向家發
(寶山鋼鐵股份有限公司煉鐵廠，上海200941)
摘要：現有燒結工藝中，燒結礦取樣、制樣及分析過程耗費大量時間，操作人員無法及時調整配料。寶鋼股份煉鐵廠燒結分廠通過引進在線元素分析儀，實時監控四燒結混合料的化學成分，實現實時調整配料。運行實績表明，使用在線分析儀指導生產，燒結礦成品率提高了1.70個百分點，堿度一級器率提高了 1.48個百分點，利用系數提高了 1.4 t/(m2 • d),取得了很好的經濟效益。
關鍵詞：燒結配料；堿度；成品率；智慧制造；在線分析
燒結是鋼鐵生產過程中的一道重要工序,我國燒結礦占高爐原料的60% -75%，燒結礦化學成分、轉鼓強度、粒度大小等性能的穩定對于改善燒結礦質量，實現高爐的優質、低耗、長壽和高效運行有著重要意義[1]。燒結礦成品率、轉鼓強度和粒度組成等都與燒結礦堿度直接相關。生產實踐證明，燒結礦堿度穩定率每提高10% ,焦比降低1%，產量提高1-5% ,可見燒結礦堿度穩定率可直接對高爐經濟技術指標產生影響[2]。
燒結礦樣品從現場取樣到化驗室向中控室發回檢測結果需要4 ~7 h,此時燒結工藝狀況可能已經發生變化，如果現場操作人員機械地按照技術規程的調節量進行調節，可能導致燒結礦堿度波動更加劇烈。化驗室燒結礦成分檢測中取樣、制樣和分析過程的長耗時導致的調整滯后阻礙著堿度穩定性的提升。為了穩定燒結礦化學成分，中南大學開發了數學模型和知識模型相結合的控制方法，建立了燒結礦化學成分的時間序列預報模型和神經網絡預報模型，開發了基于自適應預報的燒結礦化學成分控制專家模型[3］。受燒結過程特點的限制, 不管采用點優化、區間優化，還是區間邊界優化，均存在一定的局限性，使得燒結礦化學成分控制策略難以確定，在實際應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跨帶式全元素在線分析儀可以實時（1 min內）快速檢測混合料的元素成分組成,實現了燒結礦化學成分實時監控、實時調整。該在線分析儀自2008年投入使用后，燒結礦堿度波動由0.043 8 （標準差）減小到0.023 3,返礦率下降7% ,經濟效益可觀。經過與國外同行交流，寶鋼引進該分析儀，并于2016年10月投入使用,有效提高了燒結礦成品率及一級品率，改善了經濟技術指標。
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：中子源發射出快中子-中子和氫碰撞后進行慢化（熱中子）-熱中子被原子核吸收-原子核處于激發態-當原子核穩定時,發射出一個或者多個y射線-當Y射線打到探測器后，發射出光子，然后其被轉換為電（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量。
PGNAA技術具有實時在線檢測、不用采樣、不受顆粒的大小影響、全流量分析等優點，被廣泛應用于工業生產,特別是煤炭、水泥、冶金等資源密集型行業⑸。圖2為典型PGNAA設備工作過程示意圖。當輸送帶通過分析儀時，中子由物料一側入射激發輸送帶上的所有材料，激發產生y射線由物料另一側的探測器捕捉分析。該分析方式不受粒徑或表面效應影響，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、標準樣品及操控端，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用
2.1在線分析儀現場安裝
寶鋼混勻礦、白云石、蛇紋石等各種物料經CFW裝置切出后，經強混、二混、三混混合機混勻、制粒后送往混料料槽備用。理論上講物料經CFW稱量等設備切出后，在線分析儀立即進行成分檢測更能及時發現物料異常，但考慮到現場安裝環境等多個因素影響,在線分析儀安裝在三混混合機后的第一條輸送皮帶尾部，如圖4所示。考慮到物料負載的波動，項目中包含1臺Ramsey皮帶秤。皮帶秤和分析儀安裝在同一個工藝點, 正常工況下分析儀不需要皮帶秤的負載數據即可正常輸出分析結果;借助皮帶秤的實時負載數據及皮帶負載自動補償 ABLC軟件），可應對皮帶負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在線分析儀網絡結構
在線元素分析儀檢測出皮帶上原礦成分數據需要傳入燒結中控專家系統作為自動配料參數, 考慮到燒結主控系統網絡安全性,分析儀數據需要先傳入12網段所配置的兩臺通信前置機內，專家系統再從通訊前置機內讀取所需要的數據，網絡結構如圖5所示。
2.3現場精度驗證
分析儀隨機配置6組標準樣,標準樣由純化學物質配制而成,化學成分覆蓋了現場應用的范圍。每組標樣為多個小包裝（每包2. 5 kg）。
標準樣是分析儀校準的基礎，在出廠前的分析儀制造過程中,利用標準樣對分析儀進行校準,并對硬件進行配置。校準好的分析儀，即可運輸到現場。
在現場，分析儀機電安裝完畢后，即可進行精度驗證。即用同樣的標準樣，放置在分析儀測量通道上，進行重復測量，計算測量的偏差。
2.3.1靜態重復性
對相同批次的材料至少連續獨立測量300次，每次1 min,然后算出每個元素的標準差。期望的標準差能夠等于或者小于表1中的保證值。
2.3.2靜態精度
6組校準標樣試驗值滿足PGNAA分析值的均方根偏差 RMSD）的保證要求。根據皮帶負載,每組標樣測量1 h或者2 h,如表2所示。
2.3.3動態精度
2016年12月到2017年1月期間，17天內在四燒結取樣對比分析分析儀檢測精度，共取78個樣品。具體取樣要求:分析儀實時采集數據，在某一個時間點停止該膠帶機，在取樣處取50 kg混合料，縮分后化驗分析,和相應分析儀分析成分數據進行對比,統計數據差值結果的標準偏差滿足要求。
3應用效果
在線分析儀實時檢測數據接入中控12畫面,操作人員可以査看實時、15 min、30 min等不同級別的堿度、CaO、SiO2等成分數據，如圖6所示。
當CaO,SiO2等趨勢波動時，操作人員根據波動情況進行0、1/2、1/3等不同比例的預先調節, 其中勻礦變堆時預調節效果體現最為明顯。在線分析儀應用前，勻礦變堆后往往3.5 h后取第一個臨樣，以后每隔0. 5 h取一個臨樣，共3個臨樣;3個臨樣分析結果出來后，操作人員根據平均值調節堿度、氧化鎂等成分。但是,此時已經滯后5 ~6 h,加之勻礦堆頭、堆尾料成分波動大，變堆時燒結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據,勻礦變堆時, 操作人員可以提前干預調節，即物料切出后10 min左右，即可發現成分異常，變堆堿度異常數據減少,堿度一級品率提高。
如表3所示,2016年10月分析儀投入使用, 經過一段時間摸索，分析儀于2017年1月正式使用分析儀分析結果指導燒結堿度控制。分析儀投 入后,四燒結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個百分點，同期四燒結機利用系數和燒結礦成品率分別提高1.4 t/(m2 • d)和1.70個百分點。
2018年2月，寶鋼將在線分析儀檢測的數據納入L1自動控制，根據分析儀檢測的CaO、SiO2、MgO等成分結果，提供石灰石、蛇紋石、白云石等建議調整配比，操作人員確認后采納實施。目前,建議配比的調整幅度、調整時機還在繼續優化中，隨著寶鋼智慧燒結項目的推進，預計2019年底將實現借助在線分析儀實現燒結礦成分的全自動控制，根據德國蒂森克虜伯的杜伊斯堡工廠的應用經驗,相信屆時燒結礦一級品率及成品率等技術指標將得到進一步提升[6]。
4結論
跨帶式元素分析儀在寶鋼四燒結機取得非常好的應用效果,無論是對節能降耗,還是直接提高經濟效益，都是非常有益的，主要體現在以下方面：
(1) 跨帶式在線元素分析儀能夠準確分析燒結配料，分析儀安裝在混料機之后,能夠實時、準確分析出混合料的化學成分。
(2) 有了在線分析儀的數據,操作人員可以實時監控到混合料的波動,從而對配料做出及時的調整。
(3) 借助跨帶式元素分析儀可以實現燒結礦化學成分自動實時調整,加速燒結智慧制造的實現。
(4)根據寶鋼四燒結應用實績來看,使用跨帶式元素分析儀后,燒結礦成品率提高了 1-70個百分點，達到80. 56% ;堿度一級品率提高了1.48個百分點，達到98. 60% ；利用系數提高1.4 t/( m2 • d) 。
參考文獻
[1] 朱桂梅-300 m2燒結機配料子系統的研究與開發[D].天津:河北工業大學,2010.
[2] 周取定,孔令壇.鐵礦石造塊理論及工藝[M ].北京:冶金工業岀版社,1989 5.
[3] 范曉慧，王海東，黃天正，等.燒結過程控制專家系統 (I )—系統總體控制方案和系統總體結構[J].中南工業大學學報,1997,28 ( 4) 325 -32&
[4] 龍紅明，范曉慧,袁曉麗，等.燒結過程控制專家系統骨架的開發與應用[J].燒結球團,2006,31(2)=1 -4.
[5] 黑大千.PGNAA在線分析技術的發展與現狀[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.