一种基于X射线的铜矿与脉石分离系统

袁雄兵

(长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南 长沙 410011)

0 引 言

铜矿开采方式主要有露天开采和地下开采，采场开采出来的矿石未经破碎、磨浮工艺处理前称为原矿，原矿一般由铜矿、脉石等组成。原矿开采出来后送至破碎、磨矿、浮选、脱水等选矿工艺流程得到铜精矿，目前国内大多数铜矿生产企业在选矿工艺流程前未对脉石进行分离，少部分企业靠人工凭经验把脉石挑选出来。如果不对脉石进行分离，那么会影响破碎、磨浮的生产能力，对破碎机、磨机等设备的寿命和能力也将带来不利影响。人工分离脉石劳动效率低、劳动强度大，且容易漏选，同时也影响职工的职业健康。鉴此，文中提出了一种基于X射线和Judge系统的铜矿与脉石的分离系统，该系统能实现脉石的全自动辨识及分离。

1 系统工作原理

物料流程见图1。原矿自给矿设备通过矿石输送皮带往下一工序输送，在输送过程中平铺直线匀速前进。矿石输送皮带上方的X射线发射装置发射出合适能量的X射线，经原矿吸收和散射后X射线有一定程度的衰减，再用X探测器探测衰减后的X射线信号，并将X射线的光信号转换为电信号，再采用数据采集卡接收来自探测器的电信号并将其转化后通过TCP局域网传递给控制系统。该机构的主要工作流程为：上位机控制X射线源发出一定强度的X射线来透射原矿，X射线探测器接收到经原矿吸收和散射后的X射线信号并将其转化为电信号传递给数据收集卡，数据收集卡将电信号转化为数字信号并通过局域网将其传递给控制系统形成图像。通过系统预先设定的阈值，经Judge系统辨识后，即可对原矿是铜矿还是脉石做出判断。控制器控制矿石分离装置对铜矿和脉石进行分离。

图1 物料流程示意图

2 X射线辨识机理分析

X射线是一种波长极短，能量很大的电磁波，X射线的波长比可见光的波长更短(约0.001～10nm)。因其波长短，能量大，照在物质上时，仅一部分被物质所吸收，大部分经由原子间隙而透过，表现出很强的穿透能力。X射线穿透物质的能力与X射线光子的能量有关，X射线的波长越短，光子的能量越大，穿透力越强。X射线的穿透力也与物质密度有关，利用差别吸收这种性质可以把密度不同的物质区分开来。

相关理论表明，X射线强度的衰减率与其穿过物质的厚度成正比，当某特定波长的X射线以I0强度穿过厚度为t的物体时满足下列衰减公式，Lambert-Beer定律。

I=I0×e-μt

(1)

式中：

I—射线衰减后的强度；

I0—射线的入射强度；

μ—物体的线性衰减系数；

t—被穿过物体的厚度。

由于X射线的衰减通常被认为物质对射线的吸收与散射共同作用的效果，因此衰减系数被认为是吸收系数与散射系数的加和。

μ=τ+σ

(2)

式中：

τ—线性吸收系数，代表因物质发生对射线的吸收而导致射线的衰减；

σ—散射系数，代表因散射而导致的射线衰减。

因在射线的实际衰减过程中，由散射导致的衰减远小于由吸收导致的衰减，因此常将σ忽略，认为μ=τ。

通常与物体的组成及射线的波长有关，由于吸收作用实际上是X射线中的光子与路径中的原子、电子相互作用，因此线性衰减系数与物质的密度成正比。

μ*=μ/ρ

(3)

式中：

μ*—质量吸收系数；

ρ—物体的密度。

物质的质量吸收系数仅与波长和物质本身有关，当波长一定时，同一种物体的μ*为常数。

质量吸收系数具有加和性，当物质由单一组分构成时，μ*为该组分的质量吸收系数，当物质是由多组分构成的混合物时，其质量吸收系数满足下列公式：

(4)

式中：

N—组成物质的组分个数；

xi—混合物中各组分中的占比；

研究表明，质量吸收系数是射线波长和物质原子序数的相关函数，满足下列关系式：

μ*=K·λ3Z4

(5)

式中：

K—常数；

Z—被透射物质的原子序数；

λ—波长。

当X射线的波长越长或原子序数越大时，质量吸收系数就越大，射线衰减程度也就越大。

X射线源发出一定强度的X射线来透射原矿，探测器接收到经原矿吸收和散射后的X射线信号并将其转化为电信号传递给数据收集卡，数据收集卡将电信号转化为数字信号并通过局域网将其传递给控制系统形成图像。通过系统预先设定的阈值，经控制系统辨识后，即可对原矿是矿石还是脉石做出判断。

3 系统构成

3.1 硬件部分

基于X射线和Judge系统的铜矿与脉石分离系统硬件主要由给矿设备电机及变频器、输送皮带电机及变频器、给矿设备编码器、输送皮带编码器、PLC、矿石分离装置电机、工控机、Judge系统、X射线发生器、X射线探测器等组成，见图2。

图2 系统硬件配置图

系统的主要目标是实现铜矿和脉石的辨识及分离，提高铜矿石的质量。系统主要分为3个部分：检测部分，识别控制部分和矿石脉石分离部分。

3.1.1 检测部分

包括X射线发生器、X射线探测器、给矿设备编码器、输送皮带编码器等。工作流程为：矿石和脉石经给矿设备送至输送皮带，X射线发生器工作后发出一定强度和能力的X射线，透过原矿后衰减，X射线探测器对衰减后的X射线进行探测，经处理后传送至控制器。

3.1.2 识别控制部分

包括工控机及Judge系统，是整个系统的核心，主要通过工控机及Judge系统对采集到的数据进行分析和处理，发出矿石分离信号。

3.1.3 矿石废石分离部分

包括PLC、变频器、矿废分离电机等，通过PLC系统预先设定的软件对铜矿石和脉石进行判断。如果判断目标为脉石，工控机发出控制信号，启动矿废分离电机，击打废石使其偏离原来的轨道，落实废石料斗；如果判断目标为铜矿石，则矿废分离电机不动作，铜矿石自然落入矿石料斗。从而实现铜矿石和废石的有效分离。

3.2 软件部分

基于X射线和Judge系统的铜矿和脉石分离系统选用Simatic WinCC v7.5作为开发工具，PLC选用西门子S7-1500系列，PLC程序开发环境为TIA PortalV13，系统软件流程见图3。

图3 系统软件流程图

软件功能包括：变频器初始化设置，实时控制铜矿石和脉石数据的采集、显示和处理，对结果和数据进行统计及保存，给矿设备速度反馈及调节，输送皮带速度反馈及调节，矿石脉石分离动作等。

3.3 Judge系统部分

Judge系统部分主要包括系统交互接口、海量数据库、解释机、Judge系统咨询判断机、知识库、知识编译机等内容，见图4。X射线探测器将探测到的数据通过数据采集卡将数据送至控制系统，经Judge系统交互接口再传送至Judge系统海量数据库，Judge系统咨询判断机对数据进行推理判断，并给出结果，系统解释机把结果解释并通过Judge系统交互接口告诉控制系统，因该结果明确的区分了铜矿和脉石，控制系统根据该结果启动分离装置电机来分离铜矿和脉石。同时，专业工程师可把有经验且正确的数据通过系统交互接口经知识编译机后送至知识库，可不断充实完善Judge系统咨询判断机的功能，提高判断速度和准确性。

图4 Judge系统工作原理图

4 结 语

(1)提出一种由X射线发生器、X射线探测器、工控机、PLC、Judge系统、变频器、编码器、电机等组成的铜矿脉石分离系统，根据不同密度及原子序数的物质对X射线吸收差异化的原理，实现自动辨识和自动分离。

(2)Judge系统根据系统知识库来精确辨识铜矿和脉石，同时可通过输入专业工程师的经验和数据来不断充实和完善知识库。

(3)PLC根据Judge系统辨识结果，控制相应的变频器和电机，把脉石分离出来。研究表明，该系统能利用X射线实现铜矿脉石的辨识和分离，具有一定的推广应用价值。