跨皮带式中子活化多元素分析仪在某钢铁厂的应用

陈月红，张伟

（丹东东方测控技术股份有限公司，辽宁 丹东 118002）

0 引言

近些年，随着市场竞争的加剧，资源成本不断增加，各钢铁企业为增加经济效益，采取了降低成本战略。在高炉生产中，烧结矿是高炉入炉的主要原料，占比达到70%以上，烧结生产的地位很重要。据统计，高炉原料碱度波动值由0.1降至0.075时，高炉增产1.5%，焦比降低0.8%。提高烧结矿的质量将直接影响钢铁企业的产量和质量，提高烧结矿的质量至关重要，所以需要采取切实有效的措施来优化控制烧结矿的生产过程[1-2]。

某钢铁厂位于西北地区，公司具备年生产生铁95万吨、钢坯110万吨、钢材130万吨的生产能力。在烧结配料环节，采用的是人工取样、制样和化验的方式，周期长，代表性差，配料采用人工调节，烧结料的合格率低，需要对烧结料工艺进行改造升级。

本文中介绍的跨皮带式中子活化多元素分析仪，即应用于某钢铁厂烧结料检测及配料环节，可快速识别出物料中元素种类和元素含量，提前预测出烧结成品矿的碱度指标，根据结果调整熔剂配比，保证了烧结矿的合格率，提高了钢铁厂的质量管理水平，为企业带来了经济效益。

1 提高烧结矿质量的必要性

烧结工艺是一个复杂的工业过程，烧结过程不仅能使矿粉成块，而且对高炉炉料起着火法预处理的作用，使得高炉冶炼达到高产、优质、低耗的目的。此外烧结过程还可去除硫、锌等有害杂质，回收利用工业生产废弃物、有色金属和稀有金属[3]。

烧结配料是烧结的首道工序，它分两步获得烧结所用的混合料。第一步将各种铁矿石按一定比例混合，形成中和矿；第二步将中和矿、烧结后的返矿、溶剂和固体燃料按一定比例混合形成混合矿；混合矿经过烧结得到烧结矿[4]。

烧结工艺复杂，影响烧结矿产量和质量的因素有很多，主要包括：烧结配料结构、烧结熔剂结构、混合料温度影响、烧结机漏风率、烧结料层厚度、混合料水含量、燃料粒度等[5]。

与国际钢铁行业的先进技术相比，我国的烧结过程控制技术水平相对较低，烧结配料多数采用人工配料，对操作员的技术水平、责任心等要求很高，这种方式误差性较大，在生产中出现波动时，很难在第一时间做出调整。为检验配料效果，对混合料定时取样，到厂区化验室进行化验，这种方法控制效果不好，并且滞后性很大，当化验结果反馈时，如果出现了指标波动，再去调整配方为时已晚，可能已生产出劣质不达标的烧结矿，这时就需要返矿，导致了烧结矿的稳定率差，损失可能无法挽回，影响了生产进度。

2 跨皮带式中子活化多元素分析仪

面对烧结工艺过程中出现的化验与配料调整不及时的问题，增加对烧结矿的过程控制刻不容缓。首先是要提高烧结矿的检测频率，为快速指导配料提供数据依据，这就需要应用稳定的高精度在线检测仪表，实时检测出混合料的成分，提前预测出烧结成品矿的碱度指标，根据结果调整熔剂配比，最终降低烧结矿的碱度波动。跨皮带式中子活化多元素分析仪可应用于煤炭、水泥和钢铁等领域，在钢铁领域可以实现烧结料配料的优化控制，提高钢铁合格率[6-7]。

2.1 检测原理

跨皮带式中子活化多元素分析仪采用中子活化瞬发γ分析(PGNAA)技术[7]，灵敏度高，使用γ射线对烧结料进行无损检测和成分分析。使用中子对样品进行辐照时，样品内核素与中子会发生相互作用，如：弹性散射、非弹性散射或中子俘获。中子俘获反应会产生高能的瞬发伽马射线，而不同核素俘获中子产生的瞬发伽马能谱特征峰不同，利用这一特性，根据瞬发伽马能谱其特征峰的能量和强度便能够确定元素的种类和含量。PGNAA技术可以检测元素周期表中大部分元素，包括放射性元素，特别是对轻元素（H、B、C、N等）有很高的检测灵敏度，这一独特优点是其它无损检测方法难以企及的[8]。

2.2 仪表组成

仪表系统包括测量装置、中子源、探测器、信号处理柜和主机五部分。其中中子源、探测器分别安装于测量装置的下部和上部。载料皮带从测量装置中间滑槽穿过，信号处理柜安装于测量装置旁，主机安装于主控室，具体如图1所示：

图1 跨皮带式中子活化多元素分析仪结构示意图

（1）测量装置：其结构是模块式框架结构，其中包含测量过程中的关键部件，同时采用了对射线进行防护的装置，使测量装置周围的辐射剂量在国家辐射安全标准范围内，保证了操作人员的健康安全。

（2）中子源：安装位置在测量装置的下部，位于物料皮带的正下方，放射性活度随着持续发射中子逐渐减小，需补充新的中子源芯以达到初始源强度。

（3）探测器：安装于测量装置的上部，位于物料皮带的正上方，接收物料被中子作用后发出的射线。

（4）信号处理柜：柜内装配了仪表的外围测量部件，包括电源、温控装置等，为维持和监控仪表正常运行提供了保障。

（5）主机：由硬件和软件组成，采集来自仪表的数字信号，对复杂的信号进行分析，对谱信号进行解析，计算出物料的元素成分及相关的质量控制参数，以指导和控制烧结料生产。

2.3 设备功能

分析仪具有多元素、多指标分析的特点。分析仪对流经皮带的混合料进行实时无接触在线检测，并且快速给出分析结果，能同时检测物料中的Si、Al、Fe、Ca、K、Ti、Na、S等多种元素，以及能检测出TFe、R等多项指标。

分析仪将检测到的分析结果汇总至跨皮带式中子活化多元素分析仪的碱度自动控制程序，建立质量控制模型，结合现场的目标质量指标要求，求取最佳配料比，并实时将混合料的检测值与目标值对比，不断的进行调整配比，实现闭环控制，使碱度尽量稳定，提高了烧结矿的品质，实现了烧结过程配料的优化控制。

系统提供了自动化的数据采集和设备控制功能，通过系统可实时监控到仪表的实时运转情况，实现了对烧结工艺的过程控制，通过系统管理者可方便地进行过程状态监视与分析、优化控制管理、参数设置、报警提示、报表打印等，人机界面友好。系统才提供了历史数据管理功能，操作员可方便地查询到任意时刻的检测数据，分为小时、班次、天等多种时间段的统计报表，方便了管理人员查询，取代了传统人工繁杂的统计工作。

2.4 技术优势

PGNAA技术是当前物料在线检测领域中最先进的技术。由于γ射线穿透性强，使得应用这种技术的分析仪可以对通过该仪表的所有物料进行检测，而应用其他检测技术的仪表只能检测到物料的表面或者皮带上的一小部分物料截面，因此，基于PGNAA技术的中子活化多元素分析仪的分析结果的代表性更好。

仪表是实时在线检测，取代了传统的人工取样、制样和化验的工艺模式，耗时短，没有滞后性，节省了人力物力，根据实时检测的数据和质量指标进行配料，快速高效，避免了配料不合理造成的经济损失。

仪表在安装时不需要对皮带进行切割，方便快捷，避免了在安装部署时长期影响生产。另外仪表的工作时是采用非接触式的测量原理，所选取的零部件都能适用于工业现场恶劣的生产环境，可长期稳定、可靠运行。

3 跨皮带式中子活化多元素分析仪在该钢铁厂的应用效果

分析仪安装于某钢铁厂的烧结分厂一混后工艺点，用于实时检测烧结混合料的主要元素成分自动检测，并实时计算TFe含量及碱度，根据碱度检测结果实时调整熔剂配比，实现碱度自动控制。

在未安装分析仪之前，该烧结分厂受原料条件限制且没有有效混匀设施，铁质原料成分波动大，取样、制样和化验周期长，代表性差，配料采用人工调节，无法有效指导生产控制，造成烧结矿碱度波动大，质量不稳定。

在实施跨皮带式中子活化多元素分析仪之后，生产状况得到明显改善。仪表对烧结料进行实时在线检测，配料系统依据工艺质量指标，自动计算优化配比，碱度合格率明显提高。分析仪从2020年12月开始运行，截止到目前已运行8个月，相比未应用分析仪时从2020年1月开始的11个月的合格率，有效提升碱度合格率提高6.79%，具体情况如下表：

表1 某钢铁厂应用数据

4 结语

跨皮带式中子活化多元素分析仪在某钢铁厂的成功应用，实现了对烧结矿混合料的实时全断面在线检测，精准的控制原料下料配比，进而实现了烧结工艺的自动闭环控制，解决了烧结工艺过程中出现的化验与配料调整不及时的问题，避免了烧结成品矿的碱度波动，提高了烧结矿的合格率，提高了高炉的质量，降低高炉焦比，提高了钢铁厂的质量管理水平，为企业带来了经济效益。