水泥元素在線分析儀在水泥礦山與生料質(zhì)量控制的應(yīng)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(shí)。用中子活化分析儀，可以提高礦山的綜合利用率、簡(jiǎn)化或改變預(yù)均化堆場(chǎng)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(kù)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(wèn)題
　　水泥生產(chǎn)過(guò)程中，為了出產(chǎn)優(yōu)質(zhì)熟料、確保水泥質(zhì)量，對(duì)入窯生料質(zhì)量的控制至關(guān)重要。特別是對(duì)大型的新型干法水泥生產(chǎn)線，為了適應(yīng)高溫、高速、高效的要求，對(duì)生料質(zhì)量的要求尤其嚴(yán)格。水泥生料的生產(chǎn)由礦山開采，原料預(yù)均化堆場(chǎng)、生料粉磨，生料均化庫(kù)四個(gè)工藝環(huán)節(jié)組成，而生料質(zhì)量的控制目標(biāo)是通過(guò)對(duì)以上四個(gè)環(huán)節(jié)的有效控制，保證入窯生料三個(gè)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(duì)水泥廠的產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益都有決定性的影響。而進(jìn)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(yàn)的方法分析原料化學(xué)成分來(lái)指導(dǎo)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(guó)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(gè)問(wèn)題，現(xiàn)在大多數(shù)新型干法水泥生產(chǎn)線采用預(yù)均化堆場(chǎng)進(jìn)行原料預(yù)均化。但預(yù)均化堆場(chǎng)占地面積大，投資高，維護(hù)工作量大，影響水泥企業(yè)的生產(chǎn)成本和擴(kuò)大再生產(chǎn)。
　　即使采用了預(yù)均化堆場(chǎng)，還不能保證提供合格的生料質(zhì)量，因此在原料進(jìn)生料磨前，仍需進(jìn)行原料配比控制。目前國(guó)內(nèi)新型干法生產(chǎn)線的原料配比控制均采用以實(shí)驗(yàn)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(kù)結(jié)合，才能達(dá)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(duì)試樣制備的要求較復(fù)雜，從取樣、縮分、壓制成樣再進(jìn)行X-熒光分析，到分析出結(jié)果至少需要30min，也就是測(cè)定結(jié)果比實(shí)際滯后30min，再加上磨機(jī)的純滯后時(shí)間，因此控制周期一般定為1小時(shí)左右，因此用X-熒光分析儀就不可能真正做到在線實(shí)時(shí)控制，這樣一個(gè)典型的純長(zhǎng)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(guò)程的代表性難以保證，而X-熒光分析只能測(cè)定試樣表面層生料的化學(xué)成分。所以現(xiàn)在普遍應(yīng)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(guó)水泥企業(yè)，均化措施方面一直側(cè)重于進(jìn)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(dòng)。但如果由于進(jìn)廠原料成分波動(dòng)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(yù)均化堆場(chǎng)及生料均化庫(kù)的作用只能將進(jìn)廠的原料，入庫(kù)生料進(jìn)行均化，保持其成分在這一段時(shí)間內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，但不能改變?nèi)肽ピ虾腿敫G生料的成分。　　
　　鑒于上述原因，發(fā)達(dá)國(guó)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(yīng)用在水泥生產(chǎn)中固體物料成分的在線分析。利用這項(xiàng)技術(shù)研究開發(fā)的中子活化分析儀可以實(shí)現(xiàn)水泥生料配料的前置控制，真正做到在線實(shí)時(shí)質(zhì)量控制，做到從礦山開始嚴(yán)格控制原材料的質(zhì)量穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)“成品進(jìn)廠”。實(shí)踐證明，有效利用該項(xiàng)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(jì)效益。
　　二、國(guó)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(tái)實(shí)際應(yīng)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(tái)，世界上領(lǐng)先的幾個(gè)水泥集團(tuán)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(guó)熱電及KSS設(shè)計(jì)與工程公司，芬蘭Ima工程公司等均有類似產(chǎn)品。
　　我國(guó)水泥行業(yè)在上世紀(jì)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(hào)窯擴(kuò)建工程引進(jìn)了2臺(tái)分析儀，分別用于石灰石預(yù)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(duì)立磨進(jìn)料皮帶機(jī)上的塊狀混合料進(jìn)行成分分析，已投運(yùn)。2003年北京強(qiáng)聯(lián)水泥廠引進(jìn)3臺(tái)中子活化分析儀，分別用于石灰石預(yù)均化前、原煤進(jìn)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(jìn)一臺(tái)，準(zhǔn)備用于原料進(jìn)生料磨前。2004年新疆天山水泥公司引進(jìn)一臺(tái)用于原料進(jìn)生料磨前，已投運(yùn)。
　　然而，我國(guó)引進(jìn)的中子活化分析儀大多數(shù)用于監(jiān)測(cè)原料成分，并未利用分析數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，即使有控制也是購(gòu)買國(guó)外公司開發(fā)的軟件，價(jià)格昂貴而且功能單一。同時(shí)，在所有引進(jìn)該設(shè)備的生產(chǎn)線中，礦山開采、預(yù)均化堆場(chǎng)、生料均化庫(kù)的設(shè)計(jì)仍按傳統(tǒng)的工藝方案進(jìn)行，沒(méi)有充分利用該設(shè)備的效能和作用。為此國(guó)內(nèi)已有單位開展“在線中子活化分析儀全過(guò)程控制水泥生料質(zhì)量”的研究。
　　三、實(shí)用的控制方案
　　在線中子活化分析儀可以對(duì)礦山原料成分、進(jìn)預(yù)均化堆場(chǎng)前的原料成分、進(jìn)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(jìn)行檢測(cè)和全過(guò)程控制。
　　由于該設(shè)備目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)生產(chǎn)，從國(guó)外引進(jìn)設(shè)備價(jià)格昂貴（每一臺(tái)售價(jià)幾十萬(wàn)美元），因此，為了控制投資， 在目前的條件下，我們認(rèn)為每條生產(chǎn)線采用二臺(tái)中子活化分析儀：一臺(tái)用于石灰石均化堆場(chǎng)前，另一臺(tái)用于生料入磨前，最能體現(xiàn)其價(jià)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(yù)均化堆場(chǎng)的控制（圖一）

　　水泥生產(chǎn)主要原料是石灰石，因此對(duì)石灰石礦的質(zhì)量控制至關(guān)重要，分析儀能快速、及時(shí)對(duì)進(jìn)均化堆場(chǎng)的原料進(jìn)行分析，每一分鐘可以分析出結(jié)果，以“當(dāng)前分析值”“滾動(dòng)平均”“累計(jì)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(zhǔn)確地了解原料的成分，對(duì)開采面進(jìn)行質(zhì)量控制，對(duì)不同開采區(qū)的灰?guī)r進(jìn)行合理搭配，實(shí)現(xiàn)均化開采。
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　　同時(shí)根據(jù)成分的不同，在進(jìn)預(yù)均化堆場(chǎng)前進(jìn)行分選，并分級(jí)堆放，按工藝要求搭配入庫(kù)，或直接入磨，使得入生料磨前原料的成分的波動(dòng)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制軟件以及網(wǎng)絡(luò)通訊。
　　在線中子活化分析儀安裝在入磨原料皮帶機(jī)上，每一分鐘檢測(cè)出入磨原料的化學(xué)成分：SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、NaO、MgO、K₂O、SO₃，通過(guò)數(shù)字通訊傳送給生料質(zhì)量計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)入磨原料產(chǎn)量累計(jì)積分和對(duì)應(yīng)批次的化學(xué)成分，計(jì)算出入磨混合料LSF（或KH）、SM、IM三個(gè)率值的檢測(cè)值，通過(guò)和生料質(zhì)量計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)LSF（或KH）、SM、IM三個(gè)率值的設(shè)定值（目標(biāo)值）比較，通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，連續(xù)不斷地調(diào)節(jié)各原料下料配比。通過(guò)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(gè)率值不斷地逼近設(shè)定值。由于這個(gè)閉環(huán)控制幾乎是實(shí)時(shí)進(jìn)行的，這就使得出磨生料的LSF（或KH）、SM、IM三個(gè)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(jì)效益
　　1．合理利用礦山資源
　　合理利用資源的問(wèn)題已經(jīng)引起全社會(huì)的普遍關(guān)注，《水泥工業(yè)產(chǎn)業(yè)政策》也明確指出：國(guó)家要加強(qiáng)國(guó)內(nèi)水泥礦山管理，鼓勵(lì)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(guò)合理配礦，最大程度地利用低品位礦石，減少剝離層帶來(lái)的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。目前我國(guó)因?yàn)橛写罅康牧⒏G企業(yè)，石灰石礦資源利用率平均只有40%，使用實(shí)時(shí)分析儀后，石灰石利用率可達(dá)80%以上。例如：華新水泥股份有限公司在石灰石預(yù)均化堆場(chǎng)進(jìn)料皮帶輸送機(jī)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(lái)3萬(wàn)到4萬(wàn)噸增加到6萬(wàn)到7萬(wàn)噸，而且進(jìn)廠石灰石質(zhì)量也有明顯提高。斯堪泰克公司在水泥廠實(shí)驗(yàn)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(jì)范圍為99-106，使用后半年波動(dòng)范圍降為101-103。美國(guó)加州的河畔水泥公司石灰石礦山成分復(fù)雜，CaO含量波動(dòng)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(jìn)生料磨前工藝技術(shù)創(chuàng)新并節(jié)省投資
　?。?）簡(jiǎn)化或改變預(yù)均化堆場(chǎng)功能
　　目前大多數(shù)新型干法水泥生產(chǎn)線都采用預(yù)均化堆場(chǎng)進(jìn)行原料均化。一個(gè)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(wàn)噸。占地面積在9500-11500m²,需建二個(gè)甚至三個(gè)預(yù)均化堆場(chǎng)。工程總投資在2000萬(wàn)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(biāo)準(zhǔn)偏差，因此可以減少堆場(chǎng)的規(guī)模，同時(shí)可以取消裝備復(fù)雜的取樣站，達(dá)到節(jié)省投資，減少占地面積的目的。對(duì)原料種類多、來(lái)源復(fù)雜的水泥企業(yè)，應(yīng)用在線中子活化分析儀可以設(shè)立較準(zhǔn)確的預(yù)配料或分類控制的智能化預(yù)均化堆場(chǎng)。
　　（2） 弱化甚至取消生料均化庫(kù)
　　采用在線中子活化分析儀，可以實(shí)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(shí)縮短到1分鐘，解決了生料庫(kù)內(nèi)形成不均勻料層的問(wèn)題，因此生料庫(kù)的均化任務(wù)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(lái)完成，從而可以減少或弱化均化庫(kù)。一座ф15X40m均化庫(kù)投資300多萬(wàn)元。攪拌1噸生料耗電0.15度，5000T/D生產(chǎn)線按料耗1.6計(jì)算每年需求240萬(wàn)噸生料，如果取消攪拌，可節(jié)電36萬(wàn)度，每一度電價(jià)格以0.5元計(jì)，一年光節(jié)省電費(fèi)就有18萬(wàn)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(shí)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(zhǎng)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(yùn)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(tuán)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(méi)有均化庫(kù)，入窯生料LSF合格率也能達(dá)80%，拉法基集團(tuán)Richmond水泥廠使用分析儀后，在不用生料均化庫(kù)的情況下，LSF的標(biāo)準(zhǔn)偏差只有1.5%-2.0%；美國(guó)河畔水泥公司使用分析儀后入窯生料標(biāo)準(zhǔn)偏差下降了約50%。
　　四、結(jié)束語(yǔ)
　　在線中子活化分析儀能快速對(duì)塊狀原料進(jìn)行化學(xué)成分分析，使質(zhì)量控制人員能及時(shí)準(zhǔn)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(shí)時(shí)質(zhì)量控制，做到從礦山開始嚴(yán)格控制礦石質(zhì)量的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)“成品進(jìn)廠”，減少甚至取消原料中間儲(chǔ)存的環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化流程。如果用于監(jiān)控進(jìn)生料磨的原料，那么由于進(jìn)磨原料成分穩(wěn)定，出磨生料成分合格率和穩(wěn)定性也會(huì)較大幅度提高，生料均化庫(kù)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(yùn)用可以改變傳統(tǒng)的工藝過(guò)程和質(zhì)量檢測(cè)控制技術(shù)，促進(jìn)水泥廠工藝設(shè)備的革新。