基于微波原理的烧结混合料水分在线检测系统

信美华 尹毅强 孙小林

(丹东东方测控技术股份有限公司)

基于微波原理的烧结混合料水分在线检测系统

信美华 尹毅强 孙小林

(丹东东方测控技术股份有限公司)

传统的烧结混合料水分检测采用烘干法进行，但结果偏差大、分析时间长，无法实时反映水分的变化情况。基于中子法、红外法的水分检测仪器也存在着适用范围窄、维护较难的缺点。在分析影响烧结混合料水分检测结果因素的基础上，基于多样化介电常数的模型分析，经比较选择基于微波原理的水分在线检测系统进行烧结混合料的水分实时检测，可消除介质多样化对水分检测结果的影响。工业应用实践结果表明，该系统在烧结混合料水分检测中，检测值与化验值较为一致，应用效果较理想。基于微波原理的水分在线检测系统的应用对于优化烧结混合料水分、提高高炉炼铁的经济效益具有重要作用。

烧结混合料 微波 介电常数 水分检测

钢铁行业是衡量一个国家工业发展水平高低的一个重要指标，原料价格与性能决定着其在世界市场中的竞争力。随着经济建设的发展，在我国钢铁企业中实行原料生产控制自动化，对于全面实现钢铁行业生产自动化具有极其重要的意义。

我国铁矿石资源总量较为丰富，但富矿较少、贫矿多，90%的铁矿石属于贫铁矿石。目前钢铁工业多采用高炉-转炉生产流程，贫铁精矿经烧结转变为精料后再进入高炉冶炼。烧结混合料的质量是高炉炼铁获得较好经济指标的基础前提和重要的技术因素，其水分的在线监测有助于实现质量的实时自动化控制，对于提高高炉炼铁的质量和效益具有积极作用。

1 烧结混合料的水分检测

烧结是将不同质量标准的原料(精矿粉、富矿粉、氧化铁皮、菱镁石)、溶剂(石灰石、生石灰、消石灰和白云石)、燃料(碎焦、无烟煤)按照一定的比例进行混合后，在一定的高温作用下，部分颗粒表面发生软化和熔化，产生一定量的液相，并与其他未熔矿石颗粒作用。冷却后，液相将矿粉颗粒粘结成块，产品称为烧结矿。在高炉炼铁时，要求炉料粒度均匀、机械强度高、含铁品位高、有害杂质少。

烧结生产的经济及技术指标在很大程度上取决于混合料的含碳量、水分、操作控制手段，而水分在三者关系中起着先导作用。掌握和控制烧结混合料的水分，使其达到工艺上最佳的水分要求，水分检测是不可缺少的重要环节[1]。

对于烧结混合料水分在线检测，大部分厂家都是通过在传输运载物料皮带上安装一个在线检测水分的装置来实现的。尽管水分检测方法很多，但不论采用哪种方法，都需要考虑皮带上烧结混合料的状态和周围的使用环境。在实际生产中，烧结混合料水分检测需要考虑很多现场实际因素，主要有：

(1)混合料表面的水蒸气。在烧结生产中，消石灰是一种溶剂，在其消化过程中会使部分混合料和水分挥发。另外，有时还在混合料中加入一般温度较高的返矿，同样会在物料的表面产生大量的水蒸汽。

(2)混合料的形状和表面的平整度。在烧结混合料的下料过程中，很难保证下料每次都均匀落在皮带中心，料型经常出现起伏不平的现象，会影响水分测量的准确性。

(3)混合料成分的变化。烧结厂会根据不同质量标准的原矿、溶剂、燃料进行相应的配比，烧结混合料的成分随之发生变化，颜色和物理性能也出现很大的差异，对水分的检测结果造成波动。

2 微波法在烧结混合料水分检测中的优势

烘干法是传统的水分检测方法，需要人工进行取样、置样、化验。由于取样代表性偏差，导致水分检测结果偏差很大，而且分析时间很长，无法对产品水分进行实时监测。

目前，市场上新型的水分检测手段主要通过基于中子法、红外法和微波法三种原理设计的在线水分检测仪器实现。红外法利用物料对红外线特征吸收光谱的吸收量随含水量变化而变化的原理检测水分。测量固体粉状物料水分时一般采用反射式光学结构，要求表面平整度要高。由于只能测量表面的水分，当物料表面有水蒸气、成分变动或颜色发生变化时，测量结果将出现很大偏差，无法适应复杂的现场环境。中子法基于中子对水分中的氢元素敏感的原理(氢元素可以使中子发生慢化)，但由于中子源有泄露危害，需要特殊防护，维修工作量大且响应速度较慢，目前已很少用于混合料的水分测量[2]。

微波法基于液态水的介电常数远远大于固体及空气介电常数的原理，微波信号穿过介质的内部，分析整体介质的信息，物料形状、表面水蒸气都不影响水分测量。但当成分发生变化时，也会对微波检测造成干扰。消弱甚至避免成分变化对微波检测的影响，成为微波法测量烧结混合料水分的难题。

3 基于多样化介质介电常数的模型分析

一些介电特性不同成分组成多相的物质的有效介电常数一般用εeff来表达。混合物可以理解为两相物质，其中一种形成了背景或者环境，另外一种作为一种外来物质而加入其中，形成了被包含的相[3]。在测量烧结混合料水分时，可以把物料看成是液相和固相两相混合的物料，由于该两相混合物含有液态水，其介电响应损耗较高。

定义形成背景的主物质的相对介电常数为εe，外来物质的为εi，被包含的物质的体积分数为f。

根据麦克斯韦—加内特定律得到预测有效介电常数εeff为：

如果麦克斯韦-加内特定律被反过来用，即把主要物质和外来物质相交换的话，我们就会得到逆麦克斯韦-加内特定律：

根据著名的布鲁格曼定律得到：

从而可用来计算混合物的有效介电常数εeff。

烧结是一个比较复杂的物理化学过程，混合料的水分大小与生石灰、消石灰的配比等诸多因素有关。在烧结生产中，根据主料及辅料的质量等级进行不同的调配，混合料自动控制的目标是保持水分稳定在一个有利于烧结的值，其波动范围不能太大，一般在6.5%～9.5%。水分偏离超过±1%时，会对混合料的成球率及透气性的稳定性造成很大影响。当测量水分时，物料配比变化使成分发生变化，进而导致有效介电常数变化，从而显示出独特的多样化的电介质与水分的关系。

通过以上两相混合物的有效介电常数理论，可以建立电介质变化与水介电常数的模型，进而消除介质多样化对水分检测结果的影响。

4 应用实践

基于微波原理的DF-MMA I系列水分在线检测系统在山东莱芜九羊集团烧结混合料水分检测中，取得了较好的应用效果。烧结混合料的微波水分在线实时检测结果与化验值对比结果见表1。

表1 水分检测结果与化验值对比结果

由表1可以计算得出，该烧结混合料的微波水分在线分析系统的实测值的绝对平均误差为0.293，均方根误差为0.137 2。该微波水分在线分析系统的检测结果与化验值中烧结混合料的水分变化趋势非常一致，使用效果得到了用户的认可与好评。

5 结 论

利用多样化电介质介电常数建模理论，基于微波原理设计的在线水分检测系统可以较好地避免传统烘干法和基于中子法、红外法设计的检测仪器产生的水分测量结果偏差大、实时性差、操作危害大的问题，可完全适用于烧结混合料中成分变化较为频繁时水分的实时在线检测。在实际的工业生产应用中取得了较为满意的使用效果。可以预测，该系统在烧结混合料水分在线检测领域，具有非常广阔的应用前景。

[1] 张慧宁.烧结设计手册[M]. 北京：冶金工业出版社，2005.

[2] 周在杞.微波检测技术[M]. 北京：化学工业出版社，2007.

[3] 顾继惠.微波技术[M].北京：科学出版社，2004.

2015-11-23)

信美华 (1978—)，女，高级工程师，118002 辽宁省丹东市滨江中路136号。