燒結混合料粒度及水分檢測系統的研究與實現

曾小信，李宗平，過宇晟

（中冶長天國際工程有限責任公司，湖南長沙 410007）

燒結混合料的粒度和水分是影響燒結礦產質量、能源消耗、污染物排放的關鍵參數。燒結生產過程中，混合料的粒度分布將直接影響燒結料層的透氣性，而提高燒結機料層的透氣性，可使礦料受熱更加均勻，從而提高燒結礦的質量和產量［1-2］?；旌狭狭６冗^小時，物料與物料間的間隙過小而導致燒結料層透氣性變差，風量分布和熱量傳遞不均勻，不僅不利于燒結礦物理指標的穩定和改善，還會導致燒結礦粉率升高，強度降低，燒結電耗升高?；旌狭狭６冗^大時，物料的間隙過大，而燒結時間有限，料層未能燒透，容易惡化燒結生產。因此控制混合料粒度是提高燒結料層透氣性的關鍵因素［3］。燒結混合料的水分含量是影響混合料制粒效果的重要因素之一，不同的原料結構和粒度尺寸要求的混合料水分含量不同?；旌狭纤诌^低會導致混合料細粒級含量增多，混合料粒度組成變差，最終影響料層透氣性、燒結礦質量；而混合料水分過高，一方面會增加燒結過程水分蒸發消耗的熱量，另一方面影響制粒效果，導致混合料粒度組成變差，增大燒結工序能耗［4-6］。

因生產環境復雜、粒徑分布范圍寬、物料堆疊等因素，實現混合料粒度和水分的在線準確檢測一直是燒結生產過程控制的世界性難點。目前，國內外沒有能夠同時實現混合料粒度和水分的在線檢測系統，基本上都是依靠人工獲取混合料樣本，人工篩分的方法獲取混合料的粒度組成。人工篩分法由于受人為因素影響，其混合料粒度組成篩分結果波動較大。為此，本文通過研制一套燒結混合料粒度及水分檢測機器人系統，系統融合智能取樣、微波干燥、機器人系統集成、自動高效篩分等核心技術，以期為燒結過程智能控制模型提供一定的借鑒與參考。

1 系統介紹

燒結混合料粒度組成及水分檢測機器人系統，以工業機器人為主體，集成了智能取樣縮分，微波智能干燥，自動篩分、自動稱重、液氮定型等技術，實現不同工況條件原燃料粒度組成的在線無人化快速檢測。系統采用皮帶中部采樣器從混合料膠帶機上獲取具有代表性的檢測樣本，利用微波快速干燥，通過在線稱重裝置獲取到物料樣本干燥前后的質量，然后精確計算出物料樣本水分值，利用液氮裝置實現混合料篩分前的冷凍定型，利用多層智能篩分機對混合料進行振動篩分，稱量不同孔徑（篩盤孔徑分別為3、5、8 mm）篩盤的質量，最后計算出混合料的粒度組成。該系統有效地保證了樣本的代表性與數據的準確性，顯著縮短檢測周期，大幅提升重復精度，為輔助燒結智能優化決策提供準確、及時、可靠的重要基礎數據。

2 系統整體設計方案

系統由智能取樣設備、機器人檢測主機兩大部分組成，其中智能取樣設備包括皮帶中部采樣器、縮分進料皮帶、棄料皮帶及鏈式斗提機組成；機器人檢測主機包括機器人本體設備、微波干燥設備、多層智能篩分設備、一體化稱重設備、液氮浸泡裝置、定質量取樣及清掃裝置等，機器人檢測主機三維如圖1所示。

圖1 機器人檢測主機三維

燒結混合料粒度及水分檢測機器人系統現場布置如圖2所示。皮帶中部采樣器架設在混合料的膠帶機上，系統通過周期性地控制采樣器內的采樣頭刮掃物料橫斷面來獲取混合料檢測樣品。檢測完的混合料樣本通過棄料皮帶和棄料斗提機返回到混合料的膠帶機處，以避免混合料的浪費。

圖2 機器人系統現場布置

3 控制系統設計

3.1 控制系統結構設計

控制系統對各個單體設備進行模塊化配置，其網絡結構如圖3所示。主控制器（programmable logic controller，PLC）通過網絡通信方式連接其他設備，以及通過IO模塊連接電氣元器件，各部分協調完成各自功能，從而完成系統的粒度及水分檢測功能。PLC通過Profinet通訊協議連接機器人控制柜、微波設備和取樣設備的控制系統，以及通過OPC通訊協議連接上位機，以實現與上位機控制程序的數據交互。

圖3 控制系統網絡結構

PLC通過數字量輸出模塊（DO模塊）連接電磁閥，控制電磁閥的打開或者關閉，實現氣缸的動作；通過數字量輸入模塊（DI模塊）連接接近開關，接近開關用于判斷篩分盤或者托盤是否到位、篩分機原點及極限位信號。主控PLC通過脈沖方式控制伺服驅動器，主控PLC通過以太網與觸摸屏連接。

3.2 控制系統流程

整個檢測系統工作流程分為混合料粒度組成檢測和混合料水分檢測，兩個檢測工作流程可以同時進行，互不干擾。

3.2.1 混合料粒度組成檢測工作流程

混合料的粒度組成檢測流程如圖4所示。取樣裝置獲取混合料樣本，機器人利用接料盤接取混合料樣本放入液氮噴灑裝置內進行液氮噴灑。液氮噴灑完畢，機器人再把冷凍固化混合料倒入篩分機中進行篩分。篩分一定時間后，機器人分別把各個不同粒徑篩網從篩分機取出，放到稱重平臺上進行稱重，并記錄各個粒徑的篩網連同混合料的質量（Wti）?；旌狭虾Y分前，系統先將各個粒徑的空篩網進行稱重，記錄為Wki。根據Wti和Wki計算出各個粒徑的混合料質量，從而獲取到混合料的粒度組成分布。對各個篩網連同混合料稱重完畢后，將篩網放到定體積取樣及清掃箱內，利用清掃裝置清掃干凈。對清掃后的篩網進行稱重，記錄為Wki，之后放入振動篩分機內。至此，一個完整的混合料的粒度組成檢測流程結束。

圖4 粒度組成檢測流程

3.2.2 混合料水分檢測工作流程

混合料水分檢測流程如圖5所示。機器人將接料盤中的物料倒入微波干燥盤中，再利用刮桿將干燥盤內的物料刮平。系統開啟微波腔門后，機器人把盛料的干燥盤放入微波腔內進行干燥，并通過微波腔內的稱重平臺獲取干燥盤的質量，記為W1（g）。系統通過檢測干燥盤的失重速率確認是否干燥完畢，當該值小于閾值，則認為干燥完畢，閾值設為0.001～0.010 g/s，優選0.005 g/s。系統記錄干燥后的盛料盤質量為W2（g），干燥盤空盤質量為W0（g），此時可以計算出物料的水分值Wd（g），計算公式如下。

圖5 水分檢測流程

將干燥后的混合料連同干燥盤送入清掃箱內，先倒掉混合料樣本，再啟動清掃電機清掃干燥盤，最后將干凈的干燥盤放到（初始位置）干燥盤托架上。至此，一個完整的混合料水分檢測流程結束。

4 控制機構設計

4.1 機器人夾具與本體

檢測系統采用KUKA機器人，型號為KR10 R900，具有6個轉動自由度，其最大工作載荷為10 kg，最大工作范圍為900 mm，重復位置精度為±0.03 mm。機器人作業范圍如圖6所示。

圖6 KR10 R900機器人工作范圍示意mm

機器人夾具系統（圖7）包括兩個夾具，其中一個由強力夾緊氣缸結構、夾具定位銷和夾爪組成，用于干燥盤、篩盤的夾??；另一個由機械夾氣缸結構、夾具定位銷和夾爪組成，用于臨時物料托盤夾取。兩個夾緊氣缸安裝在同一個夾具固定板上，并與機器人法蘭末端固定連接。夾具系統采用氣動方式進行驅動。

圖7 機器人末端夾具系統

4.2 多層智能篩分機

多層智能篩分機主要包含篩分機本體（圖8）和往復機構（圖9）兩個部分。篩分機本體主要包含進料斗、隔板、光軸、氣缸、篩盤和無油襯套。待篩分的物料由進料斗進入篩分機本體中進行篩分。隔板用于放置篩盤，氣缸用于帶動隔板上下運動，系統包括多個不同孔徑的篩盤，用于篩分物料；往復機構實現篩網的直線篩分動作，其頻率和振動幅度可調。

圖8 篩分機本體

圖9 往復機構

5 試驗結果及分析

2021年6月，燒結混合料粒度組成及水分檢測機器人系統在寶鋼湛江某燒結廠正式投入使用。為評判系統的檢測精度，對實際運行過程中的系統檢測數據與人工檢測的數據進行對比分析。獲取兩份同一時刻、同一位置的混合料樣品，其中一份用于系統檢測，一份用于人工烘干或者人工篩分。根據兩者的水分值的絕對誤差來評判系統的水分檢測精度和穩定性。水分檢測值數據對比結果如表1所示。由表1可知：5個樣品的水分檢測值誤差都小于0.2%，滿足系統水分誤差＜0.2%的控制要求。同理，混合料粒度組成檢測數據對比結果如表2所示。由表2可知：3個樣品的累計誤差分別為3.83%、4.87%、2.73%，均小于5%，符合系統的粒徑檢測精度控制要求（＜5%）。

表1 系統水分檢測值對比

表2 系統粒徑檢測值對比

6 結 語

本文詳細介紹了燒結混合料粒度組成及水分檢測機器人系統的結構組成、檢測流程及控制網絡結構、系統關鍵機構部件。利用該系統可以實現燒結混合料粒度及水分的在線檢測，為二次圓筒混合機的混合料制粒提供實時反饋值，實現了混合料制粒過程的閉環控制；同時，水分檢測值為混合機加水控制模型提供了反饋參數，通過合理控制混合料的水分值和粒度值，提高燒結礦的質量和產量。在某鋼廠的實際應用表明，該系統檢測精度滿足燒結過程控制模型的精度要求。為實現混合機加水的實時精準控制，下一步應重點研究提高系統水分檢測的準確度和實時性。