我国在线核检测仪表在矿物加工领域的应用现状和发展趋势

宋青锋，张伟

（丹东东方测控技术股份有限公司，辽宁 丹东 118002）

0 引言

矿物加工领域由于现场环境条件比较恶劣，仪表在现场使用需要考虑粉尘、振动、温度、水汽等不利因素的影响，因此，常规原理的检测仪表的稳定性和可靠性往往无法满足现场的使用要求。而核分析技术由于其非接触、抗干扰能力强等特点，能够很好地适应现场恶劣的应用环境，尤其是在矿物加工过程控制领域，核在线检测分析仪表一直占据着重要的地位。随着加速器技术、探测器技术、电子学技术的不断进步，在线核检测仪表也进入到了一个新的发展阶段[1]。

1 豁免源及天然伽马射线利用技术为传统核仪表发展带来了新的发展机遇

传统上应用于矿物加工领域的核仪器仪表，如核子称、浓（密）度计、料位计、灰分仪等，在其开发成功后相当长的时间内，因其性能可靠、故障率少、环境适应性强等优点，被作为先进技术在企业内应用和推广[2]，解决了企业之前在物位控制、矿浆浓度检测、物料重量和流量计量方面存在的实际问题。由于技术门槛相对不高，技术容易被掌握和推广，因此有能力生产这类仪表的企业有上百家之多，市场竞争非常激烈。近年来，随着其他非核检测技术的发展，加上核仪器仪表使用需要办理复杂的使用手续，同时每年需要在仪表的定期检查和监管上投入大量的人员和资金，这类核在线检测仪表的应用领域和范围正在逐渐缩小。如在重量检测方面，核子秤几乎已经被电子皮带秤取代，在料位检测方面，核子料位计目前正面临雷达料位计、激光料位计、重锤式料位计以及用于钢水液面监测的涡流型及电磁型液位计的挑战；在密度及浓度检测方面，虽然核子浓度计在精度、稳定性、适用性等方面优势明显，许多厂矿由于放射源使用和管理方面的问题，拒绝使用核子密度计，而使用超声波浓密度计、压力密度计等产品进行替代。在物料厚度测量方面，由于不受粉尘、水汽的影响，射线透射原理的测厚仪对于薄板材检测方面具有较大优势外[3]，而在其他工业应用领域正逐渐被激光、超声、电磁等原理的测厚仪所取代[4]。

造成这些核仪器仪表被其他技术所替代，很大一部分原因是使用和监管成本过高造成的。从辐射防护的最优化原则上考虑，豁免源由于对个人的危害很小，经监管部门认可之后，可以免于对使用豁免源的仪器的监管控制。由于对于仪器的使用成本降低，加之核检测仪表现场适应性和可靠性上所具备的技术优势，使得该类在线检测仪表逐渐为用户所接受。例如，使用Na-22豁免放射源（活度小于1.0×106Bq）制作成的浓度计，对于矿浆浓度的测量误差可做到小于1%以内，并且不受矿浆中气泡、流速、粒度等因素对于检测结果的影响，能够用于有色、黑色金属选矿自动控制及煤炭洗选自动控制中矿浆及介质浓度、密度的检测[5]。

图1 Na-22浓度计及其在现场的应用

另一方面，由于工业现场所使用的原料和过程产品的某些特性与物料本身的放射性元素含量有一定的关系，通过对这些放射性元素发出的特征γ射线进行探测，能够间接得到物料的料位、特定元素含量等控制参数。目前这类产品有无辐射γ料位计，无辐射灰分仪等产品。图2为基于煤中自身含有的放射性元素（主要为铀、钍、钾等）来测量煤中灰分的在线灰分仪[6]。

图2 基于天然放射性测量原理的在线灰分仪

2 以射线管替代放射性同位素源作为未来技术发展方向

射线管与同位素源相比，具有可关断的特性，所以在仪表在安全性方面比同位素源更有优势，同时也更容易进行豁免管理；另外，射线管与放射源相比，在达到使用年限后，其处置手续更加方便，使用单位只需对射线装置内的高压射线管进行拆解和去功能化即可。所以，从用户使用的便捷性上来说，使用射线管类的在线检测分析仪器较同位素源的在线检测分析仪器更容易为用户所接受。图3为使用X射线管作为射线源的灰分在线检测装置[7]。

图3 利用X射线管对煤中灰分进行在线检测的射线装置

另一方面，射线管的检测能力是同位素源所无法达到的，例如，采用D-T中子管作为激发源的中子活化多元素分析仪，与采用Cf-252自发裂变中子源的多元素分析仪相比，除了能够检测常规的Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、Ti这些元素之外，同时还能分析C和O等非弹性散射截面比较大的元素。在煤炭的工业指标检测上，除了能够检测灰分、水分、硫分和发热量之外，同时还能检测固定碳和挥发分，对于电厂等用煤单位，生产的指导意义更大。另外，对于某些非连续生产的应用场合，使用可控的中子管比使用同位素源的使用时间更长、经济性方面更好，因为同位素源无时无刻不在衰变，到了半衰期后就需要进行补充，而采用中子管的多元素分析仪在生产的时候启动，在停产的时候可以将设备关闭，利用效率更高。图4为采用中子管作为激发源的多元素分析仪，可用于皮带上散装物料元素成分的在线检测[8]。

图4 采用中子管作为激发源的多元素分析仪

虽然，射线管在可靠性、稳定性等方面和同位素源还有一定的差距，但是，随着射线管技术的发展和分析算法的提升，射线管必将替代同位素源成为射线源的主流[9]。

3 借鉴其他领域核分析技术成功经验并在矿物加工领域成功应用

核分析技术除在矿物加工领域应用外，其在环保、安全、考古、农业等方面均有着成功的应用，借助于其在这些领域的成功经验，结合矿物加工领域的需求和行业特点，开发出满足矿物加工领域需求的智能检测装备及系统。以X射线影像技术为例，其在医学诊断、安全检查、无损探伤上具有广泛而重要的应用，近年来出现的用于矿石选别的在线分选机，即是采用X射线影像技术，相关产品与X射线安检机对通过物体进行识别的方法类似，运用X射线透射原理，结合先进的图像识别算法，对皮带输送机上连续运行的煤炭或有色矿石进行预先抛废处理，与原有的人工手动选别相比，识别效率、分选能力等方面均有较大的提升，同时实现了分选工艺点的无人化，节约大量的人力成本。下图为应用于煤炭智能分选的在线检测设备，原煤从井下上来后，通过该设备，煤中带矸率可降低至3%以下[10-11]。

图5 用于煤炭选别的在线分选机

4 矿物加工领域智能化建设将助推核在线检测装备的发展

低碳、环保、智能将是未来矿物加工领域的主要发展方向，而要实现生产的智能化，作为前端的智能感知设备必不可少。核在线检测仪表在元素成分、密度、水分等测量方面具有稳定、可靠、精准等特点，其检测数据能够对生产过程智能决策起到关键的作用。因此，随着矿物加工领域智能化建设工作的深入，生产过程中某些检测点对于核在线检测仪表的需求也逐渐显现出来。例如，在石灰石矿山开采方面，中子活化在线多元素分析仪与车辆智能调度系统相融合，根据矿山地质数据，实现石灰石矿山的智能开采[12]。

图6 采用中子活化多元素分析仪进行矿山智能开采

另外，在煤炭的智能分选、水泥智能配料、烧结智能配料、黑色及有色浮选等行业，基于元素分析的核在线检测仪表在提高产品合格率、产品回收率以及节能减排等方面，发挥出了非常重要的作用，表现巨大的市场潜力。下图为用于选煤厂煤炭智能分选的在线煤质检测设备，此分析仪能够在线精准检测煤中的灰分、全硫、灰成分等指标的含量，对于入洗原煤均质化以及精煤灰分智能回控等方面有重要作用，可有效提升选煤厂的精煤产率，与控制系统相结合，每年为选煤厂创造千万元以上的经济效益[13]。

图7 用于煤炭智能分选的精准煤质在线分析仪

下图为用于水泥厂智能配料的在线多元素分析仪，以及用于浮选智能控制的X荧光在线分析仪[14-15]。

图8 用于水泥厂智能配料的在线多元素分析仪

图9 用于浮选控制的X荧光在线分析仪

5 结语

在线核检测仪表在矿物加工领域以其性能可靠、结果准确的特点，使其伴随矿物加工行业的要求和发展而在不断地发展，另一方面，使用手续的繁琐性以及严格的监管要求，使矿物加工企业对在线核检测仪表的排斥心理不断加深，在矿物加工企业内部出现了“去核”的思想，部分限制了在线核检测仪表的发展。在未来的发展中，在线核检测仪表需要发挥自己精准检测的特点，紧紧与自动控制和智能控制相结合，延长仪表的生命周期，同时加紧与其他技术的融合，取长补短，进一步提升优势和特点，才能在未来的发展中立于不败之地。