机器人清理预热器冷态结皮方案设计

师华东，柴俊峰，王 凯，赵 虎

（1.中信重工机械股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.洛阳矿山机械工程设计研究院，河南 洛阳 471039）

0 引言

预热器能够大幅度降低水泥生产的能耗，提高水泥熟料的质量，经过40多年的发展，预热器系统技术取得了巨大的进步，但是预热器结皮工艺故障依然存在，无法彻底解决。国内好多水泥企业，特别是原燃料来源不稳定或者氯硫碱等杂质含量比较多，就会导致预热器严重结皮，人工清理频繁，不利于水泥企业的稳定生产[1]。

预热器结皮清理分为热态清理和冷态清理。热态清理是在不停窑的情况下在线结皮清理，比如在预热器上安装空气炮，但是空气炮也有其自身局限性，它只能打安装位置附近的结皮，如果结皮严重，空气炮是打不掉的。如果结皮严重，需要人穿高温服拿高压水枪，通过高压水在高温下体积急剧膨胀产生气爆，来打掉结皮。冷态清理是在水泥厂停窑检修期间，通过吊篮下放工人的方法清理结皮。随着行业对安全、环保要求的不断提高，机器代人的需求在不断加强。本文通过工业机器人取代人，来探讨工业机器人在水泥厂预热器冷态结皮中应用的可行性。

1 预热器结皮形成的主要原因

预热器结皮形成的主要原因有：有害组份循环富集特别是氯硫碱有害元素的循环富集；局部温度过高，导致液相量的出现；预热器漏风，导致结皮的形成；喂煤计量系统下料不稳，即喂煤不均匀，从而易造成系统煅烧匹配失调，也易造成预热器系统粘堵。预热器结皮的主要表现为：系统阻力增加，通风不好；压力、温度异常。预热器结皮发生的主要部位在：入窑斜坡、窑尾烟室、分解炉、下料管等处。

预热器结皮清理目前存在的主要问题是人员的安全问题和人员的劳动强度过大，环保及职业健康等，这和预热器的结构是有直接关系的。预热器是水泥烧成系统的核心设备，由于其是高温设备，人员在维护预热器时，经常发生烫伤事故，在预热器结皮清理过程中还发生过人员伤亡事故。在水泥厂停窑检修期间，冷态清理同样也存在很多问题。比如：吊人施工人员的安全问题，职业健康问题等等。预热器的维护已经成为行业发展的一个痛点。通过工业机器人取代人工实现安全生产，减轻工人的劳动强度，是行业未来发展的趋势。

2 用于预热器冷态结皮清理的可行性分析

工业机器人是面向工业领域的多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。工业机器人在水泥行业的应用还比较少，随着行业的发展，特别是对智能化的要求越来越高，针对特种作业环境下的需求被提上日程。

2.1 现有预热器冷态结皮清理方法介绍

在水泥窑停窑检修期间，如果水泥厂有预热器维护的需求，就会请施工企业进行预热器结皮清理。其施工的方法为：在预热器鹅颈管上打吊装孔，在钢平台上打卷扬机构下放钢丝绳的孔，通过预热器检修门放入吊篮。人站在吊篮上通过手持电镐进行结皮清理。可以进行人工清理的部位有分解炉、窑尾烟室、入窑斜坡。人工操作存在以下缺点：（1）安全问题：吊篮施工属于高空作业存在安全风险。（2）职业健康问题：人拿电镐在预热器中清理结皮，会产生大量粉尘危害人员身体健康。同时预热器内空气流通不好，在夏季施工，容易中暑。（3）劳动强度问题：人工操作，工人劳动强度比较大。

2.2 工业机器人方案设计介绍

工业机器人设备结构原理见图1。该设备主要由卷扬机、滑轮组、电控箱、框架、液压缸、车轮、液压站、回转体、大机械臂、小机械臂、电锤组成。通过卷扬机和滑轮组实现机器人的上下移动。通过框架上四个带液压缸的支撑臂实现机器人的姿态调整。通过液压机械臂上的电锤对结皮进行清理。支撑臂竖直伸直能实现从650mm×650mm检修孔进入。回转体能实现左60°右60°回转，实现4m宽的清理范围。

图1 设备结构及工作状态示意图

机器人控制原理图见图2，在机器人框架上设置照明系统和摄像头，将画面传回远程工作站，人通过遥控器远程操作机器人。

图2 控制原理示意图

工作范围及应用场景见图3，机器人适合于分解炉、烟室、入窑斜坡的清理，不适合于下料管、弯管的清理。机器人需要在竖直管道或者在稍微倾斜的大空间工作。

图3 工作区域及场景示意图

2.3 工业机器人与现有方法的优缺点对比

工业机器人和传统方法的优缺点对比见表1。由表1可见，人工清理费时费力，工作环境差，还存在安全风险。工业机器人清理结皮，能够解决人工清结皮的缺点。但是技术不够成熟，水泥行业的装备制造企业，还没深入涉及这一方面的研究，其产品价格肯定也是比较贵的。智能化是水泥行业的发展趋势，随着时间的推移相信越来越多的工业机器人会应用于水泥厂。

表1 结皮清理方式对比评价表

3 小结

随着国家和行业对智能化的支持力度加大，越来越多的水泥厂加入到智能化的建设之中。为工业机器人在水泥厂推广应用提供了发展机会。结皮清理是有些水泥厂预热器维护的难点，不管是热态在线清理，还是冷态清理，都存在安全环保的问题。用工业机器人对预热器维护是一个新的研究方向。本文通过介绍工业机器人用于预热器维护的方案设计，为水泥装备制造企业提供一种新的研究思路，以供同行参考。