采用铁路运输铁水装载量控制方法的探讨

龙坤建

(攀钢集团攀枝花钢钒有限公司 物流中心，四川 攀枝花 617000)

铁水(熔点温度 1 534℃) 是冶金企业高炉炼铁产品，也是炼钢所需主要原料。铁水运输是冶金企业冶炼工序衔接的重要纽带。铁水装载量的控制是保证冶金企业内部铁路运输安全的前提，是提高冶金企业铁路运输效率、降低生产成本的重要环节[1-3]。铁水装载过满，不仅会导致超载运行，增加铁路线路负载，影响行车安全，而且装载过满的铁水罐车在装载和运行过程中容易溢出，可能损坏铁水罐车，烧毁沿线线路、信号设备，影响高炉正常出铁，甚至对地面人员安全构成严重威胁[4-5]；铁水装载欠重，浪费铁水罐空间，造成铁水罐运用数增多，增加运行维护成本，降低运输效率。因此，对冶金企业铁路运输铁水装载量控制方法的研究具有重要意义。

1 概述

目前，铁路运输铁水主要采用铁水罐方式运输，铁水罐运输方式主要分为 2 种：一种是铁水罐标准铁路运输方式。以铁水罐作为铁水运输容器，采用这种运输方式的大型钢铁企业有首钢京唐钢铁联合有限责任公司 (铁水罐装载量 300 t)、江苏沙钢集团有限公司 (铁水罐装载量 180 t)、日本JFE钢铁公司 (铁水罐装载量 250 t) 等。另一种是铁水罐宽轨台车运输方式。以铁水罐作为铁水运输容器，采用炼铁和炼钢紧邻布置，铁水罐从高炉受铁后到炼钢的运输采用台车+行车的过渡方式。目前采用这种运输方式的大型钢铁企业有重庆钢铁集团有限责任公司 (铁水罐装载量250 t)、新余钢铁集团有限公司 (铁水罐装载量 150 t)[6-7]等。

由于铁水属于高温液态金属，具有温度高、密度大的特性，一旦装罐难以就地卸载，同时，高炉出铁、装载过程中产生烟尘，操作人员观察铁水液面非常困难，因而在高炉出铁过程中对铁水装载量的控制一般都需要采用辅助设备进行。目前，国内冶金企业对于铁路运输铁水装载量控制一般采用轨道衡称重、雷达测量液面、罐体称重及加装耐高温摄像机等控制方法。

（1）轨道衡称重控制法。轨道衡称重控制法是在出铁罐位 (货位) 处设置轨道衡，根据其结构主要分为有基坑断轨式和无基坑不断轨式 2 种[7]。配位后先采集空罐重量信息，出铁过程中对计量信息实时监控，再结合罐容、空罐配位时重量等资料进行计算，控制实际装载量的同时，推算出铁水液面高度，防止装载过满溢出。轨道衡称重控制法的稳定性好，并且可以对铁水罐空、重状态下的实际重量进行测量，准确控制装载量。轨道衡称重控制法存在以下缺点：每个罐位均需安装轨道衡称重设备，并且设备成本较高，适用于罐位固定、单一 (如摆动流嘴) 出铁的方式；安置设备的空间要求高，并且为了便于紧急状况下的检查维护，还需要设置紧急通道；需要具备良好的排水条件，带流顶提罐作业方式对炉下排水设施影响较大，容易出现炉下积水现象，对设备的运行状态构成威胁；安装在地面，与铁路线路一体，一旦发生铁水下地事故，直接损坏设备，需要重新安装设备并进行调试，恢复时间较长。

（2）雷达测量液面控制法。雷达测量液面控制法的原理是在出铁口的某个位置安装一个雷达发射器，利用所发射的雷达波接触铁水液面后反射回发射装置的时间进行计算，利用符合高炉生产实际 (炉台高度、罐体高度、出铁流速等) 的软件控制系统，分析得出出铁过程中铁水罐的实时装载量及液面高度进行控制[8]。雷达测量液面控制法的雷达装置体积小，安装方便，对空间无太大的需求。相对于地磅，设备单位价格低，固定罐位及摆动流嘴罐位均可使用；雷达安设在罐位上方，无地面装置，对排水无要求，铁水下地也不会对其造成损坏。但该装备对出铁量的控制是通过控制铁水液面高度来实现，如果铁水出现粘罐现象，将对铁水装载量的计算精度产生影响。

（3）罐体称重控制法。罐体称重控制法是对铁水罐车进行改造，使罐车具备称重功能。在铁水车上安装称重箱，铁水罐的重量通过称重梁传到称重传感器，转化成电信号通过无线发射接收装置送入铁水运输车操作室仪表处理后显示，同时将铁水罐毛重和净重数据传到大屏幕显示，并为中控室预留实时信号接口。每台铁水运输车称量系统独立，频点可调，互不干扰，系统称重精度 ≤0.5%。但是，这种方式要求每台铁水车都要安装此设备，投资较大。

（4）加装耐高温摄像机控制。由于铁水的温度很高，操作人员很难直接通过肉眼观察铁水罐铁水的液面高度，在出铁口设置耐高温摄像机，操作人员在远端的屏幕上通过摄像机镜头观察铁水罐的铁水液面高度，从而控制铁水装载量。由于工作环境条件恶劣、观察角度和每个操作人员的经验存在差异，该方式相对落后，可靠性不高。

2 铁路运输铁水装载量控制方法

攀钢集团攀枝花钢钒有限公司 (以下简称“攀钢钒公司”) 是我国西部最大的钢铁钒钛产品生产和科研基地，是我国依靠科技创新开发资源的楷模，是我国第二大铁矿区。攀钢钒公司经过一期、二期和三期扩建，已形成从烧结、炼铁、炼钢到轧制成品钢材的钢铁冶金产品生产工艺流程和钒产品生产工艺流程。在攀钢钒公司生产过程中，铁路运输铁水运输装载量的控制方法是一项亟待研究的课题。

2.1 攀钢钒公司铁水装载量控制现状

目前，攀钢钒公司炼铁厂共有高炉 5 座，其中1 200 m3高炉 3 座 (1#，2#，3# 高炉)，1 350 m3高炉1 座 (4# 高炉)，2 000 m3高炉 1 座 (新 3# 高炉)。1#，2#，3# 高炉均为 1 个出铁口，分别对应 4 个炉下铁水固定罐位。4# 高炉为 2 个出铁口，分别设置 1 个摆动式流嘴，每个摆动式流嘴对应 2 个炉下铁水固定罐位。新 3# 高炉为 3 个出铁口，其中 2 个出铁口分别设置 1 个摆动式流嘴，每个摆动式流嘴对应 2 个炉下铁水固定罐位；另一个出铁口对应 5 个炉下铁水固定罐位。

目前攀钢钒公司仍采用传统人工观测铁水液面高度的方法，该方法存在以下问题：一是通常情况下，液面观察员与罐口之间距离较远，在光线不佳时容易产生视觉误差；二是计算铁水罐装载铁水重量时，计算人员采用心算或者手工计算，容易产生误差；三是计算人员与记录人员之间一般通过语言或手势完成信息传递容易产生误差。随着技术的发展，传统的人工观察液面高度的方法法已经适应不了攀钢钒公司的发展步伐，亟需采用新的铁水装载量控制法。

2.2 铁水装载量控制方法的比选

攀钢钒公司现有 5 座高炉并且出铁方式不单一，每座高炉炉下都有多个铁水固定罐位，高炉下空间高度有限，不利于攀钢钒公司采用轨道衡称重控制法；此外，轨道衡称重设备一般安装在地面，与铁路线路一体，一旦发生铁水下地事故，直接损坏设备，需要重新安装设备并进行调试，恢复时间较长，对生产进度的影响较大。采用罐体称重控制法的精度可以小于等于 0.5%，但是该系统要求每台铁水罐都要具备称重功能，攀钢钒公司采用这种铁水装载量控制方法，成本高，投资大。加装耐高温摄像机，通过耐高温摄像机的镜头远程观察液面高度，虽然可以避免受铁口粉尘的影响，但是仍然受到人眼识别界限和视觉差的影响，大大降低控制精度。而雷达测量液面控制法的成本相对较低，雷达体积小，对空间要求不高，适用于多种出铁方式，更重要的是可以保证较高的精度。因此，攀钢钒公司选择雷达测量液面控制法来控制铁水装载量最为合适。

2.3 雷达测量液面控制过程

通过雷达测量液面控制法控制铁水的装载量是一个复杂的过程，随着计算机技术的发展，已经开发出基于雷达测量液面高度来控制铁水装载量的一套系统，使得整个过程实现自动化。攀钢钒公司雷达测量液面控制过程如下：①出铁口雷达发射器发射雷达波，采集雷达波接触铁水液面后反射回发射装置的时间；②通过无线电发射装置，将采集到的时间传送给控制系统，控制系统根据采集到的时间计算铁水罐中的液面高度；③根据罐体的几何尺寸，得到铁水体积与铁水液面高度的关系，控制系统根据上一步得到的液面高度，计算出实时的铁水体积 v；④由于铁水的密度 ρ 是已知的，根据物理中的密度公式计算铁水装载质量 m 为 m = ρv，进而得到实时的铁水重量 G；⑤当测得的铁水重量超过特定的重量限度值 G0(G0为铁水罐装载铁水的最大重量) 即 G≥G0，系统自动停止兑铁。考虑到攀钢钒公司雷达测量液面控制在实际应用中，雷达发射雷达波有一个周期及计算机处理所需要的时间间隔，对雷达测量液面控制法进一步改进。根据出铁口的实际情况和铁水罐的类型，设定G1(G1为一个预警值，用来判断兑铁过程是否进入最后阶段，G1＜G0) 和 ΔG′ (ΔG′ 为在一个较小时间段t1内铁水重量变化量)，当测得的铁水实时重量 G≥G1时，铁水罐中铁水的重量变化量 ΔG 小于ΔG′，并稳定一段时间 t2(t2的具体数值根据铁水罐的实际情况确定) 时，系统自动停止兑铁；否则重复第 1 步。若测得的铁水实时重量 G≥G0，系统自动停止兑铁。雷达测量液面控制过程如图 1 所示。

图1 雷达测量液面控制过程Fig.1 Panzhihua vanadium company radar measuring liquid level control process

2.4 雷达测量液面控制方法效果分析

综合攀钢钒公司的现状及发展规划，应采用雷达测量液面法来控制铁水装载量，攀钢钒公司采用雷达测量液面控制方法能够在实现铁水重量的自动采集与计算、减少操作人员的数量、降低工作人员的劳动强度、提高兑铁过程的安全性等方面取得良好效果。

（1）实现铁水重量的自动采集与计算。在传统的炼钢技术中，转炉铁水重量数据采集普遍采用人工记录、计算的方式，由操作人员记录液面高度变化值，然后计算出实际兑入铁水罐中额铁水重量，通过对讲或手势将人工计算的铁水重量数据通知操作室，由记录人员将铁水重量数据记录在熔炼记录上并录入自动化炼钢控制系统。采用该方法后，雷达测量得到的数据直接传输到计算机控制系统，后续的相关计算也由计算机进行处理，实现铁水重量的自动采集与计算。

（2）减少操作人员的数量。由于采用雷达测量液面控制方法实现了兑铁过程中的铁水重量的自动采集与计算，整个过程由系统控制，只需少量工作人员对系统进行监控即可。在人工成本逐渐升高的情况下，减少工作人员数量，能够有效控制厂家成本，提升产品竞争力。

（3）降低工作人员的劳动强度。兑铁过程中由于对铁水装载量的控制精度要求高，因而操作人员需时刻关注液面的高度并且人工计算出铁水重量，然后将数据通知操作室，在这个过程中要求工作人员注意力高度集中并且工作持续时间长。采用雷达测量液面控制方法后，整个过程实现自动化控制，大大降低工作人员劳动强度。

（4）提高兑铁过程的安全性。传统的炼钢技术中存在大量的人工读取数据及人工计算的过程，在这些过程中，操作人员容易出现失误而造成数据的错误，从而引发诸如铁水下地等安全事故，造成人员受伤及财产损失等。采用雷达测量液面控制方法后，可以避免大量的人工读取数据及人工计算，减少了错误产生的概率，提高生产过程的安全性。

3 结束语

在大型钢铁企业中，钢铁厂的铁水运输对整个生产流程的稳定、成本、质量都有非常重要的影响。每个企业的规模、品种、生产组织模式不尽相同，因而在选择铁水装载量控制方法时应充分结合企业自身特点，根据场地条件，高炉与炼钢车间的平面位置，选择合适的铁水装载量控制方法。随着科学技术的进步，铁路运输铁水装载量控制方法的需要不断探索，进而为铁路运输安全和钢铁企业高效生产提供强有力的保障。

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