摘要
我國鋁土礦質量波動較大，急需引入在線
檢測儀表實時檢測鋁土礦質量，提高
氧化鋁工業智能化控制水平。在河南某大型
氧化鋁生產企業應用基于PGNAA技術原理的鋁土礦質量在線分析儀，分析儀安裝于鋁土礦石輸送皮帶上，對礦石成分實時檢測，從而對鋁土礦原料進行品質評定。通過與取樣化驗值對比表明，在線分析儀檢測精度達到氧化鋁生產企業對鋁土礦質量的檢測需求。
作者及單位
吳志強， 劉永超， 李巖峰， 尚慶敏， 宋青鋒， 趙進， 林開源
丹東東方測控技術股份有限公司
引用格式
[1]吳志強,劉永超,李巖峰等.在線分析儀在鋁土礦質量檢測中的應用[J].現代礦業,2023,39(06):13-16.
正文
氧化鋁工業是我國有色冶金工業領域的重要產業，對國民經濟發展起著至關重要作用。我國鋁土礦儲量豐富，主要分布山西、山東、河北、河南、貴州、廣西等省區。雖然我國鋁土礦石儲量大，但是鋁土礦品位質量較差且變化范圍較大，Al2O3含量主要在48%~70%波動，鋁硅比在3~12 波動。鋁土礦原料的品位過大波動，容易引起氧化鋁工業生產工藝不穩定和能耗增加，必須對鋁土礦質量進行化驗與檢測，及時采取均化與優化搭配的手段進行控制，從而降低鋁土礦品位波動對氧化鋁生產的影響。
目前大部分氧化鋁生產企業普遍采用人工取樣和化驗室化驗的方式進行鋁土礦質量檢測，存在取樣代表性不強、化驗結果嚴重滯后的問題，不能及時根據鋁土礦品位變化情況進行后續工藝的有效調整與控制，造成能耗過大、工藝不穩定。為了提高生產效率和降低能耗，急需引入在線檢測儀表實時檢測鋁土礦原料的成分，對鋁土礦原料進行在線質量檢測，穩定氧化鋁原料質量指標，從而在工序上實現提高效率、節能降耗的目的?；赑GNAA 技術原理的在線分析儀可實現鋁土礦成分在線質量檢測，能夠將長達幾小時的取樣與化驗周期縮小到1 min，從根本上解決現有鋁土礦質量檢測方式的滯后性問題。
1 在線分析儀檢測原理
在線分析儀采用中子活化瞬發伽馬分析(PGNAA)技術原理，以跨帶式結構安裝在皮帶傳輸機上，用于實時檢測鋁土礦中Al2O3、SiO2、Fe2O3、S等氧化物或元素含量成分。中子源發射中子，中子轟擊物料中原子核，與之發生俘獲反應，形成復合核。中子被俘獲之后，原子核處于激發態，隨即發射一個或幾個瞬發伽馬射線，然后復合核回到基態，或變成放射性核素。瞬發伽馬射線的能量與新形成核的中子結合能有關，所以元素放出特征能量的伽馬射線。瞬發伽馬射線被探測器接收，形成光脈沖信號，經過模數轉換，形成能譜，通過主機的分析軟件對能譜進行解析，分析出物料中各元素含量。以探測瞬發伽馬射線進行元素分析的方法，稱為“瞬發伽馬中子活化分析”(PGNAA)，如圖1所示。
圖1 中子活化瞬發伽瑪分析(PGNAA)技術原弄
在線分析儀用于鋁土礦在線質量檢測，可以取消取樣環節，無須人工操作，每分鐘即可給出分析結果，從而實現原料品質評定、原料分類以及優化配料等功能，進而提高氧化鋁生產企業的工藝控制水平，達到節能降耗、提高產量的目的。
2 在線分析儀組成和現場安裝
2.1 在線分析儀組成
在線分析儀主要包括測量裝置、中子源、探測器、信號處理柜、主機等，如圖2所示。
測量裝置采用模塊式框架結構設計，能夠適應工業現場不同規格皮帶的安裝。測量裝置主要由利于中子活化瞬發伽馬分析(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射的中子射線在分析儀測量區域內通過率最大化，增大PGNAA 反應效率，提高在線分析儀測量靈敏性。屏蔽材料主要對中子射線和次生伽馬射線進行輻射防護，使裝置本體1 m 以外劑量當量率小于2.5 uSv/h，以符合《含密封源儀表的衛生防護標準》的要求。
通常采用252Cf中子源為激勵源，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，通常為直徑約1cm、長約1 cm 的圓柱體源芯，源芯通過導管從裝置側面插入密封的放射源室內，并在源室外面配備安全聯鎖裝置，以保證源的安全。252Cf 的放射性活度隨時間變小，半衰期為2.6 a，需要每隔2.6 a 時間補充1 枚19 微克252Cf，以達到初始活度。除了252Cf 中子源作為激勵源外，還可以選擇241Am-Be中子源和D-D、D-T中子發生器等作為激勵源。
探測器用于接收來自被照射物料產生的特征γ射線，探測器信號通過電纜傳送至信號處理柜。探測器系統采用高分辨率、高通過率的大尺寸閃爍晶體，每秒鐘能夠接收約30萬個脈沖信號，保證高效的探測效率與測量靈敏度。為保證探測器的長期增益穩定性，探測器采用精密的溫度控制措施，溫度常年控制在高于環境溫度的某個恒定溫度，通常為40±0.5 ℃。
信號處理柜內有高壓電源、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自探測器的光脈沖通過整形、濾波、模數轉換等高速處理，上傳至主機形成PGNAA 能譜。信號處理柜內部具備排風與加熱裝置，并配置溫度傳感器自動對柜內溫度進行檢測和控制，保證信號處理柜內各電子處理單元工作在合理的溫度范圍內。
主機主要采集來自多道分析器的PGNAA 能譜，并對能譜進行線性回歸分析，提取出能譜中各元素對應的特征射線強度，根據特征射線強度的大小計算出物料中各元素的實時含量。主機分析軟件實時顯示物料各元素含量值，并根據含量變化情況指導和調整工藝生產參數。
2.2 在線分析儀安裝
2.2.1 安裝與工藝要求
(1)皮帶要求。皮帶無鋼絲、不含氯，成分均勻，無裂損。皮帶出現跑偏可以及時修正。接頭采用硫化粘接方法，修補時采用同型號皮帶、同材質皮帶。
(2)信號處理室建造要求。在距離分析儀20 m內建設磚房或彩板房作為信號處理室，用于儲存標準樣品、信號處理柜。信號處理室要求密封保溫，并配備空調。室內設電源箱，箱內設三路斷路器。為信號處理柜預埋專用接地線，接地電阻小于4 Ω。
(3)化驗要求。在線分析儀動態校準過程中，要保證取樣、制樣的一致性、代表性及化驗的準確性，取樣的樣品需采用2份取樣對比，且需保留備樣。在線分析儀性能測試期間，如果測試結果超出指標范圍，需要對取制樣及化驗進行驗證，并進行合理的去除，或者對取制樣及化驗誤差進行計算，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。要求整個料流連續、均勻、穩定，防止堵料、斷料情況發生。
(5)定量給料機。配備定量給料機，給料精度達到0.5%，皮帶載荷恒定控制在100 kg/m 以上的某個載荷。定量給料機動態給料精度為±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構，不需切割皮帶，可方便地繞皮帶安裝。運行時，皮帶從測量裝置內托槽上滑過，對流經的所有物料進行檢測，整個檢測過程不需取樣，不接觸物料，不影響皮帶運行，即時給出成分結果，如圖3所示。信號處理柜安裝于測量裝置旁，主機安裝于主控室。
3 鋁土礦質量檢測流程及效果
3.1 氧化鋁生產工藝要求
鋁土礦的質量好壞直接關系到氧化鋁企業的生產經濟效益，主要表現為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，系統物流量增大，大部分工序的折合比增加。礦石硅含量等雜質所占比例增大，也可使一些生產設備結疤更加嚴重，進而使工序能耗增大。有研究表明，拜耳法生產的能耗隨礦石鋁硅比的增大呈降低趨勢。為此，引入在線分析儀實時檢測入廠鋁土礦石品位波動，通過優化搭配，將入磨鋁土礦的鋁硅比波動控制在一定范圍內，從而穩定各工序能耗，達到節能減耗的目的。
3.2 在線分析儀在線檢測
鋁土礦石在礦山開采后，由運輸車輛按計劃、分批次入廠，經破碎機破碎后進入均化堆，再搭配生石灰、母液進行粉磨、分離、焙燒，最終生產出Al2O3。在線分析儀安裝于破碎機卸料倉后的原料輸送皮帶上，當礦石隨皮帶通過分析儀時，分析儀能夠迅速檢測出礦石中Al2O3、SiO2、Fe2O3、S等成分含量及鋁硅比(A/S)，根據生產設定等級標準進行等級評定，并根據等級大小分類堆放，為后續工藝提供準確的礦石成分參考數據。
3.3 在線分析儀檢測數據傳輸流程
在線分析儀主機用于入廠鋁土礦石的質量檢測，實時檢測結果采用OPC 通訊協議與工廠DCS 系統進行數據傳輸與顯示功能，數據讀取流程如下：
(1)礦石車司機到達采樣區域。
(2)礦石車司機刷過磅卡或身份證，DCS 系統采集并匹配司機與采樣物料相關信息。
(3)礦石車到達破碎機下料口卸料，DCS 系統生成對應時間的車輛與樣品信息，生成對應的信息數據庫。
(4)在線分析儀軟件系統通過 OPC 通訊方式讀取DCS系統采集的車輛與樣品等信息。
(5)在線分析儀對皮帶上輸送鋁土礦石進行檢測，檢測結果存入信息數據庫，供 DCS 系統調用和顯示，用于車輛礦石品位質量結算、分類堆放或優化配料。
3.4 檢測效果分析
在河南某大型氧化鋁生產企業應用該在線分析儀，檢測入廠鋁土礦石質量品位，實現入廠鋁土礦石質量結算與優化控制功能。為驗證在線分析儀檢測性能，將在線分析儀檢測結果與皮帶自動取樣機的取樣化驗結果進行對比。皮帶上安裝自動取樣機，10 min為一個待測樣的采樣周期，每2 min取樣一次，采集有代表性的鋁土礦樣品送化驗室進行化驗。在線分析儀采集對應10 min 內的平均分析結果。將在線分析儀檢測值與取樣化驗值進行對比，結果如圖4所示。
各氧化物的在線分析儀檢測值與取樣化驗值對比 的 相 關 性R2 與 均 方 差 如 表1 所 示。Al2O3、SiO2、Fe2O3、S 的含量相關性分別為0.92、0.75、0.90 和0.91，相關性均大于0.7，說明對比趨勢較好，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。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%，檢測精度達到鋁土礦石質量檢測需求?？梢愿鶕X土礦石的實時檢測結果按品位等級進行分類堆放，然后結合自動配料系統將不同品位等級的鋁土礦石按照比例進行優化方案搭配，最終將入磨鋁土礦石的主要質量指標鋁硅比控制在±0.3范圍內。
4 結語
(1)通過在線分析儀檢測值與取樣化驗值對比數據表明，Al2O3、SiO2、Fe2O3、S 等含量對比趨勢較好，相關性達到0.7 以上，各元素均方差低于1.0%，檢測精度達到氧化鋁生產企業對鋁土礦質量檢測需求?；赑GNAA 技術原理的鋁土礦在線分析儀能夠實現對鋁土礦原料進行品質評定，最終實現原料分類以及優化配料等功能。
(2)在線分析儀實時檢測鋁土礦石品位波動，將人工取樣與化驗的長達幾小時的檢測周期縮小到1 min，從根本上解決原來鋁土礦質量檢測方式的滯后性，穩定氧化鋁原料質量指標，結合自動配料控制系統，可將質量指標鋁硅比控制在±0.3范圍內，從而穩定各工序能耗，達到節能減耗的目的。
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