魏敬忠

江蘇金恒信息科技股份有限公司

摘 要：近些年來，伴隨著鐵礦產能的提高、設備的更新以及原料的變化，在造球質量上存在不同的差異。而造球作為球團生產過程中的一項重要工序，生球質量與成球率將直接影響到球團的產量以及投入。而伴隨著科學技術水平的逐漸提高，圖像處理技術在球團粒度識別領域中的應用，通過造球盤上的數字圖像采集、處理、識別并對粒度范圍進行統計分析，及時提供粒度區間百分比，為自動造球提供快速、準確的信息，模擬人工操作過程，實現全自動造球。本文中，筆者就結合球團全自動造球技術，對球團造球系統優化改造進行分析。

關鍵詞：球團造球；系統優化；全自動造球；生產質量

為實現造球過程混合料水分在線檢測和精準的水分控制，確保生球的水分適宜，提高生球質量和成球率，節約能源消耗，同時減輕工人勞動強度避免人工調整的滯后性，提高生產及時性、穩定性，從而實現提高產品品質，增加經濟效益。在以下內容中，我將結合增加造球過程在線水分檢測和自動加水控制，與生球粒度分析系統形成閉環，針對球團全自動造球技術進行研究，致力于對現有球團造球系統的優化改造，促使我國在這一領域當中進一步發展。

一、概述

造球是球團生產過程中的一個重要工序，生球的質量和成球率直接影響球團生產的產量和成本，影響生球的質量和成球率的主要因素包括崗位操作水平、經驗、責任心和精力等主觀因素和原料配比變化、水分變化、造球盤角度和轉速變化等客觀因素，目前有效的調控手段是通過人工觀察，預估生球粒度的大小，然后再決定加減水量或加減造球盤轉速或加減加料量。由于人的精力、責任心和經驗差異導致成球率和生球質量不穩定。

隨著圖像處理技術的不斷成熟和在球團粒度識別領域中的應用，通過造球盤上的數字圖像采集、處理、識別并對粒度范圍進行統計分析，及時提供粒度區間百分比，為自動造球提供快速、準確的信息，模擬人工操作過程，實現全自動造球。

與此同時，增加造球過程在線水分檢測和自動加水控制，與生球粒度分析系統形成閉環。目的是實現造球過程混合料水分在線檢測和精準的水分控制，確保生球的水分適宜，提高生球質量和成球率，節約能源消耗，同時減輕工人勞動強度避免人工調整的滯后性，提高生產及時性、穩定性，從而實現提高產品品質，增加經濟效益。

二、自動造球系統基本構成

自動造球系統，基本組成有檢測單元、控制單元、信號傳輸單元、工程師站以及系統軟件等組成。而系統當中應用的主要儀器則有三種，即粒度分析儀、在線水分檢測儀以及具體的執行設備。

三、設計與優化改造過程分析

(一)造球系統造球過程

第一步，通過皮帶輸料機器將混合料輸送到造球盤當中，此時的造球盤是連續運轉的；第二步，結合混合料當中的水分含量以及本次生產工藝標準來控制水量，從而達到成球標準；第三步，造球成球借助于重力或者離心力，從造球盤當中脫落，最終通過輸送皮帶運送到篩分室當中。在造球系統造球生產過程中，主要存在的問題表現為以下幾方面：首先，就是造球系統造球質量不夠穩定，無法更好的滿足生產工藝標準，主要表現在生球水分與強度不夠穩定。其次，就是生球的（8- 16厘米）合格粒級沒有較高的合格率，返料頻繁，返料總量往往能夠達到20%以上。

(二)影響造球質量的主要因素以及設備缺陷

1、原料與添加物特性

在影響生球質量的眾多因素當中，最為重要的兩方面就是原料的特性與添加物的特性，在以往的生產過程中，我們借助于對配料結構進行改善、對原料質量進行嚴格控制，以求從根本上提高生球質量。而在本文中，我將主要針對如何在已有原料以及添加物的基礎上對造球技術進行優化，從而提高造球質量。

2、供料是否穩定可控

借助于輸送皮帶，將物料經料倉當中的原料輸送到造球盤當中，待母球成型之后，母球會隨著自身的不斷滾動以及不間斷的物料作用，逐漸變大、變密實。送料是否穩定，將直接影響到生球的成長以及在造球盤當中的滯留時長。當物料快速增加時，生球的強度會逐漸變弱同時粒度會變大，而當物料快速減少時，則會導致生球的成長速度衰減，在造球盤當中長時間停留以及密實的時間延長。而生球是否密實，則既能夠影響預熱效果與焙燒質量，同時也能夠直接影響產能。由于物料條件，或者其他直接因素的影響，導致對生球粒度進行調控的主要手段就是在粒度過大或者過小時，將供料速度進行合理調節，從而改善生球在造球盤當中的停留時間。在全自動造球系統改造之前，主要存在以下缺陷：在造球生產過程中，受物料水分改變以及其他主要因素的影響，料倉下料受阻，或者供料直接中斷的現象時有發生，對造球生產的效率會造成直接影響。與此同時，供料輸送皮帶在速度調節系統出現故障時，也會直接導致供料速度不可控，即可控性受到影響。

3、加水方式及過程控制

(1)控制思路

生球的性能主要包括生球水分、粒度組成、抗壓強度、生球落下強度以及生球的破裂溫度。與生球性能直接相關的有物料結構、物料粒度、物料配比以及水分含量對自動造球起決定性作用，除此之外在生產過程中原料水分的干燥、造球加水、給料量調整、造球時間（圓盤轉速和傾角）決定生產合格率和生產效率的關鍵因素。因此，該自動造球系統基本方針是穩水穩料。在生產過程中，原料供應要保持穩定的水分，及時為造球提供原料水分數據；在造球過程中根據來料水分情況，做到給料、加水的穩定，通過粒度分析儀和生球水分實時檢測、反饋給控制系統，對給料、加水做進一步微調，以保證出球率的穩定。在原料穩定、給料穩定、水分以及加水穩定的前提下，根據各項參數進一步優化控制微調在閾值內的造球盤轉速和傾角，讓生產合格率和生產效率達到最佳效果，否責先不宜調節其他生產設備及參數。

(2)方式及過程

結合當前的實際物料條件，通常采用的造球方式為烘干→潤磨→加水。其中，在影響生球強度、粒度、含粉量以及水分的眾多因素當中，霧水與滴水的加水狀態、位置以及加水調控是否精細是最主要的因素。在本次全自動造球系統改造之前，加水系統當中主要有以下幾點缺陷：首先，就是滴水在分布上呈現出不均勻的狀態，在對水量進行調控過程中這種不均勻表現往往更加明顯，這最終會直接導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，當這個誤差超過了生產工藝基本所需標準時，霧水將直接對生球是否密實造成影響。最后，就是霧水在調控性上有明顯不足，在結合實際需求進行減水操作時，霧水的霧化情況會隨之發生變化，而在減水過程中，由于水壓變化較大，導致滴水現象時有發生，最終直接影響到生球的整體成長過程，造成生球質量低下。其控制流程主要有：

①干燥前在線水分檢測作為前饋調節干燥機內熱能煤氣輸入量，確保水分最短時間內達到目標水分。

②干燥后在線水分檢測反饋疊加調節干燥機內熱能煤氣，實現干燥后原料水分精準控制。

③建立干燥水分數據模型，根據原料配比量、原始水分建立數據模型與在線水分檢測共同完成控制調節。

④自動聯鎖，調取原料配比重量、干燥前皮帶啟停信號和干燥機啟停信號聯鎖實現干燥水分自動控制。

⑤干燥后水分檢測、料倉存量數據建模作為前饋，粒度檢測作為反饋自動調節給料量，如物料水分在生產工藝閾值內且粒度范圍比例正常不進行給料量調節，如原料水分與閾值偏差較大且粒度范圍合格率差適量進行給料量調節。

⑥干燥后水分檢測與給料量建模作為前饋，快速調節造球加水量。

⑦造球盤上粒度檢測與生球水分建模作為反饋，實時、穩定調節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系，低加、高減，每個個檢測設備的信號可進行疊加控制，根據現場工序時間建立數據疊加模型。

⑨前饋模型、反饋模型都作為一級調節，加水流量檢測作為二級與一級進行串級調整，確保加水快速、穩定、準確。

⑩造球加水自動聯鎖，取圓盤給料啟停信號、圓盤啟停信號以及順序延時信息進行聯鎖，控制電動切斷閥實現快速開啟或關停電動切斷閥，防止錯加或遺漏加水。

4、造球盤的運行及底料形成狀態

在結合實際物料條件對一些主要參數（包括造球盤直徑、造球盤轉速、造球盤傾角、造球盤邊高以及容積充滿率等）進行確定之后，底料形成狀態將直接對母球的成長速度與運動性質造成影響。除此之外，底料形成狀態以及穩定性也會受到造球盤襯板性質的影響。在全自動造球系統改造之前，造球盤的運行及底料形成狀態主要有以下缺陷：造球盤襯板的質量是否可靠與性質無法匹配物料條件和產能控制目標，對造球過程產生影響，從而阻礙了生球質量與造球產能的提高。

四、成套系統設計分析

(一)設備裝置

在本次全自動造球系統的優化改造當中，系統中的主要設備裝置包括在線微波水分儀、粒度分析儀、加水噴頭、管道執行設備、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用于超前控制調整干燥機內熱能煤氣輸入量，確保物料干燥水分略低于造球適宜目標水分。干燥后在線水分檢測用于反饋控制調整干燥機內熱能煤氣輸入量，以及超前指導調整造球盤加水量和物料給定量，確保造球盤生產穩定性與生產效率。生球在線水分檢測用于指導判斷生球爆裂溫度和其他性能，為后續的干燥、預熱、焙燒工序提供控制依據，同時反饋指導造球生產加水、給料及其他參數在閾值內進行微調。第二，粒度分析儀在每一個造球盤上都安裝一套專業系統，用于檢測粒徑范圍比例含量控制滴水與霧化水，給出信號指導調整料量、圓盤轉速以及傾角。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、霧水長大、無水緊密。第四，管道執行設備的主要作用就是增加電動調節閥門或變頻泵、電磁流量計、電動切斷閥、手動閥門等，供自動調節加水量使用。確保供水管道壓力穩定。第四，控制端就是PLC集成控制系統。第五，工程師站包括服務器與終端軟件。第六，操作終端包括工控機、上位軟件、界面以及粒度顯示。

(二)生球水分控制

1、造球過程中生球水分與生球強度的關系

造球最佳水分，應根據生球的抗壓強度和落下強度這兩個重要的特性來確定。水分高于或者低于最佳值時，生球強度都會下降。因為水分低于最佳值，生球中礦粒之間毛細水不足，孔隙被空氣填充，因此，生球非常脆弱。若水分過大，使礦粒間毛細管的水過于飽和，這時毛細黏結力將不存在，球就會互相黏結丶變形。不同的原料，其最佳造球水分是不相同的。因此，在實際生產中，生球都是稍微過濕的。希望原料的水分略低于最佳造球水分，在造球過程中再補加少量的水，這樣有利于控制生產。

2、造球過程中生球水分的判斷與調整造球過程中的加水方法

原則滴水成球，霧水長大，無水緊密。加水位置：必須符合“既易形成母球，又能使母球迅速長大和緊密”的原則，為了實現生球粒度和強度的最佳操作，加水點設在球盤上方，范圍偏大。根據混合料水分檢測大小和粒度分析儀比例檢測范圍，控制給料量和給水量。混合料水分大時，根據盤上粒度分析儀分析狀況相應增加下料量，減少給水量。混合料水分小時，根據盤上粒度分析儀分析狀況相應減少下料量，增加給水量。

3、造球過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、有無卡塊現象、下料量多少、膨潤土配比、停留時間（球盤傾角或轉速）、原料來料水分等。該系統主要采用原料在線水分檢測、生球水分在線檢測和粒度分析系統自動調節加水量提高產品合格率和生產效率，系統可提供粒度檢測范圍信號，指導生產大系統聯鎖調節圓盤給料量以及閾值內的圓盤傾角和轉速。例如：圓盤下料量是否正常、有無卡塊現象、下料量多少、膨潤土配比、停留時間（球盤傾角或轉速）、原料水分等。該系統主要采用原料在線水分檢測、生球水分在線檢測和粒度分析系統自動調節加水量提高產品合格率和生產效率，系統可提供粒度檢測范圍信號，指導生產大系統聯鎖調節圓盤給料量以及閾值內的圓盤傾角和轉速。

(三)系統優勢

本次全自動造球系統的設計，主要有以下幾點優勢：①設計新穎，功能全面，系統穩定性高；②界面友好，操作簡單實用，符合工礦企業操作人員的需求；③對抗自然環境能力強，提高抗粉塵、抗干擾、抗高溫能力；④自動化程度高，采樣率高，真正的實現解放人力的目標；⑤多球盤自動分析，數據對比清晰顯著；⑥系統數據開放，可與自動化造球系統聯動，實現無人值守；⑦圖像清晰，數據穩定性、精確性高；⑧控制精確、調節速度快、穩定性高。

(四)系統功能

本次全自動造球系統的設計，主要有以下幾點功能：①強大的軟件分析功能以及生球合格率異常報警功能；②自動化精準的數據采樣功能；③歷史查詢功能；④具備多種數據輸出端口；⑤全中文操作界面，系統兼容性、易操作、可維護性極高；⑥以現場成像系統為基礎的數據庫；⑦機器視覺技術和計算機圖像處理技術的應用；⑧自動調節加水量，同時為造球盤控制系統提供信號；⑨及時發現異常，減少生產損失；⑩分析與控制球盤的生球粒徑的功能。

總的來說，本次系統的設計主要的目的有以下幾點：提高生產效率、提高生產質量、降低成本投入、減少經濟損失、實現增產目的。

五、結束語

綜上所述，為從根本上解決球團造球質量不足的問題，提高球團造球的生產效率與質量，本文中結合球團全自動造球技術方案的具體內容，針對全自動造球系統的優化與改造進行分析，從優化與改造的過程以及各種影響因素的角度出發，引出具體的成套系統設計方案，力求為同行業內的相關企業提供一定理論依據。

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