我國在線核檢測儀表在礦物加工領域的應用現狀和發展趨勢

宋青鋒，張偉

（丹東東方測控技術股份有限公司，遼寧 丹東 118002）

0 引言

礦物加工領域由于現場環境條件比較惡劣，儀表在現場使用需要考慮粉塵、振動、溫度、水汽等不利因素的影響，因此，常規原理的檢測儀表的穩定性和可靠性往往無法滿足現場的使用要求。而核分析技術由于其非接觸、抗干擾能力強等特點，能夠很好地適應現場惡劣的應用環境，尤其是在礦物加工過程控制領域，核在線檢測分析儀表一直占據著重要的地位。隨著加速器技術、探測器技術、電子學技術的不斷進步，在線核檢測儀表也進入到了一個新的發展階段[1]。

1 豁免源及天然伽馬射線利用技術為傳統核儀表發展帶來了新的發展機遇

傳統上應用于礦物加工領域的核儀器儀表，如核子稱、濃（密）度計、料位計、灰分儀等，在其開發成功后相當長的時間內，因其性能可靠、故障率少、環境適應性強等優點，被作為先進技術在企業內應用和推廣[2]，解決了企業之前在物位控制、礦漿濃度檢測、物料重量和流量計量方面存在的實際問題。由于技術門檻相對不高，技術容易被掌握和推廣，因此有能力生產這類儀表的企業有上百家之多，市場競爭非常激烈。近年來，隨著其他非核檢測技術的發展，加上核儀器儀表使用需要辦理復雜的使用手續，同時每年需要在儀表的定期檢查和監管上投入大量的人員和資金，這類核在線檢測儀表的應用領域和范圍正在逐漸縮小。如在重量檢測方面，核子秤幾乎已經被電子皮帶秤取代，在料位檢測方面，核子料位計目前正面臨雷達料位計、激光料位計、重錘式料位計以及用于鋼水液面監測的渦流型及電磁型液位計的挑戰；在密度及濃度檢測方面，雖然核子濃度計在精度、穩定性、適用性等方面優勢明顯，許多廠礦由于放射源使用和管理方面的問題，拒絕使用核子密度計，而使用超聲波濃密度計、壓力密度計等產品進行替代。在物料厚度測量方面，由于不受粉塵、水汽的影響，射線透射原理的測厚儀對于薄板材檢測方面具有較大優勢外[3]，而在其他工業應用領域正逐漸被激光、超聲、電磁等原理的測厚儀所取代[4]。

造成這些核儀器儀表被其他技術所替代，很大一部分原因是使用和監管成本過高造成的。從輻射防護的最優化原則上考慮，豁免源由于對個人的危害很小，經監管部門認可之后，可以免于對使用豁免源的儀器的監管控制。由于對于儀器的使用成本降低，加之核檢測儀表現場適應性和可靠性上所具備的技術優勢，使得該類在線檢測儀表逐漸為用戶所接受。例如，使用Na-22豁免放射源（活度小于1.0×106Bq）制作成的濃度計，對于礦漿濃度的測量誤差可做到小于1%以內，并且不受礦漿中氣泡、流速、粒度等因素對于檢測結果的影響，能夠用于有色、黑色金屬選礦自動控制及煤炭洗選自動控制中礦漿及介質濃度、密度的檢測[5]。

圖1 Na-22濃度計及其在現場的應用

另一方面，由于工業現場所使用的原料和過程產品的某些特性與物料本身的放射性元素含量有一定的關系，通過對這些放射性元素發出的特征γ射線進行探測，能夠間接得到物料的料位、特定元素含量等控制參數。目前這類產品有無輻射γ料位計，無輻射灰分儀等產品。圖2為基于煤中自身含有的放射性元素（主要為鈾、釷、鉀等）來測量煤中灰分的在線灰分儀[6]。

圖2 基于天然放射性測量原理的在線灰分儀

2 以射線管替代放射性同位素源作為未來技術發展方向

射線管與同位素源相比，具有可關斷的特性，所以在儀表在安全性方面比同位素源更有優勢，同時也更容易進行豁免管理；另外，射線管與放射源相比，在達到使用年限后，其處置手續更加方便，使用單位只需對射線裝置內的高壓射線管進行拆解和去功能化即可。所以，從用戶使用的便捷性上來說，使用射線管類的在線檢測分析儀器較同位素源的在線檢測分析儀器更容易為用戶所接受。圖3為使用X射線管作為射線源的灰分在線檢測裝置[7]。

圖3 利用X射線管對煤中灰分進行在線檢測的射線裝置

另一方面，射線管的檢測能力是同位素源所無法達到的，例如，采用D-T中子管作為激發源的中子活化多元素分析儀，與采用Cf-252自發裂變中子源的多元素分析儀相比，除了能夠檢測常規的Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、Ti這些元素之外，同時還能分析C和O等非彈性散射截面比較大的元素。在煤炭的工業指標檢測上，除了能夠檢測灰分、水分、硫分和發熱量之外，同時還能檢測固定碳和揮發分，對于電廠等用煤單位，生產的指導意義更大。另外，對于某些非連續生產的應用場合，使用可控的中子管比使用同位素源的使用時間更長、經濟性方面更好，因為同位素源無時無刻不在衰變，到了半衰期后就需要進行補充，而采用中子管的多元素分析儀在生產的時候啟動，在停產的時候可以將設備關閉，利用效率更高。圖4為采用中子管作為激發源的多元素分析儀，可用于皮帶上散裝物料元素成分的在線檢測[8]。

圖4 采用中子管作為激發源的多元素分析儀

雖然，射線管在可靠性、穩定性等方面和同位素源還有一定的差距，但是，隨著射線管技術的發展和分析算法的提升，射線管必將替代同位素源成為射線源的主流[9]。

3 借鑒其他領域核分析技術成功經驗并在礦物加工領域成功應用

核分析技術除在礦物加工領域應用外，其在環保、安全、考古、農業等方面均有著成功的應用，借助于其在這些領域的成功經驗，結合礦物加工領域的需求和行業特點，開發出滿足礦物加工領域需求的智能檢測裝備及系統。以X射線影像技術為例，其在醫學診斷、安全檢查、無損探傷上具有廣泛而重要的應用，近年來出現的用于礦石選別的在線分選機，即是采用X射線影像技術，相關產品與X射線安檢機對通過物體進行識別的方法類似，運用X射線透射原理，結合先進的圖像識別算法，對皮帶輸送機上連續運行的煤炭或有色礦石進行預先拋廢處理，與原有的人工手動選別相比，識別效率、分選能力等方面均有較大的提升，同時實現了分選工藝點的無人化，節約大量的人力成本。下圖為應用于煤炭智能分選的在線檢測設備，原煤從井下上來后，通過該設備，煤中帶矸率可降低至3%以下[10-11]。

圖5 用于煤炭選別的在線分選機

4 礦物加工領域智能化建設將助推核在線檢測裝備的發展

低碳、環保、智能將是未來礦物加工領域的主要發展方向，而要實現生產的智能化，作為前端的智能感知設備必不可少。核在線檢測儀表在元素成分、密度、水分等測量方面具有穩定、可靠、精準等特點，其檢測數據能夠對生產過程智能決策起到關鍵的作用。因此，隨著礦物加工領域智能化建設工作的深入，生產過程中某些檢測點對于核在線檢測儀表的需求也逐漸顯現出來。例如，在石灰石礦山開采方面，中子活化在線多元素分析儀與車輛智能調度系統相融合，根據礦山地質數據，實現石灰石礦山的智能開采[12]。

圖6 采用中子活化多元素分析儀進行礦山智能開采

另外，在煤炭的智能分選、水泥智能配料、燒結智能配料、黑色及有色浮選等行業，基于元素分析的核在線檢測儀表在提高產品合格率、產品回收率以及節能減排等方面，發揮出了非常重要的作用，表現巨大的市場潛力。下圖為用于選煤廠煤炭智能分選的在線煤質檢測設備，此分析儀能夠在線精準檢測煤中的灰分、全硫、灰成分等指標的含量，對于入洗原煤均質化以及精煤灰分智能回控等方面有重要作用，可有效提升選煤廠的精煤產率，與控制系統相結合，每年為選煤廠創造千萬元以上的經濟效益[13]。

圖7 用于煤炭智能分選的精準煤質在線分析儀

下圖為用于水泥廠智能配料的在線多元素分析儀，以及用于浮選智能控制的X熒光在線分析儀[14-15]。

圖8 用于水泥廠智能配料的在線多元素分析儀

圖9 用于浮選控制的X熒光在線分析儀

5 結語

在線核檢測儀表在礦物加工領域以其性能可靠、結果準確的特點，使其伴隨礦物加工行業的要求和發展而在不斷地發展，另一方面，使用手續的繁瑣性以及嚴格的監管要求，使礦物加工企業對在線核檢測儀表的排斥心理不斷加深，在礦物加工企業內部出現了“去核”的思想，部分限制了在線核檢測儀表的發展。在未來的發展中，在線核檢測儀表需要發揮自己精準檢測的特點，緊緊與自動控制和智能控制相結合，延長儀表的生命周期，同時加緊與其他技術的融合，取長補短，進一步提升優勢和特點，才能在未來的發展中立于不敗之地。