馬洪斌 李冬初
(北京宇宏泰測控技術(shù)有限公司)
摘 要:在線成分檢測技術(shù)能夠在線連續(xù)檢測各種元素含量,以“在線-實(shí)時(shí)-數(shù)字化”解決了熒光和化學(xué)分析方法“離線-滯后-人工化”的弊病,適用于鋼鐵企業(yè)原料采購、混勻料場、球團(tuán)車間、燒結(jié)車間、高爐車間、焦化車間、噴煤車間生產(chǎn)過程智能控制。蒂森克虜伯Duisburg廠2008年,柳鋼燒結(jié)廠2014年,寶鋼股份煉鐵部燒結(jié)分廠2016年,鞍鋼東鞍山燒結(jié)廠2017年安裝在線成分檢測設(shè)備,另外在線成分檢測在鋼鐵行業(yè)前端的礦山行業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于來料分級、料堆質(zhì)量管理、原料配料、細(xì)粒、中粒、大塊產(chǎn)品監(jiān)測等。鋼鐵行業(yè)應(yīng)用方案,一類是提供在線成分檢測結(jié)果,另一類是通過在線成分檢測結(jié)果,進(jìn)行閉環(huán)智能成分調(diào)整,穩(wěn)定原料成分,穩(wěn)定生產(chǎn)過程和生產(chǎn)指標(biāo)。在線成分檢測技術(shù)已經(jīng)度過了其在鋼鐵行業(yè)的適應(yīng)期,硬件、軟件針對鋼鐵行業(yè)工況已經(jīng)能夠很好的適應(yīng),智能配料系統(tǒng)經(jīng)過各項(xiàng)參數(shù)選擇、摸索、試驗(yàn)后,已經(jīng)能夠平穩(wěn)的運(yùn)行,并取得了很好的生產(chǎn)指標(biāo)。
關(guān)鍵詞:化學(xué)成分;在線檢測;智能配料
1 在線成分檢測技術(shù)
中子活化γ射線分析技術(shù),即PGNAA (Prompt Gamma Neutron Activation Analysis),對皮帶上通過的散狀物料,進(jìn)行連續(xù)分析。锎CF252(半衰期為2.65年,人工合成元素)中子源每秒發(fā)出上億個(gè)中子,被皮帶上物料元素的原子核所吸收,這些原子核被激發(fā)而發(fā)出γ射線,探頭接收這些γ射線并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,最后進(jìn)行分析得出數(shù)據(jù)。每種元素激發(fā)的γ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。
(1)材料中的原子核被中子激發(fā)形成具有高能量的不穩(wěn)定原子核。
(2)被激發(fā)不穩(wěn)定原子核趨于穩(wěn)定態(tài)而放出能量。
(3)每個(gè)元素放出帶有本元素特征譜的能量, 像手紋一樣的特征信號。

在線成分檢測技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于礦山,發(fā)電,水泥,煤化工,鋼鐵等行業(yè)。
2 在線成分檢測技術(shù)在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用
(1)蒂森克虜伯Duisburg廠,2008年安裝,在線分析儀的使用幫助蒂森克虜伯獲得了每噸燒結(jié)礦至少節(jié)省0.6歐元的收益,生產(chǎn)線一年生產(chǎn)量為640萬噸,投資回報(bào)期不到6個(gè)月,這直接歸功于返礦的減少、節(jié)省的固體燃料和石灰石。

(2)柳鋼燒結(jié)廠,2014年安裝,柳鋼燒結(jié)3#360m2實(shí)踐生產(chǎn)表明,燒結(jié)閉環(huán)智能配料后,燒結(jié)礦堿度 R±0.08穩(wěn)定率提高9.65%,噸礦固體燃耗降低了0.14%。
(3)寶鋼股份煉鐵部燒結(jié)分廠,2016年安裝,寶鋼自主開發(fā)具有世界一流水準(zhǔn)的燒結(jié)綜合環(huán)保提升技術(shù),具有成分在線自動檢測等先進(jìn)工藝。
(4)鞍鋼東鞍山燒結(jié)廠,2017年安裝,未實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動配料情況下,燒結(jié)礦堿度穩(wěn)定率提高了3.98%。
(5)另外,在線成分檢測在鋼鐵行業(yè)前端的礦山行業(yè)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,例如Khumani/Assmang,Mid South Mine/Assmang,Cloudbreak Mine/FMG,BKM Project/Assmang,Christmas Creek Mine/FMG,Xang Sepon Mine/OXLANA Lane,Sishen Mine/ANGLO KUMBA,Gabes Site/TIFERT,Beeshoek/ Assmang等,應(yīng)用于來料分級 (合格來料免于選礦)、料堆質(zhì)量管理、原料配料、細(xì)粒、中粒、大塊產(chǎn)品監(jiān)測等。

3 傳統(tǒng)成分檢測技術(shù)的不足
隨著國內(nèi)鋼鐵業(yè)的發(fā)展(世界鋼鐵協(xié)會數(shù)據(jù):2017年世界粗鋼產(chǎn)量16.91億噸,中國粗鋼產(chǎn)量8.32億噸,占世界比例49.2%),國內(nèi)煉鐵行業(yè)(料場、球團(tuán)、燒結(jié)、高爐)大而不強(qiáng)的局面日漸顯現(xiàn)。原料傳統(tǒng)的成分檢驗(yàn)方法由于沒有更新、更好的方法進(jìn)行替代而一直在沿用,但越來越多的問題已經(jīng)暴露出來:
(1)原料取樣、制樣環(huán)節(jié)受生產(chǎn)管理、操作習(xí)慣、責(zé)任心、隨機(jī)性等影響存在一定偏差。
(2)原料取樣周期較長,現(xiàn)有檢驗(yàn)方法下,分析結(jié)果得到的是一個(gè)取樣周期內(nèi)原料成分平均值,不能及時(shí)反應(yīng)該取樣周期內(nèi)原料成分的變化,甚至掩蓋了該取樣周期內(nèi)原料成分的異常變化。
(3)現(xiàn)有檢驗(yàn)方法下,成分檢驗(yàn)結(jié)果只代表樣品,不能反應(yīng)全部原料成分。
(4)現(xiàn)有檢驗(yàn)方法下,成分檢驗(yàn)結(jié)果滯后實(shí)際原料,延誤了工藝參數(shù)的針對性調(diào)整。


鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)過程,成份波動=金錢的浪費(fèi),由于長期沒有更新、更好的檢驗(yàn)方法進(jìn)行替代,鋼鐵行業(yè)被動的適應(yīng)成分的波動,制定了諸多修修補(bǔ)補(bǔ)的措施、標(biāo)準(zhǔn),并已成為操作習(xí)慣、管理習(xí)慣、思維習(xí)慣,這些措施、標(biāo)準(zhǔn)、習(xí)慣成為了傳統(tǒng)成分檢測技術(shù)的護(hù)城河,但從長遠(yuǎn)看,在鋼鐵行業(yè)降本增效的終極經(jīng)營目標(biāo)下,任何不適應(yīng)這一目標(biāo)的事物最終將被替代。
4 鋼鐵行業(yè)成分檢測技術(shù)的出路
4.1 出路是根本改變檢測方法
鋼鐵行業(yè)通過提高節(jié)點(diǎn)管控、改善控制反饋等措施,取得一定效果,但面對大規(guī)模、連續(xù)化生產(chǎn)過程,這些措施并不能根本改變問題,因此,在一定歷史時(shí)期內(nèi)成分檢測技術(shù)發(fā)展已經(jīng)不適應(yīng)鋼鐵行業(yè)的精細(xì)化發(fā)展要求,鋼鐵行業(yè)成分檢測技術(shù)出路是根本改變檢測方法。
表1 鋼鐵行業(yè)原料成分控制措施
提高節(jié)點(diǎn)管控 |
改善控制反饋 |
升級化驗(yàn)檢驗(yàn) |
鋼企原料進(jìn)廠檢驗(yàn) |
碼頭料場造堆混勻 鋼企料場造堆混勻 |
? |
在線成分檢測技術(shù),以“在線-實(shí)時(shí)-數(shù)字化”解決了熒光和化學(xué)分析方法“離線-滯后-人工化”的弊病。
4.2 在線成分檢測設(shè)備適用性高
(1)環(huán)境工作溫度為-40℃~ +50℃。
(2)緊湊、集成、單體式設(shè)計(jì),適應(yīng)帶寬600mm至2400mm,托輥角度30至45度,對物料運(yùn)量和皮帶帶速沒有限制。
(3)安裝在相鄰兩組托輥之間,無需接觸皮帶。
(4)主體結(jié)構(gòu),包括放射源、γ射線探頭組和電控柜。電控柜內(nèi)裝有信號處理系統(tǒng),為密封結(jié)構(gòu),可以防止灰塵和水的進(jìn)入。
4.3 在線成分檢測設(shè)備精度高于傳統(tǒng)方法
傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室分析方法的誤差一般是在線成分檢測的一半,但大量的誤差發(fā)生在取樣和制樣環(huán)節(jié)。在線成分檢測沒有取樣和制樣誤差,因此其總體測量精度比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室分析方法精度要高得多。在線成分檢測精度與原料中含有哪些元素、各元素含量、皮帶載荷、探測器數(shù)量、中子源總量等因素息息相關(guān),具體的精度需要根據(jù)各廠情況獨(dú)立標(biāo)定。

5 在線成分檢測技術(shù)鋼鐵行業(yè)應(yīng)用方案
5.1 鋼鐵行業(yè)應(yīng)用方案
在線成分檢測技術(shù)鋼鐵行業(yè)應(yīng)用方案,一類是提供在線成分檢測結(jié)果,另一類是通過在線成分檢測結(jié)果,進(jìn)行閉環(huán)智能成分調(diào)整,穩(wěn)定原料成分,穩(wěn)定生產(chǎn)過程和生產(chǎn)指標(biāo)。

鋼鐵行業(yè)應(yīng)用方案:
(1)含鐵原料采購質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)
基于在線成分檢測的質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng),適用于含鐵原料(鐵礦粉、塊礦、球團(tuán)礦)采購,消除含鐵原料取樣、制樣環(huán)節(jié)人為因素對原料入廠成分檢測的負(fù)面影響、對生產(chǎn)經(jīng)營的負(fù)面影響。
(2)煤粉采購質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)
基于在線成分檢測的質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)(水分、灰分、硫分、發(fā)熱值、灰成分),適用于煤粉采購,消除原料取樣、制樣環(huán)節(jié)人為因素對煤粉入廠成分檢測的負(fù)面影響、對生產(chǎn)經(jīng)營的負(fù)面影響。
(3)焦炭采購質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)
基于在線成分檢測的質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)(水分、灰分、硫分、發(fā)熱值、灰成分),適用于焦炭采購,消除原料取樣、制樣環(huán)節(jié)人為因素對焦炭入廠成分檢測的負(fù)面影響、對生產(chǎn)經(jīng)營的負(fù)面影響。
(4)混勻料場智能配料系統(tǒng)
基于在線成分檢測的智能配料系統(tǒng),適用于混勻料場,提高混勻礦Fe、SiO2穩(wěn)定率。

(5)燒結(jié)智能配料系統(tǒng)
基于在線成分檢測的智能配料系統(tǒng),適用于燒結(jié)車間,提高燒結(jié)礦堿度R穩(wěn)定率。
(6)球團(tuán)智能配料系統(tǒng)
基于在線成分檢測的智能配料系統(tǒng),適用于球團(tuán)車間,提高球團(tuán)礦Fe、SiO2穩(wěn)定率。
(7)焦化智能配料系統(tǒng)
基于在線成分檢測的智能配料系統(tǒng),適用于焦化車間,提高煤粉成分穩(wěn)定率。
(8)噴煤智能配料系統(tǒng)
基于在線成分檢測的智能配料系統(tǒng),適用于噴煤車間,提高煤粉成分穩(wěn)定率。
(9)高爐智能配料系統(tǒng)
基于在線成分檢測的智能配料系統(tǒng),適用于高爐車間,提高高爐爐渣堿度穩(wěn)定率。
(10)燒結(jié)礦質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)
基于在線成分檢測的質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng),適用于成品燒結(jié)礦質(zhì)量監(jiān)測。
5.2 鋼鐵行業(yè)應(yīng)用方案經(jīng)濟(jì)效益舉例
以燒結(jié)智能配料系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益舉例,可見該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測結(jié)果與蒂森克虜伯的經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)。
表2 燒結(jié)智能配料系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
燒結(jié)機(jī)面積m2 |
高爐燃料比降低的經(jīng)濟(jì)效益 萬元/年 |
高爐鐵水產(chǎn)量增加的經(jīng)濟(jì)效益 萬元/年 |
燒結(jié)總返礦率降低的經(jīng)濟(jì)效益 萬元/年 |
年經(jīng)濟(jì)效益 萬元/年 |
90 |
306 |
140 |
165 |
610 |
150 |
514 |
234 |
276 |
1024 |
180 |
616 |
281 |
331 |
1227 |
210 |
718 |
327 |
386 |
1431 |
265 |
906 |
413 |
487 |
1806 |
300 |
1028 |
468 |
552 |
2048 |
320 |
1093 |
498 |
588 |
2179 |
360 |
1232 |
561 |
662 |
2455 |
450 |
1541 |
702 |
829 |
3072 |
500 |
1713 |
780 |
921 |
3413 |
550 |
1884 |
858 |
1013 |
3755 |
600 |
2055 |
936 |
1105 |
4096 |
660 |
2259 |
1029 |
1215 |
4503 |
6 鋼鐵行業(yè)應(yīng)用方案實(shí)施進(jìn)展
2014年,中國鋼鐵行業(yè)第一臺在線成分檢測設(shè)備安裝于柳鋼360m2燒結(jié)機(jī);2017年,中國鋼鐵行業(yè)第一套基于在線成分檢測的燒結(jié)智能配料系統(tǒng)成功運(yùn)行于柳鋼360m2燒結(jié)機(jī)。針對燒結(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)智能配料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)自動調(diào)整配料,形成成分閉環(huán)自動控制,減少了成品燒結(jié)礦檢驗(yàn)化驗(yàn)的滯后性,提高了燒結(jié)礦質(zhì)量的穩(wěn)定性。[1]
在線成分分析儀結(jié)合自動控制投入后系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,數(shù)據(jù)可靠,3#360m2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%。

表3 燒結(jié)智能配料系統(tǒng)投入前后對比
指標(biāo) |
燒結(jié)智能配料投入前后對比 |
R±0.08 |
+9.65% |
返礦率 |
-4.14% |
表4 鋼鐵行業(yè)應(yīng)用方案實(shí)施進(jìn)展
序號 |
應(yīng)用方案 |
進(jìn)度 |
1 |
燒結(jié)智能配料系統(tǒng) |
已實(shí)施 |
2 |
球團(tuán)智能配料系統(tǒng) |
推進(jìn) |
3 |
燒結(jié)礦質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng) |
推進(jìn) |
4 |
混勻料場智能配料系統(tǒng) |
推進(jìn) |
5 |
含鐵原料采購質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng) |
推進(jìn) |
7 鋼鐵行業(yè)應(yīng)用方案實(shí)施難度
(1)在線成分檢測技術(shù)進(jìn)入國內(nèi)鋼鐵行業(yè)已滿五年,在鋼鐵企業(yè)、設(shè)計(jì)單位和自動化企業(yè)共同努力下,在線成分檢測技術(shù)已經(jīng)度過了其在鋼鐵行業(yè)的適應(yīng)期,硬件、軟件針對鋼鐵行業(yè)工況已經(jīng)能夠很好的適應(yīng),智能配料系統(tǒng)經(jīng)過各項(xiàng)參數(shù)選擇、摸索、試驗(yàn)后,已經(jīng)能夠平穩(wěn)的運(yùn)行,并取得了很好的生產(chǎn)指標(biāo)。但部分鋼鐵企業(yè)習(xí)慣傳統(tǒng)成分檢測技術(shù),缺乏主動創(chuàng)新,短線思維嚴(yán)重。
(2)部分鋼鐵企業(yè)擔(dān)心中子源安全問題,在線成分檢測設(shè)備所配锎CF252中子源在環(huán)保部門備案,設(shè)備防護(hù)到位,各項(xiàng)現(xiàn)場輻射指標(biāo)需要經(jīng)過第三方定期檢測達(dá)標(biāo)。
《輻射防護(hù)規(guī)定(GB8703-88)》規(guī)定,為了限制隨機(jī)效應(yīng),輻射工作人員的年有效劑量當(dāng)量限值為50mSv(5000mrem)。為了防止非隨機(jī)效應(yīng),眼晶體的年劑量當(dāng)量限值為150mSv(15000mrem);其他單個(gè)器官或組織的年劑理當(dāng)量限值為500mSv(50000mrem)。公眾成員的年有效劑量當(dāng)量不超過1mSv(100mrem)。如果按終生劑量平均的年有效劑量當(dāng)量不超過 1mSv(100mrem),則在某些年份里允許以每年5mSv(500mrem)作為劑量限值。公眾成員的皮膚和眼晶體的年劑量當(dāng)量限值為50mSv(5000mrem)。
工作人員每天在在線成分檢測設(shè)備1米遠(yuǎn)處工作10分鐘,每年有效輻射劑量92mrem,與照一次X光吸收的輻射劑量類似,遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn),并且實(shí)際上在線成分檢測設(shè)備無需工作人員維護(hù)。因此,在線成分檢測設(shè)備安全性可以得到保證。
表 5 在線成分檢測設(shè)備安全性比較
常見的日常活動接受的輻射劑量 |
mrem |
乘500公里的飛機(jī)要接受宇宙輻射 |
4 |
每天看兩個(gè)小時(shí)電視,一年要接受的輻射劑量 |
2 |
照一次X光,要吸收的輻射劑量 |
50-100 |
安檢(每天2次乘坐地鐵) |
200 |
居住在昆明每年接受輻射量 |
120 |
在線成分檢測設(shè)備員工每年最高積累 |
212 |
離在線成分檢測設(shè)備一米處連續(xù)工作一個(gè)小時(shí)(保證值) |
< 1.5 |
離在線成分檢測設(shè)備一米處連續(xù)工作一個(gè)小時(shí)(實(shí)際測試) |
~0.5 |
(3)在線成分檢測技術(shù)方面,國內(nèi)科研單位長期側(cè)重于實(shí)驗(yàn)室研究,工業(yè)化應(yīng)用研究不足,國內(nèi)產(chǎn)品缺乏長期的工業(yè)化研究成果支撐而檢測精度不足,工業(yè)化應(yīng)用的在線成分檢測設(shè)備主要從美國、澳大利亞進(jìn)口,锎CF252中子源國內(nèi)生產(chǎn)成本高,主要從俄羅斯、美國進(jìn)口。
8 結(jié)語
(1)在線成分檢測技術(shù)能夠在線連續(xù)檢測各種元素含量(TFe、Si、Ca、Mg、Al、Ti等全元素分析),以“在線-實(shí)時(shí)-數(shù)字化”解決了熒光和化學(xué)分析方法“離線-滯后-人工化”的弊病,適用于鋼鐵企業(yè)原料采購、混勻料場、球團(tuán)車間、燒結(jié)車間、高爐車間、焦化車間、噴煤車間生產(chǎn)過程智能控制。
(2)蒂森克虜伯Duisburg廠2008年,柳鋼燒結(jié)廠2014年,寶鋼股份煉鐵部燒結(jié)分廠2016年,鞍鋼東鞍山燒結(jié)廠2017年安裝在線成分檢測設(shè)備,另外,在線成分檢測在鋼鐵行業(yè)前端的礦山行業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于來料分級 (合格來料免于選礦)、料堆質(zhì)量管理、原料配料、細(xì)粒、中粒、大塊產(chǎn)品監(jiān)測等。
(3)在線成分檢測技術(shù)鋼鐵行業(yè)應(yīng)用方案,一類是提供在線成分檢測結(jié)果,另一類是通過在線成分檢測結(jié)果,進(jìn)行閉環(huán)智能成分調(diào)整,穩(wěn)定原料成分,穩(wěn)定生產(chǎn)過程和生產(chǎn)指標(biāo)。
(4)在線成分檢測技術(shù)進(jìn)入國內(nèi)鋼鐵行業(yè)已滿五年,在鋼鐵企業(yè)、設(shè)計(jì)單位和自動化企業(yè)共同努力下,在線成分檢測技術(shù)已經(jīng)度過了其在鋼鐵行業(yè)的適應(yīng)期,硬件、軟件針對鋼鐵行業(yè)工況已經(jīng)能夠很好的適應(yīng),智能配料系統(tǒng)經(jīng)過各項(xiàng)參數(shù)選擇、摸索、試驗(yàn)后,已經(jīng)能夠平穩(wěn)的運(yùn)行,并取得了很好的生產(chǎn)指標(biāo)。
參考文獻(xiàn)
[1] 在線成分測控系統(tǒng)在柳鋼燒結(jié)生產(chǎn)的應(yīng)用實(shí)踐. 甘牧原,李宗社,劉巍等. 燒結(jié)球團(tuán),2018.6:20~24