книги из ГПНТБ / Применение радиоизотопной техники в коксохимическом производстве

■ л ' : . ' Л» •

Э -Ж -30233

Изложен опыт применения радиоизотопной техники для контроля и регулирования технологических про­ цессов на отечественных коксохимических предприя­ тиях. Рассмотрены основы радиоизотопного прибо­ ростроения и области применения радиоизотопных средств контроля и регулирования технологических процессов. Основное внимание уделено вопросам практического использования радиоизотопной тех­ ники в углеподготовительных и коксовых цехах кок­ сохимических производств, применения ее в научных исследованиях, направленных на совершенствова­ ние процессов подготовки и коксования угольных шихт, на улучшение и стабилизацию качества метал­ лургического кокса. Книга рассчитана на инженер­ но-технических и научных работников коксохими­ ческих предприятий, научно-исследовательских ин­ ститутов и лабораторий автоматизации коксохими­ ческого производства.

Табл. 11, ил. 74, библ. 107.

Редакция литературы по тяжелой промышленности Заведующий редакцией инж. В. И. Кравец

П 31003—026nM.7fi М202(04)-76

(С ) Издательство «Техш'ка», 1976 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В решении задач развития народного хозяйства важ­ ную роль призваны сыграть автоматизированные системы оперативного управления производством и отдельными технологическими процессами (АСОУП и АСУТП). Для оперативного управления производством и техноло­ гическими процессами необходимы большие массивы ин­ формации, которая может быть получена при условии

о качестве сырья и готовой продукции. Это достигается

агрессивных химических сред и участков с высокой за­ газованностью, а также в случае отсутствия доступа к важным технологическим объектам для получения необ­ ходимой информации эффективным, а зачастую единствен­ но возможным является использование радиоизотопных датчиков. Бесконтактность, автоматическое действие, вы­ сокие метрологические характеристики, независимость процессов измерения от таких параметров внешней среды, как температура, влажность, давление, и другие свойства

3

радиоизотопных приборов обусловили их широкое при­ менение в народном хозяйстве.

Вкоксохимическом производстве радиоизотопные мето­ ды и приборы применяются для следующих целей: конт­ роль и регулирование уровня жидких и сыпучих материа­ лов; определение их массы в движущемся потоке и в за­ крытых емкостях; синхронизация и управление работой механизмов, машин и агрегатов; контроль влажности, зольности углей, угольной шихты и кокса и др.

В1969 г. на Всесоюзном совещании по проблеме ис­ пользования радиоизотопной техники в черной металлур­ гии было отмечено, что отсутствие специфических радио­ изотопных приборов специального назначения мешает ре­ шению задач комплексной автоматизации ряда техноло­ гических процессов коксохимического производства. С тех пор развитие радиоизотопной техники и ее использова­ ние в отечественном коксохимическом производстве за­ метно продвинулись вперед. Создаются и внедряются специальные автоматизированные системы контроля и ре­ гулирования технологических процессов, автоматизиро­ ванные системы контроля свойств углей, угольной шихты

икокса в технологическом потоке и др. Радиоизотопная техника находит все более широкое применение в научных исследованиях, направленных на совершенствование и ин­ тенсификацию производства.

Авторы не ставили своей целью рассмотрение всех спо­ собов и результатов использования радиоизотопной тех­

ники в отечественном коксохимическом производстве. В настоящей книге сделана попытка отразить целесооб­ разность, эффективность и перспективность широкого применения радиоизотопных методов и приборов для целей совершенствования и оптимального управления коксохи­ мическим производством.

Все замечания и рекомендации по книге просим направ­ лять по адресу: 252601, Киев, 1, ГСП, Пушкинская, 28, издательство iTexnim».

4

Глава I

ОСНОВЫ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

РАДИОИЗОТОПНЫХ СРЕДСТВ

КОНТРОЛЯ и РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

§ 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОИЗОТОПНОЙ ТЕХНИКИ

В основу радиоизотопной техники положены свойства радиоактивных изотопов химических элементов и зако­ номерности их взаимодействия с различными веществами.

Изотопами называются химические элементы, имеющие одинаковый порядковый номер г, но различные массовые числа А. Ядра изотопов имеют одинаковые заряды, но от­ личаются числом входящих в них нейтронов. Химические свойства изотопов одинаковы. Энергетические же состоя­ ния их ядер могут быть различными. Изотопы с одшаковым энергетическим уровнем ядер называются стабиль­ ными в отличие от нестабильных радиоактивных изото­ пов, энергетическое состояние ядер которых различно. Радиоактивные изотопы обладают способностью самопроиз­ вольно распадаться с выделением энергии, превращаясь при этом в ядра атомов других химических элементов.

Большинство применяющихся в приборостроении ра­ диоизотопов вследствие неустойчивости в природе не встречается. Их получают искусственно бомбардировкой ядер атомов стабильных изотопов нейтронами, протонами, дейтронами и другими частицами. При этом изменяется состав атомных ядер, и выделяются различные элемен­ тарные частицы и фотоны. Элементарные частицы обла­ дают кинетической энергией, фотоны — электромагнит­ ной. Для оценки величины этой энергии Е пользуют­ ся наряду с системной единицей джоуль (Дж) также

5

специальной единицей — электронвольт (эВ). Электронвольт представляет собой величину энергии, которую при­ обретает электрон, ускоренный действием разности потен­ циалов в 1 В.

Различают а-, р- и у-радиоактивность. Альфа-радио­ активность (а-распад) — это превращение ядер с массо­ вым числом А в ядра с массовым числом /1 = 4 , сопрово­ ждающееся a -излучением, т. е. испусканием а-частиц. Последние являются ядрами гелия 2Не4 (г = 2; А = 4). Альфа-распад характерен для естественно-радиоактивных элементов с большим г. радия, урана, тория и др.

Альфа-частицы вылетают из ядра с большой началь­ ной скоростью [(1 ... 2) • 10’ м/с] и весьма большой кине­ тической энергией [(1 ... 10) ■ 10~13 Дж]. Несмотря на это их проникающая способность мала. Длина пробега а-частиц в воздухе ограничивается несколькими санти­ метрами. Тонкий слой резины, слюды, бумаги их пол­ ностью поглощает.

Ионизирующая способность а-частиц велика: на пути длиной 1 см в воздухе а-частица создает около 30 000 пар ионов. Спектр a -излучения линейчатый; он состоит из близких по энергиям групп а-частиц.

В приборостроении a -излучение широкого примене­ ния не находит. Оно используется для ионизации газов,

чдер с порядковым номером г в ядра с г — 1 (позитронный распад) или с г + 1 (электронный распад), сопровождаю­ щееся излучением Р-частиц — соответственно позитронов либо электронов. Бета-распад присущ как естественным, так и искусственным радиоактивным изотопам химических элементов.

При Р-распаде исходные атомы изотопов превращают­ ся в другие атомы с зарядом ядра на единицу больше или меньше, чем у исходного. При этом массовое число ядер

6

Фотоэлектрический эффект взаимодействия с вещест­ вом заключается в том, что у-квант передает всю свою энергию одному из электронов оболочки атома вещества. При этом атом испускает так называемый фотоэлектрон. Энергия фотоэлектрона меньше энергии поглощенного электрона на величину, равную энергии связи электрона

у-кванта с веществом, при котором он отдает часть своей энергии электрону внешней оболочки атома вещества и при этом отклоняется на некоторый угол от своего пер­ воначального направления. Происходит рассеяние у-кван-

и позитрон. При этом в поле атомного ядра вещества вся энергия у-кванта передается паре электрон — позитрон.

При высоких энергиях у-квантов ( > 25 • 10—13Дж) ука­ занный эффект может иметь место также при взаимодей­ ствии с веществами с г < 30.

Гамма-излучение радиоактивных изотопов широко ис­ пользуется в приборостроении для измерения плотности веществ жидких и сыпучих сред, контроля наличия про­ дукта и уровня заполнения закрытых емкостей, целей

е

Радиоактивный распад изотопов имеет закономерный характер. Каждый радиоактивный изотоп характеризует­ ся количеством ядер, распадающихся в единицу времени. При этом скорость радиоактивного распада не зависит от физических или химических условий, в которых находится радиоактивный изотоп.

Количество ядер радиоактивного изотопа в некотором

где Nq — число ядер изотопа в рассматриваемом объеме вещества в начальный момент времени /0; е — основание натурального логарифма; Т — период полураспада дан­ ного радиоактивного изотопа или время, в течение кото­ рого распадается половина его ядер; Л, = 0,693/7" — по­ стоянная радиоактивного распада, характеризующая ве­ роятность распада одного ядра данного изотопа в единицу времени.

Число распадов ядер радиоактивного изотопа в единицу времени называется его активностью Q.

Изменение активности радиоактивного изотопа во вре­ мени описывается зависимостью

0,693?

это активность такого количества радиоактивного веще­

9