水泥元素在線分析儀在水泥礦山與生料質(zhì)量控制的應用

　　隨著中子激活γ-射線分析技術(shù)的快速發(fā)展，水泥生產(chǎn)中的塊狀物料成分在線快速分析成為現(xiàn)實。用中子活化分析儀，可以提高礦山的綜合利用率、簡化或改變預均化堆場的功能；可以改善生料配料控制效果，使弱化甚至取消生料均化庫等成為可能。該技術(shù)給水泥生料生產(chǎn)工藝和控制技術(shù)的革新提供了可能性，可以綜合利用礦山資源，大大節(jié)約投資。
　　一、水泥礦山與生料質(zhì)量控制中存在的問題
　　水泥生產(chǎn)過程中，為了出產(chǎn)優(yōu)質(zhì)熟料、確保水泥質(zhì)量，對入窯生料質(zhì)量的控制至關(guān)重要。特別是對大型的新型干法水泥生產(chǎn)線，為了適應高溫、高速、高效的要求，對生料質(zhì)量的要求尤其嚴格。水泥生料的生產(chǎn)由礦山開采，原料預均化堆場、生料粉磨，生料均化庫四個工藝環(huán)節(jié)組成，而生料質(zhì)量的控制目標是通過對以上四個環(huán)節(jié)的有效控制，保證入窯生料三個率值（KH、SM、IM）符合工藝要求，而且均勻。
　　石灰石作為水泥生產(chǎn)的主要原料，它的質(zhì)量及其變化對水泥廠的產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益都有決定性的影響。而進廠石灰石的質(zhì)量，取決于許多因素。目前絕大多數(shù)的石灰石礦山采用人工化驗的方法分析原料化學成分來指導開采，為了保證石灰石原料符合要求，只好大量剝離覆蓋層，挑選高品質(zhì)石灰石，至使石灰石礦利用率很低。特別是我國大量的立窯水泥廠，其石灰石資源利用率只有40%。為了解決這個問題，現(xiàn)在大多數(shù)新型干法水泥生產(chǎn)線采用預均化堆場進行原料預均化。但預均化堆場占地面積大，投資高，維護工作量大，影響水泥企業(yè)的生產(chǎn)成本和擴大再生產(chǎn)。
　　即使采用了預均化堆場，還不能保證提供合格的生料質(zhì)量，因此在原料進生料磨前，仍需進行原料配比控制。目前國內(nèi)新型干法生產(chǎn)線的原料配比控制均采用以實驗室X-熒光分析儀為核心的質(zhì)量控制系統(tǒng)，這種控制方案一般與生料均化庫結(jié)合，才能達到干法生產(chǎn)的入窯生料穩(wěn)定、均齊。但是，X-熒光分析儀對試樣制備的要求較復雜，從取樣、縮分、壓制成樣再進行X-熒光分析，到分析出結(jié)果至少需要30min，也就是測定結(jié)果比實際滯后30min，再加上磨機的純滯后時間，因此控制周期一般定為1小時左右，因此用X-熒光分析儀就不可能真正做到在線實時控制，這樣一個典型的純長滯后反饋控制系統(tǒng)，控制效果較差，使生料形成不均勻料層。其次是試樣代表性差，取樣、制樣過程的代表性難以保證，而X-熒光分析只能測定試樣表面層生料的化學成分。所以現(xiàn)在普遍應用的生料配料控制系統(tǒng)的效能還有較大的提升空間。
　　在我國水泥企業(yè)，均化措施方面一直側(cè)重于進廠后的原料均化和生料均化，以降低入窯生料質(zhì)量的波動。但如果由于進廠原料成分波動很大，廠內(nèi)均化措施往往滿足不了入窯均化性的要求。而且從理論上分析，預均化堆場及生料均化庫的作用只能將進廠的原料，入庫生料進行均化，保持其成分在這一段時間內(nèi)相對穩(wěn)定，但不能改變?nèi)肽ピ虾腿敫G生料的成分?！　?br /> 　　鑒于上述原因，發(fā)達國家在70年代就開始研究中子激活γ-射線分析技術(shù)，80年代成功應用在水泥生產(chǎn)中固體物料成分的在線分析。利用這項技術(shù)研究開發(fā)的中子活化分析儀可以實現(xiàn)水泥生料配料的前置控制，真正做到在線實時質(zhì)量控制，做到從礦山開始嚴格控制原材料的質(zhì)量穩(wěn)定，實現(xiàn)“成品進廠”。實踐證明，有效利用該項技術(shù)，可以提高水泥企業(yè)的原材料綜合利用率和經(jīng)濟效益。
　　二、國內(nèi)外水泥廠使用中子活化分析儀的狀況
　　澳大利亞斯堪泰克公司在1986年研制出第一臺實際應用于水泥行業(yè)的中子活化分析儀，至今水泥行業(yè)用的GEOSCAN-C分析儀已售出1OOO多臺，世界上領(lǐng)先的幾個水泥集團均在使用澳大利亞斯堪泰克公司生產(chǎn)的GEOSCAN-C分析儀。目前，該類型分析儀除澳大利亞斯堪泰克公司生產(chǎn)外，美國熱電及KSS設計與工程公司，芬蘭Ima工程公司等均有類似產(chǎn)品。
　　我國水泥行業(yè)在上世紀末開始接觸到中子活化分析儀，1996年，湖北華新水泥股份有限公司5號窯擴建工程引進了2臺分析儀，分別用于石灰石預均化前和原料入磨前在線分析，1999年底調(diào)試成功并用于生產(chǎn)。2000年，北京琉璃河水泥廠二期工程采用中子活化儀對立磨進料皮帶機上的塊狀混合料進行成分分析，已投運。2003年北京強聯(lián)水泥廠引進3臺中子活化分析儀，分別用于石灰石預均化前、原煤進廠和原料入生料磨前的在線成分分析，均 已用于生產(chǎn)。同年陜西秦嶺水泥股份有限公司也引進一臺，準備用于原料進生料磨前。2004年新疆天山水泥公司引進一臺用于原料進生料磨前，已投運。
　　然而，我國引進的中子活化分析儀大多數(shù)用于監(jiān)測原料成分，并未利用分析數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時控制，即使有控制也是購買國外公司開發(fā)的軟件，價格昂貴而且功能單一。同時，在所有引進該設備的生產(chǎn)線中，礦山開采、預均化堆場、生料均化庫的設計仍按傳統(tǒng)的工藝方案進行，沒有充分利用該設備的效能和作用。為此國內(nèi)已有單位開展“在線中子活化分析儀全過程控制水泥生料質(zhì)量”的研究。
　　三、實用的控制方案
　　在線中子活化分析儀可以對礦山原料成分、進預均化堆場前的原料成分、進生料磨前混合料的配料成分，煤含硫量，發(fā)熱量，出窯熟料的成分、水泥成品的成分進行檢測和全過程控制。
　　由于該設備目前國內(nèi)尚無生產(chǎn)，從國外引進設備價格昂貴（每一臺售價幾十萬美元），因此，為了控制投資， 在目前的條件下，我們認為每條生產(chǎn)線采用二臺中子活化分析儀：一臺用于石灰石均化堆場前，另一臺用于生料入磨前，最能體現(xiàn)其價值，而且基本上較好地滿足了質(zhì)量控制要求。
　　1．石灰石礦山開發(fā)和預均化堆場的控制（圖一）

　　水泥生產(chǎn)主要原料是石灰石，因此對石灰石礦的質(zhì)量控制至關(guān)重要，分析儀能快速、及時對進均化堆場的原料進行分析，每一分鐘可以分析出結(jié)果，以“當前分析值”“滾動平均”“累計平均”“間隔平均”四種形式顯示在屏幕上，將分析儀的顯示數(shù)據(jù)，反饋到礦山調(diào)度，使質(zhì)量控制人員準確地了解原料的成分，對開采面進行質(zhì)量控制，對不同開采區(qū)的灰?guī)r進行合理搭配，實現(xiàn)均化開采。
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　　同時根據(jù)成分的不同，在進預均化堆場前進行分選，并分級堆放，按工藝要求搭配入庫，或直接入磨，使得入生料磨前原料的成分的波動保持在小范圍內(nèi)。
　　2．生料磨的配料控制（圖二）

　　本系統(tǒng)主要由四部分組成：電子皮帶秤、γ-射線分析儀、計算機系統(tǒng)的控制軟件以及網(wǎng)絡通訊。
　　在線中子活化分析儀安裝在入磨原料皮帶機上，每一分鐘檢測出入磨原料的化學成分：SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、NaO、MgO、K₂O、SO₃，通過數(shù)字通訊傳送給生料質(zhì)量計算機控制系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)根據(jù)入磨原料產(chǎn)量累計積分和對應批次的化學成分，計算出入磨混合料LSF（或KH）、SM、IM三個率值的檢測值，通過和生料質(zhì)量計算機控制系統(tǒng)LSF（或KH）、SM、IM三個率值的設定值（目標值）比較，通過優(yōu)化計算，連續(xù)不斷地調(diào)節(jié)各原料下料配比。通過控制裝置調(diào)節(jié)各原料下料，使得入窯原料的LSF（或KH）、SM、IM三個率值不斷地逼近設定值。由于這個閉環(huán)控制幾乎是實時進行的，這就使得出磨生料的LSF（或KH）、SM、IM三個率值控制非常穩(wěn)定。
　　四、水泥廠使用在線中子活化分析儀的經(jīng)濟效益
　　1．合理利用礦山資源
　　合理利用資源的問題已經(jīng)引起全社會的普遍關(guān)注，《水泥工業(yè)產(chǎn)業(yè)政策》也明確指出：國家要加強國內(nèi)水泥礦山管理，鼓勵地方和企業(yè)合作，有效地利用礦山資源。在石灰石礦山中使用中子活化分析儀可以在穩(wěn)定成分的前提下，通過合理配礦，最大程度地利用低品位礦石，減少剝離層帶來的資源浪費和環(huán)境污染。目前我國因為有大量的立窯企業(yè)，石灰石礦資源利用率平均只有40%，使用實時分析儀后，石灰石利用率可達80%以上。例如：華新水泥股份有限公司在石灰石預均化堆場進料皮帶輸送機上安裝使用在線分析儀后，每月搭配使用含泥低鈣石灰石，由原來3萬到4萬噸增加到6萬到7萬噸，而且進廠石灰石質(zhì)量也有明顯提高。斯堪泰克公司在水泥廠實驗證明：其石灰石飽和系數(shù)LSF在使用該分析儀前半年統(tǒng)計范圍為99-106，使用后半年波動范圍降為101-103。美國加州的河畔水泥公司石灰石礦山成分復雜，CaO含量波動大，未使用分析儀前礦山開采用人工管理，剝采量大，礦石利用率低，使用儀器后，礦山石灰石利用率大大提高，礦山剝采比下降了70%。
　　2．促進生料磨前工藝技術(shù)創(chuàng)新并節(jié)省投資
　?。?）簡化或改變預均化堆場功能
　　目前大多數(shù)新型干法水泥生產(chǎn)線都采用預均化堆場進行原料均化。一個5000t/d新型水泥熟料干法生產(chǎn)線。每日需原料近8500噸，以7天估算需5.95萬噸。占地面積在9500-11500m²,需建二個甚至三個預均化堆場。工程總投資在2000萬元左右。如果采用在線中子活化分析儀，減少入廠石灰石的標準偏差，因此可以減少堆場的規(guī)模，同時可以取消裝備復雜的取樣站，達到節(jié)省投資，減少占地面積的目的。對原料種類多、來源復雜的水泥企業(yè)，應用在線中子活化分析儀可以設立較準確的預配料或分類控制的智能化預均化堆場。
　　（2） 弱化甚至取消生料均化庫
　　采用在線中子活化分析儀，可以實現(xiàn)前置式在線生料質(zhì)量控制系統(tǒng)，控制周期由傳統(tǒng)的1小時縮短到1分鐘，解決了生料庫內(nèi)形成不均勻料層的問題，因此生料庫的均化任務已由前置式在線生料質(zhì)量控制系統(tǒng)及生料磨系統(tǒng)來完成，從而可以減少或弱化均化庫。一座ф15X40m均化庫投資300多萬元。攪拌1噸生料耗電0.15度，5000T/D生產(chǎn)線按料耗1.6計算每年需求240萬噸生料，如果取消攪拌，可節(jié)電36萬度，每一度電價格以0.5元計，一年光節(jié)省電費就有18萬元。
　　3．提高水泥生料合格率
　　使用在線中子活化儀后，控制周期由1小時縮短到1分鐘，可以使生料配料系統(tǒng)由前置快速控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的純 長滯后反饋控制，提高了出磨和入窯生料的均勻性、使窯的熱工制度穩(wěn)定、窯的運轉(zhuǎn)率提高，從而提高產(chǎn)能、熟料質(zhì)量及窯耐火磚的壽命。例如：華新水泥集團有限公司使用該分析儀后，出磨生料合格率較未使用期間平均提高29%，即使沒有均化庫，入窯生料LSF合格率也能達80%，拉法基集團Richmond水泥廠使用分析儀后，在不用生料均化庫的情況下，LSF的標準偏差只有1.5%-2.0%；美國河畔水泥公司使用分析儀后入窯生料標準偏差下降了約50%。
　　四、結(jié)束語
　　在線中子活化分析儀能快速對塊狀原料進行化學成分分析，使質(zhì)量控制人員能及時準確地掌握原料的質(zhì)量，可以綜合利用礦山資源，真正做到在線實時質(zhì)量控制，做到從礦山開始嚴格控制礦石質(zhì)量的穩(wěn)定性，實現(xiàn)“成品進廠”，減少甚至取消原料中間儲存的環(huán)節(jié)，簡化流程。如果用于監(jiān)控進生料磨的原料，那么由于進磨原料成分穩(wěn)定，出磨生料成分合格率和穩(wěn)定性也會較大幅度提高，生料均化庫的規(guī)?？梢詼p少甚至取消，同樣可以確保入窯生料穩(wěn)定，使窯溫恒定，減少結(jié)圈。生產(chǎn)出的熟料粒度質(zhì)量都很穩(wěn)定，所以水泥磨的耗電量都可以減少，這一技術(shù)的運用可以改變傳統(tǒng)的工藝過程和質(zhì)量檢測控制技術(shù)，促進水泥廠工藝設備的革新。