吳 濱 ，范文婷

（1.景德鎮(zhèn)金意陶陶瓷有限公司，江西景德鎮(zhèn)，333414；2.中國輕工業(yè)陶瓷研究所，江西景德鎮(zhèn)，333000）

0 引言

建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)于上世紀(jì)八十年代在中國進(jìn)入了快速發(fā)展階段，中國的年瓷磚生產(chǎn)量已連續(xù)多年位居世界首位，占世界50%以上，建筑陶瓷產(chǎn)量的快速上升對水電等資源消耗極大[1-2]。在環(huán)保政策嚴(yán)厲的大環(huán)境下，陶瓷生產(chǎn)企業(yè)要從各種途徑來探究解決高能耗與高污染的措施，其中生產(chǎn)過程控制與原料制備方面的改變應(yīng)為首要目標(biāo)。

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于陶瓷生產(chǎn)過程控制展開研究，魏歡歌等[3]提出了以生產(chǎn)數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)、以優(yōu)化生產(chǎn)管理為核心的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的MES生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和采集網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)了日用陶瓷生產(chǎn)制造的集成管理化；夏建華等[4]介紹了陶瓷行業(yè)智能制造的現(xiàn)狀，分析了陶瓷企業(yè)在設(shè)備層、執(zhí)行層及管理層信息的不對稱性，闡述了如何打通生產(chǎn)中各環(huán)節(jié)的信息孤島，讓陶瓷行業(yè)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代；徐廣華等[5]介紹了中鵬云控平臺，該平臺可讓窯爐技術(shù)人員通過互聯(lián)網(wǎng)在任意位置監(jiān)控窯爐工作狀態(tài)，掌握陶瓷燒成情況。在原料制備方面，當(dāng)前國內(nèi)大部分陶瓷生產(chǎn)企業(yè)仍為濕法制粒，該方法在干燥環(huán)節(jié)需要消耗大量的電能并且排放出大量微粉末，嚴(yán)重影響空氣健康水平，已有相關(guān)學(xué)者對更先進(jìn)的干法制粒技術(shù)進(jìn)行分析研究，通過去除干燥環(huán)節(jié)降低能耗及污染水平，吳南星等[6]為探究陶瓷干法造粒氣——固兩相流混合過程擋板對粉體混合效果影響，構(gòu)建歐拉氣-固兩相流模型分析空氣與粉體相互作用，根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)了擋板位置和結(jié)構(gòu)以提高粉體混合程度，發(fā)現(xiàn)矩形壁擋板造粒室內(nèi)的粉體混合性能最優(yōu)。

根據(jù)以上文獻(xiàn)可發(fā)現(xiàn)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于陶瓷磚生產(chǎn)線可降低人工成本，并且更快速的響應(yīng)生產(chǎn)狀態(tài)變化，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)總結(jié)燒成規(guī)律，提高了生產(chǎn)效率，而干法制粒技術(shù)可大幅度降低原料制備過程中的能耗和空氣污染水平。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用探討

目前各行業(yè)都大力擁抱物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)院和智慧城市等開始興起，各行業(yè)逐步實(shí)現(xiàn)著信息化、物聯(lián)化、智慧化，作為傳統(tǒng)制造業(yè)的陶瓷產(chǎn)業(yè)，陶瓷生產(chǎn)設(shè)備也正在悄然地被互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)改變著。

圖1為一種基于安卓平臺的智慧瓷磚生產(chǎn)線方案，該方案采用了zigbee樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過zigbee網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)控生產(chǎn)線工作信息，系統(tǒng)組成包含網(wǎng)絡(luò)通信、綜合布線、多節(jié)點(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)等，所有信息都可以上傳互聯(lián)網(wǎng)后共享并顯示。該方案分為三個(gè)層次：感知層—各類傳感器、網(wǎng)絡(luò)層—云平臺、應(yīng)用層—安卓客戶端。表1為該方案各層次的功能及組成元件：

圖1 一種基于安卓平臺的智慧瓷磚生產(chǎn)線

表1 各層次功能及組成元件

2 干法制粒應(yīng)用探討

目前陶瓷行業(yè)所采用的原料制備方式以濕法球磨—噴霧干燥為主，該工藝對電力及水力資源的消耗巨大，而干法制粒工藝可綜合節(jié)能約20%，極大降低能源消耗與環(huán)境污染，并降低生產(chǎn)成本，因此干法制粒工藝逐漸成為陶瓷企業(yè)的技術(shù)改進(jìn)熱門方向。

干法制粒相比于濕法制粒去除了球磨以及噴霧干燥環(huán)節(jié)，工藝流程對比圖如圖2。

圖2 干法制粒與濕法制粒工作流程對比圖

陶瓷干法制粒技術(shù)雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但所制得的坯料顆粒仍存在一些問題，例如坯料成分不均、濕含量差異過大、成型顆粒過小等，使坯料顆粒的流動(dòng)性較弱，無法應(yīng)用于陶瓷磚的干壓成型。上述缺陷對陶瓷磚的生產(chǎn)質(zhì)量有較大影響，對陶瓷干法制粒技術(shù)發(fā)展起到了負(fù)面作用，陶瓷行業(yè)內(nèi)許多學(xué)者也提出了改進(jìn)方法和建議，對陶瓷磚的干法制粒技術(shù)普及和應(yīng)用起到一定的幫助。學(xué)者[7]發(fā)現(xiàn)造粒室內(nèi)的大部分陶瓷粉體在形成顆粒的過程中會圍繞攪拌主軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而各粉體原料之間不產(chǎn)生碰撞融合，而且造粒室邊緣處的粉體由于距離攪拌主軸較遠(yuǎn)，使攪拌主軸的高速旋轉(zhuǎn)無法帶動(dòng)，這部分粉體也就沒有參加粉體的融合過程，以上原因造成了原料顆粒的成分不均勻，不同位置顆粒濕含量差異過大。針對此原因，吳南星[8]提出在造粒室內(nèi)加裝擋板類阻礙物，干擾粉體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，加大粉體互相碰撞幾率，對粉體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)分析，以下是長方形擋板、三角形擋板和半圓形擋板：

圖3 三種類型擋板

通過歐拉雙相流模型建立空氣相與顆粒相的連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程，顆粒的體積分?jǐn)?shù)徑向云圖如圖4所示：從云圖可知，當(dāng)擋板為長方形時(shí)：顆粒在四個(gè)擋板間幾乎無堆積，筒底處的顆粒堆積比筒壁處的略高；當(dāng)擋板為三角形時(shí)：體積分?jǐn)?shù)0.32以上區(qū)域面積約占15%，堆積較為嚴(yán)重；當(dāng)擋板為半圓形時(shí)，顆粒集中在四個(gè)擋板之間，約占總面積的27%，表示顆粒在此區(qū)域的堆積十分嚴(yán)重。

圖4 顆粒體積分?jǐn)?shù)徑向云圖

圖5為顆粒軸向速度云圖，分析顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡可知：當(dāng)擋板為長方形(a)時(shí)，速度大于0.4m/s的粉體運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閺耐脖谛毕蛏铣瘮嚢柚鬏S，運(yùn)動(dòng)面積約占平面總面積的80%，軸向運(yùn)動(dòng)明顯，能夠使粉體起到很好的混合作用。

圖5 顆粒軸向速度云圖

取出造粒室底部的顆粒用不同目數(shù)的網(wǎng)篩篩選，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6，長方形擋板造粒室(a)內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)小于0.33的部分約占取出總顆粒的62%，體積分?jǐn)?shù)大于0.37的部分約占7%，顆粒體積分?jǐn)?shù)較三角形及半圓形造粒室內(nèi)的顆粒更均勻。

圖6 實(shí)驗(yàn)分析

3 結(jié)論

通過對陶瓷生產(chǎn)全過程的分析，著手于陶瓷原料干法制備及陶瓷生產(chǎn)線智能物聯(lián)化，利用干法制粒改進(jìn)技術(shù)直接降低生產(chǎn)成本，利用物聯(lián)技術(shù)對生產(chǎn)線過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，及時(shí)調(diào)整工作參數(shù)，對提高生產(chǎn)效率有較大幫助。