陶瓷生产智能化在球磨动力节能降耗方面的应用探索*

吴 彤 杨毓隆 马兆利

(1 清远职业技术学院机电与汽车工程学院 广东 清远 511000)

(2 广州博依特智能信息科技有限公司 广州 510520)

(3 清远纳福娜陶瓷有限公司 广东 清远 511000)

为了打赢“蓝天保卫战”,全国陶瓷行业“煤改气”工作全面推进,截止到2020 年12 月,广东省清远市34 家陶瓷企业,169 条生产线,已全部使用天然气,但无一能够达到智能化生产和信息化生产,陶瓷产业亟待信息化转型升级。

根据目前陶瓷企业生产的现状,球磨工序占据陶瓷工艺链能耗的30%～35%[1],在这样的背景下,基于大数据分析与应用基础上的智能化转型,通过设备状态监测、生产管理、运行调度、能耗、品质等数据在平台上集成共享,运用数据挖掘、机器学习和知识发现等大数据分析和处理技术,运用陶瓷球磨机理,深入挖掘陶瓷企业工业数据价值,通过实际应用,调整球石配比,提高球磨一次合格率等工艺措施,为企业提质增效、节能降耗。

1 实验

1.1 原料

利用陶瓷企业主要原料,粘土、长石、石英、钙镁质类的4大原料配制抛釉底料,在研磨过程中通过加入水玻璃等分散剂进行助磨。

1.2 制备

陶瓷用4大类主要原料按照一定的配比进行称量,进行装球后,加入水玻璃为主的分散介质,按照料∶球∶水比为3.45∶2.36∶1的比例进行配制,采取一次性物料添加方式进行物料混合后,启动球磨机后进行球磨制备抛釉底料。

1.3 表征

用325 目筛检测物料的筛余控制抛釉底料的粒径;利用上海精析仪器制造有限公司的LND-1 型,涂-4粘度计测量抛釉底料的流速;将200 g物料在电热烘箱内烘干1 h后,称量物料测算物料的密度;利用企业连接平台进行数据采集和分析。

2 结果与讨论

2.1 坯料单耗随产量的变化趋势分析

表1为2021年9月某陶瓷企业抛釉底料(简称坯料)产量(t)与研磨过程所需要的用电总量(k W·h),配制单位重量坯料的耗电量(k W·h/t),以及配制单位重量坯料的用电成本(元/t)的统计表。表1的数据来源于智能化数字平台,主要是基于同一吨位的球磨机,在8个批次的球磨过程中的用电量的数据对比。从表1可以看出,在同样的工艺条件下,球磨机的单耗存在较大的差异,平均极差高达0.61 k W·h/t,单位用电成本平均极差高达0.86元/t,这凸显了陶瓷球磨动力能耗的问题,也为智能化的节能降耗提供了较大的调整空间[2]。

表1 坯料产量与用电总量,单耗,单位用电成本的统计表

图1为在同一台球磨机研磨同样配方的坯料过程中,单耗随坯料产量的变化趋势图。从图1可以看出,球磨单耗随球磨量有较大的起伏,单耗存在一定的差距,为后续数据的分析反馈提供了一定的空间。在与清远某陶瓷企业研讨中发现,动力车间确实存在较大的节能空间。

图1 坯料单耗随球磨产量的变化趋势图

2.2 研磨体的级配对动力球磨节能降耗的影响

鉴于球磨单耗在陶瓷生产过程中存在的巨大差距,经过分析和比对平台中多组数据,利用动力球磨的原理,针对于能耗较大的球磨动力工序,采取了改变研磨体级配的方式进行能耗的对比试验[3]。试验对象为单耗较高的7号、28号、39号、40号球磨机,试验的球磨机研磨体级配分布如表2所示。

表2 球磨机装配研磨体的级配分布表

通过企业连接应用平台查询球磨机历史产生的单耗发现,研磨工艺前,2021年9月份数据,7号球磨机(36 t),22个样本中产品单耗平均49.23 k W·h/t,28号球磨机,6个样本中56.23 k W·h/t,39号球磨机,6个样本中55.40 kw·h/t。40号球磨机,36 t 28个样本中54.02 kw·h/t。

针对于陶瓷企业的生产实际,利用陶瓷物料研磨机理中,研磨体和内衬设备对物料施加应力方式,充分利用大中小球的压碎、冲击、劈碎、研磨以及刨削等作用力[4],充分利用研磨效率与研磨介质的多少、大小、级配、形状、密度间的关系,选用中高铝,金刚高铝的研磨体,其中研磨体中含铝量为77.69%,同时调整研磨体级配进行试验。

2022年1月开始,制备坯料时,以7号球磨机,28号球磨机,39号球磨机,40号球磨机为试验对象,调整料∶球∶水比例为1∶0.75∶0.53,研磨体φ20∶φ30∶φ40∶φ50∶φ60比例分别为0∶1∶1.56∶1.78∶1.23,1∶3.5∶2.2∶2.3∶1,0∶3.2∶3.4∶1∶1.8,0∶3.75∶4∶1∶2.75,11 r/min工频的前提下,通过平台数据采集,产品单耗分别为7号球磨机41.144 k W·h/t,28号球磨机38.729 k W·h/t,39 号球磨机4.197 k W·h/t,40号球磨机单耗为45.492 k W·h/t。

球磨机在工艺改造后主要数据统计如表3所示。

表3 球磨机在工艺改造后单耗采集数据表

11 49.05 46.989 31.601 47.026 12 49.212 43.101 44.694 47.537 13 48.413 42.175 23.493 39.056 14 51.823 23.679 44.834 36.199 15 37.445 42.02 47.356 49.643 16 25.308 31.26 46.494 17 46.74 41.551 46.112 18 32.998 31.97 50.236 19 47.312 43.374 51.539 20 24.193 40.593 46.507 21 39.398 41.275 23.054 22 47.393 41.464 42.541 23 50.817 39.78 49.225 24 46.167 38.506 48.762 25 48.386 39.658 49.778 26 37.323 53.401 27 49.19 28 49.271平均单耗(k W·h/t)41.144 38.729 44.197 45.492

试验通过对84批次的球磨进行数据跟踪和采集,基于同种配方的坯料进行对比,发现28号球磨机中,研磨体φ20∶φ30∶φ40∶φ50∶φ60比例级配为1∶3.5∶2.2∶2.3∶1时,能耗最低。

对比其他球磨机的研磨体配比来说,28号球磨机利用了小球的细磨作用,在物料破碎到一定程度时,细粒径的研磨体,对于物料的颗粒级配具有重要的意义。这主要是由于当研磨到一定阶段后,通过细粒径的研磨体的加入,可以提高研磨效率[5]。

图2为四台球磨机在不同批次的球磨过程中的单耗统计对比柱状图。从图2可以看出,技术改造以后,4台球磨机的单耗大部分低于50 k W·h/t,综合四台试验球磨机来说,平均单耗为42.40 k W·h/t,这与技改前的平均单耗53.72 k W·h/t,相比减少了21%。具体见统计表4。

图2 坯料磨机在工艺改造后单耗采集数据对比柱状图

表4 球磨机在工艺改造前后单耗对比数据一览表

目前,由于企业用电均采取市场定价的原则,根据清远目前工业用电的成本计算,以某陶瓷企业的日生产量1 200 t(30个球磨机,40 t磨料)核算,经过技术改造,将会为企业节能1 200 t×11.33 k W·h/t×0.55元k W·h/t=7477.80元/d,7477.80×330 d=246.7674万/年。

2.3 一次合格率对球磨节能降耗的影响

图3是试验的四台球磨机出料一次合格率对比柱状图。从图3可以看出,陶瓷坯料在球磨过程中一次出磨合格率有较大的差异。7号球磨机的一次合格率情况不太理想,而39号和40号的球磨机一次合格率较高。目前陶瓷企业对于浆料的检测项目主要有料浆的筛余、水分、流速、比重等指标,在对比试验过程中,出现不合格指标的项目主要集中于水分、浆料粒径等方面[6]。图4是四个球磨机散点分布图。从图4可以看出,7号球磨机中停磨次数较多,在21批次的球磨物料中,一次合格率的坯料有14批次,二次球磨合格的坯料有4批次,三次球磨合格的坯料有3批次,四次球磨合格的坯料有1 批次。28 号球磨机中坯料达到合格停磨次数也较多,在22批次的物料中,一次球磨合格的坯料有4批次,二次球磨合格的坯料有6批次,三次球磨合格的坯料有2批次。按照某陶瓷企业的球磨机动力运行现状,40 t的球磨机,功率一般为100～200 k W,加磨一次的能耗最低70 k W·h/min,加磨时间一般为20～30 min,70×25×0.55=962.5元/次。根据7号球磨机和28号球磨机研磨现状,7号球磨机加磨次数9次,28号球磨机加磨次数8次,两台球磨机共加磨17 次,能耗增加962.5×17=16362.5元。球磨机39号和40号,都实现一次球磨合格,有效降低了能耗产生。分析39号和40号球磨机一次合格率的主要原因在于保证水分流速,确保浆料能够完全释放干净,同时控制球磨机的有效研磨时间,以防止超细微粉的产生,防止过磨而引起的颗粒团聚现象[7],从而达到提高坯料研磨的一次合格率。

图3 不同球磨机一次出磨合格率对比柱状图

图4 不同球磨机一次出磨合格率散点分布图

3 结论

(1)陶瓷坯料在制备过程中,球磨时的单耗随产量具有较大的差异,同一台球磨机在球磨同样的物料时单耗相差也较大,这与料球水的比例,研磨体的级配等因素均有关。

(2)经过信息化数据的采集,研磨体的级配对动力球磨节能降耗具有较大的影响,通过对球石的级配等工艺参数的技改,利用系统反馈调整球磨的技术参数,当小中大球的比例为1∶3.5∶2.2∶2.3∶1时,球磨单耗最低,可以降低能耗达21%。

(3)提高球磨一次合格率能有效节能降耗,通过试验,在保证水分流速,确保浆料能够完全释放干净,同时控制球磨机的有效研磨时间,以防止超细微粉的产生,防止过磨而引起的颗粒团聚现象,能够提高坯料研磨的一次合格率,平均可以有效节约球磨能耗962.5元/次。