正电子颗粒跟踪技术及其在磨矿模拟中的应用.pdf

第3 4 卷 2 0 1 4 年0 8 月 矿冶工程 M I N I N GA N D 劓咂T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 4 A u g u s t2 0 1 4 正电子颗粒跟踪技术及其在磨矿模拟中的应用① 肖骁，张国旺，黄礼龙，石立，龙渊 长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南长沙4 1 0 0 1 2 摘要介绍了正电子颗粒跟踪技术特点及其在磨矿模拟中的应用，重点阐述了该技术在球磨机、立式搅拌磨机、艾萨磨机等磨机 研磨介质运动状态、功率需求计算等方面的应用现状，并对其在矿物加工领域的应用前景进行了分析。 关键词正电子颗粒跟踪技术；计算机断层扫描技术；磨机介质运动状态；功率需求 中图分类号T D 9 2 1文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 4 ．0 8 ．0 7 0 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 4 0 8 0 2 5 8 0 4 正电子发射颗粒跟踪技术 P o s i t r o nE m i s s i o n P a r t i c l eT r a c k i n g ，P E P T 指通过同位素衰变时产生的 正电子来实现显像的正电子发射型计算机断层扫描 术，具体为采用两个相对的探测器对正电子湮灭辐射 产生的位于一条直线上、方向相反的两个光子产生的 1 ．射线进行监测，从而确定闪烁点位置。该系统包括 一个正电子相机、跟踪剂位置和速度的定位算法以及 跟踪标记技术。2 1 。 正电子相机即正电子发射断层扫描仪 P o s i t r o n E m i s s i o nT o m o g r a p h y ，P E T ，采用3 D 采集模式，在南 非开普敦大学P E P T 实验室安装的E C A T “E X A C T 3 D ” 型号C T I ／西门子9 6 6 正电子发射断层 扫描仪 P E T 相机 见图1 ，为P E P T 研究提供高灵 敏度、高分辨率图像。相机由4 8 个环状标准锗酸铋探 测器元件组成，环直径8 2c m ，轴向视场为2 3 ．4c m ，显 著大于其它常规环形P E T 相机。数据获取系统可以 保持每秒4 0 0 万个符合事件的持续获取速率。测定的 P E T 成像系统扫描仪的平均空间分辨率为4 ．8 0 ．2 m l n 轴向，轴 半高全宽及5 ．6 0 ．5m i l l 。 图1南非开普敦大学4 8 环E C A T ‘E X A C T 3 D ’P E T 相机 P E P T 技术成像原理如图2 所示，一对1 一射线由 两个探测器同时测定，确定最接近射线源的轨迹。 P a r k e r l 3 1 等开发了定位算法，该算法是基于给定事件 的无损轨迹最终相交于空间中的某点这一事实开发 的，该点即为颗粒位置。定位算法计算颗粒位置时，最 小化了不同轨迹间垂直距离的总和。Y a n g H o 等开发 了能同时跟踪三个颗粒的新定位算法，该算法的原理 如下首先采用常规P E P T 算法确定第一个颗粒，按常 规剔除事件，然后算法重新检查原始数据，剔除所有已 发现路线的相近路线，用标准P E P T 算法定位第二颗 粒，依此类推，实现了三个颗粒的同时定位。 一 黪瀚翻避 ∥P ∞■r ∞ 删 气 p o , a v o n I m 口m g C W n H jS ”￡B mP 0 5 j o n ㈣“ n 口C _ n w 口S ”l * n 图2P E P T 相机平行板成像及其操作原理 P E P T 的示踪剂为发射正电子的放射性同位素， 半衰期由数分钟至数年。放射性同位素的半衰期 t 。以 时间应该保证实验完成，又要在使用后能够安 全废弃。P E P T 试验通常使用的放射性同位素有 ”G a t l ／2 9 ．4 5h 6 8 G a t l ／2 6 8r a i n ，1 8 F t l ／2 1 0 9 m i n ，”C u t 1 ／2 2 0 4m i n 及6 4 C u t 1 ／2 2 ．7h 。另外， 2 2 N a t ．， 2 ．6 年 也经常在P E P T 中实验中使用，并且 ①收稿日期2 0 1 4 0 7 1 2 作者简介肖 骁 1 9 7 1 一 ，女，湖南武冈人，博士 后 ，高级工程师，主要从事细磨技术研究。 万方数据 2 0 1 4 年0 8 月 肖骁等正电子颗粒跟踪技术及其在磨矿模拟中的应用 可以回收利用⋯。 P E P T 已广泛应用于工程科学中，以获得多相系 统中流体或颗粒物料的运动和流场信息，如岩石裂缝、 化学反应器和食品加工过程的流场信息、化学反应器、 造粒机、混合器、干燥器、回转窑和球磨机中的颗粒物 料的动态行为∞’6 3 。本文将着重介绍P E P T 技术在磨 矿过程模拟中的应用情况。 1 球磨机运行状态的测定 南非开普敦大学矿物研究中心采用P E P T 技术进 行了球磨机的功率需求测定计算、剪切率的测定以及循 环负荷的计算等研究卜9 1 。采用的实验装置如图3 所 示，其中下图为位于P E P T 单元两个探测器中间的磨机。 图3P E P T 试验的试验磨机 B b o s a 采用P E P T 技术进行了球磨机功率需求研 究，通过P E P T 获得速率场和功率分布数据，并根据 “厢式力矩”方法计算得到功率，计算所得的功率需求 与实际测定的相一致‘7 1 见图4 。 磨机临界速度百分率 图4由P E P T 试验计算得到的功率需求值 G o v e n d e r 基于P E P T 获得的数据采用平均时间速 率分布和替代方法计算和表征了球磨机的剪切率。研 究发现剪切率随固含量增加而减小，最高的剪切率数 据在最低固体浓度时获得。高转速时，产生的剪切率 数量级最高，剪切率受转速控制。低转速时，剪切率受 固含量控制J 。 L a l l o n 等基于P E P T 数据建立了负荷循环率与磨 机物理参数之间的关系模型，该研究中，磨机的操作参 数由P E P T 跟踪颗粒的在线流场获得。研究发现循环 率为转速、填充率、静安息角、离去角、磨擦系数等磨机 操作参数的函数，循环率随这些参数呈线性关系。基 于P E P T 数据建立的模型与P E P T 测定的数据具有一 致性⋯，如图5 所示。 磨机速度 临界速度1 分数 图5 模型计算的循环率与P E P T 获得的循环率对比 2 立式搅拌磨研磨介质运动状态的测定 英国埃克塞特大学C o n w a y B a k e r 康威- 贝克 等 于2 0 0 2 年采用P E P T 技术进行了立式搅拌磨研磨介 质运动方式的测定，这是最早采用P E P T 进行球磨机 中颗粒物料动态行为测定的研究。该研究采用如图6 所示装置测定了介质充填量、浆料密度、介质尺寸及阻 力等条件对磨机内介质运动的影响方式。研究发现磨 机内存在上部循环、中部加速及下部循环3 个不同介 质运动方式的区域 见图7 ，在不同区域内颗粒破碎 图6 立式搅拌磨原理图及P E P T 装置内的磨机照片 万方数据 矿冶工程 第3 4 卷 ‘’⋯。‘’～～／一’。_ V o n o x 终； i 9 u ■∞ f ，| I ，； j | 斗女 U M “X 吣 l 亏| ■～- ≥P I n I D e e r B a n d ■一 - 匕少飞◇ L a - 帕rC 1 r ∞峙 图7 总介质流场 转速6 0 0r ／m i n ，5 0 ％介质量，5 0 ％固体量，无分散剂 的方式会有不同，可通过改变介质充填量、介质尺寸、 浆料密度以及阻力等条件来改变这些区域分布，从而 控制产品粒度分布o1 1 - 1 2 ] 。 3 艾萨磨研磨介质运动状态的测定 2 0 1 0 年，南非开普敦大学矿物研究中心与通达 X s t r a t a 技术公司联合开展了采用P E P T 跟踪 I s a M i l l T M 内介质球运动的研究3 | 。磨机为M 2 03 盘 见图8 ，玻璃球和陶瓷球跟踪剂通过在回旋加速器 内以3 3 M e V3 H e 光束轰炸使其具有放射性。 研究得出了磨机中介质球所占据位置详细信息以 及转速、介质填充率、介质类型对介质球占据位置的影 响方式，介质球在磨机内形成了一个与壳体对应的环 面且介质基本上都位于盘面之间的区域。获得了不同 位置介质球的速率及其分布，介质填充率、介质类型、 转速对介质运动速度及其分布的影响方式以及磨机内 不同位置介质球向心加速力情况。研究认为P E P T 可 以用于跟踪I s a M i l l T M 中高速运动的介质球，且成功获 得了I s a M i l l l M 中介质球运动的详细信息，很多信息在 以前是不可能得到的。 图8P E P T 探测器中M 2 03 盘艾萨磨 a 玻璃介质； b 陶瓷介质 J a y a s u n d a r a 将P E P T 测定结果与相同条件下的 C F D ．D E M 模拟结果进行了比较，两种方法得到的功率 需求、径向加速度分布、径向平面速率分布、空间速率 分布、颗粒流、流体速度结果比较一致。图9 示出了两 种方法得到沿盘面直径介质速度分布情况‘1 4 1 。 图9 不同速度和磨机负荷下介质速度沿盘面直径分布 情况P E P T 与C F D D E M 模拟的比较 a 玻璃球； 1 陶瓷球 万方数据 2 0 1 4 年0 8 月 肖 骁等正电子颗粒跟踪技术及其在磨矿模拟中的应用2 6 1 4 P E P T 的应用前景及其发展趋势 [ 。] 目前，正电子颗粒跟踪技术主要用于磨机内的介 质运动状态表征及有限元模型的实验验证 介质运 动 ，以获取磨机运行状态信息。既然正电子颗粒跟 踪技术是基于跟踪剂的正电子湮灭原理对颗粒进行跟 踪，进一步的研究可将跟踪剂标记在研磨物料上，获取 研磨物料的运动信息。为实验室磨机甚至工业磨机的 操作参数优化提供准确的数据支持。 另外，正电子颗粒跟踪技术可用于浮选、分级、浓 缩等矿物加工过程的矿物颗粒流运动状态的测定和表 征，对明确分选过程机制及提高分选效率具有重要 意义。 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] DJP a r k e r ，XFF a n ．P o s i t r o ne m i s s i o np a r t i c l et r a c k i n g 一- A p p l i e a t i o n a n dl a b e l l i n gt e c h n i q u e s ．P a r t i c u o l o g y ，2 0 0 8 6 1 6 2 3 ． h t t p ／／w w w ．p e p t ．u c t ．a c ．日．[ E B ／O L ] ． DJP a r k e r ，CJB m a d b e n t ，PF o w l e s ，e ta 1 ．P o s i t r o ne m i ％i o np a r t i c l et r a c k i n g At e c h n i q u ef o rs t u d y i n gf l o ww i t h i ne n g i n e e r i n ge q u i p m e n t [ J ] ．N u c l e a rI n s t r u m e n t sa n dM e t h o d si nP h y s i c sR e s e a r c hS e c t i o nA ，1 9 9 3 ，3 2 6 5 9 2 6 0 7 ． ZY a n g ，DJP a r k e r ，PJF r y e r ，e ta 1 ．M u h i p l e p a r t i c l et r a c k i n g A n i m p r o v e m e n tf o rp o s i t r o np a r t i c l et r a c k i n g [ J ] ．N u c l e a rI n s t r u m e n t s a n dM e t h o d si nP h y s i c sR e s e a r c hS e c t i o nA ，2 0 0 6 ，5 6 4 1 3 3 2 3 3 8 ． 常铭，肖永顺，陈志强．x ．射线C T 在岩土材料微结构研究中 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] 的应用[ J ] ．中国体视学与图像分析，2 0 1 1 ，1 6 4 3 4 8 3 5 4 ． 李林升，邱长军，林国湘，等．基于C T 原理的轴类件深埋裂纹扩 展预测研究[ J ] ．机械设计与制造，2 0 1 2 2 1 3 0 1 3 2 ． LSB b o s a ，IG o v e n d e r ，AN M a i n z a ，e ta 1 ．P o w e rd r a we s t i m a t i o n si n e x p e r i m e n t a lt u m b l i n gm i l l su s i n gP E P T [ J ] ．M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ． 2 0 1 l ，2 4 3 1 9 - 3 2 4 ． IG o v e n d e r ，NM a n g e s a n a ，ANM a i n z a ，e ta 1 ．M e a s u r e m e n to fs h e a r r a t e si na l a b o r a t o r yt u m b l i n gm i l l [ J ] ．M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ，2 0 11 。 2 4 2 2 5 - 2 2 9 ． IG o v e n d e r ，PWC l e a r y ，AM a i n z a ．C o m p a r i s o n so fP E P Td e r i v e d c h a r g ef e a t u r e si n w e tm i l l i n ge n v i r o n m e n t sw i t haf r i c t i o n ．a d j u s t e d D E Mm o d e l [ J ] ．C h e mE n gS c i ，2 0 1 3 ，9 7 1 6 2 1 7 5 ． D V VK a l l o n ，IG o v e n d e r ，ANM a i n z a ．C i r c u l a t i o nr a t em o d e l l i n g o fm i l lc h a r g eu s i n gp o s i t i o ne m i s s i o np a r t i c l et r a c k i n g [ J ] ．M i n e r a l s E n g i n e e r i n g ，2 0 1l ，2 4 2 8 2 2 8 9 ． RWB a r l e y ，JC o n w a y B a k e r ，RDP a s c o e ，e ta 1 ．M e a s u r e m e n to f t h em o t i o no f 咖n d i n gm e d i ai na v e r t i c a l l ys t i r r e dm i l lu s i n gp o s i t r o n e m i s s i o np a r t i c l et r a c k i n g P E P T [ J ] ．M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ，2 0 0 2 ． 1 5 5 3 - 5 9 ． RWB a r l e y ，JC o n w a y - B a k e r ，RDP a s c o e 。e ta 1 ．M e a s u r e m e n to f t h em o t i o no f 鲥n d i n gm e d i ai na v e r t i c a l l ys t i r r e dm i l lu s i n gp o s i t r o n e m i s s i o np a r t i c l et r a c k i n g P E P T P a r tI I [ J ] ．M i n e r a l sE n g i n e e r ． i n g ，2 0 0 4 ，1 7 1 1 7 9 1 1 8 7 ． A Pv a nd e rW e s t h u i z e n ，IG o v e n d e r ，ANM a i n z a ，e ta 1 ．T r a c k i n g t h em o t i o no fm e d i ap a r t i c l e si n s i d ea r tI s a M i l l T Mu s i n gP E P T [ J ] ． M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ，2 0 1 1 ，2 4 1 9 5 2 0 4 ． C T J a y a s u n d a r a ，RYY a n g ，BYG u o ，e ta 1 ．C F D D E Mm o d e l l i n g o f p a r t i c l e f l o wi n I s a M i l l s C o m p a r i s o n b e t w e e ns i m u l a t i o n sa n d P E P Tm e a s u r e m e n t s [ J ] ．M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ，2 0 1 l ，2 4 1 8 1 1 8 7 ． 万方数据