工业物料水分测量与中子测水技术的应用
来源:SSTKJ 添加时间:2003-11-24
张景旭 李清华 杨其京 朱雪玉 于 炜 郑 国 孙振撼

摘 要：中子测量工业物料的含水量是一种先进的应用技术。本文介绍了中子测水技术的原理、技术特点、产品性能和使用方法。

关键字： 物料 水分 热中子 屏蔽 立体角

TECHNOLOGICAL APPLICATION OF EXPLORING MATERIEL`S MOISTURE BY NEUTRON IN INDUSTRY

ZHANG Jinxu LI Qinghua YANG Qijing ZHU Xueyu

YU Wei ZHENG Guo SUN Zhenghan

（Shougang Measure Automation Systems Engineering Ltd. Co.）

KEY WORDS materiel moisture hot neutron shield solid angle

水（H2O），是地球上最为普遍存在的物质，是生命赖以是延续的基础。自然界中三种形态的水与我们的生活息息相关，而对于工业生产来说，更是一个不可缺少的条件。我们知道，在工业生产过程中，尤其是在钢铁企业生产中，不同的中间生产过程，对水的要求也是不同的。如，有的过程需要大量的水，进行冲洗或冰却，有的过程只需要定量的水，进行配比或中和。而有的过程，水的存在越少越好，比如，炼钢，炼铁的冶炼中对原料含水量的要求就是如此。

焦炭是一种工业物料，是高炉炼铁生产的主要原料之一，也是炼铁生产过程中的主要能源。由于焦炭水分含量与炼焦生产气候以及焦炭颗粒大小等因数有关，通常是一个不稳定的值。正常情况下，高炉焦炭水分含量一般在13%以下。在炼铁生产工艺中，很多重要的参数都与焦炭的含水量有着密切的关系，并且直接影响高炉的炉况，主要是炉温。对于同等重要的焦炭，水分含量高，则使炉温下降；反之炉温上升。炉温的上下波动不仅关系到生铁的含硫含硅量，同时，还增大焦比和能源消耗，而且还直接影响着高炉的利用系数、使用寿命、生铁质量、产量和宏观经济效益。要想解决这个问题，首先，我们得测量出焦炭水分含量的精确数值，再经过微机进行焦炭补偿重量计算，并通过系统控制完成在线批量补偿，从而达到入炉焦炭能量的恒定，使炉温趋于稳定。

如何准确地在线快速测定炼铁生产中的入炉焦炭的含水量，是长久以来一直困扰着冶金企业的难题之一。随着科技进步和冶金自动化过程控制技术的不断提高，更加突出了解决这一关键技术问题的急迫感和重要性。传统的检测方法存在着检测结果滞后于生产过程控制的最大弊端，很难满足现代化生产的快速检测和水分补偿闭环控制的技术要求。中子测水法是近二十多年发展起来的一项科学实用的检测技术，是一种非接触式在线测量技术，它是对料仓内被测物料大体积范围内不均匀的物料进行积分测量，而取得一个平均水分值。比那种局部取样测定更具有代表性和可靠性。因此，测量精度高是采用中子测水技术的主要优点之一。

中子测水法的原理是：当一个中子源紧靠于物料堆的表层时，中子源不断地发射的快中子与物料原子核发生碰撞而被减速，既中子慢化。每碰撞一次就要减速一次，直到最终慢化成为热中子。于是，在中子源附近空间就形成了一个热中子云球。在快中子减速慢化过程中，氢与其它物质的原子核所起的作用有着明显的差异。中子物理学指出：不同元素的原子核对中子的减速慢化能力是由两个因子决定的。一是被碰撞核的质量，即中子与核碰撞所损失的能量随核质量增大而迅速减少。氢核最轻，碰撞使中子损失能量最大。慢化能力最强。二是中子与原子核的碰撞几率（散射截面），氢核对中子的散射截面最大。根据中子弹性碰撞理论，可推出碰撞前面能量损失的计算公式如下：

E2=[（A2+2ACOSθ+1）/（A+1）2]× E1

其中，E1和E2各为中子碰撞前后的能量，A为核的质量数，θ为中子入射方向与散射方向的夹角。对不同散射角θ的平均，由数学分析可得到每次散射的平均能量缩减为：

△E=2AE1（A+1）2

例如：当E1=5Mev时，对于氢A=1，△E=2.5Mev则能量损失为50%，而对于碳A=12，△E=0.7Mev，仅损失能量为14%。

理论计算表明：当中子对氢原子和碳原子碰撞时，每碰撞一次平均损失能量的差别反映了它们对快中子慢化成热中子能力的大小。在中子物理中用平均对数能量缩减（ξ）及碰撞几率（ΣS）这两个因子的乘积即（ΣSξ）来描述中子宏观慢化能力，换言之，中子慢化不仅决定于每次碰撞损失的能量，而且还决定于碰撞的几率。碰撞几率又决定于单位体积内的原子核数N和原子核对中子发生作用的反应截面σs　，Σ=Nσs　。

平均对数能量缩减的定义为：ξ=ln(E1/E2)=lnE1-lnE2

计算结果得出，氢、水和碳对快中子的能量缩减分别为ξH=1，ξH2O=0.92,以及ξc=0.158。快中子能量由5Mev减到0.025Mev（热中子）时对氢、水和碳的碰撞次数各需要19次，21次和121次。可以看出快中子与碳和水碰撞的次数相差六倍。如果综合考虑ΣS与ξ两个因素，通过计算可得（ΣSξ）C=0.064, （ΣSξ）H2O=1.53,其值相差25倍。由于氢原子的结构对快中子的减速作用最大；因此，中子测水法严格地说是中子测氢。

中子测水法正是基于被测物料（如焦炭）和水对快中子慢化能力差异的原理，只要物料中的含水量有很小的变化，那么，就会在被测区内的热中子数有很可观的变化。由于每次物料是一定的，而快中子与无水物料（如干焦）碰撞后形成的热中子数也是一个恒定的值，所以，每次测定的热中子计数率的变化就直接反映了被测物料（焦炭）中的含水量的变化。中子源的种类很多，首先从防护方面考虑，镅-铍（Am-Be）中子源在衰变时发出的γ射线较弱，只有60Kev，便于防护，也便于排除因γ射线产生的干扰脉冲。其次，从实用性和经济效益方面考虑，Am241的半衰期很长，大约433年，因此镅-铍（Am-Be）中子源在使用时可以不用考虑因强度衰减而带来的寿命问题和信号减弱的问题。镅-铍（Am-Be）中子源是一种低能γ本底的放射源。在无屏蔽条件下，距离中子源一米处，测得每居里的γ照射率为0.03毫伦/小时。因此，对300毫居的Am-Be中子源只考虑中子屏蔽的防护就可以了。中子源的屏蔽材料通常选用石蜡或高分子碳氢聚合材料，例如聚乙烯，其屏蔽厚计算如下：

在距离300毫居Am-Be中子源25厘米的中子通量：

Φn=(A•Y)/(4πR2)=(300×2.2×103)/(4×3.14×252)=84个/s·cm2

取Am-Be中子源的平均中子能量为5Mev，相当于允许中子剂量每小时2.5毫雷姆。相当于快中子通量为18中子/秒·厘米2。查表可知聚乙烯的半吸收厚度4.5厘米，设聚乙烯的屏蔽厚度为χ厘米，则有：

Φ=Φn/2x/d 即： 2x/d=Φn/Φ=84/18

通过对数计算可得出χ=10厘米。

取10厘米作为主防护体的屏蔽厚度。根据对探头表面中子剂量的实测结果平均为2毫雷姆/小时，符合国家辐射防护标准的设计要求。

中子测水法采用的射线探测器件是一种近年来最新研制的氦-3（He3）热中子正比计数管，其灵敏度比三氟化硼（BF3）管大2到3倍，而且由于He3气是惰性气体，无腐蚀性，对身体无害，其与中子的核反应是自补偿式反应，不消耗所充气体。因此，其使用寿命，理论上是无限的。氦-3（He3）热中子正比计数管的另一个显著优点是工作电压低，为1300V左右，几乎比BF3管低1000V。是一种较为理想的中子射线探测器件。

由此可知，中子测水法区别于其它形式的测水的最大特点是使用放射源和高探测效率且长寿命的热中子计数管。中子源发射出来的快中子射线具有很强的穿透能力，使非接触无损在线水分测量成为可能，同时，不受恶劣环境条件（如高温、高压、强腐蚀、强粉尘等）因素的影响，具有较高的稳定性、耐用性，故障率低，便于维护等特点。而采用积分式测量，对料仓大体积范围内不均匀水分含量的物料测量得到平均值，比传统的局部检测更具有代表性和准确性。常用的中子测水安装方式有两种：一种是插入式；一种是表面式。各有优缺点。前者是把探头插入到被测物料中，探测效率高，使用的放射源强度小，但安装和防护系统复杂，维护不便，探头外壳磨损问题不易解决，常给中子探头尤其是中子源的安全保护维护带来麻烦，如因探头磨损致使放射源脱落丢失的危险。表面式探测是探头固定在仓壁外表面上，不直接接触物料，在设备不停止运行的在线情况下，可自如的安装与拆卸，不影响生产。并且维护简单方便，安全性高。由于表面式安装是2π立体角探测，小于插入式的4π立体角探测，所以，为弥补探测效率方面的不足，表面式的放射源强度选择就要比插入式大几倍。为了进一步提高表面式中子测水的探测效率，可充分利用在非探测2π空间中快中子的反射，来增大探测2π空间的快中子数量，这样等于增大了放射源的强度。那么，这个把快中子反射回去的是什么材料制成的反射物体呢？多么厚才能起到足够的反射效果呢？在表面式中子探头中，这一物体叫做返射体，根据有关资料介绍，对钢返射体而言，20厘米厚的返射率可达无穷厚钢板时的90%，5厘米厚的钢板返射率可达到无穷厚钢板的40%。试验表明：2厘米厚的钢板可达到5厘米厚的钢板的70%以上。考虑到现场应用探头的体积、重量及维护方便，选择2厘米厚钢板作为返射体是相当适合的。此外，在返射体与聚乙烯屏蔽体之间加1毫米厚的镉板，用来把非探测方向的快中子慢化后折回的热中子吸收掉，以降低本底计数。

中子水分仪是综合上述理论和测量技术开发出来的一种核仪表，它利用被测物料对中子的慢化原理来达到测量水分含量的目的。随着计算机智能化自动控制技术的发展，作为快速、准确、高效的中子测水法日益凸现其重要性。除了焦炭以外中子测水法还可以进行烧结料、石英沙、矿粉、建筑混合料、土壤等水分含量的测量，是一种应用范围相当广泛的工业测量仪表。在国外，中子水分仪60年代初就已研制成功，主要用于钢铁企业焦炭及烧结混合料的水分含量的测量。到目前为止，欧美等发达国家的钢铁企业无一例外的都在炼铁生产中使用了中子水分仪，取得了显著的效益。30多年来，国外研制同位素核仪表的公司已逐渐发展成为专业化的厂家。如美国的Rosemount公司、Ronan公司，德国的Berthold公司日本的日立制作所等。我国自70年代末80年代初开始研制和应用中子水分仪。鉴于中子测水法是一种较为复杂的高新技术，需要一定的专业技术和理论基础，再加上需要特定的场所进行研究试验，一般单位和公司都难以满足。因为，国内开展这方面研究比较滞后，研制出来的仪表性能及质量远不如国外同类产品，致使国内各大冶金企业纷纷购买国外的中子测水仪表产品。昂贵的价格，已不是阻止购买的充分理由，这是因为中子测水在现代化大生产中所带来的经济效益是非常可观的。如，鞍钢选用美国Rosemount公司，武钢选用德国的Berthold公司，上海宝钢选用日本的日立制作所。这些仪表单台价格大都在20万元～40万元人民币之间，可算是相当昂贵。但因其经济效益很高，又能稳定提高生铁质量，所以，仍然很受欢迎。按照IAEA（国际原子能机构）报道：中子水分仪投入产出比1:10以上，即投入1万元，当年可产生效益10万元以上。根据英国“won andsteel”杂志统计，高炉应用中子水分仪，可节约焦炭2～3%，以一个高炉年产200万吨生铁计算，每年可节约2万吨焦炭，折合人民币 1000多万元。

我们首钢自1980年使用自己研制的表面式中子水分仪在线测量高炉入炉焦炭的含水量，与微机配合，实行对焦炭水分自动补偿控制，在近20年来炼铁生产中，对降低焦比节约能耗、提高生铁质量和产量起到了重要作用，产生了明显的经济效益。

ZSY-5型智能中子水分仪是我公司采用先进的中子射线探测技术及计算机智能化控制理论，研制开发的新型核仪表，吸取了国外同类产品先进的设计思想并综合国内外应用的大量实践经验。电路元器件、集成芯片及关键的射线探测部件均选用市场最高品质的产品。新型ZSY-5型智能中子水分仪有以下特点：

1． 水分测量快速准确、精度高、稳定性强，价格比同类进口仪表便宜。

2． 采用射线探测技术和与物料非接触在线测量的工作方式安全可靠。

3． 高灵敏度低压He3正比计数管，探测效率高，耐腐蚀，寿命长。

4． 智能化主机，CPU单元选用新一代单片机集成芯片80C196，可进行预编程，通过按键进行人机对话，参数设定，并可自动定标。

5． 前置式集成高压可进行远程（自动/手动）调控。8位LED双显示功能清晰稳定，根据需要可进行“工作状态显示”和“参数设定及功能检索显示状态”选择，操作简便。

6． 双屏蔽远距离信号传输电缆，抗干扰性强，信号传输稳定准确。配以相对独立的电缆线管。本仪表系统可适用环境更加广泛的复杂现场。

7． 本仪表系统的中子探头设计精巧，聚乙烯屏蔽芯体使辐射防护更加安全可靠。探头整体结构采用密封设计，抗工业粉尘和导电介质性能强。滑动钢管导轨手柄使安装调试和维护简单方便。



图1 工作原理（略）

Fig.1 work principle

功能规范：

使用对象：工业焦碳、烧结矿混合料、建筑建材混合料

输出信号：1～5V或4～20mA.

供电电源：～220V（±10%），50Hz。

技术参数：

水分测量灵敏度：对于1%含水量的脉冲计数为20～40个/秒。

反应时间：10～30秒。

典型精度：0.5%.

放射源种类：镅-铍（Am-Be）中子源。

放射源强度：300毫居（1.11×1010贝可）。

探头至主机距离：≤200米。

探头表面中子辐射剂量率：2毫雷姆/小时（2×10-5希沃特）。

探头表面γ剂量率：2毫伦/小时（2×10-5希沃特）。

外形尺寸（mm）：主机 532×170×152

探头（圆柱） Φ300×390

重量：主机8kg，探头30kg，探头安装附件18kg。



图2 电路框图：（略）

Fig.2 Board circuit diagram