水泥生產智能化質量控制系統的應用實踐

王濤 肖家發 陳波 張慶華 張群利

（1.上海美諾?？萍加邢薰?，上海 201900；2.中國國檢測試控股集團股份有限公司，北京 100024）

國家“十四五”規劃中明確提出，要推動互聯網、大數據、人工智能等同各產業深度融合，推動先進制造業集群發展；系統布局新型基礎設施，加快第五代移動通信、工業互聯網、大數據中心等建設；推動傳統產業高端化、智能化、綠色化。在此背景下，《質量強國建設綱要》的發布、《建材工業“十四五”發展實施意見》的提出[1]、中國建筑材料聯合會“六零”示范工廠等概念提出，催生建材行業產業變革，新的機遇和挑戰并存[2]。當前，我國水泥行業正處于新舊動能更迭的關鍵階段，自動化、智能化和信息化水平參差不齊，亟須采用貼合生產工藝的智能化和信息化技術，推動生產管理從局部、粗放向全流程、精細化和綠色低碳發展方向變革[3]?；谛畔底旨夹g的智能化水泥工廠，正作為智能制造的重要組成部分[4]，助力產業轉型升級，推動建材行業邁進工業4.0 時代。

現階段，建材行業普遍存在產品質量不穩定、能源消耗高等問題，傳統實驗室檢測存在人工操作煩瑣、檢測結果波動大、效率低下等缺陷，難以滿足現代工業生產對質量監控的嚴格要求。因此，智能化實驗室應運而生。目前，國內各大水泥集團為了在新一輪工業革命中搶占先機，提高行業競爭力[5]，積極謀劃布局工廠質量控制智能化戰略：全椒海螺通過全工藝智能化再造，打造工業能耗智慧“大腦”；銅川冀東萬噸級水泥生產線配置了智能化實驗室及出廠水泥智能化管理系統；中建材利用數字化、智能化手段升級改造法國MK3 生產線等。這些項目的實施不僅可以提高生產效率、降低能耗和生產成本，還可以提高產品質量和企業競爭力[6]，為企業的可持續發展注入新的動力。

智能化實驗室是信息化、數字化發展的重要環節，更是行業高質量發展的需求所在[7]。水泥“兩磨一燒”生產工藝由最初的樣品自動采集、自動傳輸發展至今已實現了質量控制技術領域的多重突破[8]，其中既包括生產流程上的自動取樣、自動輸送至檢化驗室，也包括從模塊上的檢測工藝設計、檢測裝備制造與系統集成，更涵蓋保障設備運行安全的自我診斷和遠程故障運維等功能[9]，真正做到了無人化、智能化。據統計，改造后的智能化實驗室在單條日產5000～10000t 生產線上的價值最為顯著[10-11]，且在檢測時間大幅縮短的同時，能夠有效實現水泥全流程質量在線檢測與優化控制，保障了生產穩定性、質量準確性和效益最大化。

本文將首先介紹天水祁連山水泥工廠智能化實驗室應用情況，包括智能化工作模塊和質量控制流程在該工廠的應用情況，并針對水泥生產中常用指標——三率值、游離氧化鈣以及檢測效率，將智能化系統與傳統人工實驗對比，以驗證該系統運行可靠性、分析準確性和效率提升作用，為企業及科研院所提供技術支持和裝備應用，助力建材行業全流程工業實現智能化生產。

一、水泥生產智能化質量控制系統設計

本文以天水祁連山水泥工廠實驗室提質升級項目為例，結合流程工業智能化實驗室質量控制成功經驗，全面介紹了在建的水泥智能化實驗室系統。該套系統涵蓋物料取送樣系統、檢化驗分析系統、無人化存樣系統及生產控制系統等，將自動取送樣、AGV 無人導航運輸、RFID 信息編碼、視覺識別、智能化樣品管理等新技術結合起來，提升了智能化實驗室技術水平，并對配套裝備進行了創新，減少了出廠水泥的質量糾紛，填補了水泥行業的多項國際空白，成為我國水泥行業功能實現、流程覆蓋最完整、最全面的智能化實驗室之一，取得了良好的應用效果，受到行業廣泛關注。

珠江水運：“平安西江”行動開展時提出了要打造水上安全命運共同體，此后一直提倡“共建”的概念，請問一年多的時間里，各方如何共建？

（一）生產環節質量控制系統

按照質量管理規定設定取樣周期及時間，通過螺桿、氣動取樣器、仿真臂式等取樣器多手段取樣，實現了原材料、過程物料（生料、熟料、水泥）及煤粉等物料的實時勻速取樣、均化、混合、縮分并裝入樣盒，隨后通過自動發送站管將其道輸送至中心實驗室。該方式涵蓋生產各環節物料取送樣工作[12]。

中心實驗室以自動化、信息化為核心手段，對接收系統、分樣留樣系統、自動研磨壓片、MLD 熔片系統、中控分析系統及附屬設備進行布局。接收站接收管道發送來的“炮彈”樣盒，通過機械手自動取出，送入樣盒操作站進行開蓋、倒料、分料、清掃及合蓋等一系列操作，將合好蓋的樣盒送回接收站，自動發送到現場繼續取樣。之后，根據樣品檢化驗內容，機械手進行樣品識別后，分別送入研磨壓片制樣系統、MLD 熔片制樣系統進行樣品制備，所制得的壓片和玻璃熔片樣被自動送入熒光儀進行X射線熒光分析。此外，還配備質量管理軟件系統，對接窯/磨專家系統、中子跨帶配料系統、原煤自動采樣檢測等質量控制軟件，用于全流程生產環節監控、數據采集管理、遠程診斷及自診斷，全面實現水泥工廠生產控制可視化在線檢測，提高生產質量控制水平。

（二）MLD 法自動熔片系統

X-射線熒光檢測是水泥工廠較為常見的檢化驗手段，傳統多采用研磨壓片法制樣。該制樣方式簡單、速度快，但準確度不足，特別是涉及原材料種類增多及礦物成分改變導致的顆粒效應及礦物效應時，會出現較大偏差[13]；熔融法制樣檢測精度高（達到0.001 級別），能夠有效克服顆粒效應和礦物效應[14]，但存在熔片煩瑣、高溫操作（980～1200℃）、傳統熔樣慢（18～25min）、制樣效率低等特點。

針對熔融法制樣痛點，結合MLD 法（具備無須制備系列校準樣品、無須固定熔劑與試樣比例等優勢[15-16]），實現機械手自動取樣和物料稱量，并使用高頻感應方式大幅縮短高溫熔樣時間[17]。該套自主研發的基于MLD 法的熔片制備系統兼具自動清洗及廢液處理等功能，可實現無人化自動制樣、精確檢測及數據上傳分析等，實現對水泥礦渣等原材料和生料、熟料等過程物料元素組分的精確定量，能夠較好地滿足生產車間對水泥生產環節質量把控的要求，也將助力建材企業向著“六零”工廠目標邁進。

（三）出廠水泥智能化管理系統

項目配套設計的出廠水泥智能化管理系統通過AGV 無人導航技術、RFID 芯片編碼系統、料箱機器人應用等手段，實現LIMS 系統與發運系統的結合，達成自動取樣、包裝、封存及存樣室布置，并可進行成品樣品的收取以及相關的物檢實驗。目前，天水祁連山水泥出廠水泥智能化管理系統的故障率≤3%，每批號取樣量≥20kg，實現了出廠水泥無人化輸送，機器人放置樣桶準確度≥98%，儲樣室系統樣品識別準確率≥98%，存樣柜樣桶位≥500 個，存樣量滿足實驗室要求≥3 個月。

二、水泥生產智能化質量控制系統驗證測試

水泥智能化實驗室系統實現了水泥從原材料生產至成品出廠全流程不間斷的物料取樣、輸送、檢測、數據分析到生產配料調整、燒成條件調整，達到最優配置，實現質量數據準確性、穩定性及檢測頻次的倍數增長。其中，石灰飽和系數（KH）等三率值指標合格率大幅提高，穩定準確的生產配料保證了原材料和成品質量的穩定性。

（一）熟料三率值指標

水泥生產過程通常用石灰飽和系數（KH）、硅率（SM）、鋁率（IM）三個率值來調控配料與生產[18]。其中，KH 指熟料中氧化硅被CaO飽和形成C3S 的程度。SM 是指水泥熟料中SiO2與（Al2O3+Fe2O3）的比值，即熟料中硅酸鹽礦物與熔劑礦物的比例；IM 表示熟料熔劑礦物中C3A 與C4AF 的比例。三率值指標相互制約，對水泥熟料煅燒（配料方案、煅燒條件、礦物生成、液相黏度等）和水泥的性能都有顯著影響[19]，因此廠家應實時監測和調配。選取該水泥工廠智能化系統自動檢測的熟料三率值數據與工廠人工數據進行跟蹤對比，結果如圖1 所示。兩者檢測結果基本一致，差異控制在允許范圍內，證明該套智能化實驗室系統運行良好，檢測數據正常。

圖1 智能化系統自動檢測的熟料三率值數據與人工數據的對比

（二）游離氧化鈣指標

當配料方案不當、生料過粗或煅燒不良時，熟料中就會出現沒有被吸收的、以游離狀態存在的氧化鈣，稱為游離氧化鈣（f-CaO）。該組分過多，可能會造成水泥石硬化后期的局部膨脹應力，直接導致水泥強度降低，甚至出現強度倒縮，進而引起安定性不良，最終導致水泥制品變形或破壞[20]。為此，在回轉窯熟料生產過程中應嚴格控制游離氧化鈣的含量。圖2 為采用智能化實驗室系統自動檢測的與人工日生產和月生產數據對比結果，可以看出，該套系統自動檢測數據與人工數據曲線趨勢基本擬合，測試結果正常，可以作為工廠質量控制方法，較好地指導生產。

圖2 f-CaO 自動檢測與人工數據對比

（三）檢測效率對比情況

表1 為智能化實驗室系統檢測效率與人工檢測效率的對比?？梢悦黠@看出，采用全流程智能化實驗室系統，所有物料的檢驗頻次均提高約1 倍，同時明顯縮短了取樣、制樣和分析所需時間，使工廠檢化驗效率得到明顯提升。

表1 智能化實驗室系統的檢測效率與人工檢測效率的對比

表2 為天水祁連山水泥智能化實驗室系統投入前后主要過程控制指標的對比情況。由表2可以看出，智能化實驗室投入使用后，主要過程控制指標明顯提升，生料和熟料KH 合格率分別提升了11.52%、12.84%，熟料強度提升明顯（28d 提升2.4MPa），混合材添加量提升作用明顯（6.38%），過程質量控制預見性顯著增強，產品質量穩定性進一步提高。

表2 智能化實驗室投入前后主要過程控制指標的對比情況

表3 為該智能實驗室系統投產前后，該工廠主要經濟效益變化對比。由表3 可以看出，投產后工廠質量部減少員工4 人，直接減少人員工資26 萬元/年；混合材摻量較投產前提升4.75%，按照年產水泥140 萬噸計算，可節約成本605.2 萬元左右（熟料成本按照191 元/t 計算，粉煤灰按照100 元/t 計算，不含智能實驗室對過程控制預見性提高所帶來的煤電消耗下降和臺時提升）。該項目水泥工廠直接投資1760 余萬元（含土建），僅以上兩項每年可節約資金631.2 萬元，預計2.8 年可收回全部投資，投資收益良好。

表3 智能化實驗室系統投入前后主要經濟效益變化情況（以P.O42.5 水泥為例）

三、研究結論及建議

當前，以水泥行業為代表的整個建材行業面臨產能過剩的問題，國家對產業產能的調控政策加嚴。在政策牽引和市場競爭的雙重因素影響下，企業的生產壓力不斷上升，建材行業的智能制造數字化轉型已經迫在眉睫。水泥智能化實驗室系統是水泥行業技術進步的重要方向之一，對提高水泥產品質量、降低生產成本、提升生產效率具有重要意義。本文詳細介紹了全流程智能化實驗室系統在水泥工廠的應用，并通過整套系統投產前后的驗證對比，有效驗證了智能化實驗室系統的穩定性和檢測準確度。該系統有利于減少繁重人工操作，提高檢化驗工作效率。以下結合水泥智能化實驗室的建設與優化，給予行業企業和從業人員一些普適性的建議。

一是建立實時采集質量調控模式，監測和提升產品質量。水泥工廠智能化實驗室系統實現了水泥從原材料、生產過程至成品出廠全流程不間斷的物料取樣、輸送、檢測、數據分析、實時采集，確保了各生產環節物料數據的準確性和可靠性，從而指導生產配料、燒成條件，以達到最優配置。

二是檢測實驗室變革作業模式，提高自動化水平，降低安全風險。水泥智能化實驗室項目實施后將顯著提高水泥檢測效率，減少人工繁重操作，質量控制人員可減少60%以上，實現全自動標準化作業；同時，自動制樣方式變革，消除了濕法化學檢測的要求，減少大量化學試劑的使用和廢液處理成本；符合標準的檢測數據將推動建筑行業創新發展，為建筑材料檢測領域帶來革命性變革。

三是科技制造企業加大科研投入，勇于研發首臺（套）技術，打破國外行業壟斷。制造業是立國之本、強國之基。智能化實驗室系統的建設不僅可以提高產品質量和生產效率，還可以降低能源消耗和人工成本，如研磨壓片、MLD 法自動熔片等設備實現行業首創技術。初期經濟成本較進口設備降低約50%，如果推廣30～40 條線，可實現節省成本3 億～4 億元。這必將助力建材行業實現降本增效、轉型升級的發展目標。

四是全行業形成示范引領，有利于降低能源消耗，助力“雙碳”目標實現。面對風起云涌的新一輪科技革命浪潮，圍繞國家和行業重大戰略亟需，建材行業要勇于以智能制造賦能行業高質量發展，開展一批前瞻性、原創性、顛覆性的科技攻關，推動基礎建材業務向高端化、智能化、綠色化發展。如水泥生產過程中穩定的生料輸入可以有效降低能源消耗，特別是石灰石分解和煤燃燒產生的二氧化碳，這將助力國家“雙碳”目標的實現。