報廢汽車回收X 射線分選技術研究進展與應用

羅宗彬，劉劍雄，陳大林

（650504 云南省 昆明市 昆明理工大學 機電工程學院）

0 引言

分選是報廢汽車回收的核心環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的報廢汽車分選技術通常基于尺寸、磁性、導電性等物理性質(zhì)的差異，對破碎回收物料進行分選，雖取得一定的分選效果，但對性質(zhì)接近的物料分選精度較低[1-3]。為進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 射線分選技術并對其展開研究。

X 射線分選是一類利用X 射線識別物質(zhì)原子序數(shù),再利用機械分離物質(zhì)的自動分選技術，具有分選范圍廣、分選精度高等特點[4]。近年來，隨著X 射線技術的發(fā)展，X 射線分選展示出巨大的應用潛力并不斷深入報廢汽車回收領域。本文介紹了X 射線分選技術的原理、特點與缺陷。綜述了國內(nèi)外回收領域X 射線分選技術在物質(zhì)識別、分選效率方面的研究進展與設備應用狀況，對X 射線分選技術的發(fā)展做了展望。

1 X 射線分選技術概述

1.1 X 射線分選技術分類與原理

X 射線分選技術由X 射線物質(zhì)檢測技術發(fā)展而來，主要包括X 射線檢測識別技術和機械裝備分選技術兩部分，根據(jù)X 射線檢測識別物質(zhì)原理的不同，可分為透射識別分選法（XRT）與輻射識別分選法（XRF）[5]。

X 射線透射識別分選法基于X 射線透射識別原理識別物質(zhì)[6]。X 射線穿透物質(zhì)后，射線能量產(chǎn)生衰減。其衰減程度與物質(zhì)原子序數(shù)、透射厚度、射線入射能量等參數(shù)有著對應關系。通過相關算法測定射線能量的衰減變化，可得物質(zhì)原子序數(shù)。根據(jù)識別物質(zhì)時使用射線數(shù)量的不同，透射分選法可進一步分為單能透射法、雙能透射法、多視角透射法。目前報廢汽車回收中主要使用雙能透射識別法[7]，采取高低兩種能量的X 射線透射識別同種物質(zhì)。雙能透射識別算法分為2 種：R 值算法與曲線擬合算法。R 值算法表達式為

式中：μH，μL——物質(zhì)對高能和低能X 射線的吸收系數(shù)；IH0，IL0——高能和低能X 射線透射前強度信號值；IH，IL——透射后強度信號值；R 則與物質(zhì)原子序數(shù)唯一對應，最后根據(jù)經(jīng)驗公式即可測算物質(zhì)原子序數(shù)。

曲線擬合法將不同厚度的高低能透射信號值為坐標繪制數(shù)據(jù)圖，擬合出物質(zhì)識別線，在識別物質(zhì)時，根據(jù)其高低能信號的對應曲線判定物質(zhì)的種類。

X 射線輻射識別分選法也稱X 射線熒光分選法，基于X 射線熒光光譜分析原理，直接檢測物質(zhì)元素[8-9]。一定能量的X 射線照射物質(zhì)時，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)有關的特征X 射線（二次射線）或產(chǎn)生可見熒光。根據(jù)莫塞萊定律，對特征射線的光譜參數(shù)或熒光顏色進行分析，即可測得物質(zhì)元素種類。

1.2 報廢汽車X 射線分選應用流程

目前，報廢汽車X 射線透射分選技術主要應用于有色金屬物料的分選，在破碎電機、含銅導線等復雜物料的分選中也有不同程度的應用。X射線輻射分選設備主要用于分選塑料、橡膠等回收材料[10-11]。X 射線分選技術具體應用流程及分選物料種類如圖1 所示。

圖1 X 射線分選物料應用流程圖Fig.1 X-ray sorting material application flow chart

雙能透射識別法理論上可以分辨所有元素種類，但實際應用中X 射線為連續(xù)光譜，其能量在某一范圍內(nèi)不斷變化，透射物質(zhì)時會發(fā)生厚度效應與射線束硬化效應，最終降低物質(zhì)的識別準確度。報廢汽車破碎物料元素成分、形態(tài)復雜，表面常被涂料、污垢等覆蓋，也會使識別效果產(chǎn)生誤差。

2 X 射線分選技術研究進展

國外學者通常采取實驗手段，探索X 射線識別分選具體物料的效果并作出改進。Mesina[12]等對報廢汽車鋁、鎂、銅、不銹鋼等破碎物料進行雙能透射實驗，采集不同金屬高低透射信號值，擬合不同金屬的識別曲線并計算識別效率，根據(jù)結果總結出雙能透射分選法于幾種非鐵磁性金屬間的應用效果，如表1 所示：其中＋＋為非常好；＋為中等；－則為效果較差。得出結論，雙能X射線透射法對銅等重質(zhì)金屬識別效率不高，更適合于輕質(zhì)金屬的識別分選。

表1 X 射線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]等運用蒙特卡洛軟件，以有色金屬與塑料為對象，通過設置600 種探測器、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，與實際曲線對比確定偏差范圍。根據(jù)偏差調(diào)整仿真參數(shù)，優(yōu)化物質(zhì)曲線擬合算法。Takezawa[14]等結合雙能透射與電磁感應法，對7種不同成分的鋁合金材料進行識別分類，通過調(diào)節(jié)X 射線波長與濾波片厚度的方式提升辨識準確度，成功將其分為6 類。Brunner[15]等基于X 射線光譜分析原理，向3 種不同類別報廢回收塑料中加入熒光示蹤劑，利用X 射線傳感器識別示蹤熒光參數(shù)，進而確定塑料種類。Braibant[16]等設計了一套多傳感器識別自動分選系統(tǒng)，綜合X 射線透射、輻射、近紅外光譜分析及3D 相機照射技術，對破碎金屬物料的顏色、尺寸、元素種類等進行采集判定，最后使用自動機械爪揀選分離物料。Shuji[17]結合X 射線透射、輻射分選技術，對混合鋁合金進行分類回收，先采取透射法分選出包含重金屬雜質(zhì)的鋁合金，再使用輻射法分類出6063 型鋁合金，鋁合金總體回收率達94%。

國內(nèi)學者主要在物質(zhì)識別算法、裝備結構、分選工藝等方面對X 射線分選展開探索與研究。葉文華團隊[18-21]以報廢汽車的回收銅、鋁為對象，對雙能透射分選技術做了深入研究工作。研究主要包括物料識別算法、設備結構設計、控制程序開發(fā)。該團隊設計并搭建了分選實驗平臺，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，創(chuàng)建多項式擬合識別曲線，加大不同識別曲線間的間隔，減小了曲線重疊對識別的影響，如圖2 所示。銅、鋁的可識別厚度范圍也分別擴大到 2～40 mm 和 5～60 mm。提出了一種自適應中值濾波法，降低了隨機噪聲對信號探測的干擾。最后基于VS 工具，開發(fā)了具備射線發(fā)射探測設備與物料運輸裝置控制功能的分選系統(tǒng)軟件，運用圖像數(shù)據(jù)分析計算物料動態(tài)位置。總體研究較為深入，但實驗模型與具體應用對象在外形尺寸與元素組成方面仍有差異，對分離執(zhí)行機構的動作參數(shù)也有待進一步研究。

圖2 改進前后物質(zhì)識別曲線圖Fig.2 Substance identification curves before and after improvement

此外，昝雪松[22]對破碎物料氣動分離機構做了設計與優(yōu)化，以報廢汽車不銹鋼破碎料為分選對象，通過實驗結合理論計算，調(diào)整優(yōu)化了氣動噴嘴的外形尺寸、噴射速度、噴射時間等參數(shù)，使不銹鋼分選純凈度達到80%，編寫了氣動機構控制程序。張進[7]以有機玻璃、鋁合金、鉛為實驗對象，分析了雙能X 射線透射識別的R 值算法與隸屬度函數(shù)判定法在實際應用中的不足之處，提出一種基材料分解算法，使原子序數(shù)計算誤差縮小至5%以內(nèi)。李睿哲[23]等提出了一種重疊物質(zhì)分層成像算法。通過計算材料衰減系數(shù)，建立重疊材料數(shù)據(jù)庫的方式，令重疊物質(zhì)投影分解為多個物質(zhì)單層投影。項安[24]等運用蒙特卡羅軟件模擬射線透射過程，優(yōu)化了高能射線的濾波參數(shù)，計算出銅濾波片的最佳厚度。張慧[25]等通過計算機仿真得出了6 種材料的識別曲線。一些學者對國外報廢汽車X 射線分選技術做了報道，并提出相關建議。王春[26]等報道了X 射線分選技術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)線中提出使用X 射線輻射法分選鋁合金。魏擎霄[28]基于國內(nèi)報廢汽車回收現(xiàn)狀，根據(jù)破碎物料間物理性質(zhì)的不同，設計了X射線分選技術工藝。

綜上所述，X 射線分選技術的研究集中于識別算法層面，提升物料的識別準確度與識別精度，但對識別速度的研究較少，目前，國外學者已開始探索多傳感器聯(lián)合X 射線共同識別復雜破碎物料，且國內(nèi)研究大多以理論推導為主，在裝備結構、分選工藝、硬件參數(shù)等方面均有涉及，但針對具體物料的實驗觀察與探究不夠深入。

3 X 射線分選過程及設備應用

3.1 X 射線分選技術工作過程

X 射線分選工作流程主要包括物料進給輸送、物料探測識別、設備控制、物料分選4 個環(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X 射線探測區(qū)間，射線源發(fā)射一定能量的X 射線束，由準直器校準后穿透待分選物料，經(jīng)濾波器后被探測器接收。探測系統(tǒng)截面圖如圖4 所示。

圖3 X 射線分選技術工作流程圖Fig.3 X-ray sorting technology work flow chart

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

探測器將射線信號轉(zhuǎn)化為電信號后傳遞至識別控制單元，將信號帶入算法后測出物料具體種類，根據(jù)分選需求向分離裝置發(fā)出動作指令，改變物料運動軌跡使其落入不同的回收倉，完成分選。

3.2 X 射線分選設備及應用

20 世紀60 年代，蘇聯(lián)就開發(fā)了X 射線熒光分選設備并應用于礦石分選領域[9]。美國礦務局曾于20 世紀80 年代使用X 射線光譜儀等設備對報廢飛機金屬廢料進行識別分類[29]，但未有后續(xù)報道。在此期間，一些公司生產(chǎn)了X 射線分選設備，但僅用于煤炭、礦石分選領域。21 世紀初開始出現(xiàn)針對報廢汽車回收的X 射線分選裝備[30]，如圖5 所示。目前國外X 射線分選設備的研發(fā)廠家有瑞典Tomra 公司、德國Steinert 公司、意大利SGM 公司等，各設備之間的外形結構類似，但適用分選物料尺寸、種類有所區(qū)別，一些設備曾添了色彩攝像機與電磁傳感器等設備進一步提升識別效率。由于分選設備體積較大，功耗偏高，一些公司研制了便攜式X 射線光譜分析設備[31]。根據(jù)被測材料元素調(diào)節(jié)射線波長，快速識別物質(zhì)元素種類。通常應用于人工揀選環(huán)節(jié)。

圖5 報廢汽車X 射線分選裝備Fig.5 X-ray sorting equipment for scrapped cars

國外部分回收企業(yè)已將X 射線分選裝備應用于報廢汽車回收中。如美國LKQ 集團將其用于汽車有色金屬的分選，單設備回收速度達15 t/h；歐洲EMR公司將其用于汽車零件二次回收分選。國內(nèi)汽車回收企業(yè)眾多，但X 射線分選設備的應用較少。

4 結論與展望

X 射線分選作為一種適應性強、分選精度較高的自動分選技術，已在汽車回收、垃圾分選、礦石分選等諸多領域成功應用。由于報廢汽車回收物料的復雜程度不斷增加，目前X 射線分選技術仍以物質(zhì)檢測識別研究為主,國內(nèi)學者可建立復雜物質(zhì)識別模型，運用實驗與仿真對其識別機理深入探究。隨著研究深入與技術不斷突破，未來X 射線識別將結合激光檢測、圖像識別、近紅外等技術提高物質(zhì)識別效果。其研究方向?qū)⒅饾u轉(zhuǎn)移到物質(zhì)信息快速識別處理、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、不同品級的同類物料間的分選。

近年來，我國報廢汽車回收產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，自動分選設備的應用前景愈加廣闊。國內(nèi)X 射線分選技術已具備一定的理論基礎與應用條件，可通過引入國外先進技術設備、借鑒吸收其他領域技術經(jīng)驗的方式，開發(fā)X 射線分選裝備，提升我國報廢汽車回收利用效率。