向家發(fā)

(寶山鋼鐵股份有限公司煉鐵廠，上海200941)

摘要：現(xiàn)有燒結(jié)工藝中，燒結(jié)礦取樣、制樣及分析過程耗費(fèi)大量時(shí)間，操作人員無法及時(shí)調(diào)整配料。寶鋼股份煉鐵廠燒結(jié)分廠通過引進(jìn)在線元素分析儀，實(shí)時(shí)監(jiān)控四燒結(jié)混合料的化學(xué)成分，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整配料。運(yùn)行實(shí)績表明，使用在線分析儀指導(dǎo)生產(chǎn)，燒結(jié)礦成品率提高了1.70個(gè)百分點(diǎn)，堿度一級器率提高了 1.48個(gè)百分點(diǎn)，利用系數(shù)提高了 1.4 t/(m² • d),取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：燒結(jié)配料；堿度；成品率；智慧制造；在線分析

燒結(jié)是鋼鐵生產(chǎn)過程中的一道重要工序,我國燒結(jié)礦占高爐原料的60% -75%，燒結(jié)礦化學(xué)成分、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、粒度大小等性能的穩(wěn)定對于改善燒結(jié)礦質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)高爐的優(yōu)質(zhì)、低耗、長壽和高效運(yùn)行有著重要意義^[1]。燒結(jié)礦成品率、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度和粒度組成等都與燒結(jié)礦堿度直接相關(guān)。生產(chǎn)實(shí)踐證明，燒結(jié)礦堿度穩(wěn)定率每提高10% ,焦比降低1%，產(chǎn)量提高1-5% ,可見燒結(jié)礦堿度穩(wěn)定率可直接對高爐經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)生影響^[2]。

燒結(jié)礦樣品從現(xiàn)場取樣到化驗(yàn)室向中控室發(fā)回檢測結(jié)果需要4 ~7 h,此時(shí)燒結(jié)工藝狀況可能已經(jīng)發(fā)生變化，如果現(xiàn)場操作人員機(jī)械地按照技術(shù)規(guī)程的調(diào)節(jié)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，可能導(dǎo)致燒結(jié)礦堿度波動更加劇烈。化驗(yàn)室燒結(jié)礦成分檢測中取樣、制樣和分析過程的長耗時(shí)導(dǎo)致的調(diào)整滯后阻礙著堿度穩(wěn)定性的提升。為了穩(wěn)定燒結(jié)礦化學(xué)成分，中南大學(xué)開發(fā)了數(shù)學(xué)模型和知識模型相結(jié)合的控制方法，建立了燒結(jié)礦化學(xué)成分的時(shí)間序列預(yù)報(bào)模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)模型，開發(fā)了基于自適應(yīng)預(yù)報(bào)的燒結(jié)礦化學(xué)成分控制專家模型^[3］。受燒結(jié)過程特點(diǎn)的限制, 不管采用點(diǎn)優(yōu)化、區(qū)間優(yōu)化，還是區(qū)間邊界優(yōu)化，均存在一定的局限性，使得燒結(jié)礦化學(xué)成分控制策略難以確定，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定局限性。

德國蒂森克虜伯的杜伊斯堡工廠三燒結(jié)跨帶式全元素在線分析儀可以實(shí)時(shí)（1 min內(nèi)）快速檢測混合料的元素成分組成,實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)礦化學(xué)成分實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)調(diào)整。該在線分析儀自2008年投入使用后，燒結(jié)礦堿度波動由0.043 8 （標(biāo)準(zhǔn)差）減小到0.023 3,返礦率下降7% ,經(jīng)濟(jì)效益可觀。經(jīng)過與國外同行交流，寶鋼引進(jìn)該分析儀，并于2016年10月投入使用,有效提高了燒結(jié)礦成品率及一級品率，改善了經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

1  跨帶式在線元素分析儀簡介

1.1跨帶式元素分析儀工作原理

在線元素分析儀跨皮帶安裝，工作原理為瞬發(fā)伽瑪中子活化分析（英文簡稱為PGNAA）,工作原理圖如圖1所示。

在線分析（PGNAA）的工作流程為：中子源發(fā)射出快中子-中子和氫碰撞后進(jìn)行慢化（熱中子）-熱中子被原子核吸收-原子核處于激發(fā)態(tài)-當(dāng)原子核穩(wěn)定時(shí),發(fā)射出一個(gè)或者多個(gè)y射線-當(dāng)Y射線打到探測器后，發(fā)射出光子，然后其被轉(zhuǎn)換為電（電壓）脈沖-通過分析來自探測器的信號，測量出樣品中的元素質(zhì)量。

PGNAA技術(shù)具有實(shí)時(shí)在線檢測、不用采樣、不受顆粒的大小影響、全流量分析等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn),特別是煤炭、水泥、冶金等資源密集型行業(yè)⑸。圖2為典型PGNAA設(shè)備工作過程示意圖。當(dāng)輸送帶通過分析儀時(shí)，中子由物料一側(cè)入射激發(fā)輸送帶上的所有材料，激發(fā)產(chǎn)生y射線由物料另一側(cè)的探測器捕捉分析。該分析方式不受粒徑或表面效應(yīng)影響，并且沒有采樣誤差。

1.2跨帶式元素分析儀組成

分析儀包括分析儀主體、電控柜、標(biāo)準(zhǔn)樣品及操控端，分析儀主體由中子源、探測器、屏蔽支架組成，見圖3。

2  在線分析儀在寶鋼的應(yīng)用

2.1在線分析儀現(xiàn)場安裝

寶鋼混勻礦、白云石、蛇紋石等各種物料經(jīng)CFW裝置切出后，經(jīng)強(qiáng)混、二混、三混混合機(jī)混勻、制粒后送往混料料槽備用。理論上講物料經(jīng)CFW稱量等設(shè)備切出后，在線分析儀立即進(jìn)行成分檢測更能及時(shí)發(fā)現(xiàn)物料異常，但考慮到現(xiàn)場安裝環(huán)境等多個(gè)因素影響,在線分析儀安裝在三混混合機(jī)后的第一條輸送皮帶尾部，如圖4所示?？紤]到物料負(fù)載的波動，項(xiàng)目中包含1臺Ramsey皮帶秤。皮帶秤和分析儀安裝在同一個(gè)工藝點(diǎn), 正常工況下分析儀不需要皮帶秤的負(fù)載數(shù)據(jù)即可正常輸出分析結(jié)果;借助皮帶秤的實(shí)時(shí)負(fù)載數(shù)據(jù)及皮帶負(fù)載自動補(bǔ)償 ABLC軟件），可應(yīng)對皮帶負(fù)載波動對分析精度帶來的影響,保證分析儀的分析精度。

2.2在線分析儀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在線元素分析儀檢測出皮帶上原礦成分?jǐn)?shù)據(jù)需要傳入燒結(jié)中控專家系統(tǒng)作為自動配料參數(shù), 考慮到燒結(jié)主控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全性,分析儀數(shù)據(jù)需要先傳入12網(wǎng)段所配置的兩臺通信前置機(jī)內(nèi)，專家系統(tǒng)再從通訊前置機(jī)內(nèi)讀取所需要的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.3現(xiàn)場精度驗(yàn)證

分析儀隨機(jī)配置6組標(biāo)準(zhǔn)樣,標(biāo)準(zhǔn)樣由純化學(xué)物質(zhì)配制而成,化學(xué)成分覆蓋了現(xiàn)場應(yīng)用的范圍。每組標(biāo)樣為多個(gè)小包裝（每包2. 5 kg）。

標(biāo)準(zhǔn)樣是分析儀校準(zhǔn)的基礎(chǔ)，在出廠前的分析儀制造過程中,利用標(biāo)準(zhǔn)樣對分析儀進(jìn)行校準(zhǔn),并對硬件進(jìn)行配置。校準(zhǔn)好的分析儀，即可運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場。

在現(xiàn)場，分析儀機(jī)電安裝完畢后，即可進(jìn)行精度驗(yàn)證。即用同樣的標(biāo)準(zhǔn)樣，放置在分析儀測量通道上，進(jìn)行重復(fù)測量，計(jì)算測量的偏差。

2.3.1靜態(tài)重復(fù)性

對相同批次的材料至少連續(xù)獨(dú)立測量300次，每次1 min,然后算出每個(gè)元素的標(biāo)準(zhǔn)差。期望的標(biāo)準(zhǔn)差能夠等于或者小于表1中的保證值。

2.3.2靜態(tài)精度

6組校準(zhǔn)標(biāo)樣試驗(yàn)值滿足PGNAA分析值的均方根偏差 RMSD）的保證要求。根據(jù)皮帶負(fù)載,每組標(biāo)樣測量1 h或者2 h,如表2所示。

2.3.3動態(tài)精度

2016年12月到2017年1月期間，17天內(nèi)在四燒結(jié)取樣對比分析分析儀檢測精度，共取78個(gè)樣品。具體取樣要求:分析儀實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)停止該膠帶機(jī)，在取樣處取50 kg混合料，縮分后化驗(yàn)分析,和相應(yīng)分析儀分析成分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行對比,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)差值結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差滿足要求。

3應(yīng)用效果

在線分析儀實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)接入中控12畫面,操作人員可以査看實(shí)時(shí)、15 min、30 min等不同級別的堿度、CaO、SiO₂等成分?jǐn)?shù)據(jù)，如圖6所示。

當(dāng)CaO,SiO₂等趨勢波動時(shí)，操作人員根據(jù)波動情況進(jìn)行0、1/2、1/3等不同比例的預(yù)先調(diào)節(jié), 其中勻礦變堆時(shí)預(yù)調(diào)節(jié)效果體現(xiàn)最為明顯。在線分析儀應(yīng)用前，勻礦變堆后往往3.5 h后取第一個(gè)臨樣，以后每隔0. 5 h取一個(gè)臨樣，共3個(gè)臨樣;3個(gè)臨樣分析結(jié)果出來后，操作人員根據(jù)平均值調(diào)節(jié)堿度、氧化鎂等成分。但是,此時(shí)已經(jīng)滯后5 ~6 h,加之勻礦堆頭、堆尾料成分波動大，變堆時(shí)燒結(jié)礦堿度等成分波動較大，從而影響堿度一級品率。借助在線分析儀檢測數(shù)據(jù),勻礦變堆時(shí), 操作人員可以提前干預(yù)調(diào)節(jié)，即物料切出后10 min左右，即可發(fā)現(xiàn)成分異常，變堆堿度異常數(shù)據(jù)減少,堿度一級品率提高。

如表3所示,2016年10月分析儀投入使用, 經(jīng)過一段時(shí)間摸索，分析儀于2017年1月正式使用分析儀分析結(jié)果指導(dǎo)燒結(jié)堿度控制。分析儀投 入后,四燒結(jié)堿度一級品率波動幅度明顯降低，一級品率明顯提高,2018年平均堿度較2016年提高1.48個(gè)百分點(diǎn)，同期四燒結(jié)機(jī)利用系數(shù)和燒結(jié)礦成品率分別提高1.4 t/(m² • d)和1.70個(gè)百分點(diǎn)。

2018年2月，寶鋼將在線分析儀檢測的數(shù)據(jù)納入L1自動控制，根據(jù)分析儀檢測的CaO、SiO₂、MgO等成分結(jié)果，提供石灰石、蛇紋石、白云石等建議調(diào)整配比，操作人員確認(rèn)后采納實(shí)施。目前,建議配比的調(diào)整幅度、調(diào)整時(shí)機(jī)還在繼續(xù)優(yōu)化中，隨著寶鋼智慧燒結(jié)項(xiàng)目的推進(jìn)，預(yù)計(jì)2019年底將實(shí)現(xiàn)借助在線分析儀實(shí)現(xiàn)燒結(jié)礦成分的全自動控制，根據(jù)德國蒂森克虜伯的杜伊斯堡工廠的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),相信屆時(shí)燒結(jié)礦一級品率及成品率等技術(shù)指標(biāo)將得到進(jìn)一步提升^[6]。

4結(jié)論

跨帶式元素分析儀在寶鋼四燒結(jié)機(jī)取得非常好的應(yīng)用效果,無論是對節(jié)能降耗,還是直接提高經(jīng)濟(jì)效益，都是非常有益的，主要體現(xiàn)在以下方面：

(1) 跨帶式在線元素分析儀能夠準(zhǔn)確分析燒結(jié)配料，分析儀安裝在混料機(jī)之后,能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確分析出混合料的化學(xué)成分。

(2) 有了在線分析儀的數(shù)據(jù),操作人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控到混合料的波動,從而對配料做出及時(shí)的調(diào)整。

(3) 借助跨帶式元素分析儀可以實(shí)現(xiàn)燒結(jié)礦化學(xué)成分自動實(shí)時(shí)調(diào)整,加速燒結(jié)智慧制造的實(shí)現(xiàn)。

(4)根據(jù)寶鋼四燒結(jié)應(yīng)用實(shí)績來看,使用跨帶式元素分析儀后,燒結(jié)礦成品率提高了 1-70個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)到80. 56% ;堿度一級品率提高了1.48個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)到98. 60% ；利用系數(shù)提高1.4 t/( m² • d) 。 

參考文獻(xiàn)

[1]  朱桂梅-300 m2燒結(jié)機(jī)配料子系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].天津:河北工業(yè)大學(xué),2010.

[2]  周取定,孔令壇.鐵礦石造塊理論及工藝[M ].北京:冶金工業(yè)岀版社,1989 5.

[3] 范曉慧，王海東，黃天正，等.燒結(jié)過程控制專家系統(tǒng) (I )—系統(tǒng)總體控制方案和系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1997,28 ( 4) 325 -32&

[4] 龍紅明，范曉慧,袁曉麗，等.燒結(jié)過程控制專家系統(tǒng)骨架的開發(fā)與應(yīng)用[J].燒結(jié)球團(tuán),2006,31(2)=1 -4.

[5]  黑大千.PGNAA在線分析技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].科技資訊,2014(6) 63 - 64.

[6 ] Christoph D, Hans F, Thomas S, et al. Sinter process optimisation by prompt gamma neutron activation analysis (PGNAA) based basicity control system [ J]. Sintering,2011 (2) 1-6.