趙 龍

(1.吉林大學(xué)物理學(xué)院；2.丹東東方測控技術(shù)股份有限公司)

瞬發(fā)伽瑪中子活化分析技術(shù)(PGNAA)是一種快速、無接觸多元素分析技術(shù)。目前，PGNAA技術(shù)在水泥、煤炭檢測領(lǐng)域應(yīng)用已比較成熟[1-7]，其跨皮帶式檢測裝置可同時分析傳送皮帶上物料中的Ca、Si、Fe、Al、Mg、K、Na、S等多種元素，可為工業(yè)自動控制提供實(shí)時分析數(shù)據(jù)，指導(dǎo)工業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)控制。

燒結(jié)礦作為煉鐵的主要原料，其質(zhì)量的提升直接影響煉鐵廠的產(chǎn)能和效益。數(shù)據(jù)表明，高爐原料堿度波動值由0.1降至0.075時，高爐增產(chǎn)1.5個百分點(diǎn)，焦比降低0.8個百分點(diǎn)[8]。當(dāng)前，受制于在線檢測儀表的缺失，國內(nèi)燒結(jié)廠對于配料的控制，主要采用人工或半人工方式進(jìn)行計(jì)算和控制。這種控制方法存在嚴(yán)重的滯后性，一般滯后約4 h，當(dāng)控制室發(fā)現(xiàn)堿度大幅波動后已生產(chǎn)了大量的劣質(zhì)燒結(jié)礦，同時由于返礦的因素，操作人員需較長時間將堿度恢復(fù)到合理范圍，有時甚至出現(xiàn)過調(diào)的情況，從而影響燒結(jié)礦的穩(wěn)定率。

將中子活化技術(shù)應(yīng)用到燒結(jié)配料過程控制中，實(shí)時在線檢測燒結(jié)混合料的堿度指標(biāo)，根據(jù)實(shí)時堿度檢測值實(shí)時控制石灰石的下料配比，形成全自動閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)降低燒結(jié)成品礦堿度波動的目的，提升燒結(jié)成品礦品質(zhì)，最終提升煉鐵廠的產(chǎn)能和效益。

1 蒙特卡洛方法模擬仿真

燒結(jié)成礦的主要成分為TFe、CaO、SiO2[9]，主要元素為Fe、Ca、Si 3種元素，這3種元素的熱中子俘獲總截面以及特征峰能量數(shù)據(jù)見表1。由于燒結(jié)料的主量元素為鐵元素，鐵元素具有較強(qiáng)的伽馬射線自屏蔽效應(yīng)[10-11]，由表1也可看到鐵元素的熱中子俘獲截面也較大，故其同時存在較強(qiáng)的中子自吸收效應(yīng)。由于存在自吸收效應(yīng)，各元素品位檢測結(jié)果隨被測物料厚度增加將呈現(xiàn)非線性關(guān)系，當(dāng)厚度增加到一定程度時，各元素品位檢測值將出現(xiàn)拐點(diǎn)，通過蒙特卡洛方法可以仿真計(jì)算出這個拐點(diǎn)厚度。

表1 各元素特征峰能量

首先，通過蒙特卡洛方法模擬仿真樣品能譜，模擬仿真模型見圖1。通過蒙特卡洛仿真軟件模擬仿真不同物料厚度，記錄3種元素的特征峰計(jì)數(shù)。Fe、Si、Ca元素的特征峰計(jì)數(shù)隨物料厚度變化曲線分別見圖2～圖4。

圖1 蒙特卡洛模擬分析模型

圖2 Fe峰計(jì)數(shù)隨物料厚度變化曲線

圖3 Si峰計(jì)數(shù)隨物料厚度變化曲線

圖4 Ca峰計(jì)數(shù)隨物料厚度變化曲線

由圖2～圖4可見，各個元素特征峰計(jì)數(shù)與物料厚度呈二次曲線關(guān)系，即隨著厚度的增加，特征峰計(jì)數(shù)達(dá)到飽和。

通過二次項(xiàng)公式可以計(jì)算得到各個元素的飽和厚度，見表2。

表2 各元素飽和厚度

最佳檢測厚度必須小于飽和厚度。燒結(jié)混合皮帶上的混合料厚度約為15～20 cm，此厚度小于各個元素的飽和厚度，試驗(yàn)選用18 cm做為試驗(yàn)物料厚度。

2 檢測試驗(yàn)

2.1 靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的PGNAA分析儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5，放射源采用Cf-252自發(fā)中子裂變源，探測器采用大體積閃爍體探測器。TFe、CaO、SiO2、堿度標(biāo)定曲線見圖6～圖9。

圖5 PGNAA分析儀系統(tǒng)構(gòu)成

圖6 全鐵標(biāo)定曲線

圖7 氧化鈣標(biāo)定曲線

圖8 二氧化硅標(biāo)定曲線

圖9 堿度標(biāo)定曲線

由圖6～圖9可見，各個指標(biāo)的線性度均超過0.99，尤其是SiO2含量和堿度，其線性度達(dá)到1，這說明中子活化分析儀對燒結(jié)混合料中的主要元素指標(biāo)具有極高的靈敏度。

2.2 動態(tài)對照試驗(yàn)

將分析儀安裝在國內(nèi)某燒結(jié)廠的二混后的轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶處，檢測燒結(jié)混合料中的TFe品位、CaO含量、SiO2含量、堿度，混合料供應(yīng)1臺360平燒結(jié)機(jī)，分析儀安裝點(diǎn)至燒結(jié)成品礦用時約2.5 h，對比分析儀檢測結(jié)果與燒結(jié)成品礦化驗(yàn)結(jié)果，對比曲線見圖10～圖13。

圖10 全鐵動態(tài)對比曲線

圖11 氧化鈣動態(tài)對比曲線

圖12 二氧化硅動態(tài)對比曲線

圖13 堿度動態(tài)對比曲線

由圖10～圖13可見，中子活化分析儀在燒結(jié)廠的實(shí)際應(yīng)用效果非常理想，檢測結(jié)果具有較高的精確度。試驗(yàn)證明，應(yīng)用PGNAA技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對燒結(jié)混合料中的TFe品位、SiO2含量、CaO含量和堿度等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時在線檢測。

3 結(jié) 論

通過應(yīng)用中子活化技術(shù)檢測了燒結(jié)混合料的TFe品位、CaO含量、SiO2含量、堿度等指標(biāo)，燒結(jié)混合料中的水分含量也是燒結(jié)生產(chǎn)過程中非常重要的指標(biāo)，而中子測量水分含量[12-13]具有極高的檢測精度，中子活化技術(shù)采用價格昂貴的252Cf自發(fā)裂變中子源，應(yīng)用其產(chǎn)生的中子測量燒結(jié)混合料中的水分含量在理論上應(yīng)具有較高的靈敏度。試驗(yàn)下一步將會在PGNAA裝置上加裝3He管，監(jiān)測中子通量變化，從而實(shí)時檢測燒結(jié)混合料中水分含量，解決燒結(jié)配料中的水分含量檢測難題。