金屬尾礦智能化綜合利用生產(chǎn)研究

黃海鵬，楊 曉，李文娟，崔秀琴，劉紀(jì)峰 ，高 浩，邱春龍 ，劉建平

（1.廈門(mén)理工學(xué)院a.機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院；b.廈門(mén)市智能制造高端裝備研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門(mén)361024；2.廈門(mén)兌泰環(huán)保科技有限公司，福建廈門(mén)361024；3.三明學(xué)院a.建筑工程學(xué)院；b.工程材料與結(jié)構(gòu)加固福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.機(jī)電工程學(xué)院，福建三明365004；4.福建德耀建設(shè)有限公司，福建石獅362700；5.福建建利達(dá)工程技術(shù)有限公司，福建泉州362100）

我國(guó)金屬尾礦的綜合利用一直是深受礦業(yè)領(lǐng)域的問(wèn)題。有的金屬尾礦多為非活性尾礦，主要作為非活性材料用于生產(chǎn)玻璃制品、耐火材料、陶瓷制品、無(wú)機(jī)人造大理石等，往往具有質(zhì)量不穩(wěn)定、成本過(guò)高、工藝煩瑣、易產(chǎn)生二次污染等各種缺陷，利用價(jià)值較低[3]，這使尾礦真正的價(jià)值沒(méi)能得到充分體現(xiàn)。針對(duì)上述問(wèn)題，本文研究了金屬尾礦智能化綜合利用生產(chǎn)工藝以及生產(chǎn)裝備，通過(guò)將尾礦充分細(xì)化、活化，提高尾礦活性，生產(chǎn)出尾礦微粉，廣泛應(yīng)用于制備水泥活性摻合料、干混砂漿和充填膠，大幅提高尾礦利用率，使尾礦得到高效、綜合利用。

1 尾礦高效綜合利用生產(chǎn)工藝

尾礦通過(guò)烘磨選一體機(jī)完成細(xì)化，部分與干混砂漿母料和充填膠母料分別混合穩(wěn)料，然后通過(guò)三個(gè)活化倉(cāng)完成活化，最后產(chǎn)出尾礦微粉、干混砂漿、充填膠三種產(chǎn)品。通過(guò)烘磨選一體機(jī)，對(duì)物料進(jìn)行高、低頻疊加振動(dòng)研磨，大幅提升研磨效率，最大程度提升了微粉的比表面積；在高、低頻疊加振動(dòng)狀態(tài)下同時(shí)采用微波活化系統(tǒng)對(duì)混合物料進(jìn)行活化處理，使物料能夠均勻吸附活化劑，使物料得到充分活化。對(duì)尾礦中的中砂、細(xì)砂進(jìn)行分離處理，能夠剔除硬度較大的硅酸鹽成分，使含有Ca、Mg等成分的物料能夠在烘磨選階段研磨成尾礦微粉；將分離出的粒度較大的中砂、細(xì)砂作為骨料與尾礦微粉混合制得干混砂漿成品，同時(shí)還生產(chǎn)得到充填膠結(jié)料成品，使尾礦的全部成分都得到充分且合理地利用。工藝集尾礦微粉、干混砂漿和充填膠結(jié)料生產(chǎn)于一條生產(chǎn)線，最大程度利用了尾礦，既解決了尾礦的利用難題，又降低了干混砂漿、充填膠結(jié)料等建筑材料的生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，降低了能耗。

2 智能化綜合利用生產(chǎn)

2.1 智能化生產(chǎn)車(chē)間

尾礦的綜合利用通過(guò)智能生產(chǎn)裝備與生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)。尾礦智能化綜合利用生產(chǎn)車(chē)間主要包含三大區(qū)域：原料區(qū)、生產(chǎn)區(qū)、成品區(qū)，以及相關(guān)的水電氣等能源供給設(shè)施。原料區(qū)儲(chǔ)存尾礦渣，生產(chǎn)區(qū)完成尾礦的細(xì)化與活化，成品區(qū)完成成品的儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)運(yùn)。各區(qū)之間的物料傳輸采用負(fù)壓氣力傳輸。該負(fù)壓氣力傳輸系統(tǒng)主要包括料倉(cāng)、旋轉(zhuǎn)下料閥、氣固混合加速室、進(jìn)料口、進(jìn)氣口、噴料口、輸送管道、噴射充填裝置等。氣固混合加速室將來(lái)自進(jìn)料口的尾礦與來(lái)自進(jìn)氣口的氣體混合加速后，通過(guò)噴料口以及輸送管道輸送到噴射充填裝置。在整個(gè)車(chē)間中設(shè)置多傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)，自感知車(chē)間工作狀態(tài)信息（如能耗、產(chǎn)量、庫(kù)存、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)），并通過(guò)SCADA系統(tǒng)傳遞到智能生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES），通過(guò)自學(xué)習(xí)、自診斷、自決策來(lái)反饋控制車(chē)間的整體運(yùn)行。

2.2 智能生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)

尾礦綜合利用智能生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）是一個(gè)軟硬件系統(tǒng)深度融合的制造執(zhí)行系統(tǒng)，流程（業(yè)務(wù)流與數(shù)據(jù)流）如圖1所示。MES系統(tǒng)作為車(chē)間級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)，在企業(yè)系統(tǒng)中處于中間層，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)管控[4]。上層ERP將生產(chǎn)訂單等信息通過(guò)企業(yè)服務(wù)總線ESB傳輸至MES，MES進(jìn)行相應(yīng)處理，然后將生產(chǎn)信息傳送到各模塊終端，并通過(guò)SCADA系統(tǒng)與下層生產(chǎn)裝備進(jìn)行信息交互，完成整廠的智能管控。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)和管理需求，本系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了以下主要模塊：產(chǎn)線監(jiān)測(cè)、設(shè)備監(jiān)控、能耗管理、原材料管理、質(zhì)量管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表、整廠管控、門(mén)禁系統(tǒng)、用戶(hù)管理，信息主顯示屏如圖2所示。

圖1 尾礦綜合利用生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)流程圖

圖2 MES信息主顯示屏

3 烘磨選一體智能化生產(chǎn)裝備

為了使尾礦能夠得到充分細(xì)化，本文將傳統(tǒng)的烘干、研磨、選粉三道工序集于一體，研發(fā)了一體化生產(chǎn)裝備——烘磨選一體機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。同時(shí)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)和記憶截割控制技術(shù)，并結(jié)合專(zhuān)家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了裝備的自感知、自診斷、自學(xué)習(xí)、自決策等智能化控制。

圖3 烘磨選一體機(jī)結(jié)構(gòu)

3.1 裝備結(jié)構(gòu)

①振動(dòng)輔助多層研磨結(jié)構(gòu)。節(jié)能磨采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)物料進(jìn)行分層研磨，層板與研磨體共同振動(dòng)，對(duì)物料進(jìn)行振動(dòng)研磨，使物料分散程度更好，大大提升了節(jié)能磨的研磨效率和微粉的比表面積。

②懸掛式磨箱結(jié)構(gòu)。磨箱分為上箱體和下箱體，通過(guò)軟性連接，實(shí)現(xiàn)下箱體的獨(dú)立振動(dòng)。采用彈性機(jī)構(gòu)將下箱體懸掛于外架上，使下箱體更容易被激振。在振幅增強(qiáng)時(shí)，可起到減振作用，在振幅減弱時(shí)，可起到提振作用，使下箱體在振動(dòng)過(guò)程中更為穩(wěn)定。

③多點(diǎn)式進(jìn)氣烘干。在上箱體中垂直多點(diǎn)輸入高溫空氣，同時(shí)在下箱體中的各層板間輸入高溫空氣，使高溫空氣充滿整個(gè)磨箱，使物料在研磨過(guò)程中能夠同時(shí)進(jìn)行充分烘干，極大降低物料的含水率，提高研磨效果，同時(shí)提高生產(chǎn)效率。

④循環(huán)式選粉系統(tǒng)。選粉系統(tǒng)與磨機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)邊磨邊選。研磨后的粉料在高溫空氣作用下進(jìn)入選粉系統(tǒng)，符合顆粒度的微粉經(jīng)由布袋收塵器收走，進(jìn)入微粉倉(cāng)。選粉后剩余的粗物料進(jìn)行磁選并再次輸入烘干研磨系統(tǒng)中進(jìn)行烘干、研磨處理，使物料得到充分的利用。

3.2 智能化控制

由于過(guò)程化生產(chǎn)中裝備連續(xù)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，工作環(huán)境惡劣，故對(duì)裝備狀態(tài)要求較嚴(yán)格。在烘磨選一體機(jī)上設(shè)置電流、電壓、位移、溫度、拉力、振動(dòng)頻率等多種形式的前端信號(hào)傳感器，實(shí)時(shí)采集裝備的運(yùn)行參數(shù)，并將數(shù)據(jù)上傳到MES系統(tǒng)，通過(guò)智能算法分析，形成控制決策下達(dá)給裝備，實(shí)現(xiàn)裝備故障診斷和異常情況預(yù)測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)裝備的自我調(diào)節(jié)功能，從而實(shí)現(xiàn)裝備的自感知、自診斷、自學(xué)習(xí)、自決策等智能化控制。

本文采用如圖4所示的方法進(jìn)行異常數(shù)據(jù)分析及故障識(shí)別。首先針對(duì)采集到的異常數(shù)據(jù)，通過(guò)分析后建立故障與異常數(shù)據(jù)特征參數(shù)的映射關(guān)系，形成故障庫(kù)；然后對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行離線大數(shù)據(jù)分析與特征提取；最后通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法——ELM極限學(xué)習(xí)算法進(jìn)行計(jì)算[5]，并將計(jì)算結(jié)果與故障庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，確定設(shè)備故障類(lèi)別。

圖4 烘磨選一體機(jī)故障識(shí)別流程

通過(guò)智能化控制，能夠?qū)⒄穹刂圃? mm～7 mm，振動(dòng)頻率控制在16 Hz～24 Hz區(qū)間，并形成正交工藝參數(shù)集，根據(jù)研磨狀態(tài)選用合理的參數(shù)，最終將微粉顆粒的直徑控制在5 μm～15 μm之間。

4 結(jié)論

金屬尾礦通過(guò)活化大幅提高了利用率，是尾礦資源化利用的一個(gè)行之有效的方法。后續(xù)將針對(duì)活化裝置的智能化控制展開(kāi)研究，以期進(jìn)一步提高尾礦微粉的活性，擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。