燒結(jié)機(jī)混合料含水量的自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

寧秋平

（遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東 118009）

一、前言

鋼鐵行業(yè)燒結(jié)過(guò)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(jié)機(jī)中燒結(jié)。在燒結(jié)過(guò)程中，上層燒結(jié)料中的水分在升溫過(guò)程中蒸發(fā)成水蒸氣。隨著抽風(fēng)，水蒸氣開(kāi)始在下層冷料表面冷凝形成過(guò)濕層。過(guò)濕層的透氣性很差，阻礙燃燒和傳熱，致使燒結(jié)總管溫度降低、負(fù)壓升高、燒結(jié)緩慢，不僅影響燒結(jié)礦的質(zhì)量，還影響生產(chǎn)效率。因此水分是影響鋼鐵行業(yè)燒結(jié)過(guò)程的重要因素之一。以往一般采用紅外線水分儀對(duì)混合料的水分進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這與采用中子水分測(cè)量相比，響應(yīng)遲緩、實(shí)時(shí)性差，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)水分的異常變動(dòng)。下文以某鋼廠260m2燒結(jié)機(jī)技術(shù)改造項(xiàng)目為例，介紹采用中子水分測(cè)量技術(shù)進(jìn)行混合料水分的在線測(cè)量與控制方案，其實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)混合料水分的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證了燒結(jié)質(zhì)量。

二、改造任務(wù)

(1)在原有燒結(jié)機(jī)的基礎(chǔ)上，將手動(dòng)加水改為自動(dòng)加水，并保留其手動(dòng)加水功能。

(2)在燒結(jié)機(jī)混料系統(tǒng)一混(一次混合機(jī))及二混(二次混合機(jī))出口處，設(shè)置中子探測(cè)器和γ探測(cè)器檢測(cè)出料中的水分。

(3)改造部分嵌入原有的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。

三、傳感器

傳感器采用γ探測(cè)器和中子探測(cè)器，安裝位置見(jiàn)圖1。

測(cè)量原理：當(dāng)快中子和原子進(jìn)行碰撞時(shí)，會(huì)損失一部分能量而被慢化。氫原子和中子的質(zhì)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(duì)快中子的慢化作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他重元素。水分子中的含氫量較多，所以，水對(duì)快中子的慢化作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他物質(zhì)。利用水對(duì)快中子慢化的原理，采用檢測(cè)快中子數(shù)量來(lái)反映物料含水率，可以測(cè)定物料中水分的含量。同時(shí)，用γ射線吸收法測(cè)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(jié)構(gòu)示意圖

四、方案實(shí)施

水分自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)自控系統(tǒng))采用前饋—反饋控制，PID控制與模糊控制相結(jié)合，見(jiàn)圖2。

圖2 閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖

1.前饋控制

混料系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，物料從進(jìn)入混合機(jī)后到達(dá)出口水分儀檢測(cè)點(diǎn)需要一定的時(shí)間。如果用檢測(cè)到的水分信號(hào)來(lái)控制加水，那么勢(shì)必會(huì)造成混料加水滯后現(xiàn)象。為了防止滯后現(xiàn)象，應(yīng)采用前饋的控制方式，在物料剛進(jìn)入混合機(jī)的時(shí)候就開(kāi)始加水，此控制過(guò)程由于數(shù)學(xué)模型很難建立，為此采用模糊控制，利用專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法制定模糊控制規(guī)則，達(dá)到較好的控制效果。

2.反饋控制

當(dāng)物料在混合機(jī)里加水混勻，料流經(jīng)過(guò)一混出料口水分儀時(shí)，自控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)一混出料端檢測(cè)的水分，計(jì)算出實(shí)際加水量。用前饋控制時(shí)計(jì)算的理論加水量減去實(shí)際加水量就得到所要調(diào)整的水量，將調(diào)整的水量加上前饋控制的理論水量就得到需要達(dá)到目標(biāo)水分時(shí)的水量。

3.建模

式中：Sj——要達(dá)到目標(biāo)水分所要加的水量；

Ss——實(shí)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(biāo)水分；

So%——一混出料端水分儀檢測(cè)的實(shí)際水分；

Si%——一混入料水分。

由(1)、(2)可知自控系統(tǒng)實(shí)際調(diào)整水量：St=Sj+(Sj-Ss)。

4.工作原理(圖3)

系統(tǒng)主要完成以下檢測(cè)和控制:

一混來(lái)料的物料檢測(cè)、出料水分檢測(cè)，清水管路清水的流量檢測(cè)及其流量控制，污泥管路污泥流量檢測(cè)；二混清水管路清水的流量檢測(cè)及其流量控制，出料水分檢測(cè)。

相關(guān)設(shè)備的啟停檢測(cè)及連鎖控制(一混入料、出料皮帶啟停信號(hào)、混合機(jī)及污泥泵的啟停信號(hào)、二混入料皮帶啟停信號(hào)、二混出料皮帶啟停信號(hào)、混合機(jī)啟停信號(hào))。

安裝在一混入料皮帶上的皮帶秤用來(lái)檢測(cè)混合前物料的重量。通過(guò)一混入料水分估算及出料水分設(shè)定，計(jì)算出一混工藝需求水量，在加水管上安裝1臺(tái)電磁流量計(jì)和1臺(tái)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。補(bǔ)加水量由PLC控制一混電動(dòng)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)完成，需要加污泥時(shí)，自控系統(tǒng)會(huì)以污泥泵啟動(dòng)信號(hào)為依據(jù)，根據(jù)上位機(jī)組態(tài)畫(huà)面的濃度設(shè)定值及污泥流量信號(hào)對(duì)清水水量做出調(diào)整。調(diào)整方式為：清水水量=總加水量-入料含水量-污泥含水量。依據(jù)安裝在一混出料皮帶上的快中子水分儀實(shí)際檢測(cè)的出料水分，修正補(bǔ)加水的添加比例。

二混的控制，通過(guò)一混出料水分、一混的來(lái)料量、一混補(bǔ)加水量、二混出料水分設(shè)定及工藝要求計(jì)算出二混工藝需求水量。二混補(bǔ)加水量由PLC控制二混電動(dòng)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)完成。依據(jù)安裝在二混出料皮帶上的快中子水分儀實(shí)際檢測(cè)的出料水分，修正補(bǔ)加水的添加比例。

5.保護(hù)

現(xiàn)場(chǎng)混合料系統(tǒng)出現(xiàn)帶料停車(chē)及停車(chē)再啟動(dòng)等特殊情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同的停車(chē)、啟動(dòng)方式做相應(yīng)的處理。

(1)如生產(chǎn)出現(xiàn)重大事故，系統(tǒng)緊急停車(chē)(一次混合機(jī)及入料、出料皮帶瞬間全停，皮帶上及混合機(jī)里都有物料)。

該故障是各大鋼廠都存在并且避免不了的問(wèn)題，為了確保清水管路能及時(shí)關(guān)閉，在清水管路電動(dòng)調(diào)節(jié)閥前端加裝1臺(tái)電磁切斷閥。出現(xiàn)該故障時(shí)清水水路電磁切斷閥會(huì)根據(jù)混合機(jī)及其相關(guān)皮帶停止信號(hào)瞬間切斷清水管路清水。二混清水管路上也加裝1臺(tái)電磁切斷閥，可根據(jù)混合機(jī)及其相關(guān)皮帶停止信號(hào)瞬間切斷清水管路清水，同時(shí)電動(dòng)閥也會(huì)迅速關(guān)閉(電動(dòng)閥關(guān)閉與否也是由混合機(jī)及其相關(guān)皮帶啟停信號(hào)決定的，電動(dòng)閥關(guān)閉時(shí)間大約為1～1.5s)，以保證不會(huì)出現(xiàn)水分超限的現(xiàn)象。

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)因?yàn)榛旌蠙C(jī)內(nèi)及其入料皮帶上還有物料，混合機(jī)內(nèi)需要迅速加水，否則機(jī)內(nèi)物料會(huì)因?yàn)榧铀舆t而造成部分物料變干。此時(shí)，自控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)混合機(jī)啟動(dòng)信號(hào)及其入料皮帶秤的料量信號(hào)(一混入料料量350～450t/h，自控系統(tǒng)判斷混料系統(tǒng)啟車(chē)瞬間，料量超過(guò)300t/h就迅速加水，二混同上)迅速做出加水的反應(yīng)，加水量由入料量、入料水分及工藝要求達(dá)到水分等參數(shù)決定，經(jīng)PLC自動(dòng)控制電動(dòng)閥給水量。

(2)一混入料皮帶瞬間停運(yùn)，而混合機(jī)及出料皮帶運(yùn)行。

此時(shí)自控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)混合機(jī)的混料時(shí)間(混合機(jī)入料口到出料口混料時(shí)間)逐漸減小水量而后關(guān)閉電動(dòng)閥。

一混入料皮帶運(yùn)行后，自控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)入料皮帶的啟停信號(hào)及入料皮帶下料點(diǎn)到混合機(jī)機(jī)頭加水點(diǎn)的延時(shí)時(shí)間控制加水。二混同上。此方案能滿足燒結(jié)廠燒結(jié)混合料水分的在線檢測(cè)和補(bǔ)加水量的自動(dòng)控制需求，燒結(jié)混合料系統(tǒng)最終水分含量(目標(biāo)值)的控制范圍在±0.5以內(nèi)(絕對(duì)值)。上位機(jī)具有對(duì)260m2燒結(jié)機(jī)燒結(jié)混料自動(dòng)加水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控、操作、歷史數(shù)據(jù)記錄、查詢等功能，以實(shí)現(xiàn)燒結(jié)廠水分的真正在線檢測(cè)與控制的目的。

五、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和操作方式

控制系統(tǒng)可以依據(jù)實(shí)際需要采用1套上位機(jī)系統(tǒng)，1臺(tái)PLC控制柜、2套現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行水分檢側(cè)與加水控制。后期系統(tǒng)增加時(shí)上位系統(tǒng)不需要變更，僅追加PLC及現(xiàn)場(chǎng)儀表部分，擴(kuò)充方便。

1.手動(dòng)操作功能

該功能獨(dú)立于控制系統(tǒng)之外，手動(dòng)操作部分滿足了各工藝設(shè)備的基本運(yùn)行需要。在電氣部分的手操器上，操作人員可根據(jù)需要選擇自動(dòng)或手動(dòng)兩種方式控制。

2.計(jì)算機(jī)操作功能

開(kāi)機(jī)時(shí)，操作人員只需在計(jì)算機(jī)上用鼠標(biāo)點(diǎn)擊參數(shù)按鈕，設(shè)定各種工藝參數(shù)。自控系統(tǒng)將會(huì)按照工藝流程的要求，完成對(duì)各設(shè)備的控制。停機(jī)時(shí)，自控系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉電動(dòng)閥。

六、控制能力評(píng)定

根據(jù)工藝要求，燒結(jié)機(jī)一次混合料水分測(cè)量范圍為5.5%～7.5%，具體值由生產(chǎn)工藝要求提供，其最大允許波動(dòng)范圍為±0.3%。根據(jù)工藝要求確定其分辨力需達(dá)到0.1%。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和需配備設(shè)備的技術(shù)要求，環(huán)境條件設(shè)定為0～40℃，濕度＜80%RH。在一混后安裝中子水分儀進(jìn)行水分自動(dòng)測(cè)量控制后，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了水分采樣測(cè)定。即在二混后對(duì)燒結(jié)料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣，烘干測(cè)水，連續(xù)3天，每次取3個(gè)樣，持續(xù)3個(gè)月，以檢驗(yàn)二混后燒結(jié)料水分的穩(wěn)定性。取其中3天的具體數(shù)據(jù)為例，列于表1。

表l 二混后混合料水分現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)定值 %

由表l可以看出，使用中子水分儀后，燒結(jié)混合料水分的控制與目標(biāo)值相近，且相當(dāng)穩(wěn)定。燒結(jié)混合料水分完全實(shí)現(xiàn)了在線測(cè)量與控制，為穩(wěn)定燒結(jié)生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的條件。隨著二混后燒結(jié)料水分的穩(wěn)定性的提高，燒結(jié)礦的品位、燃耗、產(chǎn)量都有了顯著提高。

七、結(jié)論

自控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)給水，穩(wěn)定燒結(jié)原料水分配比，提高燒結(jié)機(jī)效率，消除人為誤差。中子水分儀不受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的干擾，適用于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)所?？刂葡到y(tǒng)已從2009年6月運(yùn)行至今，運(yùn)行狀態(tài)良好，參數(shù)穩(wěn)定。生產(chǎn)實(shí)踐證明，中子水分儀應(yīng)用于生產(chǎn)后，各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定可靠，能準(zhǔn)確及時(shí)地測(cè)定混合料中水的含量，響應(yīng)時(shí)間及精度可以滿足工藝要求。

[1]王欣.對(duì)真空燒結(jié)爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的電氣改造[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2002(6):110-112.

[2]呂書(shū)婷,李習(xí)亮.燒結(jié)混合料水分測(cè)量過(guò)程控制方法[J].中國(guó)計(jì)量,2011(3)：100-101.