應用PGNAA技術對燒結混合料成分的檢測試驗*

趙 龍

(1.吉林大學物理學院；2.丹東東方測控技術股份有限公司)

瞬發伽瑪中子活化分析技術(PGNAA)是一種快速、無接觸多元素分析技術。目前，PGNAA技術在水泥、煤炭檢測領域應用已比較成熟[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，可為工業自動控制提供實時分析數據，指導工業優化生產控制。

燒結礦作為煉鐵的主要原料，其質量的提升直接影響煉鐵廠的產能和效益。數據表明，高爐原料堿度波動值由0.1降至0.075時，高爐增產1.5個百分點，焦比降低0.8個百分點[8]。當前，受制于在線檢測儀表的缺失，國內燒結廠對于配料的控制，主要采用人工或半人工方式進行計算和控制。這種控制方法存在嚴重的滯后性，一般滯后約4 h，當控制室發現堿度大幅波動后已生產了大量的劣質燒結礦，同時由于返礦的因素，操作人員需較長時間將堿度恢復到合理范圍，有時甚至出現過調的情況，從而影響燒結礦的穩定率。

將中子活化技術應用到燒結配料過程控制中，實時在線檢測燒結混合料的堿度指標，根據實時堿度檢測值實時控制石灰石的下料配比，形成全自動閉環控制，從而實現降低燒結成品礦堿度波動的目的，提升燒結成品礦品質，最終提升煉鐵廠的產能和效益。

1 蒙特卡洛方法模擬仿真

燒結成礦的主要成分為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據見表1。由于燒結料的主量元素為鐵元素，鐵元素具有較強的伽馬射線自屏蔽效應[10-11]，由表1也可看到鐵元素的熱中子俘獲截面也較大，故其同時存在較強的中子自吸收效應。由于存在自吸收效應，各元素品位檢測結果隨被測物料厚度增加將呈現非線性關系，當厚度增加到一定程度時，各元素品位檢測值將出現拐點，通過蒙特卡洛方法可以仿真計算出這個拐點厚度。

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種元素的特征峰計數。Fe、Si、Ca元素的特征峰計數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峰計數隨物料厚度變化曲線

圖3 Si峰計數隨物料厚度變化曲線

圖4 Ca峰計數隨物料厚度變化曲線

由圖2～圖4可見，各個元素特征峰計數與物料厚度呈二次曲線關系，即隨著厚度的增加，特征峰計數達到飽和。

通過二次項公式可以計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，試驗選用18 cm做為試驗物料厚度。

2 檢測試驗

2.1 靜態標定試驗

試驗采用的PGNAA分析儀系統結構見圖5，放射源采用Cf-252自發中子裂變源，探測器采用大體積閃爍體探測器。TFe、CaO、SiO2、堿度標定曲線見圖6～圖9。

圖5 PGNAA分析儀系統構成

圖6 全鐵標定曲線

圖7 氧化鈣標定曲線

圖8 二氧化硅標定曲線

圖9 堿度標定曲線

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

2.2 動態對照試驗

將分析儀安裝在國內某燒結廠的二混后的轉運皮帶處，檢測燒結混合料中的TFe品位、CaO含量、SiO2含量、堿度，混合料供應1臺360平燒結機，分析儀安裝點至燒結成品礦用時約2.5 h，對比分析儀檢測結果與燒結成品礦化驗結果，對比曲線見圖10～圖13。

圖10 全鐵動態對比曲線

圖11 氧化鈣動態對比曲線

圖12 二氧化硅動態對比曲線

圖13 堿度動態對比曲線

由圖10～圖13可見，中子活化分析儀在燒結廠的實際應用效果非常理想，檢測結果具有較高的精確度。試驗證明，應用PGNAA技術可以實現對燒結混合料中的TFe品位、SiO2含量、CaO含量和堿度等指標進行實時在線檢測。

3 結 論

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