宋青鋒，張偉

（丹東東方測(cè)控技術(shù)股份有限公司，遼寧 丹東 118002）

0 引言

礦物加工領(lǐng)域由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件比較惡劣，儀表在現(xiàn)場(chǎng)使用需要考慮粉塵、振動(dòng)、溫度、水汽等不利因素的影響，因此，常規(guī)原理的檢測(cè)儀表的穩(wěn)定性和可靠性往往無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)的使用要求。而核分析技術(shù)由于其非接觸、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠很好地適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的應(yīng)用環(huán)境，尤其是在礦物加工過(guò)程控制領(lǐng)域，核在線檢測(cè)分析儀表一直占據(jù)著重要的地位。隨著加速器技術(shù)、探測(cè)器技術(shù)、電子學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在線核檢測(cè)儀表也進(jìn)入到了一個(gè)新的發(fā)展階段[1]。

1 豁免源及天然伽馬射線利用技術(shù)為傳統(tǒng)核儀表發(fā)展帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇

傳統(tǒng)上應(yīng)用于礦物加工領(lǐng)域的核儀器儀表，如核子稱、濃（密）度計(jì)、料位計(jì)、灰分儀等，在其開(kāi)發(fā)成功后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，因其性能可靠、故障率少、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被作為先進(jìn)技術(shù)在企業(yè)內(nèi)應(yīng)用和推廣[2]，解決了企業(yè)之前在物位控制、礦漿濃度檢測(cè)、物料重量和流量計(jì)量方面存在的實(shí)際問(wèn)題。由于技術(shù)門(mén)檻相對(duì)不高，技術(shù)容易被掌握和推廣，因此有能力生產(chǎn)這類儀表的企業(yè)有上百家之多，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。近年來(lái)，隨著其他非核檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，加上核儀器儀表使用需要辦理復(fù)雜的使用手續(xù)，同時(shí)每年需要在儀表的定期檢查和監(jiān)管上投入大量的人員和資金，這類核在線檢測(cè)儀表的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍正在逐漸縮小。如在重量檢測(cè)方面，核子秤幾乎已經(jīng)被電子皮帶秤取代，在料位檢測(cè)方面，核子料位計(jì)目前正面臨雷達(dá)料位計(jì)、激光料位計(jì)、重錘式料位計(jì)以及用于鋼水液面監(jiān)測(cè)的渦流型及電磁型液位計(jì)的挑戰(zhàn)；在密度及濃度檢測(cè)方面，雖然核子濃度計(jì)在精度、穩(wěn)定性、適用性等方面優(yōu)勢(shì)明顯，許多廠礦由于放射源使用和管理方面的問(wèn)題，拒絕使用核子密度計(jì)，而使用超聲波濃密度計(jì)、壓力密度計(jì)等產(chǎn)品進(jìn)行替代。在物料厚度測(cè)量方面，由于不受粉塵、水汽的影響，射線透射原理的測(cè)厚儀對(duì)于薄板材檢測(cè)方面具有較大優(yōu)勢(shì)外[3]，而在其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域正逐漸被激光、超聲、電磁等原理的測(cè)厚儀所取代[4]。

造成這些核儀器儀表被其他技術(shù)所替代，很大一部分原因是使用和監(jiān)管成本過(guò)高造成的。從輻射防護(hù)的最優(yōu)化原則上考慮，豁免源由于對(duì)個(gè)人的危害很小，經(jīng)監(jiān)管部門(mén)認(rèn)可之后，可以免于對(duì)使用豁免源的儀器的監(jiān)管控制。由于對(duì)于儀器的使用成本降低，加之核檢測(cè)儀表現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性和可靠性上所具備的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使得該類在線檢測(cè)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(jì)，對(duì)于礦漿濃度的測(cè)量誤差可做到小于1%以內(nèi)，并且不受礦漿中氣泡、流速、粒度等因素對(duì)于檢測(cè)結(jié)果的影響，能夠用于有色、黑色金屬選礦自動(dòng)控制及煤炭洗選自動(dòng)控制中礦漿及介質(zhì)濃度、密度的檢測(cè)[5]。

圖1 Na-22濃度計(jì)及其在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用

另一方面，由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)所使用的原料和過(guò)程產(chǎn)品的某些特性與物料本身的放射性元素含量有一定的關(guān)系，通過(guò)對(duì)這些放射性元素發(fā)出的特征γ射線進(jìn)行探測(cè)，能夠間接得到物料的料位、特定元素含量等控制參數(shù)。目前這類產(chǎn)品有無(wú)輻射γ料位計(jì)，無(wú)輻射灰分儀等產(chǎn)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(lái)測(cè)量煤中灰分的在線灰分儀[6]。

圖2 基于天然放射性測(cè)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(lái)技術(shù)發(fā)展方向

射線管與同位素源相比，具有可關(guān)斷的特性，所以在儀表在安全性方面比同位素源更有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也更容易進(jìn)行豁免管理；另外，射線管與放射源相比，在達(dá)到使用年限后，其處置手續(xù)更加方便，使用單位只需對(duì)射線裝置內(nèi)的高壓射線管進(jìn)行拆解和去功能化即可。所以，從用戶使用的便捷性上來(lái)說(shuō)，使用射線管類的在線檢測(cè)分析儀器較同位素源的在線檢測(cè)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(cè)裝置[7]。

圖3 利用X射線管對(duì)煤中灰分進(jìn)行在線檢測(cè)的射線裝置

另一方面，射線管的檢測(cè)能力是同位素源所無(wú)法達(dá)到的，例如，采用D-T中子管作為激發(fā)源的中子活化多元素分析儀，與采用Cf-252自發(fā)裂變中子源的多元素分析儀相比，除了能夠檢測(cè)常規(guī)的Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、Ti這些元素之外，同時(shí)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(yè)指標(biāo)檢測(cè)上，除了能夠檢測(cè)灰分、水分、硫分和發(fā)熱量之外，同時(shí)還能檢測(cè)固定碳和揮發(fā)分，對(duì)于電廠等用煤?jiǎn)挝唬a(chǎn)的指導(dǎo)意義更大。另外，對(duì)于某些非連續(xù)生產(chǎn)的應(yīng)用場(chǎng)合，使用可控的中子管比使用同位素源的使用時(shí)間更長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性方面更好，因?yàn)橥凰卦礋o(wú)時(shí)無(wú)刻不在衰變，到了半衰期后就需要進(jìn)行補(bǔ)充，而采用中子管的多元素分析儀在生產(chǎn)的時(shí)候啟動(dòng)，在停產(chǎn)的時(shí)候可以將設(shè)備關(guān)閉，利用效率更高。圖4為采用中子管作為激發(fā)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(cè)[8]。

圖4 采用中子管作為激發(fā)源的多元素分析儀

雖然，射線管在可靠性、穩(wěn)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(shù)的發(fā)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(lǐng)域核分析技術(shù)成功經(jīng)驗(yàn)并在礦物加工領(lǐng)域成功應(yīng)用

核分析技術(shù)除在礦物加工領(lǐng)域應(yīng)用外，其在環(huán)保、安全、考古、農(nóng)業(yè)等方面均有著成功的應(yīng)用，借助于其在這些領(lǐng)域的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合礦物加工領(lǐng)域的需求和行業(yè)特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出滿足礦物加工領(lǐng)域需求的智能檢測(cè)裝備及系統(tǒng)。以X射線影像技術(shù)為例，其在醫(yī)學(xué)診斷、安全檢查、無(wú)損探傷上具有廣泛而重要的應(yīng)用，近年來(lái)出現(xiàn)的用于礦石選別的在線分選機(jī)，即是采用X射線影像技術(shù)，相關(guān)產(chǎn)品與X射線安檢機(jī)對(duì)通過(guò)物體進(jìn)行識(shí)別的方法類似，運(yùn)用X射線透射原理，結(jié)合先進(jìn)的圖像識(shí)別算法，對(duì)皮帶輸送機(jī)上連續(xù)運(yùn)行的煤炭或有色礦石進(jìn)行預(yù)先拋廢處理，與原有的人工手動(dòng)選別相比，識(shí)別效率、分選能力等方面均有較大的提升，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了分選工藝點(diǎn)的無(wú)人化，節(jié)約大量的人力成本。下圖為應(yīng)用于煤炭智能分選的在線檢測(cè)設(shè)備，原煤從井下上來(lái)后，通過(guò)該設(shè)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(jī)

4 礦物加工領(lǐng)域智能化建設(shè)將助推核在線檢測(cè)裝備的發(fā)展

低碳、環(huán)保、智能將是未來(lái)礦物加工領(lǐng)域的主要發(fā)展方向，而要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的智能化，作為前端的智能感知設(shè)備必不可少。核在線檢測(cè)儀表在元素成分、密度、水分等測(cè)量方面具有穩(wěn)定、可靠、精準(zhǔn)等特點(diǎn)，其檢測(cè)數(shù)據(jù)能夠?qū)ιa(chǎn)過(guò)程智能決策起到關(guān)鍵的作用。因此，隨著礦物加工領(lǐng)域智能化建設(shè)工作的深入，生產(chǎn)過(guò)程中某些檢測(cè)點(diǎn)對(duì)于核在線檢測(cè)儀表的需求也逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。例如，在石灰石礦山開(kāi)采方面，中子活化在線多元素分析儀與車輛智能調(diào)度系統(tǒng)相融合，根據(jù)礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)石灰石礦山的智能開(kāi)采[12]。

圖6 采用中子活化多元素分析儀進(jìn)行礦山智能開(kāi)采

另外，在煤炭的智能分選、水泥智能配料、燒結(jié)智能配料、黑色及有色浮選等行業(yè)，基于元素分析的核在線檢測(cè)儀表在提高產(chǎn)品合格率、產(chǎn)品回收率以及節(jié)能減排等方面，發(fā)揮出了非常重要的作用，表現(xiàn)巨大的市場(chǎng)潛力。下圖為用于選煤廠煤炭智能分選的在線煤質(zhì)檢測(cè)設(shè)備，此分析儀能夠在線精準(zhǔn)檢測(cè)煤中的灰分、全硫、灰成分等指標(biāo)的含量，對(duì)于入洗原煤均質(zhì)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(chǎn)率，與控制系統(tǒng)相結(jié)合，每年為選煤廠創(chuàng)造千萬(wàn)元以上的經(jīng)濟(jì)效益[13]。

圖7 用于煤炭智能分選的精準(zhǔn)煤質(zhì)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(jié)語(yǔ)

在線核檢測(cè)儀表在礦物加工領(lǐng)域以其性能可靠、結(jié)果準(zhǔn)確的特點(diǎn)，使其伴隨礦物加工行業(yè)的要求和發(fā)展而在不斷地發(fā)展，另一方面，使用手續(xù)的繁瑣性以及嚴(yán)格的監(jiān)管要求，使礦物加工企業(yè)對(duì)在線核檢測(cè)儀表的排斥心理不斷加深，在礦物加工企業(yè)內(nèi)部出現(xiàn)了“去核”的思想，部分限制了在線核檢測(cè)儀表的發(fā)展。在未來(lái)的發(fā)展中，在線核檢測(cè)儀表需要發(fā)揮自己精準(zhǔn)檢測(cè)的特點(diǎn)，緊緊與自動(dòng)控制和智能控制相結(jié)合，延長(zhǎng)儀表的生命周期，同時(shí)加緊與其他技術(shù)的融合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，進(jìn)一步提升優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，才能在未來(lái)的發(fā)展中立于不敗之地。