，從取樣到報出檢驗結果，大約需要20分鐘的時間，大大降低了調整滯後的程度。

可見：檢驗方法的發展，是為了提高檢驗速度，在最短時間內得到出磨生料的三率值，目的是最大限度的降低調整滯後的程度。

1.3 原料的均化

後置控制法的前提是後期的原料成分不再變化，否則沒有辦法進行調整，所以必須保證入磨原料成分穩定。

最初的原料均化是多庫搭配，均化效果甚微。原料預均化在我國預計已有50年的發展歷史，在20世紀50年代開始得到廣泛應用，均化方法和設備多種多樣。用於石灰石預均化方面的，有矩形預均化堆場和圓形預均化堆場兩種，圓形石灰石預均化堆場均化效果比較差，矩形石灰石預均化堆場換堆前後石灰石成分變化太大，原料配比難以調整，出磨生料率值大幅度變化，這是兩個客觀存在的問題。

從控制理論上講：目前所進行的前期原料均化，是為了儘力保證原料成分穩定，降低入磨原料成分的變化頻率和變化幅度，這是幾代人幾十年來有關專家和研究人員，一直努力和工作的方向，如果入磨原料成分頻繁變化，就失去了調整的必要，這是後置控制法的弊病，進行原料均化是在擬補該控制方法的不足。

1.4 出磨生料的後期均化

水泥生料後置控制法，容易造成出磨生料率值不穩定，所以入窯生料必須進行均化,否則無法正常煅燒，窯系統熱工制度以及熟料質量和產量都無法保證。

我國水泥生產在20世紀50年代前，干法水泥生料均化多採用多庫搭配的方式，均化效果差，後期又出現了間歇式空氣攪拌庫，發展到目前的連續式及多流式生料均化庫，最終目的是為了提高均化效果，保證入窯生料質量穩定。

就目前來說，生料均化庫的均化效果受好多條件限制：1)必須有足夠的料位高度;2)各分流的生料粉成分平均後恰好符合目標值要求;3)不出現堵塞、粘庫等其它異常情況。否則均化效果就會比較差，如果生料均化庫的料位低或者出磨生料的率值連續多次的偏高或偏低，根本就沒有均化效果。生料粉磨工序如果出現設備故障，生料均化庫無法保證一定庫存量，又不能頻繁停窯，導致入窯生料成分變化比較大，這些都是現實中存在的問題。因此，如何提高出磨生料的穩定性，才是我們以後的工作方向。

2 關於原料配比反饋調整計算模式

原料配比反饋調整計算模式很重要，是水泥生料計算機自動化控制的核心部分，關係到原料配比調整的成敗。在國內最早從事配料調整研究的是劉篤新老師，並出版了「率值公式法」一書，後來的配料調整研究發展很快，相繼推出了好多配料調整軟體和配料調整控制系統，其中的反饋調整計算模式並沒有詳細介紹，估計準確度和實用價值並不高，因為這些東西並沒有普遍推廣和應用，好多企業還是採用手工憑經驗調整原料配比的傳統方法。

原料配比調整計算模式應該進一步研究和更新，必須實用有效，符合生產中的對應關係，真正在自動化控制中起到作用，否則跟不上水泥生產快速發展的需要。

3 關於中子活化分析儀在線檢驗

採用中子活化分析儀在線檢驗，是近幾年發展起來的控制方法，這種方法具有分析速度快的特點，可以每分鐘提供一次檢驗數據，但是有些問題應該注意：

1)檢驗數據的代表性：由於檢驗的是傳送帶上一定距離的瞬時物料，而摻量較少的輔料不是均勻的鋪在傳送帶上，呈堆積狀態，象銅渣和硫酸渣這樣水分較大的粉狀物料，更為嚴重，幾米長一堆，檢驗數據缺乏代表性，會起誤導作用。有的企業採用每分鐘調整一次原料配比、兩小時用熒光儀檢驗一次出磨生料的模式，也許出磨生料的三率值基本符合要求，但是每個時間段的生料成分是否大幅度變化，我們根本就不清楚;

2)採用有效的調整計算模式也很重要，必須實用有效;

3)出磨生料檢驗不能取消，否則無法判斷前期配料調整是否符合要求，如果依靠手工全分析數據來最後把關，一旦出現問題將嚴重失控;

4)該控制方法的檢測點是在計量設備之後，仍然屬於後置控制法，只是把滯後程度降低到一分鐘，檢驗的只是一分鐘前瞬時間的數據，數據是否有代表性，後期的原料成分是否已經發生變化，我們並不知道，仍然存在盲目調整的可能性;

5)中子活化分析儀用於在線檢驗是應該提倡的，但是應該用於石灰石配料倉之前的石灰石在線檢驗，提前掌握石灰石成分的變化情況，事先調整配比。因為影響生料成分變化的是石灰石，輔料成分變化對生料成分影響並不大。

4 關於原料配比反饋調整方法

水泥生料原料配比調整有正向調整和反向調整兩種方法，正向調整是根據原料成分的變化情況，來確定後期的原料配比，可掌握主動權，屬於前置控制法，變化因素明確，調整計算模式簡單;反向調整是根據出磨生料成分的變化情況，去調整後期的原料配比，屬於後置控制法，變化因素不明，調整計算模式難度大，最大的缺陷是調整滯後以及無法準確調整。

出磨生料過程質量檢驗，通常每小時進行一次，以前由於檢驗方法和檢驗儀器比較落後，無法快速檢驗出磨生料以及入磨原料的全部化學成分，無法實現原料配比的正向調整，只能根據出磨生料單一的幾種檢驗成分去調整原料配比，滯後性和盲目性特別大。

十幾年來，檢驗儀器發展很快，各種多元素分析儀已經普遍應用於水泥生產檢驗，可在短時間內檢驗出生料以及各種原料的全部化學成分。可是在控制方法上，並沒有新的突破，一直採用傳統的後置控制法，檢驗儀器的發展，只起到降低了滯後程度的作用，根本問題並沒有解決。在檢驗儀器、生產工藝和計算機快速發展的今天，我們應該尋求和開發新的控制方法，從根本上解決問題，徹底改變調整滯後的被動局面。

5 水泥生料質量控制的發展方向

幾十年來，在水泥生料質量控制上，我們一直在借鑒和模仿國外的控制思路，一直圍繞後置控制法的缺陷，進行多方面的擬補和補救，一直把方向放在原料的前期均化和生料粉的後期均化上，我們為這些工作所花費的代價和付出的精力都是控制方法本身所造成的，應該改變傳統的控制思路，實現原料配比的正向調整，就是前置控制法，徹底改變調整滯後的被動局面。檢驗儀器的快速發展，應該應用於計量設備前的原料檢測，儘快掌握原料成分的變化情況，實現原料配比的事先調整、及時調整和準確調整，這才是我們的研究方向。

未來的水泥生料質量控制觀點也要改變：前期的石灰石質量控制，是為了滿足配料要求，充分利用礦山資源;對主要入磨原料進行提前檢驗，有什麼樣質量的原料給定什麼樣的配比;縮短調整周期，保證10分鐘、5分鐘短時間內生料率值的合理與穩定，不依賴於後期的生料粉均化。

筆者所建議的控制思路，是一種事先檢驗待用石灰石分析成分，與事後檢驗出磨生料石灰石生產成分相結合的控制方法，稱為「水泥生料生產成分聯合控制法」，和現在的中子活化分析儀在線控制差不多，主要變化如下：熒光儀的出磨生料檢驗不能取消;中子活化分析儀放在石灰石配料倉之前;原料配比的調整計算模式必須更新;由於實行入磨石灰石的提前檢驗，前期的石灰石預均化已經沒有必要。

6 出磨生料生產成分聯合控制法簡易流程

圖：出磨生料生產成分聯合控制法簡易流程

6.1 流程說明

礦山石灰石經破碎後進行在線檢驗，按質量的不同分別進入四個(或多個)石灰石立庫，根據配料要求在庫底計量取料，傳送帶上在線檢驗，然後進入石灰石配料倉，配料站庫底計量取料後，進行生料粉磨、熒光儀檢驗，最後進入生料均化庫。

6.2 基本要求

(1)石灰石四個立庫的取料量不同，原則是滿足配料要求，並留有一定餘地，但總取料量要和配料站石灰石的使用量相同;

(2)石灰石配料倉直徑和容量不要太大，便於準確掌握待用石灰石的預計使用時間，可根據「在線檢驗」的檢驗周期確定;

(3)原料配比的調整周期要小於10分鐘，或者更短，保證短時間內的生料成分穩定，不依賴於後期的生料粉均化;

6.3 控制原理

根據「在線檢驗」的分析成分，預測待用石灰石的生產成分，以待用石灰石的生產成分為計算依據，進一步確定待用石灰石的原料的配比，根據待用石灰石的預計使用時間，提前調整原料的配比。

6.4 主要功能

(1)進廠石灰石原料配比預測：四個石灰石立庫的質量級別不同，「在線檢驗」的數據輸入「控制系統」，同時預測出此時石灰石的原料配比，並對各立庫的石灰石質量進行累計統計，計算機確定各立庫石灰石的取料比例;

(2)待用石灰石原料配比的事先調整：「在線檢驗」的檢驗數據輸入「控制系統」，事先掌握石灰石配料倉內石灰石的分析成分，根據待用石灰石分析成分和出磨生料石灰石生產成分的對應關係，由計算機提前調整待用石灰石的原料配比;

(3)出磨生料目標值的自動調整：每一次的出磨生料和熟料的檢驗數據都要輸入「控制系統」，隨著最新檢驗數據的產生，計算機自動進行生料標準成分(恰好能夠使熟料三率值滿足目標值要求的生料成分)計算，以生料標準成分為目標值，去調整原料的配比，無需人工參與生料目標值調整，可實現生料目標值的及時調整和準確調整;

6.5 主要特點

(1)調整計算模式獨特、實用有效，符合實際生產中的對應關係;

(2)進廠石灰石管理比較科學，充分利用礦山資源，可直觀的看到進廠石灰石能否滿足配料要求，石灰石以及各種輔助原料的配比可以直接表示出來;

(3)事先調整原料配比，控制周期短，出磨生料連續穩定，智能化程度高;

(4)取消了石灰石預均化堆場，沒有堆料和取料過程中的粉塵污染，節省堆料機和取料機的用電消耗和維護費用以及工人開資;撤下來的預均化堆場可用於堆放煤炭或其它用途，避免煤炭露天堆放影響環境保護;

(5)減輕生料均化庫的負擔，基本不依賴於生料粉的後期均化。

6.6 相關問題

該控制方法理論部分已經完成，由於改變了傳統的生產工藝，要想實現難度比較大，有一些細節還需要精心設計，需檢驗儀器、工藝設計及水泥企業有關專家共同完成。

該法理論部分的內容太多，也比較複雜，需要系統性的整理，有些還在完稿中，整理時要花費很多的精力和時間，基本內容主要包含在三篇文章中，分別是：「水泥生料原料配比反饋調整計算方法」、「水泥生料生產成分聯合控制法」、「如何實現出磨生料目標值的及時調整和準確調整」，將陸續在水泥人「水泥裝備技術」雜誌上發表。(本文作者： 煙台寶橋錦宏水泥有限公司 王中豪)

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