СПОСОБ СЕПАРАЦИИ МИНЕРАЛОВ
MINERALS SEPARATION METHOD

Изобретение относится к области обогащения и сортировки полезных ископаемых, а именно к радиометрической сепарации руд, предназначено для разделения минералов по их атомному номеру и может быть использовано при обогащении алмазосодержащих руд.
Известен способ сепарации минералов при транспортировании минералов в виде монослойного потока в суспензии или растворе тяжелых солей, которые не прозрачны для проникающего (рентгеновского) излучения (пат. Великобритании №1135232, G01N 23/12, 04.12.1968 г.). Поток суспензии, имеющий меньшую толщину, чем толщина разделяемых минералов, облучает проникающим излучением, которое, пройдя сквозь поток и содержащиеся в нем минералы (прошедшее излучение), проецируется на люминесцирующий экран и далее регистрируется детектором с пространственным разрешением, например телевизионной камерой. Согласно данному изобретению минералы с малым атомным номером, например алмазы, должны давать на экране изображение в виде светлого пятна, регистрируемого телекамерой.
Данный способ обладает рядом недостатков, а именно:
1) наряду с алмазами, прозрачными в рентгеновском диапазоне, светлые пятна будут давать пузыри воздуха, что приведет к ложным срабатываниям;
2) при завихрениях жидкость может перекрыть измеряемый минерал, а алмазы, как гидрофобные материалы, могут двигаться по поверхности жидкости и не будут обнаружены. Но самый главный недостаток данного способа - зависимость интенсивности свечения пятна на люминесцирующем экране не только от эффективного атомного номера минерала, но и от его размера. Например, чем крупнее алмаз, тем он меньше пропускает рентгеновского излучения, пятно будет большое, но темное. С другой стороны, чем меньше минералы, например карбонатной группы, тем больше они пропускают излучения, и пятно от них будет небольшое, но яркое. Таким образом, недостатком данного способа является невысокая эффективность сепарации, обусловленная низкой селективностью и неполным извлечением полезного компонента. Кроме того, способ с использованием суспензий или растворов солей тяжелых металлов неудобен в технической реализации и неэкологичен.
Известен также способ обнаружения алмазов, в котором для снижения влияния размера частиц на результаты сепарации облучение минералов проводят пучком рентгеновского излучения, сечение которого заведомо меньше, чем размер минимальной сортируемой частицы (патент Великобритании №2013335, G01N 23/00, 1979 г.). При сепарации данным способом величина сигнала не зависит от площади сечения измеряемого минерала, но зависит от его толщины в измеряемом месте. Таким образом, описанный способ частично устраняет недостатки аналога. Данным способом возможна сепарация минералов, рассортированных на узкие классы крупности. При расширении класса крупности сепарируемых минералов снижается селективность сепарации и извлечение, в первую очередь, для минералов верхней и нижней границы класса крупности. Кроме того, при сепарации данным способом задаются очень жесткие требования к технической реализации устройства, поскольку необходимо строго стабилизировать траекторию движения материала. Последнее обстоятельство накладывает ограничения на производительность устройства, реализующего способ, поскольку невозможно реализовать способ, например, при свободном падении частиц.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ сепарации минералов, включающий транспортирование минералов в виде монослойного потока, облучение минералов проникающим излучением, возбуждающим люминесценцию, регистрацию светового потока люминесценции со стороны проникающего излучения и с противоположной стороны, определение степени прозрачности минерала для проникающего излучения по логарифму отношения световых потоков люминесценции минерала со стороны потока возбуждения и с противоположной стороны и отделение минералов по степени прозрачности минерала для проникающего излучения (Патент РФ №2303495, В07С 5/342, 20.07.2007).
Данный способ частично устраняет недостатки аналога, обладает высокой селективностью, может быть использован на широком классе крупности минералов, относительно прост в технической реализации, но обладает недостаточно высоким извлечением. Данным способом невозможно выделить нелюминесцирующие минералы, поскольку пропускание проникающего излучения по данному способу определяется по соотношению световых потоков люминесценции с облучаемой стороны и ей противоположной. Доля же нелюминесцирующих или слаболюминесцирующих алмазов может составлять до 10% в месторождении от их общего содержания. Нелюминесцирующие и слаболюминесцирующие алмазы извлекаются из хвостов рентгенолюминесцентной сепарации дополнительным переделом: контрольной сепарацией адгезионным (жировым) способом. Масса хвостов сепарации алмазов близка массе поступающего на сепарацию материала, поэтому методом адгезионной сепарации для дополнительного извлечения слаболюминесцирующих или нелюминесцирующих алмазов обрабатывают примерно столько же материала, что и радиометрическим переделом.
Цель изобретения - повышение эффективности сепарации за счет повышения извлечения, расширения сепарируемого технологического класса крупности минералов.
Поставленная цель достигается тем, что в способе сепарации минералов, включающем транспортирование минералов в виде монослойного потока, облучение проникающим излучением, регистрацию интенсивности потоков излучения с противоположной стороны минерала, определение характеристики минералов и отделение минералов по величине определенной характеристики, согласно изобретению интенсивность потока прошедшего через минерал излучения регистрируют в узких пучках, сечение которых заведомо меньше, чем размер минерала, задают граничные значения интенсивности излучения для минералов верхнего и нижнего класса крупности полезного компонента, регистрируют пучки излучения, интенсивность в которых не выходит из заданного диапазона значений и количество следующих подряд пучков, а в качестве характеристики минерала используют отношение логарифма интенсивности прошедшего через минерал узкого пучка излучения к количеству следующих подряд пучков.
Кроме того, интенсивность прошедшего через минерал излучения регистрируют линейной многоканальной ионизационной камерой, либо интенсивность прошедшего  через минерал излучения регистрируют матрицей полупроводниковых детекторов.
При этом за верхнюю границу заданного диапазона интенсивности принимают интенсивность прошедшего через кристалл полезного минерала минимальной сепарируемой крупности, а за нижнюю границу заданного диапазона интенсивности принимают интенсивность прошедшего через кристалл полезного минерала максимальной сепарируемой крупности.
Предлагаемый способ основан на следующих соображениях. Известно, что показатель поглощения вещества определяется из соотношения:
β=Ln(I/Io)/d (1),
o
2
где: I и I - интенсивности потоков соответственно падающего и прошедшего через минерал излучения (Вт/см);
-1
β - показатель поглощения (см);
d - толщина (линейный размер) минерала (см).
4
-3
эфф
С другой стороны, показатель поглощения рентгеновского излучения β пропорционален четвертой степени эффективного атомного номера поглощающего материала: β~сZ , где с - константа, учитывающая спектральный состав рентгеновского излучения. Для тормозного рентгеновского излучения трубки с вольфрамовой мишенью, использованной в наших экспериментах, при напряжении на трубке 30 кВ, константа с=1.3×10, что определено экспериментально.
-1
-1
4
Расчеты показывают, что для алмаза (углерод, Z=6) показатель поглощения составляет βa≈1.7 см, а, например, для циркона (ZrSiO>Zэфф=14.3) показатель поглощения составляет βc≈55 см. Эти величины являются характеристиками вещества и, в отличие от пропускания (прозрачности), не зависят от его размера.
0
0
0
Интенсивность падающего на образец излучения I в конкретном аппарате является величиной постоянной, которую можно измерить и принять за единицу. Поскольку Ln(I/I)=LnI - LnI, а логарифм единицы равен нулю, то LnI=βd, соответственно β=LnI/d (2).
Таким образом, при постоянной интенсивности облучения для определения показателя поглощения требуется определить интенсивность прошедшего через образец излучения и дополнительно определить размер образца d или определить величину, пропорциональную размеру образца, и учесть ее при сепарации.
2
Для определения величины, пропорциональной размеру образца d, можно использовать многоканальный датчик, регистрирующий излучение в узких пучках, сечение которых заведомо меньше, чем размер образца, например многоканальную ионизационную камеру, или матрицу полупроводниковых детекторов. Оба устройства являются прямыми преобразователями интенсивность излучения - ток. Датчик регистрирует интенсивность излучения в узких пучках, сечение которых ограничено площадью приемников (каналов) и заведомо меньше, чем размер минерала. В этом случае каждый канал измеряет мощность излучения, попадающую на площадь одного канала (Вт/см), т.е. интенсивность рентгеновского излучения.
Подсчитав число перекрываемых минералом таких узких пучков, можно определить величину, пропорциональную размеру образца. На фиг.1а показаны результаты, полученные с использованием линейного многоканального датчика с размером канала 0.3 мм. Если разрешение на канал составит 0.3 мм, то кристалл 1 мм должен перекрыть не менее трех каналов. Сигналы с этих трех каналов показаны на фиг.1а (первые два сигнала). Вторые два импульса получены от кристаллов размером порядка 6 мм, каждый из которых перекрывает 2 каналов.
Минералы, попадающие в зону регистрации, перекрывают несколько каналов, часть каналов остаются неперекрытыми. При монослойной подаче материала в зоне регистрации могут находиться сразу несколько минералов. Анализировать все поступающие сигналы нецелесообразно, поэтому проводят их амплитудную дискриминацию, исходя из следующих соображений.
Если в зоне регистрации находится минерал, сильно ослабляющий рентгеновское излучение (заведомо не алмаз), то не перекрытые им каналы дадут значения интенсивностей, близкие к единице, а каналы, которые будут перекрыты минералом, дадут несколько следующих подряд значений интенсивности, близких к нулю. Значения интенсивностей, близкие к единице и нулю, следует исключить из рассмотрения, определив верхнюю и нижнюю границы диапазона интенсивности, которые могут дать полезные компоненты.
Материалом, подаваемым на радиометрическую (рентгенолюминесцентную) сепарацию, обычно является концентрат гравитационного обогащения крупностью -16+1 мм. При, например, широко распространенной рентгенолюминесцентной сепарации концентрат гравитационного обогащения -16+1 мм разделяется (рассеивается) на узкие классы -16+6 мм, -6+3 мм, -3-1 мм и после этого подается на отдельные сепараторы. Использование отдельных сепараторов на узкие классы крупности обусловлено невозможностью обработки материала широкого класса крупности. Минералы размером менее 1 мм либо обогащаются флотационными методами, либо выводятся в отвал. Поэтому 1 мм - это минимальный размер кристалла, подаваемый на сепарацию радиометрическими методами. Класс -50+16 обрабатывается отдельно, поэтому максимальный рассматриваемый размер минералов равен 16 мм. Исходя из обрабатываемого класса крупности, определили границы диапазона интенсивностей, которые требуется измерить.
-1
Если в зоне регистрации находится алмаз размером 1 мм, то по формуле (1), при Iо=1, β=1,7 см, d=0,1 см, интенсивность прошедшего сквозь такой алмаз излучения Imax составит 0.85. Это значение приняли за верхнюю границу заданного диапазона. Таким образом, за верхнюю границу заданного диапазона интенсивностей приняли интенсивность прошедшего через кристалл полезного компонента минимальной сепарируемой крупности.
Если в зоне регистрации находится алмаз, например, размером 16 мм, то по той же формуле (1) при d=1.6 см найдем, что Imin=0.05. Это значение приняли за нижнюю границу заданного диапазона. Таким образом, за нижнюю границу заданного диапазона интенсивностей приняли интенсивность прошедшего через кристалл полезного компонента максимальной сепарируемой крупности.
Если значения интенсивностей излучения в каналах (перекрытых или не перекрытых) выходят из заданного диапазона, эти сигналы не регистрируются и не поступают на дальнейшую обработку. Благодаря данным ограничениям, игнорируются шумы рентгеновской трубки или сигналы от попадания в зону регистрации пыли, песчинок и замельчений, что неизбежно сопровождает процесс сепарации.
Игнорируются также кристаллы, сильно поглощающие рентгеновское излучение: гранат, ильменит, магнетит, циркон, оливин и ряд других, составляющих основную массу отделяемых минералов. Таким образом, сепарация начинает осуществляться уже на стадии регистрации интенсивностей путем их дискриминации. Предварительная селекция сигналов снижает вероятность ложных срабатываний на шумы и пыль, снижает частоту следования сигналов в узлы последующей обработки, быстродействие которых ограничено. Последнее обстоятельство позволяет увеличивать производительность сепарации в целом.
Если в зону регистрации попадает минерал, частично ослабляющий рентгеновское излучение (алмаз или карбонатная порода), то значения интенсивности в перекрытых данным минералом каналах будут принадлежать заданному диапазону. Эти значения интенсивности и номера каналов, с которых эти значения получены, регистрируются и передаются на дальнейшую обработку, например, в компьютер. Обработкой определяется характеристика минерала - величина В, пропорциональная показателю поглощения минералом рентгеновского излучения. Эта величина определяется как логарифм зарегистрированной интенсивности, отнесенный к числу n - числу следующих подряд каналов, интенсивность в которых не выходит из заданного диапазона. Это число n характеризует размер кристалла d с точностью, определяемой разрешением датчика на канал и степенью изометричности образца. Чем ближе форма образа к изометричной, тем точнее производится определение характеристики В.
На фиг.1б показаны сигналы, получаемые после проведения подобных преобразований для алмазов (Та) и карбоната кальция (Тс). Самые "узкие" пики (в левой части) соответствуют кристаллам размером 1 мм (перекрыто три канала); самые широкие пики (в правой части) соответствуют кристаллам 6 мм (перекрыто 20 каналов). Как следует из фиг.1б, амплитуда сигналов для кристаллов одного сорта практически не зависит от их размеров, в технологическом классе -6+1 мм сигналы хорошо разделяются, например, при пороге -0.1.
На фиг.1 показаны: а) интенсивность прошедшего через минерал излучения (в долях от единицы) для алмаза (Та) и карбоната кальция (Тс) размером 1 и 6 мм; б) отношение логарифма интенсивности прошедшего через минерал узкого пучка к количеству перекрытых минералом каналов для алмаза (Та) и карбоната кальция (Тс) размером 1 и 6 мм.
На фиг.2 изображена блок-схема устройства для реализации способа.
На фиг.3 показан характер сигналов интенсивности, получаемых с одного из каналов датчика интенсивности: а) при отсутствии минерала, где 1 - высокий уровень сигнала, который принимается за единицу; 2 - сигнал, который обусловлен шумом рентгеновской трубки и пылинками в зоне регистрации; б) при перекрытии канала сильно поглощающим минералом, где 4 - низкий уровень сигнала, который принимается за нулевое значение; 3 - уровень шума, который может быть следствием вторичного или рассеянного рентгеновского излучения; в) при перекрытии канала алмазом при его свободном падении.
На фиг.4 показана: а) величина сигналов - интенсивности по каналам, получаемая из многоканального датчика; б) величина сигналов - характеристики минерала (после логарифмирования и деления на число каналов, в которых сигнал не выходит из заданного диапазона).
Пример конкретного выполнения.
Способ реализуется устройством, состоящим из бункера 1, транспортирующего механизма 2, источника проникающего излучения (рентгеновской трубки) 3, системы измерения интенсивности излучения 4, системы считывания 5, системы обработки информации 6, блока управления исполнительным механизмом 7, исполнительного механизма 8, приемников хвостового и концентратного продуктов (фиг.2).
Из бункера 1 транспортирующим механизмом 2 минералы, поштучно или монослоем, подаются в зону регистрации 3, через которую проходят в свободном падении и регистрируются системой измерения интенсивности излучения 4 - многоканальной ионизационной камерой. Поток рентгеновского излучения, попадающий в каждый канал ионизационной камеры, ограничен площадью этого канала, поэтому регистрация излучения проводится в узких пучках, диаметр которых составляет 0.35 мм, что заведомо меньше размера сепарируемых минералов. Камера представляет собой 1024-канальный датчик, имеющий разрешение 0.35 мм на канал. Такой датчик используется в цифровой медицинской рентгенографической установке "Сибирь-Н". Скорость сканирования 1024 каналов составляет 10 мс.
При отсутствии минерала в зоне регистрации рентгеновское излучение попадает непосредственно на многоканальный датчик 4. Системой сканирования 5 значения интенсивности рентгеновского излучения, преобразованные в электрические сигналы, последовательно считываются с каждого канала. Простейшее устройство для выделения таких сигналов - амплитудный дискриминатор, который может быть реализован как отдельным аналоговым устройством на входе блока 6 или блоком программы в компьютере. Амплитудный дискриминатор осуществляет первичную сортировку сигналов на явно не представляющие интереса и сигналы, которые предстоит анализировать.
На сепарацию подается концентрат тяжелосредной сепарации (тяжелая фракция): минералы класса -16+1 мм. Граничные значения интенсивности излучения для минералов верхнего и нижнего класса крупности, полученные путем расчетов, составляют соответственно 0,05-0,85.
На фиг.3(A) показан характер интенсивности в одном из каналов датчика при отсутствии минерала. Наблюдается некоторый высокий уровень сигнала (1), который принимается за единицу, и шум (2), который обуславливается шумом рентгеновской трубки и возможно пылинками в зоне регистрации. Сигналы больше уровня (2) не регистрируются.
На фиг.3(Б) показан характер сигнала при перекрытии каналов датчика сильно поглощающим кристаллом. Наблюдается низкий уровень сигнала (4), который принимается за нулевое значение, и уровень шума (3), который в данном случае может быть следствием вторичного или рассеянного рентгеновского излучения. Сигналы меньше уровня (3) также не регистрируются.
Считываются, запоминаются и подлежат дальнейшей обработке сигналы, обусловленные интенсивностями из диапазона 0,85-0,05, что дает возможность сепарировать минералы широкого класса крупности -16+1 мм. На фиг.3 эти сигналы лежат между уровнями 2 и 3. Характер таких сигналов показан на фиг.3(B).
Предположим, в зону обзора попал минерал, причем сигналы от него, полученные по трем следующим подряд каналам (n=3), находятся в заданном диапазоне значений и пропущены на обработку амплитудным дискриминатором. Сигналы составляют величину порядка 0.7 (фиг.4а, группа значений 1). Это значение логарифмируется и делится на количество каналов. Получаем: -Ln(0.7)/3=0.12 (фиг.4б, группа значений 1).
Другой кристалл также дал сигнал по трем каналам, но величина сигнала составила около 0.45 (фиг.4а, группа значений 2). После аналогичной обработки получаем -Ln(0.45)/3=0.26 (фиг.4б, группа значений 2). Третий кристалл дал сигналы на уровне 0.3 в 10 каналах (фиг.4а, группа значений 3). В результате обработки получили 0.12 (фиг.46, группа значений 3). Четвертый кристалл дал сигнал на уровне 0.055 в 10 каналах (фиг.4а, группа значений 4). Получаем -Ln(0.0055)/10=0.29 (фиг.4б, группа значений 4). Кристаллы 1 и 3 являлись алмазами, образцы 2 и 4 кусочками известняка карбонатной породы.
Если же в зону регистрации попал алмаз предельного класса крупности 16 мм, то он перекроет 45 каналов датчика, в каждом из которых обнаружится сигнал порядка 0.05. Соответственно, получим: -Ln(0.05)/45=0.07.
Порог разделения подбирается экспериментально, поскольку измеряемый параметр зависит от разрешения датчика и степени изометричности сепарируемого материала. Как следует из фиг.4б, установив порог разделения, например, по уровню 0.2, можно разделять эти образцы с высокой селективностью, поскольку получаемый результат практически не зависит от размеров минерала и пропорционален только показателю поглощения минерала.
Если уровень сигнала после обработки менее 0.2, то такой образец считается алмазом и исполнительным механизмом направляется в концентратный отсек, если в результате обработки получается величина больше 0.2, то команда на исполнительный механизм не подается, и такой образец отправляется в приемник хвостовых продуктов.
Получаемые характеристики кристаллов пропорциональны показателю поглощения вещества, который определяется его эффективным атомным номером и не зависит от наличия или отсутствия люминесценции.
Данный способ обладает высокой селективностью сепарации, поскольку в тяжелой фракции кимберлитовых минералов алмаз обладает наименьшим показателем поглощения рентгеновского излучения. Способ некритичен к крупности минералов и позволяет обрабатывать широкие классы крупности, что дает возможность исключить из технологии операцию рассева на узкие классы крупности. Возможность извлекать алмазы независимо от наличия или отсутствия в них люминесценции дает возможность исключить контрольную операцию на хвостовых продуктах методом адгезионной сепарации. Таким образом, использование данного способа позволяет повысить эффективность сепарации алмазов.