烧结机混合料含水量的自控系统设计

宁秋平

（辽宁机电职业技术学院，辽宁 丹东 118009）

一、前言

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，于烧结机中烧结。在烧结过程中，上层烧结料中的水分在升温过程中蒸发成水蒸气。随着抽风，水蒸气开始在下层冷料表面冷凝形成过湿层。过湿层的透气性很差，阻碍燃烧和传热，致使烧结总管温度降低、负压升高、烧结缓慢，不仅影响烧结矿的质量，还影响生产效率。因此水分是影响钢铁行业烧结过程的重要因素之一。以往一般采用红外线水分仪对混合料的水分进行监测，这与采用中子水分测量相比，响应迟缓、实时性差，难以及时发现水分的异常变动。下文以某钢厂260m2烧结机技术改造项目为例，介绍采用中子水分测量技术进行混合料水分的在线测量与控制方案，其实现了烧结混合料水分的实时监测，保证了烧结质量。

二、改造任务

(1)在原有烧结机的基础上，将手动加水改为自动加水，并保留其手动加水功能。

(2)在烧结机混料系统一混(一次混合机)及二混(二次混合机)出口处，设置中子探测器和γ探测器检测出料中的水分。

(3)改造部分嵌入原有的自动控制系统中。

三、传感器

传感器采用γ探测器和中子探测器，安装位置见图1。

测量原理：当快中子和原子进行碰撞时，会损失一部分能量而被慢化。氢原子和中子的质量相等，中子和氢原子的一次碰撞，几乎损失了中子的全部能量。所以，氢原子对快中子的慢化作用远远大于其他重元素。水分子中的含氢量较多，所以，水对快中子的慢化作用远远大于其他物质。利用水对快中子慢化的原理，采用检测快中子数量来反映物料含水率，可以测定物料中水分的含量。同时，用γ射线吸收法测定物料的总量。两者相除，就可得到物料中水分的重量百分比。

图1 中子水分仪在线安装结构示意图

四、方案实施

水分自动调节控制系统(简称自控系统)采用前馈—反馈控制，PID控制与模糊控制相结合，见图2。

图2 闭环控制系统示意图

1.前馈控制

混料系统启动时，物料从进入混合机后到达出口水分仪检测点需要一定的时间。如果用检测到的水分信号来控制加水，那么势必会造成混料加水滞后现象。为了防止滞后现象，应采用前馈的控制方式，在物料刚进入混合机的时候就开始加水，此控制过程由于数学模型很难建立，为此采用模糊控制，利用专家经验法制定模糊控制规则，达到较好的控制效果。

2.反馈控制

当物料在混合机里加水混匀，料流经过一混出料口水分仪时，自控系统会根据一混出料端检测的水分，计算出实际加水量。用前馈控制时计算的理论加水量减去实际加水量就得到所要调整的水量，将调整的水量加上前馈控制的理论水量就得到需要达到目标水分时的水量。

3.建模

式中：Sj——要达到目标水分所要加的水量；

Ss——实际加水量；

Li——一混入料总料量(含入料水分)；

Sm%——工艺要求的目标水分；

So%——一混出料端水分仪检测的实际水分；

Si%——一混入料水分。

由(1)、(2)可知自控系统实际调整水量：St=Sj+(Sj-Ss)。

4.工作原理(图3)

系统主要完成以下检测和控制:

一混来料的物料检测、出料水分检测，清水管路清水的流量检测及其流量控制，污泥管路污泥流量检测；二混清水管路清水的流量检测及其流量控制，出料水分检测。

相关设备的启停检测及连锁控制(一混入料、出料皮带启停信号、混合机及污泥泵的启停信号、二混入料皮带启停信号、二混出料皮带启停信号、混合机启停信号)。

安装在一混入料皮带上的皮带秤用来检测混合前物料的重量。通过一混入料水分估算及出料水分设定，计算出一混工艺需求水量，在加水管上安装1台电磁流量计和1台电动调节阀。补加水量由PLC控制一混电动阀自动调节完成，需要加污泥时，自控系统会以污泥泵启动信号为依据，根据上位机组态画面的浓度设定值及污泥流量信号对清水水量做出调整。调整方式为：清水水量=总加水量-入料含水量-污泥含水量。依据安装在一混出料皮带上的快中子水分仪实际检测的出料水分，修正补加水的添加比例。

二混的控制，通过一混出料水分、一混的来料量、一混补加水量、二混出料水分设定及工艺要求计算出二混工艺需求水量。二混补加水量由PLC控制二混电动阀自动调节完成。依据安装在二混出料皮带上的快中子水分仪实际检测的出料水分，修正补加水的添加比例。

5.保护

现场混合料系统出现带料停车及停车再启动等特殊情况时，系统会根据不同的停车、启动方式做相应的处理。

(1)如生产出现重大事故，系统紧急停车(一次混合机及入料、出料皮带瞬间全停，皮带上及混合机里都有物料)。

该故障是各大钢厂都存在并且避免不了的问题，为了确保清水管路能及时关闭，在清水管路电动调节阀前端加装1台电磁切断阀。出现该故障时清水水路电磁切断阀会根据混合机及其相关皮带停止信号瞬间切断清水管路清水。二混清水管路上也加装1台电磁切断阀，可根据混合机及其相关皮带停止信号瞬间切断清水管路清水，同时电动阀也会迅速关闭(电动阀关闭与否也是由混合机及其相关皮带启停信号决定的，电动阀关闭时间大约为1～1.5s)，以保证不会出现水分超限的现象。

系统启动时因为混合机内及其入料皮带上还有物料，混合机内需要迅速加水，否则机内物料会因为加水延迟而造成部分物料变干。此时，自控系统会根据混合机启动信号及其入料皮带秤的料量信号(一混入料料量350～450t/h，自控系统判断混料系统启车瞬间，料量超过300t/h就迅速加水，二混同上)迅速做出加水的反应，加水量由入料量、入料水分及工艺要求达到水分等参数决定，经PLC自动控制电动阀给水量。

(2)一混入料皮带瞬间停运，而混合机及出料皮带运行。

此时自控系统会根据混合机的混料时间(混合机入料口到出料口混料时间)逐渐减小水量而后关闭电动阀。

一混入料皮带运行后，自控系统会根据入料皮带的启停信号及入料皮带下料点到混合机机头加水点的延时时间控制加水。二混同上。此方案能满足烧结厂烧结混合料水分的在线检测和补加水量的自动控制需求，烧结混合料系统最终水分含量(目标值)的控制范围在±0.5以内(绝对值)。上位机具有对260m2烧结机烧结混料自动加水系统的远程集中监控、操作、历史数据记录、查询等功能，以实现烧结厂水分的真正在线检测与控制的目的。

五、控制系统结构和操作方式

控制系统可以依据实际需要采用1套上位机系统，1台PLC控制柜、2套现场仪表进行水分检侧与加水控制。后期系统增加时上位系统不需要变更，仅追加PLC及现场仪表部分，扩充方便。

1.手动操作功能

该功能独立于控制系统之外，手动操作部分满足了各工艺设备的基本运行需要。在电气部分的手操器上，操作人员可根据需要选择自动或手动两种方式控制。

2.计算机操作功能

开机时，操作人员只需在计算机上用鼠标点击参数按钮，设定各种工艺参数。自控系统将会按照工艺流程的要求，完成对各设备的控制。停机时，自控系统将自动关闭电动阀。

六、控制能力评定

根据工艺要求，烧结机一次混合料水分测量范围为5.5%～7.5%，具体值由生产工艺要求提供，其最大允许波动范围为±0.3%。根据工艺要求确定其分辨力需达到0.1%。根据生产现场环境和需配备设备的技术要求，环境条件设定为0～40℃，湿度＜80%RH。在一混后安装中子水分仪进行水分自动测量控制后，现场进行了水分采样测定。即在二混后对烧结料进行现场取样，烘干测水，连续3天，每次取3个样，持续3个月，以检验二混后烧结料水分的稳定性。取其中3天的具体数据为例，列于表1。

表l 二混后混合料水分现场取样测定值 %

由表l可以看出，使用中子水分仪后，烧结混合料水分的控制与目标值相近，且相当稳定。烧结混合料水分完全实现了在线测量与控制，为稳定烧结生产创造了良好的条件。随着二混后烧结料水分的稳定性的提高，烧结矿的品位、燃耗、产量都有了显著提高。

七、结论

自控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。中子水分仪不受现场环境的干扰，适用于现场环境比较恶劣的场所。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，中子水分仪应用于生产后，各项指标稳定可靠，能准确及时地测定混合料中水的含量，响应时间及精度可以满足工艺要求。

[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.