信美華 尹毅強 孫小林

(丹東東方測控技術(shù)股份有限公司)

基于微波原理的燒結(jié)混合料水分在線檢測系統(tǒng)

信美華 尹毅強 孫小林

(丹東東方測控技術(shù)股份有限公司)

傳統(tǒng)的燒結(jié)混合料水分檢測采用烘干法進(jìn)行，但結(jié)果偏差大、分析時間長，無法實時反映水分的變化情況?；谥凶臃ā⒓t外法的水分檢測儀器也存在著適用范圍窄、維護(hù)較難的缺點。在分析影響燒結(jié)混合料水分檢測結(jié)果因素的基礎(chǔ)上，基于多樣化介電常數(shù)的模型分析，經(jīng)比較選擇基于微波原理的水分在線檢測系統(tǒng)進(jìn)行燒結(jié)混合料的水分實時檢測，可消除介質(zhì)多樣化對水分檢測結(jié)果的影響。工業(yè)應(yīng)用實踐結(jié)果表明，該系統(tǒng)在燒結(jié)混合料水分檢測中，檢測值與化驗值較為一致，應(yīng)用效果較理想?；谖⒉ㄔ淼乃衷诰€檢測系統(tǒng)的應(yīng)用對于優(yōu)化燒結(jié)混合料水分、提高高爐煉鐵的經(jīng)濟(jì)效益具有重要作用。

燒結(jié)混合料 微波 介電常數(shù) 水分檢測

鋼鐵行業(yè)是衡量一個國家工業(yè)發(fā)展水平高低的一個重要指標(biāo)，原料價格與性能決定著其在世界市場中的競爭力。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，在我國鋼鐵企業(yè)中實行原料生產(chǎn)控制自動化，對于全面實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)自動化具有極其重要的意義。

我國鐵礦石資源總量較為豐富，但富礦較少、貧礦多，90%的鐵礦石屬于貧鐵礦石。目前鋼鐵工業(yè)多采用高爐-轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)流程，貧鐵精礦經(jīng)燒結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)榫虾笤龠M(jìn)入高爐冶煉。燒結(jié)混合料的質(zhì)量是高爐煉鐵獲得較好經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的基礎(chǔ)前提和重要的技術(shù)因素，其水分的在線監(jiān)測有助于實現(xiàn)質(zhì)量的實時自動化控制，對于提高高爐煉鐵的質(zhì)量和效益具有積極作用。

1 燒結(jié)混合料的水分檢測

燒結(jié)是將不同質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的原料(精礦粉、富礦粉、氧化鐵皮、菱鎂石)、溶劑(石灰石、生石灰、消石灰和白云石)、燃料(碎焦、無煙煤)按照一定的比例進(jìn)行混合后，在一定的高溫作用下，部分顆粒表面發(fā)生軟化和熔化，產(chǎn)生一定量的液相，并與其他未熔礦石顆粒作用。冷卻后，液相將礦粉顆粒粘結(jié)成塊，產(chǎn)品稱為燒結(jié)礦。在高爐煉鐵時，要求爐料粒度均勻、機(jī)械強度高、含鐵品位高、有害雜質(zhì)少。

燒結(jié)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)及技術(shù)指標(biāo)在很大程度上取決于混合料的含碳量、水分、操作控制手段，而水分在三者關(guān)系中起著先導(dǎo)作用。掌握和控制燒結(jié)混合料的水分，使其達(dá)到工藝上最佳的水分要求，水分檢測是不可缺少的重要環(huán)節(jié)[1]。

對于燒結(jié)混合料水分在線檢測，大部分廠家都是通過在傳輸運載物料皮帶上安裝一個在線檢測水分的裝置來實現(xiàn)的。盡管水分檢測方法很多，但不論采用哪種方法，都需要考慮皮帶上燒結(jié)混合料的狀態(tài)和周圍的使用環(huán)境。在實際生產(chǎn)中，燒結(jié)混合料水分檢測需要考慮很多現(xiàn)場實際因素，主要有：

(1)混合料表面的水蒸氣。在燒結(jié)生產(chǎn)中，消石灰是一種溶劑，在其消化過程中會使部分混合料和水分揮發(fā)。另外，有時還在混合料中加入一般溫度較高的返礦，同樣會在物料的表面產(chǎn)生大量的水蒸汽。

(2)混合料的形狀和表面的平整度。在燒結(jié)混合料的下料過程中，很難保證下料每次都均勻落在皮帶中心，料型經(jīng)常出現(xiàn)起伏不平的現(xiàn)象，會影響水分測量的準(zhǔn)確性。

(3)混合料成分的變化。燒結(jié)廠會根據(jù)不同質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的原礦、溶劑、燃料進(jìn)行相應(yīng)的配比，燒結(jié)混合料的成分隨之發(fā)生變化，顏色和物理性能也出現(xiàn)很大的差異，對水分的檢測結(jié)果造成波動。

2 微波法在燒結(jié)混合料水分檢測中的優(yōu)勢

烘干法是傳統(tǒng)的水分檢測方法，需要人工進(jìn)行取樣、置樣、化驗。由于取樣代表性偏差，導(dǎo)致水分檢測結(jié)果偏差很大，而且分析時間很長，無法對產(chǎn)品水分進(jìn)行實時監(jiān)測。

目前，市場上新型的水分檢測手段主要通過基于中子法、紅外法和微波法三種原理設(shè)計的在線水分檢測儀器實現(xiàn)。紅外法利用物料對紅外線特征吸收光譜的吸收量隨含水量變化而變化的原理檢測水分。測量固體粉狀物料水分時一般采用反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)，要求表面平整度要高。由于只能測量表面的水分，當(dāng)物料表面有水蒸氣、成分變動或顏色發(fā)生變化時，測量結(jié)果將出現(xiàn)很大偏差，無法適應(yīng)復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境。中子法基于中子對水分中的氫元素敏感的原理(氫元素可以使中子發(fā)生慢化)，但由于中子源有泄露危害，需要特殊防護(hù)，維修工作量大且響應(yīng)速度較慢，目前已很少用于混合料的水分測量[2]。

微波法基于液態(tài)水的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于固體及空氣介電常數(shù)的原理，微波信號穿過介質(zhì)的內(nèi)部，分析整體介質(zhì)的信息，物料形狀、表面水蒸氣都不影響水分測量。但當(dāng)成分發(fā)生變化時，也會對微波檢測造成干擾。消弱甚至避免成分變化對微波檢測的影響，成為微波法測量燒結(jié)混合料水分的難題。

3 基于多樣化介質(zhì)介電常數(shù)的模型分析

一些介電特性不同成分組成多相的物質(zhì)的有效介電常數(shù)一般用εeff來表達(dá)?；旌衔锟梢岳斫鉃閮上辔镔|(zhì)，其中一種形成了背景或者環(huán)境，另外一種作為一種外來物質(zhì)而加入其中，形成了被包含的相[3]。在測量燒結(jié)混合料水分時，可以把物料看成是液相和固相兩相混合的物料，由于該兩相混合物含有液態(tài)水，其介電響應(yīng)損耗較高。

定義形成背景的主物質(zhì)的相對介電常數(shù)為εe，外來物質(zhì)的為εi，被包含的物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)為f。

根據(jù)麥克斯韋—加內(nèi)特定律得到預(yù)測有效介電常數(shù)εeff為：

如果麥克斯韋-加內(nèi)特定律被反過來用，即把主要物質(zhì)和外來物質(zhì)相交換的話，我們就會得到逆麥克斯韋-加內(nèi)特定律：

根據(jù)著名的布魯格曼定律得到：

從而可用來計算混合物的有效介電常數(shù)εeff。

燒結(jié)是一個比較復(fù)雜的物理化學(xué)過程，混合料的水分大小與生石灰、消石灰的配比等諸多因素有關(guān)。在燒結(jié)生產(chǎn)中，根據(jù)主料及輔料的質(zhì)量等級進(jìn)行不同的調(diào)配，混合料自動控制的目標(biāo)是保持水分穩(wěn)定在一個有利于燒結(jié)的值，其波動范圍不能太大，一般在6.5%～9.5%。水分偏離超過±1%時，會對混合料的成球率及透氣性的穩(wěn)定性造成很大影響。當(dāng)測量水分時，物料配比變化使成分發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致有效介電常數(shù)變化，從而顯示出獨特的多樣化的電介質(zhì)與水分的關(guān)系。

通過以上兩相混合物的有效介電常數(shù)理論，可以建立電介質(zhì)變化與水介電常數(shù)的模型，進(jìn)而消除介質(zhì)多樣化對水分檢測結(jié)果的影響。

4 應(yīng)用實踐

基于微波原理的DF-MMA I系列水分在線檢測系統(tǒng)在山東萊蕪九羊集團(tuán)燒結(jié)混合料水分檢測中，取得了較好的應(yīng)用效果。燒結(jié)混合料的微波水分在線實時檢測結(jié)果與化驗值對比結(jié)果見表1。

表1 水分檢測結(jié)果與化驗值對比結(jié)果

由表1可以計算得出，該燒結(jié)混合料的微波水分在線分析系統(tǒng)的實測值的絕對平均誤差為0.293，均方根誤差為0.137 2。該微波水分在線分析系統(tǒng)的檢測結(jié)果與化驗值中燒結(jié)混合料的水分變化趨勢非常一致，使用效果得到了用戶的認(rèn)可與好評。

5 結(jié) 論

利用多樣化電介質(zhì)介電常數(shù)建模理論，基于微波原理設(shè)計的在線水分檢測系統(tǒng)可以較好地避免傳統(tǒng)烘干法和基于中子法、紅外法設(shè)計的檢測儀器產(chǎn)生的水分測量結(jié)果偏差大、實時性差、操作危害大的問題，可完全適用于燒結(jié)混合料中成分變化較為頻繁時水分的實時在線檢測。在實際的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中取得了較為滿意的使用效果。可以預(yù)測，該系統(tǒng)在燒結(jié)混合料水分在線檢測領(lǐng)域，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 張慧寧.燒結(jié)設(shè)計手冊[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

[2] 周在杞.微波檢測技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[3] 顧繼惠.微波技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

2015-11-23)

信美華 (1978—)，女，高級工程師，118002 遼寧省丹東市濱江中路136號。