陳月紅，張偉

（丹東東方測控技術(shù)股份有限公司，遼寧 丹東 118002）

0 引言

近些年，隨著市場競爭的加劇，資源成本不斷增加，各鋼鐵企業(yè)為增加經(jīng)濟效益，采取了降低成本戰(zhàn)略。在高爐生產(chǎn)中，燒結(jié)礦是高爐入爐的主要原料，占比達(dá)到70%以上，燒結(jié)生產(chǎn)的地位很重要。據(jù)統(tǒng)計，高爐原料堿度波動值由0.1降至0.075時，高爐增產(chǎn)1.5%，焦比降低0.8%。提高燒結(jié)礦的質(zhì)量將直接影響鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)量和質(zhì)量，提高燒結(jié)礦的質(zhì)量至關(guān)重要，所以需要采取切實有效的措施來優(yōu)化控制燒結(jié)礦的生產(chǎn)過程[1-2]。

某鋼鐵廠位于西北地區(qū)，公司具備年生產(chǎn)生鐵95萬噸、鋼坯110萬噸、鋼材130萬噸的生產(chǎn)能力。在燒結(jié)配料環(huán)節(jié)，采用的是人工取樣、制樣和化驗的方式，周期長，代表性差，配料采用人工調(diào)節(jié)，燒結(jié)料的合格率低，需要對燒結(jié)料工藝進(jìn)行改造升級。

本文中介紹的跨皮帶式中子活化多元素分析儀，即應(yīng)用于某鋼鐵廠燒結(jié)料檢測及配料環(huán)節(jié)，可快速識別出物料中元素種類和元素含量，提前預(yù)測出燒結(jié)成品礦的堿度指標(biāo)，根據(jù)結(jié)果調(diào)整熔劑配比，保證了燒結(jié)礦的合格率，提高了鋼鐵廠的質(zhì)量管理水平，為企業(yè)帶來了經(jīng)濟效益。

1 提高燒結(jié)礦質(zhì)量的必要性

燒結(jié)工藝是一個復(fù)雜的工業(yè)過程，燒結(jié)過程不僅能使礦粉成塊，而且對高爐爐料起著火法預(yù)處理的作用，使得高爐冶煉達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗的目的。此外燒結(jié)過程還可去除硫、鋅等有害雜質(zhì)，回收利用工業(yè)生產(chǎn)廢棄物、有色金屬和稀有金屬[3]。

燒結(jié)配料是燒結(jié)的首道工序，它分兩步獲得燒結(jié)所用的混合料。第一步將各種鐵礦石按一定比例混合，形成中和礦；第二步將中和礦、燒結(jié)后的返礦、溶劑和固體燃料按一定比例混合形成混合礦；混合礦經(jīng)過燒結(jié)得到燒結(jié)礦[4]。

燒結(jié)工藝復(fù)雜，影響燒結(jié)礦產(chǎn)量和質(zhì)量的因素有很多，主要包括：燒結(jié)配料結(jié)構(gòu)、燒結(jié)熔劑結(jié)構(gòu)、混合料溫度影響、燒結(jié)機漏風(fēng)率、燒結(jié)料層厚度、混合料水含量、燃料粒度等[5]。

與國際鋼鐵行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)相比，我國的燒結(jié)過程控制技術(shù)水平相對較低，燒結(jié)配料多數(shù)采用人工配料，對操作員的技術(shù)水平、責(zé)任心等要求很高，這種方式誤差性較大，在生產(chǎn)中出現(xiàn)波動時，很難在第一時間做出調(diào)整。為檢驗配料效果，對混合料定時取樣，到廠區(qū)化驗室進(jìn)行化驗，這種方法控制效果不好，并且滯后性很大，當(dāng)化驗結(jié)果反饋時，如果出現(xiàn)了指標(biāo)波動，再去調(diào)整配方為時已晚，可能已生產(chǎn)出劣質(zhì)不達(dá)標(biāo)的燒結(jié)礦，這時就需要返礦，導(dǎo)致了燒結(jié)礦的穩(wěn)定率差，損失可能無法挽回，影響了生產(chǎn)進(jìn)度。

2 跨皮帶式中子活化多元素分析儀

面對燒結(jié)工藝過程中出現(xiàn)的化驗與配料調(diào)整不及時的問題，增加對燒結(jié)礦的過程控制刻不容緩。首先是要提高燒結(jié)礦的檢測頻率，為快速指導(dǎo)配料提供數(shù)據(jù)依據(jù)，這就需要應(yīng)用穩(wěn)定的高精度在線檢測儀表，實時檢測出混合料的成分，提前預(yù)測出燒結(jié)成品礦的堿度指標(biāo)，根據(jù)結(jié)果調(diào)整熔劑配比，最終降低燒結(jié)礦的堿度波動?？缙街凶踊罨嘣胤治鰞x可應(yīng)用于煤炭、水泥和鋼鐵等領(lǐng)域，在鋼鐵領(lǐng)域可以實現(xiàn)燒結(jié)料配料的優(yōu)化控制，提高鋼鐵合格率[6-7]。

2.1 檢測原理

跨皮帶式中子活化多元素分析儀采用中子活化瞬發(fā)γ分析(PGNAA)技術(shù)[7]，靈敏度高，使用γ射線對燒結(jié)料進(jìn)行無損檢測和成分分析。使用中子對樣品進(jìn)行輻照時，樣品內(nèi)核素與中子會發(fā)生相互作用，如：彈性散射、非彈性散射或中子俘獲。中子俘獲反應(yīng)會產(chǎn)生高能的瞬發(fā)伽馬射線，而不同核素俘獲中子產(chǎn)生的瞬發(fā)伽馬能譜特征峰不同，利用這一特性，根據(jù)瞬發(fā)伽馬能譜其特征峰的能量和強度便能夠確定元素的種類和含量。PGNAA技術(shù)可以檢測元素周期表中大部分元素，包括放射性元素，特別是對輕元素（H、B、C、N等）有很高的檢測靈敏度，這一獨特優(yōu)點是其它無損檢測方法難以企及的[8]。

2.2 儀表組成

儀表系統(tǒng)包括測量裝置、中子源、探測器、信號處理柜和主機五部分。其中中子源、探測器分別安裝于測量裝置的下部和上部。載料皮帶從測量裝置中間滑槽穿過，信號處理柜安裝于測量裝置旁，主機安裝于主控室，具體如圖1所示：

圖1 跨皮帶式中子活化多元素分析儀結(jié)構(gòu)示意圖

（1）測量裝置：其結(jié)構(gòu)是模塊式框架結(jié)構(gòu)，其中包含測量過程中的關(guān)鍵部件，同時采用了對射線進(jìn)行防護的裝置，使測量裝置周圍的輻射劑量在國家輻射安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，保證了操作人員的健康安全。

（2）中子源：安裝位置在測量裝置的下部，位于物料皮帶的正下方，放射性活度隨著持續(xù)發(fā)射中子逐漸減小，需補充新的中子源芯以達(dá)到初始源強度。

（3）探測器：安裝于測量裝置的上部，位于物料皮帶的正上方，接收物料被中子作用后發(fā)出的射線。

（4）信號處理柜：柜內(nèi)裝配了儀表的外圍測量部件，包括電源、溫控裝置等，為維持和監(jiān)控儀表正常運行提供了保障。

（5）主機：由硬件和軟件組成，采集來自儀表的數(shù)字信號，對復(fù)雜的信號進(jìn)行分析，對譜信號進(jìn)行解析，計算出物料的元素成分及相關(guān)的質(zhì)量控制參數(shù)，以指導(dǎo)和控制燒結(jié)料生產(chǎn)。

2.3 設(shè)備功能

分析儀具有多元素、多指標(biāo)分析的特點。分析儀對流經(jīng)皮帶的混合料進(jìn)行實時無接觸在線檢測，并且快速給出分析結(jié)果，能同時檢測物料中的Si、Al、Fe、Ca、K、Ti、Na、S等多種元素，以及能檢測出TFe、R等多項指標(biāo)。

分析儀將檢測到的分析結(jié)果匯總至跨皮帶式中子活化多元素分析儀的堿度自動控制程序，建立質(zhì)量控制模型，結(jié)合現(xiàn)場的目標(biāo)質(zhì)量指標(biāo)要求，求取最佳配料比，并實時將混合料的檢測值與目標(biāo)值對比，不斷的進(jìn)行調(diào)整配比，實現(xiàn)閉環(huán)控制，使堿度盡量穩(wěn)定，提高了燒結(jié)礦的品質(zhì)，實現(xiàn)了燒結(jié)過程配料的優(yōu)化控制。

系統(tǒng)提供了自動化的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制功能，通過系統(tǒng)可實時監(jiān)控到儀表的實時運轉(zhuǎn)情況，實現(xiàn)了對燒結(jié)工藝的過程控制，通過系統(tǒng)管理者可方便地進(jìn)行過程狀態(tài)監(jiān)視與分析、優(yōu)化控制管理、參數(shù)設(shè)置、報警提示、報表打印等，人機界面友好。系統(tǒng)才提供了歷史數(shù)據(jù)管理功能，操作員可方便地查詢到任意時刻的檢測數(shù)據(jù)，分為小時、班次、天等多種時間段的統(tǒng)計報表，方便了管理人員查詢，取代了傳統(tǒng)人工繁雜的統(tǒng)計工作。

2.4 技術(shù)優(yōu)勢

PGNAA技術(shù)是當(dāng)前物料在線檢測領(lǐng)域中最先進(jìn)的技術(shù)。由于γ射線穿透性強，使得應(yīng)用這種技術(shù)的分析儀可以對通過該儀表的所有物料進(jìn)行檢測，而應(yīng)用其他檢測技術(shù)的儀表只能檢測到物料的表面或者皮帶上的一小部分物料截面，因此，基于PGNAA技術(shù)的中子活化多元素分析儀的分析結(jié)果的代表性更好。

儀表是實時在線檢測，取代了傳統(tǒng)的人工取樣、制樣和化驗的工藝模式，耗時短，沒有滯后性，節(jié)省了人力物力，根據(jù)實時檢測的數(shù)據(jù)和質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行配料，快速高效，避免了配料不合理造成的經(jīng)濟損失。

儀表在安裝時不需要對皮帶進(jìn)行切割，方便快捷，避免了在安裝部署時長期影響生產(chǎn)。另外儀表的工作時是采用非接觸式的測量原理，所選取的零部件都能適用于工業(yè)現(xiàn)場惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，可長期穩(wěn)定、可靠運行。

3 跨皮帶式中子活化多元素分析儀在該鋼鐵廠的應(yīng)用效果

分析儀安裝于某鋼鐵廠的燒結(jié)分廠一混后工藝點，用于實時檢測燒結(jié)混合料的主要元素成分自動檢測，并實時計算TFe含量及堿度，根據(jù)堿度檢測結(jié)果實時調(diào)整熔劑配比，實現(xiàn)堿度自動控制。

在未安裝分析儀之前，該燒結(jié)分廠受原料條件限制且沒有有效混勻設(shè)施，鐵質(zhì)原料成分波動大，取樣、制樣和化驗周期長，代表性差，配料采用人工調(diào)節(jié)，無法有效指導(dǎo)生產(chǎn)控制，造成燒結(jié)礦堿度波動大，質(zhì)量不穩(wěn)定。

在實施跨皮帶式中子活化多元素分析儀之后，生產(chǎn)狀況得到明顯改善。儀表對燒結(jié)料進(jìn)行實時在線檢測，配料系統(tǒng)依據(jù)工藝質(zhì)量指標(biāo)，自動計算優(yōu)化配比，堿度合格率明顯提高。分析儀從2020年12月開始運行，截止到目前已運行8個月，相比未應(yīng)用分析儀時從2020年1月開始的11個月的合格率，有效提升堿度合格率提高6.79%，具體情況如下表：

表1 某鋼鐵廠應(yīng)用數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

跨皮帶式中子活化多元素分析儀在某鋼鐵廠的成功應(yīng)用，實現(xiàn)了對燒結(jié)礦混合料的實時全斷面在線檢測，精準(zhǔn)的控制原料下料配比，進(jìn)而實現(xiàn)了燒結(jié)工藝的自動閉環(huán)控制，解決了燒結(jié)工藝過程中出現(xiàn)的化驗與配料調(diào)整不及時的問題，避免了燒結(jié)成品礦的堿度波動，提高了燒結(jié)礦的合格率，提高了高爐的質(zhì)量，降低高爐焦比，提高了鋼鐵廠的質(zhì)量管理水平，為企業(yè)帶來了經(jīng)濟效益。