向家发
(宝山钢铁股份有限公司炼铁厂，上海200941)
摘要：现有烧结工艺中，烧结矿取样、制样及分析过程耗费大量时间，操作人员无法及时调整配料。宝钢股份炼铁厂烧结分厂通过引进在线元素分析仪，实时监控四烧结混合料的化学成分，实现实时调整配料。运行实绩表明，使用在线分析仪指导生产，烧结矿成品率提高了1.70个百分点，碱度一级器率提高了 1.48个百分点，利用系数提高了 1.4 t/(m2 • d),取得了很好的经济效益。
关键词：烧结配料；碱度；成品率；智慧制造；在线分析
烧结是钢铁生产过程中的一道重要工序,我国烧结矿占高炉原料的60% -75%，烧结矿化学成分、转鼓强度、粒度大小等性能的稳定对于改善烧结矿质量，实现高炉的优质、低耗、长寿和高效运行有着重要意义[1]。烧结矿成品率、转鼓强度和粒度组成等都与烧结矿碱度直接相关。生产实践证明，烧结矿碱度稳定率每提高10% ,焦比降低1%，产量提高1-5% ,可见烧结矿碱度稳定率可直接对高炉经济技术指标产生影响[2]。
烧结矿样品从现场取样到化验室向中控室发回检测结果需要4 ~7 h,此时烧结工艺状况可能已经发生变化，如果现场操作人员机械地按照技术规程的调节量进行调节，可能导致烧结矿碱度波动更加剧烈。化验室烧结矿成分检测中取样、制样和分析过程的长耗时导致的调整滞后阻碍着碱度稳定性的提升。为了稳定烧结矿化学成分，中南大学开发了数学模型和知识模型相结合的控制方法，建立了烧结矿化学成分的时间序列预报模型和神经网络预报模型，开发了基于自适应预报的烧结矿化学成分控制专家模型[3］。受烧结过程特点的限制, 不管采用点优化、区间优化，还是区间边界优化，均存在一定的局限性，使得烧结矿化学成分控制策略难以确定，在实际应用中存在一定局限性。
德国蒂森克虏伯的杜伊斯堡工厂三烧结跨带式全元素在线分析仪可以实时（1 min内）快速检测混合料的元素成分组成,实现了烧结矿化学成分实时监控、实时调整。该在线分析仪自2008年投入使用后，烧结矿碱度波动由0.043 8 （标准差）减小到0.023 3,返矿率下降7% ,经济效益可观。经过与国外同行交流，宝钢引进该分析仪，并于2016年10月投入使用,有效提高了烧结矿成品率及一级品率，改善了经济技术指标。
1 跨带式在线元素分析仪简介
1.1跨带式元素分析仪工作原理
在线元素分析仪跨皮带安装，工作原理为瞬发伽玛中子活化分析（英文简称为PGNAA）,工作原理图如图1所示。
在线分析（PGNAA）的工作流程为：中子源发射出快中子-中子和氢碰撞后进行慢化（热中子）-热中子被原子核吸收-原子核处于激发态-当原子核稳定时,发射出一个或者多个y射线-当Y射线打到探测器后，发射出光子，然后其被转换为电（电压）脉冲-通过分析来自探测器的信号，测量出样品中的元素质量。
PGNAA技术具有实时在线检测、不用采样、不受颗粒的大小影响、全流量分析等优点，被广泛应用于工业生产,特别是煤炭、水泥、冶金等资源密集型行业⑸。图2为典型PGNAA设备工作过程示意图。当输送带通过分析仪时，中子由物料一侧入射激发输送带上的所有材料，激发产生y射线由物料另一侧的探测器捕捉分析。该分析方式不受粒径或表面效应影响，并且没有采样误差。
1.2跨带式元素分析仪组成
分析仪包括分析仪主体、电控柜、标准样品及操控端，分析仪主体由中子源、探测器、屏蔽支架组成，见图3。
2 在线分析仪在宝钢的应用
2.1在线分析仪现场安装
宝钢混匀矿、白云石、蛇纹石等各种物料经CFW装置切出后，经强混、二混、三混混合机混匀、制粒后送往混料料槽备用。理论上讲物料经CFW称量等设备切出后，在线分析仪立即进行成分检测更能及时发现物料异常，但考虑到现场安装环境等多个因素影响,在线分析仪安装在三混混合机后的第一条输送皮带尾部，如图4所示。考虑到物料负载的波动，项目中包含1台Ramsey皮带秤。皮带秤和分析仪安装在同一个工艺点, 正常工况下分析仪不需要皮带秤的负载数据即可正常输出分析结果;借助皮带秤的实时负载数据及皮带负载自动补偿 ABLC软件），可应对皮带负载波动对分析精度带来的影响,保证分析仪的分析精度。
2.2在线分析仪网络结构
在线元素分析仪检测出皮带上原矿成分数据需要传入烧结中控专家系统作为自动配料参数, 考虑到烧结主控系统网络安全性,分析仪数据需要先传入12网段所配置的两台通信前置机内，专家系统再从通讯前置机内读取所需要的数据，网络结构如图5所示。
2.3现场精度验证
分析仪随机配置6组标准样,标准样由纯化学物质配制而成,化学成分覆盖了现场应用的范围。每组标样为多个小包装（每包2. 5 kg）。
标准样是分析仪校准的基础，在出厂前的分析仪制造过程中,利用标准样对分析仪进行校准,并对硬件进行配置。校准好的分析仪，即可运输到现场。
在现场，分析仪机电安装完毕后，即可进行精度验证。即用同样的标准样，放置在分析仪测量通道上，进行重复测量，计算测量的偏差。
2.3.1静态重复性
对相同批次的材料至少连续独立测量300次，每次1 min,然后算出每个元素的标准差。期望的标准差能够等于或者小于表1中的保证值。
2.3.2静态精度
6组校准标样试验值满足PGNAA分析值的均方根偏差 RMSD）的保证要求。根据皮带负载,每组标样测量1 h或者2 h,如表2所示。
2.3.3动态精度
2016年12月到2017年1月期间，17天内在四烧结取样对比分析分析仪检测精度，共取78个样品。具体取样要求:分析仪实时采集数据，在某一个时间点停止该胶带机，在取样处取50 kg混合料，缩分后化验分析,和相应分析仪分析成分数据进行对比,统计数据差值结果的标准偏差满足要求。
3应用效果
在线分析仪实时检测数据接入中控12画面,操作人员可以査看实时、15 min、30 min等不同级别的碱度、CaO、SiO2等成分数据，如图6所示。
当CaO,SiO2等趋势波动时，操作人员根据波动情况进行0、1/2、1/3等不同比例的预先调节, 其中匀矿变堆时预调节效果体现最为明显。在线分析仪应用前，匀矿变堆后往往3.5 h后取第一个临样，以后每隔0. 5 h取一个临样，共3个临样;3个临样分析结果出来后，操作人员根据平均值调节碱度、氧化镁等成分。但是,此时已经滞后5 ~6 h,加之匀矿堆头、堆尾料成分波动大，变堆时烧结矿碱度等成分波动较大，从而影响碱度一级品率。借助在线分析仪检测数据,匀矿变堆时, 操作人员可以提前干预调节，即物料切出后10 min左右，即可发现成分异常，变堆碱度异常数据减少,碱度一级品率提高。
如表3所示,2016年10月分析仪投入使用, 经过一段时间摸索，分析仪于2017年1月正式使用分析仪分析结果指导烧结碱度控制。分析仪投 入后,四烧结碱度一级品率波动幅度明显降低，一级品率明显提高,2018年平均碱度较2016年提高1.48个百分点，同期四烧结机利用系数和烧结矿成品率分别提高1.4 t/(m2 • d)和1.70个百分点。
2018年2月，宝钢将在线分析仪检测的数据纳入L1自动控制，根据分析仪检测的CaO、SiO2、MgO等成分结果，提供石灰石、蛇纹石、白云石等建议调整配比，操作人员确认后采纳实施。目前,建议配比的调整幅度、调整时机还在继续优化中，随着宝钢智慧烧结项目的推进，预计2019年底将实现借助在线分析仪实现烧结矿成分的全自动控制，根据德国蒂森克虏伯的杜伊斯堡工厂的应用经验,相信届时烧结矿一级品率及成品率等技术指标将得到进一步提升[6]。
4结论
跨带式元素分析仪在宝钢四烧结机取得非常好的应用效果,无论是对节能降耗,还是直接提高经济效益，都是非常有益的，主要体现在以下方面：
(1) 跨带式在线元素分析仪能够准确分析烧结配料，分析仪安装在混料机之后,能够实时、准确分析出混合料的化学成分。
(2) 有了在线分析仪的数据,操作人员可以实时监控到混合料的波动,从而对配料做出及时的调整。
(3) 借助跨带式元素分析仪可以实现烧结矿化学成分自动实时调整,加速烧结智慧制造的实现。
(4)根据宝钢四烧结应用实绩来看,使用跨带式元素分析仪后,烧结矿成品率提高了 1-70个百分点，达到80. 56% ;碱度一级品率提高了1.48个百分点，达到98. 60% ；利用系数提高1.4 t/( m2 • d) 。
参考文献
[1] 朱桂梅-300 m2烧结机配料子系统的研究与开发[D].天津:河北工业大学,2010.
[2] 周取定,孔令坛.铁矿石造块理论及工艺[M ].北京:冶金工业岀版社,1989 5.
[3] 范晓慧，王海东，黄天正，等.烧结过程控制专家系统 (I )—系统总体控制方案和系统总体结构[J].中南工业大学学报,1997,28 ( 4) 325 -32&
[4] 龙红明，范晓慧,袁晓丽，等.烧结过程控制专家系统骨架的开发与应用[J].烧结球团,2006,31(2)=1 -4.
[5] 黑大千.PGNAA在线分析技术的发展与现状[J].科技资讯,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.