机立窑运行系统的变异性与操作者行为波动的协同性研究

李 旭 罗国晶 孔凡玉

中国计量学院安全工程系

安全文明生产是现代化机立窑生产的主要标志之一。机立窑能否实现优质高产、安全生产，在很大程度上取决于窑内的煅烧情况，目前窑的控制多为手动控制。由于工艺复杂、干扰大、控制动作频繁，控制方式强烈地依赖操作人员的估计、经验和责任心，使调节品质极不稳定。近年来, 窑喷事故在一些立窑厂还时有发生，它给企业造成了人员伤亡和财产损失，给操作工留下了难以抹去的职业恐惧。因此，必须对机立窑煅烧过程中的行为响应进行研究，采取有效措施防止此类事故的发生。2012年4月6日云南通海县里山水泥厂立窑车间6号晚上10点半发生喷窑安全生产事故，立窑进料口附近操作平台上作业的7名工人被喷出10多米远的500多度的颗粒状熟料烫伤，其中一人因伤势过重死亡，而另外6名重伤者属于特重病人，全身大面积烧伤，伤者烧伤面积达100%，且伴有吸入性损伤、肺部损伤等，6人都已经做了气管切开术。现针对这一事故应用Anderson Model理论对机立窑煅烧过程中行为响应进行研究。

1 Anderson Model理论及其适用性分析

1978年安德森等曾在分析60件工伤事故中应用了瑟利模型及其提出的问题，发现后者存在相当的缺陷，并指出：瑟利模型虽然清楚地处理了操作者的问题，但未涉及机械及其周围环境的运行过程。通过在瑟利模型之上增加一组前提步骤，即构成危险的来源及可察觉性，运行系统内的波动(变异性)，控制此波动使之与操作波动相一致。这一工作过程的增加使瑟利模型更为有用。在一定程度上提高了瑟利模型的理论性和实用性。机立窑水泥生产过程中的几种不正常窑况都是与环境和机械有关的，所以Anderson Model理论适用于机立窑煅烧过程中行为响应研究。安德森模型是对瑟利模型的扩展和修正，即在瑟利模型之上增加了一组问题，涉及的是危险线索的来源及可察觉性、运行系统内的波动（机械运行过程及环境状况的不稳定性），以及控制和减少这些波动使之与人的行为过程相一致。因此，安德森模型与瑟利模型可成为一个更为完整的模型，如图1。

图1 Anderson Model原理运行图

2 机立窑水泥生产过程和几种不正常窑况

2.1 机立窑水泥生产过程

目前，我国还有相当一部分机立窑水泥企业的煅烧操作，还基本上是采用人工监视、人工调整的方法，安全生产，仍在很大程度上依赖于看火工的操作经验，由于操作者的操作水平和责任心不同，在生产中会出现波动和故障，影响产品的产量、质量与能耗，乃至事故发生；同时在消除不正常现象时，操作复杂、劳动强度大、粉尘大。所以要特别加强安全管理工作，使企业优质高产、安全生产技术和管理水平有一个大的提高。

机立窑水泥生产过程包括：原料进厂、破碎、烘干、生料配料(含配煤)与粉磨、预加水成球、立窑煅烧、水泥配料与粉磨、水泥包装等主要工序。每道工序密切相关, 能否严格而准确地控制将直接影响产品的质量、产量和能耗。其中最为关键的环节是生料配料、成球和熟料煅烧三个环节。机立窑水泥生产流程，如图2。

图2 机立窑水泥生产工艺流程

2.2 机立窑水泥生产过程几种不正常窑况及危害

（1）呲火类型。全窑物料烧结不好，没有形成硬底火或底火极不完整，气流使预热带料球流态化，大面积料球像煮开水，火球如炸豆；先成了硬底火，由于冷却带大块堵风，炼边或结圈，使窑内气体分流，集中从某处喷火而出。呲火危害：散失热量，造成热损失；破坏底火，易形成中间火深，偏火等不正常情况；严重呲火还会造成人体烧伤事故，同时影响熟料的产量和质量。

（2）偏火分为固定偏火和移动偏火，偏火时窑内通风不均匀，造成被迫减风和间断加料，破坏了煅烧的连续性；偏火缩小了烧成断面积，减少扩口处的有效利用率，降低了熟料台时产量；偏火使底火拉深，物料在高温带得不到充分燃烧，降低了熟料质量。

（3）中间火深是底火不正常的突出表现，容易造成偏火，使窑内通风阻力增大，减慢煅烧速度，若窑温偏高易结大柱，甚至难卸和底部架窑，影响产量和质量。 有时中间通风严重不良，燃烧不完全，还原气氛严重，还会造成CO爆炸事故。

（4）炼边、结圈的危害。因高温层熟料液相和熔融煤灰极易粘附窑砖，使窑砖表面层变质形成窑皮，降低耐火砖使用寿命；炼结部位的物料滞停不下沉极易形成架窑等不正常窑况情。

（5）塌边、塌窑的危害。湿料层的物料和底火，直接塌落入冷却带，严重影响产量和质量；严重的塌边、塌窑，喷出的火红料还会造成烫伤事故。

（6）架窑分为上部架窑和底部架窑，上部架窑极易发生物料突然下落，造成喷窑，大量的炙热气体并夹带着大量的高温粉状物、火红料球、料块从窑内喷出窑面，一则造成烧毁窑面的热工仪表，二则烧伤人，严重时会造成死亡事故，直接威胁着操作者的生命安全[1]。

3 机立窑水泥生产过程中几种不正常窑况及危害的成因

3.1 基于Anderson Model理论对机立窑煅烧过程中的行为响应进行分析研究

（1）过程是可控制的吗？

机立窑水泥生产过程包括：原料进厂、破碎、烘干、生料配料( 含配煤)与粉磨、预加水成球、立窑煅烧、水泥配料与粉磨、水泥包装等主要工序。这些工序都是由人和机器共同作用来实现的，是可以根据人的正确操作和对机器环境的安全管理来控制的。其中煅烧过程中出现的呲火、偏火、中间火深、炼边结边、塌边塌窑、架窑等行为反应都是可以控制的。

（2）过程是可以观察的吗？

在机立窑煅烧过程中可以依靠人的感官或借助于仪表设备能观察了解工作过程。

（3）察觉是可能的吗？

在机立窑煅烧过程中出现的呲火、偏火、中间火深、炼边结边、塌边塌窑、架窑等行为反应是可以通过工作环境中的噪声、火焰颜色等对工作过程进行观察了解。

（4）对信息的理智处理可能吗？

通过对煅烧操作者进行相关的培训，知道机立窑系统是怎样工作的，如果系统工作不正常，他是能感觉、认识到这种情况的。就算系统运行给操作者带来的疲劳、精神压力（如长期处于高度精神紧张状态）以及注意力减弱也不会妨碍其对系统工作状况的准确观察和了解。

（5）系统产生行为波动吗？

煅烧操作者对机立窑煅烧过程中所发生的事故及处理事故的能力是有所差别的，所以存在不稳定性。

（6）运行系统对行为的波动给出了足够的时间和空间吗？

如果运行系统（机械、环境）有足够的时间和空间以适应操作者行为的不稳定性，则可以认为运行系统是安全的（图1中跨过7、8问题，直接指向系统良好），否则就转入下一个问题。

（7）能否对系统进行修改（机器或程序）？

可以对机立窑煅烧系统进行改进，采用更先进更可靠地系统来适应操作者行为在预期范围内的不稳定性。

（8）属于人的决策范围吗？

修改系统可以由操作和管理人员作出决定，如果该系统很混乱或者经常出现一些不良反应甚至造成事故，那就应该早点修改系统或是换掉该机器，完全在人的决策范围之内。

3.2 机立窑水泥生产过程中几种不正常窑况的防范和对策

对以上Anderson Model理论所提出8个问题的回答，可以知道机立窑煅烧过程中所出现的这些行为反应是可以预防的，机立窑煅烧系统是可以处于一个安全状态的。首先要对机立窑煅烧操作人员的安全操作培训和相关机立窑知识培训，使他们能够安全无误地进行操作，能够觉察在操作过程中出现的不良状况以及能够很好地预防处理。

（1）呲火的防范和处理。较轻的呲火，应及时用火钩钩划风眼或铁锹等撬拨物料、堵实风洞，较大的风眼，除捣实风眼外，可在呲火处进行重点压料，料球可适当湿些。

（2）中间火深的防范和处理。严格控制外加煤粒度规格；坚持采用加料、卸料、上火速度三者间平衡，以上火速度为中心的操作方法；料面不过满，边风不过剩，加料要合理，始终坚持“压二肋，盖边部，提中间”的浅暗火操作方法。

（3）炼边、结圈的防范和处理。生料配煤要准确，溶剂矿物的含量不可过高，坚持全风浅暗火煅烧，保持中速连续卸料，使物料下沉始终是动态的；合理掌握窑温，外加煤的粒度要控制在规定的范围内，煅烧中应做到勤松边部，发现炼边应及时处理；对已出现的结圈必须及时打碎，使其自然沉落；经常检查耐火砖磨损情况，凹凸严重则及时更换。

（4）塌边、塌窑的防范和处理。合理调节用煤量，坚持正常温度煅烧；发生轻微塌边，及时撬拨大块物料，拨至塌落区域，少加料盖至大块处，继续煅烧；塌窑较深，面积较大时，立即停止加卸料，撬拨大块红火至塌洞区域，尽量填平，在大块红火上加盖少量料球，重点在火快处加料。

（5）架窑的防范和处理。料位不可过高，与窑口保持10～20cm的距离；及时处理不正常窑况；已发生了架窑，禁止加料卸料、关闭窑门、吹风处理；严禁操作人员入窑处理[2]。

4 结束语

的结瘤、结块、架窑；又因不观察窑面，发现不了加料和卸料的失衡，因而不能及时处理窑面，以至喷窑发生。所以努力做到四勤，就能正确判断窑内物料煅烧情况、分析原因、找出问题，及时处理以保证立窑正常煅烧。

根据前述Anderson Model理论应用研究和实践总结，关于机立窑的煅烧操作，在现有的生产条件下必须加强安全管理，强化危险线索的来源及可察觉性、运行系统内的波动（机械运行过程及环境状况的不稳定性），以及控制和减少这些波动使之与人的行为过程相一致。据此可把机立窑的正常煅烧操作要领归纳为：一稳定底火、二合理用风、加料、三风、料、煤要连续平衡、四勤快(四勤是指勤观察窑面，勤观察热工仪表，勤撬动炼边，勤联系)。这是适应机立窑操作中波动因素较多，而多数机立窑自动化程度不高的对策。通过检测窑壁温度、熟料温度、烟气温度、风压、风量等收集有关底火信息，同时引入腰风、底风、卸料等自动调节装置对窑的煅烧过程进行有效控制，不断提高看火工的操作水平，严格按正常缎烧的操作规范操作；加强生产工艺过程的控制， 特别是加强原燃料的均化、配料的控制和生料的均化，提高成球质量，为窑内缎烧创造条件；在操作中应做到勤观察窑面及热工仪表，及时发现各种不正常窑况并加以处理，把安全事故消灭在萌芽之中，实现机立窑的安全文明和优质高产打下坚实的基础。

机立窑塌窑喷火不是一个孤立和偶然事件，而是立窑热工制度紊乱走向极端时出现的现象，在很大程度上取决于窑内的煅烧情况。实践证明，一些窑上的安全和质量事故，特别是大的喷窑事故，除了技术问题外，几乎都来自对行为响应缺乏适时性、预见性和可控性。因为不观察就不知道底火变化、窑况正常与否；不用钎子处理窑面，一些小的炼边、结圈、偏火就可能发展为大

[1]中国工控网.机立窑煅烧过程中几种不正常窑况防范和处理[DB/OL].[2006-8-23].http://www.gongkong.com/webpage/paper/200608/B-8942-5074D90B8ED8.htm

[2]机立窑煅烧过程中几种不正常窑况防范和处理[N].中国安全生产报，2012-4-19

[3]袁铸钢，王孝红，FUZZY控制理论在水泥机立窑煅烧过程的应用[J].自动化学报，1999，25（1）:28-34