赵 龙

(1.吉林大学物理学院；2.丹东东方测控技术股份有限公司)

瞬发伽玛中子活化分析技术(PGNAA)是一种快速、无接触多元素分析技术。目前，PGNAA技术在水泥、煤炭检测领域应用已比较成熟[1-7]，其跨皮带式检测装置可同时分析传送皮带上物料中的Ca、Si、Fe、Al、Mg、K、Na、S等多种元素，可为工业自动控制提供实时分析数据，指导工业优化生产控制。

烧结矿作为炼铁的主要原料，其质量的提升直接影响炼铁厂的产能和效益。数据表明，高炉原料碱度波动值由0.1降至0.075时，高炉增产1.5个百分点，焦比降低0.8个百分点[8]。当前，受制于在线检测仪表的缺失，国内烧结厂对于配料的控制，主要采用人工或半人工方式进行计算和控制。这种控制方法存在严重的滞后性，一般滞后约4 h，当控制室发现碱度大幅波动后已生产了大量的劣质烧结矿，同时由于返矿的因素，操作人员需较长时间将碱度恢复到合理范围，有时甚至出现过调的情况，从而影响烧结矿的稳定率。

将中子活化技术应用到烧结配料过程控制中，实时在线检测烧结混合料的碱度指标，根据实时碱度检测值实时控制石灰石的下料配比，形成全自动闭环控制，从而实现降低烧结成品矿碱度波动的目的，提升烧结成品矿品质，最终提升炼铁厂的产能和效益。

1 蒙特卡洛方法模拟仿真

烧结成矿的主要成分为TFe、CaO、SiO2[9]，主要元素为Fe、Ca、Si 3种元素，这3种元素的热中子俘获总截面以及特征峰能量数据见表1。由于烧结料的主量元素为铁元素，铁元素具有较强的伽马射线自屏蔽效应[10-11]，由表1也可看到铁元素的热中子俘获截面也较大，故其同时存在较强的中子自吸收效应。由于存在自吸收效应，各元素品位检测结果随被测物料厚度增加将呈现非线性关系，当厚度增加到一定程度时，各元素品位检测值将出现拐点，通过蒙特卡洛方法可以仿真计算出这个拐点厚度。

表1 各元素特征峰能量

首先，通过蒙特卡洛方法模拟仿真样品能谱，模拟仿真模型见图1。通过蒙特卡洛仿真软件模拟仿真不同物料厚度，记录3种元素的特征峰计数。Fe、Si、Ca元素的特征峰计数随物料厚度变化曲线分别见图2～图4。

图1 蒙特卡洛模拟分析模型

图2 Fe峰计数随物料厚度变化曲线

图3 Si峰计数随物料厚度变化曲线

图4 Ca峰计数随物料厚度变化曲线

由图2～图4可见，各个元素特征峰计数与物料厚度呈二次曲线关系，即随着厚度的增加，特征峰计数达到饱和。

通过二次项公式可以计算得到各个元素的饱和厚度，见表2。

表2 各元素饱和厚度

最佳检测厚度必须小于饱和厚度。烧结混合皮带上的混合料厚度约为15～20 cm，此厚度小于各个元素的饱和厚度，试验选用18 cm做为试验物料厚度。

2 检测试验

2.1 静态标定试验

试验采用的PGNAA分析仪系统结构见图5，放射源采用Cf-252自发中子裂变源，探测器采用大体积闪烁体探测器。TFe、CaO、SiO2、碱度标定曲线见图6～图9。

图5 PGNAA分析仪系统构成

图6 全铁标定曲线

图7 氧化钙标定曲线

图8 二氧化硅标定曲线

图9 碱度标定曲线

由图6～图9可见，各个指标的线性度均超过0.99，尤其是SiO2含量和碱度，其线性度达到1，这说明中子活化分析仪对烧结混合料中的主要元素指标具有极高的灵敏度。

2.2 动态对照试验

将分析仪安装在国内某烧结厂的二混后的转运皮带处，检测烧结混合料中的TFe品位、CaO含量、SiO2含量、碱度，混合料供应1台360平烧结机，分析仪安装点至烧结成品矿用时约2.5 h，对比分析仪检测结果与烧结成品矿化验结果，对比曲线见图10～图13。

图10 全铁动态对比曲线

图11 氧化钙动态对比曲线

图12 二氧化硅动态对比曲线

图13 碱度动态对比曲线

由图10～图13可见，中子活化分析仪在烧结厂的实际应用效果非常理想，检测结果具有较高的精确度。试验证明，应用PGNAA技术可以实现对烧结混合料中的TFe品位、SiO2含量、CaO含量和碱度等指标进行实时在线检测。

3 结 论

通过应用中子活化技术检测了烧结混合料的TFe品位、CaO含量、SiO2含量、碱度等指标，烧结混合料中的水分含量也是烧结生产过程中非常重要的指标，而中子测量水分含量[12-13]具有极高的检测精度，中子活化技术采用价格昂贵的252Cf自发裂变中子源，应用其产生的中子测量烧结混合料中的水分含量在理论上应具有较高的灵敏度。试验下一步将会在PGNAA装置上加装3He管，监测中子通量变化，从而实时检测烧结混合料中水分含量，解决烧结配料中的水分含量检测难题。