摘要

我國(guó)鋁土礦質(zhì)量波動(dòng)較大，急需引入在線檢測(cè)儀表實(shí)時(shí)檢測(cè)鋁土礦質(zhì)量，提高氧化鋁工業(yè)智能化控制水平。在河南某大型氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用基于PGNAA技術(shù)原理的鋁土礦質(zhì)量在線分析儀，分析儀安裝于鋁土礦石輸送皮帶上，對(duì)礦石成分實(shí)時(shí)檢測(cè)，從而對(duì)鋁土礦原料進(jìn)行品質(zhì)評(píng)定。通過(guò)與取樣化驗(yàn)值對(duì)比表明，在線分析儀檢測(cè)精度達(dá)到氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)對(duì)鋁土礦質(zhì)量的檢測(cè)需求。

作者及單位

吳志強(qiáng)， 劉永超， 李巖峰， 尚慶敏， 宋青鋒， 趙進(jìn)， 林開源

丹東東方測(cè)控技術(shù)股份有限公司

引用格式

[1]吳志強(qiáng),劉永超,李巖峰等.在線分析儀在鋁土礦質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè),2023,39(06):13-16.

正文

氧化鋁工業(yè)是我國(guó)有色冶金工業(yè)領(lǐng)域的重要產(chǎn)業(yè)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著至關(guān)重要作用。我國(guó)鋁土礦儲(chǔ)量豐富，主要分布山西、山東、河北、河南、貴州、廣西等省區(qū)。雖然我國(guó)鋁土礦石儲(chǔ)量大，但是鋁土礦品位質(zhì)量較差且變化范圍較大，Al2O3含量主要在48%~70%波動(dòng)，鋁硅比在3~12 波動(dòng)。鋁土礦原料的品位過(guò)大波動(dòng)，容易引起氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)工藝不穩(wěn)定和能耗增加，必須對(duì)鋁土礦質(zhì)量進(jìn)行化驗(yàn)與檢測(cè)，及時(shí)采取均化與優(yōu)化搭配的手段進(jìn)行控制，從而降低鋁土礦品位波動(dòng)對(duì)氧化鋁生產(chǎn)的影響。

目前大部分氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)普遍采用人工取樣和化驗(yàn)室化驗(yàn)的方式進(jìn)行鋁土礦質(zhì)量檢測(cè)，存在取樣代表性不強(qiáng)、化驗(yàn)結(jié)果嚴(yán)重滯后的問(wèn)題，不能及時(shí)根據(jù)鋁土礦品位變化情況進(jìn)行后續(xù)工藝的有效調(diào)整與控制，造成能耗過(guò)大、工藝不穩(wěn)定。為了提高生產(chǎn)效率和降低能耗，急需引入在線檢測(cè)儀表實(shí)時(shí)檢測(cè)鋁土礦原料的成分，對(duì)鋁土礦原料進(jìn)行在線質(zhì)量檢測(cè)，穩(wěn)定氧化鋁原料質(zhì)量指標(biāo)，從而在工序上實(shí)現(xiàn)提高效率、節(jié)能降耗的目的?；赑GNAA 技術(shù)原理的在線分析儀可實(shí)現(xiàn)鋁土礦成分在線質(zhì)量檢測(cè)，能夠?qū)㈤L(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)的取樣與化驗(yàn)周期縮小到1 min，從根本上解決現(xiàn)有鋁土礦質(zhì)量檢測(cè)方式的滯后性問(wèn)題。

1 在線分析儀檢測(cè)原理

在線分析儀采用中子活化瞬發(fā)伽馬分析(PGNAA)技術(shù)原理，以跨帶式結(jié)構(gòu)安裝在皮帶傳輸機(jī)上，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)鋁土礦中Al2O3、SiO2、Fe2O3、S等氧化物或元素含量成分。中子源發(fā)射中子，中子轟擊物料中原子核，與之發(fā)生俘獲反應(yīng)，形成復(fù)合核。中子被俘獲之后，原子核處于激發(fā)態(tài)，隨即發(fā)射一個(gè)或幾個(gè)瞬發(fā)伽馬射線，然后復(fù)合核回到基態(tài)，或變成放射性核素。瞬發(fā)伽馬射線的能量與新形成核的中子結(jié)合能有關(guān)，所以元素放出特征能量的伽馬射線。瞬發(fā)伽馬射線被探測(cè)器接收，形成光脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，形成能譜，通過(guò)主機(jī)的分析軟件對(duì)能譜進(jìn)行解析，分析出物料中各元素含量。以探測(cè)瞬發(fā)伽馬射線進(jìn)行元素分析的方法，稱為“瞬發(fā)伽馬中子活化分析”(PGNAA)，如圖1所示。

圖1 中子活化瞬發(fā)伽瑪分析(PGNAA)技術(shù)原弄

在線分析儀用于鋁土礦在線質(zhì)量檢測(cè)，可以取消取樣環(huán)節(jié)，無(wú)須人工操作，每分鐘即可給出分析結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)原料品質(zhì)評(píng)定、原料分類以及優(yōu)化配料等功能，進(jìn)而提高氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)的工藝控制水平，達(dá)到節(jié)能降耗、提高產(chǎn)量的目的。

2 在線分析儀組成和現(xiàn)場(chǎng)安裝

2.1 在線分析儀組成

在線分析儀主要包括測(cè)量裝置、中子源、探測(cè)器、信號(hào)處理柜、主機(jī)等，如圖2所示。

測(cè)量裝置采用模塊式框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不同規(guī)格皮帶的安裝。測(cè)量裝置主要由利于中子活化瞬發(fā)伽馬分析(PGNAA)的慢化、反射與屏蔽材料等組成，其中慢化、反射材料主要為高密度聚乙烯和石墨組成，而屏蔽材料主要為含硼聚乙烯、鉍和鉛組成。慢化、反射材料主要功能是將中子源發(fā)射的中子射線在分析儀測(cè)量區(qū)域內(nèi)通過(guò)率最大化，增大PGNAA 反應(yīng)效率，提高在線分析儀測(cè)量靈敏性。屏蔽材料主要對(duì)中子射線和次生伽馬射線進(jìn)行輻射防護(hù)，使裝置本體1 m 以外劑量當(dāng)量率小于2.5 uSv/h，以符合《含密封源儀表的衛(wèi)生防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

通常采用252Cf中子源為激勵(lì)源，初始活度一般為2 枚19 微克252Cf。252Cf 中子源密封在雙層不銹鋼外殼內(nèi)，通常為直徑約1cm、長(zhǎng)約1 cm 的圓柱體源芯，源芯通過(guò)導(dǎo)管從裝置側(cè)面插入密封的放射源室內(nèi)，并在源室外面配備安全聯(lián)鎖裝置，以保證源的安全。252Cf 的放射性活度隨時(shí)間變小，半衰期為2.6 a，需要每隔2.6 a 時(shí)間補(bǔ)充1 枚19 微克252Cf，以達(dá)到初始活度。除了252Cf 中子源作為激勵(lì)源外，還可以選擇241Am-Be中子源和D-D、D-T中子發(fā)生器等作為激勵(lì)源。

探測(cè)器用于接收來(lái)自被照射物料產(chǎn)生的特征γ射線，探測(cè)器信號(hào)通過(guò)電纜傳送至信號(hào)處理柜。探測(cè)器系統(tǒng)采用高分辨率、高通過(guò)率的大尺寸閃爍晶體，每秒鐘能夠接收約30萬(wàn)個(gè)脈沖信號(hào)，保證高效的探測(cè)效率與測(cè)量靈敏度。為保證探測(cè)器的長(zhǎng)期增益穩(wěn)定性，探測(cè)器采用精密的溫度控制措施，溫度常年控制在高于環(huán)境溫度的某個(gè)恒定溫度，通常為40±0.5 ℃。

信號(hào)處理柜內(nèi)有高壓電源、低壓電源、多道分析器和溫度控制器等電子處理單元。高壓電源與低壓電源主要為探測(cè)器與多道分析器提供電源供給。多道分析器的主要功能是將來(lái)自探測(cè)器的光脈沖通過(guò)整形、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等高速處理，上傳至主機(jī)形成PGNAA 能譜。信號(hào)處理柜內(nèi)部具備排風(fēng)與加熱裝置，并配置溫度傳感器自動(dòng)對(duì)柜內(nèi)溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制，保證信號(hào)處理柜內(nèi)各電子處理單元工作在合理的溫度范圍內(nèi)。

主機(jī)主要采集來(lái)自多道分析器的PGNAA 能譜，并對(duì)能譜進(jìn)行線性回歸分析，提取出能譜中各元素對(duì)應(yīng)的特征射線強(qiáng)度，根據(jù)特征射線強(qiáng)度的大小計(jì)算出物料中各元素的實(shí)時(shí)含量。主機(jī)分析軟件實(shí)時(shí)顯示物料各元素含量值，并根據(jù)含量變化情況指導(dǎo)和調(diào)整工藝生產(chǎn)參數(shù)。

2.2 在線分析儀安裝

2.2.1 安裝與工藝要求

(1)皮帶要求。皮帶無(wú)鋼絲、不含氯，成分均勻，無(wú)裂損。皮帶出現(xiàn)跑偏可以及時(shí)修正。接頭采用硫化粘接方法，修補(bǔ)時(shí)采用同型號(hào)皮帶、同材質(zhì)皮帶。

(2)信號(hào)處理室建造要求。在距離分析儀20 m內(nèi)建設(shè)磚房或彩板房作為信號(hào)處理室，用于儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)樣品、信號(hào)處理柜。信號(hào)處理室要求密封保溫，并配備空調(diào)。室內(nèi)設(shè)電源箱，箱內(nèi)設(shè)三路斷路器。為信號(hào)處理柜預(yù)埋專用接地線，接地電阻小于4 Ω。

(3)化驗(yàn)要求。在線分析儀動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)過(guò)程中，要保證取樣、制樣的一致性、代表性及化驗(yàn)的準(zhǔn)確性，取樣的樣品需采用2份取樣對(duì)比，且需保留備樣。在線分析儀性能測(cè)試期間，如果測(cè)試結(jié)果超出指標(biāo)范圍，需要對(duì)取制樣及化驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)行合理的去除，或者對(duì)取制樣及化驗(yàn)誤差進(jìn)行計(jì)算，并予以誤差校正。

(4)料流要求。分析儀前端加裝限料器，防止物料撞擊分析儀裝置。要求整個(gè)料流連續(xù)、均勻、穩(wěn)定，防止堵料、斷料情況發(fā)生。

(5)定量給料機(jī)。配備定量給料機(jī)，給料精度達(dá)到0.5%，皮帶載荷恒定控制在100 kg/m 以上的某個(gè)載荷。定量給料機(jī)動(dòng)態(tài)給料精度為±0.5%，量程為200~1 200 t/h，皮帶輸送速度為0.5~1.6 m/s，機(jī)架使用溫度為-15~50 ℃，儀表、控制柜溫度為-5~45 ℃。

2.2.2 安裝與工藝要求

在線分析儀為模塊化結(jié)構(gòu)，不需切割皮帶，可方便地繞皮帶安裝。運(yùn)行時(shí)，皮帶從測(cè)量裝置內(nèi)托槽上滑過(guò)，對(duì)流經(jīng)的所有物料進(jìn)行檢測(cè)，整個(gè)檢測(cè)過(guò)程不需取樣，不接觸物料，不影響皮帶運(yùn)行，即時(shí)給出成分結(jié)果，如圖3所示。信號(hào)處理柜安裝于測(cè)量裝置旁，主機(jī)安裝于主控室。

3 鋁土礦質(zhì)量檢測(cè)流程及效果

3.1 氧化鋁生產(chǎn)工藝要求

鋁土礦的質(zhì)量好壞直接關(guān)系到氧化鋁企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，主要表現(xiàn)為Al2O3和SiO2的含量大小，期望Al2O3含量越高越好，而SiO2的含量越低越好。通常采用鋁硅比來(lái)表示鋁土礦中Al2O3與SiO2的含量比值。鋁土礦石鋁硅比降低，系統(tǒng)物流量增大，大部分工序的折合比增加。礦石硅含量等雜質(zhì)所占比例增大，也可使一些生產(chǎn)設(shè)備結(jié)疤更加嚴(yán)重，進(jìn)而使工序能耗增大。有研究表明，拜耳法生產(chǎn)的能耗隨礦石鋁硅比的增大呈降低趨勢(shì)。為此，引入在線分析儀實(shí)時(shí)檢測(cè)入廠鋁土礦石品位波動(dòng)，通過(guò)優(yōu)化搭配，將入磨鋁土礦的鋁硅比波動(dòng)控制在一定范圍內(nèi)，從而穩(wěn)定各工序能耗，達(dá)到節(jié)能減耗的目的。

3.2 在線分析儀在線檢測(cè)

鋁土礦石在礦山開采后，由運(yùn)輸車輛按計(jì)劃、分批次入廠，經(jīng)破碎機(jī)破碎后進(jìn)入均化堆，再搭配生石灰、母液進(jìn)行粉磨、分離、焙燒，最終生產(chǎn)出Al2O3。在線分析儀安裝于破碎機(jī)卸料倉(cāng)后的原料輸送皮帶上，當(dāng)?shù)V石隨皮帶通過(guò)分析儀時(shí)，分析儀能夠迅速檢測(cè)出礦石中Al2O3、SiO2、Fe2O3、S等成分含量及鋁硅比(A/S)，根據(jù)生產(chǎn)設(shè)定等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等級(jí)評(píng)定，并根據(jù)等級(jí)大小分類堆放，為后續(xù)工藝提供準(zhǔn)確的礦石成分參考數(shù)據(jù)。

3.3 在線分析儀檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸流程

在線分析儀主機(jī)用于入廠鋁土礦石的質(zhì)量檢測(cè)，實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果采用OPC 通訊協(xié)議與工廠DCS 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與顯示功能，數(shù)據(jù)讀取流程如下：

(1)礦石車司機(jī)到達(dá)采樣區(qū)域。

(2)礦石車司機(jī)刷過(guò)磅卡或身份證，DCS 系統(tǒng)采集并匹配司機(jī)與采樣物料相關(guān)信息。

(3)礦石車到達(dá)破碎機(jī)下料口卸料，DCS 系統(tǒng)生成對(duì)應(yīng)時(shí)間的車輛與樣品信息，生成對(duì)應(yīng)的信息數(shù)據(jù)庫(kù)。

(4)在線分析儀軟件系統(tǒng)通過(guò) OPC 通訊方式讀取DCS系統(tǒng)采集的車輛與樣品等信息。

(5)在線分析儀對(duì)皮帶上輸送鋁土礦石進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果存入信息數(shù)據(jù)庫(kù)，供 DCS 系統(tǒng)調(diào)用和顯示，用于車輛礦石品位質(zhì)量結(jié)算、分類堆放或優(yōu)化配料。

3.4 檢測(cè)效果分析

在河南某大型氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用該在線分析儀，檢測(cè)入廠鋁土礦石質(zhì)量品位，實(shí)現(xiàn)入廠鋁土礦石質(zhì)量結(jié)算與優(yōu)化控制功能。為驗(yàn)證在線分析儀檢測(cè)性能，將在線分析儀檢測(cè)結(jié)果與皮帶自動(dòng)取樣機(jī)的取樣化驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。皮帶上安裝自動(dòng)取樣機(jī)，10 min為一個(gè)待測(cè)樣的采樣周期，每2 min取樣一次，采集有代表性的鋁土礦樣品送化驗(yàn)室進(jìn)行化驗(yàn)。在線分析儀采集對(duì)應(yīng)10 min 內(nèi)的平均分析結(jié)果。將在線分析儀檢測(cè)值與取樣化驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

各氧化物的在線分析儀檢測(cè)值與取樣化驗(yàn)值對(duì)比 的 相 關(guān) 性R2 與 均 方 差 如 表1 所 示。Al2O3、SiO2、Fe2O3、S 的含量相關(guān)性分別為0.92、0.75、0.90 和0.91，相關(guān)性均大于0.7，說(shuō)明對(duì)比趨勢(shì)較好，在線分析儀能夠正確反映鋁土礦石的各氧化物含量變化趨勢(shì)。Al2O3、SiO2、Fe2O3、S 的 含 量 均 方 差RMSD 分 別 為1.04%、0.63%、0.94%和0.29%，各氧化物含量均方差均小于1.0%，檢測(cè)精度達(dá)到鋁土礦石質(zhì)量檢測(cè)需求?？梢愿鶕?jù)鋁土礦石的實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果按品位等級(jí)進(jìn)行分類堆放，然后結(jié)合自動(dòng)配料系統(tǒng)將不同品位等級(jí)的鋁土礦石按照比例進(jìn)行優(yōu)化方案搭配，最終將入磨鋁土礦石的主要質(zhì)量指標(biāo)鋁硅比控制在±0.3范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)在線分析儀檢測(cè)值與取樣化驗(yàn)值對(duì)比數(shù)據(jù)表明，Al2O3、SiO2、Fe2O3、S 等含量對(duì)比趨勢(shì)較好，相關(guān)性達(dá)到0.7 以上，各元素均方差低于1.0%，檢測(cè)精度達(dá)到氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)對(duì)鋁土礦質(zhì)量檢測(cè)需求?；赑GNAA 技術(shù)原理的鋁土礦在線分析儀能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鋁土礦原料進(jìn)行品質(zhì)評(píng)定，最終實(shí)現(xiàn)原料分類以及優(yōu)化配料等功能。

(2)在線分析儀實(shí)時(shí)檢測(cè)鋁土礦石品位波動(dòng)，將人工取樣與化驗(yàn)的長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)的檢測(cè)周期縮小到1 min，從根本上解決原來(lái)鋁土礦質(zhì)量檢測(cè)方式的滯后性，穩(wěn)定氧化鋁原料質(zhì)量指標(biāo)，結(jié)合自動(dòng)配料控制系統(tǒng)，可將質(zhì)量指標(biāo)鋁硅比控制在±0.3范圍內(nèi)，從而穩(wěn)定各工序能耗，達(dá)到節(jié)能減耗的目的。