馬洪斌  李冬初

（北京宇宏泰測控技術(shù)有限公司）

摘  要：在線成分檢測技術(shù)能夠在線連續(xù)檢測各種元素含量，以“在線-實時-數(shù)字化”解決了熒光和化學(xué)分析方法“離線-滯后-人工化”的弊病，適用于鋼鐵企業(yè)原料采購、混勻料場、球團車間、燒結(jié)車間、高爐車間、焦化車間、噴煤車間生產(chǎn)過程智能控制。蒂森克虜伯Duisburg廠2008年，柳鋼燒結(jié)廠2014年，寶鋼股份煉鐵部燒結(jié)分廠2016年，鞍鋼東鞍山燒結(jié)廠2017年安裝在線成分檢測設(shè)備，另外在線成分檢測在鋼鐵行業(yè)前端的礦山行業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于來料分級、料堆質(zhì)量管理、原料配料、細粒、中粒、大塊產(chǎn)品監(jiān)測等。鋼鐵行業(yè)應(yīng)用方案，一類是提供在線成分檢測結(jié)果，另一類是通過在線成分檢測結(jié)果，進行閉環(huán)智能成分調(diào)整，穩(wěn)定原料成分，穩(wěn)定生產(chǎn)過程和生產(chǎn)指標(biāo)。在線成分檢測技術(shù)已經(jīng)度過了其在鋼鐵行業(yè)的適應(yīng)期，硬件、軟件針對鋼鐵行業(yè)工況已經(jīng)能夠很好的適應(yīng)，智能配料系統(tǒng)經(jīng)過各項參數(shù)選擇、摸索、試驗后，已經(jīng)能夠平穩(wěn)的運行，并取得了很好的生產(chǎn)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)成分；在線檢測；智能配料

1  在線成分檢測技術(shù)

中子活化γ射線分析技術(shù)，即PGNAA (Prompt Gamma Neutron Activation Analysis)，對皮帶上通過的散狀物料，進行連續(xù)分析。锎CF252（半衰期為2.65年，人工合成元素）中子源每秒發(fā)出上億個中子，被皮帶上物料元素的原子核所吸收，這些原子核被激發(fā)而發(fā)出γ射線，探頭接收這些γ射線并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后進行分析得出數(shù)據(jù)。每種元素激發(fā)的γ射線，都有各自獨特的頻譜，以此計算出該物料的化學(xué)成分。對PGNAA技術(shù)響應(yīng)較好的元素包括：鈣、硅、鋁、鐵、鎂、鉀、鈉、硫、氯、錳和鈦等。

（1）材料中的原子核被中子激發(fā)形成具有高能量的不穩(wěn)定原子核。

（2）被激發(fā)不穩(wěn)定原子核趨于穩(wěn)定態(tài)而放出能量。

（3）每個元素放出帶有本元素特征譜的能量, 像手紋一樣的特征信號。

在線成分檢測技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于礦山，發(fā)電，水泥，煤化工，鋼鐵等行業(yè)。

2 在線成分檢測技術(shù)在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用

（1）蒂森克虜伯Duisburg廠，2008年安裝，在線分析儀的使用幫助蒂森克虜伯獲得了每噸燒結(jié)礦至少節(jié)省0.6歐元的收益，生產(chǎn)線一年生產(chǎn)量為640萬噸，投資回報期不到6個月，這直接歸功于返礦的減少、節(jié)省的固體燃料和石灰石。

（2）柳鋼燒結(jié)廠，2014年安裝，柳鋼燒結(jié)3#360m²實踐生產(chǎn)表明，燒結(jié)閉環(huán)智能配料后，燒結(jié)礦堿度 R±0.08穩(wěn)定率提高9.65%，噸礦固體燃耗降低了0.14%。

（3）寶鋼股份煉鐵部燒結(jié)分廠，2016年安裝，寶鋼自主開發(fā)具有世界一流水準(zhǔn)的燒結(jié)綜合環(huán)保提升技術(shù)，具有成分在線自動檢測等先進工藝。

（4）鞍鋼東鞍山燒結(jié)廠，2017年安裝，未實現(xiàn)閉環(huán)自動配料情況下，燒結(jié)礦堿度穩(wěn)定率提高了3.98%。

（5）另外，在線成分檢測在鋼鐵行業(yè)前端的礦山行業(yè)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，例如Khumani/Assmang，Mid South Mine/Assmang，Cloudbreak Mine/FMG，BKM Project/Assmang，Christmas Creek Mine/FMG，Xang Sepon Mine/OXLANA Lane，Sishen Mine/ANGLO KUMBA，Gabes Site/TIFERT，Beeshoek/ Assmang等，應(yīng)用于來料分級 （合格來料免于選礦）、料堆質(zhì)量管理、原料配料、細粒、中粒、大塊產(chǎn)品監(jiān)測等。

3 傳統(tǒng)成分檢測技術(shù)的不足

隨著國內(nèi)鋼鐵業(yè)的發(fā)展（世界鋼鐵協(xié)會數(shù)據(jù)：2017年世界粗鋼產(chǎn)量16.91億噸，中國粗鋼產(chǎn)量8.32億噸，占世界比例49.2%），國內(nèi)煉鐵行業(yè)（料場、球團、燒結(jié)、高爐）大而不強的局面日漸顯現(xiàn)。原料傳統(tǒng)的成分檢驗方法由于沒有更新、更好的方法進行替代而一直在沿用，但越來越多的問題已經(jīng)暴露出來：

（1）原料取樣、制樣環(huán)節(jié)受生產(chǎn)管理、操作習(xí)慣、責(zé)任心、隨機性等影響存在一定偏差。

（2）原料取樣周期較長，現(xiàn)有檢驗方法下，分析結(jié)果得到的是一個取樣周期內(nèi)原料成分平均值，不能及時反應(yīng)該取樣周期內(nèi)原料成分的變化，甚至掩蓋了該取樣周期內(nèi)原料成分的異常變化。

（3）現(xiàn)有檢驗方法下，成分檢驗結(jié)果只代表樣品，不能反應(yīng)全部原料成分。

（4）現(xiàn)有檢驗方法下，成分檢驗結(jié)果滯后實際原料，延誤了工藝參數(shù)的針對性調(diào)整。

鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)過程，成份波動=金錢的浪費，由于長期沒有更新、更好的檢驗方法進行替代，鋼鐵行業(yè)被動的適應(yīng)成分的波動，制定了諸多修修補補的措施、標(biāo)準(zhǔn)，并已成為操作習(xí)慣、管理習(xí)慣、思維習(xí)慣，這些措施、標(biāo)準(zhǔn)、習(xí)慣成為了傳統(tǒng)成分檢測技術(shù)的護城河，但從長遠看，在鋼鐵行業(yè)降本增效的終極經(jīng)營目標(biāo)下，任何不適應(yīng)這一目標(biāo)的事物最終將被替代。

4  鋼鐵行業(yè)成分檢測技術(shù)的出路

4.1  出路是根本改變檢測方法

鋼鐵行業(yè)通過提高節(jié)點管控、改善控制反饋等措施，取得一定效果，但面對大規(guī)模、連續(xù)化生產(chǎn)過程，這些措施并不能根本改變問題，因此，在一定歷史時期內(nèi)成分檢測技術(shù)發(fā)展已經(jīng)不適應(yīng)鋼鐵行業(yè)的精細化發(fā)展要求，鋼鐵行業(yè)成分檢測技術(shù)出路是根本改變檢測方法。

表1  鋼鐵行業(yè)原料成分控制措施

在線成分檢測技術(shù)，以“在線-實時-數(shù)字化”解決了熒光和化學(xué)分析方法“離線-滯后-人工化”的弊病。

4.2  在線成分檢測設(shè)備適用性高

（1）環(huán)境工作溫度為-40℃~ +50℃。

（2）緊湊、集成、單體式設(shè)計，適應(yīng)帶寬600mm至2400mm，托輥角度30至45度，對物料運量和皮帶帶速沒有限制。

（3）安裝在相鄰兩組托輥之間，無需接觸皮帶。

（4）主體結(jié)構(gòu)，包括放射源、γ射線探頭組和電控柜。電控柜內(nèi)裝有信號處理系統(tǒng)，為密封結(jié)構(gòu)，可以防止灰塵和水的進入。

4.3  在線成分檢測設(shè)備精度高于傳統(tǒng)方法

傳統(tǒng)實驗室分析方法的誤差一般是在線成分檢測的一半，但大量的誤差發(fā)生在取樣和制樣環(huán)節(jié)。在線成分檢測沒有取樣和制樣誤差，因此其總體測量精度比傳統(tǒng)實驗室分析方法精度要高得多。在線成分檢測精度與原料中含有哪些元素、各元素含量、皮帶載荷、探測器數(shù)量、中子源總量等因素息息相關(guān)，具體的精度需要根據(jù)各廠情況獨立標(biāo)定。

5 在線成分檢測技術(shù)鋼鐵行業(yè)應(yīng)用方案

5.1  鋼鐵行業(yè)應(yīng)用方案

在線成分檢測技術(shù)鋼鐵行業(yè)應(yīng)用方案，一類是提供在線成分檢測結(jié)果，另一類是通過在線成分檢測結(jié)果，進行閉環(huán)智能成分調(diào)整，穩(wěn)定原料成分，穩(wěn)定生產(chǎn)過程和生產(chǎn)指標(biāo)。

鋼鐵行業(yè)應(yīng)用方案：

（1）含鐵原料采購質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)

基于在線成分檢測的質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，適用于含鐵原料（鐵礦粉、塊礦、球團礦）采購，消除含鐵原料取樣、制樣環(huán)節(jié)人為因素對原料入廠成分檢測的負(fù)面影響、對生產(chǎn)經(jīng)營的負(fù)面影響。

（2）煤粉采購質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)

基于在線成分檢測的質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)（水分、灰分、硫分、發(fā)熱值、灰成分），適用于煤粉采購，消除原料取樣、制樣環(huán)節(jié)人為因素對煤粉入廠成分檢測的負(fù)面影響、對生產(chǎn)經(jīng)營的負(fù)面影響。

（3）焦炭采購質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)

基于在線成分檢測的質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)（水分、灰分、硫分、發(fā)熱值、灰成分），適用于焦炭采購，消除原料取樣、制樣環(huán)節(jié)人為因素對焦炭入廠成分檢測的負(fù)面影響、對生產(chǎn)經(jīng)營的負(fù)面影響。

（4）混勻料場智能配料系統(tǒng)

基于在線成分檢測的智能配料系統(tǒng)，適用于混勻料場，提高混勻礦Fe、SiO₂穩(wěn)定率。

（5）燒結(jié)智能配料系統(tǒng)

基于在線成分檢測的智能配料系統(tǒng)，適用于燒結(jié)車間，提高燒結(jié)礦堿度R穩(wěn)定率。

（6）球團智能配料系統(tǒng)

基于在線成分檢測的智能配料系統(tǒng)，適用于球團車間，提高球團礦Fe、SiO₂穩(wěn)定率。

（7）焦化智能配料系統(tǒng)

基于在線成分檢測的智能配料系統(tǒng)，適用于焦化車間，提高煤粉成分穩(wěn)定率。

（8）噴煤智能配料系統(tǒng)

基于在線成分檢測的智能配料系統(tǒng)，適用于噴煤車間，提高煤粉成分穩(wěn)定率。

（9）高爐智能配料系統(tǒng)

基于在線成分檢測的智能配料系統(tǒng)，適用于高爐車間，提高高爐爐渣堿度穩(wěn)定率。

（10）燒結(jié)礦質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)

基于在線成分檢測的質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，適用于成品燒結(jié)礦質(zhì)量監(jiān)測。

5.2  鋼鐵行業(yè)應(yīng)用方案經(jīng)濟效益舉例

以燒結(jié)智能配料系統(tǒng)經(jīng)濟效益舉例，可見該系統(tǒng)經(jīng)濟效益預(yù)測結(jié)果與蒂森克虜伯的經(jīng)濟效益相當(dāng)。

表2  燒結(jié)智能配料系統(tǒng)經(jīng)濟效益預(yù)測

6  鋼鐵行業(yè)應(yīng)用方案實施進展

2014年，中國鋼鐵行業(yè)第一臺在線成分檢測設(shè)備安裝于柳鋼360m²燒結(jié)機；2017年，中國鋼鐵行業(yè)第一套基于在線成分檢測的燒結(jié)智能配料系統(tǒng)成功運行于柳鋼360m²燒結(jié)機。針對燒結(jié)工序燒結(jié)礦化學(xué)成分化驗滯后造成的燒結(jié)配料調(diào)整不及時，以及由此形成的燒結(jié)礦質(zhì)量穩(wěn)定性差，燒結(jié)智能配料系統(tǒng)實現(xiàn)了實時自動調(diào)整配料，形成成分閉環(huán)自動控制，減少了成品燒結(jié)礦檢驗化驗的滯后性，提高了燒結(jié)礦質(zhì)量的穩(wěn)定性。^[1]

在線成分分析儀結(jié)合自動控制投入后系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，3#360m²燒結(jié)機產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)得到顯著提高，燒結(jié)礦堿度出格率降低4.48%，堿度R±0.08穩(wěn)定率提高9.65%，燒結(jié)返礦率降低4.14%，噸礦固體燃耗降低了0.14%。

表3  燒結(jié)智能配料系統(tǒng)投入前后對比

表4  鋼鐵行業(yè)應(yīng)用方案實施進展

7  鋼鐵行業(yè)應(yīng)用方案實施難度

（1）在線成分檢測技術(shù)進入國內(nèi)鋼鐵行業(yè)已滿五年，在鋼鐵企業(yè)、設(shè)計單位和自動化企業(yè)共同努力下，在線成分檢測技術(shù)已經(jīng)度過了其在鋼鐵行業(yè)的適應(yīng)期，硬件、軟件針對鋼鐵行業(yè)工況已經(jīng)能夠很好的適應(yīng)，智能配料系統(tǒng)經(jīng)過各項參數(shù)選擇、摸索、試驗后，已經(jīng)能夠平穩(wěn)的運行，并取得了很好的生產(chǎn)指標(biāo)。但部分鋼鐵企業(yè)習(xí)慣傳統(tǒng)成分檢測技術(shù)，缺乏主動創(chuàng)新，短線思維嚴(yán)重。

（2）部分鋼鐵企業(yè)擔(dān)心中子源安全問題，在線成分檢測設(shè)備所配锎CF252中子源在環(huán)保部門備案，設(shè)備防護到位，各項現(xiàn)場輻射指標(biāo)需要經(jīng)過第三方定期檢測達標(biāo)。

《輻射防護規(guī)定（GB8703-88）》規(guī)定，為了限制隨機效應(yīng)，輻射工作人員的年有效劑量當(dāng)量限值為50mSv（5000mrem）。為了防止非隨機效應(yīng)，眼晶體的年劑量當(dāng)量限值為150mSv(15000mrem)；其他單個器官或組織的年劑理當(dāng)量限值為500mSv(50000mrem)。公眾成員的年有效劑量當(dāng)量不超過1mSv(100mrem)。如果按終生劑量平均的年有效劑量當(dāng)量不超過 1mSv(100mrem)，則在某些年份里允許以每年5mSv(500mrem)作為劑量限值。公眾成員的皮膚和眼晶體的年劑量當(dāng)量限值為50mSv(5000mrem)。

工作人員每天在在線成分檢測設(shè)備1米遠處工作10分鐘，每年有效輻射劑量92mrem，與照一次X光吸收的輻射劑量類似，遠低于國家標(biāo)準(zhǔn)，并且實際上在線成分檢測設(shè)備無需工作人員維護。因此，在線成分檢測設(shè)備安全性可以得到保證。                

表 5  在線成分檢測設(shè)備安全性比較

（3）在線成分檢測技術(shù)方面，國內(nèi)科研單位長期側(cè)重于實驗室研究，工業(yè)化應(yīng)用研究不足，國內(nèi)產(chǎn)品缺乏長期的工業(yè)化研究成果支撐而檢測精度不足，工業(yè)化應(yīng)用的在線成分檢測設(shè)備主要從美國、澳大利亞進口，锎CF252中子源國內(nèi)生產(chǎn)成本高，主要從俄羅斯、美國進口。

8  結(jié)語

（1）在線成分檢測技術(shù)能夠在線連續(xù)檢測各種元素含量(TFe、Si、Ca、Mg、Al、Ti等全元素分析)，以“在線-實時-數(shù)字化”解決了熒光和化學(xué)分析方法“離線-滯后-人工化”的弊病，適用于鋼鐵企業(yè)原料采購、混勻料場、球團車間、燒結(jié)車間、高爐車間、焦化車間、噴煤車間生產(chǎn)過程智能控制。

（2）蒂森克虜伯Duisburg廠2008年，柳鋼燒結(jié)廠2014年，寶鋼股份煉鐵部燒結(jié)分廠2016年，鞍鋼東鞍山燒結(jié)廠2017年安裝在線成分檢測設(shè)備，另外，在線成分檢測在鋼鐵行業(yè)前端的礦山行業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于來料分級 （合格來料免于選礦）、料堆質(zhì)量管理、原料配料、細粒、中粒、大塊產(chǎn)品監(jiān)測等。

（3）在線成分檢測技術(shù)鋼鐵行業(yè)應(yīng)用方案，一類是提供在線成分檢測結(jié)果，另一類是通過在線成分檢測結(jié)果，進行閉環(huán)智能成分調(diào)整，穩(wěn)定原料成分，穩(wěn)定生產(chǎn)過程和生產(chǎn)指標(biāo)。

（4）在線成分檢測技術(shù)進入國內(nèi)鋼鐵行業(yè)已滿五年，在鋼鐵企業(yè)、設(shè)計單位和自動化企業(yè)共同努力下，在線成分檢測技術(shù)已經(jīng)度過了其在鋼鐵行業(yè)的適應(yīng)期，硬件、軟件針對鋼鐵行業(yè)工況已經(jīng)能夠很好的適應(yīng)，智能配料系統(tǒng)經(jīng)過各項參數(shù)選擇、摸索、試驗后，已經(jīng)能夠平穩(wěn)的運行，并取得了很好的生產(chǎn)指標(biāo)。

參考文獻

[1]  在線成分測控系統(tǒng)在柳鋼燒結(jié)生產(chǎn)的應(yīng)用實踐. 甘牧原，李宗社，劉巍等. 燒結(jié)球團，2018.6：20~24