水泥生产智能化质量控制系统的应用实践

王涛 肖家发 陈波 张庆华 张群利

（1.上海美诺福科技有限公司，上海 201900；2.中国国检测试控股集团股份有限公司，北京 100024）

国家“十四五”规划中明确提出，要推动互联网、大数据、人工智能等同各产业深度融合，推动先进制造业集群发展；系统布局新型基础设施，加快第五代移动通信、工业互联网、大数据中心等建设；推动传统产业高端化、智能化、绿色化。在此背景下，《质量强国建设纲要》的发布、《建材工业“十四五”发展实施意见》的提出[1]、中国建筑材料联合会“六零”示范工厂等概念提出，催生建材行业产业变革，新的机遇和挑战并存[2]。当前，我国水泥行业正处于新旧动能更迭的关键阶段，自动化、智能化和信息化水平参差不齐，亟须采用贴合生产工艺的智能化和信息化技术，推动生产管理从局部、粗放向全流程、精细化和绿色低碳发展方向变革[3]。基于信息数字技术的智能化水泥工厂，正作为智能制造的重要组成部分[4]，助力产业转型升级，推动建材行业迈进工业4.0 时代。

现阶段，建材行业普遍存在产品质量不稳定、能源消耗高等问题，传统实验室检测存在人工操作烦琐、检测结果波动大、效率低下等缺陷，难以满足现代工业生产对质量监控的严格要求。因此，智能化实验室应运而生。目前，国内各大水泥集团为了在新一轮工业革命中抢占先机，提高行业竞争力[5]，积极谋划布局工厂质量控制智能化战略：全椒海螺通过全工艺智能化再造，打造工业能耗智慧“大脑”；铜川冀东万吨级水泥生产线配置了智能化实验室及出厂水泥智能化管理系统；中建材利用数字化、智能化手段升级改造法国MK3 生产线等。这些项目的实施不仅可以提高生产效率、降低能耗和生产成本，还可以提高产品质量和企业竞争力[6]，为企业的可持续发展注入新的动力。

智能化实验室是信息化、数字化发展的重要环节，更是行业高质量发展的需求所在[7]。水泥“两磨一烧”生产工艺由最初的样品自动采集、自动传输发展至今已实现了质量控制技术领域的多重突破[8]，其中既包括生产流程上的自动取样、自动输送至检化验室，也包括从模块上的检测工艺设计、检测装备制造与系统集成，更涵盖保障设备运行安全的自我诊断和远程故障运维等功能[9]，真正做到了无人化、智能化。据统计，改造后的智能化实验室在单条日产5000～10000t 生产线上的价值最为显著[10-11]，且在检测时间大幅缩短的同时，能够有效实现水泥全流程质量在线检测与优化控制，保障了生产稳定性、质量准确性和效益最大化。

本文将首先介绍天水祁连山水泥工厂智能化实验室应用情况，包括智能化工作模块和质量控制流程在该工厂的应用情况，并针对水泥生产中常用指标——三率值、游离氧化钙以及检测效率，将智能化系统与传统人工实验对比，以验证该系统运行可靠性、分析准确性和效率提升作用，为企业及科研院所提供技术支持和装备应用，助力建材行业全流程工业实现智能化生产。

一、水泥生产智能化质量控制系统设计

本文以天水祁连山水泥工厂实验室提质升级项目为例，结合流程工业智能化实验室质量控制成功经验，全面介绍了在建的水泥智能化实验室系统。该套系统涵盖物料取送样系统、检化验分析系统、无人化存样系统及生产控制系统等，将自动取送样、AGV 无人导航运输、RFID 信息编码、视觉识别、智能化样品管理等新技术结合起来，提升了智能化实验室技术水平，并对配套装备进行了创新，减少了出厂水泥的质量纠纷，填补了水泥行业的多项国际空白，成为我国水泥行业功能实现、流程覆盖最完整、最全面的智能化实验室之一，取得了良好的应用效果，受到行业广泛关注。

珠江水运：“平安西江”行动开展时提出了要打造水上安全命运共同体，此后一直提倡“共建”的概念，请问一年多的时间里，各方如何共建？

（一）生产环节质量控制系统

按照质量管理规定设定取样周期及时间，通过螺杆、气动取样器、仿真臂式等取样器多手段取样，实现了原材料、过程物料（生料、熟料、水泥）及煤粉等物料的实时匀速取样、均化、混合、缩分并装入样盒，随后通过自动发送站管将其道输送至中心实验室。该方式涵盖生产各环节物料取送样工作[12]。

中心实验室以自动化、信息化为核心手段，对接收系统、分样留样系统、自动研磨压片、MLD 熔片系统、中控分析系统及附属设备进行布局。接收站接收管道发送来的“炮弹”样盒，通过机械手自动取出，送入样盒操作站进行开盖、倒料、分料、清扫及合盖等一系列操作，将合好盖的样盒送回接收站，自动发送到现场继续取样。之后，根据样品检化验内容，机械手进行样品识别后，分别送入研磨压片制样系统、MLD 熔片制样系统进行样品制备，所制得的压片和玻璃熔片样被自动送入荧光仪进行X射线荧光分析。此外，还配备质量管理软件系统，对接窑/磨专家系统、中子跨带配料系统、原煤自动采样检测等质量控制软件，用于全流程生产环节监控、数据采集管理、远程诊断及自诊断，全面实现水泥工厂生产控制可视化在线检测，提高生产质量控制水平。

（二）MLD 法自动熔片系统

X-射线荧光检测是水泥工厂较为常见的检化验手段，传统多采用研磨压片法制样。该制样方式简单、速度快，但准确度不足，特别是涉及原材料种类增多及矿物成分改变导致的颗粒效应及矿物效应时，会出现较大偏差[13]；熔融法制样检测精度高（达到0.001 级别），能够有效克服颗粒效应和矿物效应[14]，但存在熔片烦琐、高温操作（980～1200℃）、传统熔样慢（18～25min）、制样效率低等特点。

针对熔融法制样痛点，结合MLD 法（具备无须制备系列校准样品、无须固定熔剂与试样比例等优势[15-16]），实现机械手自动取样和物料称量，并使用高频感应方式大幅缩短高温熔样时间[17]。该套自主研发的基于MLD 法的熔片制备系统兼具自动清洗及废液处理等功能，可实现无人化自动制样、精确检测及数据上传分析等，实现对水泥矿渣等原材料和生料、熟料等过程物料元素组分的精确定量，能够较好地满足生产车间对水泥生产环节质量把控的要求，也将助力建材企业向着“六零”工厂目标迈进。

（三）出厂水泥智能化管理系统

项目配套设计的出厂水泥智能化管理系统通过AGV 无人导航技术、RFID 芯片编码系统、料箱机器人应用等手段，实现LIMS 系统与发运系统的结合，达成自动取样、包装、封存及存样室布置，并可进行成品样品的收取以及相关的物检实验。目前，天水祁连山水泥出厂水泥智能化管理系统的故障率≤3%，每批号取样量≥20kg，实现了出厂水泥无人化输送，机器人放置样桶准确度≥98%，储样室系统样品识别准确率≥98%，存样柜样桶位≥500 个，存样量满足实验室要求≥3 个月。

二、水泥生产智能化质量控制系统验证测试

水泥智能化实验室系统实现了水泥从原材料生产至成品出厂全流程不间断的物料取样、输送、检测、数据分析到生产配料调整、烧成条件调整，达到最优配置，实现质量数据准确性、稳定性及检测频次的倍数增长。其中，石灰饱和系数（KH）等三率值指标合格率大幅提高，稳定准确的生产配料保证了原材料和成品质量的稳定性。

（一）熟料三率值指标

水泥生产过程通常用石灰饱和系数（KH）、硅率（SM）、铝率（IM）三个率值来调控配料与生产[18]。其中，KH 指熟料中氧化硅被CaO饱和形成C3S 的程度。SM 是指水泥熟料中SiO2与（Al2O3+Fe2O3）的比值，即熟料中硅酸盐矿物与熔剂矿物的比例；IM 表示熟料熔剂矿物中C3A 与C4AF 的比例。三率值指标相互制约，对水泥熟料煅烧（配料方案、煅烧条件、矿物生成、液相黏度等）和水泥的性能都有显著影响[19]，因此厂家应实时监测和调配。选取该水泥工厂智能化系统自动检测的熟料三率值数据与工厂人工数据进行跟踪对比，结果如图1 所示。两者检测结果基本一致，差异控制在允许范围内，证明该套智能化实验室系统运行良好，检测数据正常。

图1 智能化系统自动检测的熟料三率值数据与人工数据的对比

（二）游离氧化钙指标

当配料方案不当、生料过粗或煅烧不良时，熟料中就会出现没有被吸收的、以游离状态存在的氧化钙，称为游离氧化钙（f-CaO）。该组分过多，可能会造成水泥石硬化后期的局部膨胀应力，直接导致水泥强度降低，甚至出现强度倒缩，进而引起安定性不良，最终导致水泥制品变形或破坏[20]。为此，在回转窑熟料生产过程中应严格控制游离氧化钙的含量。图2 为采用智能化实验室系统自动检测的与人工日生产和月生产数据对比结果，可以看出，该套系统自动检测数据与人工数据曲线趋势基本拟合，测试结果正常，可以作为工厂质量控制方法，较好地指导生产。

图2 f-CaO 自动检测与人工数据对比

（三）检测效率对比情况

表1 为智能化实验室系统检测效率与人工检测效率的对比。可以明显看出，采用全流程智能化实验室系统，所有物料的检验频次均提高约1 倍，同时明显缩短了取样、制样和分析所需时间，使工厂检化验效率得到明显提升。

表1 智能化实验室系统的检测效率与人工检测效率的对比

表2 为天水祁连山水泥智能化实验室系统投入前后主要过程控制指标的对比情况。由表2可以看出，智能化实验室投入使用后，主要过程控制指标明显提升，生料和熟料KH 合格率分别提升了11.52%、12.84%，熟料强度提升明显（28d 提升2.4MPa），混合材添加量提升作用明显（6.38%），过程质量控制预见性显著增强，产品质量稳定性进一步提高。

表2 智能化实验室投入前后主要过程控制指标的对比情况

表3 为该智能实验室系统投产前后，该工厂主要经济效益变化对比。由表3 可以看出，投产后工厂质量部减少员工4 人，直接减少人员工资26 万元/年；混合材掺量较投产前提升4.75%，按照年产水泥140 万吨计算，可节约成本605.2 万元左右（熟料成本按照191 元/t 计算，粉煤灰按照100 元/t 计算，不含智能实验室对过程控制预见性提高所带来的煤电消耗下降和台时提升）。该项目水泥工厂直接投资1760 余万元（含土建），仅以上两项每年可节约资金631.2 万元，预计2.8 年可收回全部投资，投资收益良好。

表3 智能化实验室系统投入前后主要经济效益变化情况（以P.O42.5 水泥为例）

三、研究结论及建议

当前，以水泥行业为代表的整个建材行业面临产能过剩的问题，国家对产业产能的调控政策加严。在政策牵引和市场竞争的双重因素影响下，企业的生产压力不断上升，建材行业的智能制造数字化转型已经迫在眉睫。水泥智能化实验室系统是水泥行业技术进步的重要方向之一，对提高水泥产品质量、降低生产成本、提升生产效率具有重要意义。本文详细介绍了全流程智能化实验室系统在水泥工厂的应用，并通过整套系统投产前后的验证对比，有效验证了智能化实验室系统的稳定性和检测准确度。该系统有利于减少繁重人工操作，提高检化验工作效率。以下结合水泥智能化实验室的建设与优化，给予行业企业和从业人员一些普适性的建议。

一是建立实时采集质量调控模式，监测和提升产品质量。水泥工厂智能化实验室系统实现了水泥从原材料、生产过程至成品出厂全流程不间断的物料取样、输送、检测、数据分析、实时采集，确保了各生产环节物料数据的准确性和可靠性，从而指导生产配料、烧成条件，以达到最优配置。

二是检测实验室变革作业模式，提高自动化水平，降低安全风险。水泥智能化实验室项目实施后将显著提高水泥检测效率，减少人工繁重操作，质量控制人员可减少60%以上，实现全自动标准化作业；同时，自动制样方式变革，消除了湿法化学检测的要求，减少大量化学试剂的使用和废液处理成本；符合标准的检测数据将推动建筑行业创新发展，为建筑材料检测领域带来革命性变革。

三是科技制造企业加大科研投入，勇于研发首台（套）技术，打破国外行业垄断。制造业是立国之本、强国之基。智能化实验室系统的建设不仅可以提高产品质量和生产效率，还可以降低能源消耗和人工成本，如研磨压片、MLD 法自动熔片等设备实现行业首创技术。初期经济成本较进口设备降低约50%，如果推广30～40 条线，可实现节省成本3 亿～4 亿元。这必将助力建材行业实现降本增效、转型升级的发展目标。

四是全行业形成示范引领，有利于降低能源消耗，助力“双碳”目标实现。面对风起云涌的新一轮科技革命浪潮，围绕国家和行业重大战略亟需，建材行业要勇于以智能制造赋能行业高质量发展，开展一批前瞻性、原创性、颠覆性的科技攻关，推动基础建材业务向高端化、智能化、绿色化发展。如水泥生产过程中稳定的生料输入可以有效降低能源消耗，特别是石灰石分解和煤燃烧产生的二氧化碳，这将助力国家“双碳”目标的实现。