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摘 要介绍利用中子测水系统，自动、准确、连续地测定焦炭进入高炉前的水分，并将所测水分值输入上位机，实现焦炭水分的自动补偿。减少原因不明的高炉炉温波动，提高高炉炉温稳定性，且[Si]和σ[si]均下降。
关键词中子测水系统；高炉；炉温
中图分类号TF文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)051-0194-04
1应用与研究背景
2008年方大特钢4号高炉利用系数为2.794t/m3.d，入炉焦比为454.36kg/t，燃料比高达599.66kg/t，其他各项指标都较差，炉况失常时处理时间长、损失大。4号炉主要使用外购焦和少量自产焦，由于焦碳中的含水量波动幅度大，对焦碳负荷调节影响大，引起炉温、碱度波动，高炉热制度和造渣制度难以调节到位，高炉炉温[Si]经常出现连续＞1.0%和＜0.3%的情况，对炉缸的工作和软熔带的稳定带来负面影响。高炉的炉温偏高，冷却强度大，高炉各段的水温差都偏高，且炉腹、炉腰的水温差极度不均匀，经常从风口观察到大量的渣皮脱落，大幅度增加炉缸的负荷，影响铁水质量。下部风口工作长期不均匀，且风口分布上尺寸相差较大，各风口前回旋区相差大，煤气流的一次分布不合理。
以上因素很大程度上直接影响了高炉的经济技术指标的提高和炼铁厂的综合成本的完成，在这种情况下，提出对4号炉进行焦炭中子测水技术应用和研究。
2详细的科学技术内容（总体思路、技术方案、实施效果）
1）研究主要技术内容。①中子测水仪主要技术参数控制；②中子测水仪测量及补偿原理；③中子测水仪测量、补偿设备；④中子测水仪设备安装及4号高炉生产实践总结。
2）研究时间。2009年1月～2010年4月。
研究进度：
2009年1月～2009年3月 中子测水仪控制技术参数研究
2009年4月～2009年5月 测量及补偿原理研究及培训
2009年6月 调试期
2009年7月～2010年4月 测量、补偿设备监控及生产实际
3）研究目的。利用中子测水系统，自动、准确、连续地测定焦炭入炉前的水分，并将所测水分值输入上位机，实现焦炭水分的自动补偿。减少原因不明的炉温波动，提高炉温稳定性，且[Si]和σ[si]均下降。
4）总体思路。①确定安装部位。在1105、1205皮带上安装，放射源屏蔽容器安装在被测物料上方，探测器安装在皮带下面。要求物料流厚度应大于8cm。安装在皮带不跑偏的部位。测量架靠近皮带托辊安装，此处的皮带上下波动较小。②进行动态与静态标定，设定各项参数。③自动、准确、连续地测定焦炭入炉前的水分，并将所测水分值输入上位机。实现焦炭水分的自动补偿。
5）技术方案。
①测量控制技术参数研究。测量参数：在线测量焦炭水分。水分测量的精度：0.3～0.5％。射线计数率的长期稳定性和测量值的重复性＜0.1％。快中子探测器灵敏度：30计数·S-1/（μＳｖｈ-1）。主机工作环境：0℃～+50℃，相对湿度≤95％。探测器工作环境：－40℃～+50℃，相对湿度≤95％。辐射安全性能：距放射源1m处的当量剂量率
＜2.5μSv/h，符合国家规定的非放射性工作场所的剂量标准。水分的补偿范围：0～16％。水分的补偿方式：每批补偿。水分的基准：干基。
②测量及补偿原理研究。当快中子穿透物料时，被物料中的水分子慢化（吸收），使快中子的数量减少。物料中水以外的其它元素都对快中子没有吸收作用，所以物料对快中子的衰减率和物料中的含水量之间呈现严格的线性关系。同时，利用γ吸收法对物料的厚度和密度变化进行准确补偿。测量不受物料密度、疏松度变化和物料堆积厚度变化的影响，不受物料中水以外的其它成分变化的影响。在实际使用中，上料PLC控制系统向测量机构发出装运焦炭的信号，测量机构开始对在皮带机上输送焦炭的水分进行连续实时检测，并计算焦炭通过测量机构的时间，然后加权计算，得出每批焦炭的平均水分，同时还可以将水分值转化为模拟控制信号输出给上料PLC控制系统。上料PLC控制系统根据水分值计算出下一批焦炭的补偿量，来实现对入炉焦炭的水分进行补偿。
③测量、补偿设备。第一，中子源：采用小型密封中子源。中子源周围用大于Φ400×400mm的含硼石蜡进行屏蔽，距源1m外的辐射剂量率＜2.5μSv/h。252Cf中子源，活度：3.9×107Bq（1毫居），5类源；242Am-Be中子源，242Am活度0.74～1.85×1010Bq（200～500毫居），4类源。第二，γ放射源：5类小型密封放射源，137Cs活度3.7×108Bq（10毫居）。放射源密封在铅容器内，距源1m 处的剂量率＜1μSv/h。第三，锂玻璃中子探测器：采用Φ100mm 大面积锂玻璃中子探测器，对快中子的探测效率可达：30计数·S-1（μSv·h-1）。采用新型的中子能谱自动稳峰技术。第四，γ探测器：Φ40×100mm的NaI晶体闪烁探测器。新发明的自动稳峰技术，使长期稳定性＜0.1%。第五，3He计数管中子探测器：高压充气正比计数管，中子灵敏度为：75计数·S-1/nv。采用创新的计数管自动稳峰技术。第六，DFB-0210型智能测控仪：9C252高性能单片微处理机；4路脉冲输入；2路模似量输入；1路高速开关输入。2路模拟量输出；4路开关输出；RS-485串行通讯接口。20个按键，16位数码显示，8个状态报警指示灯。第七，工控机配信号变送器：腾Ⅲ微处理器，40G硬盘，128M内存。6路射线输入；6路交流输入；6路模拟量输入；8路模拟量输出；8路开关输出。第八，测量软件：测量程序可完成信号数据采集、数据处理、计算出物料水分值的功能。它从信号采集卡采集数据，经过一系列处理得到水分值，显示在屏幕上。同时还可以将水分值转化为模拟量信号输出给上料PLC控制系统；同时还带有参数设置、查询、瞬时曲线、打印报表等功能。第九，补偿软件：补偿程序可完成信号数据采集、数据处理、计算出焦炭水分值补偿量、进行每批焦炭的水分补偿的功能。从模拟量输入模块采集数据，经过一系列处理得到水分值，计算出焦炭水分值补偿量。同时还可以将计算出焦炭水分值补偿量进入下批焦炭的配料程序，在下一批焦炭中进行补偿。同时还带有水分的显示、查询、历史曲线等功能。
系统功能等如图1～3示意。
④安装方案。在1105、1205皮带上安装，放射源屏蔽容器安装在被测物料上方，探测器安装在皮带下面。对物料流的要求：物料流厚度应大于8cm。测量架安装位置的选取：应安装在皮带不跑偏的部位。测量架应靠近皮带托辊安装，此处的皮带上下波动较小。【注意：物料流偏离中心时会造成皮带跑偏，同时会影响测量线性。如果下料偏离皮带中心，应在下料（进料）口加装限流板。】γ测量架的安装要求：γ测量架和中子探测架应紧靠在一起安装。
⑤仪表选型和配套。连接方案：工控机主机模式：探测器＋变送器＋工控机+PLC连接方案的电气连接图如图4所示。
⑥水分仪的标定。水分仪在投用前必须进行静态与动态标定，根据中子测水的原理，标定含水量与热中子中的各项参数。为了提高水分仪测量精度，减小误差，我们制定了严格的程序，制定了4号炉中子测水取样跟踪情况记录表，具体步骤如下：第一，人员及工具配置：取样人员2名、准备取样铲及装样工具。第二，在12B、11B仓的取样要求：（1）取样时机的选择：在12B、11B仓振动筛下料，称量斗下料时取样。（2）取样地点：12B、11B称量斗。（3）取样手法：在称量斗取样时，一个样要分几铲取完（一个样不能一铲就取完）而且（单个样）取样时尽量在一个称量斗内分散取样。称量斗下料时，两名取样人员在同一个称量斗分别取样（一次料取2个样，分别化验）。（4）取样数量：标定两套水分仪，各取4个样，共8个样。第三，制样方法：遵照南钢炼铁厂实验室焦炭制样标准。第四，注意：（1）当天样品当天化验，不能隔天化验。（2）取样人员取样时记录取样时间（现场取完样立即记录取样时间，取样要在1分钟内完成）。（3）实验室提供化验出的水分值时，要提供对应的取样时间及取样料仓。
我们对现场的焦炭样进行了人工取样与仪器设备测量情况进行了跟踪和对比，以校定设定参数的准确性，见表1，误差基本在规定范围
内。
3结束语
实践证明，4号高炉通过采取中子测水技术后，生产得到稳定， 产量上升、消耗下降，原来焦炭水份一班分析一次，工长到现场每班有限次数地肉眼观察，基本上无法很好调整焦炭负荷或按水份来调整热制度的其他参数（煤量、风温等）。使用中子测水则可随时知道入炉焦水份，自动补偿焦炭水分后，不明的炉温波动导致较大的炉况变化炊数明显减少了，炉温稳定性好转，加之炉内操作多方面进步，促使[Si]和σ[si]均下降。 具体指标对比见表2。
关键词中子测水系统；高炉；炉温
中图分类号TF文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)051-0194-04
1应用与研究背景
2008年方大特钢4号高炉利用系数为2.794t/m3.d，入炉焦比为454.36kg/t，燃料比高达599.66kg/t，其他各项指标都较差，炉况失常时处理时间长、损失大。4号炉主要使用外购焦和少量自产焦，由于焦碳中的含水量波动幅度大，对焦碳负荷调节影响大，引起炉温、碱度波动，高炉热制度和造渣制度难以调节到位，高炉炉温[Si]经常出现连续＞1.0%和＜0.3%的情况，对炉缸的工作和软熔带的稳定带来负面影响。高炉的炉温偏高，冷却强度大，高炉各段的水温差都偏高，且炉腹、炉腰的水温差极度不均匀，经常从风口观察到大量的渣皮脱落，大幅度增加炉缸的负荷，影响铁水质量。下部风口工作长期不均匀，且风口分布上尺寸相差较大，各风口前回旋区相差大，煤气流的一次分布不合理。
以上因素很大程度上直接影响了高炉的经济技术指标的提高和炼铁厂的综合成本的完成，在这种情况下，提出对4号炉进行焦炭中子测水技术应用和研究。
2详细的科学技术内容（总体思路、技术方案、实施效果）
1）研究主要技术内容。①中子测水仪主要技术参数控制；②中子测水仪测量及补偿原理；③中子测水仪测量、补偿设备；④中子测水仪设备安装及4号高炉生产实践总结。
2）研究时间。2009年1月～2010年4月。
研究进度：
2009年1月～2009年3月 中子测水仪控制技术参数研究
2009年4月～2009年5月 测量及补偿原理研究及培训
2009年6月 调试期
2009年7月～2010年4月 测量、补偿设备监控及生产实际
3）研究目的。利用中子测水系统，自动、准确、连续地测定焦炭入炉前的水分，并将所测水分值输入上位机，实现焦炭水分的自动补偿。减少原因不明的炉温波动，提高炉温稳定性，且[Si]和σ[si]均下降。
4）总体思路。①确定安装部位。在1105、1205皮带上安装，放射源屏蔽容器安装在被测物料上方，探测器安装在皮带下面。要求物料流厚度应大于8cm。安装在皮带不跑偏的部位。测量架靠近皮带托辊安装，此处的皮带上下波动较小。②进行动态与静态标定，设定各项参数。③自动、准确、连续地测定焦炭入炉前的水分，并将所测水分值输入上位机。实现焦炭水分的自动补偿。
5）技术方案。
①测量控制技术参数研究。测量参数：在线测量焦炭水分。水分测量的精度：0.3～0.5％。射线计数率的长期稳定性和测量值的重复性＜0.1％。快中子探测器灵敏度：30计数·S-1/（μＳｖｈ-1）。主机工作环境：0℃～+50℃，相对湿度≤95％。探测器工作环境：－40℃～+50℃，相对湿度≤95％。辐射安全性能：距放射源1m处的当量剂量率
＜2.5μSv/h，符合国家规定的非放射性工作场所的剂量标准。水分的补偿范围：0～16％。水分的补偿方式：每批补偿。水分的基准：干基。
②测量及补偿原理研究。当快中子穿透物料时，被物料中的水分子慢化（吸收），使快中子的数量减少。物料中水以外的其它元素都对快中子没有吸收作用，所以物料对快中子的衰减率和物料中的含水量之间呈现严格的线性关系。同时，利用γ吸收法对物料的厚度和密度变化进行准确补偿。测量不受物料密度、疏松度变化和物料堆积厚度变化的影响，不受物料中水以外的其它成分变化的影响。在实际使用中，上料PLC控制系统向测量机构发出装运焦炭的信号，测量机构开始对在皮带机上输送焦炭的水分进行连续实时检测，并计算焦炭通过测量机构的时间，然后加权计算，得出每批焦炭的平均水分，同时还可以将水分值转化为模拟控制信号输出给上料PLC控制系统。上料PLC控制系统根据水分值计算出下一批焦炭的补偿量，来实现对入炉焦炭的水分进行补偿。
③测量、补偿设备。第一，中子源：采用小型密封中子源。中子源周围用大于Φ400×400mm的含硼石蜡进行屏蔽，距源1m外的辐射剂量率＜2.5μSv/h。252Cf中子源，活度：3.9×107Bq（1毫居），5类源；242Am-Be中子源，242Am活度0.74～1.85×1010Bq（200～500毫居），4类源。第二，γ放射源：5类小型密封放射源，137Cs活度3.7×108Bq（10毫居）。放射源密封在铅容器内，距源1m 处的剂量率＜1μSv/h。第三，锂玻璃中子探测器：采用Φ100mm 大面积锂玻璃中子探测器，对快中子的探测效率可达：30计数·S-1（μSv·h-1）。采用新型的中子能谱自动稳峰技术。第四，γ探测器：Φ40×100mm的NaI晶体闪烁探测器。新发明的自动稳峰技术，使长期稳定性＜0.1%。第五，3He计数管中子探测器：高压充气正比计数管，中子灵敏度为：75计数·S-1/nv。采用创新的计数管自动稳峰技术。第六，DFB-0210型智能测控仪：9C252高性能单片微处理机；4路脉冲输入；2路模似量输入；1路高速开关输入。2路模拟量输出；4路开关输出；RS-485串行通讯接口。20个按键，16位数码显示，8个状态报警指示灯。第七，工控机配信号变送器：腾Ⅲ微处理器，40G硬盘，128M内存。6路射线输入；6路交流输入；6路模拟量输入；8路模拟量输出；8路开关输出。第八，测量软件：测量程序可完成信号数据采集、数据处理、计算出物料水分值的功能。它从信号采集卡采集数据，经过一系列处理得到水分值，显示在屏幕上。同时还可以将水分值转化为模拟量信号输出给上料PLC控制系统；同时还带有参数设置、查询、瞬时曲线、打印报表等功能。第九，补偿软件：补偿程序可完成信号数据采集、数据处理、计算出焦炭水分值补偿量、进行每批焦炭的水分补偿的功能。从模拟量输入模块采集数据，经过一系列处理得到水分值，计算出焦炭水分值补偿量。同时还可以将计算出焦炭水分值补偿量进入下批焦炭的配料程序，在下一批焦炭中进行补偿。同时还带有水分的显示、查询、历史曲线等功能。
系统功能等如图1～3示意。
④安装方案。在1105、1205皮带上安装，放射源屏蔽容器安装在被测物料上方，探测器安装在皮带下面。对物料流的要求：物料流厚度应大于8cm。测量架安装位置的选取：应安装在皮带不跑偏的部位。测量架应靠近皮带托辊安装，此处的皮带上下波动较小。【注意：物料流偏离中心时会造成皮带跑偏，同时会影响测量线性。如果下料偏离皮带中心，应在下料（进料）口加装限流板。】γ测量架的安装要求：γ测量架和中子探测架应紧靠在一起安装。
⑤仪表选型和配套。连接方案：工控机主机模式：探测器＋变送器＋工控机+PLC连接方案的电气连接图如图4所示。
⑥水分仪的标定。水分仪在投用前必须进行静态与动态标定，根据中子测水的原理，标定含水量与热中子中的各项参数。为了提高水分仪测量精度，减小误差，我们制定了严格的程序，制定了4号炉中子测水取样跟踪情况记录表，具体步骤如下：第一，人员及工具配置：取样人员2名、准备取样铲及装样工具。第二，在12B、11B仓的取样要求：（1）取样时机的选择：在12B、11B仓振动筛下料，称量斗下料时取样。（2）取样地点：12B、11B称量斗。（3）取样手法：在称量斗取样时，一个样要分几铲取完（一个样不能一铲就取完）而且（单个样）取样时尽量在一个称量斗内分散取样。称量斗下料时，两名取样人员在同一个称量斗分别取样（一次料取2个样，分别化验）。（4）取样数量：标定两套水分仪，各取4个样，共8个样。第三，制样方法：遵照南钢炼铁厂实验室焦炭制样标准。第四，注意：（1）当天样品当天化验，不能隔天化验。（2）取样人员取样时记录取样时间（现场取完样立即记录取样时间，取样要在1分钟内完成）。（3）实验室提供化验出的水分值时，要提供对应的取样时间及取样料仓。
我们对现场的焦炭样进行了人工取样与仪器设备测量情况进行了跟踪和对比，以校定设定参数的准确性，见表1，误差基本在规定范围
内。
3结束语
实践证明，4号高炉通过采取中子测水技术后，生产得到稳定， 产量上升、消耗下降，原来焦炭水份一班分析一次，工长到现场每班有限次数地肉眼观察，基本上无法很好调整焦炭负荷或按水份来调整热制度的其他参数（煤量、风温等）。使用中子测水则可随时知道入炉焦水份，自动补偿焦炭水分后，不明的炉温波动导致较大的炉况变化炊数明显减少了，炉温稳定性好转，加之炉内操作多方面进步，促使[Si]和σ[si]均下降。 具体指标对比见表2。