报废汽车回收X 射线分选技术研究进展与应用

罗宗彬，刘剑雄，陈大林

（650504 云南省 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院）

0 引言

分选是报废汽车回收的核心环节之一。传统的报废汽车分选技术通常基于尺寸、磁性、导电性等物理性质的差异，对破碎回收物料进行分选，虽取得一定的分选效果，但对性质接近的物料分选精度较低[1-3]。为进一步提升物料分选回收效率，研究人员于回收流程中引入X 射线分选技术并对其展开研究。

X 射线分选是一类利用X 射线识别物质原子序数,再利用机械分离物质的自动分选技术，具有分选范围广、分选精度高等特点[4]。近年来，随着X 射线技术的发展，X 射线分选展示出巨大的应用潜力并不断深入报废汽车回收领域。本文介绍了X 射线分选技术的原理、特点与缺陷。综述了国内外回收领域X 射线分选技术在物质识别、分选效率方面的研究进展与设备应用状况，对X 射线分选技术的发展做了展望。

1 X 射线分选技术概述

1.1 X 射线分选技术分类与原理

X 射线分选技术由X 射线物质检测技术发展而来，主要包括X 射线检测识别技术和机械装备分选技术两部分，根据X 射线检测识别物质原理的不同，可分为透射识别分选法（XRT）与辐射识别分选法（XRF）[5]。

X 射线透射识别分选法基于X 射线透射识别原理识别物质[6]。X 射线穿透物质后，射线能量产生衰减。其衰减程度与物质原子序数、透射厚度、射线入射能量等参数有着对应关系。通过相关算法测定射线能量的衰减变化，可得物质原子序数。根据识别物质时使用射线数量的不同，透射分选法可进一步分为单能透射法、双能透射法、多视角透射法。目前报废汽车回收中主要使用双能透射识别法[7]，采取高低两种能量的X 射线透射识别同种物质。双能透射识别算法分为2 种：R 值算法与曲线拟合算法。R 值算法表达式为

式中：μH，μL——物质对高能和低能X 射线的吸收系数；IH0，IL0——高能和低能X 射线透射前强度信号值；IH，IL——透射后强度信号值；R 则与物质原子序数唯一对应，最后根据经验公式即可测算物质原子序数。

曲线拟合法将不同厚度的高低能透射信号值为坐标绘制数据图，拟合出物质识别线，在识别物质时，根据其高低能信号的对应曲线判定物质的种类。

X 射线辐射识别分选法也称X 射线荧光分选法，基于X 射线荧光光谱分析原理，直接检测物质元素[8-9]。一定能量的X 射线照射物质时，与物质表面原子相互作用并激发其内层电子，使其跃迁，产生只与其自身原子序数有关的特征X 射线（二次射线）或产生可见荧光。根据莫塞莱定律，对特征射线的光谱参数或荧光颜色进行分析，即可测得物质元素种类。

1.2 报废汽车X 射线分选应用流程

目前，报废汽车X 射线透射分选技术主要应用于有色金属物料的分选，在破碎电机、含铜导线等复杂物料的分选中也有不同程度的应用。X射线辐射分选设备主要用于分选塑料、橡胶等回收材料[10-11]。X 射线分选技术具体应用流程及分选物料种类如图1 所示。

图1 X 射线分选物料应用流程图Fig.1 X-ray sorting material application flow chart

双能透射识别法理论上可以分辨所有元素种类，但实际应用中X 射线为连续光谱，其能量在某一范围内不断变化，透射物质时会发生厚度效应与射线束硬化效应，最终降低物质的识别准确度。报废汽车破碎物料元素成分、形态复杂，表面常被涂料、污垢等覆盖，也会使识别效果产生误差。

2 X 射线分选技术研究进展

国外学者通常采取实验手段，探索X 射线识别分选具体物料的效果并作出改进。Mesina[12]等对报废汽车铝、镁、铜、不锈钢等破碎物料进行双能透射实验，采集不同金属高低透射信号值，拟合不同金属的识别曲线并计算识别效率，根据结果总结出双能透射分选法于几种非铁磁性金属间的应用效果，如表1 所示：其中＋＋为非常好；＋为中等；－则为效果较差。得出结论，双能X射线透射法对铜等重质金属识别效率不高，更适合于轻质金属的识别分选。

表1 X 射线透射分选非铁磁性金属物料Tab.2 Non-ferrous scrap metals sorting effect with the XRT

Jeroen[13]等运用蒙特卡洛软件，以有色金属与塑料为对象，通过设置600 种探测器、管电压与滤波器的参数组合，模拟出物料的虚拟透射曲线，与实际曲线对比确定偏差范围。根据偏差调整仿真参数，优化物质曲线拟合算法。Takezawa[14]等结合双能透射与电磁感应法，对7种不同成分的铝合金材料进行识别分类，通过调节X 射线波长与滤波片厚度的方式提升辨识准确度，成功将其分为6 类。Brunner[15]等基于X 射线光谱分析原理，向3 种不同类别报废回收塑料中加入荧光示踪剂，利用X 射线传感器识别示踪荧光参数，进而确定塑料种类。Braibant[16]等设计了一套多传感器识别自动分选系统，综合X 射线透射、辐射、近红外光谱分析及3D 相机照射技术，对破碎金属物料的颜色、尺寸、元素种类等进行采集判定，最后使用自动机械爪拣选分离物料。Shuji[17]结合X 射线透射、辐射分选技术，对混合铝合金进行分类回收，先采取透射法分选出包含重金属杂质的铝合金，再使用辐射法分类出6063 型铝合金，铝合金总体回收率达94%。

国内学者主要在物质识别算法、装备结构、分选工艺等方面对X 射线分选展开探索与研究。叶文华团队[18-21]以报废汽车的回收铜、铝为对象，对双能透射分选技术做了深入研究工作。研究主要包括物料识别算法、设备结构设计、控制程序开发。该团队设计并搭建了分选实验平台，采用喷气式分离装置。在算法方面，利用物料特征R值与低能透射值为横纵坐标，创建多项式拟合识别曲线，加大不同识别曲线间的间隔，减小了曲线重叠对识别的影响，如图2 所示。铜、铝的可识别厚度范围也分别扩大到 2～40 mm 和 5～60 mm。提出了一种自适应中值滤波法，降低了随机噪声对信号探测的干扰。最后基于VS 工具，开发了具备射线发射探测设备与物料运输装置控制功能的分选系统软件，运用图像数据分析计算物料动态位置。总体研究较为深入，但实验模型与具体应用对象在外形尺寸与元素组成方面仍有差异，对分离执行机构的动作参数也有待进一步研究。

图2 改进前后物质识别曲线图Fig.2 Substance identification curves before and after improvement

此外，昝雪松[22]对破碎物料气动分离机构做了设计与优化，以报废汽车不锈钢破碎料为分选对象，通过实验结合理论计算，调整优化了气动喷嘴的外形尺寸、喷射速度、喷射时间等参数，使不锈钢分选纯净度达到80%，编写了气动机构控制程序。张进[7]以有机玻璃、铝合金、铅为实验对象，分析了双能X 射线透射识别的R 值算法与隶属度函数判定法在实际应用中的不足之处，提出一种基材料分解算法，使原子序数计算误差缩小至5%以内。李睿哲[23]等提出了一种重叠物质分层成像算法。通过计算材料衰减系数，建立重叠材料数据库的方式，令重叠物质投影分解为多个物质单层投影。项安[24]等运用蒙特卡罗软件模拟射线透射过程，优化了高能射线的滤波参数，计算出铜滤波片的最佳厚度。张慧[25]等通过计算机仿真得出了6 种材料的识别曲线。一些学者对国外报废汽车X 射线分选技术做了报道，并提出相关建议。王春[26]等报道了X 射线分选技术的原理及其在铝合金与聚氯乙烯材料回收中的优异表现。周春芳[27]在破碎金属分选生产线中提出使用X 射线辐射法分选铝合金。魏擎霄[28]基于国内报废汽车回收现状，根据破碎物料间物理性质的不同，设计了X射线分选技术工艺。

综上所述，X 射线分选技术的研究集中于识别算法层面，提升物料的识别准确度与识别精度，但对识别速度的研究较少，目前，国外学者已开始探索多传感器联合X 射线共同识别复杂破碎物料，且国内研究大多以理论推导为主，在装备结构、分选工艺、硬件参数等方面均有涉及，但针对具体物料的实验观察与探究不够深入。

3 X 射线分选过程及设备应用

3.1 X 射线分选技术工作过程

X 射线分选工作流程主要包括物料进给输送、物料探测识别、设备控制、物料分选4 个环节。如图3 所示，给料装置将待分选混合物料均匀分布于输送带表面，由皮带输送穿过X 射线探测区间，射线源发射一定能量的X 射线束，由准直器校准后穿透待分选物料，经滤波器后被探测器接收。探测系统截面图如图4 所示。

图3 X 射线分选技术工作流程图Fig.3 X-ray sorting technology work flow chart

图4 X 射线探测系统横截面图Fig.4 X-ray detection system cross section

探测器将射线信号转化为电信号后传递至识别控制单元，将信号带入算法后测出物料具体种类，根据分选需求向分离装置发出动作指令，改变物料运动轨迹使其落入不同的回收仓，完成分选。

3.2 X 射线分选设备及应用

20 世纪60 年代，苏联就开发了X 射线荧光分选设备并应用于矿石分选领域[9]。美国矿务局曾于20 世纪80 年代使用X 射线光谱仪等设备对报废飞机金属废料进行识别分类[29]，但未有后续报道。在此期间，一些公司生产了X 射线分选设备，但仅用于煤炭、矿石分选领域。21 世纪初开始出现针对报废汽车回收的X 射线分选装备[30]，如图5 所示。目前国外X 射线分选设备的研发厂家有瑞典Tomra 公司、德国Steinert 公司、意大利SGM 公司等，各设备之间的外形结构类似，但适用分选物料尺寸、种类有所区别，一些设备曾添了色彩摄像机与电磁传感器等设备进一步提升识别效率。由于分选设备体积较大，功耗偏高，一些公司研制了便携式X 射线光谱分析设备[31]。根据被测材料元素调节射线波长，快速识别物质元素种类。通常应用于人工拣选环节。

图5 报废汽车X 射线分选装备Fig.5 X-ray sorting equipment for scrapped cars

国外部分回收企业已将X 射线分选装备应用于报废汽车回收中。如美国LKQ 集团将其用于汽车有色金属的分选，单设备回收速度达15 t/h；欧洲EMR公司将其用于汽车零件二次回收分选。国内汽车回收企业众多，但X 射线分选设备的应用较少。

4 结论与展望

X 射线分选作为一种适应性强、分选精度较高的自动分选技术，已在汽车回收、垃圾分选、矿石分选等诸多领域成功应用。由于报废汽车回收物料的复杂程度不断增加，目前X 射线分选技术仍以物质检测识别研究为主,国内学者可建立复杂物质识别模型，运用实验与仿真对其识别机理深入探究。随着研究深入与技术不断突破，未来X 射线识别将结合激光检测、图像识别、近红外等技术提高物质识别效果。其研究方向将逐渐转移到物质信息快速识别处理、分选系统精确控制等层面，由不同物料之间的分选拓展到不同尺寸、不同品级的同类物料间的分选。

近年来，我国报废汽车回收产业不断发展，自动分选设备的应用前景愈加广阔。国内X 射线分选技术已具备一定的理论基础与应用条件，可通过引入国外先进技术设备、借鉴吸收其他领域技术经验的方式，开发X 射线分选装备，提升我国报废汽车回收利用效率。