寧秋平

（遼寧機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東 118009）

一、前言

鋼鐵行業(yè)燒結(jié)過程是將鐵礦粉、熔劑、燃料、代用品及返礦按一定比例組成混合料配以適量水分，于燒結(jié)機中燒結(jié)。在燒結(jié)過程中，上層燒結(jié)料中的水分在升溫過程中蒸發(fā)成水蒸氣。隨著抽風(fēng)，水蒸氣開始在下層冷料表面冷凝形成過濕層。過濕層的透氣性很差，阻礙燃燒和傳熱，致使燒結(jié)總管溫度降低、負(fù)壓升高、燒結(jié)緩慢，不僅影響燒結(jié)礦的質(zhì)量，還影響生產(chǎn)效率。因此水分是影響鋼鐵行業(yè)燒結(jié)過程的重要因素之一。以往一般采用紅外線水分儀對混合料的水分進行監(jiān)測，這與采用中子水分測量相比，響應(yīng)遲緩、實時性差，難以及時發(fā)現(xiàn)水分的異常變動。下文以某鋼廠260m2燒結(jié)機技術(shù)改造項目為例，介紹采用中子水分測量技術(shù)進行混合料水分的在線測量與控制方案，其實現(xiàn)了燒結(jié)混合料水分的實時監(jiān)測，保證了燒結(jié)質(zhì)量。

二、改造任務(wù)

(1)在原有燒結(jié)機的基礎(chǔ)上，將手動加水改為自動加水，并保留其手動加水功能。

(2)在燒結(jié)機混料系統(tǒng)一混(一次混合機)及二混(二次混合機)出口處，設(shè)置中子探測器和γ探測器檢測出料中的水分。

(3)改造部分嵌入原有的自動控制系統(tǒng)中。

三、傳感器

傳感器采用γ探測器和中子探測器，安裝位置見圖1。

測量原理：當(dāng)快中子和原子進行碰撞時，會損失一部分能量而被慢化。氫原子和中子的質(zhì)量相等，中子和氫原子的一次碰撞，幾乎損失了中子的全部能量。所以，氫原子對快中子的慢化作用遠遠大于其他重元素。水分子中的含氫量較多，所以，水對快中子的慢化作用遠遠大于其他物質(zhì)。利用水對快中子慢化的原理，采用檢測快中子數(shù)量來反映物料含水率，可以測定物料中水分的含量。同時，用γ射線吸收法測定物料的總量。兩者相除，就可得到物料中水分的重量百分比。

圖1 中子水分儀在線安裝結(jié)構(gòu)示意圖

四、方案實施

水分自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)(簡稱自控系統(tǒng))采用前饋—反饋控制，PID控制與模糊控制相結(jié)合，見圖2。

圖2 閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖

1.前饋控制

混料系統(tǒng)啟動時，物料從進入混合機后到達出口水分儀檢測點需要一定的時間。如果用檢測到的水分信號來控制加水，那么勢必會造成混料加水滯后現(xiàn)象。為了防止滯后現(xiàn)象，應(yīng)采用前饋的控制方式，在物料剛進入混合機的時候就開始加水，此控制過程由于數(shù)學(xué)模型很難建立，為此采用模糊控制，利用專家經(jīng)驗法制定模糊控制規(guī)則，達到較好的控制效果。

2.反饋控制

當(dāng)物料在混合機里加水混勻，料流經(jīng)過一混出料口水分儀時，自控系統(tǒng)會根據(jù)一混出料端檢測的水分，計算出實際加水量。用前饋控制時計算的理論加水量減去實際加水量就得到所要調(diào)整的水量，將調(diào)整的水量加上前饋控制的理論水量就得到需要達到目標(biāo)水分時的水量。

3.建模

式中：Sj——要達到目標(biāo)水分所要加的水量；

Ss——實際加水量；

Li——一混入料總料量(含入料水分)；

Sm%——工藝要求的目標(biāo)水分；

So%——一混出料端水分儀檢測的實際水分；

Si%——一混入料水分。

由(1)、(2)可知自控系統(tǒng)實際調(diào)整水量：St=Sj+(Sj-Ss)。

4.工作原理(圖3)

系統(tǒng)主要完成以下檢測和控制:

一混來料的物料檢測、出料水分檢測，清水管路清水的流量檢測及其流量控制，污泥管路污泥流量檢測；二混清水管路清水的流量檢測及其流量控制，出料水分檢測。

相關(guān)設(shè)備的啟停檢測及連鎖控制(一混入料、出料皮帶啟停信號、混合機及污泥泵的啟停信號、二混入料皮帶啟停信號、二混出料皮帶啟停信號、混合機啟停信號)。

安裝在一混入料皮帶上的皮帶秤用來檢測混合前物料的重量。通過一混入料水分估算及出料水分設(shè)定，計算出一混工藝需求水量，在加水管上安裝1臺電磁流量計和1臺電動調(diào)節(jié)閥。補加水量由PLC控制一混電動閥自動調(diào)節(jié)完成，需要加污泥時，自控系統(tǒng)會以污泥泵啟動信號為依據(jù)，根據(jù)上位機組態(tài)畫面的濃度設(shè)定值及污泥流量信號對清水水量做出調(diào)整。調(diào)整方式為：清水水量=總加水量-入料含水量-污泥含水量。依據(jù)安裝在一混出料皮帶上的快中子水分儀實際檢測的出料水分，修正補加水的添加比例。

二混的控制，通過一混出料水分、一混的來料量、一混補加水量、二混出料水分設(shè)定及工藝要求計算出二混工藝需求水量。二混補加水量由PLC控制二混電動閥自動調(diào)節(jié)完成。依據(jù)安裝在二混出料皮帶上的快中子水分儀實際檢測的出料水分，修正補加水的添加比例。

5.保護

現(xiàn)場混合料系統(tǒng)出現(xiàn)帶料停車及停車再啟動等特殊情況時，系統(tǒng)會根據(jù)不同的停車、啟動方式做相應(yīng)的處理。

(1)如生產(chǎn)出現(xiàn)重大事故，系統(tǒng)緊急停車(一次混合機及入料、出料皮帶瞬間全停，皮帶上及混合機里都有物料)。

該故障是各大鋼廠都存在并且避免不了的問題，為了確保清水管路能及時關(guān)閉，在清水管路電動調(diào)節(jié)閥前端加裝1臺電磁切斷閥。出現(xiàn)該故障時清水水路電磁切斷閥會根據(jù)混合機及其相關(guān)皮帶停止信號瞬間切斷清水管路清水。二混清水管路上也加裝1臺電磁切斷閥，可根據(jù)混合機及其相關(guān)皮帶停止信號瞬間切斷清水管路清水，同時電動閥也會迅速關(guān)閉(電動閥關(guān)閉與否也是由混合機及其相關(guān)皮帶啟停信號決定的，電動閥關(guān)閉時間大約為1～1.5s)，以保證不會出現(xiàn)水分超限的現(xiàn)象。

系統(tǒng)啟動時因為混合機內(nèi)及其入料皮帶上還有物料，混合機內(nèi)需要迅速加水，否則機內(nèi)物料會因為加水延遲而造成部分物料變干。此時，自控系統(tǒng)會根據(jù)混合機啟動信號及其入料皮帶秤的料量信號(一混入料料量350～450t/h，自控系統(tǒng)判斷混料系統(tǒng)啟車瞬間，料量超過300t/h就迅速加水，二混同上)迅速做出加水的反應(yīng)，加水量由入料量、入料水分及工藝要求達到水分等參數(shù)決定，經(jīng)PLC自動控制電動閥給水量。

(2)一混入料皮帶瞬間停運，而混合機及出料皮帶運行。

此時自控系統(tǒng)會根據(jù)混合機的混料時間(混合機入料口到出料口混料時間)逐漸減小水量而后關(guān)閉電動閥。

一混入料皮帶運行后，自控系統(tǒng)會根據(jù)入料皮帶的啟停信號及入料皮帶下料點到混合機機頭加水點的延時時間控制加水。二混同上。此方案能滿足燒結(jié)廠燒結(jié)混合料水分的在線檢測和補加水量的自動控制需求，燒結(jié)混合料系統(tǒng)最終水分含量(目標(biāo)值)的控制范圍在±0.5以內(nèi)(絕對值)。上位機具有對260m2燒結(jié)機燒結(jié)混料自動加水系統(tǒng)的遠程集中監(jiān)控、操作、歷史數(shù)據(jù)記錄、查詢等功能，以實現(xiàn)燒結(jié)廠水分的真正在線檢測與控制的目的。

五、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和操作方式

控制系統(tǒng)可以依據(jù)實際需要采用1套上位機系統(tǒng)，1臺PLC控制柜、2套現(xiàn)場儀表進行水分檢側(cè)與加水控制。后期系統(tǒng)增加時上位系統(tǒng)不需要變更，僅追加PLC及現(xiàn)場儀表部分，擴充方便。

1.手動操作功能

該功能獨立于控制系統(tǒng)之外，手動操作部分滿足了各工藝設(shè)備的基本運行需要。在電氣部分的手操器上，操作人員可根據(jù)需要選擇自動或手動兩種方式控制。

2.計算機操作功能

開機時，操作人員只需在計算機上用鼠標(biāo)點擊參數(shù)按鈕，設(shè)定各種工藝參數(shù)。自控系統(tǒng)將會按照工藝流程的要求，完成對各設(shè)備的控制。停機時，自控系統(tǒng)將自動關(guān)閉電動閥。

六、控制能力評定

根據(jù)工藝要求，燒結(jié)機一次混合料水分測量范圍為5.5%～7.5%，具體值由生產(chǎn)工藝要求提供，其最大允許波動范圍為±0.3%。根據(jù)工藝要求確定其分辨力需達到0.1%。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境和需配備設(shè)備的技術(shù)要求，環(huán)境條件設(shè)定為0～40℃，濕度＜80%RH。在一混后安裝中子水分儀進行水分自動測量控制后，現(xiàn)場進行了水分采樣測定。即在二混后對燒結(jié)料進行現(xiàn)場取樣，烘干測水，連續(xù)3天，每次取3個樣，持續(xù)3個月，以檢驗二混后燒結(jié)料水分的穩(wěn)定性。取其中3天的具體數(shù)據(jù)為例，列于表1。

表l 二混后混合料水分現(xiàn)場取樣測定值 %

由表l可以看出，使用中子水分儀后，燒結(jié)混合料水分的控制與目標(biāo)值相近，且相當(dāng)穩(wěn)定。燒結(jié)混合料水分完全實現(xiàn)了在線測量與控制，為穩(wěn)定燒結(jié)生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的條件。隨著二混后燒結(jié)料水分的穩(wěn)定性的提高，燒結(jié)礦的品位、燃耗、產(chǎn)量都有了顯著提高。

七、結(jié)論

自控系統(tǒng)能實現(xiàn)自動給水，穩(wěn)定燒結(jié)原料水分配比，提高燒結(jié)機效率，消除人為誤差。中子水分儀不受現(xiàn)場環(huán)境的干擾，適用于現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣的場所?？刂葡到y(tǒng)已從2009年6月運行至今，運行狀態(tài)良好，參數(shù)穩(wěn)定。生產(chǎn)實踐證明，中子水分儀應(yīng)用于生產(chǎn)后，各項指標(biāo)穩(wěn)定可靠，能準(zhǔn)確及時地測定混合料中水的含量，響應(yīng)時間及精度可以滿足工藝要求。

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