燒結(jié)礦堿度自動(dòng)控制技術(shù)及應(yīng)用

趙 龍，宋青鋒，張 偉

（丹東東方測(cè)控技術(shù)股份有限公司，遼寧 丹東 118000）

我國(guó)是鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)，每年鋼鐵總產(chǎn)量超過(guò)10 億t，占世界產(chǎn)能的50%以上。燒結(jié)礦是高爐的主要原料，而堿度（R）作為燒結(jié)工藝中的重要控制指標(biāo)，其穩(wěn)定率提高10%，則高爐燃料比可降低1%，高爐產(chǎn)量可提高1.5%[1-2]。目前燒結(jié)生產(chǎn)仍采用化驗(yàn)室指導(dǎo)配料的控制方式，取樣點(diǎn)位于成品礦工藝點(diǎn)，此工藝點(diǎn)距離配料工藝點(diǎn)滯后約2 h，化驗(yàn)周期為2~4 h，配料工程師得到的燒結(jié)礦成分?jǐn)?shù)據(jù)滯后大于4.5 h，由于控制方式的大滯后特性，很容易造成燒結(jié)礦品質(zhì)波動(dòng)，進(jìn)而影響高爐順行[3]。多數(shù)煉鐵廠采用穩(wěn)定原料的方式穩(wěn)定燒結(jié)礦的品質(zhì)，也取得了非常理想的成效，燒結(jié)礦一級(jí)品率相對(duì)較高。目前也存在部分煉鐵廠無(wú)法做到原料穩(wěn)定，熔劑品位波動(dòng)大，沒(méi)有鐵質(zhì)原料均化堆廠，造成燒結(jié)配料難度極大，燒結(jié)礦品質(zhì)不穩(wěn)定。針對(duì)原料波動(dòng)較大的燒結(jié)廠，提升燒結(jié)礦品質(zhì)最有效的辦法是采用燒結(jié)礦自動(dòng)配料系統(tǒng)，在配料皮帶上安裝在線元素分析儀實(shí)時(shí)檢測(cè)燒結(jié)混合料中的TFe、CaO、SiO2含量，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)調(diào)整原料配比。

1 PGNAA 技術(shù)原理

瞬發(fā)伽馬中子活化（PGNAA）技術(shù)是一種元素分析技術(shù)，其不受物料粒度以及環(huán)境粉塵、蒸汽等因素影響，非常適合對(duì)皮帶輸運(yùn)的散裝物料進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)[4-5]。由圖1 可知，熱中子照射物料的原子核，原子核俘獲熱中子形成一個(gè)質(zhì)量數(shù)+1 的新的原子核，新核處于能量激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)原子核會(huì)通過(guò)釋放伽馬射線的形式自動(dòng)退激到能量穩(wěn)定態(tài)，不同的原子核會(huì)釋放特定能量的伽馬射線，收集并統(tǒng)計(jì)這些特征伽馬射線形成伽馬能譜，對(duì)能譜進(jìn)行解譜運(yùn)算，即可得到各元素的含量。Fe、Si、Ca 3 種元素的俘獲反應(yīng)公式見(jiàn)公式（1）

圖1 PGNAA 技術(shù)原理示意

瞬發(fā)γ 中子活化分析（PGNAA）技術(shù)從20 世紀(jì)80年代中后期開始研究，到90 年代中期開始形成工業(yè)化產(chǎn)品，發(fā)展到現(xiàn)在，歷經(jīng)了30 多年的研究與發(fā)展，伴隨著探測(cè)器技術(shù)、高速電子電路技術(shù)、譜分析技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，PGNAA 技術(shù)本身已經(jīng)臻于成熟和完善。

2 PGNAA 技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)

PGNAA 技術(shù)對(duì)各元素的測(cè)量靈敏度取決于中子與被測(cè)元素的原子核之間反應(yīng)截面的大小，反應(yīng)截面越大，測(cè)量靈敏度越高。表1 列出了PGNAA 技術(shù)用于跨輸送帶在線分析時(shí)對(duì)一些常見(jiàn)元素的檢測(cè)靈敏度[6]。從表中可以看出，PGNAA 技術(shù)對(duì)燒結(jié)混合料中的Si、Fe、Ca 元素具有較高的檢測(cè)靈敏度，非常適合對(duì)燒結(jié)混合料中的TFe 和堿度進(jìn)行在線檢測(cè)。

表1 PGNAA 技術(shù)對(duì)某些元素進(jìn)行分析的檢測(cè)靈敏度

由于PGNAA 技術(shù)直接檢測(cè)元素含量，其特征伽馬射線來(lái)自原子核內(nèi)部的能量躍遷，因此這種技術(shù)無(wú)法區(qū)分Fe2+與Fe3+，也就無(wú)法檢測(cè)FeO 含量；同樣原理，PGNAA 技術(shù)無(wú)法區(qū)分燃料中的C 與碳酸根中的C元素，由于PGNAA 設(shè)備內(nèi)部大量使用C、H、O 元素材料，PGNAA 技術(shù)無(wú)法對(duì)燒結(jié)混合料中的燃料熱值進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)，因此無(wú)法指導(dǎo)C 的配料。

3 PGNAA 技術(shù)的檢測(cè)效果

分析儀TFe 靜態(tài)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差小于0.4%，堿度靜態(tài)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差小于0.05，對(duì)照曲線如圖2 所示。從圖2 中可以看到，分析儀檢測(cè)結(jié)果具有非常理想的趨勢(shì)跟隨性。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)樣品檢測(cè)結(jié)果對(duì)照曲線

燒結(jié)配料具有2 道混合工藝，物料沒(méi)有分層現(xiàn)象，且二混后水分含量相對(duì)比較穩(wěn)定，為PGNAA 技術(shù)創(chuàng)造了理想的檢測(cè)條件，因此PGNAA 技術(shù)在燒結(jié)配料環(huán)節(jié)的最佳安裝工藝點(diǎn)是二混之后，且距離混合機(jī)距離較近位置。鞍鋼集團(tuán)安裝了2 套PGNAA 分析儀用于指導(dǎo)2 個(gè)燒結(jié)車間的燒結(jié)堿度配料，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比數(shù)據(jù)曲線如圖3 所示，動(dòng)態(tài)檢測(cè)誤差數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，應(yīng)用分析儀之后這2 個(gè)燒結(jié)車間的燒結(jié)礦堿度穩(wěn)定率分別提升了3.98%和3.96%[7-9]。

表2 分析儀動(dòng)態(tài)檢測(cè)誤差數(shù)據(jù)

圖3 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)樣品檢測(cè)結(jié)果對(duì)照曲線

4 堿度自動(dòng)控制

PGNAA 分析儀可以精準(zhǔn)地檢測(cè)燒結(jié)混合料中的TFe 和堿度指標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)燒結(jié)配料過(guò)程中的鐵料和熔劑的自動(dòng)閉環(huán)控制，但是由于燒結(jié)配料的鐵質(zhì)原料配比計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，修改配比需要較高的權(quán)限，因此配料方案暫時(shí)跳過(guò)了鐵料的控制模塊，首先完成了堿度指標(biāo)的自動(dòng)控制模塊（圖4）。

圖4 堿度自動(dòng)控制模塊組成圖

堿度控制模塊被嵌套在工廠原有配料系統(tǒng)內(nèi)，這樣一方面控制模塊不需要對(duì)底層下料秤進(jìn)行控制，減少了模塊的工作量，另一方面有利于工廠對(duì)程序的日常維護(hù)。PGNAA 分析儀通過(guò)OPC 通信協(xié)議將堿度檢測(cè)結(jié)果發(fā)送給堿度控制模塊，模塊實(shí)時(shí)讀取現(xiàn)場(chǎng)配料系統(tǒng)的各個(gè)料倉(cāng)的下料量設(shè)定值、各個(gè)下料倉(cāng)的下料反饋值、系統(tǒng)的總流量設(shè)定值、系統(tǒng)啟停信號(hào)和系統(tǒng)切換信號(hào)。模塊對(duì)外輸出可調(diào)整溶劑配比PCaO和其他配比Pother，并且滿足

模塊采用比例控制算法，熔劑倉(cāng)新配比在前一次配比的基礎(chǔ)上進(jìn)行增減運(yùn)算。設(shè)置堿度控制目標(biāo)值RD、堿度控制偏差ΔR，可調(diào)整熔劑配比上下限PCaO-HL、PCaO-LL，分析儀檢測(cè)堿度值記為RA。當(dāng)RA-RD＞ΔR 時(shí)，混合料堿度偏高，此時(shí)需要降低可調(diào)熔劑配比PCaO，同時(shí)提升其他配比Pother，計(jì)算公式見(jiàn)公式（3）

式中：K 為預(yù)設(shè)比例系數(shù)。

當(dāng)RA-RD＜-（ΔR）時(shí)，混合料堿度偏低，此時(shí)需要提升可調(diào)熔劑配比PCaO，同時(shí)降低其他配比Pother，計(jì)算公式見(jiàn)公式（4）

為了保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，堿度自動(dòng)控制模塊選擇一個(gè)熔劑倉(cāng)進(jìn)行優(yōu)化配比控制，其余熔劑倉(cāng)執(zhí)行固定配比。根據(jù)各個(gè)下料倉(cāng)的下料反饋值、系統(tǒng)的總流量設(shè)定值計(jì)算反饋配比，當(dāng)反饋配比與設(shè)定配比出現(xiàn)較大偏差時(shí)，說(shuō)明下料倉(cāng)出現(xiàn)故障，模塊會(huì)給出報(bào)警提示。

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用

堿度自動(dòng)控制系統(tǒng)在酒鋼集團(tuán)榆中鋼鐵燒結(jié)廠和鑌鑫鋼鐵得到了應(yīng)用，并取得了理想的應(yīng)用效果。應(yīng)用堿度自動(dòng)控制系統(tǒng)后，堿度合格率分別提升了6.71%和8.73%。

酒鋼集團(tuán)榆中鋼鐵燒結(jié)廠受原料條件限制且沒(méi)有有效的混勻工藝設(shè)施，原料波動(dòng)較大，影響了燒結(jié)礦的指標(biāo)，燒結(jié)礦堿度波動(dòng)較大，熔劑浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，對(duì)高爐爐況順行以及指標(biāo)的優(yōu)化帶來(lái)諸多不利影響。PGNAA 分析儀測(cè)量裝置安裝于二混-1 皮帶廊中部，距離一次混合機(jī)下料口30 m 處，從配料室到二混-1皮帶（一次混合機(jī)后）只需要8 min，配料8 min 后即可得到燒結(jié)料成分，有效縮短控制滯后時(shí)間。分析儀于2020 年7 月安裝完成，同年11 月開始調(diào)試，優(yōu)化配料系統(tǒng)鑲嵌在原DCS 系統(tǒng)內(nèi)，原DCS 系統(tǒng)為羅克韋爾1756 系列。應(yīng)用堿度自動(dòng)控制系統(tǒng)前后對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。從表3 中可以看到，應(yīng)用堿度自動(dòng)控制系統(tǒng)后該燒結(jié)廠的堿度合格率（±0.1）提升了6.71%。

表3 榆中鋼鐵使用堿度控制系統(tǒng)前后對(duì)比數(shù)據(jù) %

鑌鑫鋼鐵燒結(jié)廠鐵質(zhì)原料來(lái)源相對(duì)復(fù)雜，雖然鐵質(zhì)原料具有均化堆場(chǎng)，但每次料頭或料尾都存在成分波動(dòng)；熔劑全部是外購(gòu)，成分也存在波動(dòng)；水分較大造成下料不連續(xù)，致使燒結(jié)礦質(zhì)量波動(dòng)比較大。PGNAA分析儀安裝在燒結(jié)廠二車間（4#燒結(jié)機(jī)）一次混合機(jī)后H-2b 皮帶頭部，在線實(shí)時(shí)檢測(cè)混合料成分，通過(guò)光纖將信號(hào)傳送到燒結(jié)中控室，供配料人員隨時(shí)查閱當(dāng)前燒結(jié)混合料成分和燒結(jié)礦數(shù)據(jù)，自動(dòng)配料模塊鑲嵌在原DCS 系統(tǒng)內(nèi)（西門子S7-300）。應(yīng)用堿度自動(dòng)控制系統(tǒng)前后對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。從表4 中可以看到，應(yīng)用堿度自動(dòng)控制系統(tǒng)后該燒結(jié)廠的堿度合格率（±0.1）提升了8.73%。

表4 鑌鑫鋼鐵使用堿度控制系統(tǒng)前后對(duì)比數(shù)據(jù) %

整個(gè)堿度自動(dòng)控制系統(tǒng)能耗較小，功率小于5 kW；整個(gè)系統(tǒng)無(wú)人值守運(yùn)行，且維護(hù)工作量較小，不需要專職維護(hù)人員；系統(tǒng)的損耗部件為放射源和壓輥，放射源建議增添周期為2.6 年，壓輥建議更換周期為0.5~1年；整個(gè)系統(tǒng)能耗小、故障率低、維護(hù)工作量少，持續(xù)穩(wěn)定燒結(jié)礦堿度指標(biāo)。

6 結(jié)論與展望

目前燒結(jié)配料控制過(guò)程存在大滯后的問(wèn)題，原料的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)礦品質(zhì)發(fā)生波動(dòng)，采用PGNAA 分析儀可以有效解決控制大滯后的難題。將PGNAA 的堿度檢測(cè)結(jié)果與熔劑下料配比結(jié)合，形成閉環(huán)控制，組成堿度自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)堿度指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而提升燒結(jié)礦的堿度指標(biāo)，該控制系統(tǒng)在酒鋼集團(tuán)和鑌鑫鋼鐵得到成功應(yīng)用，應(yīng)用堿度自動(dòng)控制系統(tǒng)后，燒結(jié)廠的堿度合格率（±0.1）分別提升了6.71%和8.73%，且系統(tǒng)工作能耗較低、維護(hù)工作量少，保證工廠燒結(jié)礦堿度指標(biāo)持續(xù)穩(wěn)定。

目前，配料系統(tǒng)僅僅完成了堿度自動(dòng)控制模塊，下一步將研究全鐵的自動(dòng)調(diào)整模塊，實(shí)現(xiàn)堿度、全鐵雙指標(biāo)自動(dòng)控制，穩(wěn)定燒結(jié)礦的品質(zhì)。