在线激光粒度分析仪取样方式的对比与选择

江海涛

（中建材（合肥）粉体科技装备有限公司 ，安徽 合肥 230051）

水泥粉磨系统的细度控制主要有比表面积、筛余和粒度分布等指标。其中激光粒度分布是目前国内外普遍采用的检测方法之一。激光粒度检测分为离线检测和在线检测。顾名思义，离线检测是将采集样品交由实验室完成检测；在线检测是粉磨运行过程中通过在线粒度检测仪定时取样自动完成检测。在线检测对于粉磨过程控制具有反馈及时，生产调控的指导性和时效性强等特点，但使用条件相对于实验室苛刻，其检测数据的可性度既要求有清洁稳定的压缩空气、适宜的镜片吹扫气压和分散气压，也决定于于合理的取样方式及取样点设置，同时还需要针对不同的生产工艺、料流特点进行差异化设计。本文通过广东J水泥厂在线激光粒度分析仪的使用经验，针对小孔直接取样和螺旋取样器预取样两种不同的在线取样方式进行对比，分析其取样原理及存在的问题，并提出改善措施和选择原则，可供生产参考。

1 J厂应用的在线检测基本情况

激光粒度分析无论是在线或是离线检测，结果的真实性首先取决于取样的代表性，即所取样品是否与实际粒度分布相同，其中取样方式至关重要。水泥粉磨系统常用的在线粒度分析仪，通常采用小孔取样器直接取样，实验室离线检测大多采用螺旋取样器取样。

广东J水泥厂在线粒度分析仪应用于1号水泥磨联合粉磨系统，由1套HFCG180-160辊压机、HFX-4500下进风式选粉机和φ3.8m×13m球磨机组成，承担辊压机挤压半成品（即球磨机入磨物料）的粒度分布和比面积的在线适时检测，检测结果作为辊压机、选粉机参数调整的重要依据。在线激光粒度分析仪的取样点布置在旋风收尘器与球磨机之间的入磨斜槽溜子处见图1。基于取样方便，维护简单，减少故障点的原则，最初选择采用的是小孔直接取样的方式，小孔数量和取样点均为1个。

图1 小孔直接取样方式图

2 小孔直接取样

小孔直接取样是将取样器小孔插入到工艺料流管道中，小孔正对料流方向，物料通过自身流动进入取样管，在取样管的压缩空气作用下，进入在线粒度分析仪进行分析检测。小孔取样最重要的两个关键点是：小孔插入斜槽溜管的位置见图2；文丘里气与增压空气的气压配合见图3。

图2 小孔插入斜槽溜管的位置图

小孔插入斜槽溜管的位置，对于料流稳定，规律性强的工艺生产过程，可按照使用说明书的标准操作流程来确定，而插入深度与所取样品的粒度分布及浓度有关，可以通过不同深度的取样同试验室进行实际比对加以确定。但辊压机半成品的粉体颗粒在斜槽溜管中的流动没有任何规律，同时也会受到系统产量的变化、旋风筒重锤阀动作、收尘器周期性卸灰等因素的影响而加剧料层厚度及其分层情况的不确定性，进而导致进入取样小孔中的粉体粒度分布的变化，使得与实际产品粒度不符，即取样的代表性差，检测数据失真。

此外，小孔取样器仅凭单一小孔和单一取样点约不足20kg/h的取样量，用来标定连续生产的200t/h产量的细度，对取样代表性和检测结果的影响也可想而知。因此在调试阶段，我们曾多次调节小孔插入斜槽溜管的位置及深度，但结果均不理想，无论怎样调整总是很难保证在线检测结果与试验室离线检测的颗粒分布或比表面积相接近。

图3 文丘里气与增压空气示意图

图4 文丘里气和增压空气在小孔处的三种气压状态图

小孔取样的另一个关键点是对文丘里气和增压空气这两个压缩空气的调整。文丘里气在小孔处有负压效果，增压空气在小孔处为正压见图3。两者气体共同作用在小孔处，就有可能出现“正压”、“负压”和“零压”三种状态见图4，为了使所取样品能够尽量反应小孔处样品的真实性，还需要合理设置文丘里气与增压空气的压力。

“零压”状态表示小孔处的文丘里气与增压空气的气压相同，此时，在小孔处增压空气的正压与文丘里气产生的负压完全抵消，物料进入取样孔的速度Vi与斜槽溜管内的物料流动速度Vp相同，从而保证只有小孔处的粗细物料都被取到，但零压时，小孔容易被细粉堵塞，导致检测无法连续进行。

当小孔处增压空气的正压小于文丘里气产生的负压时，小孔处于“负压”状态，小孔对外界环境有吸力，从而导致更多的小颗粒被吸入，使得检测结果往往偏细。此时物料进入取样孔的速度Vi大于斜槽溜管内的物料流动速度Vp。

当小孔处增压空气的正压大于文丘里气产生的负压时，小孔处于“正压”状态，小孔对外界环境有吹力，从而导致更多应该进入小孔的小颗粒被吹出，使得检测结果偏粗。此时物料进入取样孔的速度Vi小于斜槽溜管内的物料流动速度Vp。

由上可见，小孔取样器直接取样要求在选准插入点的基础上，还必须调节合适的文丘里气与增压空气，这相对比较困难。实际操作中，我们经过3个多月的调试对比，在线激光检测与离线检测结果始终相差很大，在线检测有时候偏细，有时候又偏粗，毫无规律可循。所以不得不仍然采用化验室离线检测进行生产控制。为解决这一问题，经过反复摸索探讨，决定模仿化验室取样方式，在小孔取样之前新增加一个螺旋取样器预取样环节，即先由螺旋取样器，在由小孔取样器提取预取样中的一部分样品，使其在线检测的准确度大为提高，并最终成功用于生产控制。

图5 螺旋取样器预取样图

3 螺旋取样器预取样

螺旋取样器预取样见图5。

具体方法是：在螺旋取样器上正对料流方向均匀地开4～6个取样孔见图6。将螺旋取样器插入斜槽溜管中，料流随自然下落进入取样孔，即完成预取样。由于取样孔大小（φ5mm）相同，分布均匀，且位于料层的各处，因而能充分保证预取样品不会随着料层厚度及分层情况的变化而出现明显偏差，为后面的小孔取样创造了良好的条件。同时取样器的螺旋搅拌作用，又对斜槽溜管的料流进行充分的均化，最终使小孔取样的代表性大为提高。

图6 螺旋取样器的开孔图

小孔取样器的插入点由原来的斜槽溜管改为螺旋取样器的出料端（图5），用于提取螺旋取样器预取样中的一小部分物料供在线检测，大部分预取样仍然返回斜槽溜子。通过两次取样，所取样品经过均化、搅拌，排出了风、阀等干扰，代表性大幅提升。小孔取样采用微负压，有利于防止零压状态堵塞小孔而影响检测连续性的问题，虽然负压取样相对偏细，但负压微弱，加之我们从大量实测对比中总结出偏差的规律性，采用数学修正方法进行校正，最终使小孔取样器以kg计的取样量能够真实反映200t/h的粒度分布，从而有效地提高了在线检测的准确性。目前，J厂挤压粉磨系统的生产控制一直采用在线检测，经过试验室定期检测对比，在线与离线检测结果基本相近，使用效果良好。

实践证明，螺旋取样器预取样与小孔取样器相结合的方法，可以作为在线激光粒度分析的切实可行的方案。