核儀表在鋼鐵工業的應用與發展

黃 波，項亞平

（武鋼工程技術集團計控公司，湖北 武漢 430080）

在工業自動化生產中，凡使用帶有一個或多個放射性核素（α、β、γ、n）或射線裝置的測量與控制儀表，都屬于工業核儀表（以下稱核儀表）。它是根據被測物質對射線的吸收、散射或射線對被測物質的電離、激發作用而設計、制作的對非電參數實現測量和控制的特殊系統。一般由輻射源、核輻射探測器、測量轉換器、數據處理器和顯示等部分組成。IAEA（國際原子能機構）將核儀表稱為核子控制系統（Nuclear Control System，NCS）。

20世紀40年代末，國外已開始研制核儀表，1951年美國率先將放射性核素厚度計用于橡膠生產，提高了生產效率，從此核儀表在工業領域的應用得到大力開發，已從單參數檢測朝實現測量、控制、管理全功能的過渡。核儀表是放射性同位素與輻射技術在工業領域應用中最重要的組成部分，已經發展成工業自動化儀表的一個新分支，在工業過程現代化與最佳化中發揮著越來越重要的作用。

1 核儀表的發展

20世紀，西方發達國家用了15年左右時間，先后在60年代末和70年代初普及了核儀表應用，應用總量超過600 000臺，產值占國民經濟總產值的萬分之四五，產值利潤比超過1∶0.5，投資效益比達到1∶9，產品的技術指標已能夠滿足用戶提出的最高要求，其技術進步主要表現在新型核輻射探測器和新技術的采用，結構更新與功能強化并向系統集成化方向發展。根據IAEA調查報告，到1980年世界各國應用核儀表總數達到620 000多臺。以美國、英國、西德和日本為例，美國1960年使用數為4 650臺，到1985年為350 000臺；英國1960年使用數為760臺，到1985年為90 000臺；西德在1960年使用數為1 210臺，到1985年為36 000臺；日本在1960年使用數為1 850臺，到1985年為59 000臺，而到1992年用于鋼鐵生產的核儀表己達1 400余臺；例如前蘇聯在克里沃舍爾特鋼廠建成的當時世界最大的高爐 （5 000m3）上，配備有100多臺核儀表；在奇姆肯特磷肥廠安裝了450多臺核儀表。

我國從1958年開始研制核儀表。當時研制的主要是料位計，此后還發展了厚度計、密度計、γ射線探傷儀、泥沙量計、X熒光分析儀、硫含量分析儀、核子秤等，但其技術性能、品種與數量遠低于國外。經過十多年發展，我國核儀表在測量精度、穩定性、可靠性等方面均有所改善，產品也向系列化方向發展。到20世紀70年代已有不少產品開始生產并提供給用戶，此后又研制出火災報警系統，并廣泛應用于工業場所安全監控，取得了顯著效益。80年代初我國共研制和生產了40多種2 000余臺核儀表，其中以料位計具多。當時，除了使用國產核儀表外，有關部門還隨成套設備引進了國外核儀表。根據1984年統計，武漢鋼鐵（集團）公司從西德、日本引進的1700軋機工程配有8個品種核儀表，共63臺，遍布連鑄、熱軋、冷軋、硅鋼等生產環節；上海石油化工總廠引進的成套設備中配有核儀表43臺；上海寶鋼一期工程引進的日本成套設備中配有87臺核儀表；昆明三聚磷酸鈉廠從西德引進的成套設備中共配有110臺核儀表。經過多年的應用實踐證明，這些引進的技術裝備是先進、合理和適用的。

從20世紀80年代開始，我國已進入在工業領域大力推廣應用核儀表階段，到1988年，我國在各工業部門使用的核儀表已達8 000余臺，其中，國產儀表約占6 000余臺；到2000年初估計已達10 000余臺，推廣應用較為廣泛的核儀表有料位計、厚度計、密度計、濕度計、成分分析儀等，其中以料位計、核子秤最多，代表發展水平的是成分分析儀。在此期間，在密度計的基礎上，又發展了流量計、濃度計及核子秤等3種擴展應用的密度計。另外，在中子測水分的實際應用中，常常需要同時測量密度，修正水分測量結果，即密度補償。在測量技術的需求下，將中子水分儀與γ密度計結合，派生出多種中子水分／γ密度組合計及水分、灰分、核子秤組合計等，并出現如紙張灰分、厚度、定量、濕度4參數測量系統。經過近50多年的發展，到2005年我國在工業領域使用的核儀表已達到28 000余臺，在儀表的靈敏度、可靠性、穩定性和智能化等方面都有所突破，但與國際先進技術相比，我國核儀表的工藝裝備、技術性能、穩定性、通用性、適應性、智能化、數字化、標準化、網絡化、多功能、外形美觀性等方面還存在較大的差距，品種與數量也遠遠低于國外［1］。

2 核儀表在鋼鐵工業的應用

目前，在鋼鐵制造流程中已廣泛使用各種各樣的核儀表，以下按照鋼鐵制造流程，簡要敘述核儀表在各生產場所的應用概況。

在原材料場，主要使用γ射線料位計、核子秤和水分儀等，分別用于測量料斗內的煤、礦石、石灰石等物位高度、輸送機上的物料質量、原煤的含水量和灰分，焦炭或燒結礦中的含水量及原煤質量或成分分析。

在煉鐵廠，主要使用γ射線物位計測量高爐爐頂、配料倉料位，中子水分儀測量焦炭的含水量。

在煉鋼廠，主要采用γ射線液位計測量連鑄機結晶器液位，料位計測量水處理氧化鐵皮的位置。

在型鋼廠，用γ射線或X射線測量各種異型材各部分的厚度、厚度分布、缺陷等，鋼管管壁厚度和偏心度、外徑和外形輪廓、長度及缺陷等。

在熱軋廠，用γ射線或X射線測量板坯、帶鋼的厚度、加熱爐內板坯的位置、熱金屬檢測（HMD）等。此外，為了提高成品的材料利用率，還可使用它們檢測料頭形狀，以及測量帶鋼橫向厚度分布的凸度、寬度和平直度等。

在冷軋廠，γ射線或X射線用于測量帶鋼厚度、凸度和邊緣降、寬度，各種鍍層和涂層厚度、酸液濃度和密封罐中液位等。

利用γ射線還可以測量料斗中礦石位置、礦漿濃度，各種粉末及燒結礦的密度，板坯的密度；并可使煉焦爐出焦時三車自動定位；采用活化分析法測量鋼水中的含氧量，礦物中氧、硅、鋁、鐵的含量；利用X熒光分析測量各種礦石的品位，分析爐渣中含鐵量及堿度等；采用PGNAA（瞬發伽馬中子活化分析）技術，可以對礦石、煤等物質進行元素分析。我國部分鋼廠與國外鋼廠在1992年使用的核儀表數量列于表1。

表1 1992年我國部分鋼廠與國外鋼廠核儀表的統計數

3 核儀表的技術與經濟效益

在鋼鐵工業生產中使用核儀表，能提高產品的質量和產量，節省原材料、能耗和維護費用，給工礦企業帶來極好的技術和經濟效益。據美國1978年統計，核儀表平均價格為1.2萬美元，年維護費250美元。企業購買核儀表的全部費用及安裝運行費，一般在2～3個月可全部收回，個別的在5～6個月也可收回。據IAEA1981年報道：各種核儀表的經濟效益系數如下：塑料薄膜厚度計為1∶3；紙張厚度計、濕度計為1∶9；鋅層厚度計為1∶30；脫硫車間硫分析儀為1∶10；高爐焦炭濕度計為1∶20。

1983年，日本鋼鐵工業生產中使用中子水分測控技術水平居世界領先地位，全國鋼鐵廠共使用347臺中子水分儀，其中高爐使用高精度（0.3%）252Cf中子水分儀，鐵水中硅的漲落降低了0.012，焦比大約降低了0.37，每臺每年的經濟效益可達10萬美元以上，很受用戶歡迎。

1992年，UNDP／IAEA／RCA 核子控制系統在鋼鐵工業應用亞太地區研討會上，IAEA專家浦項測控特儀部主任Hee Baek先生介紹了鋼鐵行業中使用核子控制系統的技術和經濟效益的估算方法和實例［2］。例如韓國浦項制鐵分別在其一冷軋廠軋機和二熱軋廠軋機上應用德國IMS公司厚度、凸度計所帶來的技術效益：（1）延長了設備使用壽命、減少了維修時間，也就減少了停機時間；（2）儀表有自校準和自診斷等功能，提高了測量精度和可靠性，降低了厚度偏差，提高了成材率。增加產量所獲的經濟效益如下。

1）在韓國浦項制鐵一冷軋廠軋機上安裝了3臺厚度計，投資600 000＄，其所獲技術和經濟效益列于表2、表3和表4。

表2 厚度計故障停機時間下降所得效益

表3 厚度計精度提高使成率材率提高所獲得收益

表4 厚度計投運后所獲的經濟效益

2）在韓國浦項制鐵二熱軋廠軋機上安裝多通道凸度計，投資1 650 000＄，經濟效益如下：1）產量提高了22.765t；2）板型軋制可靠性提高了147.974t／a；3）經濟效益達2 814 000＄／a；4）回收期0.62a。

1994年11月，武漢鋼鐵（集團）公司一熱軋廠對HMD－61熱金屬檢測器進行改造，采用德國Berthold公司LB－352位置檢測系統，共投資105 000元。改造后，1995年1—4月成材率分別為：97.80%、97.73%、98.06%和98.21%，增產1 186t，增收2 372 000元，投資回收期6d。

德國IMS公司2009年推出的采用γ射線13通道立體交叉管壁厚度測量與18個激光三角測量傳感器的光學鋼管外徑和外形的組合測量系統，成功地應用于巴西VSB公司PQF熱連軋鋼管的在線檢測。該測量系統不僅能測量鋼管的壁厚、外徑、總長度、偏后的頭、尾長度，以及局部的高精確率壁厚值及其在長度上的截面分布，還能測量沿鋼管整個長度的壁厚不均率的振幅及相應位置，根據不同的標準對測量值進行分類，將每個長度段顯示為“壁厚平鋪圖”或“管內截面形狀統計圖”等，優化了軋制過程控制。其測量精度：壁厚小于±0.3%；直徑及位置小于±0.4%；長度小于±0.1%。它可在一個小型測量系統上同時測量管壁厚度和偏心率、外徑和外形輪廓以及溫度和長度，避免了安裝多個單獨測量系統的需要，不僅節省了總體投資成本，還使維修和保養更簡單，降低了維護成本與后續費用。

實踐證明，核儀表投資少、見效快、技術與經濟效益顯著。這也是發達國家的工業企業愿意廣泛使用核儀表的動力和出發點。IAEA與RCA（亞太地區區域合作協議組織）指出：核子控制系統對于發展中國家基礎工業的改造與加速發展中國家工業現代化進程同樣具有重要的意義。

4 核儀表在武漢鋼鐵（集團）公司的應用

武漢鋼鐵（集團）公司從20世紀60年代開始將核技術用于鋼鐵生產，核技術應用后，提高了燒結、煉鐵生產自動化水平及煉鋼、鑄坯質量，延長了設備使用壽命。自20世紀70年代初從西德和日本引進的1700軋機工程投產以后，核儀表在在武漢鋼鐵（集團）公司的應用進入了一個嶄新的階段。當前在武漢鋼鐵（集團）公司已有各類核儀表8個品種約150臺（套），用于檢測鋼板厚度、凸度、平直度、邊緣降、鍍（涂）層厚度、物（液）位、質量等。

引進的1700軋機工程由于在熱連軋帶鋼、冷軋薄板、硅鋼片等軋制生產中實現了核儀表參與自動化生產控制過程，成為以上三廠繼續保持高質、高產、低耗、年經濟效益遞增的中樞環節，已成為鋼鐵制造流程中關鍵的測控技術裝備［3］。20世紀未，一煉鋼廠平改轉連鑄機鋼水液位控制，改善了鑄坯品質；一熱軋廠精軋F7出口厚度、凸度測控系統配合軋機彎輥、串輥改造，實現了自由軋制，年增加效益2 000多萬元；一冷軋廠五機架連機連軋改造，增加厚度自動調節控制等功能，實現負公差軋制，軋制能力提高了30%，年增收入14億元；硅鋼森吉米爾（ZR）軋機 AGC（Automatic Gage Control System，帶鋼厚度自動調節控制系統）改造，生產Hib鋼和高牌號取向硅鋼，滿足了國內市場高端硅鋼片產品的需求。軋鋼的軋制過程要求提高過程控制中帶鋼厚度測量的精度和速度，對于同板厚度差的要求已經提高到微米級，這就要求在熱軋和冷軋高速軋制過程中測量不同材質運動帶鋼的全截面上的厚度及分布。2002年二熱軋廠2250軋機采用從德國IMS公司引進的對厚度、凸度等采用多通道（114個電離室）、多參數、立體、實時顯示、數據儲存的 XR－SSMC（X－ray－Stereoscopic Simultaneous Multi－Channel）系統，該系統可同時在線測量、顯示帶鋼厚度分布和楔形、寬度和跟蹤（邊部移動）、邊緣降、中心厚度、表面板形和輪廓、高／低缺陷跟蹤及溫度分布等，為今后生產高質量帶鋼和開發高等級產品提供了必要的技術保障。投產后綜合成材率一直保持在97.3%以上。2009年為解決寧波象山大橋急需專用超厚（25.2mm）帶材，二熱廠2250軋機1—5月軋制帶材2.077萬噸，新增產值9011.1萬元，填補了國內空白，并摸索出在軋機軋制極限和儀表測量極限工作區域，保證儀表測量準確的先進操作法。

從國外引進的先進技術裝備，在國內全新的環境下能否得到充分有效的運用，其中一個重要的因素就是要在充分消化吸收的基礎上，對其進行改良和創新，形成具有自主知識產權的新技術，1700軋機工程的核儀表技術就是一個典型范例。武鋼工程技術集團計控公司技術研發人員在多年引進國外先進核技術裝備的應用基礎上，學習、分析、借鑒，再創新。通過自主、合作研發，在核技術應用領域已獲得較為豐碩的成果。如1998年為適應硅鋼ZR1軋機AGC技術改造，自主研制了W－Ⅰ數字式γ射線厚度計替代引進設備，成功地應用在硅鋼ZR1森吉米爾軋機，達到了高速（800m／min）、高精度（0.1%／0.5μm）、響應快（25ms）的厚度自動控制技術規范，其技術性能達到國外20世紀90年代水平，不僅為在武漢鋼鐵（集團）公司節省設備購置費10萬美元，也為其應用與發展儲備了技術基礎，第二代產品2008年推廣應用在ZR2軋機上，新一代智能厚度計正在研發中。30年來，在武鋼工程技術集團計控公司先后自主、合作研發的主要技術還有測厚儀電離室、測量傳換器、射線輸出器、操作系統及物位計數據存儲器國產化等20余項，共節省資金2 000萬元以上，并獲專利與技術決竅16項。

5 核儀表的未來發展趨勢

核儀表經過60多年的發展歷程，已在過程控制與最優化、測量與自動化、質量控制和各種檢測中得到更加廣泛的應用，對提高工業自動化水平，促進生產力發展起著主導作用，并成為現代鋼鐵工業控制技術中不可缺少的技術裝備，它適用于鋼鐵制造流程的高溫、高壓、高速、高濕、高塵、強振、強腐蝕、防爆等惡劣環境。核儀表涉及核物理、核電子探測、計算機、通訊、視頻、機械、控制等領域，是多學科的綜合體。目前的核儀表具有以下特點。

1）傳感器向微型化、數字化、智能化、多功能化、網絡化、低功耗方向發展。如德國Berthold公司LB－490一體化密度測量系統，采用微處理器技術將探測器與主機集成在一體，系統參數通過HART手操器設置；HART手操器可連接在4～20mA輸出電流環路內的任何一點。

2）具有高適應、高穩定、高可靠和長壽命特征。核儀表在復雜、惡劣的工作環境中使用一般可連續10萬小時可靠運行，正常使用5～10年。

3）采用計算機、微處理器和人工智能等技術，實現數據運算、存儲與通訊、非線性與溫度補償、放射源衰減補正、X射線源與測量精度的穩定、自診斷與自故障處理及遠程化服務等功能，大幅減輕了設備維護量，提高了儀表的可靠性；通過圖像視頻彩色顯示，達到更加友好的人機結合，使生產運行過程獲得更快的速度、更優的質量以及更嚴密的監控。

4）核技術與非核技術綜合應用，擴大了儀表的應用范圍，提高了其應用功能，并向高速度、高精度、高靈敏、更簡捷的方向發展。如德國IMS公司用于熱軋的 LasCon（Laser－Contour－Measurement）SMC厚度、凸度測量系統，將射線技術與激光技術相結合，實現在線實時測量帶鋼的中心厚度、厚度分布和楔形、寬度和跟蹤（邊部移動）、邊緣降、表面板形和輪廓、溫度分布、平直度等；系統中還包括自己開發的標準MEVInet：“測量和可視化網絡”（Measuring and Visualisation Network）子系統，用于控制、測量、管理、顯示、操作、長期數據存儲、質量管理和遠程維護。

隨著核電子學和核探測器技術的發展，多探測器陣列數據融合與計算機成像技術相結合的各種高靈敏圖像型核儀表（工業CT、放射性物質探測等）已在工業領域廣泛應用。微型、高效、高靈敏γ射線探測器的出現將對國際上亟待發展的探索性研究課題多相流體特征參數的準確測量、運算、判斷、分析與處理能力的提高，解決固、氣兩相流，油、氣、水三相流及多相流檢測及多相流檢測斷層成像技術的研究奠定基礎［4］。PGNAA技術用于工業過程控制中大批量物料的在線分析，鐵礦、煤礦的優化開采，提高生產能力和生產質量［5］。如今核儀表已成為鋼鐵制造過程中質量檢測與控制的重要手段并擴大應用，其主要特點是：潛力大、應用廣、對企業的技術與經濟的發展具有極其深遠的意義［6］。

進入21世紀以來，微型、網絡、在線、智能、虛擬、多功能、低耗等高科技化已成為現代核儀表最主要的特征和發展趨勢。核儀表正不斷更新結構，完善功能，提高精度、穩定性、可靠性、通用性，實現儀表的標準化、微型化、智能化與自動化，以適應現代工業連續、高速、精密的生產要求。主要發展趨勢體現在以下方面：1）整體結構，從單元組合式向系統集成式發展；2）測量方法，從簡單的檢測手段向高效率、高分辨率的復雜檢測裝置過渡；3）儀表功能，從單點單參數檢測向多點、多參數、自動檢測方向發展，擴大了儀表的應用范圍，提高了其應用功能；4）儀表通用性、安全性、可靠性、可維性、軟件功能的擴充以及控制系統與現場儀表層各項可互操作，實現了標準化、系列化；5）新型傳感器與計算機技術相結合，使得儀表的性能越來越高，速度越來越快、操作越來越簡便，并具有實時診斷與預測性維護等功能。

隨著各種支持性技術的發展，核儀表的技術水平將達到一個新的高度。外形上，結構將更加緊湊，體積進一步縮小。測量方式上，將從模擬技術向數字技術轉變，提高測量精度、穩定性與可靠性，采用多媒體技術提高儀表的綜合處理能力，改善人機界面，使之操作簡單靈活、維護方便，并具備自動補償、在線或遠程狀態監測、故障診斷、遠程服務、預測性維護與壽命評估等功能。

6 結 語

縱觀核儀表的發展歷程，可以預見，未來微型化、智能化、陣列化、全數字化的核儀表，結構將更加簡潔、功能更加完善、安裝更加簡便、速度更快、精度更高、性能更好、功能更強、用途更廣，更加靈活地實現多參數在線或離線獲取、運算、存儲、傳輸和利用，實現網絡化大區域測量和控制。

測控技術的進步推動了鋼鐵技術的發展，鋼鐵生產的需求驅動測控技術的進步。可以預見，新興的全數字化、智能化、多功能的核儀表測控系統將會在現代鋼鐵工業高效、低耗的生產，綠色化和可持續發展發中發揮越來越重要的作用。

［1］ 劉繼平.國內核儀器現狀及發展方向［C］／／中國核儀器行業協會研討會論文集.北京：中國核儀器行業協會，2008：54－61.

［2］ Hee Back Ro.Application ＆ beneft ncs thickness gauge ＆ profile gauge in pohang iron ＆steel CO LTD［R］／／IAEA／RCA Regional Workshop on NCS in the Steel Industry，1992.

［3］ Xiang Yaping.The existing state of nuclear instrumentation applications in WISCO and their developments［C］／／The 13Th Pacific Basic Nuclear Conference. Beijing：Atomic Energy Press，2002：339.

［4］ 劉雨人.論工業用同位素與輻射儀表［C］／／第四屆理事會暨學術報告會論文匯編.北京：中國核學會同位素分會，2004：8－11.

［5］ 汲長松.我國非動力核技術工業應用儀器的發展過程與趨勢［J］.同位素，2005，18（1－2）：123－125.

［6］ 張培信.IAEA／RCA 2005—2006年度核技術工業應用 項 目 計 劃 ［J］. 同 位 素，2005，18（1－2）：126－128.