在线分析仪在铝土矿质量检测中的应用

2023-09-05 10:35:00 来源：金属矿山

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简介：我国铝土矿质量波动较大，急需引入在线检测仪表实时检测铝土矿质量，提高氧化铝工业智能化控制水平。在河南某大型氧化铝生产企业应用基于PGNAA技术原理的铝土矿质量在线分析仪，分析仪安装于铝土矿石输送皮带上，对矿石成分实时检测，从而对铝土矿原料进行品质评定。通过与取样化验值对比表明，在线分析仪检测精度达到氧化铝生产企业对铝土矿质量的检测需求。

摘要

我国铝土矿质量波动较大，急需引入在线检测仪表实时检测铝土矿质量，提高氧化铝工业智能化控制水平。在河南某大型氧化铝生产企业应用基于PGNAA技术原理的铝土矿质量在线分析仪，分析仪安装于铝土矿石输送皮带上，对矿石成分实时检测，从而对铝土矿原料进行品质评定。通过与取样化验值对比表明，在线分析仪检测精度达到氧化铝生产企业对铝土矿质量的检测需求。

作者及单位

吴志强，刘永超，李岩峰，尚庆敏，宋青锋，赵进，林开源

丹东东方测控技术股份有限公司

引用格式

[1]吴志强,刘永超,李岩峰等.在线分析仪在铝土矿质量检测中的应用[J].现代矿业,2023,39(06):13-16.

正文

氧化铝工业是我国有色冶金工业领域的重要产业，对国民经济发展起着至关重要作用。我国铝土矿储量丰富，主要分布山西、山东、河北、河南、贵州、广西等省区。虽然我国铝土矿石储量大，但是铝土矿品位质量较差且变化范围较大，Al2O3含量主要在48%~70%波动，铝硅比在3~12 波动。铝土矿原料的品位过大波动，容易引起氧化铝工业生产工艺不稳定和能耗增加，必须对铝土矿质量进行化验与检测，及时采取均化与优化搭配的手段进行控制，从而降低铝土矿品位波动对氧化铝生产的影响。

目前大部分氧化铝生产企业普遍采用人工取样和化验室化验的方式进行铝土矿质量检测，存在取样代表性不强、化验结果严重滞后的问题，不能及时根据铝土矿品位变化情况进行后续工艺的有效调整与控制，造成能耗过大、工艺不稳定。为了提高生产效率和降低能耗，急需引入在线检测仪表实时检测铝土矿原料的成分，对铝土矿原料进行在线质量检测，稳定氧化铝原料质量指标，从而在工序上实现提高效率、节能降耗的目的。基于PGNAA 技术原理的在线分析仪可实现铝土矿成分在线质量检测，能够将长达几小时的取样与化验周期缩小到1 min，从根本上解决现有铝土矿质量检测方式的滞后性问题。

1 在线分析仪检测原理

在线分析仪采用中子活化瞬发伽马分析(PGNAA)技术原理，以跨带式结构安装在皮带传输机上，用于实时检测铝土矿中Al2O3、SiO2、Fe2O3、S等氧化物或元素含量成分。中子源发射中子，中子轰击物料中原子核，与之发生俘获反应，形成复合核。中子被俘获之后，原子核处于激发态，随即发射一个或几个瞬发伽马射线，然后复合核回到基态，或变成放射性核素。瞬发伽马射线的能量与新形成核的中子结合能有关，所以元素放出特征能量的伽马射线。瞬发伽马射线被探测器接收，形成光脉冲信号，经过模数转换，形成能谱，通过主机的分析软件对能谱进行解析，分析出物料中各元素含量。以探测瞬发伽马射线进行元素分析的方法，称为“瞬发伽马中子活化分析”(PGNAA)，如图1所示。

图1 中子活化瞬发伽玛分析(PGNAA)技术原弄

在线分析仪用于铝土矿在线质量检测，可以取消取样环节，无须人工操作，每分钟即可给出分析结果，从而实现原料品质评定、原料分类以及优化配料等功能，进而提高氧化铝生产企业的工艺控制水平，达到节能降耗、提高产量的目的。

2 在线分析仪组成和现场安装

2.1 在线分析仪组成

在线分析仪主要包括测量装置、中子源、探测器、信号处理柜、主机等，如图2所示。

测量装置采用模块式框架结构设计，能够适应工业现场不同规格皮带的安装。测量装置主要由利于中子活化瞬发伽马分析(PGNAA)的慢化、反射与屏蔽材料等组成，其中慢化、反射材料主要为高密度聚乙烯和石墨组成，而屏蔽材料主要为含硼聚乙烯、铋和铅组成。慢化、反射材料主要功能是将中子源发射的中子射线在分析仪测量区域内通过率最大化，增大PGNAA 反应效率，提高在线分析仪测量灵敏性。屏蔽材料主要对中子射线和次生伽马射线进行辐射防护，使装置本体1 m 以外剂量当量率小于2.5 uSv/h，以符合《含密封源仪表的卫生防护标准》的要求。

通常采用252Cf中子源为激励源，初始活度一般为2 枚19 微克252Cf。252Cf 中子源密封在双层不锈钢外壳内，通常为直径约1cm、长约1 cm 的圆柱体源芯，源芯通过导管从装置侧面插入密封的放射源室内，并在源室外面配备安全联锁装置，以保证源的安全。252Cf 的放射性活度随时间变小，半衰期为2.6 a，需要每隔2.6 a 时间补充1 枚19 微克252Cf，以达到初始活度。除了252Cf 中子源作为激励源外，还可以选择241Am-Be中子源和D-D、D-T中子发生器等作为激励源。

探测器用于接收来自被照射物料产生的特征γ射线，探测器信号通过电缆传送至信号处理柜。探测器系统采用高分辨率、高通过率的大尺寸闪烁晶体，每秒钟能够接收约30万个脉冲信号，保证高效的探测效率与测量灵敏度。为保证探测器的长期增益稳定性，探测器采用精密的温度控制措施，温度常年控制在高于环境温度的某个恒定温度，通常为40±0.5 ℃。

信号处理柜内有高压电源、低压电源、多道分析器和温度控制器等电子处理单元。高压电源与低压电源主要为探测器与多道分析器提供电源供给。多道分析器的主要功能是将来自探测器的光脉冲通过整形、滤波、模数转换等高速处理，上传至主机形成PGNAA 能谱。信号处理柜内部具备排风与加热装置，并配置温度传感器自动对柜内温度进行检测和控制，保证信号处理柜内各电子处理单元工作在合理的温度范围内。

主机主要采集来自多道分析器的PGNAA 能谱，并对能谱进行线性回归分析，提取出能谱中各元素对应的特征射线强度，根据特征射线强度的大小计算出物料中各元素的实时含量。主机分析软件实时显示物料各元素含量值，并根据含量变化情况指导和调整工艺生产参数。

2.2 在线分析仪安装

2.2.1 安装与工艺要求

(1)皮带要求。皮带无钢丝、不含氯，成分均匀，无裂损。皮带出现跑偏可以及时修正。接头采用硫化粘接方法，修补时采用同型号皮带、同材质皮带。

(2)信号处理室建造要求。在距离分析仪20 m内建设砖房或彩板房作为信号处理室，用于储存标准样品、信号处理柜。信号处理室要求密封保温，并配备空调。室内设电源箱，箱内设三路断路器。为信号处理柜预埋专用接地线，接地电阻小于4 Ω。

(3)化验要求。在线分析仪动态校准过程中，要保证取样、制样的一致性、代表性及化验的准确性，取样的样品需采用2份取样对比，且需保留备样。在线分析仪性能测试期间，如果测试结果超出指标范围，需要对取制样及化验进行验证，并进行合理的去除，或者对取制样及化验误差进行计算，并予以误差校正。

(4)料流要求。分析仪前端加装限料器，防止物料撞击分析仪装置。要求整个料流连续、均匀、稳定，防止堵料、断料情况发生。

(5)定量给料机。配备定量给料机，给料精度达到0.5%，皮带载荷恒定控制在100 kg/m 以上的某个载荷。定量给料机动态给料精度为±0.5%，量程为200~1 200 t/h，皮带输送速度为0.5~1.6 m/s，机架使用温度为-15~50 ℃，仪表、控制柜温度为-5~45 ℃。

2.2.2 安装与工艺要求

在线分析仪为模块化结构，不需切割皮带，可方便地绕皮带安装。运行时，皮带从测量装置内托槽上滑过，对流经的所有物料进行检测，整个检测过程不需取样，不接触物料，不影响皮带运行，即时给出成分结果，如图3所示。信号处理柜安装于测量装置旁，主机安装于主控室。

3 铝土矿质量检测流程及效果

3.1 氧化铝生产工艺要求

铝土矿的质量好坏直接关系到氧化铝企业的生产经济效益，主要表现为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。通常采用铝硅比来表示铝土矿中Al2O3与SiO2的含量比值。铝土矿石铝硅比降低，系统物流量增大，大部分工序的折合比增加。矿石硅含量等杂质所占比例增大，也可使一些生产设备结疤更加严重，进而使工序能耗增大。有研究表明，拜耳法生产的能耗随矿石铝硅比的增大呈降低趋势。为此，引入在线分析仪实时检测入厂铝土矿石品位波动，通过优化搭配，将入磨铝土矿的铝硅比波动控制在一定范围内，从而稳定各工序能耗，达到节能减耗的目的。

3.2 在线分析仪在线检测

铝土矿石在矿山开采后，由运输车辆按计划、分批次入厂，经破碎机破碎后进入均化堆，再搭配生石灰、母液进行粉磨、分离、焙烧，最终生产出Al2O3。在线分析仪安装于破碎机卸料仓后的原料输送皮带上，当矿石随皮带通过分析仪时，分析仪能够迅速检测出矿石中Al2O3、SiO2、Fe2O3、S等成分含量及铝硅比(A/S)，根据生产设定等级标准进行等级评定，并根据等级大小分类堆放，为后续工艺提供准确的矿石成分参考数据。

3.3 在线分析仪检测数据传输流程

在线分析仪主机用于入厂铝土矿石的质量检测，实时检测结果采用OPC 通讯协议与工厂DCS 系统进行数据传输与显示功能，数据读取流程如下：

(1)矿石车司机到达采样区域。

(2)矿石车司机刷过磅卡或身份证，DCS 系统采集并匹配司机与采样物料相关信息。

(3)矿石车到达破碎机下料口卸料，DCS 系统生成对应时间的车辆与样品信息，生成对应的信息数据库。

(4)在线分析仪软件系统通过 OPC 通讯方式读取DCS系统采集的车辆与样品等信息。

(5)在线分析仪对皮带上输送铝土矿石进行检测，检测结果存入信息数据库，供 DCS 系统调用和显示，用于车辆矿石品位质量结算、分类堆放或优化配料。

3.4 检测效果分析

在河南某大型氧化铝生产企业应用该在线分析仪，检测入厂铝土矿石质量品位，实现入厂铝土矿石质量结算与优化控制功能。为验证在线分析仪检测性能，将在线分析仪检测结果与皮带自动取样机的取样化验结果进行对比。皮带上安装自动取样机，10 min为一个待测样的采样周期，每2 min取样一次，采集有代表性的铝土矿样品送化验室进行化验。在线分析仪采集对应10 min 内的平均分析结果。将在线分析仪检测值与取样化验值进行对比，结果如图4所示。

各氧化物的在线分析仪检测值与取样化验值对比的相关性R2 与均方差如表1 所示。Al2O3、SiO2、Fe2O3、S 的含量相关性分别为0.92、0.75、0.90 和0.91，相关性均大于0.7，说明对比趋势较好，在线分析仪能够正确反映铝土矿石的各氧化物含量变化趋势。Al2O3、SiO2、Fe2O3、S 的含量均方差RMSD 分别为1.04%、0.63%、0.94%和0.29%，各氧化物含量均方差均小于1.0%，检测精度达到铝土矿石质量检测需求。可以根据铝土矿石的实时检测结果按品位等级进行分类堆放，然后结合自动配料系统将不同品位等级的铝土矿石按照比例进行优化方案搭配，最终将入磨铝土矿石的主要质量指标铝硅比控制在±0.3范围内。

4 结语

(1)通过在线分析仪检测值与取样化验值对比数据表明，Al2O3、SiO2、Fe2O3、S 等含量对比趋势较好，相关性达到0.7 以上，各元素均方差低于1.0%，检测精度达到氧化铝生产企业对铝土矿质量检测需求。基于PGNAA 技术原理的铝土矿在线分析仪能够实现对铝土矿原料进行品质评定，最终实现原料分类以及优化配料等功能。

(2)在线分析仪实时检测铝土矿石品位波动，将人工取样与化验的长达几小时的检测周期缩小到1 min，从根本上解决原来铝土矿质量检测方式的滞后性，稳定氧化铝原料质量指标，结合自动配料控制系统，可将质量指标铝硅比控制在±0.3范围内，从而稳定各工序能耗，达到节能减耗的目的。