球团造球系统优化改造
魏敬忠
江苏金恒信息科技股份有限公司
摘要：近些年来，伴随着铁矿产能的提高、设备的更新以及原料的变化，在造球质量上存在不同的差异。而造球作为球团生产过程中的一项重要工序，生球质量与成球率将直接影响到球团的产量以及投入。而伴随着科学技术水平的逐渐提高，图像处理技术在球团粒度识别领域中的应用，通过造球盘上的数字图像采集、处理、识别并对粒度范围进行统计分析，及时提供粒度区间百分比，为自动造球提供快速、准确的信息，模拟人工操作过程，实现全自动造球。本文中，笔者就结合球团全自动造球技术，对球团造球系统优化改造进行分析。
关键词：球团造球；系统优化；全自动造球；生产质量
为实现造球过程混合料水分在线检测和精准的水分控制，确保生球的水分适宜，提高生球质量和成球率，节约能源消耗，同时减轻工人劳动强度避免人工调整的滞后性，提高生产及时性、稳定性，从而实现提高产品品质，增加经济效益。在以下内容中，我将结合增加造球过程在线水分检测和自动加水控制，与生球粒度分析系统形成闭环，针对球团全自动造球技术进行研究，致力于对现有球团造球系统的优化改造，促使我国在这一领域当中进一步发展。
一、概述
造球是球团生产过程中的一个重要工序，生球的质量和成球率直接影响球团生产的产量和成本，影响生球的质量和成球率的主要因素包括岗位操作水平、经验、责任心和精力等主观因素和原料配比变化、水分变化、造球盘角度和转速变化等客观因素，目前有效的调控手段是通过人工观察，预估生球粒度的大小，然后再决定加减水量或加减造球盘转速或加减加料量。由于人的精力、责任心和经验差异导致成球率和生球质量不稳定。
随着图像处理技术的不断成熟和在球团粒度识别领域中的应用，通过造球盘上的数字图像采集、处理、识别并对粒度范围进行统计分析，及时提供粒度区间百分比，为自动造球提供快速、准确的信息，模拟人工操作过程，实现全自动造球。
与此同时，增加造球过程在线水分检测和自动加水控制，与生球粒度分析系统形成闭环。目的是实现造球过程混合料水分在线检测和精准的水分控制，确保生球的水分适宜，提高生球质量和成球率，节约能源消耗，同时减轻工人劳动强度避免人工调整的滞后性，提高生产及时性、稳定性，从而实现提高产品品质，增加经济效益。
二、自动造球系统基本构成
自动造球系统，基本组成有检测单元、控制单元、信号传输单元、工程师站以及系统软件等组成。而系统当中应用的主要仪器则有三种，即粒度分析仪、在线水分检测仪以及具体的执行设备。
三、设计与优化改造过程分析
(一)造球系统造球过程
第一步，通过皮带输料机器将混合料输送到造球盘当中，此时的造球盘是连续运转的；第二步，结合混合料当中的水分含量以及本次生产工艺标准来控制水量，从而达到成球标准；第三步，造球成球借助于重力或者离心力，从造球盘当中脱落，最终通过输送皮带运送到筛分室当中。在造球系统造球生产过程中，主要存在的问题表现为以下几方面：首先，就是造球系统造球质量不够稳定，无法更好的满足生产工艺标准，主要表现在生球水分与强度不够稳定。其次，就是生球的（8-16厘米）合格粒级没有较高的合格率，返料频繁，返料总量往往能够达到20%以上。
(二)影响造球质量的主要因素以及设备缺陷
1、原料与添加物特性
在影响生球质量的众多因素当中，最为重要的两方面就是原料的特性与添加物的特性，在以往的生产过程中，我们借助于对配料结构进行改善、对原料质量进行严格控制，以求从根本上提高生球质量。而在本文中，我将主要针对如何在已有原料以及添加物的基础上对造球技术进行优化，从而提高造球质量。
2、供料是否稳定可控
借助于输送皮带，将物料经料仓当中的原料输送到造球盘当中，待母球成型之后，母球会随着自身的不断滚动以及不间断的物料作用，逐渐变大、变密实。送料是否稳定，将直接影响到生球的成长以及在造球盘当中的滞留时长。当物料快速增加时，生球的强度会逐渐变弱同时粒度会变大，而当物料快速减少时，则会导致生球的成长速度衰减，在造球盘当中长时间停留以及密实的时间延长。而生球是否密实，则既能够影响预热效果与焙烧质量，同时也能够直接影响产能。由于物料条件，或者其他直接因素的影响，导致对生球粒度进行调控的主要手段就是在粒度过大或者过小时，将供料速度进行合理调节，从而改善生球在造球盘当中的停留时间。在全自动造球系统改造之前，主要存在以下缺陷：在造球生产过程中，受物料水分改变以及其他主要因素的影响，料仓下料受阻，或者供料直接中断的现象时有发生，对造球生产的效率会造成直接影响。与此同时，供料输送皮带在速度调节系统出现故障时，也会直接导致供料速度不可控，即可控性受到影响。
3、加水方式及过程控制
(1)控制思路
生球的性能主要包括生球水分、粒度组成、抗压强度、生球落下强度以及生球的破裂温度。与生球性能直接相关的有物料结构、物料粒度、物料配比以及水分含量对自动造球起决定性作用，除此之外在生产过程中原料水分的干燥、造球加水、给料量调整、造球时间（圆盘转速和倾角）决定生产合格率和生产效率的关键因素。因此，该自动造球系统基本方针是稳水稳料。在生产过程中，原料供应要保持稳定的水分，及时为造球提供原料水分数据；在造球过程中根据来料水分情况，做到给料、加水的稳定，通过粒度分析仪和生球水分实时检测、反馈给控制系统，对给料、加水做进一步微调，以保证出球率的稳定。在原料稳定、给料稳定、水分以及加水稳定的前提下，根据各项参数进一步优化控制微调在阈值内的造球盘转速和倾角，让生产合格率和生产效率达到最佳效果，否责先不宜调节其他生产设备及参数。
(2)方式及过程
结合当前的实际物料条件，通常采用的造球方式为烘干→润磨→加水。其中，在影响生球强度、粒度、含粉量以及水分的众多因素当中，雾水与滴水的加水状态、位置以及加水调控是否精细是最主要的因素。在本次全自动造球系统改造之前，加水系统当中主要有以下几点缺陷：首先，就是滴水在分布上呈现出不均匀的状态，在对水量进行调控过程中这种不均匀表现往往更加明显，这最终会直接导致母球形成的均匀程度不足。其次，就是雾水在覆盖范围上有明显误差，当这个误差超过了生产工艺基本所需标准时，雾水将直接对生球是否密实造成影响。最后，就是雾水在调控性上有明显不足，在结合实际需求进行减水操作时，雾水的雾化情况会随之发生变化，而在减水过程中，由于水压变化较大，导致滴水现象时有发生，最终直接影响到生球的整体成长过程，造成生球质量低下。其控制流程主要有：
①干燥前在线水分检测作为前馈调节干燥机内热能煤气输入量，确保水分最短时间内达到目标水分。
②干燥后在线水分检测反馈叠加调节干燥机内热能煤气，实现干燥后原料水分精准控制。
③建立干燥水分数据模型，根据原料配比量、原始水分建立数据模型与在线水分检测共同完成控制调节。
④自动联锁，调取原料配比重量、干燥前皮带启停信号和干燥机启停信号联锁实现干燥水分自动控制。
⑤干燥后水分检测、料仓存量数据建模作为前馈，粒度检测作为反馈自动调节给料量，如物料水分在生产工艺阈值内且粒度范围比例正常不进行给料量调节，如原料水分与阈值偏差较大且粒度范围合格率差适量进行给料量调节。
⑥干燥后水分检测与给料量建模作为前馈，快速调节造球加水量。
⑦造球盘上粒度检测与生球水分建模作为反馈，实时、稳定调节造球盘上滴水与雾化水加水量。
⑧粒度与水分都属正向逻辑关系，低加、高减，每个个检测设备的信号可进行叠加控制，根据现场工序时间建立数据叠加模型。
⑨前馈模型、反馈模型都作为一级调节，加水流量检测作为二级与一级进行串级调整，确保加水快速、稳定、准确。
⑩造球加水自动联锁，取圆盘给料启停信号、圆盘启停信号以及顺序延时信息进行联锁，控制电动切断阀实现快速开启或关停电动切断阀，防止错加或遗漏加水。
4、造球盘的运行及底料形成状态
在结合实际物料条件对一些主要参数（包括造球盘直径、造球盘转速、造球盘倾角、造球盘边高以及容积充满率等）进行确定之后，底料形成状态将直接对母球的成长速度与运动性质造成影响。除此之外，底料形成状态以及稳定性也会受到造球盘衬板性质的影响。在全自动造球系统改造之前，造球盘的运行及底料形成状态主要有以下缺陷：造球盘衬板的质量是否可靠与性质无法匹配物料条件和产能控制目标，对造球过程产生影响，从而阻碍了生球质量与造球产能的提高。
四、成套系统设计分析
(一)设备装置
在本次全自动造球系统的优化改造当中，系统中的主要设备装置包括在线微波水分仪、粒度分析仪、加水喷头、管道执行设备、控制端、工程师站以及操作终端。第一，在线微波水分仪有三套，分别安装于干燥前、干燥后、生球输送带上。干燥前在线水分检测用于超前控制调整干燥机内热能煤气输入量，确保物料干燥水分略低于造球适宜目标水分。干燥后在线水分检测用于反馈控制调整干燥机内热能煤气输入量，以及超前指导调整造球盘加水量和物料给定量，确保造球盘生产稳定性与生产效率。生球在线水分检测用于指导判断生球爆裂温度和其他性能，为后续的干燥、预热、焙烧工序提供控制依据，同时反馈指导造球生产加水、给料及其他参数在阈值内进行微调。第二，粒度分析仪在每一个造球盘上都安装一套专业系统，用于检测粒径范围比例含量控制滴水与雾化水，给出信号指导调整料量、圆盘转速以及倾角。第三，加水喷头则需要在造球盘上确保滴水喷头、雾化水喷头设备和位置正常完好，否则需要完善好，原则上保障滴水成球、雾水长大、无水紧密。第四，管道执行设备的主要作用就是增加电动调节阀门或变频泵、电磁流量计、电动切断阀、手动阀门等，供自动调节加水量使用。确保供水管道压力稳定。第四，控制端就是PLC集成控制系统。第五，工程师站包括服务器与终端软件。第六，操作终端包括工控机、上位软件、界面以及粒度显示。
(二)生球水分控制
1、造球过程中生球水分与生球强度的关系
造球最佳水分，应根据生球的抗压强度和落下强度这两个重要的特性来确定。水分高于或者低于最佳值时，生球强度都会下降。因为水分低于最佳值，生球中矿粒之间毛细水不足，孔隙被空气填充，因此，生球非常脆弱。若水分过大，使矿粒间毛细管的水过于饱和，这时毛细黏结力将不存在，球就会互相黏结丶变形。不同的原料，其最佳造球水分是不相同的。因此，在实际生产中，生球都是稍微过湿的。希望原料的水分略低于最佳造球水分，在造球过程中再补加少量的水，这样有利于控制生产。
2、造球过程中生球水分的判断与调整造球过程中的加水方法
原则滴水成球，雾水长大，无水紧密。加水位置：必须符合“既易形成母球，又能使母球迅速长大和紧密”的原则，为了实现生球粒度和强度的最佳操作，加水点设在球盘上方，范围偏大。根据混合料水分检测大小和粒度分析仪比例检测范围，控制给料量和给水量。混合料水分大时，根据盘上粒度分析仪分析状况相应增加下料量，减少给水量。混合料水分小时，根据盘上粒度分析仪分析状况相应减少下料量，增加给水量。
3、造球过程中生球粒度的控制
影响生球粒度因素很多，例如：圆盘下料量是否正常、有无卡块现象、下料量多少、膨润土配比、停留时间（球盘倾角或转速）、原料来料水分等。该系统主要采用原料在线水分检测、生球水分在线检测和粒度分析系统自动调节加水量提高产品合格率和生产效率，系统可提供粒度检测范围信号，指导生产大系统联锁调节圆盘给料量以及阈值内的圆盘倾角和转速。例如：圆盘下料量是否正常、有无卡块现象、下料量多少、膨润土配比、停留时间（球盘倾角或转速）、原料水分等。该系统主要采用原料在线水分检测、生球水分在线检测和粒度分析系统自动调节加水量提高产品合格率和生产效率，系统可提供粒度检测范围信号，指导生产大系统联锁调节圆盘给料量以及阈值内的圆盘倾角和转速。
(三)系统优势
本次全自动造球系统的设计，主要有以下几点优势：①设计新颖，功能全面，系统稳定性高；②界面友好，操作简单实用，符合工矿企业操作人员的需求；③对抗自然环境能力强，提高抗粉尘、抗干扰、抗高温能力；④自动化程度高，采样率高，真正的实现解放人力的目标；⑤多球盘自动分析，数据对比清晰显著；⑥系统数据开放，可与自动化造球系统联动，实现无人值守；⑦图像清晰，数据稳定性、精确性高；⑧控制精确、调节速度快、稳定性高。
(四)系统功能
本次全自动造球系统的设计，主要有以下几点功能：①强大的软件分析功能以及生球合格率异常报警功能；②自动化精准的数据采样功能；③历史查询功能；④具备多种数据输出端口；⑤全中文操作界面，系统兼容性、易操作、可维护性极高；⑥以现场成像系统为基础的数据库；⑦机器视觉技术和计算机图像处理技术的应用；⑧自动调节加水量，同时为造球盘控制系统提供信号；⑨及时发现异常，减少生产损失；⑩分析与控制球盘的生球粒径的功能。
总的来说，本次系统的设计主要的目的有以下几点：提高生产效率、提高生产质量、降低成本投入、减少经济损失、实现增产目的。
五、结束语
综上所述，为从根本上解决球团造球质量不足的问题，提高球团造球的生产效率与质量，本文中结合球团全自动造球技术方案的具体内容，针对全自动造球系统的优化与改造进行分析，从优化与改造的过程以及各种影响因素的角度出发，引出具体的成套系统设计方案，力求为同行业内的相关企业提供一定理论依据。
参考文献：
[1]周斌,邱立运,蒋源铭,刘权强,刘勍.球团厂造球机生产无人化控制技术[J/OL].冶金自动化:1-11[-08-23].