機器人清理預熱器冷態結皮方案設計

師華東，柴俊峰，王 凱，趙 虎

（1.中信重工機械股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.洛陽礦山機械工程設計研究院，河南 洛陽 471039）

0 引言

預熱器能夠大幅度降低水泥生產的能耗，提高水泥熟料的質量，經過40多年的發展，預熱器系統技術取得了巨大的進步，但是預熱器結皮工藝故障依然存在，無法徹底解決。國內好多水泥企業，特別是原燃料來源不穩定或者氯硫堿等雜質含量比較多，就會導致預熱器嚴重結皮，人工清理頻繁，不利于水泥企業的穩定生產[1]。

預熱器結皮清理分為熱態清理和冷態清理。熱態清理是在不停窯的情況下在線結皮清理，比如在預熱器上安裝空氣炮，但是空氣炮也有其自身局限性，它只能打安裝位置附近的結皮，如果結皮嚴重，空氣炮是打不掉的。如果結皮嚴重，需要人穿高溫服拿高壓水槍，通過高壓水在高溫下體積急劇膨脹產生氣爆，來打掉結皮。冷態清理是在水泥廠停窯檢修期間，通過吊籃下放工人的方法清理結皮。隨著行業對安全、環保要求的不斷提高，機器代人的需求在不斷加強。本文通過工業機器人取代人，來探討工業機器人在水泥廠預熱器冷態結皮中應用的可行性。

1 預熱器結皮形成的主要原因

預熱器結皮形成的主要原因有：有害組份循環富集特別是氯硫堿有害元素的循環富集；局部溫度過高，導致液相量的出現；預熱器漏風，導致結皮的形成；喂煤計量系統下料不穩，即喂煤不均勻，從而易造成系統煅燒匹配失調，也易造成預熱器系統粘堵。預熱器結皮的主要表現為：系統阻力增加，通風不好；壓力、溫度異常。預熱器結皮發生的主要部位在：入窯斜坡、窯尾煙室、分解爐、下料管等處。

預熱器結皮清理目前存在的主要問題是人員的安全問題和人員的勞動強度過大，環保及職業健康等，這和預熱器的結構是有直接關系的。預熱器是水泥燒成系統的核心設備，由于其是高溫設備，人員在維護預熱器時，經常發生燙傷事故，在預熱器結皮清理過程中還發生過人員傷亡事故。在水泥廠停窯檢修期間，冷態清理同樣也存在很多問題。比如：吊人施工人員的安全問題，職業健康問題等等。預熱器的維護已經成為行業發展的一個痛點。通過工業機器人取代人工實現安全生產，減輕工人的勞動強度，是行業未來發展的趨勢。

2 用于預熱器冷態結皮清理的可行性分析

工業機器人是面向工業領域的多自由度的機器裝置，它能自動執行工作，是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。工業機器人由主體、驅動系統和控制系統三個基本部分組成。工業機器人在水泥行業的應用還比較少，隨著行業的發展，特別是對智能化的要求越來越高，針對特種作業環境下的需求被提上日程。

2.1 現有預熱器冷態結皮清理方法介紹

在水泥窯停窯檢修期間，如果水泥廠有預熱器維護的需求，就會請施工企業進行預熱器結皮清理。其施工的方法為：在預熱器鵝頸管上打吊裝孔，在鋼平臺上打卷揚機構下放鋼絲繩的孔，通過預熱器檢修門放入吊籃。人站在吊籃上通過手持電鎬進行結皮清理。可以進行人工清理的部位有分解爐、窯尾煙室、入窯斜坡。人工操作存在以下缺點：（1）安全問題：吊籃施工屬于高空作業存在安全風險。（2）職業健康問題：人拿電鎬在預熱器中清理結皮，會產生大量粉塵危害人員身體健康。同時預熱器內空氣流通不好，在夏季施工，容易中暑。（3）勞動強度問題：人工操作，工人勞動強度比較大。

2.2 工業機器人方案設計介紹

工業機器人設備結構原理見圖1。該設備主要由卷揚機、滑輪組、電控箱、框架、液壓缸、車輪、液壓站、回轉體、大機械臂、小機械臂、電錘組成。通過卷揚機和滑輪組實現機器人的上下移動。通過框架上四個帶液壓缸的支撐臂實現機器人的姿態調整。通過液壓機械臂上的電錘對結皮進行清理。支撐臂豎直伸直能實現從650mm×650mm檢修孔進入。回轉體能實現左60°右60°回轉，實現4m寬的清理范圍。

圖1 設備結構及工作狀態示意圖

機器人控制原理圖見圖2，在機器人框架上設置照明系統和攝像頭，將畫面傳回遠程工作站，人通過遙控器遠程操作機器人。

圖2 控制原理示意圖

工作范圍及應用場景見圖3，機器人適合于分解爐、煙室、入窯斜坡的清理，不適合于下料管、彎管的清理。機器人需要在豎直管道或者在稍微傾斜的大空間工作。

圖3 工作區域及場景示意圖

2.3 工業機器人與現有方法的優缺點對比

工業機器人和傳統方法的優缺點對比見表1。由表1可見，人工清理費時費力，工作環境差，還存在安全風險。工業機器人清理結皮，能夠解決人工清結皮的缺點。但是技術不夠成熟，水泥行業的裝備制造企業，還沒深入涉及這一方面的研究，其產品價格肯定也是比較貴的。智能化是水泥行業的發展趨勢，隨著時間的推移相信越來越多的工業機器人會應用于水泥廠。

表1 結皮清理方式對比評價表

3 小結

隨著國家和行業對智能化的支持力度加大，越來越多的水泥廠加入到智能化的建設之中。為工業機器人在水泥廠推廣應用提供了發展機會。結皮清理是有些水泥廠預熱器維護的難點，不管是熱態在線清理，還是冷態清理，都存在安全環保的問題。用工業機器人對預熱器維護是一個新的研究方向。本文通過介紹工業機器人用于預熱器維護的方案設計，為水泥裝備制造企業提供一種新的研究思路，以供同行參考。