甘牧原，李宗社，劉 巍，譚奇兵

( 柳州鋼鐵股份有限公司燒結(jié)廠，廣西 柳州 545002)

摘 要: 燒結(jié)生產(chǎn)中，燒結(jié)礦化學(xué)成分調(diào)整滯后是困擾燒結(jié)礦質(zhì)量提升的難題，柳鋼燒結(jié)廠通過引進(jìn)在線成分檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)混合料化學(xué)成分檢測及自動(dòng)配料。投入自動(dòng)控制系統(tǒng)后，燒結(jié)礦 R ±0． 08 穩(wěn)定率提高 9． 65%，返礦率降低了 4． 14%，固體燃耗降低了 0． 14%，促進(jìn)了燒結(jié)、高爐工序節(jié)能降本工作。

關(guān)鍵詞: 在線; 成分測控系統(tǒng); 燒結(jié); 自動(dòng)配料

1 前 言

鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中，燒結(jié)礦是燒結(jié)工序的產(chǎn)品，同時(shí)也是高爐工序的最主要原料，是兩工序相互銜接的紐帶，燒結(jié)礦化學(xué)成分的穩(wěn)定是高爐精料的主要內(nèi)容。燒結(jié)礦堿度 R 的穩(wěn)定與燒結(jié)礦成品率、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度等指標(biāo)存在密切關(guān)系; 同時(shí)不同堿度的高爐爐渣具有不同的黏度、熔化性、穩(wěn)定性和脫硫能力，直接關(guān)系到高爐的穩(wěn)定順行及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的改善。

提高燒結(jié)礦堿度 R 穩(wěn)定率是燒結(jié)工序生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)燒結(jié)工序、高爐工序降本具有重要作用。燒結(jié)工序由于礦粉種類繁多、質(zhì)量參差不齊，即使經(jīng)過混勻料場處理后，混勻礦的化學(xué)成分依然波動(dòng)較大; 并且熔劑化學(xué)成分波動(dòng)、下料量偏差等因素，也造成燒結(jié)混合料化學(xué)成分波動(dòng)較大，對(duì)堿度 R 的穩(wěn)定造成影響。燒結(jié)工序從配料調(diào)整到燒結(jié)礦化學(xué)成分分析完畢需要 5 ～6 h，配料調(diào)整的嚴(yán)重滯后問題長期困擾燒結(jié)礦的質(zhì)量穩(wěn)定。

為克服以上負(fù)面因素影響，及時(shí)、有效地穩(wěn)定燒結(jié)礦化學(xué)成分，柳鋼 3 # 360 m 2 燒結(jié)機(jī)引進(jìn)了在線成分測控系統(tǒng)，燒結(jié)混合料化學(xué)成分實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)檢測，并形成了閉環(huán)自動(dòng)配料，大幅提升了燒結(jié)礦質(zhì)量，極大促進(jìn)了燒結(jié)、高爐工序降本工作。

2 在線成分測控系統(tǒng)簡介

2． 1 在線成分測控系統(tǒng)原理

EMC －21 在線成分測控系統(tǒng)利用中子活化伽瑪射線分析技術(shù)，即 PGNAA ( Prompt Gamma Neutron Activation Analysis) ，對(duì)皮帶上通過的散狀物料，進(jìn)行連續(xù)分析。由锎 CF252( 半衰期為2． 65 年，人工合成元素) 中子源發(fā)出每秒上億個(gè)中子，被皮帶上物料元素的原子核所吸收，這些原子核從而被激發(fā)而發(fā)出伽瑪射線，探頭接收這些伽瑪射線并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后進(jìn)行分析得出數(shù)據(jù)。每種元素激發(fā)的伽瑪射線，都有各自獨(dú)特的頻譜，以此計(jì)算出該物料的化學(xué)成分。對(duì)PGNAA 技術(shù)響應(yīng)較好的元素包括: 鈣、硅、鋁、鐵、鎂、鉀、鈉、硫、氯、錳和鈦等。

2． 2 在線成分測控系統(tǒng)設(shè)備組成

EMC －21 在線成分測控儀、電控柜及中控室電腦終端分別如圖 1 ～ 圖 3 所示。

圖 1 中，1 部分為鋼質(zhì)主體，壽命較長、免維護(hù)設(shè)計(jì)，可以適應(yīng)燒結(jié)產(chǎn)線工作環(huán)境，包含放射源、頻譜分析儀和輻射防護(hù); 2 為頻譜分析儀，包括數(shù)個(gè)探頭，位于皮帶上方，由鋼質(zhì)主體保護(hù)。

圖 2 為成分分析儀電控柜，固定在鋼質(zhì)主體上，內(nèi)部包括工業(yè)電腦、輸入輸出模塊、網(wǎng)絡(luò)/光纖和其它部件。電控柜防護(hù)等級(jí)為 IP66。

圖 3 為中控室電腦終端，提供物料的化學(xué)成分和分析儀的狀態(tài)信息。

3 在線成分測控系統(tǒng)標(biāo)定

3． 1 在線成分測控系統(tǒng)靜態(tài)標(biāo)定

靜態(tài)標(biāo)定試樣選用混勻礦、生石灰、輕燒白云石等燒結(jié)工序現(xiàn)場原料，篩取 － 1 mm 粒級(jí)進(jìn)行制樣、取樣及化驗(yàn)，根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果按一定的配比進(jìn)行配料、混勻、縮分及取樣化驗(yàn)，要求 CaO、SiO₂ 上下限能夠覆蓋正常生產(chǎn)所有的樣品，按要求制樣 3 組，每組共 16 個(gè)樣棒進(jìn)行建模。

建模結(jié)果如圖4 所示可見，圖中對(duì) SiO₂ 、CaO進(jìn)行化驗(yàn)室與成分分析儀檢測數(shù)據(jù)對(duì)比，線性擬合程度 R₂ 分別為 R₂ ( SiO₂ ) = 0． 936、R₂ ( CaO)=0． 876，R 2 均大于 0． 8，具有高度線性相關(guān)，說明靜態(tài)標(biāo)定建模有效，可以進(jìn)行下一步的動(dòng)態(tài)標(biāo)定。

3． 2 在線成分測控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)標(biāo)定

在分析儀所在皮帶前段進(jìn)行取樣，每組樣品取樣時(shí)間 1 h，每 10 min 取一次樣，每次取樣 500g，進(jìn)行混勻、縮分后制取成一樣樣品進(jìn)行化驗(yàn)，本次取樣 5 組進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定調(diào)試，調(diào)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，SiO₂ 為 5． 01 ～ 10 時(shí)檢驗(yàn)允許波動(dòng)范圍為 0． 35; CaO 為 10． 01 ～20 時(shí)檢驗(yàn)允許波動(dòng)范圍為 0． 45。根據(jù)表 1 可知，SiO₂ 儀器檢測值與化驗(yàn)室值誤差小于 0． 35 的比例為80%，CaO 儀器檢測值與化驗(yàn)室值誤差小于 0． 45的比例為 40%，SiO₂ 在線檢測相對(duì)準(zhǔn)確，而 CaO在線檢測存在一定的偏差，需對(duì)儀器參數(shù)進(jìn)行線性擬合參數(shù)調(diào)整。

調(diào)整后再次投入在線檢測，連續(xù)取 6 組樣品進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試結(jié)果驗(yàn)證，結(jié)果如表 2 所示?？梢?，SiO₂ 儀器檢測值與化驗(yàn)室值誤差小于 0． 35 的比例達(dá)83%，CaO 儀器檢測值與化驗(yàn)室值誤差小于0．45 的比例達(dá)83%，說明在線檢測混合料成分準(zhǔn)確性較高，成分在線檢測可以投入試生產(chǎn)。

3． 3 成品礦實(shí)物驗(yàn)證微調(diào)

混合料經(jīng)燒結(jié)后得到成品燒結(jié)礦，燒結(jié)過程中物料的化學(xué)成分因燃燒、氧化等反應(yīng)會(huì)發(fā)生差異變化，但各成分燒損與一些固定的變化是呈一定線性的，因此動(dòng)態(tài)標(biāo)定后，通過核對(duì)燒結(jié)礦成分對(duì)成分分析儀數(shù)據(jù)，對(duì)儀器內(nèi)部曲線斜率及截距加之進(jìn)一步的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)成品燒結(jié)礦化學(xué)成分進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測的功能。

對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行連續(xù)跟蹤，跟蹤的 22 組成品礦檢驗(yàn)數(shù)據(jù)與在線檢測預(yù)測成品礦成分結(jié)果如圖5 所示?？梢?，SiO₂ 在線預(yù)測值與化驗(yàn)室值誤差小于 0. 35 的比例為 77%，CaO 在線預(yù)測值與化驗(yàn)室值誤差小于 0． 45 的比例為 55%，對(duì)成品礦SiO₂ 、CaO 的預(yù)測偏差較大，需根據(jù)以上數(shù)據(jù)對(duì)成分分析儀內(nèi)部斜率及截距進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后再次投入試生產(chǎn)。

4 在線成分測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

投入試生產(chǎn)后，對(duì)測控系統(tǒng)在線預(yù)測值進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表3 所示。可見，SiO₂ 在線預(yù)測值與化驗(yàn)室值誤差小于 0． 35 的比例為 89%，CaO在線預(yù)測值與化驗(yàn)室值誤差小于 0． 45 的比例為100%，說明測控系統(tǒng)在線預(yù)測值與實(shí)際值具有高度吻合，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)成品燒結(jié)礦化學(xué)成分進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測的功能，可以投入自動(dòng)控制生產(chǎn)。

5 自動(dòng)配料效果

5． 1 自動(dòng)配料階段統(tǒng)計(jì)

EMC －21 在線成分分析儀在經(jīng)過一系列調(diào)整標(biāo)定后已滿足對(duì)燒結(jié)礦化學(xué)成分的趨勢顯示，滿足專家系統(tǒng)成分分析程序?qū)ζ湟?，本產(chǎn)線將其投入自動(dòng)控制，按專家系統(tǒng)設(shè)定條件，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)配料。

對(duì)分析儀投入前后 60 批成品礦成分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表 4 所示。在兩種檢測方式下，燒結(jié)混合料 SiO₂ 前后波動(dòng)變化不大，但自動(dòng)配料后，燒結(jié)混合料 CaO 前后波動(dòng)明顯降低，進(jìn)而燒結(jié)礦堿度 R 波動(dòng)降低。

5． 2 檢驗(yàn)有效性分析

如表 4 所示，不同堿度中心值條件下分析儀對(duì)堿度的檢測數(shù)值與化驗(yàn)室分析值進(jìn)行對(duì)比，堿度偏差均在 0． 04 以內(nèi)，分析儀對(duì)不同堿度條件下的原料得到了較好的檢測效果。

5． 3 自動(dòng)控制有效性分析

投入自動(dòng)控制后，根據(jù)不同的堿度中心值時(shí)分析儀測量值與堿度中心值比較，偏差在 0． 04范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)堿度的精確控制。

計(jì)算每組單項(xiàng)測定值與平均值的偏差絕對(duì)值之和，除以測定次數(shù)，計(jì)算每組的平均絕對(duì)偏差值。在投入后燒結(jié)礦實(shí)物堿度平均絕對(duì)偏差值由 0． 06 下降到 0． 038，降低了 0． 022，燒結(jié)礦堿度穩(wěn)定率得到提升，成分自動(dòng)控制取得較好的效果。

5． 4 自動(dòng)控制前后指標(biāo)分析

對(duì)自動(dòng)投入前 145 批樣本數(shù)及投入自動(dòng)控制后 96 批樣本數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如表 5 所示。投入后燒結(jié)礦堿度 ± 0. 08 比例提高 9. 65%，燒結(jié)返礦率 降 低 了 4. 14%，噸 礦 固 體 燃 耗 降 低 了0. 14%，燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)及能耗指標(biāo)均得到較大程度的改善。

6 應(yīng)用效果分析

6． 1 高爐工序應(yīng)用效果分析

參照國內(nèi)煉鐵經(jīng)驗(yàn)，燒結(jié)礦堿度 R 穩(wěn)定率( ±0． 08) 每提高 10% 時(shí)，燃料比降低 1%，產(chǎn)量提高 1． 5% ^［1］ 。統(tǒng)計(jì)投入前后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)可知，本產(chǎn)線燒結(jié)礦堿度穩(wěn)定率( R ± 0． 08) 提高了9. 65%，那么根據(jù)理論計(jì)算可知，高爐工序燃料比降低 0． 965%，鐵水產(chǎn)量增加 1． 45%。

6． 2 燒結(jié)工序應(yīng)用效果分析

投入在線成分分析儀及自動(dòng)控制，燒結(jié)過程穩(wěn)定性得到提高，降低了返礦率、固體燃料及石灰石等各項(xiàng)指標(biāo)，獲得了每噸燒結(jié)礦至少節(jié)省0． 11 歐元的收益^［2］。而根據(jù)柳鋼燒結(jié) 3 # 360 m 2實(shí)踐生產(chǎn)表明，燒結(jié)礦堿度 R ±0． 08 穩(wěn)定率提高9． 65%，燒結(jié)返礦率降低了 4． 14%，噸礦固體燃耗降低了 0． 14%。

7 結(jié) 論

( 1) 針對(duì)燒結(jié)工序燒結(jié)礦化學(xué)成分化驗(yàn)滯后造成的燒結(jié)配料調(diào)整不及時(shí)，以及由此形成的燒結(jié)礦質(zhì)量穩(wěn)定性差，燒結(jié)礦成分的在線監(jiān)測及自動(dòng)配料實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整配料，形成成分閉環(huán)自動(dòng)控制，減少了成品燒結(jié)礦檢化驗(yàn)的滯后性，提高了燒結(jié)礦質(zhì)量的穩(wěn)定性。

( 2) 在線成分分析儀結(jié)合自動(dòng)控制投入后系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，3 # 360 m 2 燒結(jié)機(jī)產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)得到顯著提高，燒結(jié)礦堿度出格率降低4. 48%，堿度 R ±0. 08 穩(wěn)定率提高 9. 65%，燒結(jié)返礦 率 降 低 4. 14%，噸 礦 固 體 燃 耗 降 低了 0. 14%。

( 3) 成分自動(dòng)控制程序使用后，燒結(jié)礦堿度穩(wěn)定性得到大幅的提高，有利于提高高爐產(chǎn)質(zhì)量，穩(wěn)定高爐爐況，高爐工序燃料比可降低0. 965%，鐵水產(chǎn)量可增加 1． 45%。

參考文獻(xiàn)

［1］ 郭曉影． 提高燒結(jié)礦堿度穩(wěn)定率的研究［D］． 沈陽: 東北大學(xué)． 2009．

［2］ Stefan Wienstroer，江同收． 利用 PGNAA 在線元素分析儀減少燒結(jié)進(jìn)料波動(dòng)［C］/ / 2011 年度全國燒結(jié)球團(tuán)技術(shù)交流年會(huì)論文集． 2011．