燒結機混合料含水量的自控系統設計

寧秋平

（遼寧機電職業技術學院，遼寧 丹東 118009）

一、前言

鋼鐵行業燒結過程是將鐵礦粉、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，于燒結機中燒結。在燒結過程中，上層燒結料中的水分在升溫過程中蒸發成水蒸氣。隨著抽風，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，致使燒結總管溫度降低、負壓升高、燒結緩慢，不僅影響燒結礦的質量，還影響生產效率。因此水分是影響鋼鐵行業燒結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測，這與采用中子水分測量相比，響應遲緩、實時性差，難以及時發現水分的異常變動。下文以某鋼廠260m2燒結機技術改造項目為例，介紹采用中子水分測量技術進行混合料水分的在線測量與控制方案，其實現了燒結混合料水分的實時監測，保證了燒結質量。

二、改造任務

(1)在原有燒結機的基礎上，將手動加水改為自動加水，并保留其手動加水功能。

(2)在燒結機混料系統一混(一次混合機)及二混(二次混合機)出口處，設置中子探測器和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。利用水對快中子慢化的原理，采用檢測快中子數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構示意圖

四、方案實施

水分自動調節控制系統(簡稱自控系統)采用前饋—反饋控制，PID控制與模糊控制相結合，見圖2。

圖2 閉環控制系統示意圖

1.前饋控制

混料系統啟動時，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象。為了防止滯后現象，應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，此控制過程由于數學模型很難建立，為此采用模糊控制，利用專家經驗法制定模糊控制規則，達到較好的控制效果。

2.反饋控制

當物料在混合機里加水混勻，料流經過一混出料口水分儀時，自控系統會根據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整的水量，將調整的水量加上前饋控制的理論水量就得到需要達到目標水分時的水量。

3.建模

式中：Sj——要達到目標水分所要加的水量；

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)可知自控系統實際調整水量：St=Sj+(Sj-Ss)。

4.工作原理(圖3)

系統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。

相關設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臺電動調節閥。補加水量由PLC控制一混電動閥自動調節完成，需要加污泥時，自控系統會以污泥泵啟動信號為依據，根據上位機組態畫面的濃度設定值及污泥流量信號對清水水量做出調整。調整方式為：清水水量=總加水量-入料含水量-污泥含水量。依據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節完成。依據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

現場混合料系統出現帶料停車及停車再啟動等特殊情況時，系統會根據不同的停車、啟動方式做相應的處理。

(1)如生產出現重大事故，系統緊急停車(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閉，在清水管路電動調節閥前端加裝1臺電磁切斷閥。出現該故障時清水水路電磁切斷閥會根據混合機及其相關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，可根據混合機及其相關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閉(電動閥關閉與否也是由混合機及其相關皮帶啟停信號決定的，電動閥關閉時間大約為1～1.5s)，以保證不會出現水分超限的現象。

系統啟動時因為混合機內及其入料皮帶上還有物料，混合機內需要迅速加水，否則機內物料會因為加水延遲而造成部分物料變干。此時，自控系統會根據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，自控系統判斷混料系統啟車瞬間，料量超過300t/h就迅速加水，二混同上)迅速做出加水的反應，加水量由入料量、入料水分及工藝要求達到水分等參數決定，經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。

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

一混入料皮帶運行后，自控系統會根據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。此方案能滿足燒結廠燒結混合料水分的在線檢測和補加水量的自動控制需求，燒結混合料系統最終水分含量(目標值)的控制范圍在±0.5以內(絕對值)。上位機具有對260m2燒結機燒結混料自動加水系統的遠程集中監控、操作、歷史數據記錄、查詢等功能，以實現燒結廠水分的真正在線檢測與控制的目的。

五、控制系統結構和操作方式

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

1.手動操作功能

該功能獨立于控制系統之外，手動操作部分滿足了各工藝設備的基本運行需要。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點擊參數按鈕，設定各種工藝參數。自控系統將會按照工藝流程的要求，完成對各設備的控制。停機時，自控系統將自動關閉電動閥。

六、控制能力評定

根據工藝要求，燒結機一次混合料水分測量范圍為5.5%～7.5%，具體值由生產工藝要求提供，其最大允許波動范圍為±0.3%。根據工藝要求確定其分辨力需達到0.1%。根據生產現場環境和需配備設備的技術要求，環境條件設定為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，現場進行了水分采樣測定。即在二混后對燒結料進行現場取樣，烘干測水，連續3天，每次取3個樣，持續3個月，以檢驗二混后燒結料水分的穩定性。取其中3天的具體數據為例，列于表1。

表l 二混后混合料水分現場取樣測定值 %

由表l可以看出，使用中子水分儀后，燒結混合料水分的控制與目標值相近，且相當穩定。燒結混合料水分完全實現了在線測量與控制，為穩定燒結生產創造了良好的條件。隨著二混后燒結料水分的穩定性的提高，燒結礦的品位、燃耗、產量都有了顯著提高。

七、結論

自控系統能實現自動給水，穩定燒結原料水分配比，提高燒結機效率，消除人為誤差。中子水分儀不受現場環境的干擾，適用于現場環境比較惡劣的場所。控制系統已從2009年6月運行至今，運行狀態良好，參數穩定。生產實踐證明，中子水分儀應用于生產后，各項指標穩定可靠，能準確及時地測定混合料中水的含量，響應時間及精度可以滿足工藝要求。

[1]王欣.對真空燒結爐自動控制系統的電氣改造[J].湖南大學學報，2002(6):110-112.

[2]呂書婷,李習亮.燒結混合料水分測量過程控制方法[J].中國計量,2011(3)：100-101.