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干法水泥生料控制方法分析与研究关键词 前置控制 后置控制 分析成分 生产成分 联合控制0 摘要水泥生料质量控制走的还是事后调整的老路，检验数据缺乏代表性是中子活化分析仪在线控制的最大缺点，通过石灰石分析成分和生产成分对应关系的研究，提出了水泥生料的联合控制方法，该法的实现将是一个新的突破，可彻底解决水泥生料质量控制中存在的问题。1 后置控制根据出磨生料化学成分来调整原料的配比，是传统的事后控制法，称为后置控制。出磨生料检验由古老的碳酸钙滴定值、手工快速氧化钙及三氧化二铁、钙铁荧光分析仪、四元素荧光分析仪，发展到现在的大型多元素荧光分析仪，检验频次还是保留一小时一次的老传统。根据出磨生料成分来调整原料的配比很被动，如果入磨原料化学成分的变化频率小于一小时，这种控制方法就失去了意义。由于调整的滞后，如何降低入磨原料化学成分的变化幅度和变化频率是该控制法的关键，新型干法水泥所采用的大型预均化堆场，就是为了解决这个问题，是后置控制法的无奈之举。尽管采取了均化措施，出磨生料还是得不到很好的控制效果，表现为：圆形均化堆均化效果较差，矩形均化堆堆两头的石灰石块多，质量好，换堆前后生料三率值波动大，出磨生料稳定性差。为了保证出磨生料的稳定性，新型干法水泥在设计中，耗巨资新增了大型生料均化库，使企业增加了不少的投资，其效果还受料位高度、维修困难等多种因素影响，存在问题很多。原料成分变化是不可避免的，为了提前掌握原料的变化情况，有人提出利用统计分析方法，根据出磨生料化学成分的变化情况，来预测原料的变化情况，且不说效果如何，走的还是事后控制的路子，改变不了调整滞后的命运。2 前置控制前置控制法，即现在的在线控制。早些年的在线控制是采用在线多元素荧光分析仪，它有半小时的滞后时间。采用中子活化分析仪在线控制，是近几年发展起来的在线控制法，采用穿透力很强的射线，检验传送带上入磨物料的化学成分，这种方法具有分析速度快的特点，但有以下问题不易解决：1）检验数据的代表性。由于检验的是传送带上一定距离的瞬时物料，而掺量较少的辅料不是均匀的铺在传送带上，呈堆积状态，象硫酸渣这样水分较大的粉状物料，更为严重，几米长一堆，检验数据缺乏代表性；2）采用有效的调整计算模式也很重要；3）由于不检验出磨生料化学成分，无法判断前期配料调整是否符合要求，如果依靠手工全分析数据来最后把关，一旦出现问题将严重失控。由于上述问题存在，中子活化分析仪在线控制并没有得到很快推广，多数企业是用来检验石灰石成分。3 联合控制联合控制法就是事先检验待用石灰石分析成分与事后检验出磨生料化学成分相结合的控制法，利用在用石灰石分析成分与生产成分的对应关系，根据待用石灰石的分析成分，来预测待用石灰石的生产成分，以待用石灰石生产成分为调整计算依据，进一步确定原料的配比。该法利用生产中的对应关系来解决生产中的实际问题，把复杂问题简单化，只要事先检验待用石灰石的分析成分，即可掌握原料的变化情况。该法具有调整准确度高的特点，可彻底解决调整滞后的问题。3.1 分析数据和生产数据出磨生料配料调整计算是一项复杂和高难度的工作，为了便于分析和研究，充分说明问题，引入了分析数据与生产数据两个概念。3.1.1 分析数据表示原料与生料之间理论对应关系的数据称为分析数据，所对应的成分称为分析成分。如：要完成一项生料配料试验工作，需经过原料取样、制样和测定原料的水分及原料的化学成分、确定原料配比、计算生料化学成分。这其中，原料水分、原料化学成分、原料配比、生料化学成分一系列数据都是分析数据，它们之间的对应关系在理论上成立。3.1.2 生产数据表示生料与原料之间生产对应关系的数据称为生产数据，所对应的成分称为生产成分，它表示在一定生产工艺条件下的对应关系。如：在生料粉磨过程中，荧光仪测定的生料化学成分、和生料相对应的原料水分以及原料的化学成分、微机显示的原料配比，这一系列数据都是生产数据，它们之间的对应关系在一定生产工艺条件下成立。3.1.3 分析数据和生产数据之间的关系水泥生料的生产分为配料设计和配料调整两个过程，分析数据用于配料设计，生产数据则用于配料调整。原料的分析数据是在试验条件下具体存在的，原料的生产数据则是实际生产中，为了表明生产中的实际对应关系而在特定条件下假想的，举例说明如下。表1 生料配料方案中的有关数据配比%水分SiO2A12O3Fe2O3CaOKHNP1#石灰石92.561.210.272.031.1645.91页岩5.013.759.8620.008.800.74砂岩1.032.781.519.232.700.80硫酸渣1.4015.237.288.0141.692.581#生料13.753.062.0442.720.962.701.50上表中的原料数据是通过手工分析得到的，经过配料计算后，确定了原料配比及1#生料方案成分，用到实际生产中后，生料成分和方案成分不符，数据见下表。表2 实际生产中的生料成分和对应的石灰石成分SiO2A12O3Fe2O3CaOKHNP2#生料13.983.071.9842.520.942.771.552#石灰石10.522.051.1045.70“表1”中的配比、原料水分和成分都是分析数据，和“1#生料”成分相对应，符合理论上的对应关系，和“2#生料”的生产成分则不对应，不符合实际生产中的对应关系。在“新型干法水泥配料计算与配料调整”一文中得出：原料水分和辅料成分变化对生料成分变化影响很小，石灰石成分变化对生料影响很大。如果把“表1”中的“1#石灰石”成分换成“2#石灰石”成分，生产中的对应关系就成立。 “2#石灰石”成分是用辅料成分、微机配比和2#生料成分换算后得来的，是假想的，称为和2#生料相对应的石灰石生产成分，一个生料成分对应一个石灰石生产成分，它符合实际生产中的对应关系，用石灰石生产成分进行调整计算比较有效。有的控制软件，把生料成分的变化归咎于计量设备零点发生了变化，进行零点校正。即，把“表1”中的“1#生料”换成“2#生料”，从新计算出一个配比，和以前的配比相比较，找出误差，进行修正。计量设备的实际下料量不可能忽高忽低的反复变化，这种做法把原料成分的变化也算在计量设备身上，不可取。3.1.4 分析成分和生产成分之间的对应关系受实验室条件及生产工艺条件（如：原料的取样及原料成分的手工分析误差、微机下料量的误差、荧光仪生料检验数据的误差等系统误差的存在）影响，使原料的分析成分不等于生产成分，但它们的变化幅度和变化方向相同。生产成分随着分析成分的变化而变化，分析成分和生产工艺条件左右着生产成分。实验室条件及生产工艺条件不变，则分析成分和生产成分之间的对应关系基本不变。搞过配料工作的都知道，我们化了大量的人力物力，好不容易搞了一个配料方案，当用到生产中去的时候却不合适，这就是分析成分和生产成分存在偏差的原因。所以，在生料配料调整计算过程中，要使用生产成分，利用实际生产中的对应关系，保持计算基准的一致性。而在生产控制过程中，应掌握分析成分和生产成分之间的对应关系，对原料配比进行事先预测，达到控制好生料三率值的目的。3.2 石灰石分析成分石灰石分析成分，就是对待用石灰石进行取样检验而得到的干燥基石灰石成分，影响石灰石分析成分稳定性的因素是取样的稳定性和检验的稳定性。3.3 石灰石生产成分石灰石生产成分，就是以微机显示的原料配比、出磨生料成分、辅料成分及原料水分为基准，为表明生产中的对应关系，通过计算而得到的干燥基石灰石成分（已知原料显示配比、生料成分、辅料成分及原料水分求石灰石成分）。3.4 石灰石分析成分和生产成分的对应关系实际生产控制过程中，有下列因素客观存在：石灰石取样误差、石灰石的检验误差、微机下料量误差、出磨生料检验误差、小量收尘料的影响。上述因素都是系统性的，是导致石灰石分析成分与成产成分不符的根本原因。但是，在一定时间范围内，在用石灰石分析成分和生产成分的对应关系（差值）是基本不变的。3.5 石灰石分析成分和生产成分对应关系举例验证验证方法和步骤如下： 1）已知辅料均化堆的平均成分和原料平均水分，八个各不相同的入磨原料成分和原料水分； 2）八个原料配比都相同，计量设备比较稳定，但有一个固定的系统偏差，给出了微机的显示配比和实际配比； 3）用实际配比和八个入磨原料成分来计算对应的八个生料成分； 4）用同一个辅料均化堆的平均成分、同一个原料水分、同一个微机显示的配比和八个生料成分来计算出对应的八个石灰石生产成分； 5）计算出八个石灰石分析成分与生产成分的差值。（有关计算公式见“新型干法水泥配料计算与配料调整”）表3 辅料均化堆的原料平均成分及原料平均水分水分SiO2A12O3Fe2O3CaO石灰石1.2页岩3.759.8620.008.800.74砂岩2.781.519.232.700.80硫酸渣15.237.288.0141.692.58表4 微机显示的配比及原料的实际配比石灰石叶岩砂岩硫酸渣微机显示的湿基配比93.522.871.661.95原料的实际配比（湿基）94.532.271.351.85表5 连续八个入磨原料成分及水分序号1#2#3#4#5#6#7#8#石 灰 石水分1.21.01.31.11.21.51.41.2SiO211.8411.6211.0711.4411.1411.6711.4010.82A12O32.442.342.382.342.312.462.362.17Fe2O31.221.191.141.311.131.221.201.25CaO45.1845.2445.5544.8345.3745.1345.1845.45页 岩水分3.93.53.53.23.84.23.43.7SiO259.7560.2359.8959.5560.1159.6660.5560.25A12O320.0419.8519.9220.2319.8119.5619.1320.32Fe2O39.068.759.218.568.458.889.158.15CaO0.420.660.580.881.111.090.880.54砂 岩水分2.92.52.52.22.83.22.42.7SiO281.5082.2381.8581.2482.1481.0580.7280.88A12O39.138.899.569.128.569.789.969.45Fe2O32.872.351.852.652.452.872.153.01CaO0.560.860.580.881.111.090.880.84硫 酸 渣水分15.514.215.314.914.615.114.915.6SiO237.0637.2337.8537.2437.1438.0536.7236.88A12O37.788.127.567.898.237.988.527.86Fe2O341.8141.7141.3241.6341.8940.9242.1342.08CaO2.992.452.512.812.412.652.282.47表6 用“表5”的入磨原料成分及水分和“表4”的实际配比计算出的八个生料成分序号SiO2A12O3Fe2O3CaOKHNP1#14.2303.0042.06042.9240.9352.8101.4582#14.0542.9092.02542.9700.9522.8481.4373#13.5312.9491.96943.2610.9952.7511.4984#13.8592.9182.13342.5910.9542.7431.3685#13.5892.8761.96443.1090.9902.8081.4656#14.0793.0252.04742.8880.9432.7761.4787#13.8312.9352.04642.9110.9642.7771.4358#13.2652.7602.07443.1761.0202.7441.331表7 用“表6”的生料成分、“表3”的辅料成分及原料水分和“表4”微机显示的配比，计算出的八个石灰石生产成分序号1#2#3#4#5#6#7#8#SiO211.2811.0910.5310.8810.5911.1210.8510.25A12O32.302.202.242.212.162.322.222.04Fe2O31.141.101.041.221.041.121.121.15CaO45.6445.6946.0045.2945.8445.6145.6345.91表8 八个石灰石分析成分和八个石灰石生产成分的差值（表5中的石灰石成分减去表7中的石灰石成分）序号1#2#3#4#5#6#7#8#SiO20.560.530.540.560.550.550.550.57A12O30.140.140.140.130.150.140.140.13Fe2O30.080.090.100.090.090.100.070.10CaO-0.46-0.45-0.45-0.46-0.47-0.48-0.45-0.46从“表8”的数据可看出：在计量设备稳定的情况下，石灰石分析成分与生产成分的差值基本不变。在用石灰石和待用石灰石之间存在下列关系：（在用石灰石分析成分）（在用石灰石生产成分）（待用石灰石分析成分）（待用石灰石生产成分）4 联合控制法配料调整计算4.1 用石灰石生产成分进行的调整计算现在市场上有不少出磨生料调整计算软件，企业普遍反映不好用，还是采用凭经验进行调整的老方法。看了几种软件的接口，存在以下缺点：1）生料成分变化了，表明原料成分已经发生变化，还用以前的原料成分进行计算不合适；2）出磨生料通常连续取样，和出磨生料成分相对应的有调整前和调整后两组原料配比，计算时应使用这两组配比的加权平均值，不应该只使用当前配比；3）好多软件没有考虑到原料水分。影响生料化学成分变化的因素有三个方面：1）原料化学成分发生变化；2）原料的实际下料量发生变化；3）出磨生料的检验资料不准确（当出磨生料的检验资料不准确时，会起误导作用，严重影响生产控制，在后续文档中会提到如何判断检验数据的置信程度）。原料的实际下料量发生变化，一般是由于下料口杂物或大块物料堵塞、计量设备进行过调整和维修、计量设备不稳定所造成。下料口堵塞是人为事故，计量设备并不是经常调整和维修，而计量设备不稳定主要由电器元件性能决定，通常环境条件如温度、湿度、大气压变化易引起电器元件性能发生变化，使计量设备的原料实际下料量发生变化，但环境条件的变化是缓慢的，不可能产生突变，因此短时间内计量设备的性能基本稳定，原料的显示下料量与实际下料量之间只是一个系统误差，对生料化学成分变化影响不大，影响生料化学成分变化的主要因素是原料化学成分发生变化。生料中石灰石的配比是其它原料的几十倍，通过大量的配料计算证明:石灰石成分变化是影响生料KH变化的主要因素，由于石灰石的杂质主要是粘土质矿物，因此石灰石的SiO2与A12O3按一定比例同方向变化，其比值基本不变，原料成分变化对生料、影响不大（参看“表6”和“表10”的数据），生料、不符合要求，主要是辅助原料之间的配比不合适（有关内容和计算方法参见新型干法水泥配料计算与配料调整一文）。由于多种系统因素存在，造成用原料分析成分计算出的配比不合适，而石灰石生产成分符合实际生产中的对应关系，用石灰石生产成分进行调整计算比较有效，实际生产中的模拟调整计算如下：表9 原料的配比、水分和成分湿基配比水分SiO2A12O3Fe2O3CaO石灰石91.4110.89.822.100.8747.08石灰石91.4111.510.652.190.9246.18页岩4.1033.059.1519.179.041.07页岩4.1033.560.2618.089.350.88砂岩2.3582.581.639.853.010.31砂岩2.3582.080.3410.463.210.75硫酸渣2.12915.536.658.6441.653.19硫酸渣2.12914.037.748.1540.553.70假设配比不变，原料成分和水分由变成，变化前后的生料成分见下表。表10 变化前的生料成分和变化后的生料成分SiO2A12O3Fe2O3CaOKHNP生料成分13.9683.0871.99243.3380.9602.7501.550生料成分14.7933.1372.05342.4900.8832.8511.528根据辅料和生料计算出的石灰石生产成分为： SiO210.72 ；A12O32.15 ； Fe2O30.94 ；CaO46.16 ；可见和石灰石的数据非常接近。以生料为目标值，用石灰石生产成分、辅料成分调整计算得新湿基配比：石灰石：92.741% 页岩：4.428% 砂岩：0.899% 硫酸渣：1.933%表11 用新湿基配比、原料成分计算出的生料成分SiO2A12O3Fe2O3CaOKHNP生料成分13.8933.0571.97943.0810.9602.7591.545生料成分和生料成分的符合程度很好，足以证明：利用和出磨生料相对应的石灰石生产成分进行调整计算是最有效的方法，此法用于后置配料调整计算准确度很高，经试用效果很好，如果出磨生料三率值合格率不高，表明石灰石成分的变化幅度和频率很大，必须采用先检后用的联合控制法。4.2 联合控制法配料调整计算的方法和步骤假设出磨生料一个检验周期内有n个原料配比调整周期，则存在n个原料配比和n个石灰石分析成分，配料调整计算步骤如下： 1）计算出磨生料检验周期内n个在用石灰石分析成分和n个湿基原料配比的加权平均值； 2）将湿基加权平均配比换算成干基平均配比； 3）计算出和出磨生料相对应的在用石灰石生产成分； 4）计算出在用石灰石分析成分与生产成分之间的差值； 5）用此差值计算出待用石灰石生产成分； 6）用待用石灰石生产成分、辅料综合样成分、生料目标值，用代数法计算出待用石灰石的干基原料配比； 7）将干基原料配比换算成湿基原料配比。4.3 联合配料调整控制法模拟验证假设：“表4”的显示配比和实际配比的差值不变，生料目标值为：KH0.960 N2.750 P1.500；石灰石分析成分与生产成分的差值用“表8”中的平均值表示。计算方法和步骤如下：1）计算出“表8” 石灰石分析成分和生产成分差值的平均值；2）用差值的平均值将“表5”的石灰石分析成分换算成生产成分；3）用石灰石生产成分、“表3”中的辅料成分和原料水分、生料目标值计算出新的微机显示配比；4）用显示配比和实际配比的差值将新的微机显示配比换算成实际配比；5）用实际配比和“表5”中的原料成分及水分计算出调整后的生料成分，看一下和目标值的符合程度。表12 出磨生料综合样成分SiO2A12O3Fe2O3CaOKHNP生料成分13.8052.9222.04042.9790.9692.7821.432表13 石灰石分析成分与生产成分的差值SiO2A12O3Fe2O3CaO分析成分与生产成分的差值0.550.140.090.46表14 八个待用石灰石的生产成分序号1#2#3#4#5#6#7#8#SiO211.2911.0710.5210.8910.5911.1210.8510.27A12O32.302.202.242.202.172.322.222.03Fe2O31.131.101.051.221.041.131.111.16CaO45.6445.7046.0145.2945.8345.5945.6445.91表15 配料调整计算后得到的八个微机显示配比和换算后的原料实际配比微机的显示配比（湿基）原料的实际配比（湿基）石灰石页岩砂岩硫酸渣石灰石页岩砂岩硫酸渣1#93.9463.3870.8761.79094.0562.7870.5661.6902#93.5613.9450.7541.74094.5713.3540.4441.6403#92.8953.1931.9291.98393.9052.5931.6191.8834#93.7493.7901.0671.39494.7593.1900.7571.2945#92.9463.7351.4241.89693.9563.1351.1141.7966#93.8343.0761.2641.82794.8442.4760.9541.7277#93.4223.5951.2321.75194.4322.9550.9221.6518#92.6364.6151.3711.37793.6464.0151.0611.277表16 用“表15”中的实际配比、“表5”中的原料成分和水分计算出的生料成分SiO2A12O3Fe2O3CaOKHNP1#13.8983.0332.03143.1020.9612.7441.4942#13.8773.0182.01342.9940.9602.7581.4993#13.8823.0252.00842.9860.9592.7581.5074#13.7583.0131.99742.6550.9602.7461.5095#13.8263.0072.00442.8580.9612.7591.5016#13.8763.0242.01343.0170.9612.7541.5027#13.8433.0112.02842.8580.9592.7471.4858#13.7803.0211.98642.7490.9612.7521.521从“表16”中的数据可看出，调整后的八个生料三率值和生料目标值的符合程度很好。结论：如果微机的显示下料量与实际下料量以及石灰石和出磨生料的检验数据只是一个固定的系统偏差，那么石灰石分析成分和生产成分的差值基本不变，我们就可以通过检验待用石灰石的分析成分，来预测待用石灰石的生产成分，进一步确定待用石灰石的原料配比。5 联合控制法应用由于配料调整计算用的是待用石灰石的生产成分，因此，联合配料调整控制法的关键是保证两个准确性，即保证待用石灰石生产成分预测的准确性和待用石灰石具体使用时间的准确性。5.1 待用石灰石分析成分的检验5.1.1 检验目的及要求检验目的是提供调整周期内待用石灰石的分析成分，要求取样有代表性，允许稍有系统误差，但必须稳定，不允许有时正时负的大误差。检验速度要快，仪器要稳定，重复性好，短时间内不产生大的漂移。为了缩短时间，保证检验数据的代表性和稳定性，要求取样、制样、检验自动完成。如果由人工来完成也可以，不过能增大产生误差的机会。5.1.2 检验方法采用小型荧光分析仪，同时快速分析出SiO2、A12O3、Fe2O3、CaO的含量。如果采用中子活化分析仪，安装在石灰石库下皮带秤下面的传送带上，可取消取样和制样等过程，但要注意有一分钟的滞后时间。5.2 出磨生料化学成分的检验5.2.1 检验目的与要求检验出磨生料化学成分的目的有两个，一是根据出磨生料的化学成分来确定在用石灰石分析成分与生产成分的对应关系，再和待用石灰石的分析成分进行比较，预测出待用石灰石的生产成分，最后确定待用石灰石的原料配比。出磨生料检验的另一个目的，是对前期配料调整进行验证，看一下生料三率值是否符合要求。保证待用石灰石生产成分准确性的关键是三个稳定性，即：待用石灰石分析成分检验的稳定性、微机下料量的稳定性、出磨生料化学成分检验的稳定性，没必要保证数据十分准确，但要保证检验仪器和计量设备性能的相对稳定。出磨生料化学成分的检验周期一般为一个小时，这一小时内如果保证了三个稳定性，出磨生料三率值肯定符合要求，不符合要求，则表明石灰石分析成分和生产成分之间的对应关系发生了改变，检验仪器或计量设备漂移，或者待用石灰石的使用时间没掌握好。所以，每一次出磨生料检验，都要确定一个新的石灰石生产成分，提供一个新的对应关系。每一次调整都要用最新的对应关系计算，防止时间长了，检验仪器或计量设备产生了大的漂移，引起石灰石分析成分和生产成分之间的对应关系发生了大的改变。5.2.2 取样方法出磨生料必须连续取样，制样时必须混合均匀，如取瞬时样或混合不均匀，将影响石灰石生产成分计算的准确度，保证不了石灰石分析成分和生产成分之间对应关系的准确性。最好将自动取样器和配料调整控制系统联机，可准确掌握和出磨生料相对应的原料配比。5.2.3 检验方法采用大型荧光仪检验，要保证实验室的环境条件，加强仪器设备的保养和维护，严格操作规程，保证检验数据的稳定性。如果经常调整仪器的化学偏差，会影响在用石灰石分析成分和生产成分之间的对应关系，日常对比检验中，要注重熟料的对比，仪器的生料检验数据到底是多少并不重要，能满足熟料三率值要求即可。5.3 待用石灰石使用时间的控制正确掌握待用石灰石使用时间，可采用控制石灰石仓料料位高度和设计石灰石小料仓两种方法。5.3.1 控制石灰石料仓料位高度法控制石灰石料仓料位高度法的要求及特点：1）石灰石的取料和使用必须同步进行，否则待用石灰石和在用石灰石在料仓内容易混合，当石灰石停止取料而库底照常拉料时，石灰石在仓内易出现颗粒分级现象，使出磨生料化学成分不稳定。2）即使控制好了石灰石料仓的料位高度，待用石灰石的使用时间也难以准确掌握。3）由于石灰石的取料和使用必须同步进行，当一方出现故障时另一方必须停止工作，不灵活。4）无需进行太大的设备改造，可使用以前的旧料仓，投资比较低。5.3.2 设计石灰石小料仓法此法是将现有的石灰石料仓分隔成三个等截面积的小料仓，一个在使用，另一个呈待用，还有一个在进料。一个小料仓取一个石灰石综合样，对应一个石灰石分析成分，使用一个原料配比，进行一次出磨生料综合样检验。石灰石小料仓的设计容量约供使用一小时左右，出磨生料的取样时间等于换仓时间加上粉磨系统的存料时间（如果粉磨系统的存料时间为10分钟，石灰石小料仓8：00开始使用，那么生料应该从8：10开始取样），打破了传统的固定取样时间。此法具有以下特