烧结混合料微波在线测水系统的研究开发

烧结混合料微波在线测水系统的研究开发

董亚锋，  沙永志，  曹  军

(钢铁研究总院炼铁工程技术研究室，北京100081)

摘  要：先通过基础试验研究微波在线测量烧结混合料水分的可行性和初步应用效果，继而根据基础试验结果进行了相关工业试验，考察了微波水分仪的实际测量效果。最后，根据工业试验的结果设计了微波测水系统。微波水分仪可以正确反应混合料水分变化趋势，工业试验中测量结果的标准偏差是0．32％；微波水分仪对现场环境的适应能力强，能够长期稳定运行；微波测水系统配有在线校验设备，它将有助于提高微波水分仪的适用范围和测量精度。

关键词：微波；测水系统；烧结混合料

    烧结生产必须严格控制烧结混合料的水分。常规的烘干法测量结果准确，但测量周期长，水分调节滞后。近年来出现了多种在线式水分测量方法，它们的测量原理和使用特点在不少文献中已经做过阐述，本文主要研究微波在线测量烧结混合料水分的新方法。

1  微波测水原理

微波是指频率为300MHz～300GHz的电磁波，波长1～1000mm^[1]。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“高频电磁波”。水分子是极性分子，其相对介电常数远高于一般介质^[2]。水分子在微波作用下会发生位移极化、取向极化，并随着高速变化的电场高速旋转，将电磁能转变为内能^[3]。当微波穿过含有水分的物料时，微波功率衰减、相位移发生改变，功率衰减、相位移改变的大小都跟物料中水分有一定数量对应关系，只要测得功率的衰减量和相位移的改变量就能推算出物料中水分的含量。

2  基础试验

2．1试验设备和方法

基础试验是为了评估微波水分测量技术对烧结混合料的适用性，为工业试验提供指导。试验所用的主要设备有：型号为MA—500的在线式微波水分仪，GYW—Ⅲ型快速水分分析仪，工控机，塑料盒。

MA—500微波水分仪的主要参数为：标准偏差为0．3％，最大功率300W，频率60Hz，最大物料厚度400 mm，最大皮带宽度1600mm。微波水分仪下部的微波发射器发射微波，微波穿过物料后被上部的微波接收器接收；微波接收器旁边安装的超声波探头实时测量经过其下方的皮带中心线处混合料的料层厚度。计算微波穿过单位厚度料层的物料后功率的衰减和相位移的变化来折算出物料的水分含量。

GYW—Ⅲ型快速水分分析仪通过快速烘干来测量物料水分，烘干200～300 g的混合料仅需15min。取样、干燥测定在1台仪器上完成，测量准度为0．1％，可以通过RS232端口将水分数据传输出去。

工控机从微波水分仪中读取相关试验数据，并进行数据处理。塑料盒是盛放物料的容器，在这里是用它来模拟工业上运送混合料的皮带。塑料盒的尺寸为：长160 mm、宽160 mm、高180 mm、壁厚20mm，具有足够的强度，底部不会发生弯曲变形，内部标有刻度。

试验步骤是：1)混匀烧结混合料，取250 g左右的样品置于快速水分仪中，测量烧结混合料的原始水分。2)根据目标水分添加适量水分，混匀，取250 g左右的样品置于快速分析仪中，测量烧结混合料加水后的实际水分。3)将空的塑料盒置于微波水分仪底部微波发射面板上方，塑料盒底部和面板的间隔小于20mm。4)取一定量的烧结混合料置于塑料盒中，刮平，逐次分加，记录微波水分仪的微波响应值和料层厚度值。5)改变混合料的水分，重复上述步骤。

2．2试验所用原料的理化性能

本次试验所用原料取自国内某厂实际生产中所用的混合料，它的化学组成见表1。

2．3试验结果分析

基础试验分作3组：第1组水分不变(固定为7．8％，质量分数，下同)，料量(干燥后的混合料质量)变化，主要观察料量变化对微波衰减值的影响，试验结果见图1；第2组料量不变，水分依次增大，主要观察不同水分下微波衰减值的变化，试验结果见图2；第3组是某一料量下，微波测的水分与化验出的水分比较，结果见图3。

从图1可以看出，当物料水分固定不变时，随着料量的增大，微波衰减值线性增大。从图2可以看出，当料量不变时，随着水分的增大，微波衰减值线性增大。这说明单位料量的微波衰减跟料量无关，物料水分增大，微波衰减值线性增大。图3反映了微波所测水分与化验水分之间的对应关系，两者最大绝对偏差是0．3％，标准偏差是0．2％。

基础试验证明微波水分仪能够正确反映水分变化趋势，测量准度较高(标准偏差是0．2％)，可以进行工业试验。

3  工业试验

工业试验于2008年5月在某钢厂炼铁总厂二烧下间360m²烧结机进行。微波水分仪安装在制粒机后的皮带上，皮带运输混合料能力约为700t／h。微波水分仪安装完成并运行一段时问后，在不同的时问段对微波水分仪的测量准度进行取样对比分析，结果见图4。分析图4中的数据可知，微波水分仪正确反映了混合料水分变化趋势，微波测毽水分和化验水分的标准偏差是0．32％。

对现场的物料条件进行分析，测量偏差主要来源于取样对比期间混合料成分的大幅变动，尤其是磁铁精矿配比的大幅度变动。磁铁矿的介电常数较大，其配比的变化会影响混合料对微波的吸收强度。如果磁铁精矿配比发生较大变化则需要调整微波水分仪的测量参数，或者对磁铁矿配比变化带来的影响进行补偿。

为提高微波水分仪对混合料配比变化的适应能力，笔者设计了微波测水系统。微波测水系统由微波水分仪、快速水分仪、工控机和程序4个部分组成。微波水分仪将测量的水分数据传输至工控机，由程序对水分数据进行读写操作，绘制实时水分曲线并定时保存水分画面；快速水分仪用于检验微波水分仪测量的水分数据是否与实际物料水分一致，如果偏差较大，就对微波水分仪的洲量参数进行调整。一般的经验是：当混合料中配加的主要成分(尤其是磁铁精矿)含量发乍较大变化时，需要调整微波水分仪的测量参数。操作的大致步骤是：1)从运料皮带上取样并记录取样时刻；2)将样品送进快速水分仪化验水分并将取样时刻输入工控机上的程序；3)操作程序完成测量参数的计算和调整。

工业试验期问，微波水分仪运转稳定，未出现任何故障，对现场环境适应能力强。

4  结论

1)微波在线测量技术适用于烧结混合料，能够正确反映混合料水分变化趋势，工业试验的标准偏差是0．32％。

2)微波测量设备对烧结生产环境具有良好适应性，能够长期稳定运行。

3)配置在线校验设备的微波测水系统，将有助于提高微波水分仪的适用范围和测量精度。

参考文献：

[1]  王厚昕，李正邦．微波在钢铁冶金中的应用[J]．钢铁研究，2006，34(4)：59．

[2]  徐浩，叶明．微波水分测最的研究[J]．传感器与微系统，2007，26(5)：43．

[3]  左春英，丁言镁．水对微波场损耗机理的研究[J]．仪表技术与传感器，2004．41(12)：61