報(bào)廢汽車(chē)回收X 射線(xiàn)分選技術(shù)研究進(jìn)展與應(yīng)用

羅宗彬，劉劍雄，陳大林

（650504 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

分選是報(bào)廢汽車(chē)回收的核心環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的報(bào)廢汽車(chē)分選技術(shù)通?；诔叽?、磁性、導(dǎo)電性等物理性質(zhì)的差異，對(duì)破碎回收物料進(jìn)行分選，雖取得一定的分選效果，但對(duì)性質(zhì)接近的物料分選精度較低[1-3]。為進(jìn)一步提升物料分選回收效率，研究人員于回收流程中引入X 射線(xiàn)分選技術(shù)并對(duì)其展開(kāi)研究。

X 射線(xiàn)分選是一類(lèi)利用X 射線(xiàn)識(shí)別物質(zhì)原子序數(shù),再利用機(jī)械分離物質(zhì)的自動(dòng)分選技術(shù)，具有分選范圍廣、分選精度高等特點(diǎn)[4]。近年來(lái)，隨著X 射線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，X 射線(xiàn)分選展示出巨大的應(yīng)用潛力并不斷深入報(bào)廢汽車(chē)回收領(lǐng)域。本文介紹了X 射線(xiàn)分選技術(shù)的原理、特點(diǎn)與缺陷。綜述了國(guó)內(nèi)外回收領(lǐng)域X 射線(xiàn)分選技術(shù)在物質(zhì)識(shí)別、分選效率方面的研究進(jìn)展與設(shè)備應(yīng)用狀況，對(duì)X 射線(xiàn)分選技術(shù)的發(fā)展做了展望。

1 X 射線(xiàn)分選技術(shù)概述

1.1 X 射線(xiàn)分選技術(shù)分類(lèi)與原理

X 射線(xiàn)分選技術(shù)由X 射線(xiàn)物質(zhì)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展而來(lái)，主要包括X 射線(xiàn)檢測(cè)識(shí)別技術(shù)和機(jī)械裝備分選技術(shù)兩部分，根據(jù)X 射線(xiàn)檢測(cè)識(shí)別物質(zhì)原理的不同，可分為透射識(shí)別分選法（XRT）與輻射識(shí)別分選法（XRF）[5]。

X 射線(xiàn)透射識(shí)別分選法基于X 射線(xiàn)透射識(shí)別原理識(shí)別物質(zhì)[6]。X 射線(xiàn)穿透物質(zhì)后，射線(xiàn)能量產(chǎn)生衰減。其衰減程度與物質(zhì)原子序數(shù)、透射厚度、射線(xiàn)入射能量等參數(shù)有著對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)相關(guān)算法測(cè)定射線(xiàn)能量的衰減變化，可得物質(zhì)原子序數(shù)。根據(jù)識(shí)別物質(zhì)時(shí)使用射線(xiàn)數(shù)量的不同，透射分選法可進(jìn)一步分為單能透射法、雙能透射法、多視角透射法。目前報(bào)廢汽車(chē)回收中主要使用雙能透射識(shí)別法[7]，采取高低兩種能量的X 射線(xiàn)透射識(shí)別同種物質(zhì)。雙能透射識(shí)別算法分為2 種：R 值算法與曲線(xiàn)擬合算法。R 值算法表達(dá)式為

式中：μH，μL——物質(zhì)對(duì)高能和低能X 射線(xiàn)的吸收系數(shù)；IH0，IL0——高能和低能X 射線(xiàn)透射前強(qiáng)度信號(hào)值；IH，IL——透射后強(qiáng)度信號(hào)值；R 則與物質(zhì)原子序數(shù)唯一對(duì)應(yīng)，最后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式即可測(cè)算物質(zhì)原子序數(shù)。

曲線(xiàn)擬合法將不同厚度的高低能透射信號(hào)值為坐標(biāo)繪制數(shù)據(jù)圖，擬合出物質(zhì)識(shí)別線(xiàn)，在識(shí)別物質(zhì)時(shí)，根據(jù)其高低能信號(hào)的對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)判定物質(zhì)的種類(lèi)。

X 射線(xiàn)輻射識(shí)別分選法也稱(chēng)X 射線(xiàn)熒光分選法，基于X 射線(xiàn)熒光光譜分析原理，直接檢測(cè)物質(zhì)元素[8-9]。一定能量的X 射線(xiàn)照射物質(zhì)時(shí)，與物質(zhì)表面原子相互作用并激發(fā)其內(nèi)層電子，使其躍遷，產(chǎn)生只與其自身原子序數(shù)有關(guān)的特征X 射線(xiàn)（二次射線(xiàn)）或產(chǎn)生可見(jiàn)熒光。根據(jù)莫塞萊定律，對(duì)特征射線(xiàn)的光譜參數(shù)或熒光顏色進(jìn)行分析，即可測(cè)得物質(zhì)元素種類(lèi)。

1.2 報(bào)廢汽車(chē)X 射線(xiàn)分選應(yīng)用流程

目前，報(bào)廢汽車(chē)X 射線(xiàn)透射分選技術(shù)主要應(yīng)用于有色金屬物料的分選，在破碎電機(jī)、含銅導(dǎo)線(xiàn)等復(fù)雜物料的分選中也有不同程度的應(yīng)用。X射線(xiàn)輻射分選設(shè)備主要用于分選塑料、橡膠等回收材料[10-11]。X 射線(xiàn)分選技術(shù)具體應(yīng)用流程及分選物料種類(lèi)如圖1 所示。

圖1 X 射線(xiàn)分選物料應(yīng)用流程圖Fig.1 X-ray sorting material application flow chart

雙能透射識(shí)別法理論上可以分辨所有元素種類(lèi)，但實(shí)際應(yīng)用中X 射線(xiàn)為連續(xù)光譜，其能量在某一范圍內(nèi)不斷變化，透射物質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生厚度效應(yīng)與射線(xiàn)束硬化效應(yīng)，最終降低物質(zhì)的識(shí)別準(zhǔn)確度。報(bào)廢汽車(chē)破碎物料元素成分、形態(tài)復(fù)雜，表面常被涂料、污垢等覆蓋，也會(huì)使識(shí)別效果產(chǎn)生誤差。

2 X 射線(xiàn)分選技術(shù)研究進(jìn)展

國(guó)外學(xué)者通常采取實(shí)驗(yàn)手段，探索X 射線(xiàn)識(shí)別分選具體物料的效果并作出改進(jìn)。Mesina[12]等對(duì)報(bào)廢汽車(chē)鋁、鎂、銅、不銹鋼等破碎物料進(jìn)行雙能透射實(shí)驗(yàn)，采集不同金屬高低透射信號(hào)值，擬合不同金屬的識(shí)別曲線(xiàn)并計(jì)算識(shí)別效率，根據(jù)結(jié)果總結(jié)出雙能透射分選法于幾種非鐵磁性金屬間的應(yīng)用效果，如表1 所示：其中＋＋為非常好；＋為中等；－則為效果較差。得出結(jié)論，雙能X射線(xiàn)透射法對(duì)銅等重質(zhì)金屬識(shí)別效率不高，更適合于輕質(zhì)金屬的識(shí)別分選。

表1 X 射線(xiàn)透射分選非鐵磁性金屬物料Tab.2 Non-ferrous scrap metals sorting effect with the XRT

Jeroen[13]等運(yùn)用蒙特卡洛軟件，以有色金屬與塑料為對(duì)象，通過(guò)設(shè)置600 種探測(cè)器、管電壓與濾波器的參數(shù)組合，模擬出物料的虛擬透射曲線(xiàn)，與實(shí)際曲線(xiàn)對(duì)比確定偏差范圍。根據(jù)偏差調(diào)整仿真參數(shù)，優(yōu)化物質(zhì)曲線(xiàn)擬合算法。Takezawa[14]等結(jié)合雙能透射與電磁感應(yīng)法，對(duì)7種不同成分的鋁合金材料進(jìn)行識(shí)別分類(lèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)X 射線(xiàn)波長(zhǎng)與濾波片厚度的方式提升辨識(shí)準(zhǔn)確度，成功將其分為6 類(lèi)。Brunner[15]等基于X 射線(xiàn)光譜分析原理，向3 種不同類(lèi)別報(bào)廢回收塑料中加入熒光示蹤劑，利用X 射線(xiàn)傳感器識(shí)別示蹤熒光參數(shù)，進(jìn)而確定塑料種類(lèi)。Braibant[16]等設(shè)計(jì)了一套多傳感器識(shí)別自動(dòng)分選系統(tǒng)，綜合X 射線(xiàn)透射、輻射、近紅外光譜分析及3D 相機(jī)照射技術(shù)，對(duì)破碎金屬物料的顏色、尺寸、元素種類(lèi)等進(jìn)行采集判定，最后使用自動(dòng)機(jī)械爪揀選分離物料。Shuji[17]結(jié)合X 射線(xiàn)透射、輻射分選技術(shù)，對(duì)混合鋁合金進(jìn)行分類(lèi)回收，先采取透射法分選出包含重金屬雜質(zhì)的鋁合金，再使用輻射法分類(lèi)出6063 型鋁合金，鋁合金總體回收率達(dá)94%。

國(guó)內(nèi)學(xué)者主要在物質(zhì)識(shí)別算法、裝備結(jié)構(gòu)、分選工藝等方面對(duì)X 射線(xiàn)分選展開(kāi)探索與研究。葉文華團(tuán)隊(duì)[18-21]以報(bào)廢汽車(chē)的回收銅、鋁為對(duì)象，對(duì)雙能透射分選技術(shù)做了深入研究工作。研究主要包括物料識(shí)別算法、設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制程序開(kāi)發(fā)。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并搭建了分選實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用噴氣式分離裝置。在算法方面，利用物料特征R值與低能透射值為橫縱坐標(biāo)，創(chuàng)建多項(xiàng)式擬合識(shí)別曲線(xiàn)，加大不同識(shí)別曲線(xiàn)間的間隔，減小了曲線(xiàn)重疊對(duì)識(shí)別的影響，如圖2 所示。銅、鋁的可識(shí)別厚度范圍也分別擴(kuò)大到 2～40 mm 和 5～60 mm。提出了一種自適應(yīng)中值濾波法，降低了隨機(jī)噪聲對(duì)信號(hào)探測(cè)的干擾。最后基于VS 工具，開(kāi)發(fā)了具備射線(xiàn)發(fā)射探測(cè)設(shè)備與物料運(yùn)輸裝置控制功能的分選系統(tǒng)軟件，運(yùn)用圖像數(shù)據(jù)分析計(jì)算物料動(dòng)態(tài)位置?？傮w研究較為深入，但實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c具體應(yīng)用對(duì)象在外形尺寸與元素組成方面仍有差異，對(duì)分離執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作參數(shù)也有待進(jìn)一步研究。

圖2 改進(jìn)前后物質(zhì)識(shí)別曲線(xiàn)圖Fig.2 Substance identification curves before and after improvement

此外，昝雪松[22]對(duì)破碎物料氣動(dòng)分離機(jī)構(gòu)做了設(shè)計(jì)與優(yōu)化，以報(bào)廢汽車(chē)不銹鋼破碎料為分選對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論計(jì)算，調(diào)整優(yōu)化了氣動(dòng)噴嘴的外形尺寸、噴射速度、噴射時(shí)間等參數(shù)，使不銹鋼分選純凈度達(dá)到80%，編寫(xiě)了氣動(dòng)機(jī)構(gòu)控制程序。張進(jìn)[7]以有機(jī)玻璃、鋁合金、鉛為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分析了雙能X 射線(xiàn)透射識(shí)別的R 值算法與隸屬度函數(shù)判定法在實(shí)際應(yīng)用中的不足之處，提出一種基材料分解算法，使原子序數(shù)計(jì)算誤差縮小至5%以?xún)?nèi)。李睿哲[23]等提出了一種重疊物質(zhì)分層成像算法。通過(guò)計(jì)算材料衰減系數(shù)，建立重疊材料數(shù)據(jù)庫(kù)的方式，令重疊物質(zhì)投影分解為多個(gè)物質(zhì)單層投影。項(xiàng)安[24]等運(yùn)用蒙特卡羅軟件模擬射線(xiàn)透射過(guò)程，優(yōu)化了高能射線(xiàn)的濾波參數(shù)，計(jì)算出銅濾波片的最佳厚度。張慧[25]等通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真得出了6 種材料的識(shí)別曲線(xiàn)。一些學(xué)者對(duì)國(guó)外報(bào)廢汽車(chē)X 射線(xiàn)分選技術(shù)做了報(bào)道，并提出相關(guān)建議。王春[26]等報(bào)道了X 射線(xiàn)分選技術(shù)的原理及其在鋁合金與聚氯乙烯材料回收中的優(yōu)異表現(xiàn)。周春芳[27]在破碎金屬分選生產(chǎn)線(xiàn)中提出使用X 射線(xiàn)輻射法分選鋁合金。魏擎霄[28]基于國(guó)內(nèi)報(bào)廢汽車(chē)回收現(xiàn)狀，根據(jù)破碎物料間物理性質(zhì)的不同，設(shè)計(jì)了X射線(xiàn)分選技術(shù)工藝。

綜上所述，X 射線(xiàn)分選技術(shù)的研究集中于識(shí)別算法層面，提升物料的識(shí)別準(zhǔn)確度與識(shí)別精度，但對(duì)識(shí)別速度的研究較少，目前，國(guó)外學(xué)者已開(kāi)始探索多傳感器聯(lián)合X 射線(xiàn)共同識(shí)別復(fù)雜破碎物料，且國(guó)內(nèi)研究大多以理論推導(dǎo)為主，在裝備結(jié)構(gòu)、分選工藝、硬件參數(shù)等方面均有涉及，但針對(duì)具體物料的實(shí)驗(yàn)觀(guān)察與探究不夠深入。

3 X 射線(xiàn)分選過(guò)程及設(shè)備應(yīng)用

3.1 X 射線(xiàn)分選技術(shù)工作過(guò)程

X 射線(xiàn)分選工作流程主要包括物料進(jìn)給輸送、物料探測(cè)識(shí)別、設(shè)備控制、物料分選4 個(gè)環(huán)節(jié)。如圖3 所示，給料裝置將待分選混合物料均勻分布于輸送帶表面，由皮帶輸送穿過(guò)X 射線(xiàn)探測(cè)區(qū)間，射線(xiàn)源發(fā)射一定能量的X 射線(xiàn)束，由準(zhǔn)直器校準(zhǔn)后穿透待分選物料，經(jīng)濾波器后被探測(cè)器接收。探測(cè)系統(tǒng)截面圖如圖4 所示。

圖3 X 射線(xiàn)分選技術(shù)工作流程圖Fig.3 X-ray sorting technology work flow chart

圖4 X 射線(xiàn)探測(cè)系統(tǒng)橫截面圖Fig.4 X-ray detection system cross section

探測(cè)器將射線(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后傳遞至識(shí)別控制單元，將信號(hào)帶入算法后測(cè)出物料具體種類(lèi)，根據(jù)分選需求向分離裝置發(fā)出動(dòng)作指令，改變物料運(yùn)動(dòng)軌跡使其落入不同的回收倉(cāng)，完成分選。

3.2 X 射線(xiàn)分選設(shè)備及應(yīng)用

20 世紀(jì)60 年代，蘇聯(lián)就開(kāi)發(fā)了X 射線(xiàn)熒光分選設(shè)備并應(yīng)用于礦石分選領(lǐng)域[9]。美國(guó)礦務(wù)局曾于20 世紀(jì)80 年代使用X 射線(xiàn)光譜儀等設(shè)備對(duì)報(bào)廢飛機(jī)金屬?gòu)U料進(jìn)行識(shí)別分類(lèi)[29]，但未有后續(xù)報(bào)道。在此期間，一些公司生產(chǎn)了X 射線(xiàn)分選設(shè)備，但僅用于煤炭、礦石分選領(lǐng)域。21 世紀(jì)初開(kāi)始出現(xiàn)針對(duì)報(bào)廢汽車(chē)回收的X 射線(xiàn)分選裝備[30]，如圖5 所示。目前國(guó)外X 射線(xiàn)分選設(shè)備的研發(fā)廠(chǎng)家有瑞典Tomra 公司、德國(guó)Steinert 公司、意大利SGM 公司等，各設(shè)備之間的外形結(jié)構(gòu)類(lèi)似，但適用分選物料尺寸、種類(lèi)有所區(qū)別，一些設(shè)備曾添了色彩攝像機(jī)與電磁傳感器等設(shè)備進(jìn)一步提升識(shí)別效率。由于分選設(shè)備體積較大，功耗偏高，一些公司研制了便攜式X 射線(xiàn)光譜分析設(shè)備[31]。根據(jù)被測(cè)材料元素調(diào)節(jié)射線(xiàn)波長(zhǎng)，快速識(shí)別物質(zhì)元素種類(lèi)。通常應(yīng)用于人工揀選環(huán)節(jié)。

圖5 報(bào)廢汽車(chē)X 射線(xiàn)分選裝備Fig.5 X-ray sorting equipment for scrapped cars

國(guó)外部分回收企業(yè)已將X 射線(xiàn)分選裝備應(yīng)用于報(bào)廢汽車(chē)回收中。如美國(guó)LKQ 集團(tuán)將其用于汽車(chē)有色金屬的分選，單設(shè)備回收速度達(dá)15 t/h；歐洲EMR公司將其用于汽車(chē)零件二次回收分選。國(guó)內(nèi)汽車(chē)回收企業(yè)眾多，但X 射線(xiàn)分選設(shè)備的應(yīng)用較少。

4 結(jié)論與展望

X 射線(xiàn)分選作為一種適應(yīng)性強(qiáng)、分選精度較高的自動(dòng)分選技術(shù)，已在汽車(chē)回收、垃圾分選、礦石分選等諸多領(lǐng)域成功應(yīng)用。由于報(bào)廢汽車(chē)回收物料的復(fù)雜程度不斷增加，目前X 射線(xiàn)分選技術(shù)仍以物質(zhì)檢測(cè)識(shí)別研究為主,國(guó)內(nèi)學(xué)者可建立復(fù)雜物質(zhì)識(shí)別模型，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)其識(shí)別機(jī)理深入探究。隨著研究深入與技術(shù)不斷突破，未來(lái)X 射線(xiàn)識(shí)別將結(jié)合激光檢測(cè)、圖像識(shí)別、近紅外等技術(shù)提高物質(zhì)識(shí)別效果。其研究方向?qū)⒅饾u轉(zhuǎn)移到物質(zhì)信息快速識(shí)別處理、分選系統(tǒng)精確控制等層面，由不同物料之間的分選拓展到不同尺寸、不同品級(jí)的同類(lèi)物料間的分選。

近年來(lái)，我國(guó)報(bào)廢汽車(chē)回收產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，自動(dòng)分選設(shè)備的應(yīng)用前景愈加廣闊。國(guó)內(nèi)X 射線(xiàn)分選技術(shù)已具備一定的理論基礎(chǔ)與應(yīng)用條件，可通過(guò)引入國(guó)外先進(jìn)技術(shù)設(shè)備、借鑒吸收其他領(lǐng)域技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的方式，開(kāi)發(fā)X 射線(xiàn)分選裝備，提升我國(guó)報(bào)廢汽車(chē)回收利用效率。