一種基于X射線的銅礦與脈石分離系統

袁雄兵

(長沙有色冶金設計研究院有限公司，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，目前國內大多數銅礦生產企業在選礦工藝流程前未對脈石進行分離，少部分企業靠人工憑經驗把脈石挑選出來。如果不對脈石進行分離，那么會影響破碎、磨浮的生產能力，對破碎機、磨機等設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健康。鑒此，文中提出了一種基于X射線和Judge系統的銅礦與脈石的分離系統，該系統能實現脈石的全自動辨識及分離。

1 系統工作原理

物料流程見圖1。原礦自給礦設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射線發射裝置發射出合適能量的X射線，經原礦吸收和散射后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射線的光信號轉換為電信號，再采用數據采集卡接收來自探測器的電信號并將其轉化后通過TCP局域網傳遞給控制系統。該機構的主要工作流程為：上位機控制X射線源發出一定強度的X射線來透射原礦，X射線探測器接收到經原礦吸收和散射后的X射線信號并將其轉化為電信號傳遞給數據收集卡，數據收集卡將電信號轉化為數字信號并通過局域網將其傳遞給控制系統形成圖像。通過系統預先設定的閾值，經Judge系統辨識后，即可對原礦是銅礦還是脈石做出判斷。控制器控制礦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，照在物質上時，僅一部分被物質所吸收，大部分經由原子間隙而透過，表現出很強的穿透能力。X射線穿透物質的能力與X射線光子的能量有關，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密度有關，利用差別吸收這種性質可以把密度不同的物質區分開來。

相關理論表明，X射線強度的衰減率與其穿過物質的厚度成正比，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；

t—被穿過物體的厚度。

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

μ=τ+σ

(2)

式中：

τ—線性吸收系數，代表因物質發生對射線的吸收而導致射線的衰減；

σ—散射系數，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，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，因此線性衰減系數與物質的密度成正比。

μ*=μ/ρ

(3)

式中：

μ*—質量吸收系數；

ρ—物體的密度。

物質的質量吸收系數僅與波長和物質本身有關，當波長一定時，同一種物體的μ*為常數。

質量吸收系數具有加和性，當物質由單一組分構成時，μ*為該組分的質量吸收系數，當物質是由多組分構成的混合物時，其質量吸收系數滿足下列公式：

(4)

式中：

N—組成物質的組分個數；

xi—混合物中各組分中的占比；

研究表明，質量吸收系數是射線波長和物質原子序數的相關函數，滿足下列關系式：

μ*=K·λ3Z4

(5)

式中：

K—常數；

Z—被透射物質的原子序數；

λ—波長。

當X射線的波長越長或原子序數越大時，質量吸收系數就越大，射線衰減程度也就越大。

X射線源發出一定強度的X射線來透射原礦，探測器接收到經原礦吸收和散射后的X射線信號并將其轉化為電信號傳遞給數據收集卡，數據收集卡將電信號轉化為數字信號并通過局域網將其傳遞給控制系統形成圖像。通過系統預先設定的閾值，經控制系統辨識后，即可對原礦是礦石還是脈石做出判斷。

3 系統構成

3.1 硬件部分

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

圖2 系統硬件配置圖

系統的主要目標是實現銅礦和脈石的辨識及分離，提高銅礦石的質量。系統主要分為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射線發生器、X射線探測器、給礦設備編碼器、輸送皮帶編碼器等。工作流程為：礦石和脈石經給礦設備送至輸送皮帶，X射線發生器工作后發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，是整個系統的核心，主要通過工控機及Judge系統對采集到的數據進行分析和處理，發出礦石分離信號。

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系統預先設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系統的銅礦和脈石分離系統選用Simatic WinCC v7.5作為開發工具，PLC選用西門子S7-1500系列，PLC程序開發環境為TIA PortalV13，系統軟件流程見圖3。

圖3 系統軟件流程圖

軟件功能包括：變頻器初始化設置，實時控制銅礦石和脈石數據的采集、顯示和處理，對結果和數據進行統計及保存，給礦設備速度反饋及調節，輸送皮帶速度反饋及調節，礦石脈石分離動作等。

3.3 Judge系統部分

Judge系統部分主要包括系統交互接口、海量數據庫、解釋機、Judge系統咨詢判斷機、知識庫、知識編譯機等內容，見圖4。X射線探測器將探測到的數據通過數據采集卡將數據送至控制系統，經Judge系統交互接口再傳送至Judge系統海量數據庫，Judge系統咨詢判斷機對數據進行推理判斷，并給出結果，系統解釋機把結果解釋并通過Judge系統交互接口告訴控制系統，因該結果明確的區分了銅礦和脈石，控制系統根據該結果啟動分離裝置電機來分離銅礦和脈石。同時，專業工程師可把有經驗且正確的數據通過系統交互接口經知識編譯機后送至知識庫，可不斷充實完善Judge系統咨詢判斷機的功能，提高判斷速度和準確性。

圖4 Judge系統工作原理圖

4 結 語

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

(2)Judge系統根據系統知識庫來精確辨識銅礦和脈石，同時可通過輸入專業工程師的經驗和數據來不斷充實和完善知識庫。

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