自动调节烧结机混合料中水分的控制系统设计

宁秋平

（辽宁机电职业技术学院，辽宁 丹东118009）

1 引 言

钢铁行业烧结过程是，将铁矿粉、熔剂、燃料、代用品及返矿按一定比例组成混合料配以适量水分，在烧结机中烧结［1］。烧结过程中，混合料中的水分蒸发产生水蒸气，会阻碍传热和燃烧。因此水分是影响钢铁行业烧结过程的重要因素之一［2］。以往监测混合料中水分的设备，常用红外线水分仪，与采用中子水分测量相比，响应迟缓，实时性略差，难以及时发现水分的异常变动，本文以某钢厂260m2烧结机技术改造项目案例，介绍采用中子水分测量混合料水分的在线测量与控制方案，实现了实时监控混合料中水分，确保烧结质量。

2 设计任务

（1）将烧结机原混合机手动加水，改为自动控制加水，并保留其手动操作加水功能；

（2）在烧结机烧结混料系统一混及二混出口处，用于检测混合料系统出料水分的仪器，采用中子探测器，入料量用γ 探测器检测；

（3）改造部分嵌入原有自动控制系统中。

3 传感器

传感器采用γ 探测器和中子探测器，在线安装见示意图如图1。

测量原理：快中子与原子碰撞，中子会被慢化（损失一部分能量）。中子的质量与氢原子相等，与其碰撞一次，中子几乎损失全部能量。水分子是由氢氧两种元素组成，含氢量较多，水是慢化快中子较优选的物质。中子水分仪，就是利用水对快中子具有慢化的效应制作而成。见图1，当中子源产生的快中子穿过含水物料后，会被慢化，中子探测器检测快中子数来反映物料含水率，可以测定出物料中水分的含量。物料的入料口安装有γ 探测器，用γ 射线吸收法，可测定出物料的总量。根据上面获得的两种数据，系统工控机就可计算出物料中水分的重量百分比含量。

图1 中子水分仪在线安装结构示意图

4 方案实施

水分自动调节控制系统为能实现快速、精准控制，闭环控制系统中采用前馈-反馈控制，PID 控制与模糊控制相结合。

4.1 前馈-反馈控制

以一混为例，一混的闭环控制系统示意图如图2 所示。

前馈控制：系统刚开始工作，新上的混料只有流到一混出口才开始被检测水分，系统中的工控机才能算出所需调整的水量，然后开始加水。这种滞后加水不能满足生产工艺要求，为解决此问题，系统采用前馈控制。该系统控制过程数学模型很难建立，前馈控制采用模糊控制。基于专家经验法制定的模糊控制规则，给出调整水量，使刚进入混合机的物料就能得到加水，及时调节了含水量。

反馈控制：物料在一混合机里加水混匀后，由一混出料口流出，会被监测的传感器实时检测水分，工控机获得水分数据后，能快速计算出物料的实际水分及实际加水量。系统反馈是负反馈，见图2，系统的偏调水量就等于初始水量减去实际加水量，系统的实际调整的水量（达到水分目标值的调控量）等于偏调水量加上初始水量。

图2 一混闭环控制系统示意图

4.2 建模

式中，Sc-初始水量；L1-一混合机入料总量；Sm-水分目标值；Si-一混入料水分估算值。

式中，Ss-实际加水量；So-一混合机出料水分。

式中，Sx-偏调水量。

由式（1）、式（2）和式（3）求出水分实际调整量:

式中，St-实际调整的水量。

4.3 工作原理

控制系统架构见框图3。

图3 控制系统框图

系统的一混主要完成任务：（1）启停控制（入料、出料、混合机及污泥泵等）；（2）混合料入料量检测；（3）混合料出料水分检测；（4）清水的流量检测及控制；（5）污泥流量检测及控制。

系统的二混主要完成任务：（1）启停控制（入料、出料、混合机等）；（2）混合料出料水分检测；（3）清水的流量检测及控制。

系统的一混入料（混合前）的重量由γ 探测器测得，估算获得其水分值。一混出料水分的目标值，由工艺要求确定。工控机根据物料估算的水分值和目标值，计算出一混加水量。一混电磁流量计监测水量，PLC 控制一混清水电动调节阀，实现一混自动加水。一混的快中子水分仪实时检测一混出料水分，回传给系统，系统及时调整加水量。系统还依据设定的浓度值，根据需要自动调节控制污泥泵启停。

系统的二混，根据一混的来料量、出料水分数值，二混出料的水分目标值，计算出二混加水量，也由电磁流量计监测水量，PLC 控制清水电动调节阀，实现二混自动加水。二混的快中子水分仪实时检测二混出料水分，上传给系统，及时修正加水量。

根据需要，系统可大流量快速加水、小流量加水及延时加水。系统还备有紧急停车功能，能快速关闭总供水阀门，切断一混和二混的供水水源，确保失控时也不会发生超限加水现象。

5 工作模式

控制系统兼有手动和自动操作两种工作模式。

手动功能：系统工作模式为“手动”模式时，操作员手动操作可完全取代自动控制功能。根据工艺要求，操作员进行手动控制电动阀的开度，完成加水。

自动功能：系统工作模式为“自动”时，操作员点动启动按钮，系统将会按照预置的各种参数，自动完成对各设备的控制。停机时，自控系统将自动关闭电动阀。

6 控制能力评定

烧结一混合料的水分，一般控制在5.50%～7.50%范围内，具体值根据生产工艺确定。设备改造完成后，在调试现场对二混烧结料取样，每次取3 个（连续3 天）烘干测水，数据见表1。

表1 混合料水分测定值

分析表l 数据，混合料的实测水分值波动小，较接近目标值，说明系统水分控制精准、平稳，达到了预期目标。

7 结 论

中子水分仪的特性决定了中子水分仪不受现场环境的干扰，适用于工况现场环境比较恶劣的场所。改造后的系统能实现自动给水，稳定烧结原料水分配比，提高烧结机效率，消除人为误差。控制系统已从2009 年6 月运行至今，运行状态良好，参数稳定。生产实践证明，该系统可以满足烧结过程中各种生产工艺控制的要求。

［1］ 王欣.对真空烧结炉自动控制系统的电气改造［J］.湖南大学学报，2002（6）：110-112.

［2］ 吕书婷，李习亮.烧结混合料水分测量过程控制方法［J］.中国计量，2011（3）：100-101.