钢铁业核仪表的运用及其进展

本文作者：黄波、项亚平 单位：武钢工程技术集团计控公司

根据IAEA调查报告，到1980年世界各国应用核仪表总数达到620000多台。以美国、英国、西德和日本为例，美国1960年使用数为4650台，到1985年为350000台；英国1960年使用数为760台，到1985年为90000台；西德在1960年使用数为1210台，到1985年为36000台；日本在1960年使用数为1850台，到1985年为59000台，而到1992年用于钢铁生产的核仪表己达1400余台；例如前苏联在克里沃舍尔特钢厂建成的当时世界最大的高炉（5000m3）上，配备有100多台核仪表；在奇姆肯特磷肥厂安装了450多台核仪表。

我国从1958年开始研制核仪表。当时研制的主要是料位计，此后还发展了厚度计、密度计、γ射线探伤仪、泥沙量计、X荧光分析仪、硫含量分析仪、核子秤等，但其技术性能、品种与数量远低于国外。经过十多年发展，我国核仪表在测量精度、稳定性、可靠性等方面均有所改善，产品也向系列化方向发展。到20世纪70年代已有不少产品开始生产并提供给用户，此后又研制出火灾报警系统，并广泛应用于工业场所安全监控，取得了显著效益。80年代初我国共研制和生产了40多种2000余台核仪表，其中以料位计具多。当时，除了使用国产核仪表外，有关部门还随成套设备引进了国外核仪表。根据1984年统计，武汉钢铁（集团）公司从西德、日本引进的1700轧机工程配有8个品种核仪表，共63台，遍布连铸、热轧、冷轧、硅钢等生产环节；上海石油化工总厂引进的成套设备中配有核仪表43台；上海宝钢一期工程引进的日本成套设备中配有87台核仪表；昆明三聚磷酸钠厂从西德引进的成套设备中共配有110台核仪表。经过多年的应用实践证明，这些引进的技术装备是先进、合理和适用的。

从20世纪80年代开始，我国已进入在工业领域大力推广应用核仪表阶段，到1988年，我国在各工业部门使用的核仪表已达8000余台，其中，国产仪表约占6000余台；到2000年初估计已达10000余台，推广应用较为广泛的核仪表有料位计、厚度计、密度计、湿度计、成分分析仪等，其中以料位计、核子秤最多，代表发展水平的是成分分析仪。在此期间，在密度计的基础上，又发展了流量计、浓度计及核子秤等3种扩展应用的密度计。另外，在中子测水分的实际应用中，常常需要同时测量密度，修正水分测量结果，即密度补偿。在测量技术的需求下，将中子水分仪与γ密度计结合，派生出多种中子水分／γ密度组合计及水分、灰分、核子秤组合计等，并出现如纸张灰分、厚度、定量、湿度4参数测量系统。经过近50多年的发展，到2005年我国在工业领域使用的核仪表已达到28000余台，在仪表的灵敏度、可靠性、稳定性和智能化等方面都有所突破，但与国际先进技术相比，我国核仪表的工艺装备、技术性能、稳定性、通用性、适应性、智能化、数字化、标准化、网络化、多功能、外形美观性等方面还存在较大的差距，品种与数量也远远低于国外［1］。

核仪表在钢铁工业的应用

目前，在钢铁制造流程中已广泛使用各种各样的核仪表，以下按照钢铁制造流程，简要叙述核仪表在各生产场所的应用概况。在原材料场，主要使用γ射线料位计、核子秤和水分仪等，分别用于测量料斗内的煤、矿石、石灰石等物位高度、输送机上的物料质量、原煤的含水量和灰分，焦炭或烧结矿中的含水量及原煤质量或成分分析。在炼铁厂，主要使用γ射线物位计测量高炉炉顶、配料仓料位，中子水分仪测量焦炭的含水量。在炼钢厂，主要采用γ射线液位计测量连铸机结晶器液位，料位计测量水处理氧化铁皮的位置。在型钢厂，用γ射线或X射线测量各种异型材各部分的厚度、厚度分布、缺陷等，钢管管壁厚度和偏心度、外径和外形轮廓、长度及缺陷等。在热轧厂，用γ射线或X射线测量板坯、带钢的厚度、加热炉内板坯的位置、热金属检测（HMD）等。此外，为了提高成品的材料利用率，还可使用它们检测料头形状，以及测量带钢横向厚度分布的凸度、宽度和平直度等。在冷轧厂，γ射线或X射线用于测量带钢厚度、凸度和边缘降、宽度，各种镀层和涂层厚度、酸液浓度和密封罐中液位等。利用γ射线还可以测量料斗中矿石位置、矿浆浓度，各种粉末及烧结矿的密度，板坯的密度；并可使炼焦炉出焦时三车自动定位；采用活化分析法测量钢水中的含氧量，矿物中氧、硅、铝、铁的含量；利用X荧光分析测量各种矿石的品位，分析炉渣中含铁量及碱度等；采用PGNAA（瞬发伽马中子活化分析）技术，可以对矿石、煤等物质进行元素分析。我国部分钢厂与国外钢厂在1992年使用的核仪表数量列于表1。

核仪表的技术与经济效益

在钢铁工业生产中使用核仪表，能提高产品的质量和产量，节省原材料、能耗和维护费用，给工矿企业带来极好的技术和经济效益。据美国1978年统计，核仪表平均价格为1．2万美元，年维护费250美元。企业购买核仪表的全部费用及安装运行费，一般在2～3个月可全部收回，个别的在5～6个月也可收回。据IAEA1981年报道：各种核仪表的经济效益系数如下：塑料薄膜厚度计为1∶3；纸张厚度计、湿度计为1∶9；锌层厚度计为1∶30；脱硫车间硫分析仪为1∶10；高炉焦炭湿度计为1∶20。1983年，日本钢铁工业生产中使用中子水分测控技术水平居世界领先地位，全国钢铁厂共使用347台中子水分仪，其中高炉使用高精度（0．3％）252Cf中子水分仪，铁水中硅的涨落降低了0．012，焦比大约降低了0．37，每台每年的经济效益可达10万美元以上，很受用户欢迎。1992年，UNDP／IAEA／RCA核子控制系统在钢铁工业应用亚太地区研讨会上，IAEA专家浦项测控特仪部主任HeeBaek先生介绍了钢铁行业中使用核子控制系统的技术和经济效益的估算方法和实例［2］。例如韩国浦项制铁分别在其一冷轧厂轧机和二热轧厂轧机上应用德国IMS公司厚度、凸度计所带来的技术效益：（1）延长了设备使用寿命、减少了维修时间，也就减少了停机时间；（2）仪表有自校准和自诊断等功能，提高了测量精度和可靠性，降低了厚度偏差，提高了成材率。增加产量所获的经济效益如下。1）在韩国浦项制铁一冷轧厂轧机上安装了3台厚度计，投资600000＄，其所获技术和经济效益列于表2、表3和表4。2）在韩国浦项制铁二热轧厂轧机上安装多通道凸度计，投资1650000＄，经济效益如下：1）产量提高了22．765t；2）板型轧制可靠性提高了147．974t／a；3）经济效益达2814000＄／a；4）回收期0．62a。

1994年11月，武汉钢铁（集团）公司一热轧厂对HMD－61热金属检测器进行改造，采用德国Berthold公司LB－352位置检测系统，共投资105000元。改造后，1995年1—4月成材率分别为：97．80％、97．73％、98．06％和98．21％，增产1186t，增收2372000元，投资回收期6d。德国IMS公司2009年推出的采用γ射线13通道立体交叉管壁厚度测量与18个激光三角测量传感器的光学钢管外径和外形的组合测量系统，成功地应用于巴西VSB公司PQF热连轧钢管的在线检测。该测量系统不仅能测量钢管的壁厚、外径、总长度、偏后的头、尾长度，以及局部的高精确率壁厚值及其在长度上的截面分布，还能测量沿钢管整个长度的壁厚不均率的振幅及相应位置，根据不同的标准对测量值进行分类，将每个长度段显示为“壁厚平铺图”或“管内截面形状统计图”等，优化了轧制过程控制。其测量精度：壁厚小于±0．3％；直径及位置小于±0．4％；长度小于±0．1％。它可在一个小型测量系统上同时测量管壁厚度和偏心率、外径和外形轮廓以及温度和长度，避免了安装多个单独测量系统的需要，不仅节省了总体投资成本，还使维修和保养更简单，降低了维护成本与后续费用。实践证明，核仪表投资少、见效快、技术与经济效益显著。这也是发达国家的工业企业愿意广泛使用核仪表的动力和出发点。IAEA与RCA（亚太地区区域合作协议组织）指出：核子控制系统对于发展中国家基础工业的改造与加速发展中国家工业现代化进程同样具有重要的意义。

核仪表在武汉钢铁（集团）公司的应用

武汉钢铁（集团）公司从20世纪60年代开始将核技术用于钢铁生产，核技术应用后，提高了烧结、炼铁生产自动化水平及炼钢、铸坯质量，延长了设备使用寿命。自20世纪70年代初从西德和日本引进的1700轧机工程投产以后，核仪表在在武汉钢铁（集团）公司的应用进入了一个崭新的阶段。当前在武汉钢铁（集团）公司已有各类核仪表8个品种约150台（套），用于检测钢板厚度、凸度、平直度、边缘降、镀（涂）层厚度、物（液）位、质量等。引进的1700轧机工程由于在热连轧带钢、冷轧薄板、硅钢片等轧制生产中实现了核仪表参与自动化生产控制过程，成为以上三厂继续保持高质、高产、低耗、年经济效益递增的中枢环节，已成为钢铁制造流程中关键的测控技术装备［3］。

20世纪未，一炼钢厂平改转连铸机钢水液位控制，改善了铸坯品质；一热轧厂精轧F7出口厚度、凸度测控系统配合轧机弯辊、串辊改造，实现了自由轧制，年增加效益2000多万元；一冷轧厂五机架连机连轧改造，增加厚度自动调节控制等功能，实现负公差轧制，轧制能力提高了30％，年增收入14亿元；硅钢森吉米尔（ZR）轧机AGC（AutomaticGageControlSystem，带钢厚度自动调节控制系统）改造，生产Hib钢和高牌号取向硅钢，满足了国内市场高端硅钢片产品的需求。轧钢的轧制过程要求提高过程控制中带钢厚度测量的精度和速度，对于同板厚度差的要求已经提高到微米级，这就要求在热轧和冷轧高速轧制过程中测量不同材质运动带钢的全截面上的厚度及分布。2002年二热轧厂2250轧机采用从德国IMS公司引进的对厚度、凸度等采用多通道（114个电离室）、多参数、立体、实时显示、数据储存的XR－SSMC（X－ray－Stereoscop－icSimultaneousMulti－Channel）系统，该系统可同时在线测量、显示带钢厚度分布和楔形、宽度和跟踪（边部移动）、边缘降、中心厚度、表面板形和轮廓、高／低缺陷跟踪及温度分布等，为今后生产高质量带钢和开发高等级产品提供了必要的技术保障。投产后综合成材率一直保持在97．3％以上。2009年为解决宁波象山大桥急需专用超厚（25．2mm）带材，二热厂2250轧机1—5月轧制带材2．077万吨，新增产值9011．1万元，填补了国内空白，并摸索出在轧机轧制极限和仪表测量极限工作区域，保证仪表测量准确的先进操作法。

从国外引进的先进技术装备，在国内全新的环境下能否得到充分有效的运用，其中一个重要的因素就是要在充分消化吸收的基础上，对其进行改良和创新，形成具有自主知识产权的新技术，1700轧机工程的核仪表技术就是一个典型范例。武钢工程技术集团计控公司技术研发人员在多年引进国外先进核技术装备的应用基础上，学习、分析、借鉴，再创新。通过自主、合作研发，在核技术应用领域已获得较为丰硕的成果。如1998年为适应硅钢ZR1轧机AGC技术改造，自主研制了W－Ⅰ数字式γ射线厚度计替代引进设备，成功地应用在硅钢ZR1森吉米尔轧机，达到了高速（800m／min）、高精度（0．1％／0．5μm）、响应快（25ms）的厚度自动控制技术规范，其技术性能达到国外20世纪90年代水平，不仅为在武汉钢铁（集团）公司节省设备购置费10万美元，也为其应用与发展储备了技术基础，第二代产品2008年推广应用在ZR2轧机上，新一代智能厚度计正在研发中。30年来，在武钢工程技术集团计控公司先后自主、合作研发的主要技术还有测厚仪电离室、测量传换器、射线输出器、操作系统及物位计数据存储器国产化等20余项，共节省资金2000万元以上，并获专利与技术决窍16项。

核仪表的未来发展趋势

核仪表经过60多年的发展历程，已在过程控制与最优化、测量与自动化、质量控制和各种检测中得到更加广泛的应用，对提高工业自动化水平，促进生产力发展起着主导作用，并成为现代钢铁工业控制技术中不可缺少的技术装备，它适用于钢铁制造流程的高温、高压、高速、高湿、高尘、强振、强腐蚀、防爆等恶劣环境。核仪表涉及核物理、核电子探测、计算机、通讯、视频、机械、控制等领域，是多学科的综合体。目前的核仪表具有以下特点。1）传感器向微型化、数字化、智能化、多功能化、网络化、低功耗方向发展。如德国Berthold公司LB－490一体化密度测量系统，采用微处理器技术将探测器与主机集成在一体，系统参数通过HART手操器设置；HART手操器可连接在4～20mA输出电流环路内的任何一点。2）具有高适应、高稳定、高可靠和长寿命特征。核仪表在复杂、恶劣的工作环境中使用一般可连续10万小时可靠运行，正常使用5～10年。3）采用计算机、微处理器和人工智能等技术，实现数据运算、存储与通讯、非线性与温度补偿、放射源衰减补正、X射线源与测量精度的稳定、自诊断与自故障处理及远程化服务等功能，大幅减轻了设备维护量，提高了仪表的可靠性；通过图像视频彩色显示，达到更加友好的人机结合，使生产运行过程获得更快的速度、更优的质量以及更严密的监控。4）核技术与非核技术综合应用，扩大了仪表的应用范围，提高了其应用功能，并向高速度、高精度、高灵敏、更简捷的方向发展。如德国IMS公司用于热轧的LasCon（Laser－Contour－Meas－urement）SMC厚度、凸度测量系统，将射线技术与激光技术相结合，实现在线实时测量带钢的中心厚度、厚度分布和楔形、宽度和跟踪（边部移动）、边缘降、表面板形和轮廓、温度分布、平直度等；系统中还包括自己开发的标准MEVInet：“测量和可视化网络”（MeasuringandVisualisa－tionNetwork）子系统，用于控制、测量、管理、显示、操作、长期数据存储、质量管理和远程维护。随着核电子学和核探测器技术的发展，多探测器阵列数据融合与计算机成像技术相结合的各种高灵敏图像型核仪表（工业CT、放射性物质探测等）已在工业领域广泛应用。微型、高效、高灵敏γ射线探测器的出现将对国际上亟待发展的探索性研究课题多相流体特征参数的准确测量、运算、判断、分析与处理能力的提高，解决固、气两相流，油、气、水三相流及多相流检测及多相流检测断层成像技术的研究奠定基础［4］。PGNAA技术用于工业过程控制中大批量物料的在线分析，铁矿、煤矿的优化开采，提高生产能力和生产质量［5］。如今核仪表已成为钢铁制造过程中质量检测与控制的重要手段并扩大应用，其主要特点是：潜力大、应用广、对企业的技术与经济的发展具有极其深远的意义［6］。

进入21世纪以来，微型、网络、在线、智能、虚拟、多功能、低耗等高科技化已成为现代核仪表最主要的特征和发展趋势。核仪表正不断更新结构，完善功能，提高精度、稳定性、可靠性、通用性，实现仪表的标准化、微型化、智能化与自动化，以适应现代工业连续、高速、精密的生产要求。主要发展趋势体现在以下方面：1）整体结构，从单元组合式向系统集成式发展；2）测量方法，从简单的检测手段向高效率、高分辨率的复杂检测装置过渡；3）仪表功能，从单点单参数检测向多点、多参数、自动检测方向发展，扩大了仪表的应用范围，提高了其应用功能；4）仪表通用性、安全性、可靠性、可维性、软件功能的扩充以及控制系统与现场仪表层各项可互操作，实现了标准化、系列化；5）新型传感器与计算机技术相结合，使得仪表的性能越来越高，速度越来越快、操作越来越简便，并具有实时诊断与预测性维护等功能。随着各种支持性技术的发展，核仪表的技术水平将达到一个新的高度。外形上，结构将更加紧凑，体积进一步缩小。测量方式上，将从模拟技术向数字技术转变，提高测量精度、稳定性与可靠性，采用多媒体技术提高仪表的综合处理能力，改善人机界面，使之操作简单灵活、维护方便，并具备自动补偿、在线或远程状态监测、故障诊断、远程服务、预测性维护与寿命评估等功能。

结语

纵观核仪表的发展历程，可以预见，未来微型化、智能化、阵列化、全数字化的核仪表，结构将更加简洁、功能更加完善、安装更加简便、速度更快、精度更高、性能更好、功能更强、用途更广，更加灵活地实现多参数在线或离线获取、运算、存储、传输和利用，实现网络化大区域测量和控制。测控技术的进步推动了钢铁技术的发展，钢铁生产的需求驱动测控技术的进步。可以预见，新兴的全数字化、智能化、多功能的核仪表测控系统将会在现代钢铁工业高效、低耗的生产，绿色化和可持续发展发中发挥越来越重要的作用。