一種基于X射線的銅礦與脈石分離系統(tǒng)

袁雄兵

(長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410011)

0 引 言

銅礦開采方式主要有露天開采和地下開采，采場開采出來的礦石未經(jīng)破碎、磨浮工藝處理前稱為原礦，原礦一般由銅礦、脈石等組成。原礦開采出來后送至破碎、磨礦、浮選、脫水等選礦工藝流程得到銅精礦，目前國內(nèi)大多數(shù)銅礦生產(chǎn)企業(yè)在選礦工藝流程前未對脈石進行分離，少部分企業(yè)靠人工憑經(jīng)驗把脈石挑選出來。如果不對脈石進行分離，那么會影響破碎、磨浮的生產(chǎn)能力，對破碎機、磨機等設(shè)備的壽命和能力也將帶來不利影響。人工分離脈石勞動效率低、勞動強度大，且容易漏選，同時也影響職工的職業(yè)健康。鑒此，文中提出了一種基于X射線和Judge系統(tǒng)的銅礦與脈石的分離系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實現(xiàn)脈石的全自動辨識及分離。

1 系統(tǒng)工作原理

物料流程見圖1。原礦自給礦設(shè)備通過礦石輸送皮帶往下一工序輸送，在輸送過程中平鋪直線勻速前進。礦石輸送皮帶上方的X射線發(fā)射裝置發(fā)射出合適能量的X射線，經(jīng)原礦吸收和散射后X射線有一定程度的衰減，再用X探測器探測衰減后的X射線信號，并將X射線的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再采用數(shù)據(jù)采集卡接收來自探測器的電信號并將其轉(zhuǎn)化后通過TCP局域網(wǎng)傳遞給控制系統(tǒng)。該機構(gòu)的主要工作流程為：上位機控制X射線源發(fā)出一定強度的X射線來透射原礦，X射線探測器接收到經(jīng)原礦吸收和散射后的X射線信號并將其轉(zhuǎn)化為電信號傳遞給數(shù)據(jù)收集卡，數(shù)據(jù)收集卡將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并通過局域網(wǎng)將其傳遞給控制系統(tǒng)形成圖像。通過系統(tǒng)預先設(shè)定的閾值，經(jīng)Judge系統(tǒng)辨識后，即可對原礦是銅礦還是脈石做出判斷?？刂破骺刂频V石分離裝置對銅礦和脈石進行分離。

圖1 物料流程示意圖

2 X射線辨識機理分析

X射線是一種波長極短，能量很大的電磁波，X射線的波長比可見光的波長更短(約0.001～10nm)。因其波長短，能量大，照在物質(zhì)上時，僅一部分被物質(zhì)所吸收，大部分經(jīng)由原子間隙而透過，表現(xiàn)出很強的穿透能力。X射線穿透物質(zhì)的能力與X射線光子的能量有關(guān)，X射線的波長越短，光子的能量越大，穿透力越強。X射線的穿透力也與物質(zhì)密度有關(guān)，利用差別吸收這種性質(zhì)可以把密度不同的物質(zhì)區(qū)分開來。

相關(guān)理論表明，X射線強度的衰減率與其穿過物質(zhì)的厚度成正比，當某特定波長的X射線以I0強度穿過厚度為t的物體時滿足下列衰減公式，Lambert-Beer定律。

I=I0×e-μt

(1)

式中：

I—射線衰減后的強度；

I0—射線的入射強度；

μ—物體的線性衰減系數(shù)；

t—被穿過物體的厚度。

由于X射線的衰減通常被認為物質(zhì)對射線的吸收與散射共同作用的效果，因此衰減系數(shù)被認為是吸收系數(shù)與散射系數(shù)的加和。

μ=τ+σ

(2)

式中：

τ—線性吸收系數(shù)，代表因物質(zhì)發(fā)生對射線的吸收而導致射線的衰減；

σ—散射系數(shù)，代表因散射而導致的射線衰減。

因在射線的實際衰減過程中，由散射導致的衰減遠小于由吸收導致的衰減，因此常將σ忽略，認為μ=τ。

通常與物體的組成及射線的波長有關(guān)，由于吸收作用實際上是X射線中的光子與路徑中的原子、電子相互作用，因此線性衰減系數(shù)與物質(zhì)的密度成正比。

μ*=μ/ρ

(3)

式中：

μ*—質(zhì)量吸收系數(shù)；

ρ—物體的密度。

物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)僅與波長和物質(zhì)本身有關(guān)，當波長一定時，同一種物體的μ*為常數(shù)。

質(zhì)量吸收系數(shù)具有加和性，當物質(zhì)由單一組分構(gòu)成時，μ*為該組分的質(zhì)量吸收系數(shù)，當物質(zhì)是由多組分構(gòu)成的混合物時，其質(zhì)量吸收系數(shù)滿足下列公式：

(4)

式中：

N—組成物質(zhì)的組分個數(shù)；

xi—混合物中各組分中的占比；

研究表明，質(zhì)量吸收系數(shù)是射線波長和物質(zhì)原子序數(shù)的相關(guān)函數(shù)，滿足下列關(guān)系式：

μ*=K·λ3Z4

(5)

式中：

K—常數(shù)；

Z—被透射物質(zhì)的原子序數(shù)；

λ—波長。

當X射線的波長越長或原子序數(shù)越大時，質(zhì)量吸收系數(shù)就越大，射線衰減程度也就越大。

X射線源發(fā)出一定強度的X射線來透射原礦，探測器接收到經(jīng)原礦吸收和散射后的X射線信號并將其轉(zhuǎn)化為電信號傳遞給數(shù)據(jù)收集卡，數(shù)據(jù)收集卡將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并通過局域網(wǎng)將其傳遞給控制系統(tǒng)形成圖像。通過系統(tǒng)預先設(shè)定的閾值，經(jīng)控制系統(tǒng)辨識后，即可對原礦是礦石還是脈石做出判斷。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 硬件部分

基于X射線和Judge系統(tǒng)的銅礦與脈石分離系統(tǒng)硬件主要由給礦設(shè)備電機及變頻器、輸送皮帶電機及變頻器、給礦設(shè)備編碼器、輸送皮帶編碼器、PLC、礦石分離裝置電機、工控機、Judge系統(tǒng)、X射線發(fā)生器、X射線探測器等組成，見圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件配置圖

系統(tǒng)的主要目標是實現(xiàn)銅礦和脈石的辨識及分離，提高銅礦石的質(zhì)量。系統(tǒng)主要分為3個部分：檢測部分，識別控制部分和礦石脈石分離部分。

3.1.1 檢測部分

包括X射線發(fā)生器、X射線探測器、給礦設(shè)備編碼器、輸送皮帶編碼器等。工作流程為：礦石和脈石經(jīng)給礦設(shè)備送至輸送皮帶，X射線發(fā)生器工作后發(fā)出一定強度和能力的X射線，透過原礦后衰減，X射線探測器對衰減后的X射線進行探測，經(jīng)處理后傳送至控制器。

3.1.2 識別控制部分

包括工控機及Judge系統(tǒng)，是整個系統(tǒng)的核心，主要通過工控機及Judge系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，發(fā)出礦石分離信號。

3.1.3 礦石廢石分離部分

包括PLC、變頻器、礦廢分離電機等，通過PLC系統(tǒng)預先設(shè)定的軟件對銅礦石和脈石進行判斷。如果判斷目標為脈石，工控機發(fā)出控制信號，啟動礦廢分離電機，擊打廢石使其偏離原來的軌道，落實廢石料斗；如果判斷目標為銅礦石，則礦廢分離電機不動作，銅礦石自然落入礦石料斗。從而實現(xiàn)銅礦石和廢石的有效分離。

3.2 軟件部分

基于X射線和Judge系統(tǒng)的銅礦和脈石分離系統(tǒng)選用Simatic WinCC v7.5作為開發(fā)工具，PLC選用西門子S7-1500系列，PLC程序開發(fā)環(huán)境為TIA PortalV13，系統(tǒng)軟件流程見圖3。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

軟件功能包括：變頻器初始化設(shè)置，實時控制銅礦石和脈石數(shù)據(jù)的采集、顯示和處理，對結(jié)果和數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計及保存，給礦設(shè)備速度反饋及調(diào)節(jié)，輸送皮帶速度反饋及調(diào)節(jié)，礦石脈石分離動作等。

3.3 Judge系統(tǒng)部分

Judge系統(tǒng)部分主要包括系統(tǒng)交互接口、海量數(shù)據(jù)庫、解釋機、Judge系統(tǒng)咨詢判斷機、知識庫、知識編譯機等內(nèi)容，見圖4。X射線探測器將探測到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)送至控制系統(tǒng)，經(jīng)Judge系統(tǒng)交互接口再傳送至Judge系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)庫，Judge系統(tǒng)咨詢判斷機對數(shù)據(jù)進行推理判斷，并給出結(jié)果，系統(tǒng)解釋機把結(jié)果解釋并通過Judge系統(tǒng)交互接口告訴控制系統(tǒng)，因該結(jié)果明確的區(qū)分了銅礦和脈石，控制系統(tǒng)根據(jù)該結(jié)果啟動分離裝置電機來分離銅礦和脈石。同時，專業(yè)工程師可把有經(jīng)驗且正確的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)交互接口經(jīng)知識編譯機后送至知識庫，可不斷充實完善Judge系統(tǒng)咨詢判斷機的功能，提高判斷速度和準確性。

圖4 Judge系統(tǒng)工作原理圖

4 結(jié) 語

(1)提出一種由X射線發(fā)生器、X射線探測器、工控機、PLC、Judge系統(tǒng)、變頻器、編碼器、電機等組成的銅礦脈石分離系統(tǒng)，根據(jù)不同密度及原子序數(shù)的物質(zhì)對X射線吸收差異化的原理，實現(xiàn)自動辨識和自動分離。

(2)Judge系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)知識庫來精確辨識銅礦和脈石，同時可通過輸入專業(yè)工程師的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)來不斷充實和完善知識庫。

(3)PLC根據(jù)Judge系統(tǒng)辨識結(jié)果，控制相應的變頻器和電機，把脈石分離出來。研究表明，該系統(tǒng)能利用X射線實現(xiàn)銅礦脈石的辨識和分離，具有一定的推廣應用價值。