矿石X射线透射的R值提取方法研究.pdf

2 4 6 有色金属 选矿部分 2 0 1 7 年增刊 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 7 ．z 1 ．0 5 6 矿石x 射线透射的R 值提取方法研究 朱道瑶1 ”，尚红亮1 ’。，史佩伟1 ”，成 磊1 ’2 1 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 ；2 ．北矿机电科技有限责任公司，北京1 0 0 1 6 0 摘要当前有色金属矿石入选品位不断下降，应用拣选技术实现矿石的预选抛废正在逐步探索，矿石双能X 射线透射 检测识别方面的研究随之引发关注。本文介绍了双能X 射线透射分选原理和R 值提取基本算法，阐述了X 射线透射厚度干 扰因素的影响，并引入了消减矿石厚度效应提取R 值方法研究数字化的分析求解方法以及二维R 。一／c 平面对厚度进行校 正研究，并通过试验探索研究可能性，并对双能X 透射R 值提取研究以及难点问题进行了总结分析。 关键词矿石拣选；X 射线透射；R 值；厚度效应；二维属性空间 中图分类号T D 4 6 1 ；T D 6 7 9文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 7 S 0 - 0 2 4 6 - 0 4 S t u d yo nRV a l u eE x t r a c t i o no fO r eb a s e do nX ．r a yT r a n s m i s s i o n Z H U D a o y a o 。s H A N GH o n g l i a n g ，S H IP e i w e i ，C H E N GL e i B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a ；B G R I M MM a c h i n e r y a n dE l e c t r i c sT e c h n o l o g yC o ．，L t d ．B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a ’ A b s t r a c t A tp r e s e n t ，t h ef e e d i n gg r a d eo fn o n f e r r o u sm e t a l so r ei sd e c l i n i n g ，a n da p p l i c a t i o no fs o r t i n g t e c h n o l o g yf o ro r ep r e c o n c e n t r a t i o ni sg r a d u a l l ye x p l o r e d ，S Ot h er e s e a r c ho nt h ei d e n t i f i c a t i o na n dd e t e c t i o nb a s e do n d u a le n e r g yX r a yt r a n s m i s s i o no fo r ei sc o n c e r n e d ．I nt h i sp a p e r ，t h eb a s i ct h e o r yo fd u a le n e r g yX - r a yt r a n s m i s s i o n s o r t i n ga n dRv a l u ee x t r a c t i o ni si n t r o d u c e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo ft h i c k n e s sd i s t u r b a n c eo fo r ei sa n a l y z e d ．T h et w oo f m e t h o d so fRv a l u ee x t r a c t i n gb yr e d u c i n gt h et h i c k n e s se f f e c to fo r e a r ei n t r o d u c e d d i g i t a la n a l y t i c a lm e t h o da n d t w o d i m e n s i o n a l ，a n dt h eR C - I Lp l a n e ．T h es t u d yo np o s s i b i l i t yR C - I Lp l a n eo fo r e w a se x p l o r e db ye x p e r i m e n t ． F i n a l l y ，t h ep a p e rc o n c l u d e dt h eRv a l u ee x t r a c t i o na n di t s d i f f i c u l t i e s ． K e yw o r d s o r es o r t i n g ；X ．r a yt r a n s m i s s i o n ；Rv a l u e ；t h i c k n e s se f f e c t ；t w o d i m e n s i o n a la t t r i b u t es p a c e 当前，矿石贫化率升高，矿石入选品位降低，造 成选矿成本不断增加。矿石拣选技术能够实现预选 抛废，选出有用矿物，减少磨矿和选别作业矿量，因 此近几年块矿拣选技术及设备的研究越来越受到重 视。目前拣选技术可以采用色选法、x 射线荧光法、 x 射线透射法、电磁感应法、放射法等。其中，x 射 线透射法因为其对矿石具有穿透性检测能力，不受 灰尘、水分、表面污渍、形状等因素制约，能探测物体 内部信息，适用范围广，提高了检测准确性，为分选 提供了有效判断依据，有着独特的优势。已经在安 检、C T 检测、无损探伤领域得到成熟应用。 目前X 射线透射法通常采用双能X 射线法 D E X R T 检测，通过获得矿石高低能数据，理论上 可以消除矿石厚度影响，得到双能尺值特征信息，从 而获取被检测矿石元素原子序数等信息，反映矿石 的特征属性，与矿石品位建立特征关系，区分目标矿 石与废石的差异，建立相应工业分选阈值。 1 矿石X 射线透射原理 应用在矿石拣选上的x 射线透射系统主要由x 射线源、准直器、低能探测器、铜滤片、高能探测器等 组成，如图1 所示。x 透射系统采用单一x 射线源 产生x 射线能谱，使用上下两组高低能探测器，中间 夹有铜滤片。矿石的X 射线透射技术指，矿石经过 皮带运输，以一定速度经过X 射线透射系统中x 射 线源的照射，利用高低能探测器获取矿石的高低能 灰度值，通过相应算法得到有效原子序数等信息，从 而区分矿石组分或品位间的差异。 收稿日期2 0 1 7 - 0 7 1 3 作者简介朱道瑶 1 9 9 0 一 ．男，湖南醴陵人，硕士，工程师，主要从事选矿设备研究。 万方数据 2 0 1 7 年增刊 朱道瑶等矿石x 射线透射的R 值提取方法研究 2 4 7 9 1 0 图1矿石双能X 射线透射原理 F i g ．1P r i n c i p l eo fo r eD EX R T 1 一阳极；2 一阴极；3 一准直器；4 一矿石；5 一皮带； 6 一低能探测器；7 一铜滤片；8 一高能探测器； 9 一光电倍增管 输} i _ ，． ；l O 一光电倍增管 输出，H x 射线透射原理主要为，x 射线透射后强度衰 减的特性满足朗伯一比尔定律，所以高低双能x 射 线透射衰减公式为 I I H I 晌x e 一9 I ” { t 1 L l mXe - g l i 肛器 ㈦ 『，H I Ⅳ E P d E E e 堆一6 1 d E {尼0 3 ∽ I Ⅳ E P d E E e - g r “1 d E ’ J0 式中Ⅳ E 一高低能x 射线连续谱中能级中的 光子数； 只 E 一探测器的光子能量为E 时的探测概 率； 胁 E 一物质在能量为E 的x 射线下的能量吸 收系数。 在实际应用中，由于系统的x 射线源产生的是 连续谱的关系，无法像单色谱x 射线源那样直接由 高低能的衰减公式直接导出物质的属性值。如果继 续使用该公式，则会引入矿石厚度的不同对属性值 计算结果的影响，从而导致出现厚度效应相同物质 的厚度不同使得R 值分布范围很大；或不同物质由 于厚度不同，其尺值有可能相同。其结果直接导致 物质判别的准确性降低。所以如何消减厚度效应， 校正双能尺值对该方法的应用具有重要意义。除此 之外，将由校正的双能R 值计算得到的有效原子序 数和矿石组分或品位间建立对应关系，则是解决如 何确定矿石分选依据关键。 2 消减厚度效应提取R 值方法研究 对于x 透射检测一1 5 0 2 0m m 粒度矿块而言， 并且矿石呈单层布置接受检测，矿石的厚度是双能 量R 提取的最为重要的影响因素。 a 消减矿石厚度效对双能量尺提取的影响研究 为了解决矿石厚度的影响，可以引入数字化的 分析求解方法，对于 3 式中，在应用过程中高低能 x 射线连续谱中能级中的光子数Ⅳ E ，x 射线光子 能量E ，探测器光子能量为E 时的探测效率P 。 E ， 这些参数均可由直接模拟、测量和计算获得，可取 K E N E E P 。 E ，所以特定点的透射信号表达 式转换成 ，R n ， IK E e - g t 胂d E 4 J0 上述积分式在离散点上被积函数可求解，从而 通过近似求解原定积分。 再利用复化求积理论分割求解区间，利用辛普森 公式在每一区间上使用近似积分来求解整个区间结 果。用数字化优化方法求解，可以利用最小错误概率 的贝叶斯决策理论进行判别数字化方法的改进情况。 以上过程可以完成R 值的近似求解和误差判断。 万方数据 2 4 8 有色金属 选矿部分 2 0 1 7 年增刊 R 值是矿石有效原子序数z 。盯相关的属性值。 根据已有的相关双能量x 射线物质分辨特性的有效 原子序数计算方法，建立起与尺值之间的联系。对 于有效原子序数和双能量尺值关系表达式可以有 Z 。Ⅳ一6 ．5 9 6 1 0 5 ．e - 9 ．8 1 5 8 4 ．6 8 5 ．e 0 ．6 7 8 3 R 5 通过计算有效原子序数信息，再建立与矿石品 位间数值关系，从而实现矿石和废石品位间差异的 区分。 b 二维尺，一，，平面对厚度进行校正研究 同样为了解决矿石厚度的影响，可以改变直接 求解尺值的思路，来实现研究矿石和废石之间属性 表征信息。可以仍然参考单色谱R 值求解公式，将 连续能谱等效为某一单色谱，便于表达，取尺，作为尺 值的倒数。由于双能x 射线透射系统结构特点，位 于上端的低能探测器能够获取更为完整的透射信 息。故可以建立尺，一，识别算法拓展属性空间，将 存在判别重叠区的一维空间转换为R ，一，，二维判断 空问，即建立二维坐标图，横坐标取为尺，轴，纵坐标 为，￡轴。 更进一步地，针对二维属性空间，可以进行区域 的细化，针对部分区域划分不清，可以建立相应的隶 属度分割方法。其方法为，首先建立各细分区域的 隶属度模型，通过待求数据点的低能级灰度能级确 定隶属度计算模型，再代入计算出该点分属各个区 域的概率，得到其隶属度值。 针对矿石和废石的厚度容易造成x 射线透射检 测中的R ，值出现了重叠不易区分的问题，引入二维 尺。一，。平面对厚度进行校正，实现数据点分布的差 异化表征，结合图像处理和模式识别理论，为矿石和 废石的差异区分的提供有效判据。 3 试验研究探索 为了对矿石应用双能x 射线透射尺值提取进行 研究，选取了铜矿石和围岩 如图2 进行针对性实 验探索研究。通过双能x 射线透射，将矿石成像像 素点建立起双能特征值尺，一，。．描绘在二维坐标空 间，通过设置常规的物质识别阈值曲线，判别像素点 矿石物质归属。图中横坐标为R ， 1 0 0 0 倍 ，纵坐 标为，。。橙色数据点是铜矿石的双能分析数据，蓝 色数据点是围岩的双能分析数据，详见图3 和图4 。 当矿石的厚度基本相同时，可以看到两种颜色数据 二维坐标空间内能够实现分离，有较为明显的边界 区分，这也证明应用尺，一，，二维属性空间进行该种 类型铜矿石和围岩的区分识别是可能的。 图2 铜矿石和围岩样本 F i g ．2S a m p l e so fc o p p e ro r ea n ds u m m n d i n gr o c k 图3铜矿石和围岩双能X 透射成像 F i g ．3 D EX R l li m a g i l l go fc o p p e r o r ea n dS i l l ．r 1 u n d i n gr o 、k rj ．x { t 一一』～J ‘～一⋯ 3 0 06 0 09 0 01 2 0 0 1 5 0 01 8 0 02 1 0 02 4 0 02 7 0 03 0 0 0 图4铜矿石和围岩双能透射分析 尺，一，，二维空间表示 F i g ．4 D E X R Ta n a l y s i so fc o p p e ro r ea n d s u r r o u n d i n gr o c kb yR ，一，￡ t w o d i m e n s i o n a ls p a c e 国内X 射线透射技术在安检领域发展迅速，主 要就是利用双能R 值识别算法进行对应的研究和应 用工作，将透射系统检测计算得到的物质有效原子 序数高低进行分类判定，并建立相应物质检测的识 别曲线或阈值模型。这为矿石x 射线透射提供一定 的理论发展基础。 国外对于x 射线透射技术分选矿石算法研究起 步较早，开展的研究工作也较为广泛，对多种矿石进 行了试验研究。荷兰代尔夫特理工大学较早开展双 能x 射线透射研究，对南非布什维尔德铂矿进行了 双能X R T 分选透射研究，还对智利斑岩铜矿检测分 引lld州l引～叫il剁Jd】硎l引l弹0 3 O 2 7 2 6 l 6 O 5 5 9 4 8 3 7 2 6 ●5 5 8 2 5 9 2 6 9 3 6 6 5 5 4 3 3 2 1 l 万方数据 垫1 7 年增刊朱道瑶等矿石x 射线透射的R 值提取方法研究 2 4 9 ． 析，对透射检测得到的有效原子序数和理论值进行 比较，得到有效原子序数与矿石品位关系曲线，最终 确定最优的工业应用的分选阈值。 4结论 通过研究双能x 射线透射特征属性尺值提取校 正算法，消减矿石厚度效应的影响，得到矿石双能R 值信息、有效原子序数等信息，或者建立二维尺。一，。 平面，以实现发现矿石和废石的在特征差异，作为分 选判断依据。这也是双能x 射线透射拣选技术在矿 石领域实施应用核心问题。通过试验也初步验证 了，双能透射提取R 值对矿石品位高低的进行判断 识别，是具有可实施性的。 当然，应用双能x 射线透射特征属性尺值提取 校正算法进行矿石品位高低的判断识别的方法，目 前还存在难点需要进一步克服比如目前国内有色 金属矿石成分复杂，并且入选品位逐年降低，矿石和 废石间差异较小，矿石透射分选检测不同于安检等 检测，其精度要求更高，判断区间划分更细，这些无 疑都大大地增加了尺值提取和区分的难度。 参考文献 [ 1 ] M A C D O N A L DRDR ．D e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fad u a l e n e r g yx r a yi m a g i n gs y s t e mf o ro r g a n i cm a t e r i a ld e t e c t i o ni n a na i r p o r ts e c u r i t ya p p l i c a t i o n [ C ] ／／P h o t o n i c sW e s t2 0 0 1 一 E l e c t r o n i c I m a g i n g ．I n t e r n a t i o n a lS o c i e t y f o r O p t i c s a n d P h o t o n i c s ．2 0 0 1 3 1 - 4 1 ． [ 2 ] K L I F M A NEHA ．D E X R Tm e t h o dt os e p a r a t ep l a t i n u mo r e [ R ] ．D e l f t D e l f tU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，2 0 1 3 ． [ 3 ] L UQ ．T h eu t i l i t yo fx r a yd u a l e n e r g yt r a n s m i s s i o na n d s c a t t e r t e c h n o l o g i e s f o ri l l i c i tm a t e r i a l d e t e c t i o n [ D ] ． B l a c k s b u r g ，V i r g i n i a V i r g i n i aP o l y t e c h n i c I n s t i t u t ea n d S t a t eU n i v e r s i t y ，1 9 9 9 3 6 - 5 0 ． [ 4 ] 孙丽娜．x 射线安检技术物质识别方法研究[ D ] ．沈阳 东北大学，2 0 0 8 ． [ 5 ] S H IX ．I m p r o v i n go b j e c t c l a s s i f i c a t i o ni n x - r a yl u g g a g e i n s p e c t i o n [ D ] ．B l a c k s b u r g ，V i r g i n i a V i r g i n i aP o l y t e c h n i c I n s t i t u t ea n dS t a t eU n i v e r s i t y ，2 0 0 0 1 2 6 1 3 2 ． [ 6 ] A N N I SM ，B J O R K H O L MR ，S C H A F E RD ．A u t o m a t i c d e t e c t i o no fe x p l o s i v eu s i n gx r a yi m a g i n g ，A c c e s sS e c u r i t y S c r e e n i n g C h a l l e n g ea n dS o l u t i o n s ，A S T MS T P I1 2 7 [ J ] ． A m e r i c a S o c i e t y f o r T e s t i n gM a t e r i a l - S p e c i a l T e c h n i c a l p u b l i c a t i o n s ，1 9 9 2 6 8 8 1 ． [ 7 ] 李振华，徐胜男．基于伪双能射线成像的矿石分选系统 及方法C N1 0 4 1 3 8 8 5 4B [ P ] ．2 0 1 6 - 0 6 - 2 5 ． [ 8 ] 徐明刚，鲍旭东．伪双能x 射线透射系统矫正厚度影响 的物质鉴别方法[ J ] ．电子器件，2 0 0 7 ，3 0 1 2 1 9 - 2 2 1 ． [ 9 ] M I C KR O U K E M A ．D E X R Ta s s e s s m e n to np o r p h y r yc o p p e r o r ef r o mC h i l e [ R ] ．D e l f t D e l f tU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ， 2 0 1 3 ． 万方数据