基于PGNAA 在線元素分析儀改善燒結(jié)堿度波動的實(shí)踐

丁 軼

（上海梅山工業(yè)民用工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200082）

高爐原料中燒結(jié)礦用量占比最大，燒結(jié)礦堿度對高爐的正常運(yùn)行是非常重要的，一般一噸鐵水需要950kg至1050kg 燒結(jié)礦。在燒結(jié)廠，堿度被定義為CaO%與SiO2%的比值（[CaO]/[SiO2]）。安裝于環(huán)冷機(jī)后的自動采樣機(jī)每隔1 小時取一個燒結(jié)礦樣品，后將兩個樣品混合經(jīng)過破碎縮分制成燒結(jié)成品礦混合樣品，樣品被送至化驗(yàn)室使用XRF 分析儀對Ca，Si 等其它元素進(jìn)行分析，獲得燒結(jié)礦堿度數(shù)據(jù)。燒結(jié)礦堿度是燒結(jié)生產(chǎn)工藝控制的最為重要的指標(biāo)之一，為了穩(wěn)定燒結(jié)質(zhì)量，提高燒結(jié)生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，燒結(jié)從業(yè)者做了大量嘗試創(chuàng)新[1]。對于燒結(jié)礦的化學(xué)成分分析和控制，一種新型的在線分析技術(shù)——瞬發(fā)伽瑪中子活化分析（PGNAA）近年來在國內(nèi)外得到應(yīng)用，該技術(shù)可直接對輸送皮帶的燒結(jié)混合料進(jìn)行檢測，獲得燒結(jié)礦堿度。相比傳統(tǒng)的離線分析方式，可減少延時5 個小時。本文將對PGNNA 技術(shù)工作原理、PGNAA 分析儀在燒結(jié)廠實(shí)施過程、應(yīng)用效果、以及分析儀如何帶來經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行介紹。

1 PGNAA 原理

PGNAA 技術(shù)利用中子源發(fā)出的中子對樣品各種元素的原子核進(jìn)行轟擊，原子核受轟擊后進(jìn)入“激發(fā)態(tài)”，并通過產(chǎn)生伽瑪射線重獲穩(wěn)定狀態(tài)。γ 射線進(jìn)入探測器，探測器內(nèi)閃爍晶體受到γ 射線激發(fā)，給出γ 射線的能量和強(qiáng)度信息，通過計算分析可得到被檢測物料的成分及含量信息。該項(xiàng)目分析儀由賽默飛世爾科技提供，選用锎-252 作為分析儀激發(fā)源，該激發(fā)源的半衰期為2.6 年[2]。

PGNAA 技術(shù)已在水泥、礦業(yè)、鋁土礦等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，是目前唯一商業(yè)化的可實(shí)現(xiàn)穿透性成分分析應(yīng)用的技術(shù)。該技術(shù)具有在線全樣品分析、代表性高、準(zhǔn)確好的特點(diǎn)，同時幾乎不受粉塵、環(huán)境水分波動、震動等惡劣工況的影響，是目前較為理想的在線成分檢測技術(shù)[3]。

2 燒結(jié)廠PGNAA 分析儀位置

通常混勻礦在預(yù)混料堆場存放7 天后開始輸送到料倉與熔劑、燃料等進(jìn)行配料。在配料線上，需要加入焦粉、返礦、石灰石和石英砂，經(jīng)過一混加水（5%）后即到PGNAA分析儀安裝位置處。工藝流程如圖1所示。

圖1 燒結(jié)工藝流程圖

一混后二混前是分析儀的最佳安裝位置，在該位置燒結(jié)混料中所需的熔劑已經(jīng)加入，同時這里距離下料倉的時間較短，可以快速地對下料進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少延時。快速、高頻調(diào)整也是分析儀最大的優(yōu)勢。

分析儀跨燒結(jié)混合料皮帶安裝。分析儀主要由分析儀主體（內(nèi)含中子激發(fā)源和探測器）、電控柜、標(biāo)準(zhǔn)樣品及操作控制端四部分構(gòu)成，主體部分則由屏蔽體組（見圖2）、中子源、探測器構(gòu)成。分析儀電控柜安裝在分析儀本體20 米范圍內(nèi)，能夠控制和處理探測器的信號，通過網(wǎng)線或光纖與中控室的操控端進(jìn)行通訊，上傳設(shè)備相關(guān)狀態(tài)信息。

圖2 PGNAA 分析儀示意圖

分析儀安裝在燒結(jié)廠的B205 皮帶上，分析儀距離混料機(jī)約15 米，距離調(diào)整下料倉的位置約10 分鐘。同時為該分析儀新建一個專用小屋，用于存放分析儀自帶的標(biāo)準(zhǔn)樣品及激發(fā)源應(yīng)急裝置。

標(biāo)準(zhǔn)樣品用于在現(xiàn)場對分析儀進(jìn)行精度驗(yàn)證和校準(zhǔn)。校準(zhǔn)標(biāo)樣的組織成分同分析儀以后運(yùn)行中實(shí)際測量的材料組成范圍相一致，根據(jù)配方的化學(xué)組成和精確的重量比例計算出標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的組成。

3 操控端電腦界面

可顯示不同探測器的不同元素的波峰曲線。根據(jù)該能譜圖可換算得到不同元素氧化物的含量，如根據(jù)硅元素值計算出SiO2%。為實(shí)現(xiàn)對燒結(jié)混合物料的準(zhǔn)確分析，分析儀配置了四組探測器，以提高分析性能。

PGNAA 分析儀每分鐘可收集12 個測量值，然后給出一分鐘的平均值。可顯示燒結(jié)混料每分鐘的分析值、30 分鐘滾動均值和目標(biāo)值，包含了CaO%數(shù)據(jù)、SiO2%數(shù)據(jù)和燒結(jié)混合料的堿度數(shù)據(jù)。操作員可利用數(shù)據(jù)曲線根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)對下料進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，從而調(diào)整石灰石或者生石灰的下料量。由于Si 主要來源是混合鐵料，因此調(diào)整堿度的過程只能通過調(diào)節(jié)石灰石或生石灰來實(shí)現(xiàn)[4]。當(dāng)堿度檢測值和目標(biāo)值相差不大時通過調(diào)整石灰石的下料量來實(shí)現(xiàn)對堿度的控制，若堿度檢測值和目標(biāo)值相差較大時則需要通過調(diào)節(jié)生石灰的下料量來達(dá)到快速調(diào)整堿度的目的[5]。需要注意的是，調(diào)整生石灰的下料量將會導(dǎo)致燒結(jié)混合料水分的波動，因此生石灰應(yīng)盡量不調(diào)，只有當(dāng)石灰石的調(diào)整不足以實(shí)現(xiàn)堿度調(diào)整的目標(biāo)時，才用生石灰來調(diào)整，以盡量較少堿度調(diào)整對水分含量造成的影響。

4 分析儀精度驗(yàn)證

分析儀在完成安裝和靜態(tài)標(biāo)定，在沒有堿度自動控制系統(tǒng)的情況下對PGNAA 分析儀分析結(jié)果與化驗(yàn)室分析結(jié)果進(jìn)行了對比[6]。該項(xiàng)測試是在燒結(jié)廠正常生產(chǎn)期間進(jìn)行的，燒結(jié)混合原料通過PGNAA 分析儀通道并對燒結(jié)混合料進(jìn)行分析，按照正常生產(chǎn)燒結(jié)成品礦自動取樣方式進(jìn)行取樣，每兩小時自動采樣機(jī)取樣，采樣兩次后將樣品自動混合、破碎、縮分送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。為了保證統(tǒng)計結(jié)果的準(zhǔn)確性，該測試總共對20 個樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，PGNAA 分析儀數(shù)據(jù)則是按照延時推算，相對應(yīng)2 小時分析儀數(shù)據(jù)的加權(quán)平均值結(jié)果，使用加權(quán)平均值與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果進(jìn)行對比[7]。

結(jié)果表明，對燒結(jié)混合料進(jìn)行在線高精度分析是可實(shí)現(xiàn)的。CB Omni Agile 對鈣、硅、鎂、鋁和鐵等主要元素的分析精度可滿足生產(chǎn)控制要求，甚至更好。通過不同分析時長時不同氧化物分析值重復(fù)性對比，在實(shí)際運(yùn)用時，我們選用滾動30min 平均值堿度自動控制系統(tǒng)計算依據(jù)，優(yōu)化了燒結(jié)生產(chǎn)工藝狀況。

5 CB Omni Agile 收益

目前燒結(jié)廠堿度控制通常使用燒結(jié)礦化驗(yàn)室化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)作為生產(chǎn)控制依據(jù)，燒結(jié)礦取樣點(diǎn)通常位于圓盤冷卻機(jī)后，經(jīng)過破碎縮分后由人工或自動輸送系統(tǒng)送入化驗(yàn)室使用X 熒光分儀得到燒結(jié)礦化學(xué)成分。中控室運(yùn)行人員根據(jù)燒結(jié)礦化學(xué)成分判斷是否進(jìn)行生石灰或石灰石等物料調(diào)整，調(diào)節(jié)滯后3～6 小時。PGNAA 技術(shù)具有無需取制樣、實(shí)時在線檢測、全樣品分析的特點(diǎn)，大大縮短工藝操作人員獲知燒結(jié)混合料成分變化的時間，原本需要5～6 小時才能知道的成分波動情況，在使用CB Omni Agile 后僅需要20 分鐘即可獲取，為及時進(jìn)行熔劑調(diào)整提供了依據(jù)。

分析儀投入使用后，經(jīng)過靜態(tài)和動態(tài)精度、重復(fù)性考察后，燒結(jié)運(yùn)行人員將化驗(yàn)室數(shù)據(jù)與CB Omni-S數(shù)據(jù)結(jié)合，人工判斷是否進(jìn)行生石灰或石灰石下料量調(diào)整。應(yīng)用后，燒結(jié)礦堿度穩(wěn)定性提升了32%，堿度標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.053 降低到0.036，堿度波動減小顯著。對比應(yīng)用前后，在線元素分析儀CB Omni Agile 可幫助燒結(jié)生產(chǎn)過程成分更加穩(wěn)定，減少成分波動大的情況，尤其是物料波動劇烈的時候，能及時調(diào)控，可以規(guī)避物料突變造成結(jié)果的重大偏離。同時在生產(chǎn)實(shí)踐時，遇到料倉原料下錯的情況，成分分析結(jié)果的異常報警也幫助了操作員快速發(fā)現(xiàn)，迅速調(diào)整，從而避免生產(chǎn)事故。

6 結(jié)論與展望

結(jié)合調(diào)試和使用經(jīng)驗(yàn)，CB Omni Agile 在線元素分析儀的應(yīng)用在實(shí)現(xiàn)成分穩(wěn)定上效果顯著，對比原有控制方式，燒結(jié)礦堿度穩(wěn)定性提升了32%，帶來的主要收益如下：

1.大幅縮短熔劑調(diào)整控制周期，減少波動劇烈情況。

2.穩(wěn)定堿度標(biāo)準(zhǔn)偏差，獲得更高質(zhì)量燒結(jié)礦。

傳統(tǒng)的配料系統(tǒng)主要是基于物理、化學(xué)原理建立的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式、多元方程組求解或者運(yùn)籌學(xué)中的線性規(guī)劃等得到的，這些方法所對應(yīng)的系統(tǒng)以配料機(jī)制為基礎(chǔ)，結(jié)合配料相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)建立。而以往化驗(yàn)室數(shù)據(jù)量少，無法及時反映物料實(shí)際變化情況，但對于配料這種復(fù)雜的系統(tǒng)來說，無論采用點(diǎn)優(yōu)化、區(qū)間優(yōu)化等方式均具有一定的局限性。

PGNAA 技術(shù)的應(yīng)用，為燒結(jié)生產(chǎn)過程提供了大量實(shí)時準(zhǔn)確的化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)。通過引入人工智能自學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)，可以在原有的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，將原料信息、工藝特點(diǎn)和長期配料的經(jīng)驗(yàn)知識整合起來，并采用適當(dāng)?shù)闹悄芩惴ǎū热缟窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊計算、遺傳算法、粒子群優(yōu)化等），可以在合理的時間內(nèi)得出更精確的配比參數(shù)，給出更高質(zhì)量的優(yōu)化配料方案。