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微波测量烧结混合料水分的试验研究
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微波测量烧结混合料水分的试验研究 董亚锋 沙永志 曹 军 (钢铁研究总院) 摘 要：本文主要研究微波测水技术在烧结混合料上的应用情况。试验结果表明，微波水分仪能够正确反应混…
微波测量烧结混合料水分的试验研究
董亚锋 沙永志 曹 军
(钢铁研究总院)
摘 要：本文主要研究微波测水技术在烧结混合料上的应用情况。试验结果表明，微波水分仪能够正确反应混合料水分变化趋势，测量的标准偏差为0．14％，绝对误差≤0．24％。微波测水技术能够应用于烧结混合料。
关键词：微波 水分 烧结混合料
l 前 言
烧结混合料的水分是影响烧结生产效率的一个重要参数，准确、实时控制烧结混合料的水分是实现高效烧结必须解决的一个难题。目前，多数烧结厂仍采用4个小时取一次样，然后用烘箱烘干测水的办法控制烧结混合料的水分。这种方法滞后时间太长，与烧结生产连续、高效要求不相匹配。在这种情况下，国内的一些钢铁企业开始采用在线式测水装置，如中子水分仪，红外水分仪，电导水分仪等，这些测量方法在工业现场应用较多，关于它们的使用特点在一些文献[2]中已经有所阐述，这里不再赘述。本文主要探索应用微波在线测量烧结混合料水分的新型方法。
国际上从二十世纪40年代开始研究微波水分测量技术，从二十世纪80年代末开始，国际上每3年召开一次微波测水原理和技术应用开发的专题讨论会[1]，二十世纪90年代出现了在线式微波测水仪和便携式测水装置。现在，微波水分测量已成为现代水分测量技术的重要分支之一，微波水分测量仪已在多个工业领域获得成功应用，如煤、铝土矿、木板、糖、甘蔗渣、沙子、矿砂、食物、化学制品等。
2 微波测水原理
微波是指频率为300 MHz～300 GHz的电磁波，波长在1 mm～1 000 mm范围内，位于电磁波谱的红外辐射(光波)和无线电波之间，是分米波、厘米波、毫米波的统称。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”。微波产生的电磁场与介质内部的微观粒子相互作用，这是微波与介质相互作用的实质。微波检测的原理是：微波作用于介质材料后，受介质材料的“介电常数”和“损耗角正切”这两个电磁参数影响，影响的程度与介质的介电常数和损耗角正切成正相关关系。
水分子是极性分子，其介电常数和损耗角正切都远高于一般介质。水分子在微波作用下会发生位移极化、取向极化，并随着高速变化电场高速旋转，将电磁能转变为内能。当微波穿过含有水分的物料时，微波功率衰减、相位发生改变[引，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量的改变量就能推算出物料中水分的含量。
3 实验室试验
3．1试验设备、原料和方法
2006年12月，钢铁研究总院炼铁室进行了微波测量烧结混合料水分的模拟试验。主要试验设备有：MA500微波水分仪，烘箱，工控机，塑料盒(模拟皮带)，钢尺，料铲等。
MA500微波水分仪的尺寸规格是：长×宽×高=1 200 mm×550 mm×800 mm，整个装置净重90kg。它的测量精度为0．1％(标准偏差)，功率为300 W，频率60 Hz；测量的最大物料厚度为400 mm，适用的最大皮带宽度为1600 mm。微波水分仪工作时，微波信号从“皮带”下部的微波发射器发射出来，穿过“皮带”和物料后被上方的微波接收器接收；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，然后通过测量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。
实验室试验所用主要原料的配比如表1所示。
试验的装置示意图见图1。
试验的具体步骤如下：
(1)调试微波水分仪。
(2)按照表1的比例将混合料配好，计算所需加入的水量，混匀。
(3)取样，按照标准烘干法测量配好的混合料水分。
(4)用塑料盒模拟皮带，向塑料盒中加入不同厚度的混合料。记录微波衰减值和所测的水分值。
(5)将微波测量值和烘干法所测的水分值进行比较，绘制曲线图。
3．2试验结果
试验结果见图2和图3，从中可以看出：
(1)料层厚度与微波衰减量呈良好的线性关系，只要准确测量料层厚度的变化，即可有效地消除厚度对测量的影响。
(2)微波水分仪所测水分与烘干法分析的水分吻合得很好，标准偏差是0．11％，绝对偏差≤0．3％。
(3)实验室内的试验结果表明微波水分仪能够准确测量混合料的水分，可以尝试进行工业试验。
4 工业试验及生产应用
4．1试验原料和方法
2007年3月，将MA500微波水分仪安装在国内某烧结厂的300m2烧结机上，进行了工业试验。微波水分仪安装在一混后的皮带上，见图4。皮带宽度为1200 mm，料流量约660 t／h。混合料组成为90％进口矿，10％自产精矿，碱度1．8，其他物料配比见表2。
工业试验按照安装、调试、校验三步走。安装后通电运行，然后根据实际物料条件调试仪器，最后取样烘干进行对比。
4．2试验结果
用烘箱测量混合料水分的标准方法对样品进行水分化验，然后将化验值与微波水分仪所测量的水分进行比较，结果见图5。
由图5可知，微波水分仪测量的水分跟标准烘干法化验的水分符合得较好，它们之间的标准偏差是0．14％，绝对偏差≤0．24％。
需要说明的是：造成微波水分仪的测量结果与烘干分析结果有误差的原因，除了分析仪本身的测量精度外，还包括烘干分析本身的测量准度(约0．1％)，以及烘干分析取样的误差。再者，微波水分仪是实时滚动平均测量，而烘干分析则是间断取样测量，两者之间也会分析误差。
4．3 生产应用
工业试验获得成功后，2007年3月，MA500微波水分仪在该厂300m2烧结机的一混皮带正式投入使用。图6反映的是一混皮带安装微波水分仪后原料水分与一混水分的比较情况。从图6可以看出，尽管原料水分(图6下方曲线)波动挺大，但一混的水分(图6上方曲线)波动却很小，微波水分仪给一混加水岗位提供的物料实时水分对混合料水分的控制发挥了重要作用。而且，在这一年多的时间里，微波分析仪未进行任何调整，由此可见其运行稳定性良好。
5 微波测水综合优点分析
从实验室试验、工业试验及工业生产应用的结果来看，微波在线测量烧结混合料水分的
技术有以下应用优势。
1)测量准确度较高
实验室试验和工业试验的结果显示，微波水分仪能够正确反应物料水分变化趋势，测量准确度较高。实验室试验的绝对误差≤0．3％，工业试验的绝对偏差≤0．24％。另外，相对于红外水分仪测量物料表面水分来说，微波水分仪测量的是物料的整体水分，代表性更强。
2)安装维护简单
微波水分仪安装在运料皮带的横梁上，安装过程简单。安装后无须人工干涉，可以长期
稳定运行。
3)适应能力强
微波主要受所测介质的介电常数和损耗角正切的影响，烧结混合料表面的蒸汽和}昆合料表面的颜色等对微波的测量准确度均无影响。另外，微波水分仪的防灰和抗震性能良好，对工业现场有良好的适应能力。
4)使用安全，无辐射
微波发射器功率小于10 mw，符合AN／NZS关于微波安全使用剂量的标准，对周围环境无辐射，可以放心使用。使用微波水分仪不会对现场操作人员造成辐射危害。
5)性价比较高
微波水分仪属于一次性投资，安装后可将4～20 mA信号或者水分数据直接送到操作室，
进行远距离的实时监控。后期维护费用很小，性价比较高。
6 结论
微波在线测量烧结混合料水分的技术具有良好的应用前景，对它进行深入的开发很有意义。微波测水技术将会成为烧结混合料在线测水的一个不错选择。
参考文献
1 李玉忠．微波水分测量技术发展历史及微波水分计制造业现状，分析仪器，2006，(3)：49～53
2 方景林，王燕，张国德烧结混合料水分测量方法的研究，传感器技术，2000，19(1)：36—38
3 左春英，丁言镁．水对微波场损耗机理的研究，仪表技术与传感器，2004(12)：61—62
