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        應(yīng)用PGNAA技術(shù)對(duì)燒結(jié)混合料成分的檢測(cè)試驗(yàn)*

        2018-08-17 00:48:54
        現(xiàn)代礦業(yè) 2018年7期
        關(guān)鍵詞:堿度中子計(jì)數(shù)

        趙 龍

        (1.吉林大學(xué)物理學(xué)院;2.丹東東方測(cè)控技術(shù)股份有限公司)

        瞬發(fā)伽瑪中子活化分析技術(shù)(PGNAA)是一種快速、無(wú)接觸多元素分析技術(shù)。目前,PGNAA技術(shù)在水泥、煤炭檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用已比較成熟[1-7],其跨皮帶式檢測(cè)裝置可同時(shí)分析傳送皮帶上物料中的Ca、Si、Fe、Al、Mg、K、Na、S等多種元素,可為工業(yè)自動(dòng)控制提供實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù),指導(dǎo)工業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)控制。

        燒結(jié)礦作為煉鐵的主要原料,其質(zhì)量的提升直接影響煉鐵廠的產(chǎn)能和效益。數(shù)據(jù)表明,高爐原料堿度波動(dòng)值由0.1降至0.075時(shí),高爐增產(chǎn)1.5個(gè)百分點(diǎn),焦比降低0.8個(gè)百分點(diǎn)[8]。當(dāng)前,受制于在線檢測(cè)儀表的缺失,國(guó)內(nèi)燒結(jié)廠對(duì)于配料的控制,主要采用人工或半人工方式進(jìn)行計(jì)算和控制。這種控制方法存在嚴(yán)重的滯后性,一般滯后約4 h,當(dāng)控制室發(fā)現(xiàn)堿度大幅波動(dòng)后已生產(chǎn)了大量的劣質(zhì)燒結(jié)礦,同時(shí)由于返礦的因素,操作人員需較長(zhǎng)時(shí)間將堿度恢復(fù)到合理范圍,有時(shí)甚至出現(xiàn)過(guò)調(diào)的情況,從而影響燒結(jié)礦的穩(wěn)定率。

        將中子活化技術(shù)應(yīng)用到燒結(jié)配料過(guò)程控制中,實(shí)時(shí)在線檢測(cè)燒結(jié)混合料的堿度指標(biāo),根據(jù)實(shí)時(shí)堿度檢測(cè)值實(shí)時(shí)控制石灰石的下料配比,形成全自動(dòng)閉環(huán)控制,從而實(shí)現(xiàn)降低燒結(jié)成品礦堿度波動(dòng)的目的,提升燒結(jié)成品礦品質(zhì),最終提升煉鐵廠的產(chǎn)能和效益。

        1 蒙特卡洛方法模擬仿真

        燒結(jié)成礦的主要成分為TFe、CaO、SiO2[9],主要元素為Fe、Ca、Si 3種元素,這3種元素的熱中子俘獲總截面以及特征峰能量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由于燒結(jié)料的主量元素為鐵元素,鐵元素具有較強(qiáng)的伽馬射線自屏蔽效應(yīng)[10-11],由表1也可看到鐵元素的熱中子俘獲截面也較大,故其同時(shí)存在較強(qiáng)的中子自吸收效應(yīng)。由于存在自吸收效應(yīng),各元素品位檢測(cè)結(jié)果隨被測(cè)物料厚度增加將呈現(xiàn)非線性關(guān)系,當(dāng)厚度增加到一定程度時(shí),各元素品位檢測(cè)值將出現(xiàn)拐點(diǎn),通過(guò)蒙特卡洛方法可以仿真計(jì)算出這個(gè)拐點(diǎn)厚度。

        表1 各元素特征峰能量

        首先,通過(guò)蒙特卡洛方法模擬仿真樣品能譜,模擬仿真模型見(jiàn)圖1。通過(guò)蒙特卡洛仿真軟件模擬仿真不同物料厚度,記錄3種元素的特征峰計(jì)數(shù)。Fe、Si、Ca元素的特征峰計(jì)數(shù)隨物料厚度變化曲線分別見(jiàn)圖2~圖4。

        圖1 蒙特卡洛模擬分析模型

        圖2 Fe峰計(jì)數(shù)隨物料厚度變化曲線

        圖3 Si峰計(jì)數(shù)隨物料厚度變化曲線

        圖4 Ca峰計(jì)數(shù)隨物料厚度變化曲線

        由圖2~圖4可見(jiàn),各個(gè)元素特征峰計(jì)數(shù)與物料厚度呈二次曲線關(guān)系,即隨著厚度的增加,特征峰計(jì)數(shù)達(dá)到飽和。

        通過(guò)二次項(xiàng)公式可以計(jì)算得到各個(gè)元素的飽和厚度,見(jiàn)表2。

        表2 各元素飽和厚度

        最佳檢測(cè)厚度必須小于飽和厚度。燒結(jié)混合皮帶上的混合料厚度約為15~20 cm,此厚度小于各個(gè)元素的飽和厚度,試驗(yàn)選用18 cm做為試驗(yàn)物料厚度。

        2 檢測(cè)試驗(yàn)

        2.1 靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)

        試驗(yàn)采用的PGNAA分析儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5,放射源采用Cf-252自發(fā)中子裂變?cè)矗綔y(cè)器采用大體積閃爍體探測(cè)器。TFe、CaO、SiO2、堿度標(biāo)定曲線見(jiàn)圖6~圖9。

        圖5 PGNAA分析儀系統(tǒng)構(gòu)成

        圖6 全鐵標(biāo)定曲線

        圖7 氧化鈣標(biāo)定曲線

        圖8 二氧化硅標(biāo)定曲線

        圖9 堿度標(biāo)定曲線

        由圖6~圖9可見(jiàn),各個(gè)指標(biāo)的線性度均超過(guò)0.99,尤其是SiO2含量和堿度,其線性度達(dá)到1,這說(shuō)明中子活化分析儀對(duì)燒結(jié)混合料中的主要元素指標(biāo)具有極高的靈敏度。

        2.2 動(dòng)態(tài)對(duì)照試驗(yàn)

        將分析儀安裝在國(guó)內(nèi)某燒結(jié)廠的二混后的轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶處,檢測(cè)燒結(jié)混合料中的TFe品位、CaO含量、SiO2含量、堿度,混合料供應(yīng)1臺(tái)360平燒結(jié)機(jī),分析儀安裝點(diǎn)至燒結(jié)成品礦用時(shí)約2.5 h,對(duì)比分析儀檢測(cè)結(jié)果與燒結(jié)成品礦化驗(yàn)結(jié)果,對(duì)比曲線見(jiàn)圖10~圖13。

        圖10 全鐵動(dòng)態(tài)對(duì)比曲線

        圖11 氧化鈣動(dòng)態(tài)對(duì)比曲線

        圖12 二氧化硅動(dòng)態(tài)對(duì)比曲線

        圖13 堿度動(dòng)態(tài)對(duì)比曲線

        由圖10~圖13可見(jiàn),中子活化分析儀在燒結(jié)廠的實(shí)際應(yīng)用效果非常理想,檢測(cè)結(jié)果具有較高的精確度。試驗(yàn)證明,應(yīng)用PGNAA技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燒結(jié)混合料中的TFe品位、SiO2含量、CaO含量和堿度等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。

        3 結(jié) 論

        通過(guò)應(yīng)用中子活化技術(shù)檢測(cè)了燒結(jié)混合料的TFe品位、CaO含量、SiO2含量、堿度等指標(biāo),燒結(jié)混合料中的水分含量也是燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的指標(biāo),而中子測(cè)量水分含量[12-13]具有極高的檢測(cè)精度,中子活化技術(shù)采用價(jià)格昂貴的252Cf自發(fā)裂變中子源,應(yīng)用其產(chǎn)生的中子測(cè)量燒結(jié)混合料中的水分含量在理論上應(yīng)具有較高的靈敏度。試驗(yàn)下一步將會(huì)在PGNAA裝置上加裝3He管,監(jiān)測(cè)中子通量變化,從而實(shí)時(shí)檢測(cè)燒結(jié)混合料中水分含量,解決燒結(jié)配料中的水分含量檢測(cè)難題。

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