鋼鐵業(yè)核儀表的運用及其進展

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本文作者：黃波、項亞平 單位：武鋼工程技術(shù)集團計控公司

根據(jù)IAEA調(diào)查報告，到1980年世界各國應(yīng)用核儀表總數(shù)達到620000多臺。以美國、英國、西德和日本為例，美國1960年使用數(shù)為4650臺，到1985年為350000臺；英國1960年使用數(shù)為760臺，到1985年為90000臺；西德在1960年使用數(shù)為1210臺，到1985年為36000臺；日本在1960年使用數(shù)為1850臺，到1985年為59000臺，而到1992年用于鋼鐵生產(chǎn)的核儀表己達1400余臺；例如前蘇聯(lián)在克里沃舍爾特鋼廠建成的當時世界最大的高爐（5000m3）上，配備有100多臺核儀表；在奇姆肯特磷肥廠安裝了450多臺核儀表。

我國從1958年開始研制核儀表。當時研制的主要是料位計，此后還發(fā)展了厚度計、密度計、γ射線探傷儀、泥沙量計、X熒光分析儀、硫含量分析儀、核子秤等，但其技術(shù)性能、品種與數(shù)量遠低于國外。經(jīng)過十多年發(fā)展，我國核儀表在測量精度、穩(wěn)定性、可靠性等方面均有所改善，產(chǎn)品也向系列化方向發(fā)展。到20世紀70年代已有不少產(chǎn)品開始生產(chǎn)并提供給用戶，此后又研制出火災(zāi)報警系統(tǒng)，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)場所安全監(jiān)控，取得了顯著效益。80年代初我國共研制和生產(chǎn)了40多種2000余臺核儀表，其中以料位計具多。當時，除了使用國產(chǎn)核儀表外，有關(guān)部門還隨成套設(shè)備引進了國外核儀表。根據(jù)1984年統(tǒng)計，武漢鋼鐵（集團）公司從西德、日本引進的1700軋機工程配有8個品種核儀表，共63臺，遍布連鑄、熱軋、冷軋、硅鋼等生產(chǎn)環(huán)節(jié)；上海石油化工總廠引進的成套設(shè)備中配有核儀表43臺；上海寶鋼一期工程引進的日本成套設(shè)備中配有87臺核儀表；昆明三聚磷酸鈉廠從西德引進的成套設(shè)備中共配有110臺核儀表。經(jīng)過多年的應(yīng)用實踐證明，這些引進的技術(shù)裝備是先進、合理和適用的。

從20世紀80年代開始，我國已進入在工業(yè)領(lǐng)域大力推廣應(yīng)用核儀表階段，到1988年，我國在各工業(yè)部門使用的核儀表已達8000余臺，其中，國產(chǎn)儀表約占6000余臺；到2000年初估計已達10000余臺，推廣應(yīng)用較為廣泛的核儀表有料位計、厚度計、密度計、濕度計、成分分析儀等，其中以料位計、核子秤最多，代表發(fā)展水平的是成分分析儀。在此期間，在密度計的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了流量計、濃度計及核子秤等3種擴展應(yīng)用的密度計。另外，在中子測水分的實際應(yīng)用中，常常需要同時測量密度，修正水分測量結(jié)果，即密度補償。在測量技術(shù)的需求下，將中子水分儀與γ密度計結(jié)合，派生出多種中子水分／γ密度組合計及水分、灰分、核子秤組合計等，并出現(xiàn)如紙張灰分、厚度、定量、濕度4參數(shù)測量系統(tǒng)。經(jīng)過近50多年的發(fā)展，到2005年我國在工業(yè)領(lǐng)域使用的核儀表已達到28000余臺，在儀表的靈敏度、可靠性、穩(wěn)定性和智能化等方面都有所突破，但與國際先進技術(shù)相比，我國核儀表的工藝裝備、技術(shù)性能、穩(wěn)定性、通用性、適應(yīng)性、智能化、數(shù)字化、標準化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能、外形美觀性等方面還存在較大的差距，品種與數(shù)量也遠遠低于國外［1］。

核儀表在鋼鐵工業(yè)的應(yīng)用

目前，在鋼鐵制造流程中已廣泛使用各種各樣的核儀表，以下按照鋼鐵制造流程，簡要敘述核儀表在各生產(chǎn)場所的應(yīng)用概況。在原材料場，主要使用γ射線料位計、核子秤和水分儀等，分別用于測量料斗內(nèi)的煤、礦石、石灰石等物位高度、輸送機上的物料質(zhì)量、原煤的含水量和灰分，焦炭或燒結(jié)礦中的含水量及原煤質(zhì)量或成分分析。在煉鐵廠，主要使用γ射線物位計測量高爐爐頂、配料倉料位，中子水分儀測量焦炭的含水量。在煉鋼廠，主要采用γ射線液位計測量連鑄機結(jié)晶器液位，料位計測量水處理氧化鐵皮的位置。在型鋼廠，用γ射線或X射線測量各種異型材各部分的厚度、厚度分布、缺陷等，鋼管管壁厚度和偏心度、外徑和外形輪廓、長度及缺陷等。在熱軋廠，用γ射線或X射線測量板坯、帶鋼的厚度、加熱爐內(nèi)板坯的位置、熱金屬檢測（HMD）等。此外，為了提高成品的材料利用率，還可使用它們檢測料頭形狀，以及測量帶鋼橫向厚度分布的凸度、寬度和平直度等。在冷軋廠，γ射線或X射線用于測量帶鋼厚度、凸度和邊緣降、寬度，各種鍍層和涂層厚度、酸液濃度和密封罐中液位等。利用γ射線還可以測量料斗中礦石位置、礦漿濃度，各種粉末及燒結(jié)礦的密度，板坯的密度；并可使煉焦爐出焦時三車自動定位；采用活化分析法測量鋼水中的含氧量，礦物中氧、硅、鋁、鐵的含量；利用X熒光分析測量各種礦石的品位，分析爐渣中含鐵量及堿度等；采用PGNAA（瞬發(fā)伽馬中子活化分析）技術(shù)，可以對礦石、煤等物質(zhì)進行元素分析。我國部分鋼廠與國外鋼廠在1992年使用的核儀表數(shù)量列于表1。

核儀表的技術(shù)與經(jīng)濟效益

在鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中使用核儀表，能提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，節(jié)省原材料、能耗和維護費用，給工礦企業(yè)帶來極好的技術(shù)和經(jīng)濟效益。據(jù)美國1978年統(tǒng)計，核儀表平均價格為1．2萬美元，年維護費250美元。企業(yè)購買核儀表的全部費用及安裝運行費，一般在2～3個月可全部收回，個別的在5～6個月也可收回。據(jù)IAEA1981年報道：各種核儀表的經(jīng)濟效益系數(shù)如下：塑料薄膜厚度計為1∶3；紙張厚度計、濕度計為1∶9；鋅層厚度計為1∶30；脫硫車間硫分析儀為1∶10；高爐焦炭濕度計為1∶20。1983年，日本鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中使用中子水分測控技術(shù)水平居世界領(lǐng)先地位，全國鋼鐵廠共使用347臺中子水分儀，其中高爐使用高精度（0．3％）252Cf中子水分儀，鐵水中硅的漲落降低了0．012，焦比大約降低了0．37，每臺每年的經(jīng)濟效益可達10萬美元以上，很受用戶歡迎。1992年，UNDP／IAEA／RCA核子控制系統(tǒng)在鋼鐵工業(yè)應(yīng)用亞太地區(qū)研討會上，IAEA專家浦項測控特儀部主任HeeBaek先生介紹了鋼鐵行業(yè)中使用核子控制系統(tǒng)的技術(shù)和經(jīng)濟效益的估算方法和實例［2］。例如韓國浦項制鐵分別在其一冷軋廠軋機和二熱軋廠軋機上應(yīng)用德國IMS公司厚度、凸度計所帶來的技術(shù)效益：（1）延長了設(shè)備使用壽命、減少了維修時間，也就減少了停機時間；（2）儀表有自校準和自診斷等功能，提高了測量精度和可靠性，降低了厚度偏差，提高了成材率。增加產(chǎn)量所獲的經(jīng)濟效益如下。1）在韓國浦項制鐵一冷軋廠軋機上安裝了3臺厚度計，投資600000＄，其所獲技術(shù)和經(jīng)濟效益列于表2、表3和表4。2）在韓國浦項制鐵二熱軋廠軋機上安裝多通道凸度計，投資1650000＄，經(jīng)濟效益如下：1）產(chǎn)量提高了22．765t；2）板型軋制可靠性提高了147．974t／a；3）經(jīng)濟效益達2814000＄／a；4）回收期0．62a。

1994年11月，武漢鋼鐵（集團）公司一熱軋廠對HMD－61熱金屬檢測器進行改造，采用德國Berthold公司LB－352位置檢測系統(tǒng)，共投資105000元。改造后，1995年1—4月成材率分別為：97．80％、97．73％、98．06％和98．21％，增產(chǎn)1186t，增收2372000元，投資回收期6d。德國IMS公司2009年推出的采用γ射線13通道立體交叉管壁厚度測量與18個激光三角測量傳感器的光學鋼管外徑和外形的組合測量系統(tǒng)，成功地應(yīng)用于巴西VSB公司PQF熱連軋鋼管的在線檢測。該測量系統(tǒng)不僅能測量鋼管的壁厚、外徑、總長度、偏后的頭、尾長度，以及局部的高精確率壁厚值及其在長度上的截面分布，還能測量沿鋼管整個長度的壁厚不均率的振幅及相應(yīng)位置，根據(jù)不同的標準對測量值進行分類，將每個長度段顯示為“壁厚平鋪圖”或“管內(nèi)截面形狀統(tǒng)計圖”等，優(yōu)化了軋制過程控制。其測量精度：壁厚小于±0．3％；直徑及位置小于±0．4％；長度小于±0．1％。它可在一個小型測量系統(tǒng)上同時測量管壁厚度和偏心率、外徑和外形輪廓以及溫度和長度，避免了安裝多個單獨測量系統(tǒng)的需要，不僅節(jié)省了總體投資成本，還使維修和保養(yǎng)更簡單，降低了維護成本與后續(xù)費用。實踐證明，核儀表投資少、見效快、技術(shù)與經(jīng)濟效益顯著。這也是發(fā)達國家的工業(yè)企業(yè)愿意廣泛使用核儀表的動力和出發(fā)點。IAEA與RCA（亞太地區(qū)區(qū)域合作協(xié)議組織）指出：核子控制系統(tǒng)對于發(fā)展中國家基礎(chǔ)工業(yè)的改造與加速發(fā)展中國家工業(yè)現(xiàn)代化進程同樣具有重要的意義。

核儀表在武漢鋼鐵（集團）公司的應(yīng)用

武漢鋼鐵（集團）公司從20世紀60年代開始將核技術(shù)用于鋼鐵生產(chǎn)，核技術(shù)應(yīng)用后，提高了燒結(jié)、煉鐵生產(chǎn)自動化水平及煉鋼、鑄坯質(zhì)量，延長了設(shè)備使用壽命。自20世紀70年代初從西德和日本引進的1700軋機工程投產(chǎn)以后，核儀表在在武漢鋼鐵（集團）公司的應(yīng)用進入了一個嶄新的階段。當前在武漢鋼鐵（集團）公司已有各類核儀表8個品種約150臺（套），用于檢測鋼板厚度、凸度、平直度、邊緣降、鍍（涂）層厚度、物（液）位、質(zhì)量等。引進的1700軋機工程由于在熱連軋帶鋼、冷軋薄板、硅鋼片等軋制生產(chǎn)中實現(xiàn)了核儀表參與自動化生產(chǎn)控制過程，成為以上三廠繼續(xù)保持高質(zhì)、高產(chǎn)、低耗、年經(jīng)濟效益遞增的中樞環(huán)節(jié)，已成為鋼鐵制造流程中關(guān)鍵的測控技術(shù)裝備［3］。

20世紀未，一煉鋼廠平改轉(zhuǎn)連鑄機鋼水液位控制，改善了鑄坯品質(zhì)；一熱軋廠精軋F7出口厚度、凸度測控系統(tǒng)配合軋機彎輥、串輥改造，實現(xiàn)了自由軋制，年增加效益2000多萬元；一冷軋廠五機架連機連軋改造，增加厚度自動調(diào)節(jié)控制等功能，實現(xiàn)負公差軋制，軋制能力提高了30％，年增收入14億元；硅鋼森吉米爾（ZR）軋機AGC（AutomaticGageControlSystem，帶鋼厚度自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)）改造，生產(chǎn)Hib鋼和高牌號取向硅鋼，滿足了國內(nèi)市場高端硅鋼片產(chǎn)品的需求。軋鋼的軋制過程要求提高過程控制中帶鋼厚度測量的精度和速度，對于同板厚度差的要求已經(jīng)提高到微米級，這就要求在熱軋和冷軋高速軋制過程中測量不同材質(zhì)運動帶鋼的全截面上的厚度及分布。2002年二熱軋廠2250軋機采用從德國IMS公司引進的對厚度、凸度等采用多通道（114個電離室）、多參數(shù)、立體、實時顯示、數(shù)據(jù)儲存的XR－SSMC（X－ray－Stereoscop－icSimultaneousMulti－Channel）系統(tǒng)，該系統(tǒng)可同時在線測量、顯示帶鋼厚度分布和楔形、寬度和跟蹤（邊部移動）、邊緣降、中心厚度、表面板形和輪廓、高／低缺陷跟蹤及溫度分布等，為今后生產(chǎn)高質(zhì)量帶鋼和開發(fā)高等級產(chǎn)品提供了必要的技術(shù)保障。投產(chǎn)后綜合成材率一直保持在97．3％以上。2009年為解決寧波象山大橋急需專用超厚（25．2mm）帶材，二熱廠2250軋機1—5月軋制帶材2．077萬噸，新增產(chǎn)值9011．1萬元，填補了國內(nèi)空白，并摸索出在軋機軋制極限和儀表測量極限工作區(qū)域，保證儀表測量準確的先進操作法。

從國外引進的先進技術(shù)裝備，在國內(nèi)全新的環(huán)境下能否得到充分有效的運用，其中一個重要的因素就是要在充分消化吸收的基礎(chǔ)上，對其進行改良和創(chuàng)新，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)，1700軋機工程的核儀表技術(shù)就是一個典型范例。武鋼工程技術(shù)集團計控公司技術(shù)研發(fā)人員在多年引進國外先進核技術(shù)裝備的應(yīng)用基礎(chǔ)上，學習、分析、借鑒，再創(chuàng)新。通過自主、合作研發(fā)，在核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域已獲得較為豐碩的成果。如1998年為適應(yīng)硅鋼ZR1軋機AGC技術(shù)改造，自主研制了W－Ⅰ數(shù)字式γ射線厚度計替代引進設(shè)備，成功地應(yīng)用在硅鋼ZR1森吉米爾軋機，達到了高速（800m／min）、高精度（0．1％／0．5μm）、響應(yīng)快（25ms）的厚度自動控制技術(shù)規(guī)范，其技術(shù)性能達到國外20世紀90年代水平，不僅為在武漢鋼鐵（集團）公司節(jié)省設(shè)備購置費10萬美元，也為其應(yīng)用與發(fā)展儲備了技術(shù)基礎(chǔ)，第二代產(chǎn)品2008年推廣應(yīng)用在ZR2軋機上，新一代智能厚度計正在研發(fā)中。30年來，在武鋼工程技術(shù)集團計控公司先后自主、合作研發(fā)的主要技術(shù)還有測厚儀電離室、測量傳換器、射線輸出器、操作系統(tǒng)及物位計數(shù)據(jù)存儲器國產(chǎn)化等20余項，共節(jié)省資金2000萬元以上，并獲專利與技術(shù)決竅16項。

核儀表的未來發(fā)展趨勢

核儀表經(jīng)過60多年的發(fā)展歷程，已在過程控制與最優(yōu)化、測量與自動化、質(zhì)量控制和各種檢測中得到更加廣泛的應(yīng)用，對提高工業(yè)自動化水平，促進生產(chǎn)力發(fā)展起著主導作用，并成為現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)控制技術(shù)中不可缺少的技術(shù)裝備，它適用于鋼鐵制造流程的高溫、高壓、高速、高濕、高塵、強振、強腐蝕、防爆等惡劣環(huán)境。核儀表涉及核物理、核電子探測、計算機、通訊、視頻、機械、控制等領(lǐng)域，是多學科的綜合體。目前的核儀表具有以下特點。1）傳感器向微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、網(wǎng)絡(luò)化、低功耗方向發(fā)展。如德國Berthold公司LB－490一體化密度測量系統(tǒng)，采用微處理器技術(shù)將探測器與主機集成在一體，系統(tǒng)參數(shù)通過HART手操器設(shè)置；HART手操器可連接在4～20mA輸出電流環(huán)路內(nèi)的任何一點。2）具有高適應(yīng)、高穩(wěn)定、高可靠和長壽命特征。核儀表在復雜、惡劣的工作環(huán)境中使用一般可連續(xù)10萬小時可靠運行，正常使用5～10年。3）采用計算機、微處理器和人工智能等技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)運算、存儲與通訊、非線性與溫度補償、放射源衰減補正、X射線源與測量精度的穩(wěn)定、自診斷與自故障處理及遠程化服務(wù)等功能，大幅減輕了設(shè)備維護量，提高了儀表的可靠性；通過圖像視頻彩色顯示，達到更加友好的人機結(jié)合，使生產(chǎn)運行過程獲得更快的速度、更優(yōu)的質(zhì)量以及更嚴密的監(jiān)控。4）核技術(shù)與非核技術(shù)綜合應(yīng)用，擴大了儀表的應(yīng)用范圍，提高了其應(yīng)用功能，并向高速度、高精度、高靈敏、更簡捷的方向發(fā)展。如德國IMS公司用于熱軋的LasCon（Laser－Contour－Meas－urement）SMC厚度、凸度測量系統(tǒng)，將射線技術(shù)與激光技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)在線實時測量帶鋼的中心厚度、厚度分布和楔形、寬度和跟蹤（邊部移動）、邊緣降、表面板形和輪廓、溫度分布、平直度等；系統(tǒng)中還包括自己開發(fā)的標準MEVInet：“測量和可視化網(wǎng)絡(luò)”（MeasuringandVisualisa－tionNetwork）子系統(tǒng)，用于控制、測量、管理、顯示、操作、長期數(shù)據(jù)存儲、質(zhì)量管理和遠程維護。隨著核電子學和核探測器技術(shù)的發(fā)展，多探測器陣列數(shù)據(jù)融合與計算機成像技術(shù)相結(jié)合的各種高靈敏圖像型核儀表（工業(yè)CT、放射性物質(zhì)探測等）已在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。微型、高效、高靈敏γ射線探測器的出現(xiàn)將對國際上亟待發(fā)展的探索性研究課題多相流體特征參數(shù)的準確測量、運算、判斷、分析與處理能力的提高，解決固、氣兩相流，油、氣、水三相流及多相流檢測及多相流檢測斷層成像技術(shù)的研究奠定基礎(chǔ)［4］。PGNAA技術(shù)用于工業(yè)過程控制中大批量物料的在線分析，鐵礦、煤礦的優(yōu)化開采，提高生產(chǎn)能力和生產(chǎn)質(zhì)量［5］。如今核儀表已成為鋼鐵制造過程中質(zhì)量檢測與控制的重要手段并擴大應(yīng)用，其主要特點是：潛力大、應(yīng)用廣、對企業(yè)的技術(shù)與經(jīng)濟的發(fā)展具有極其深遠的意義［6］。

進入21世紀以來，微型、網(wǎng)絡(luò)、在線、智能、虛擬、多功能、低耗等高科技化已成為現(xiàn)代核儀表最主要的特征和發(fā)展趨勢。核儀表正不斷更新結(jié)構(gòu)，完善功能，提高精度、穩(wěn)定性、可靠性、通用性，實現(xiàn)儀表的標準化、微型化、智能化與自動化，以適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)連續(xù)、高速、精密的生產(chǎn)要求。主要發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下方面：1）整體結(jié)構(gòu)，從單元組合式向系統(tǒng)集成式發(fā)展；2）測量方法，從簡單的檢測手段向高效率、高分辨率的復雜檢測裝置過渡；3）儀表功能，從單點單參數(shù)檢測向多點、多參數(shù)、自動檢測方向發(fā)展，擴大了儀表的應(yīng)用范圍，提高了其應(yīng)用功能；4）儀表通用性、安全性、可靠性、可維性、軟件功能的擴充以及控制系統(tǒng)與現(xiàn)場儀表層各項可互操作，實現(xiàn)了標準化、系列化；5）新型傳感器與計算機技術(shù)相結(jié)合，使得儀表的性能越來越高，速度越來越快、操作越來越簡便，并具有實時診斷與預測性維護等功能。隨著各種支持性技術(shù)的發(fā)展，核儀表的技術(shù)水平將達到一個新的高度。外形上，結(jié)構(gòu)將更加緊湊，體積進一步縮小。測量方式上，將從模擬技術(shù)向數(shù)字技術(shù)轉(zhuǎn)變，提高測量精度、穩(wěn)定性與可靠性，采用多媒體技術(shù)提高儀表的綜合處理能力，改善人機界面，使之操作簡單靈活、維護方便，并具備自動補償、在線或遠程狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、遠程服務(wù)、預測性維護與壽命評估等功能。

結(jié)語

縱觀核儀表的發(fā)展歷程，可以預見，未來微型化、智能化、陣列化、全數(shù)字化的核儀表，結(jié)構(gòu)將更加簡潔、功能更加完善、安裝更加簡便、速度更快、精度更高、性能更好、功能更強、用途更廣，更加靈活地實現(xiàn)多參數(shù)在線或離線獲取、運算、存儲、傳輸和利用，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化大區(qū)域測量和控制。測控技術(shù)的進步推動了鋼鐵技術(shù)的發(fā)展，鋼鐵生產(chǎn)的需求驅(qū)動測控技術(shù)的進步?？梢灶A見，新興的全數(shù)字化、智能化、多功能的核儀表測控系統(tǒng)將會在現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)高效、低耗的生產(chǎn)，綠色化和可持續(xù)發(fā)展發(fā)中發(fā)揮越來越重要的作用。