钢铁分析检测与自动化

        摘   要：提出了钢铁分析检测系统自动化的概念，并以实物流过程自动化，分析检测过程自动化，信息流过程自动化以及实验室管理自动化分类，阐述钢铁分析检测实现自动化的基本内容。文中还介绍了一个转炉炼钢厂分析检测自动化的实例。 
        关键词：钢铁分析检测；自动化；LIMS 
        引 言 
        在现代大型钢铁联合企业中，分析检测系统已成为生产过程质量控制与管理，企业经营销售活动不可缺少的重要组成部分。从进厂原料质量把关，中间产品监控，成品检验判定，到售后质量异议处理，分析检测起着企业眼睛的作用。随着当今钢铁生产企业的大型化、现代化、生产过程越来越高速化、连续化、自动化，分析检测系统的配备除满足分析检测的准确性外，还要求具备适时性、快速性[1]。传统的分析检测方法已无法适应生产的快节奏，提高钢铁分析检测的自动化水平已成为当今世界先进钢铁生产企业必不可少的手段。国外先进企业在这方面投入大量资力，在尽量采用高精度、高稳定、快速化、自动化的光、机、电、计算机一体化大型精密仪器的同时，在整个分析检测流程的每个环节都不惜重金大量配备自动化仪器和采样、制样装置。国内近十几年来，大多数大型钢铁企业都开始引进先进的分析检测仪器，如光电直读光谱仪、X荧光光谱仪等大型精密仪器，逐步淘汰了生产现场“瓶瓶罐罐，手忙脚乱”的手工湿法分析方法，缩短了与国外先进分析检测技术的距离。然而，将分析检测过程自动化作为系统的观点来考虑并加以现场应用，国内还远不成熟，国际上也正处于不断探索前进的状况。现就笔者近10年来，在涟钢钢铁分析检测自动化实践中形成的一些不成熟的观点探讨如下。 
        1、样品实物流过程自动化 
        实物流过程是指被分析检测的对象既试样的流转过程。一般有以下几个主要过程： 
        1)原料进厂的样品采集、制样和传送，如矿石、精粉试样流转； 
        2 )中间产品的样品采集、制样和传送，如烧结矿、铁水、钢水、钢坯料试样流转； 
        3)成品的样品采集、制样和传送，既成品钢材试样的流转。 
        样品从被采集开始，经过加工制成适应于某种分析检测方法的试样，到最终被送至某类仪器分析检测，始终是一种实物形态。一方面，实物本身在流转过程中应该一直具有其代表性，才能保证分析检测数据的真实性和准确性；另一方面，流转过程还应该满足快速性以保证工艺上对分析检测数据的适时性要求。而传统的“人工取样，肩挑步送”的实物流过程随意性大、周期长，远远满足不了现代化生产工艺和管理的要求，因此，实物流过程自动化水平的提高是分析检测系统提高准确性最基本的要求，也是其提高快速性最关键的手段。 
        目前，先进的试样自动采集、自动制样、自动传送的装置大都采用机电一体化技术，为保证可靠性、稳定性和快速性，较高档的装置还配备了PLC控制系统、液压气动传动系统、光电或超声波位置检测系统、计量仪表系统、CRT监视系统、计算机通信与管理系统等。典型装置有汽车、火车自动采样装置、光谱试样全自动磨样装置、风动送样装置等。这些装置的采用，无疑使分析检测实物流过程自动化水平得以有效提高。 样品实物流过程自动化的实现，可大大降低操作者劳动强度，减少人为差错，缩短分析检测周期。 
        2、分析检测过程自动化 
        2.1、仪器化分析检测与自动化 
        分析检测过程是指具体使用某种分析检测方法对实物试样进行分析检测并获得结果数据的过程。传统的钢铁分析检测过程，是以手工化学分析“湿法分析”方法为主的。这种分析方法过程长、强度高、功能单一、稳定性差、人为误差大。要在这种分析方法的基础上通过装置改进达到实现自动化目的是很困难的，虽然以往也有不少提高自动化分析程度的装置如多元素联测快速分析仪等面市，但这类仪器仍是基于化学反应的改进，不能使钢铁分析检测过程自动化得到根本改观。 
        近十多年来，国内大多数大型钢铁企业通过引进国外先进仪器迅速提高了分析检测的自动化程度。在企业钢铁主体生产体系，通常采用光电直读光谱仪，X荧光光谱仪这两类仪器，实现仪器化分析改进。这类仪器是利用物理电能激发，使试样中不同化学元素原子发生能级跃迁而产生不同光谱，并使其转换为电信号进行定量检测的大型精密仪器。 
        仪器化分析方法在钢铁分析检测中的应用，简化了试样备制过程（钢铁试样的备制只需简单的表面抛光加工），取消了手工分析方法过程中的试样粉碎、酸溶加热分解、化学反应、比色分析、人工读数等繁杂流程。目前，光电直读光谱仪已成为钢样化学成分分析的首选仪器，X荧光光谱分析仪则是生铁和其它矿类样化学成分分析的首选仪器。它的应用是很成功的。一方面，这类仪器具有选择性好、灵敏度高、准确性高的特点，实现了其分析检测的核心功能；另一方面，这类大型精密仪器的设计制造从一开始就是本着高精度、高稳定、快速化、自动化、多功能整体优化原则进行的[2]，从分析检测过程自动化的角度来看，这类仪器集光、机、电、计算机等方面的最新技术于一体，具有相当精密的物理与几何光学系统，精密机械系统，电子传感测量系统，计算机控制与数据处理及人机界面系统，是一种近乎完美的自动化分析检测装置。其多通道多元素同时分析检测的快速化特点，多用途可扩展的配置方式，以及多功能计算机软硬件系统技术，使分析检测过程自动化的提高易于实施。 
        2.2、分析检测模式与自动化 
        钢铁生产作为一种流程工业，规模大、覆盖面广、效益高。产品质量控制是系统主控目标之一，分析检测过程的模式也必须适应这种流程工业的特点而不同于一般的实验室分析检测过程模式。因此，如何在特定的分析检测模式下提高自动化水平，是值得探讨的问题。 
        目前，国内大型钢铁企业在主体生产体系中普遍采用3种分析检测模式，既离线分析、临线分析和在线分析模式。3种分析检测模式各有所长。 
        离线分析。是一种分析检测仪器远离现场的一种集中分析模式，往往一台仪器可担负多个工序点产品的分析检测任务，可以充分发挥大型精密仪器的运行效率，且仪器远离环境恶劣生产现场能够保证较高的稳定性和准确性，主要矛盾是如何提高试样传送速度以保证时效性的问题。这种模式下主要通过装备可靠的远程送样系统（如风动送样装置）和远程报数系统（如计算机仪器通信自动数据采集和远程专线调制解调器或联网报数系统）来提高自动化程度。 
        临线分析。是一种分析检测仪器紧临生产现场（如炼钢平台）的专项单点分析模式。要求仪器具备较好的抗干扰、抗震、防尘、抗温度变化性能。 在这种模式下，应尽量改善机房条件如装备封闭式机房或集装箱式机房，并通过装备全自动制样设备（PLC控制的机械手系统）及计算机联网自动数据采集与报数系统来提高其自动化程度。 
        在线分析。是一种分析检测仪器的部分元器件（如传感器或探头）或整机位于生产流程线上，并与被测对象直接或间接接触的一种连续单点分析模式。一般称这类仪器为过程分析仪器（process analyzer）[2]。在线分析是实现生产系统动态控制的必要手段，也是生产过程自动化的理想手段。但由于钢铁分析检测过程中被检测对象的复杂性与采样技术上的困难性以及高灵敏、高可靠等方面的要求，这种分析模式在钢铁主体生产过程中应用较少，仅在个别场合使用，如TC氧枪探头用于钢水温度、碳氧成分含量测定、质谱仪用于炼钢炉烟气成分分析。[2~3] 然而，钢铁分析检测的在线分析随着现代高新技术的发展，必将取得突破性进展。 
        3、信息流过程自动化 
        钢铁分析检测的主要目的是传递钢铁产品在生产过程中的质量信息，便于指导生产，控制质量。这里所指的信息流过程，是指分析检测得到的结果数据从分析检测仪器处到达生产现场需求者处或其它部门的过程。 
        在钢铁生产现场，对钢铁冶炼成分信息需求是有很强的时效性的。特别是炼钢炉前，要求中间冶炼钢水成分从试样送出至得到分析检测的结果数据的周期控制在3min以内，炼铁高炉、烧结机炉前对产品成分的实时掌握也有相应的周期要求。传统的报数是通过电话通告或人工报告单传送的方式进行的，前者容易出差错，后者满足不了及时性要求。因此，如何通过远程自动报数的方式提高分析检测数据报出的速度和准确性，几乎自然地成了大型钢铁企业要解决的问题。在这一前提下，各种远程报数装置应运而生，实际上就是通过采用这种装置，实现分析检测数据信息流过程的自动化。 
        3.1、分析检测数据远程报数装置的发展概况 
        国内分析检测数据远程报数装置的经历了从手动到自动的过程，大体出现了以下几代传送方式的产品： 
        (1) 手动拨码数据输出→多芯电缆传送→现场灯泡或LED发光二极管显示； 
        (2) 手工书写报单数据→摄象头成象，同芯电缆图象信号传输→现场电视CRT显
示； 
        (3) 仪器串口自动数据输出→双芯电缆传输→现场串行打印机打印； 
        (4) 仪器串口自动数据输出→计算机串口自动数据采集，专线或无线modem传送→现场计算机接收，计算机CRT显示； 
        (5) 仪器联网数据输出→计算机网络线传输→网络服务器数据库接收→现场网络工作站CRT显示。
目前，国内大型钢铁企业开始采用上述(4)、(5)方式。 
        3.2、分析仪器检测数据的自动采集 
        实现报数自动化首先必须实现对仪器结果的自动采集。近年来，国外引进的先进大型精密仪器，基本上都具有计算机RS232串行接口数据输出的功能，有的还具有直接联网功能。仪器计算机数据通信软件接口开始透明化，仪器厂商可为用户提供或在随机技术资料中写明相应的数据输出通信协议和数据格式，用户通过编制简单的VB、DEPHI等语言程序即可完成对仪器数据的自动采集。 
        3.3、数据集中采集与处理 
        数据集中采集。设置一台专门的数据采集计算机，对多台仪器的数据输出口进行数据采集，通常采用多串口卡的方法实现。对相隔距离较远的仪器还应配置相应的专线调制解调器（modem）。另外，由于从仪器数据输出口采集到的数据一般只是一些代码，还必须进行软件上的数据处理，将其转换为相应的文本文件格式或数据库文件格式以及对其进行试样识别编码等。在离线分析模式下，往往一台仪器担负着多个工序点的试样的分析检测任务，集中采集计算机还必须将相应的数据送往相应的工序点，硬件上通常也是采用多串口卡加专线或无线modem传送，软件上要建立科学的试样来源识别编码体系保证数据信息适时有序流转。 
        3.4、数据联网系统 
        在数据实现集中采集的基础上，可建立分析检测专用数据库，同时，可配置网络服务器形成实验室局域网并建立分析检测数据管理中心。在具备局域网和公司级CIMS网的条件下，可实现分析检测数据的全面联网，达到信息资源的有效共享。图1是涟钢在转炉炼钢厂实现分析检测数据联网和自动化的实例。