核技术及其在钢铁工业的应用.ppt

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1、1,核 技 术 及其在钢铁工业中的应用 成都理工大学核技术工程系 赖万昌教授,2006年冬于宝钢,2,什么是核技术？ 核技术能干什么？ 核技术在钢铁工业有那些用武之地？ 核辐射的安全性如何？,3,什么是核技术？ 核技术能干什么？ 核技术在钢铁工业有那些用武之地？ 核辐射的安全性如何？,4,1964年10月14日9时我国第一颗原子弹首爆成功时产生的蘑菇云,5,1个235U原子裂变释放的能量：200MeV 1g235U原子裂变释放的能量：8.21010J（2.58t优质煤或20t TNT）,6,7,8,9,10,11,宝钢CM08 热镀锌机组镀层测厚测量系统,12,13,什么是核技术？,广义的核技

2、术研究和应用与“核”有关的技术 具体的核技术核武器、核能源、核动力、 历史上的核技术军用核技术、民用核技术 现在的核技术： 1) 核武器核弹、核舰船 2) 核能与核动力(核工程)反应堆、核材料 3) 核技术(非动力核技术)同位素与辐射技术,14,非动力核技术(按技术特征划分),同位素示踪技术 核成像技术 核分析技术 核检测技术 辐射工艺 核年代学 支撑技术,15,非动力核技术(按领域划分),核医学 核农学 核分析 (工业)核检测 辐射加工 食品、卫生 其它,16,核技术的地位：,是当代最主要的尖端技术之一；是社会现代化的标志之一；是一个国家科技实力和科技水平的象征。 是20世纪20项最伟大的工

3、程技术成就之一。（由美国工程技术界评出) 具有巨大的社会经济效益。 1993年，美国核技术的非动力应用对美国经济的贡献达到2570亿美元，是核电的3.5倍，占美国GDP的3.9，并创造了370万个就业岗位，是核电的3.5倍。 2004年，中国核技朮总产值400亿元人民币。今后5年将达到1000亿元人民币，并长期保持在15以上的增长速度。,17,1）电力系统 11）高速公路 2）汽车 12）航天 3）飞机 13）因特网 4）自来水 14）成像技术 5）电子技术 15）家用电器 6）无线电和电视 16）保健设施 7）农业机械化 17）石油化工 8）计算机 18）激光和光纤 9）电话 10）空调制冷

4、 20）高性能材料,20世纪20项最伟大工程技术成就,美国工程技术界评出2000/10/11,19）核技术,18,核技术大事记 1895 伦琴发现X射线。 1897 居里夫人 发现放射性。 1901 用镭治疗皮肤病。 1932 人工制造放射性同位素。 1938 Hahn等发现235U核裂变。 1939 Pierre Curie和Fermi发现链式核反应。 1942 Fermi在芝加哥大学建立第一个核子反应堆。 1945 原子弹（我国1964）。 1952 氢弹（我国1967）。 1955 核潜艇（我国1971）。 1957 核电站（我国1983，秦山一期开工）。,19,什么是核技术？ 核技术能

5、干什么？ 核技术在钢铁工业有那些用武之地？ 核辐射的安全性如何？,20,1)同位素示踪技术,将可探测的放射性核素添入化学、生物或物理系统中，从而追踪化学、生物或物理发生的过程、运行状况或研究物质结构等。,化学反应过程； 动态、定量地研究生命现象； 免疫化学、疾病的诊断； 工程问题； 地质科学，等等。,21,22,133Xe-地下管道检漏,23,24,世界上第一张X光照片,医学CT(MCT) X射线断层扫描(XCT) 核磁共振CT(NMR-CT) 正电子发射CT(PET) 同位素单光子发射CT(SPECT) 康普顿散射CT(CST) 穆斯堡尔效应CT 工业CT(ICT) X射线CT 伽玛射线CT

6、,2)核成像技术,25,核素扫描机,26,相机,27,CT/PET,28,计算机断层成像技术(CT) Computerized Tomography ：是一种重要的无损检测技术，是物理学与计算机科学的发展产物。基于射线与物质的相互作用原理，通过投影重建方法获取被检测物体的数字图像。 通过测量在不同的方位角下射线穿透被检测物件后的投影强度，计算出物件横截面上的衰减系数分布，转换成像屏显示的断层成像。 CT装置所得到的是被检客体的断层图像。在此图像上， 客体内各部分是分离的，而图像的灰度值正比于物质的密度。由于各种物质都有自己特定的密度，因而可能由CT图像灰度值来确定被检客体的材料性质。,CT的基

7、本原理,29,ICT的应用,无损检测 质量控制、物件的组成、结构、材料等 精密器件的内部探伤 安全检测 集装箱安全检测 航空箱检测 打击走私,30,集装箱CT,31,阵列探测器说明：采用超高压气体阵列电离室，共512个探测单元，用来测量射线穿透集装箱后的射线强度。呈扇形排列在以放射源为圆心的弧线上，并与经准直器准直的射线束精确对准。,32,福来尔轿车透视图 上图：水平透视图；下图：垂直透视图,汽车内部结构扫描,33,CT 截面扫描图 左图：前轮部位；右图：后轮部位,从中可以清晰看出前轮部位减震器弹簧、轮胎等的结构截面，后轮部位的备胎、车厢等截面也很清晰。,34,卡车扫描图象,Image fro

8、m Newsweek, taken at the border crossing from Guatemala to Mexico,35,集装箱检测,36,集装箱和车辆检测系统,Fixed Position Truck Scanner,Mobile Truck and Cargo Scanner,37,安全检测,物性判别：汽油、炸弹等危险物品 例如， 同是液体的水和汽油的密度分别是1.0 和0. 7， 很容易区分。,航空箱的断层图像,箱中有3个塑料瓶子, 里面灌满了汽油(左瓶)、水(中瓶) 或是一半汽油一半水(右瓶)。从图中可以清晰看到瓶中不同性质液体的灰度明显不同。此外, 在一盒黄油脂内埋藏

9、一块肥皂, 利用断层图像也能轻易分辨出来。图中两个灰度不同的圆分别显示聚乙烯棒和聚四氟乙烯棒的截面。此图像充分表明CT 检测系确实具备了物性判别的功能。,38,航空箱的断层图像,箱中有3个塑料瓶子, 里面灌满了汽油(左瓶)、水(中瓶) 或是一半汽油一半水(右瓶)。从图中可以清晰看到瓶中不同性质液体的灰度明显不同。此外, 在一盒黄油脂内埋藏一块肥皂, 利用断层图像也能轻易分辨出来。图中两个灰度不同的圆分别显示聚乙烯棒和聚四氟乙烯棒的截面。此图像充分表明CT 检测系确实具备了物性判别的功能。,39,安全控制,质量控制,小型X射线检测系统,40,XCT,41,X射线荧光分析(ED、WD、TR) 粒子

10、诱发荧光分析（P、e） 微束（微区）分析 中子活化分析 粒子束分析 背散射分析,3)核分析技术,42,4)核检测技术,43,食品保鲜：g 辐照灭菌 辐射消毒： g 辐照灭菌 辐射灭害： 辐射育种： g 辐照导致遗传基因变异 辐照治疗：放射性治疗 辐照交联：辐照活化 辐照降解：辐照活化 电子脱硫、脱硝 辐射加固,5)辐射加工技术,44,地质时代 考古 文物鉴定,6)同位素测年技术,45,光刻与微加工,7)核技术的其它应用,46,美国IBM公司光刻线宽为0.25微米的芯片,47,微型齿轮与蚂蚁,微型齿轮 高度: 150m 直径: 260m,超微加工：,上世纪80年代发展了一种叫做LIGA的技术，它

11、可以制作微齿轮、微马达、微泵、微照明灯具、微传感器等。 这种微机械加工可得到线条宽度为几个或几十个微米、高度为几十到几百微米的机件。,48,核技术防伪,烟雾报警系统,49,原子电池,美国最新研制的63Ni原子电池具有体积小（1mm3以下）、使用寿命长，可不间断供电50年以上等特点，有望解决微电子机械系统（MEMS，尺度在1.0微米1.0毫米 ）能源供应的难题。 微型63Ni原子电池的研制成功将是能源研究的一个重大突破，并使MEMS在航天、医学、生物、国防等应用方面真正发挥其优势。,50,什么是核技术？ 核技术能干什么？ 核技术在钢铁工业有那些用武之地？ 核辐射的安全性如何？,51,核检测技术(

12、1)核子密度计,用途： 各种料液浓度的在线检测和控制。也可通过密度而间接测定出料液中某种成分的含量、以及两种物料的本比等。 例如：选矿工艺中矿浆和浮选液浓度的在线检测和控制；油田和石油化工过程中油品含水率的测定；选煤厂选煤液密度的检测和控制；化工厂酸、 碱、盐的浓度以及各种成分 配比的在线检测；造纸厂纸 浆浓度的测定和控制；江河 中水流含沙量的测定。,52,核检测技术(1)核子密度计,参数： 测量范围：浓度0100。 适应管径：直径50500mm。 精确度等级：0.1%1%。 基本误差：量程的0.1%1% 长期稳定性：0.1%。,53,54,核检测技术(2)核子(皮带)秤,原理：利用物料对射线

13、的吸收原理。放射源发出的射线穿过穿透输送机上的物料后，强度减弱，物料越多，减弱的程度越大，探测器接受的射线强度也减少，根据探测器输出脉冲数变化，就可以测出输送机上物料的多少。如果同时测出输送速度，则物料对速度之积分就是单位时间传送物料的重量。,55,核检测技术(2)核子(皮带)秤,参数： 流量在20100范围内累计量误差低于0.5%。 秤体：温度-3060，湿度90。 适用于输送宽度2000mm以下。 探头距主机最大距离500米。,56,核检测技术(3)料位计及料位开关,原理： 检测射线穿透料仓或管道中物料后的强度，根据射线强度的变化来计算、判断物料的料面水平，控制物料的输送。 放射源安装在料

14、仓或管道的一侧，探测器安装在另一侧。,57,核检测技术(3)料位计及料位开关,用途： 用于工业过程中对料位和液位进行定点检测和报警控制，适合于各种恶劣环境下长期使用。也可用于对运动状态的设备和工件进行定位检测或定位控制。更可推广应用到对运动物体的速度和长度、宽度进行非接触式检测。 如可用于矿山、煤炭、电力、钢铁、冶金、水泥、化肥、化工等系统进行料位上下限的检测和报警控制；可用于矿车、料斗油罐等的灌装控制，运输车、斗的遥控定位。高温、高压、腐蚀性液体的液位控制。食品、饮料自动生产线的罐装自动控制等。,58,核检测技术(3)料位计及料位开关,参数： 发信误差1mm。 使用环境：温度：-4050摄氏

15、度； 相对湿度90%。 供电电源:+15V。,59,60,核检测技术(4)射线测厚仪,1)射线测厚仪,61,射线测厚仪能在线、非接触式的测量导体非导体的厚度，测量精度高而且量程大。 具有较强的扩展性和高精度的模拟数字转换电路。 可以进行计算机远程控制，可视化界面操作，以及相应的数据处理。,射线测厚仪的特点：,62,仪器结构：,63,测量位置变动引起的误差：,当被测物体偏离正常位置上下运动时，测量值也会有所变化。 一般来说，被测物体偏离正常位置而靠近探测器所引起的误差偏大，反之则较小。,温度与材质引起的误差：,射线厚度计通过被测物的面密度，再根据基准密度求出板厚。被测物的密度发生变化时，所测得的

16、板厚就发生变化。 温度也对所测得的值也有相当的影响比如40摄氏度时带来的误差，钢板为0.1%。可以通过温度补偿的办法来进行修正。,64,2) X射线荧光测镀锌板的镀层厚度,原理：利用241Am放射源产生的射线直接照射在镀锌的薄板上，激发出锌和铁的特征X荧光。X荧光经正比计数管探测后得到Zn和Fe的能谱曲线，根据谱线的峰面积求出锌层的顶部、底部厚度。,65,实际测量的数据,66,几种射线测厚仪器的图片,美国EMC公司研制X-RAY在线测厚仪,67,上位机的配套软件,68,美国CMI900/950系列X射线荧光测厚仪,69,70,射线测厚与超声波测厚的对比,超声波测厚仪是利用超声波在各种介质内的传

17、播速度不同，即由一相介质转到另一相介质必然产生波反射的性能来“作出壁厚度”测定的，即利用波反射的时间差来确定金属材料壁厚。 超声波测厚仪不仅可以进行厚度的测量，而且还可以进行有无裂纹、气泡，或者材料壁厚是否在安全允许范围内的检测。,71,超声波测厚的不足：,超声波发射器,不能使用于温度高的环境( 90) ,因为温度较高,会损坏“发射器”。 被测“点”金属材料表面必须打整干净, 否则会出现假数据。一般打整“点”控制在10mm 的圆形区域内。 超声波发射器与材料必须接触良好(一般要抹油)，其的目的是为了减少波损失。直接测量时，将出现测量误差。,72,核检测技术(5)煤质及灰分、水份测量,煤灰份是煤

18、的品质的重要指标。 通用的方法是化学检验法，但化学检验法存在着比较大的滞后性，无法在线检验，这样就给生产或使用造成不可避免的损失。,(1)灰分测量原理 煤可分为两部分，一是以碳为代表的低原子序数元素；一是以硅为代表的高原子序数元素。 煤灰主要由煤中高原子序数元素的氧化物组成(硫除外)。采用双能透射法测量灰分，即利用两种可放射不同能量射线的放射源来构成“双透射通道”，来进行测量。,73,(2)用途： 用于煤碳输送过程中，对原煤的灰分、水分、纯碳量和发热量进行在线检测、计量和控制。 (3)技术参数： 长期稳定性： 0.1 测量精度。 测灰分的精度：0.5。 (4)特点： 采用闪烁谱自动稳峰技术，

19、保证长期谱漂移0.05%。,74,便携式、现场测量,75,测量方式：无需采样、制样，只需将探头插入煤中即可。 最低检测限：灰份含量大于5 准确度：灰份20时，绝对误差 灰份20时，相对误差1.5 测量时间：50秒钟 仪器重量：探头3，主机1 数据存储量：40个,技术参数：,76,核检测技术(6)水份计,77,核检测技术(7)其它核检测技术,铁矿石品位仪 (1)原理：采用电子对效应和散射光子联合测定方法。当铁原子和高能射线发生相互作用时，产生电子对的几率远远大于矿石中的其他元素，对湮没辐射和散射光子的混合谱进行分析，就可得到铁的品位值。 (2)用途：用于矿石或矿粉输送 过程中铁品位的在线连续检测

20、。,78,铁矿石品位仪 (3)技术参数 测品位精度 标定精度：0.2。 运行精度：0.5。 射线计数率长期稳定性和测量值的重复性0.1%。 主机工作环境：0摄氏度50摄氏度，相对湿度95。 探测器工作环境：-40摄氏度50摄氏度，相对湿度95。 (4)特点：用电子对效应测量铁矿石(或矿粉)中铁的品位，不受矿石的颗粒度、密度、疏松度、环境等外界因素的影响。,79,核分析技术(1),波长色散X射线荧光分析,80,核分析技术(1),波长色散X射线荧光分析(WDXRF),分析元素：BeU；含量范围：ppm100% 第四代超尖端、超薄窗X射线管，提高分析灵敏度 全自动控制 可选用的无标样软件包 应用领域

21、 公共实验室： 钢铁工业：原料及产品的分析 石化工业：油品、塑料、添加剂、催化剂等中的元素分析 生态环保：水中有害金属分析，植物中残余无机元素分析 建材工业：水泥、玻璃及耐火材料的分析,81,核分析技术(2),能量色散X射线荧光分析(EDXRF),82,核分析技术(2),能量色散X射线荧光分析(EDXRF),83,核分析技术(2),能量色散X射线荧光分析(EDXRF),现场、快速、无损、高精度、 定性定量分析仪器。 分析元素：NaU。 含量范围：nppm100% 应用领域： 元素分析、厚度测量 钢铁工业原料及产品的分析 石化工业油品、塑料、添加剂、催化剂等中的元素分析 生态环保水中有害金属分析

22、，植物中残余无机元素分析 建材工业水泥、玻璃及耐火材料的分析,84,核分析技术(3),X射线微区分析 (XRF),测量点直径为0.03mm(30m)。 通过20倍变焦摄像机可精确地确定测量位置。 样品的总测量时间不超过100秒。测量精度为0.15%。 在2分钟内可完成从铝到铀的所有数十种元素的分析。 采用空冷、低能量X射线管和高分辨率的检测系统。 集准直、聚焦、样品激发于一体，是功能强大的金属分析仪。 适合分析体积很小的稀有金属或面积较小的样品。,85,核分析技术(4),全反射X射线荧光分析(TXRF),TXRFTXRF利用全反射技术，本底比EDXRF本底降低约四个量级，从而大大提高了能量分辨

23、率和灵敏度，同时TXRF技术又继承了EDXRF方法的优越性，成为一种不可替代的全新的元素分析方法。,分析元素：OU，一次可以同时分析30种元素。 检出限低：绝对：pg级(10-12)，相对：ng/mL级(10-9)； 样品用量少：L、g级。 这是原子吸收谱仪中的ETAAS和FAAS方法难以做到的。与质谱仪中的ICP-MS和GDMS以及中子活化分析(NAA)等方法相比较，TXRF分析方法在快速、简便、经济、多元素同时分析、用样量少、检出限低、定量性好等方面有着综合优势。,86,核分析技术(4),全反射X射线荧光分析(TXRF)的应用： TXRF分析仪在元素分析领域内的应用现状和发展前景都是令人鼓

24、舞的。可广泛应用于地矿、冶金、化工、食品、生物、医药、环保、法检、考古、高纯材料等等各领域内的常量、微量、痕量元素分析测定。目前已在国际上得到广泛应用。 地矿：金矿、铜精料和镍精料、萤石、长石、氧化锑； 冶金：铸铁、轴承、电解液、阳极泥、光谱纯贵金属、首饰； 化工：柴油中的硫含量，各种催化剂，陶瓷釉药； 环境保护：自来水、大气飘尘、污水污泥； 生物：海洋动物牙齿和体液； 医药：头发和指甲中的有益有害元素，丹参中有害微量元素； 食品：饮料中有益和有害元素； 刑侦法医：撞车现场样品鉴定。,87,核分析技术(5),在线(载流)X射线荧光分析,分析元素：CaU，一次可以同时分析6种元素。,88,核分析

25、技术(6),（在线）中子活化分析(INAA),89,XRF中的新技术,新型探测器 微型X射线管 数字化谱仪 解谱技术,电致冷半导体探测器 for Very-Low-Energy X Rays 126 eV FWHM 5.9 keV),90,XRF中的新技术,新型探测器 微型X射线管 数字化谱仪 解谱技术,C k (118 eV FWHM 277 eV),91,XRF中的新技术,新型探测器 微型X射线管 数字化谱仪 解谱技术,92,XRF中的新技术,新型探测器 微型X射线管 数字化谱仪 解谱技术,93,XRF中的新技术,解谱技术,94,XRF中的新技术,解谱技术,95,什么是核技术？ 核技术能干

26、什么？ 核技术在钢铁工业有那些用武之地？ 核辐射的安全性如何？,96,核技术的辐射安全性,核检测的辐射防护与安全性能(以核子秤为例) 源罐屏蔽防护符合国家标准GB16368-1996，绝对安全可靠。 放射源在使用现场安装后，源罐周围5cm区域，剂量率最大为0.1Gy/h，远低于国家标准GB-4792-84中所规定的限值(2.5Gy/h)。工作人员正常工作区域的新增剂量接近为零。 假设工作人员在距源罐1米处每天工作8小时，连续工作一年，则其受照剂量仅相当于一次X光透视剂量的几十分之一。实际上，秤体部分无需人员操作，不需经常靠近源罐，更不用停留那么长时间。 权威部门证明：食品等被射线照射后，不会造成污染，食用后不会对人体健康有任何影响。,97,辐射安全“三字经”,要重视 不害怕 别担心 防入口,98,谢谢！,请宝钢的领导和同志们指正！ 赖万昌 13308175845，028-84079888,