宋青鋒，張偉

（丹東東方測控技術(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)場環(huán)境條件比較惡劣，儀表在現(xiàn)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(guī)原理的檢測儀表的穩(wěn)定性和可靠性往往無法滿足現(xiàn)場的使用要求。而核分析技術(shù)由于其非接觸、抗干擾能力強等特點，能夠很好地適應現(xiàn)場惡劣的應用環(huán)境，尤其是在礦物加工過程控制領(lǐng)域，核在線檢測分析儀表一直占據(jù)著重要的地位。隨著加速器技術(shù)、探測器技術(shù)、電子學技術(shù)的不斷進步，在線核檢測儀表也進入到了一個新的發(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)展帶來了新的發(fā)展機遇

傳統(tǒng)上應用于礦物加工領(lǐng)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(fā)成功后相當長的時間內(nèi)，因其性能可靠、故障率少、環(huán)境適應性強等優(yōu)點，被作為先進技術(shù)在企業(yè)內(nèi)應用和推廣[2]，解決了企業(yè)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(shù)門檻相對不高，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，市場競爭非常激烈。近年來，隨著其他非核檢測技術(shù)的發(fā)展，加上核儀器儀表使用需要辦理復雜的使用手續(xù)，同時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，這類核在線檢測儀表的應用領(lǐng)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(jīng)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(jiān)測的渦流型及電磁型液位計的挑戰(zhàn)；在密度及濃度檢測方面，雖然核子濃度計在精度、穩(wěn)定性、適用性等方面優(yōu)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(chǎn)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(yōu)勢外[3]，而在其他工業(yè)應用領(lǐng)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(shù)所替代，很大一部分原因是使用和監(jiān)管成本過高造成的。從輻射防護的最優(yōu)化原則上考慮，豁免源由于對個人的危害很小，經(jīng)監(jiān)管部門認可之后，可以免于對使用豁免源的儀器的監(jiān)管控制。由于對于儀器的使用成本降低，加之核檢測儀表現(xiàn)場適應性和可靠性上所具備的技術(shù)優(yōu)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(nèi)，并且不受礦漿中氣泡、流速、粒度等因素對于檢測結(jié)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(zhì)濃度、密度的檢測[5]。

圖1 Na-22濃度計及其在現(xiàn)場的應用

另一方面，由于工業(yè)現(xiàn)場所使用的原料和過程產(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，通過對這些放射性元素發(fā)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(shù)。目前這類產(chǎn)品有無輻射γ料位計，無輻射灰分儀等產(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(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，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(xù)更加方便，使用單位只需對射線裝置內(nèi)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(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，除了能夠檢測常規(guī)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(yè)指標檢測上，除了能夠檢測灰分、水分、硫分和發(fā)熱量之外，同時還能檢測固定碳和揮發(fā)分，對于電廠等用煤單位，生產(chǎn)的指導意義更大。另外，對于某些非連續(xù)生產(chǎn)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(jīng)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(chǎn)的時候啟動，在停產(chǎn)的時候可以將設(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[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)驗并在礦物加工領(lǐng)域成功應用

核分析技術(shù)除在礦物加工領(lǐng)域應用外，其在環(huán)保、安全、考古、農(nóng)業(yè)等方面均有著成功的應用，借助于其在這些領(lǐng)域的成功經(jīng)驗，結(jié)合礦物加工領(lǐng)域的需求和行業(yè)特點，開發(fā)出滿足礦物加工領(lǐng)域需求的智能檢測裝備及系統(tǒng)。以X射線影像技術(shù)為例，其在醫(yī)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(xiàn)的用于礦石選別的在線分選機，即是采用X射線影像技術(shù)，相關(guān)產(chǎn)品與X射線安檢機對通過物體進行識別的方法類似，運用X射線透射原理，結(jié)合先進的圖像識別算法，對皮帶輸送機上連續(xù)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(xiàn)了分選工藝點的無人化，節(jié)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(shè)備，原煤從井下上來后，通過該設(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

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

低碳、環(huán)保、智能將是未來礦物加工領(lǐng)域的主要發(fā)展方向，而要實現(xiàn)生產(chǎn)的智能化，作為前端的智能感知設(shè)備必不可少。核在線檢測儀表在元素成分、密度、水分等測量方面具有穩(wěn)定、可靠、精準等特點，其檢測數(shù)據(jù)能夠?qū)ιa(chǎn)過程智能決策起到關(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)過程中某些檢測點對于核在線檢測儀表的需求也逐漸顯現(xiàn)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(diào)度系統(tǒng)相融合，根據(jù)礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)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(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)巨大的市場潛力。下圖為用于選煤廠煤炭智能分選的在線煤質(zhì)檢測設(shè)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(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)造千萬元以上的經(jīng)濟效益[13]。

圖7 用于煤炭智能分選的精準煤質(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

在線核檢測儀表在礦物加工領(lǐng)域以其性能可靠、結(jié)果準確的特點，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)的繁瑣性以及嚴格的監(jiān)管要求，使礦物加工企業(yè)對在線核檢測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儀表的發(fā)展。在未來的發(fā)展中，在線核檢測儀表需要發(fā)揮自己精準檢測的特點，緊緊與自動控制和智能控制相結(jié)合，延長儀表的生命周期，同時加緊與其他技術(shù)的融合，取長補短，進一步提升優(yōu)勢和特點，才能在未來的發(fā)展中立于不敗之地。