基于熟料质量预测的水泥生料配料优化研究

张异才

（内蒙古伊东冀东水泥有限公司，内蒙古 012314 ）

0 引言

通过提高生料的质量、降低回转窑工况波动情况，水泥生产工厂可以协调生料配料与熟料煅烧这两个环节。本文主要探寻基于预测熟料质量的优化水泥生料配料，利用各种数据软件对于水泥配料进行预测分析，以自动化数据分析代替人工配料计算的方法。此方法对于提高水泥生料配料的精确度、稳定相关生料的质量有着巨大的帮助，还对于提高厂区最终水泥生产质量具有一定帮助。最终可以促进水泥的生料配料实现自动化。

1 该领域近年来研究现状

近年来，随着我国的经济迅猛发展和工业结构的持续改进，中国道路路基的要求量在逐年下降，这就使得每年水泥的需求量不会出现大幅度变化，水泥行业的生产目标从产量转变为质量，相关水泥企业也遇到时代影响，新的机遇到来的同时也带来了新的挑战。

1.1 熟料质量的预测

我国水泥厂控制熟料质量检测熟料率值是采取X 荧光分析仪进行相对应的指标分析。通常采取人工取样的方式，平均两小时一次的检验耗费时间较长。检验结果将指导后续生料的配料比与一系列的工艺流程，这就存在严重的滞后、后续配比不稳定等问题。

许多研究专家对于熟料质量进行预测并且优化水泥生产其他步骤，使用多类控制方法与研发多种智能控制系统应用于水泥厂复杂的生产过程中，以便于关键环节的控制。分析配料之间的比例关系、率值、氧化物与矿物质的联系，可以研究出基于熟料率值的生料配料系统。

1.2 生料配料的控制

由于生料检测设备的技术更新水泥生料的配比得以不断改进，在计算层次上，基础数据获取的难度较高并且具有诸多不确定的因素，通过改进计算系统的性遗传算法来获取生料最佳程度的调配方案，可以在后续对于质量进行更加优化的控制。建立系统的知识库去解决后续生料率值变化较强烈的情况，使用多种人工智能系统控制生产的规则可得出最终的优化配比。

在不同的研究领域还有基于多种生料成分检测设备，运用相关荧光分析的技术检测水泥生料成分的占比；基于原材料中子活化等分析生料成分，最大程度采用最优算法的自动控制系统。相关领域的专家发明出自动计算出生率的自控系统，在线分析仪可以通过元素自动检测生料中氧化物的含量，并且运用最小二乘法去推算出原始水泥中氧化物的占比。

2 近年来所面临的研究问题

根据以上研究现状可以总结出以下几点问题；

2.1 水泥熟料的质量难以通过计算系统进行测量。熟料控制质量的检测指标主要有以下几种物理性质：立升重、熟料率值、游离的氧化钙氧化镁等。十分困难的是这些参数具有重大的指导意义但都无法进行在线的测量，及时地反馈控制无法达到。在线测量熟料质量指标的是近年来需要攻破的难题之一。

2.2 生料配料无法进行高自动化程度。我国大部分的水泥厂首先是利用离线的方式在化验室分析水泥熟料成分，然后再反馈数据指导厂区生料的配料三率值与各种参数设定，反馈时间长导致最终指导的作用不强。在水泥配比调整的方面，大部分的工厂进行了人工取样，导致后续采样结果无法获得瞬时的样本数据，分析滞后性大、自动化调整的程度低下。

2.3 水泥生产的环节关联性不高。实际生产过程中，两个环节是指生料配料与熟料煅烧，二者的联系是通过离线分析得到的熟料数据与生料配料的率值目标值，前者对于后者可进行相关的指导调节。该调整方法由于是事后反应较为滞后，得知熟料质量达不到标准再去调整生料的配料比将出现较为严重的生产事故。不对窑生料波动进行提前的预知，容易使得窑工况产生波动，实际工人难以操作，水泥的煅烧也将受到影响后必然让最终的产品质量下降。

2.4 众多专家在熟料的质量预测、生料的配料控制算法进行了大量的研究工作，但少有人对于两个环节的工作衔接进行研究。在实际生产中，两个环节联系紧密。后者受到前者的影响较大，后者也是根据前者来进行相关的比例调整。故此调节二者之间的联系程度并且加强二者的工作联系是该工艺重点需要关注的部分。

2.5 生料制备的环节有严重的滞后性。生料从开始的进入生产流程入磨到后续的出磨都需要有一定程度上的研磨，出磨后还需要对于产品质量进行选粉机的筛选将细度不达到标准的重磨。传统模式下的获取化验结果需要数小时的时间，具有较差长的滞后时间。

2.6 对于水泥的生料采取控制需要获取多种材料的占比率。如对四种氧化物含量进行检测控制需要分别进行四种测定，但是实际情况只允许对于进场的原材料采取一次的化验测定，不具有实际的测定意义并且由于成分来源的不确定性其测定结果的波动性也较差。

2.7 人工操作配比大多数依靠工作人员的个人经验，缺少十分精确的原料配比计算，而部分厂家将采取公式去计算原料的配比，但是原料成分的波动性较差，计算结果也将产生较大的误差。

3 水泥生料配料优化研究方案

生产水泥的主要工艺流程节有：生料的制备（包括水泥生料的混合、粉磨等）、熟料的煅烧、水泥的粉磨与包装，简单概括为“两磨一烧”，第一步需要将原材料的粉磨成水泥生产的生料，第二步再进行煅烧处理成熟料，第三步采用前期准备好的熟料粉进行水泥配料的步骤，其中包括：水泥的原材料进厂先需要在进行预处理过程，以便于后续存入各个料仓内部。一般在水泥厂内的原料有四种矿物质主要成分为氧化钙、氧化铝、氧化硅和氧化铁。依照相关的生产计算公式得出相关的配比值，经后进入工艺流程生产线进行研磨筛选，只有细度达到标准的合格的生料才可以经提分机保存到库区进行下一步的生产，而细度达不到合格要求的生料将回到上一步再次进入研磨区，以此多次往返来保证生料的细度。这是使得生料将滞后于其他步骤的最主的要原因。为了解决滞后问题本文将提出以下几点工艺技术：

3.1 新型干法水泥生产工艺简介

新型干法水泥生产的主要的生产流程有：上文所介绍的“两磨一烧”，这是一个是典型的工艺连续的过程。在该工艺过程中由于原材料是按照不同的比例进行混合处理所以原材料的配比过程是的该工艺重要的组成部分。配比例的合适程度决定了水泥生产的生料质量高低与熟料质量的好坏程度。

3.2 水泥生料调配工艺分析

在水泥的生产过程中，对于熟料质量的影响元素主要是钙元素、硅元素、铁元素、铝元素四种元素在原材料中所占比例。对于四种元素的生料中比例控制是整个工艺流程的基础，也是生产的重点。水泥的生料是由多种原材料混合而成，每种原料中都有氧化钙、氧化硅、氧化铁、氧化铝等多种氧化物，各种氧化物之间的数值差距较大。决定生料的质量参数为∶硅酸率、铝氧率、石灰饱和系数三个值。每水泥厂家可以根据原料的成分与市场需求，计算三率值。一般水泥企业将使用多组的原材料进行原材料的配料分配。本文所采取研究方法及软件的开发是根据四组氧化物的原料为基础进行设计，并且兼顾多种特殊的工况进行三组分配原材料的计算。水泥主要的元素是钙、硅、铁、铝，其中钙的原材料主要来源是石灰石，石灰石的主要成分为碳酸钙；硅质原材料是砂岩，砂岩中的二氧化硅的含量可达到百分之90 以上；矫正的原材料可分为铁质、铝质原材料两大种，矫正的原材料来源于各个矿区开采的石灰石，其质量差距较大，还需要进行其他添加剂的调整，使得石灰石中各元素比例达到生产要求。

3.3 离线式生料质量控制特点分析

离线式的生料质量控制不同于自动化的控制，该工艺的主要过程是：自动化的取样器能够每隔一分钟对于样品进行取样，在一个小时内连续抽取六十次，将六十次的结果自动生成一个混合样本，然后操作人员还需使用检测仪——荧光分析仪对混合样品进行测量，可以得到一个出磨生料多种原材的含量比率，最后一步化验室的工作人员可以通知中控系统的操作员及时的直接对于原材料进行调整配比值。该控制方式的滞后时间也很长，是其生产的主要特点之一，但由于化验结果受到上一小时生料成分的影响，可以调整下一阶段及一小时后的配比情况，其次该方式主要需要相应的工作人员去总结相关的经验，从而对于生产进行配比的调整，而具体的调整情况与调整的量值大小根据实际情况以及工作人员的经验进行具体情况具体分析的调整，无具体的计算过程，所以难地产生稳定的生料质量。

对于生料的质量控制就是基础性的水泥生产过程，质量达标的生料不仅可以使可以让后续的生产熟料的质量稳定化，并且降低后续熟料生产的不确定性。生料的质量控制的难于对于水泥的比例控制，根据四种氧化物的成分组合以便于计算出水泥的比例指标，即通过调节若四种化学成分的含量占比让使水泥生料中多种元素化学成分比例达到一定要求，这也是生料的质量控制难点。无法进行原材料的实时监控、水泥原材料的成分不确定等因素，导致水泥的生料率往往出现波动较大的现象。

3.4 生料质量控制系统总体方案设计

本文研究方向将采用增量式的计算方法，同时针对传统的离线式滞后性的生料质量控制系统，通过安装在线分析元素仪、在线式对于生料质量采取控制等有针对性的设计控制系统，以便于减小了原料的成分波动与人为影响原因带来的影响、生料成分不能够实时的反馈成分结果，所以将数据进行化验室小时报样。为解决以上的问题可以提出该控制的方案：总结于现场的工作人员以及其相关的操作经验同时结合工作人员的建议，根据经验数据得出人工智能分析系统规则，从而达到后续的自动化的控制目的；再根据前期使用所遇到的各种问题总结出相关的使用经验后可以设计相关的工厂控制的系统，以便于后期的进行特殊的工作情况的处理：同时还需要在最终的配比计算中利用增量式的特点进行优化计算过程，减小原材料成分不确定、采样之后的问题。

4 结束语

综上所述由于水泥的生料制备这一个水泥必备的环节在我国进行自动化操作的水平并不高，具体表现在以下两个方面：第一：水泥经过人工分析后其人工误差较大。第二：原料配比进行调节，是需要中控室的操作员人员进行多方面的计算出相关的出磨的各种差值，同时结合相关操作工人的人工经验进行适应性的调整。控制滞后是由于荧光分析仪中的离线的控制有许多的弊端、离线检测导致调整的不及时都可以让生料的质量产生较大的波动，是煅烧窑工况出现不稳定的主要原因之一。虽然各种智能化的控制系统的应用虽然仍处于较为初级的阶段，而其中的设备操作负责、原材料的价格十分高昂等诸多社会因素导致该自动化的设备难以普及，但自动化的系统其自身检测迅速快、可实时反馈进行生产线的调整等诸多优点必将在后续逐步代替使用较多、缺点较多的离线控制。并且随着互联网工业化的日益完善，在不久的将来其水泥的生料配料环节必定会在将来实现全部环节的自动化操作。本文在深入分析现今水泥的生产现状、了解了水泥生料的基础配料工艺后，结合所多方人员在水泥厂中控室的实际生产经验，提出了多种改进生产工艺的流程。以便于后续适用于各种智能化在线分析仪器的生料配料优化工艺方案，开发了相应的计算软件后能够结合于实际的生产情况，进行参数的调整以便于日后能够投入实际的生产应用。