国产新型X荧光光谱分析仪及水泥生料率值配料在线控制系统.doc

一产新型x受光光谱分析仅曩水泥生抖丰值配抖在战齄制盎统国产新型X荧光光谱分析仪及水泥生料率值 配料在线控制系统白友兆中硅会自动化分会刘小东 中国建筑材料科学研究院摘要： 本文旨在介绍国产新型x荧光光谱仪，以及以此仪器和在线钙铁分析仪为核m设备构成 的水泥生料率值配料控制系统。国产BOX小型x荧光光谱仪有两个机种，即BDX50和BDX200型，其x光管功率分别为50W和200W， 每个机种均可选配特制的超小型扫描道从而形成4种规格。这种由若干个固定道和扫描道构成的混合 多道小型x荧光光谱仪在国际上尚无先例。其各主要技术指标已达到国际同类仪器水平以BDX小型x荧光光谱议和在线钙铁分析仪为核心的生料率值配料控制系统可以连续测定出磨生 料的CaO、Fe，0，含量的瞬时值，并可相当准确地推算出Si02、A1203含量的瞬时值，从而可以计算出 生料率值的瞬时值并绘制出三率值变化曲线，据此可实现高质量的率值配料在线控制。即使在不设原料预均化堆场的情况下，采用一些简单的均化措施，即可大幅度提高出磨生料的合格率和降低生料率值的波动幅度从而大幅度降低水泥厂基建和设备投资；此外还可以简化水泥生料均化库、节省生料搅拌动力。特别适合中小型窑外分解线的建设和老厂生料制备工艺的技术改进1前言x荧光光谱仪是国际上公认的主要工业常规分析仪器，在钢铁、冶金、建材、化工、石化、地矿 等工业分析领域被普遍采用，并且也是科研机关、大专院校、质检、商检等部门所必需的基本设备。 到目前为止我国所需要的X荧光光谱仪均由国外进口。随着我国国民经济建设的高速发展，对此种仪 器的需求量急剧上升。近几年来，平均每年进1：3数量超过了100台。每台仪器进口价格在10万18万 美元之间。本文介绍的BDX小型x荧光光谱仪系列产品的登场将打破这种长期依赖进口的局面。建材工业特别是水泥工业是x荧光光谱仪的应用大户，近几年来进口的仪器中将近三分之一是水 泥工业企业引进的。目前我国水泥厂采用的x荧光光谱仪，基本上均是放置在中心化验室的离线型仪 器。主要用来离线分析生料中的CaO、Fe203、Si02、A1203的含量，用于水泥生料率值的离线定时控 制，一般是每小时进行一次配比调节。此种配料控制系统由于控制周期较长。为了保证生料质量，要 求原料成分比较稳定，一般需要建设预均化堆场，而且要求生料库具有良好的均化性能，基建投资、 设备投资及动力消耗都比较大。本文在介绍BDX小型x荧光光谱仪的基础上，介绍一种高性能、高经济效益的水泥生料率值配料 在线控制系统。该系统的特点是，采用在线钙铁分析仪和BDX小型多道x荧光光谱仪构成出磨生料在 线分析系统，连续测定出磨生料中的CaO、Fe203、Si02、A1203的含量瞬时值，配料控制计算机据此 进行配比调节，使配比调节控制周期缩短到1015分钟，不仅可以大大提高出磨生料率值合格率，而 且可以大大降低对原料预均化和生料均化设施的要求。l 32国产新型x荧光光谱仪21概述x荧光光谱仪按x光管功率划分可分为大型和小型两类，大型x荧光光谱仪一般功率为3kW，而小 型X荧光光谱仪则在400W以下。20世纪90年代以前，基本上是大型X荧光光谱仪占领市场。其优点 是可测的元素范围广，达到预定分析精度需要的时间短。缺点是设备复杂，投资大，x光管及其电源 的冷却系统较庞大，而且对使用环境和人员素质的要求苛刻。特别是大功率x光管的使用寿命短(约 I5年)，因此高维护成本往往使用户难以忍受。20世纪90年代后，英国牛津公司首先推出了功率为200w的小型多道X荧光光谱仪，其分析精度和分析时间足以满足一般工业分析的要求，不仅结构大大 简化，投资降低约30，而且x光管寿命长达8年以上，对使用环境和人员素质的要求也显著降低， 因此受到用户普遍欢迎。随后飞刹浦公司也推出了同类产品，本世纪初，日本理学电机公司推出了x 光管功率仅为50W的扫描单道x荧光光谱仪。从仪器结构划分，x荧光光谱仪可分为三类；l，固定多道型x荧光光谱仪。仪器内装备若干个固定的元素测定道，每个元索测定道只能测定一 个元素，这些固定元素道同时工作，可以同时测定相应个元素或其化合物含量。其优点是分析速度快， 精度高。缺点是分析的元素种类受限制，小型仪器一般不超过lO道；大型仪器最多不超过30道，随 着元素道数量的增加，仪器变得庞大而复杂，价格相当昂贵。2，扫描单道x荧光光谱仪。通过晶体和探测器的同步转动扫描，分时逐个测定样品中各被测元素 的含量。其优点是可以测定的元素范围广，典型的大型大型单道扫描谱仪中装有自动晶体架，在扫描 过程中可以变换分光晶体，测量元素范围可以覆盖元素周期表中Na以上的全部元素。缺点是测定每个 元素都需要一定时间，因此逐个溯定样品中各个元素所需的时间相当长。3，混合多道X荧光光谱仪。仪器既装备若干个固定元素道用于常规样品的分析，以节省分析时间； 又装备了扫描道，大大扩展了可测元素的范围，因此兼有上述两种仪器的长处。此种属于更高一档次的 仪器，以前只在高档大型X荧光光谱仪上实现。而国产BDX小型多道x荧光光谱仪就属于此种高档仪 器，在小型x荧光光谱仪中采用混合多道结构在国际上尚无先例。BDX小型X荧光光谱仪目前有两个机种4种规格，表i为国产BDX小型X荧光光谱仪的规格及其 与国际同类仪器的比较。表1 国产BDX小型x荧光光谱仪的规格及其与国际问类仪器的比较中碾 中田英田牛津 荷兰PHILIPS日本理学型号 BnX50-I BDX50-IIBDX200一IB醒200一II雌20CEMSZSX minix光管功率 50-5佣 200W200W200W200_50W靶材 Rh Rh RhRh 妣CrRh 固定道数量 6 5 87 10 10 无 扫描道无有无有无无有分光晶体 平晶平晶 平晶 平晶平晶 弯磊平晶22构造及工作原理 BDX小型x荧光光谱仪由主机、智能化泵站和微机三部分组成，图l为构成原理图。图2为电气原理图。仪器工作原理如下：l 4啊产新型荧光光谱分析仪友水泥生料丰劬l配舛在成控制盎统x光管产生的x射线照射到样品表面，样品中各被测元素受激发后发出各自的特征X射线，即样 品的X荧光，其波长互不相同。经一次准直器形成平行光束，以角度0投射到分光室的分光晶体的表 面上，根据x射线的布拉格晶体衍射公式：2dsinO-nA,i， 其中她为元素I的特征x射线波长(A)，d为分光晶体的晶面间距(A)，0为衍射角，n为衍射级数，在x射线荧光光谱分析I扣，一般只用一级衍射线，因此n=l。 上述公式的含义是：对于既定的晶体(d一定)，某一元素的特征x射线波长九i，只有在符合公式的角被衍射，并通过二次准直器被x射线探测器检测。而其他元素的特征x射线由于波长不符合此公式， 因此在此角度不被衍射和检测。据此原理，即可利用不同的分光晶体，或用同一晶体的不同衍射角度， 将样品中各元素的x射线荧光分开并分别检测。由于被测元素的特征x射线强度与该元素的含量成正 比，据此即可对各元素或其化合物进行定量分析。固定道与扫描道的不同点在于：每个固定元素道的晶体、二次准直器探测器组件均是固定不变的， 其角度值0根据该元素的特征x射线波长xi和晶体d值由布拉格公式确定，因此只能测定该种元素。 扫描道的晶体则是用高精度步进电机减速机驱动进行0角扫描，同时安装在同一轴上的二次准直器和 探测器由另一台步进电机减速机驱动与晶体同方向转动，但转速严格等于晶体转角的两倍，使衍射角 始终等于入射角。按布拉格公式在不同角度即可测定不同波长的x射线，因此可以对样品中的各被测 元素进行逐个扫描测定。在BDX小型x荧光光谱仪系列产品中，固定道和扫描道的设置安排是如此考虑的：由于x光管发 生的X射线对轻元素(Na、Mg、Al、Si、P、s)的激发效率低，同时轻元素的特征x射线强度低，为达 到预定的分析精度所需要的测定时间比较长，因此轻元素均用固定元素道测定，此外，微量元素或分 析精度要求高的元素也可用固定道测定。扫描道则用于测定元素周期表中原子序数19(K)及其以上的 常量元素。如此安排既可缩短单个样品的分析时间，同时使扫描道的设计大为简化，制造成本大为降 低。真空测量室和各分光器均安装在仪器恒温室内，由控制电路进行温控，恒温控制要求为350020C。 BDX小型x荧光光谱仪产品中成功开发了以下4项专利技术和产品： I、采用了特种结构和加工工艺，开发成功了超小型扫描道，使扫描道分光室直径和厚度分别为国外同类产品的12和25，因此其体积仅为后者的llo。从而大大降低了扫描道和整机的制造成本。2、一次和二次准鱼器采用了特种结构和加工工艺，使分光室颈直径缩小了约30，从而在安装同样道数的固定道时真空测量室的体积为国外同类仪器的50左右。3、智能真空泵站。为了防止空气对样品x荧光的吸收，样品室和分光器都必须抽真空。与以往 的x荧光光谱仪不同，BDX小型x荧光光谱仪将真空泵、真空阀门等移出主机，构成独立的真空泵站， 从而大大简化了主机结构，并便于安装调试和维护。而且泵站内装真空规、检测仪表和智能化控制电 路，既可与主机联机由主机进行控制操作，也可以脱机独立操作。特别是在主机停止工作后，此智能 真空泵站仍可以自动检测真空度并自动起停真空泵，使主机真空测量室和分光器的真空度不低于lkPa 以保护分光晶体不被空气中的水汽潮解腐蚀，并有利于延长x光管和计数管窗口薄膜的使用寿命。4、微流量流气稳压调节器。如图1所示固定元素道的X射线探测器均采用流气正比计数管 由气瓶提供的PR一10氩气一甲烷混合气体作为计数管的工作气体，流量为1080mlmin可调。为了保证 计数管的稳定性，必须严格稳定计数管出入口的压差，使计数管内的气体密度保持一定。为此开发了1 5射线蔓光分析技术应用论文纂微流量流气稳定调节器。23水泥工业用BDX小型X荧光光谱仪的分光系统及主要技术指标。 表2水泥工业用BDX产品的分光系统的配置型号 BOX50一I型 BDX50一II型 BDX200一I型 BDX200一II型1，Na 碡L 札固2，Mg MLMLMLML定 3AI PET(002) PET(002) PET(002) PET(002) 道4，Si InSb(111) InSb(111)InSb(111)InSb(111) 兀一5P女 Ge(111) 素6，S Ge(111) Ge(111) Ge(111) Ge(111)7。Cl Ge(111) 晶 8，K LiF(200) LiF(200) LiF(200) LiF(200)体9，Ca LiF(200) LiF(200) LjF(200) LiF(200)10，Fe LiF(200) LiF(200)扫晶体 LiF(200) LiF(200) 描道元素 K，Fe K，Ti，Fe注：带的元素道为可选道。上述分光晶体中，Na，Mg道采用国产多层膜类晶体(ML)，Si道采用了国产InSb(111)晶体，这些 晶体都足最近开发成功的，衍射效率高，因此显著提高了Naz0、MgO和SiO：的分析精度。仪器的主要性能指标如下：(1)硬件特性：1)x光管管压、管流稳定性：管压：005；管流：0052)恒温室温度波动：002C3)极限真空度：一5Pa4)流气管压差稳定性：1(2)分析精度(对生料粉末压片样品)机型 80X50-IBD*50-IlBDX200-IBDX200-11分析精度 Si吼、Al，m、S仉020 020 010 0】0k0、CaO、Fez03010 010 005 005N舢0O10 010MgO010 0110样品测定时间 68分610分 3分 5分3料率值配料在线控制系统31系统构成及特点。 图3为BDX小型荧光光谱仪、在线钙铁分析仪、配料控制计算机及电子皮带秤构成的水泥生料率值配料在线控制系统。在线钙铁分析仪安装在生料生产线现场，连续分析出磨生料CaO和FezO，含量瞬l 6时值，x荧光光谱仪则安装在中心化验室，由安装在钙铁分析仪上的=次取样器定时提供小时平均样， 经粉末压片后供x荧光光谱仪分析，每小时分析一次或两次平均样中的sj、A1 z03、CaO、Fe20s含量。 其中SiO。、A1：0。含量与在线钙铁分析仪的CaO、Fez0=l含量用于率值配料控制：而x荧光光谱仪的CaO、 Fe船，含量则用于校正在线钙铁分析仪的CaO、Fe：含量测定值。同时x荧光光谱仪兼作会f。质量管理分析。此控制系统的最大特点是，根据在线钙铁分析仪测定的CaO、FezOs含量瞬时值和x荧光光谱仪提 供的定时生料样品的SiO,、A1。03、CaO、Fe。m含量值，采用本文作者编制的软件可以相当准确地推算 出si 02、A1：0。含量的瞬时值，因此实际上两台仪器构成了4种氧化物的在线连续分析系统，从而可以 计算出生料三率值的瞬时值及其与控制目标的偏差值，使控制计算机可以随时调整原料配比，使出磨 生料率值保持在目标值附近的允许范围内波动，从而大大提高出磨生料的率值合格率，大大降低率值 的波动幅度。因此此种控制模式有很大的经济意义。首先，由于可及时调整配比，因此允许入磨原料 成分有较大的波动(例如石灰石CaO含量5)而不影响出磨生料合格率，从而大大降低了对原料预均 化的要求，对我国大多数水泥厂来说可以不设原料预均化堆场。从而大幅度节省基建投资和设备投资： 其次由于出磨生料合格率大幅度提高，因此可以大大降低对生料库均化能力的要求，既可节省基建投 资，还可以大大降低生料均化搅拌动力。以下简述在线钙铁分析仪的工作原理和本控制系统的控制流程要点。32在线钙铁分析仪简介 在线钙铁分析仪是中国建材院建隆自动化公司的定型产品，已在国内30多条生产线上长期使用，并为泰国、越南等援外水泥厂采用。实际使用情况表明，用在线钙铁分析仪进行在线ca0、Fez0，配料控制的情况下，即使没有原料预均化堆场，出磨生料的钙铁合格率一般可以达到80以上。 如图3所示，在线钙铁分析仪安装在生料生产线现场。一次取样器从选粉机出料绞刀或生料入库绞刀中连续取生料样，取样曩为60120Kgh。生料样品经送样绞刀输送到仪器上方的振动筛入口，筛 除杂物后的生料样由仪器的垂直下料管落到环形皮带上。环形皮带连续地将生料样品向探头箱方向输 送。途中经过3个滚轮逐级压制，将皮带上的生料样品压制成表面平整、密度一定的料层。此料层连 续流经探头箱下，经检测后由回料绞刀送回工艺线。在线钙铁分析仪是一种用放射性同位索作激发源的x荧光分析仪，其探头箱内装有一个Pu一238 同位素源，该放射源放出的低能X射线可有效地激发生料中的ca和Fe的K系特征X射线，被探测器 检测后，经钙铁谱仪和钙铁仪微机分析计算即可得到生料中的CaO、Fez03含量值。其主要特点是：1)为在线连续分析型仪器。可连续测定生料中CaO、Fe203含量瞬时值。2)分析样品的料量大，取样代表性好。3)为全自动分析仪器。运行可靠，可实现无人化管理。3 3率值配料在线控制流程要点：1)在线钙铁分析仪连续测定生料中的CaO、Fe斌含量瞬时值，每23分钟向配料控制计算 机提供一次CaO、Fez0，含量测定值；BDX小型x型荧光光谱仪每小时分析一个定时平均 样向配料控制计算机提供该样品的Si如、l：03、CaO、Fe。0a含量。2)配料控制计算机根据在线钙铁仪提供的CaO、Vez03含量瞬时值和x荧光光谱仪提供的本 次平均样si02、AhOs、CaO、Fe：0s测定值推算出生料中SiOz和AlzOa含量瞬时值，并对在 线钙铁分析仪的CaO、Fe203畏8定值进行修正，然后计算出率值的瞬时值绘制出率值的 实时变化曲线。X射线荧光分析技术应用论文纂I3)配料控制计算机可通过CaO、Fez0。含量的在线连续检测确定磨机系统的滞后时间，同时 从电予皮带秤反馈各原料的喂料量连续测定值，绘制喂料量变化曲线。4)原料配比调节周期一般为1015分钟，根据三率值变化曲线计算出本控制周期内的三率 值平均值及其与-目标值的差值：同时用加权统计方法计算出与当前周期相应阶段内的各 皮带秤的