Автоматизация технологического процесса рентгеноспектральной сепарации автомобильного лома цветных металлов

Актуальность темы

.

Потребности человечества в использовании черных и цветных металлов постоянно возрастают. По объемам мирового производства и потребления первое место среди цветных металлов занимает алюминий. В 2007 г. в мире произведено 37,4 млн. т алюминия [1], т. е. 1,88 раза больше, чем в 1997 г [2].

Металлургия относится к числу базовых отраслей экономики и отличается высокой материалоемкостью и капиталоемкостью производства. Специфика металлургического комплекса — масштаб производства и сложность технологического цикла: от добычи и обогащения сырья до получения готовой продукции в виде черных и цветных металлов и их сплавов. Эти процессы являются энергои металлоемкими, высоко затратными, расходуют невосполнимые природные ресурсы и наносят значительный экологический ущерб. Например, при выплавке тонны алюминия требуется от 4 до 8 тонн бокситов и расходуется около 15 000 кВт-час электроэнергии [3]. Для переплавки тонны вторичного алюминия электроэнергии требуется в 10 раз меньше, исключаются затраты на горные работы и обогащение, существенно снижается экологический вред, связанный с добычей сырья и утилизацией отходов плавления.

Металлы используются для производства различных изделий, в том числе легковых автомобилей, которых ежегодно в мире выпускается более 50 млн. штук. Автомобиль на сегодняшний день является наиболее полно перерабатываемым потребительским продуктом в мире. В США 95% вышедших из эксплуатации автомобилей попадают в переработкуи авторециклинг является 16-й крупнейшей отраслью промышленности с оборотом 25 млрд. долларов в год. Эта же отрасль перерабатывает и бытовой лом, в том числе газовые плиты, холодильники и т. п. Развитию авторециклинга в Евросоюзе в целях экологической безопасности способствовал закон, согласно которому с 2004 года ответственность за утилизацию отработавших свой срок автомобилей возлагается на фирму — изготовитель. Для реализации.

Экологической доктрины. Российской Федерации" с" 2010' года запущена в тестовом режиме программа утилизации автомобилей* в возрасте старше 10 лет. Проведенный агентством «Автомобильная статистика» анализ автопарка России показал, что под действие программы попадает 19,6 млн. легковых автомобилей или 56,9% российского автопарка (34,4 млн. машин) [4].

При утилизации автомобилей наиболее распространенный вариант промышленной переработки включает их дробление до крупности, при которой происходит механическое разделение узлов и агрегатов, изготовленных из различных сплавов, на смешанные между собой кусковые составляющие. Из этих кусков 67% представлено сталью и железом- 20% - пластиками, стеклом, резиной и прочими неметаллами, а 13% - алюминием, медью, цинком и их сплавами [5]. Полученный дроблением кусковой материал не может быть использован без дополнительных технологических операций. Технологии переработки лома в США и Европе схожи [6] и начинают применяться в России [7,8]. Полученная дроблением смесь классифицируется по крупности, после чего производится ее последующее разделение по материалам. При этом выделение магнитных материалов (железо, чугун, большая часть марок стали) осуществляется при помощи магнитной сепарации, выделение легких материалов (поролон, ткани и т. п.) — воздушной сепарацией. Разделение остающихся металлов от неметаллов производится электродинамической сепарацией. Получаемый классифицированный по крупности металлический не магнитный продукт представляет собой многокомпонентную смесь, состоящую на 65^-70% из алюминиевых и магниевых сплавов, а также из немагнитных сортов стали, цинка, меди и сплавов на ее основе. Вторичное использование металлов осуществляется через металлургический передел, для которого требуется, чтобы поступающий на переплавку лом имел заданный состав, т. е. предварительно был рассортирован. Точность разделения смеси определяется требованиями металлургии, приведенными например, в США в ежегодно актуализируемом «Классификаторе отходов».

Алюминиево-магниевые сплавы выделяются из смеси кусков немагнитных металлов путем ручной разборки, а также использующими различия" в плотностях металлов разделением в тяжелых суспензиях, электродинамической или магнитно-импульсной сепарацией. Каждый из процессов, имеет свои преимущества* и недостатки. Перечисленные технологии > не решают задачу разделения алюминиевых сплавов на группы с различным суммарным содержанием в них примесей (марганец, железо, медь и цинк), выделяемое ими вторсырьё ограниченно пригодно в металлургическом переделе без шихтовки [9]. Задачи выделения алюминиевых сплавов и их разделения могут быть решены рентгеноспектральной сепарацией, основанной на различии металлов по свойствам на атомарном уровне и автоматическом отделении кусков. При рентгеноспектральной сепарации производится регистрация спектров рентгеновского излучения (РИ) кусков сортируемого материала, возникающих при возбуждении их внешним РИ. Схожую с рентгеноспектральным анализом (РСА) сепарацию отличают случайная форма и различие размеров анализируемых кусков, нестабильность расстояний между источником РИ, куском и детектором, а главное — кратковременность анализа для получения рентабельной производительности. Разница по времени анализа между РСА и сепарацией примерно в 1000 раз. Из-за ограниченного времени при сепарации вместо снятия спектра, регистрируемого датчиком излучения, производится накопление счета с каждого куска в нескольких областях энергий. При выходе куска из зоны регистрации по накопленным значениям и выбранному алгоритму производится вычисление аналитического параметра, характеризующего состав куска. Вычисленное значение сравнивается с пороговым, по результату сравнения производится отделение кусков. Задачей при проектировании сепаратора является создание условий облучения и регистрации, выбор алгоритма, количества и границ энергетических областей такими, чтобы куски с одинаковым содержанием отбирались независимо от размеров, изменений расстояний и нестабильностей аппаратуры в промышленных условиях.

Технологияреитгеноспектралытой сепарации в разделении" лома была апробированав России в конце 80-х годов [10]. Созданный в 1988; г. экспериментальный! образец рентгеноспектрального* сепаратора представлял собой: реконструированный, рентгенолюминесцентный, сепаратор, в котором' тракт регистрации люминесценции алмазов был заменен трактом регистрации и обработки рентгеновского излученияЭкспериментальныйрентгеноспектральный сепаратор позволял обрабатывать лом крупностью от 80 до 20 мм. Испытания выявили принципиальные преимущества этой технологии перед альтернативными: обеспечивалось автоматизированное разделение кусков ломабыла показана возможность разделения алюминиевых сплавов между собойпроцесс сепарации экологически чистый. Но промышленным потребителям был необходим автоматический контроль, снижение границы крупности обрабатываемого материала до 12 мм и повышение производительности. К сожалению, дальнейшая работа по доработке и развитию рентгеноспектрального сепаратора была прекращена по техническим, а затем и социально-экономическим проблемам.

Требования промышленности определили цель работы — создание инновационной технологии на основе промышленного автоматизированного рентгеноспектрального сепаратора для оказания услуг по разделению лома цветных металлов с расширенными технологическими возможностями.

Создатели экспериментального сепаратора опубликовали физико-математические основы, рентгеноспектральной сепарации алюминиевого вторичного сырья и алгоритм обработки сигналов — разделение спектра на 2 области, выбор границ областей разделения, вычисление аналитического параметра по методу спектральных отношений [11,12]. Но модели для расчета измерительного канала не приводилось, т. е. сепаратор проектировался эмпирическим путем.

Для достижения цели решены следующие задачи: — • разработана физически обоснованная математическая модель измерительного канала рентгеноспектрального сепаратора, составлена вычислительная1 программа для ее расчета, экспериментально проверена правильность расчетов;

• теоретически исследовано влияние нестабильностей детекторами источника-рентгеновского излучения, а также траектории движения кусков> и их размеров на значения аналитического параметра сепарируемых кусков лома;

• для повышения точности сепарации лома при изменениях чувствительности детектора и нестабильности рентгеновской трубки предложены новый метод вычисления аналитического параметра, способ подстройки чувствительности детекторов и основанный на их использовании автоматический контроль работоспособности сепаратора;

• для сокращения разброса траектории реализовано управление работой вибропитателя с электромагнитным приводом на частоте собственных механических колебаний.

При выполнении работы были получены теоретические и экспериментальные результаты, определяющие научную новизну исследований:

• предложена физически обоснованная математическая модель измерительного канала рентгеноспектрального сепаратора;

• предложена методика применения модели для оценки влияния на аналитический параметр нестабильностей детектора, источника излучения и траектории движения кусков через зону контроля;

• предложен и исследован метод вычисления аналитического параметра, позволяющий обеспечить заданную точность автоматизированного технологического процесса сепарации лома цветных металлов при изменениях чувствительности детектора и нестабильности рентгеновской трубки.

Практическая значимость работы:

1. Разработаны вычислительная программа расчета модели измерительного канала рентгеноспектрального сепаратора, применимая для сепарации лома, руд и шлаков, и методика ее применения для оценки влияния на аналитический параметр нестабильностей детектора, источника излучения и траектории движения кусков через зону контроля.

2. Предложен алгоритм автоматической обработки получаемого от кусков лома вторичного рентгеновского излучения (РИ) и способ автоматической подстройки чувствительности детекторов.

3. Разработаны рекомендации для выбора режима работы источника РИ, найдены условия, при которых обеспечивалась достоверность аналитического параметра при значительно сниженной мощности источника излучения.

4. Разработаны рекомендации для управления работой вибропитателей с электромагнитным приводом, используемых для подачи кусков лома, на частоте собственных механических колебаний.

5. Рекомендовано использовать для контроля измерительного канала рентгеноспектрального сепаратора спектр РИ, рассеянного камерой при отсутствии кусков. Спроектированная на основе рекомендации система контроля позволяет автоматизировать работу сепаратора.

6. На основе комплекса рекомендаций в ООО «ЭГОНТ» произведена разработка, изготовление и испытания промышленного рентгеноспектрального сепаратора для выделения кусков алюминиевых и магниевых сплавов из смеси немагнитных металлов.

Личный вклад автора заключается в обосновании и построении математической модели измерительного канала рентгеноспектрального сепаратора, создании методики применения модели и проведения исследований по выбору алгоритма обработки рентгеноспектрального излучения кусков металлического лома, исследования влияния на точность сепарации параметров узлов сепаратора (детектора, источника рентгеновского излучения и устройства подачи кусков), а также в разработке рекомендаций для построения рентгенооптической и электронной схемы сепаратора. Исследования по выбору алгоритма обработки рентгеноспектрального излучения кусков металлического лома были выполнены совместно с С. А. Писарьковым.

Рекомендации для построения электронной схемы были выработаны с целью автоматизации работы всех узлов сепаратора и> создания автоматизированного технологического процесса рентгеноспектральной сепарации металлического, лома. Автор принимал личное участие в разработкеj электронных схем сепаратора, алгоритмов обработки сигналов и', управления сепаратором, и испытаниях-сепаратора, в котором реализованы-разработанные в результате исследований рекомендации. На защиту выносится.

1. Математическая модель измерительного канала рентгеноспектрального сепаратора.

2. Метод вычисления аналитического параметра, характеризующего содержание суммы элементов примесей в сепарируемых сплавах.

3. Способ автоматической подстройки чувствительности детекторов, позволяющий упростить систему регистрации, повысить точность и быстродействие подстройки.

4. Методика оценки влияния на аналитический параметр нестабильностей детектора, источника излучения и траектории движения кусков через зону контроля.

Апробация работ.

Разработанный по результатам проведённых исследований сепаратор РСЭ-50 был испытан и использован в промышленной технологической линии по сортировке металлического лома на Camden Iron & Metal, Inc. (США, Нью-Джерси). Рекомендации использовались при модернизации сепараторов для обогащения хромовых и железных руд, а также медно-никелевых шлаков.

Основные результаты работы докладывались на IV Конгрессе обогатителей стран СНГ (Москва, 2003 г.), круглом столе ЗАО «Полюс» по теме «Предварительное обогащение золотосодержащих рудс применением» радиометрических методов обогащения" (Москва, 2006 г.), V Международном конгрессе по управлению отходами и природоохранными технологиями ВейстТэк (Москва, 2007 г.), Уральском горнопромышленном форуме «Горное дело, оборудование, технологии» (Екатеринбург, 2007 г.), на 21 Мировом Горном Конгрессе (Краков, Польша, 2008 г.), научно-практической конференции «Рентгенорадиометрическая сепарация минерального сырья и техногенных отходов» (Екатеринбург, 2008 г.), научно-практической конференции РИВС-2008 (Санкт-Петербург, 2008 г.), Уральском горнопромышленном форуме «Горное дело, оборудование, технологии» (Екатеринбург, 2009 г.), на научных семинарах факультета Инноватики СПб ГПУ.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 10 статей (6 статей опубликованы в научных изданиях, определенных ВАК), 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Общий объем диссертации составляет 134 страницы машинописного текста, иллюстрированного 35 рисунками и 16 таблицами, включает 62 наименования литературы.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Создана физически обоснованная математическая модель измерительного канала рентгеноспектрального сепаратора и вычислительная программа для расчета по ней. С использованием модели выработаны рекомендации:

• по выбору метода вычисления аналитического параметра, характеризующего химический состав кусков лома;

• по выбору материала анода рентгеновских трубок и фильтрации излучения источника;

• по выбору анодного напряжения и тока рентгеновской трубки.

• по созданию рентгенооптической схемы в зависимости от крупности сепарируемого материала и разброса траектории устройством подачи кусков.

2. Предложена система автоматической подстройки чувствительности тракта регистрации обеспечивающая повышение точности определения аналитического параметра в условиях изменяющейся чувствительности детектора.

3. Предложена система управления острорезонансным вибропитателем, позволяющая уменьшить разброс траектории и использовать рентгеновский источник меньшей мощности, что снижает энергоемкости сепаратора.

4. С использованием рекомендаций создан промышленный рентгеноспектральный сепаратор с автоматизированной системой контроля и подстройки узлов. При испытаниях сепаратора РСЭ-50 в условиях заказчика {Camden Iron & Metal Inc., США) доказана возможность решения поставленной заказчиком задачи с технологическими показателями обеспечивающими соответствие кондиции полученного в процессе сепарации алюминиевого лома техническим условиям, определяемым в США «Классификатором отходов» (Scrap Specifications Circular). Подтверждено стабильное и надежное функционирование всех узлов сепаратора при продолжительной эксплуатации. Металлургические испытания алюминиевых продуктов показали их пригодность для переплавки.

5. Показано, что область использования рекомендаций не ограничивается разделением лома цветных металлов и может быть расширена для переработки руд черных и цветных металлов, а также металлургических шлаков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе достигнута заявленная цель, поставленные задачи решены. Результатом исследования является научное обоснование использования рентгеноспектрального метода в условиях покусковой сепарации для идентификации алюминиевых сплавов в ломе цветных металлов. Проведенные исследования позволили разработать рекомендации для создания промышленного автоматизированного рентгеноспектрального сепаратора.