耐火材料智能制造的现状和发展

胡乃民

中国中钢集团有限公司 北京 100080

耐火材料在现代工业体系中占有重要地位，是钢铁、有色、建材、石化等高温工业的重要基础材料和关键支撑材料。新中国成立尤其是改革开放以来，我国耐火材料工业快速发展，目前已是世界上最大的耐火材料生产国和消费国，技术质量逐渐接近国际先进水平，为我国高温工业的发展做出了重大贡献［1］。

作为传统的劳动密集型产业，我国耐火材料行业整体上存在技术装备、自动化和信息化水平较低等问题；整个行业生产效率较低，产品技术水平不高，质量稳定性不好；在资源效率利用方面，能耗比较高，污染严重。在需求端，耐火材料市场也趋于饱和，产业结构不合理，低端产品产能过剩，高端产品产能不足。在耐材企业方面，中国的耐火材料行业大而不强，企业面临组合重整。因此，积极探索和加快新时代下耐火材料行业的供给侧结构改革以及自动化、信息化、智能化发展是一项非常迫切的任务。为此，在本文中，阐述了耐火材料生产的主要装备和智能制造关键技术，提出了耐火材料智能制造的发展建议。

1 耐火材料典型生产工艺

耐火材料是一种无机非金属材料，耐火度不低于1 580℃，主要用作高温窑炉或高温容器等热工设备的内衬材料，以及高温装置中的元件、部件材料等。耐火材料在高温下使用，要求具备很好的耐高温性能、一定的高温力学性能、良好的体积稳定性以及某些工况下抗各种侵蚀性熔渣及气体的侵蚀性等。

通过配料→混练→成型→干燥→烧成→加工→包装等典型生产工艺流程，使散状的不同配比的耐火原料、结合剂和添加剂等制成组织结构均匀（配料和混练），具有一定规格尺寸（成型和加工），具有一定强度（干燥和烧成）的耐火材料制品。表1列出了耐火材料各生产工序的功能、主要装备和智能制造关键技术。耐火产品的生产具有典型的流程模式，又具有其自身的特点，包括了原料采购入厂、原料破粉碎、配料系统、混碾搅拌系统、成型系统、烧成系统、成品检测、包装、出厂等生产活动，涉及采购、销售、质量控制、管理、服务等。根据《中国制造2025》的整体部署，耐火材料工艺流程必须由机械化向自动化、智能化迈进，从传统向现代跨越；企业优化资源配置，从耐材产品的设计、工艺、制造、服务到退役全过程的高效管理，提升产品技术指标和使用效果，实现高质量发展之路。

表1 耐火材料各生产工序的功能、主要装备及其智能制造关键技术

2 耐火材料智能制造关键技术

2．1 原料智能仓储立体库

传统的原料仓库管理一般为了利用空间，将包装好的原料层层叠放，不仅存在安全隐患，而且长期受压后细粉容易板结，影响产品质量。原料智能仓储立体仓库（见图1，某公司的原料仓库现场照片）相比于传统的仓库，很大程度利用上了垂直空间布局。由图1可见，主体由货架（用于储存货物）、巷道式堆垛起重机、入（出）库工作台和自动运进（出）及操作控制系统组成。管理上采用仓储控制系统进行控制。因此，具有柔性搬运、智能分流、码垛拆垛快速等特点，可实现存储自动分配、先进先出原则、实时库存查询；货物库存预警提示、配料仓低位联动提示；进出货物日、月、年报表的生成。

图1 某公司的原料智能仓储立体仓库现场照片

引入智能仓储立体库后，不仅可以充分利用空间，还可以实现仓储管理的智能化［2］。所有原料都进行编码，并放置在独立位置上。原料的编码唯一，对到货、上架、拣货、补货、发货和盘点等每一流程动作精准记录，实现对库存货物的批次、保质期等的精细化管理。

2．2 自动配料系统

传统的手工配料计量方法存在人工配料繁琐、出错率高、配料数据不便记录、配料效率低、劳动强度大等缺点。为摆脱手工操作的束缚，开发了自动配料系统，即一种在线测量动态计量系统，由储料、给料、称量、混合和输送系统组成。某公司的自动配料系统现场照片见图2。根据配方要求，先常规计算各原料所需质量，再控制移动配料称量车，自动在多个料仓下完成计量配料，到每个排料口自动卸料。控制室内采用工控计算机及PLC自动控制系统，移动配料称量车上安装有称重专用控制仪表和电子秤，上、下位机之间通过通讯线连接。整个配料线状态在工控计算机屏幕上可一目了然，系统还可记录打印各次配料结果，打印日报表、月报表，系统可存储多个配方［3］。因此，自动配料系统具有配料精度高、生产效率高、产品质量稳定等特点［4］，配料过程中自动密封对接入料口、出料口，避免扬尘。目前在耐火材料企业得到大力推广，配料周期最快可达2～3 min。同时配料系统数据库可与企业ERP系统连接，实现配料计划任务管理、料仓库存和物料消耗量管理。

图2 某公司的自动配料系统现场照片

无人搬运车（Automated Guided Vehicle，简称AGV），安装了光学自动导引装置，在规定的导引线路行驶，具有安全保护以及各种移载功能，具有快捷、工作效率高、结构简单、可控性强、安全性好等优势。配料系统配制好物料后，自动向AGV小车发出信号，AGV小车接收信号后将配好的物料送至成品库或睏料房。

2．3 成型自动化生产线

成型生产线包括混料→物料输送→物料称重→布料→压制成型→出砖→质检和码垛等工序。传统的物料称重、布料、出砖、质检和码垛等都需要人工进行，劳动强度大，生产效率低，质量也得不到保证。而自动化生产线将以上工序全部实现自动化，基本上没有人的参与，极大提高了生产效率和产品质量。自动化生产线的关键装备包括混料机、自动称重布料机、全自动压力成型机、自动检测系统和自动码垛系统（机器人）等。自动称重布料机可根据设定的参数自动上料、自动计量称重，布料速度可达1 m·s－1（也可根据工艺自行设置），最大误差≤30 g，它改变了原有人工称重和布料方式，提高了称重和布料效率，带来了质量稳定。某公司研制的全自动压力机示意图见图3，可见该压力机由主体结构、液压系统、喂料系统、电气控制系统、模具装卸机等组成，能自动完成压制过程中的布料、压制、脱模、夹砖等工作，可满足各种原料特性、外形结构尺寸的产品生产需求，能够轻松快速地更换模具并自动锁紧。从质量方面讲，采用全自动压力机生产的制品尺寸控制精准，一般成型砖坯尺寸误差小于±0．5%；增大了制品的致密度，保证落入模腔的粉料均匀，有效地解决粉料结团及偏析现象，使得砖的质量误差极小。同时，还大幅减少了传统压砖机所致砖坯的缺棱、掉角、飞边、麻面、层裂和扭曲等产品缺陷，明显提高耐火砖的质量［5］。

图3 某公司研制生产的全自动耐火砖成型压力机的示意图

自动码垛系统（机器人），可以实现自动取砖、码垛等功能。该机器人也可用于烘干窑和高温窑的耐火砖装窑和出窑的码垛，进而替代人工，消除人工劳动的不确定因素，易于实现流水化作业，效率高。

2．4 全自动温控超高温隧道窑

传统隧道窑具有使用重油等非清洁能源、产量小、人工控制、窑内温度波动大、窑炉设计不合理、能源利用率低等缺点。使用新型自动化超高温隧道窑烧成耐火材料是目前最为经济和效率最高的生产方式，其中窑内压力控制、温度控制及温度均匀化对产品质量起着重要作用。近年来随着传感技术、大数据技术的深入应用，通过在窑内各作业段装置温度传感器和气压传感器实时传输至控制中心，利用大数据建模，根据气氛智能调节助燃空气与燃料的比例，通过传感器连接控制系统动态调整窑内压力和温度，使其达到工艺范围内的温度和压力的均匀化。通过大数据分析，根据烧成品种不断优化数据模型，可有效提升产品质量，降低能耗，节省人工成本，提升科学化、智能化管理水平。

2．5 生产过程的智能在线检测

通过对生产过程的实时检测，能够及时发现和拣出缺陷产品，防止进入下一个生产环节。通过智能在线检测技术的应用，能够有效地降低原料浪费。例如，耐火砖的外部和内部缺陷检测。外部缺陷（缺角掉棱、麻面、飞边以及平整度等）、成型阶段砖坯内部层裂、烘干和烧成阶段砖坯开裂等可借助视觉分析系统和超声波探伤仪来进行检测，并自动将不合格品拣出［6］。例如耐火砖自动化探伤仪，利用超声波原理，配合机械手完成自动探伤，避免了原始的人工敲击法，不仅探测速度快，还能一次性完成探伤，准确判断层裂位置，尤其是对镁碳砖的检测。

2．6 服役过程的智能在线监测

作为高温装备的保护炉衬，耐火材料在现场服役过程中经受高温、高温熔体或熔渣的侵蚀和渗透、高温介质的冲刷和磨损等作用，会逐渐损毁而失去保护作用［7］。炉衬损毁后如果不及时采取措施处理，如重新制作或进行修补等，高温熔体或熔渣、高温介质等就会对高温装备产生损伤，严重时甚至造成安全事故。

通过耐火材料炉衬的在线监测，及时掌控炉衬状态，既可以保障高温作业的安全性，还可以基于服役大数据对耐火材料炉衬的优化设计给出指导。例如，在出铁沟外部钢壳划定网格，在网格节点上布置一定数量的温度传感器，通过监测钢壳节点温度变化，依据建立的热传递模型，计算残存沟衬厚度［8］；也可以基于红外（IR）成像系统测量高温容器外壳温度，再计算出耐火材料残衬厚度［9］。

3 发展建议

智能制造的发展方向包括：产品智能化、装备智能化、车间智能化、工厂智能化。全自动的智能设备只是耐火材料智能制造的一小部分。耐火材料的智能化需要先完成生产装备的自动化、测量仪表的数字化、生产实际的数字化、上下游工序的互联、生产线之间的信息互联，最终才是智能化。

多数耐材企业对智能制造认识有待提高，缺乏明确的战略规划，路径不清晰；缺乏精通耐火材料工艺、企业管理和信息技术专业的人才。智能制造是一个庞大的系统工程，涉及资金、技术、人才等各个方面，从自动化、数字化到智能化，企业需要理性规划、持续提高，实现智能制造的目标，每个企业甚至同一企业不同工序的智能化水平都存在差异。因此，耐火材料企业不能急功近利，一哄而上，需根据自身特点，理性认识，分步实施，有序推进，最终实现整个产业流程的智能化升级。

耐火材料智能制造具有以智能化耐火材料工厂为载体，以关键制造环节智能化技术为核心，以端到端数据流为基础，以网络互联为支撑等特征。耐火材料产业智能制造的核心技术、管理要求、主要功能和经济目标，体现了耐材产业智能制造对于我国耐材行业、高温工业转型升级和可持续发展的重要作用。