采用鐵路運(yùn)輸鐵水裝載量控制方法的探討

龍坤建

(攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司 物流中心，四川 攀枝花 617000)

鐵水(熔點(diǎn)溫度 1 534℃) 是冶金企業(yè)高爐煉鐵產(chǎn)品，也是煉鋼所需主要原料。鐵水運(yùn)輸是冶金企業(yè)冶煉工序銜接的重要紐帶。鐵水裝載量的控制是保證冶金企業(yè)內(nèi)部鐵路運(yùn)輸安全的前提，是提高冶金企業(yè)鐵路運(yùn)輸效率、降低生產(chǎn)成本的重要環(huán)節(jié)[1-3]。鐵水裝載過滿，不僅會導(dǎo)致超載運(yùn)行，增加鐵路線路負(fù)載，影響行車安全，而且裝載過滿的鐵水罐車在裝載和運(yùn)行過程中容易溢出，可能損壞鐵水罐車，燒毀沿線線路、信號設(shè)備，影響高爐正常出鐵，甚至對地面人員安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[4-5]；鐵水裝載欠重，浪費(fèi)鐵水罐空間，造成鐵水罐運(yùn)用數(shù)增多，增加運(yùn)行維護(hù)成本，降低運(yùn)輸效率。因此，對冶金企業(yè)鐵路運(yùn)輸鐵水裝載量控制方法的研究具有重要意義。

1 概述

目前，鐵路運(yùn)輸鐵水主要采用鐵水罐方式運(yùn)輸，鐵水罐運(yùn)輸方式主要分為 2 種：一種是鐵水罐標(biāo)準(zhǔn)鐵路運(yùn)輸方式。以鐵水罐作為鐵水運(yùn)輸容器，采用這種運(yùn)輸方式的大型鋼鐵企業(yè)有首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司 (鐵水罐裝載量 300 t)、江蘇沙鋼集團(tuán)有限公司 (鐵水罐裝載量 180 t)、日本JFE鋼鐵公司 (鐵水罐裝載量 250 t) 等。另一種是鐵水罐寬軌臺車運(yùn)輸方式。以鐵水罐作為鐵水運(yùn)輸容器，采用煉鐵和煉鋼緊鄰布置，鐵水罐從高爐受鐵后到煉鋼的運(yùn)輸采用臺車+行車的過渡方式。目前采用這種運(yùn)輸方式的大型鋼鐵企業(yè)有重慶鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司 (鐵水罐裝載量250 t)、新余鋼鐵集團(tuán)有限公司 (鐵水罐裝載量 150 t)[6-7]等。

由于鐵水屬于高溫液態(tài)金屬，具有溫度高、密度大的特性，一旦裝罐難以就地卸載，同時，高爐出鐵、裝載過程中產(chǎn)生煙塵，操作人員觀察鐵水液面非常困難，因而在高爐出鐵過程中對鐵水裝載量的控制一般都需要采用輔助設(shè)備進(jìn)行。目前，國內(nèi)冶金企業(yè)對于鐵路運(yùn)輸鐵水裝載量控制一般采用軌道衡稱重、雷達(dá)測量液面、罐體稱重及加裝耐高溫攝像機(jī)等控制方法。

（1）軌道衡稱重控制法。軌道衡稱重控制法是在出鐵罐位 (貨位) 處設(shè)置軌道衡，根據(jù)其結(jié)構(gòu)主要分為有基坑斷軌式和無基坑不斷軌式 2 種[7]。配位后先采集空罐重量信息，出鐵過程中對計量信息實(shí)時監(jiān)控，再結(jié)合罐容、空罐配位時重量等資料進(jìn)行計算，控制實(shí)際裝載量的同時，推算出鐵水液面高度，防止裝載過滿溢出。軌道衡稱重控制法的穩(wěn)定性好，并且可以對鐵水罐空、重狀態(tài)下的實(shí)際重量進(jìn)行測量，準(zhǔn)確控制裝載量。軌道衡稱重控制法存在以下缺點(diǎn)：每個罐位均需安裝軌道衡稱重設(shè)備，并且設(shè)備成本較高，適用于罐位固定、單一 (如擺動流嘴) 出鐵的方式；安置設(shè)備的空間要求高，并且為了便于緊急狀況下的檢查維護(hù)，還需要設(shè)置緊急通道；需要具備良好的排水條件，帶流頂提罐作業(yè)方式對爐下排水設(shè)施影響較大，容易出現(xiàn)爐下積水現(xiàn)象，對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)構(gòu)成威脅；安裝在地面，與鐵路線路一體，一旦發(fā)生鐵水下地事故，直接損壞設(shè)備，需要重新安裝設(shè)備并進(jìn)行調(diào)試，恢復(fù)時間較長。

（2）雷達(dá)測量液面控制法。雷達(dá)測量液面控制法的原理是在出鐵口的某個位置安裝一個雷達(dá)發(fā)射器，利用所發(fā)射的雷達(dá)波接觸鐵水液面后反射回發(fā)射裝置的時間進(jìn)行計算，利用符合高爐生產(chǎn)實(shí)際 (爐臺高度、罐體高度、出鐵流速等) 的軟件控制系統(tǒng)，分析得出出鐵過程中鐵水罐的實(shí)時裝載量及液面高度進(jìn)行控制[8]。雷達(dá)測量液面控制法的雷達(dá)裝置體積小，安裝方便，對空間無太大的需求。相對于地磅，設(shè)備單位價格低，固定罐位及擺動流嘴罐位均可使用；雷達(dá)安設(shè)在罐位上方，無地面裝置，對排水無要求，鐵水下地也不會對其造成損壞。但該裝備對出鐵量的控制是通過控制鐵水液面高度來實(shí)現(xiàn)，如果鐵水出現(xiàn)粘罐現(xiàn)象，將對鐵水裝載量的計算精度產(chǎn)生影響。

（3）罐體稱重控制法。罐體稱重控制法是對鐵水罐車進(jìn)行改造，使罐車具備稱重功能。在鐵水車上安裝稱重箱，鐵水罐的重量通過稱重梁傳到稱重傳感器，轉(zhuǎn)化成電信號通過無線發(fā)射接收裝置送入鐵水運(yùn)輸車操作室儀表處理后顯示，同時將鐵水罐毛重和凈重數(shù)據(jù)傳到大屏幕顯示，并為中控室預(yù)留實(shí)時信號接口。每臺鐵水運(yùn)輸車稱量系統(tǒng)獨(dú)立，頻點(diǎn)可調(diào)，互不干擾，系統(tǒng)稱重精度 ≤0.5%。但是，這種方式要求每臺鐵水車都要安裝此設(shè)備，投資較大。

（4）加裝耐高溫攝像機(jī)控制。由于鐵水的溫度很高，操作人員很難直接通過肉眼觀察鐵水罐鐵水的液面高度，在出鐵口設(shè)置耐高溫攝像機(jī)，操作人員在遠(yuǎn)端的屏幕上通過攝像機(jī)鏡頭觀察鐵水罐的鐵水液面高度，從而控制鐵水裝載量。由于工作環(huán)境條件惡劣、觀察角度和每個操作人員的經(jīng)驗(yàn)存在差異，該方式相對落后，可靠性不高。

2 鐵路運(yùn)輸鐵水裝載量控制方法

攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司 (以下簡稱“攀鋼釩公司”) 是我國西部最大的鋼鐵釩鈦產(chǎn)品生產(chǎn)和科研基地，是我國依靠科技創(chuàng)新開發(fā)資源的楷模，是我國第二大鐵礦區(qū)。攀鋼釩公司經(jīng)過一期、二期和三期擴(kuò)建，已形成從燒結(jié)、煉鐵、煉鋼到軋制成品鋼材的鋼鐵冶金產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程和釩產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程。在攀鋼釩公司生產(chǎn)過程中，鐵路運(yùn)輸鐵水運(yùn)輸裝載量的控制方法是一項(xiàng)亟待研究的課題。

2.1 攀鋼釩公司鐵水裝載量控制現(xiàn)狀

目前，攀鋼釩公司煉鐵廠共有高爐 5 座，其中1 200 m3高爐 3 座 (1#，2#，3# 高爐)，1 350 m3高爐1 座 (4# 高爐)，2 000 m3高爐 1 座 (新 3# 高爐)。1#，2#，3# 高爐均為 1 個出鐵口，分別對應(yīng) 4 個爐下鐵水固定罐位。4# 高爐為 2 個出鐵口，分別設(shè)置 1 個擺動式流嘴，每個擺動式流嘴對應(yīng) 2 個爐下鐵水固定罐位。新 3# 高爐為 3 個出鐵口，其中 2 個出鐵口分別設(shè)置 1 個擺動式流嘴，每個擺動式流嘴對應(yīng) 2 個爐下鐵水固定罐位；另一個出鐵口對應(yīng) 5 個爐下鐵水固定罐位。

目前攀鋼釩公司仍采用傳統(tǒng)人工觀測鐵水液面高度的方法，該方法存在以下問題：一是通常情況下，液面觀察員與罐口之間距離較遠(yuǎn)，在光線不佳時容易產(chǎn)生視覺誤差；二是計算鐵水罐裝載鐵水重量時，計算人員采用心算或者手工計算，容易產(chǎn)生誤差；三是計算人員與記錄人員之間一般通過語言或手勢完成信息傳遞容易產(chǎn)生誤差。隨著技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的人工觀察液面高度的方法法已經(jīng)適應(yīng)不了攀鋼釩公司的發(fā)展步伐，亟需采用新的鐵水裝載量控制法。

2.2 鐵水裝載量控制方法的比選

攀鋼釩公司現(xiàn)有 5 座高爐并且出鐵方式不單一，每座高爐爐下都有多個鐵水固定罐位，高爐下空間高度有限，不利于攀鋼釩公司采用軌道衡稱重控制法；此外，軌道衡稱重設(shè)備一般安裝在地面，與鐵路線路一體，一旦發(fā)生鐵水下地事故，直接損壞設(shè)備，需要重新安裝設(shè)備并進(jìn)行調(diào)試，恢復(fù)時間較長，對生產(chǎn)進(jìn)度的影響較大。采用罐體稱重控制法的精度可以小于等于 0.5%，但是該系統(tǒng)要求每臺鐵水罐都要具備稱重功能，攀鋼釩公司采用這種鐵水裝載量控制方法，成本高，投資大。加裝耐高溫攝像機(jī)，通過耐高溫攝像機(jī)的鏡頭遠(yuǎn)程觀察液面高度，雖然可以避免受鐵口粉塵的影響，但是仍然受到人眼識別界限和視覺差的影響，大大降低控制精度。而雷達(dá)測量液面控制法的成本相對較低，雷達(dá)體積小，對空間要求不高，適用于多種出鐵方式，更重要的是可以保證較高的精度。因此，攀鋼釩公司選擇雷達(dá)測量液面控制法來控制鐵水裝載量最為合適。

2.3 雷達(dá)測量液面控制過程

通過雷達(dá)測量液面控制法控制鐵水的裝載量是一個復(fù)雜的過程，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)出基于雷達(dá)測量液面高度來控制鐵水裝載量的一套系統(tǒng)，使得整個過程實(shí)現(xiàn)自動化。攀鋼釩公司雷達(dá)測量液面控制過程如下：①出鐵口雷達(dá)發(fā)射器發(fā)射雷達(dá)波，采集雷達(dá)波接觸鐵水液面后反射回發(fā)射裝置的時間；②通過無線電發(fā)射裝置，將采集到的時間傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)采集到的時間計算鐵水罐中的液面高度；③根據(jù)罐體的幾何尺寸，得到鐵水體積與鐵水液面高度的關(guān)系，控制系統(tǒng)根據(jù)上一步得到的液面高度，計算出實(shí)時的鐵水體積 v；④由于鐵水的密度 ρ 是已知的，根據(jù)物理中的密度公式計算鐵水裝載質(zhì)量 m 為 m = ρv，進(jìn)而得到實(shí)時的鐵水重量 G；⑤當(dāng)測得的鐵水重量超過特定的重量限度值 G0(G0為鐵水罐裝載鐵水的最大重量) 即 G≥G0，系統(tǒng)自動停止兌鐵。考慮到攀鋼釩公司雷達(dá)測量液面控制在實(shí)際應(yīng)用中，雷達(dá)發(fā)射雷達(dá)波有一個周期及計算機(jī)處理所需要的時間間隔，對雷達(dá)測量液面控制法進(jìn)一步改進(jìn)。根據(jù)出鐵口的實(shí)際情況和鐵水罐的類型，設(shè)定G1(G1為一個預(yù)警值，用來判斷兌鐵過程是否進(jìn)入最后階段，G1＜G0) 和 ΔG′ (ΔG′ 為在一個較小時間段t1內(nèi)鐵水重量變化量)，當(dāng)測得的鐵水實(shí)時重量 G≥G1時，鐵水罐中鐵水的重量變化量 ΔG 小于ΔG′，并穩(wěn)定一段時間 t2(t2的具體數(shù)值根據(jù)鐵水罐的實(shí)際情況確定) 時，系統(tǒng)自動停止兌鐵；否則重復(fù)第 1 步。若測得的鐵水實(shí)時重量 G≥G0，系統(tǒng)自動停止兌鐵。雷達(dá)測量液面控制過程如圖 1 所示。

圖1 雷達(dá)測量液面控制過程Fig.1 Panzhihua vanadium company radar measuring liquid level control process

2.4 雷達(dá)測量液面控制方法效果分析

綜合攀鋼釩公司的現(xiàn)狀及發(fā)展規(guī)劃，應(yīng)采用雷達(dá)測量液面法來控制鐵水裝載量，攀鋼釩公司采用雷達(dá)測量液面控制方法能夠在實(shí)現(xiàn)鐵水重量的自動采集與計算、減少操作人員的數(shù)量、降低工作人員的勞動強(qiáng)度、提高兌鐵過程的安全性等方面取得良好效果。

（1）實(shí)現(xiàn)鐵水重量的自動采集與計算。在傳統(tǒng)的煉鋼技術(shù)中，轉(zhuǎn)爐鐵水重量數(shù)據(jù)采集普遍采用人工記錄、計算的方式，由操作人員記錄液面高度變化值，然后計算出實(shí)際兌入鐵水罐中額鐵水重量，通過對講或手勢將人工計算的鐵水重量數(shù)據(jù)通知操作室，由記錄人員將鐵水重量數(shù)據(jù)記錄在熔煉記錄上并錄入自動化煉鋼控制系統(tǒng)。采用該方法后，雷達(dá)測量得到的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)接嬎銠C(jī)控制系統(tǒng)，后續(xù)的相關(guān)計算也由計算機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)鐵水重量的自動采集與計算。

（2）減少操作人員的數(shù)量。由于采用雷達(dá)測量液面控制方法實(shí)現(xiàn)了兌鐵過程中的鐵水重量的自動采集與計算，整個過程由系統(tǒng)控制，只需少量工作人員對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控即可。在人工成本逐漸升高的情況下，減少工作人員數(shù)量，能夠有效控制廠家成本，提升產(chǎn)品競爭力。

（3）降低工作人員的勞動強(qiáng)度。兌鐵過程中由于對鐵水裝載量的控制精度要求高，因而操作人員需時刻關(guān)注液面的高度并且人工計算出鐵水重量，然后將數(shù)據(jù)通知操作室，在這個過程中要求工作人員注意力高度集中并且工作持續(xù)時間長。采用雷達(dá)測量液面控制方法后，整個過程實(shí)現(xiàn)自動化控制，大大降低工作人員勞動強(qiáng)度。

（4）提高兌鐵過程的安全性。傳統(tǒng)的煉鋼技術(shù)中存在大量的人工讀取數(shù)據(jù)及人工計算的過程，在這些過程中，操作人員容易出現(xiàn)失誤而造成數(shù)據(jù)的錯誤，從而引發(fā)諸如鐵水下地等安全事故，造成人員受傷及財產(chǎn)損失等。采用雷達(dá)測量液面控制方法后，可以避免大量的人工讀取數(shù)據(jù)及人工計算，減少了錯誤產(chǎn)生的概率，提高生產(chǎn)過程的安全性。

3 結(jié)束語

在大型鋼鐵企業(yè)中，鋼鐵廠的鐵水運(yùn)輸對整個生產(chǎn)流程的穩(wěn)定、成本、質(zhì)量都有非常重要的影響。每個企業(yè)的規(guī)模、品種、生產(chǎn)組織模式不盡相同，因而在選擇鐵水裝載量控制方法時應(yīng)充分結(jié)合企業(yè)自身特點(diǎn)，根據(jù)場地條件，高爐與煉鋼車間的平面位置，選擇合適的鐵水裝載量控制方法。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，鐵路運(yùn)輸鐵水裝載量控制方法的需要不斷探索，進(jìn)而為鐵路運(yùn)輸安全和鋼鐵企業(yè)高效生產(chǎn)提供強(qiáng)有力的保障。

[1] 況作堯.大型冶金企業(yè)鐵水運(yùn)輸方式的現(xiàn)狀分析與發(fā)展[J].鐵道車輛，2008，46(11)：29-31，48.KUANG Zuo-yao.Analysis of the Present Ways of Transport of Molten Iron in Large Metallurgical Enterprises and Development[J].Rolling Stock，2008，46(11)：29-31，48.

[2] 張 春，張 健.轉(zhuǎn)爐鐵水重量數(shù)據(jù)自動采集處理系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].鞍鋼技術(shù)，2013(3)：32-34，41.ZHANG Chun，ZHANG Jian.Automatic Weight Data Collecting and Processing System for Hot Metal in Converter and Application of the System[J].Angang Technology，2013(3)：32-34，41.

[3] 張曉峰.自動控制系統(tǒng)在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015(7)：168.

[4] 陳 皓，彭其淵，王文憲.鐵路超限裝載方案的運(yùn)輸路徑選擇研究[J].鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2016，38(12)：74-79.CHEN Hao，PENG Qi-yuan，WANG Wen-xian.Path Selection and Loading Scheme for Out-of-Gauge Transportation[J].Railway Transport and Economy，2016，38(12)：74-79.

[5] 楊新永.龍門車務(wù)段罐裝石腦油運(yùn)輸安全及防控對策探討[J].鐵道貨運(yùn)，2017，35(4)：41-44.YANG Xin-yong.Discussion on Canned Naphtha Transportation Safety and Its Prevention Measures by Longmen Train Operation Depot[J].Railway Freight Transport，2017，35(4)：41-44.

[6] SACCOMANNO F F，SHORTREED J H，AERDE M V，et al.Comparison of Risk Measures for the Transport of Dangerous Commodities by Truck and Rail[J].Transportation Research Board，1990，87(12)：331-343.

[7] 張成軍，張本昕，楊 林.智能軌道衡稱重系統(tǒng)在鋼廠應(yīng)用研究[J].工業(yè)計量，2016，26(2)：31-35.

[8] 張 柳.鐵路罐車超聲波高精度液位測量系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2013.