報廢金屬在線自動分選系統(tǒng)的研究

付伊蒙 孟竟 江早

摘要：本文論述的報廢金屬在線自動分選系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和識別原理，利用 X 射線透射技術(shù)有效地解決不同粒度鋁鎂合金等報廢金屬的分選問題。測試結(jié)果及長期運(yùn)行表明，該系統(tǒng)對鋁合金的識別準(zhǔn)確率高達(dá) 95%，對鋅合金的識別率可達(dá) 90%以上。

關(guān)鍵字： 雙能 X 射線 報廢金屬分選 在線識別

1 引言

目前，國內(nèi)的廢金屬回收分選主要采用傳統(tǒng)的人工分選、磁選、渦電流分選及色選等，但隨著金屬成分越來越復(fù)雜，上述分選方法難以滿足再生金屬資源循環(huán)利用的行業(yè)需求，基于X射線透射原理的分選方法應(yīng)運(yùn)而生。 X射線透射技術(shù)不受物質(zhì)表面狀況影響，只需要提取物料特征和物質(zhì)所含元素成分的原子序數(shù)，即可有效分選鑄造鋁合金、鍛造鋁合金、鎂合金、銅等金屬元素。

荷蘭德爾福特理工大學(xué)的M.B. Mesina[1]，T.P.R.deDong[2]和W.L. Dalmin[3]等將雙能X 射線探測器、光學(xué)相機(jī)與電磁傳感器等多傳感器進(jìn)行結(jié)合，進(jìn)行廢金屬物料的高速有效分選。雙能X 射線透射技術(shù)利用R值方法，根據(jù)與物質(zhì)有效原子序數(shù)相關(guān)的特征值劃分出物料的種類范圍[4]。但廢金屬分選要求能夠準(zhǔn)確判定物料對應(yīng)哪一種金屬種類，而R值算法容易受物料厚度影響。

本文提出的報廢金屬自動分選系統(tǒng)，采用智能融合分選技術(shù)，通過采集報廢金屬物料的X射線數(shù)據(jù)，進(jìn)行特征分析，計算得到優(yōu)化的分選判別模型，對報廢金屬材料進(jìn)行分選操作。以鋁鎂金屬分選為例，采用報廢金屬自動分選系統(tǒng)進(jìn)行分選，產(chǎn)品雜質(zhì)率低于2%。

2 報廢金屬自動分選系統(tǒng)設(shè)計

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

報廢金屬自動分選系統(tǒng)由檢測系統(tǒng)、識別系統(tǒng)及分選系統(tǒng)三部分構(gòu)成。

（1）檢測系統(tǒng)包括傳送系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。傳送系統(tǒng)包括料斗、排隊機(jī)構(gòu)、傳送帶;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由X射線源和雙能探測器構(gòu)成。報廢物塊從料斗落到傳送帶上，隨傳送帶運(yùn)動，經(jīng)排隊機(jī)構(gòu)進(jìn)行分離、排序，以便物料能夠通過雙能x射線具有上下對應(yīng)幾何結(jié)構(gòu)的通道。

（2）識別系統(tǒng)主要包括上位機(jī)、數(shù)據(jù)分析軟件等，是整個系統(tǒng)的核心。將檢測系統(tǒng)采集到的物料數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，進(jìn)行分析處理，對采集到的物塊進(jìn)行識別和判斷，并將結(jié)果發(fā)送至分選系統(tǒng)。

（3）分選系統(tǒng)包括儲氣罐、氣閥、物料斗等。根據(jù)識別結(jié)果對不同材質(zhì)的物料進(jìn)行噴吹，實現(xiàn)對報廢金屬原料的區(qū)分、篩選。

2.2 報廢金屬在線識別原理

X射線透射分選方法解決鋁鋅物塊粒度變化的識別難題，其識別分析結(jié)果有效，識別方法實時。X射線射入物質(zhì)中時，根據(jù)Lambert定律，對衰減程度可作如下描述：

其中，I0為傳送帶空載時X射線強(qiáng)度;I為X射線光束與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生衰減后的強(qiáng)度;t表示X射線透射物質(zhì)的有效厚度;ρ表示物質(zhì)密度;μm為物質(zhì)固有屬性，表示物質(zhì)的質(zhì)量衰減系數(shù)。在低能區(qū)域，X射線的質(zhì)量衰減系數(shù)分別為：

鋁屬于低原子序數(shù)物質(zhì)（，），鋅屬于高原子序數(shù)物質(zhì)（，），根據(jù)這一性質(zhì)，可實現(xiàn)由X射線對物質(zhì)種類的識別。代入式（2）并計算比值，可得到對應(yīng)R值。

其中，μmL與μmH分別為高、低能X射線透射某一物質(zhì)的質(zhì)量衰減系數(shù);IL0與IL分別表示低能X射線透射待測物料之前、之后的強(qiáng)度;IH0與IH分別表示高能X射線透射待測物料之前、之后的強(qiáng)度。

由式（3）可知，可根據(jù)R值大小來區(qū)分待測物料類型，低能X射線的透射強(qiáng)度IL與R值間相關(guān)性更大[4]。但在實際工業(yè)應(yīng)用中，待測金屬物料通常為合金材料，基于IL與R值的識別算法對于報廢金屬的識別是否真正有效還需要通過實驗進(jìn)行驗證。

3 實驗結(jié)果與分析

為驗證本文所述系統(tǒng)在實際工業(yè)應(yīng)用中是否可行，使用小批量樣本采集鋁合金與鋅合金的IL與R值數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果如下：鋁合金MinR=0.793171，MaxR =1.87859，MinI=3990，MaxI=49736;鋅合金MinR=0.48515，MaxR=1.88559，MinI=3990，MaxI=50212。

通過IL與R值對報廢金屬進(jìn)行識別，分別使用200塊成分比例不同的報廢金屬原料作為實驗物料，識別結(jié)果分別如下表所示。

由表可知，使用本文所述系統(tǒng)進(jìn)行識別，鋁合金原料識別率可達(dá)95%以上，鋅合金識別率可達(dá)90%以上，識別效果穩(wěn)定，準(zhǔn)確率高，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)的實際需求。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)采用非接觸式全自動識別方法，基于雙能X射線透射技術(shù)的報廢金屬在線自動分選系統(tǒng)，通過R值和低能X 射線透射能量值確定報廢金屬類型，消除了物料厚度對識別物料準(zhǔn)確性的影響。經(jīng)實際工業(yè)生產(chǎn)測試，本系統(tǒng)能夠正確識別出鋁合金和鋅合金類金屬物料，具備實際應(yīng)用能力。

參考文獻(xiàn)

[1] M.B. Mesina.Automatic sorting of scrap metals with a combined electromagnetic and dual energy X- ray transmission sensor[ J] . International Journal of Mineral Processing， 2007 （ 4 ） ： 222 ～232 .

[2] 毛冬輝，葉文華，熊田忠，王祺奧，顧瑞華.雙能 X 射線識別金屬物料的 R 值曲線擬合算法[J].機(jī)械制造與自動化，2017，46（05）：160-162+166.

[3] W.L.Dalmijn， T.P.R.de Jong. A method and apparatus for analysing and sorting a flow of material [ M ].Patent WO2002050521， 2002.

[4] 基于雙能 X 射線安檢設(shè)備的危險品識別系統(tǒng)研究[D]. 張文，中北大學(xué)，2018.