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数字信息时代下耐火材料生产装备绿色智能化的发展及展望
来源：易耐网编辑：易耐网发布时间：2022/6/30
摘 要：我国耐火材料自动化生产装备经历了从无到有、从弱到强的发展过程，从最初简单的手工工具不断更新换代，逐步发展到智能仓储立库、自动配料设备、“四位一体”成型设备、自动包装设备等自动化装备，并随着计算机软件系统的深入应用，耐火材料迈进工业3.0时代。以本公司的智能化改造升级为例，阐述了耐火材料生产装备绿色智能化取得的效果和遇到的问题，提出了我国耐火材料生产装备绿色智能化发展所面临的问题，并展望了未来发展前景。
1 耐火材料生产装备的发展历程
耐火材料的出现可追溯至四千多年前，当时已用杂质较少的黏土烧制陶器，并已能铸造青铜器。东汉时期(公元25—220年)已用黏土质耐火材料作为烧制瓷器的窑材和匣体。20世纪初，耐火材料向高纯、高致密和超高温制品方向发展，同时发展了免烧、低能耗的不定形耐火材料和高温耐火纤维。新中国成立以来，耐火材料工业随着国民经济的发展而起步，经历了从无到有、从小到大的发展过程，又经历了跨世纪的快速发展，现在正处于从大到强的稳健发展时期[1]。随着耐火材料工业的发展，根据耐火材料产品品种、质量、生产成本和绿色环保的控制需要，生产装备也经历了不断创新、进步、发展的历程，由原始的手推车、手工成型、地坑干燥等逐步发展至现代化的配料系统、成型系统和窑炉控制系统等自动化、绿色化、智能化生产装备。1.1 起步阶段(工业1.0)
传统的耐火材料行业属于典型的劳动密集型企业。20世纪初期，钢铁、建材、有色金属等高温工业极端落后，耐火材料更是品种单一、质量低劣，基本处于“两把铁锹干耐材”的作坊式生产状态，手推车、手工成型台、干燥炕等是其基本生产装备。1.2 学习提高阶段(工业2.0)
上世纪50年代，在前苏联的援助下，我国建设了鞍钢、太钢等规模化生产的耐火材料厂，引进了湿碾混合机、杠杆压砖机、斯皮瓦克浇钢砖成型机、1 000 t水压机、配有炉箅子预热机的大型回转窑、烧成温度1 350～1 600℃的大断面隧道窑等先进的生产装备。60～80年代，耐火材料从业者自力更生、艰苦奋斗、立足资源现状和生产需求，在国产化的背景下利用引进的先进设备，通过消化吸收、技术革新和自主创新，一批国内重点耐火材料企业的生产装备水平逐步提高。代表性的生产装备有:振动磨、600 kg配料机、行星式强制混合机、300～630 t摩擦压砖机、隧道干燥器、小断面隧道窑等。同时，从国外引进的代表当时国际先进水平的装备[2]，如自动配料车、加热混炼机、铝碳料混合造粒机、750 t复合摩擦压砖机、流化干燥床、X光探伤机、卧式油浸装置、82 m超高温隧道窑(1 800℃)等。这些国外先进设备的引进对我国耐火材料生产装备水平的提高起到了很好的示范和推动作用，在“八五”和“九五”期间，先后消化研制了750 t复合摩擦压砖机、HL系列混合造粒机、流化干燥床、立式真空油浸装置等，研发了三相铁磁分离器、气流磨、600 L高速混合机、1 000 t和1 600 t大吨位复合摩擦压砖机等;窑炉高温技术和节能技术也有了很大提高，主要表现在大型化、原料煅烧和制品烧成多样化、燃料多样化:如高温竖窑内径700～1 800 mm形成系列;高温隧道窑年生产能力5 000～40 000 t的大型化;燃料发展为重油、天然气、液化石油气等;同时，还开发了新型轻型薄壁梭式窑[2]。在此阶段，耐火材料生产装备得到了大幅提高，改变了我国耐火材料工业“原料不精、工艺装备落后”的局面，部分关键岗位或工序已经采用了自动化装备技术。一些国际装备制造商将国际先进装备推向国内市场，国内各制造厂也积极开发和创新了一些高效、实用的耐火材料装备，进一步促进了中国耐火材料工业的高速发展。1.3 创新发展阶段(工业3.0)
进入21世纪，迎来了我国耐火材料工业发展速度最快的一个阶段。在钢铁、有色、水泥和玻璃等高温工业高速发展的强力拉动下，我国耐火材料工业持续稳步发展，在数量规模上的增长速度稍有放慢，但在提高质量、发展品种和降低能耗方面要求都要达到更高的水平[3]。因此，落后、陈旧的工艺和装备逐渐被淘汰，进而替代的是先进的工艺和装备。借此契机，耐火材料生产装备开始更新换代，具有代表性的如人工配料被自动配料线逐步取代;2458碾被混合效率高、结构简单的高速混砂机逐步取代;摩擦压砖机被具有结构精简、操作简单、节能、故障率低、运行安全等优势的电动螺旋压机逐步取代，并发展出自动控制单元。以系统软件为基础的自动控制功能，在完成精确控制、快速响应、安全连锁、复杂控制、简单重复等方面起到了重要作用，通过将这些功能集成到生产装备中，使得耐火材料生产装备逐步迈向自动化、智能化、数字化和绿色化，相比传统耐火材料行业已有颠覆性改变。这为耐火材料工业提供了良好的发展机遇，同时也对耐火材料质量控制提出新的要求。2 洛阳利尔功能生产装备绿色智能化应用
随着经济全球化及信息化技术的快速发展，制造业面临着前所未有的挑战，欧美等发达国家相继提出“再工业化”、“工业4.0”和“工业互联网”战略，积极推动工业转型升级，促进经济发展。我国在2015年也提出了“中国制造2025”的战略举措，部署全面推进实施制造强国战略。围绕这一战略目标，“中国制造2025”规划中把“推进信息化与工业化深度融合”，即“两化融合”作为九大战略任务和重点之一，提出要加快推动新一代信息技术与制造技术的融合发展，把智能制造作为两化融合的主攻方向，推进制造过程智能化，在重点领域试点建设智能工厂/数字化车间。作为钢铁行业的必备产业，耐火材料更应响应国家号召，顺应时代潮流[3]。本公司以“退城入园”为契机，加速推进耐火材料生产装备的绿色智能化建设，在耐火材料生产自动化、绿色化、智能化方面进行了积极的探索和尝试，取得了良好的应用成果。
本公司功能智能化生产线设计有:WMS智能仓储系统、自动配料系统、自动混料系统、自动布料系统、成型取砖机械手、2D/3D视觉检测、自动喷码、智能物料转运(AGV/RGV)、拆码垛机械手、自动包装系统。通过分散控制系统(DCS)、生产过程执行系统(MES)、企业资源计划系统(ERP)、欧贝采购平台、企业办公自动化系统(OA)的数据集成，实现了设备间高效、有序的无缝衔接和各系统间数据的交互式访问。把企业的人、财、物、产、供、销及相应的物流、信息流、资金流、管理流等紧密地集成，实现了资源的优化和共享，并利用大数据进行产量、质量、库存、能耗、效率等方面的分析。
本公司功能智能化生产线运行流程为:客户端通过OA系统下达需求计划，并将需求计划同步到物资需求计划(MRP)，系统自动计算出物资采购计划和物资生产计划;采购计划生成采购订单同步上传到欧贝采购平台，通过采购寻源、比价、签订合同，执行并完成采购业务过程;生产计划同步上传到MES系统，MES系统根据预置参数进行排产，生成生产任务单并同步到DCS系统，DCS系统根据每天生产任务单的紧急情况和相关设备的状态，调度相关设备生产并将生产数据同步传递至MES系统，再由MES系统上传数据至ERP系统。生产好的成品经自动包装线后被送入成品智能仓库进行储存。具体流程示于图1。
图1 功能智能化生产线DCS控制系统图
2.1 智能化生产线介绍
2.1.1 智能仓储系统
智能仓储系统是智能制造工业4.0快速发展的一个重要组成部分，主要由组合式钢结构货架系统、有轨巷道堆垛机系统、托盘出入库输送系统、计算机管理监控系统组成。它具有节约用地、减轻劳动强度、降低储运损耗、避免货损或遗失、提高物流效率和仓储自动化水平、有效减少流动资金积压等诸多优点。本公司功能智能化生产线的原料、成品通过采用WMS智能仓储系统(简称立库)，实现了货物仓储的高层合理化、存取自动化、操作简单化。通过接口调用的方式，实现立库与MES系统之间数据交互访问。2.1.2 自动配料系统
自动配料系统是耐火材料生产中重要的配混料作业环节，包括上料系统、配料系统、除尘装置及混碾机控制系统等。自动配料系统配有立库输送线、仓顶布料车、给料器、称量斗、输送皮带、各种除尘装置及配套控制部分。本公司功能自动配料系统采用DCS控制、组态软件监控，运用数据库、物联网技术进行编程设计，与生产过程控制系统(MES、DCS)互联互通，可实现生产任务的分配、原料自动上料管理、出入库管理、配方管理、配料过程管理、数据采集、数据处理、数据记录、报表输出以及数据传递共享等。通过DCS控制混料生产，并在混料完成后将生产数据反馈至MES系统，真正做到生产过程自动化、智能化和信息化。2.1.3“四位一体”成型系统
“四位一体”成型系统包含自动布料机、电动螺旋压机、机械手、检测平台、喷码机、DCS上位系统等，每台设备设置一个主控PLC负责单机台生产流程控制，接入DCS系统、MES系统进行信息交互、数据收集、存储和生产过程控制及管理。可实现设备自检和初始化操作，将手工四角扒料、去飞边、表面吹扫、产品外观、尺寸及单重等质量检测及喷码工作全部自动化，同时将生产数据通过DCS系统实现与MES系统的交互及任务传递。2.1.4 智能转运系统
本公司功能智能化生产线配有高效智能转运系统，实现了泥料、半成品转运过程无人化、智能化。泥料转运:混料完成后，混砂机自动将泥料放至储料罐，DCS系统将料罐储料信息及状态上传至MES系统;MES系统根据成型工段用料需求和混料工序料罐需求下发任务指令给AGV;AGV收到指令后根据预先设定的路线将储料罐泥料转运至自动布料机料仓，或将空料罐转运至混砂机出料口处。半成品转运:成型托盘码放完毕后，DCS系统将货物信息及状态上传至MES系统，MES系统根据干燥计划和成型托盘需求，下发任务指令给AGV;AGV收到指令后根据预先设定的路线将满托砖坯转运至干燥窑入窑工位处，或将空托盘转运至成型压机备用车位处。当AGV没有指令和任务时(超过5 min),AGV运行至自动充电站进行自动充电。2.1.5 干燥/烧成窑炉系统
干燥/烧成窑由室体、供热系统、循环系统、电控系统等组成，可与MES、DCS系统全程对接，实现入出窑全过程数字化、自动化控制。干燥砖坯转运:送到干燥入窑工位处的满托砖坯经识别后，由摆渡车运送至指定干燥窑，循环往复直至满窑后干燥窑自动闭合窑门并点火，按照预设干燥曲线实现自动干燥。干燥结束后，窑门自动打开，由摆渡车将砖坯运送至指定车道冷却后运送至干燥拆垛工位。烧成砖坯转运:到达拆垛工位的满托砖坯，经DCS系统识别并与MES系统进行数据交互后由视觉识别系统引导机械手自动装窑车，装车完毕后窑车自动运行至入窑工位并按推车制度等待自动入窑。烧成后出窑的窑车经冷却后被运送至烧后拆垛工位，经DCS系统识别并下达拆垛指令，由机械手按照预设程序进行拆码垛操作。2.1.6 自动包装系统
自动包装系统采用热缩包装的方式，主要由链板升降传送机、自动套膜喷火热缩机、捆扎打包机、板链传送机组成。根据设定的收缩膜大小，通过激光探测包装物高度自动将筒膜裁剪出合适的长度，并热封制成口袋，然后完成自动套袋、热缩并自动打包，具有成品包装高度灵活、包装速度快的特点。包装好的托盘由DCS系统自动调运至立库入库。2.2 环保治理及节能
本公司功能智能化生产线环保总投入约3 000万元。通过干法脱硫、袋式除尘、低温SCR脱硝等技术进行窑炉烟气处理，在隧道窑废气排放口安装CEMS和氨逃逸在线监测设备，并与视频监控、污染治理设施、生产工序等一并接入DCS系统。经过调试，可长期稳定运行，排放量达到环保A级企业大气污染物超低排放限值要求(颗粒物≤10 mg/m3、二氧化硫≤50 mg/m3、氮氧化物≤50 mg/m3)。随着智能设备升级和工艺技术创新，本公司全年可节约天然气350万m3，年节约用电30万度，年节约标煤折合4 282 t，年减少CO2排放6 780 t，预计较传统企业每年可减少CO2排放53%以上;生产过程节能降耗效果显著，较行业内能耗先进值低30%以上，逐步建成绿色发展生产基地。根据吨钢5 kg机压钢包砖耐材消耗测算，2020年国内机压钢包砖需求量约526.5万t，若本公司功能免烧砖产品干燥装备及工艺技术在全行业内推开，预计全年可节约标煤7万t，减少CO2排放量11万t。2.3 数字化、信息化、智能化应用
2020年公司将智能制造和技术创新应用于产品生产核心领域，实现了“数字化、信息化、智能化、绿色化”，代表了耐材行业智能制造的较高水平。通过对智能立库、智能AGV、六轴机器人、3D视觉检测、自动码垛、自动包装的系统化集成，实现生产线全流程自动化、无人化运行;通过以企业资源计划(ERP)为纲，制造执行系统(MES)为领，使得客户的物料需求计划(MRP)通过DCS无缝对接到各生产环节，实现对产、供、销等全过程运营工作的信息化运行。未来通过商业智能(BI)与人工智能(AI)的嵌入，利用对积累数据的整合和分析，不断自我完善运营各环节，辅助商业决策的制定。公司运营真正做到智能化生产、信息化操作、数据化管理。以本公司功能定型制品厂为例，在产能提升、稳定质量、减员增效等方面成效显著:(1)效率提升:用工人数较传统企业降低50%～67%，月人均成型产量由26.79 t提高至158.75 t，提高6倍以上;包装(含码垛、缠膜和打包)效率2.5 min/托，较传统包装方式提高10倍。(2)质量提升:智能化生产装备、检测装备及DCS控制系统的应用使得人为因素减少，部分关键检验项目可做到100%全检，有效保证了产品质量的稳定性。(3)管理提升:数字化、信息化和智能化的融合，使得日常生产数据、质量数据、设备维修数据等电子化，通过相关软件加以分析利用，为耐火材料管理水平的提升奠定了基础。嵌入阿米巴管理，可实现每日、每周、每月出报表。(4)降低安全事故:生产过程中全线DCS控制、人与生产设备分离，可有效减少安全事故的发生。3 耐火材料生产装备绿色智能化应用所面临的问题
生产装备的更新换代和智能化的应用将耐火材料产业推上精细化、机械化和绿色化的道路，这也必将成为耐火材料产业迈向工业4.0的必经之路。智能化生产线成功的应用和推广，首要条件是思想观念的转变。主要体现在以下两个方面:(1)企业决策者思想观念的转变。智能化生产装备较传统耐火材料生产装备投资金额大，容易因此被放弃。决策者应从设备折旧、使用维护及由此创造的经济效益等长期发展的角度综合考量(根据本公司功能建设经验，投资所带来的经济效益占投资金额的比例应当控制在20%以上)。(2)生产管理人员思想观念的转变。先进的软硬件设备设施的引进对原有的管理及工作习惯有很大的冲击，在设备前期的使用及调试过程中，必然会出现效率问题、故障问题、习惯问题、质量问题等，须具备“逢山开路遇水搭桥”的信念，方可使全线顺利贯通。智能化生产线的建设及投入运行过程中，对人员综合素质要求较高，不仅要具备整线智能化设计的整体规划设计能力，同时要结合各生产工序以及各智能化控制单元之间的联系做到可行的衔接和贯通。因此，组建专业技术人才团队对推进智能化生产线的建设至关重要。智能化装备的应用必将使耐火材料行业涅槃重生，同时也带来了新的挑战和问题:①智能化生产线处于发展初期，涉及各种智能设备、工艺布局及软件等多方面、多学科的综合应用，生产线建设投资金额巨大且设计院无现有设计经验可借鉴，本公司功能智能化生产线只能完全由我公司自主设计完成。②各工艺环节自动化操作系统不一致，数据库不统一，缺乏兼容性广泛、成熟的DCS自动控制系统，以实现智能装备自动化系统、MES、NC等多系统间的数据交互和协调。③异型产品的自动化成型、码放及检验目前仍无经验借鉴。因客户包装要求或现场实际需求导致的多品种混包，以及异型砖的拆码垛智能装备仍无法实现自动化。④由于自动配料线和自动布料机料仓实际使用的需要，不同原料批次切换时界限变得模糊，质量可追溯性变差。另外，期望通过智能装备或手段对每块定型产品(特别是高温烧成产品)进行追溯管理，实现随时获取各生产环节质量管控数据并分析。关键生产工序如混料的质量控制要求如何通过智能化设备和软件实现仍待突破，对自动化设备参数的合理阈值缺乏深入的分析研究。以智能化生产线为基础的耐火材料产品质量管理的方式和手段有待改进和创新。4 前景展望
未来全球的制造业将会迎来以智能制造、互联网、大数据、云计算等为核心的第四次工业革命，即工业4.0，耐火材料行业也不例外。在工业互联网、5G时代及工业大数据的大环境下，耐火材料生产装备智能化及工艺优化创新的程度将决定企业未来的发展高度。未来低碳型、低能耗型、环保型企业将拥有更强的核心竞争力。中国耐火材料工业已经步入从大到强的发展时期，展望其生产装备的发展前景，以下几点应重点关注:(1)耐火材料矿石加工环节的生产装备智能化应用仍处于起步阶段。(2)大数据分析将在耐火材料配方研发、工艺改进、质量管控和问题分析中发挥重要角色，为耐火材料工业的精细化提供依据和数据支撑。(3)客户现场施工自动化将迎来发展机遇，智能化设备将逐步向现场施工推广。如钢包、中包砌筑实现机械臂智能砌筑;滑板、水口及三大件实现智能化更换等;产品质量追溯、现场质量管控同样将随着智能化设备的推广延伸至客户现场，并进一步细化;现场施工安全性、现场产品使用稳定性将会有质的提升。(4)智能化预警及判包设备将逐渐成为可能，并成功应用于铁沟、转炉、钢包、中包等冶炼环节，大大降低漏铁/钢事故的发生。届时，通过打通与MES系统的接口，将使自动下达需求订单成为现实。(5)得益于生产装备的智能化水平的提升，吨产品人工成本将大幅降低，黑灯工厂将成为可能，耐火材料工业面临的用工难问题将迎刃而解。(6)生产绿色化、清洁化、节能化将成为新的竞争力，耐火材料工厂作坊式生产将成为历史，花园式工厂将成为耐火材料工厂的新标准。
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