СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ МИНЕРАЛОВ ПО ИХ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫМ СВОЙСТВАМ
METHOD OF GRADING MINERALS TO THEIR LUMINESCENCE PROPERTIES

Предлагаемый способ относится к области обогащения полезных ископаемых, а именно к способам разделения дробленого минерального материала, содержащего люминесцирующие под воздействием возбуждающего излучения минералы, на обогащаемый и хвостовой продукты. Предлагаемый способ может быть реализован как в рентгенолюминесцентных сепараторах на всех стадиях обогащения, так и в устройствах контроля продукции, например, алмазосодержащего сырья.
Регистрируемый в течение некоторого времени сигнал люминесценции минерала в общем случае содержит:
- короткоживущую или быструю компоненту (далее - БК) люминесценции, возникающую практически одновременно (с интервалом в несколько микросекунд) с началом воздействия возбуждающего излучения и отсутствующую сразу же после его окончания;
- долгоживущую или медленную компоненту (далее - МК) люминесценции, интенсивность которой непрерывно увеличивается во время воздействия возбуждающего излучения и относительно медленно (от нескольких сот микросекунд до единиц миллисекунд) уменьшается после его окончания (период послесвечения люминесценции).
Реальный сигнал люминесценции может рассматриваться как суперпозиция или наложение вышеописанных компонент.
Известны сепараторы CDX-116VE фирмы «Флоусорт» для обогащения алмазосодержащего материала, в которых на минеральный материал, находящийся в заданной области траектории его движения, непрерывно воздействует возбуждающее излучение, а критерием разделения служит суммарная (интегральная) интенсивность БК и МК сигнала люминесценции минерала, регистрируемая во время действия возбуждающего излучения [http://www.flow.co.za /writeups/NEW_RECOVERY_MACHIN Е. pdf].
При таком способе разделения минералов могут быть обнаружены все типы алмазов, в том числе и алмазы группы II, сигнал люминесценции которых практически не имеет МК.
Однако этот способ разделения минералов обладает низкой селективностью извлечения обогащаемого минерала, которая обусловлена невозможностью идентификации сигнала люминесценции алмазов среди сигналов люминесценции ряда сопутствующих минералов, также обладающих интенсивной БК (цирконы, полевые шпаты и пр.).
Для повышения селективности извлечения обогащаемого минерала в известных способах в качестве критерия разделения используют различные соотношения кинетических характеристик сигнала люминесценции, регистрируемого как во время воздействия на минеральный материал возбуждающего излучения, так и после него (в период послесвечения).
Известен, например, способ разделения минералов, включающий импульсное возбуждение люминесценции минерала, измерение интенсивности послесвечения МК, определение скорости ее изменения на заданном интервале времени измерения, по которой производится разделение минералов [SU 1459014, А1, В03В 13/06, 1995]. В этом способе скорость затухания МК сигнала люминесценции выбрана в качестве критерия разделения обогащаемого и сопутствующих люминесцирующих минералов.
Этот способ имеет 2 недостатка:
- не обеспечивает селективность относительно сопутствующих минералов с высокой интенсивностью люминесценции и относительно короткой МК;
- не пригоден для обнаружения минералов с очень малой (на уровне аппаратурных шумов) интенсивностью МК люминесценции или полным ее отсутствием.
Известен также способ сепарации алмазосодержащих материалов, включающий возбуждение люминесценции импульсным рентгеновским излучением длительностью, достаточной для разгорания длительной компоненты люминесценции, определение суммарной интенсивности короткой и длительной компоненты люминесценции в момент действия импульса рентгеновского излучения определение интенсивности длительной компоненты люминесценции с задержкой после окончания действия импульса рентгеновского излучения, определение величины критерия разделения по соотношению уровня суммарной интенсивности короткой и длительной компоненты люминесценции к уровню длительной компоненты люминесценции, сравнение его с пороговым значением и отделение обогащаемого минерала по результатам сравнения [RU 2235599 С1, В03В 13/06, В07С 5/342, 2004].
Недостаток данного способа - он также непригоден для обнаружения алмазов, у которых очень мала или практически отсутствует МК, поскольку в этом случае определение отношения либо невозможно, либо дает слишком большую погрешность, при которой предложенные критерии не применимы.
Известен принятый нами за прототип способ разделения минералов по их люминесцентным свойствам, включающий транспортирование потока разделяемого материала, облучение этого материала периодической последовательностью импульсов возбуждающего излучения, длительность которых, достаточна для разгорания медленной компоненты люминесценции, регистрацию интенсивности сигнала люминесценции минерала в течение каждого периода последовательности, обработку в реальном времени зарегистрированного сигнала, определение значения критерия разделения, сравнение его с заданным пороговым значением и выделение полезного минерала из разделяемого материала по результатам сравнения [RU 2355483, С2, 2009.]. В этом способе в качестве критерия разделения используется совокупность трех характеристик сигнала люминесценции минерала - нормированной автокорреляционной функции, соотношение суммарной интенсивности БК и МК сигнала, регистрируемого во время импульса возбуждения, и интенсивности МК сигнала, регистрируемой через заданное время после окончания импульса возбуждения, и скорости затухания люминесценции. Регистрация интенсивности сигнала люминесценции производится в диапазоне амплитудных значений, обеспечивающем отсутствие ограничения регистрируемого сигнала.
Недостатком этого способа является невозможность выделения минералов, у которых очень мала или практически отсутствует МК, поскольку в этом случае определение нормированной автокорреляционной функции, соотношения компонент и скорости затухания либо невозможно, либо дает слишком большую погрешность, при которой предложенный критерий не работает.
Техническим результатом изобретения является повышение селективного извлечения обогащаемых минералов из разделяемого материала.
Достижение технического результата обеспечивает предлагаемый способ разделения минералов по их люминесцентным свойствам, включающий транспортирование потока разделяемого материала, облучение этого материала периодической последовательностью импульсов возбуждающего излучения, длительность которых достаточна для разгорания медленной компоненты люминесценции, регистрацию интенсивности сигнала люминесценции минерала в течение каждого периода последовательности, обработку в реальном времени зарегистрированного сигнала, определение значения критерия разделения, сравнение его с заданным пороговым значением и выделение обогащаемого минерала из разделяемого материала по результатам сравнения, в котором устанавливают пороговые значения интенсивности сигнала люминесценции, возникающего во время воздействия импульса возбуждающего излучения на разделяемый материал и через заданное время после окончания возбуждающего импульса, при обработке зарегистрированного сигнала сначала определяют значение интенсивности сигнала люминесценции через заданное время после окончания возбуждающего импульса, сравнивают полученное значение с заданным для него пороговым значением и в случае превышения порогового значения производят обработку сигнала для определения значения выбранного критерия разделения, сравнивают результат обработки с заданным пороговым значением и выделяют обогащаемый минерал из разделяемого материала, если результат сравнения удовлетворяет заданному критерию, в том случае если полученное значение интенсивности сигнала люминесценции через заданное время после окончания возбуждающего импульса меньше его порогового значения, определяют значение интенсивности сигнала люминесценции, возникающего во время импульса возбуждающего излучения, сравнивают его с заданным для него пороговым значением и выделяют обогащаемый минерал из разделяемого материала при превышении порогового значения.
В отличие от известного, в предлагаемом способе разделения минералов по их люминесцентным свойствам устанавливают пороговые значения интенсивности сигнала люминесценции, возникающего во время воздействия импульса возбуждающего излучения на разделяемый материал и через заданное время после окончания возбуждающего импульса, при обработке зарегистрированного сигнала сначала определяют значение интенсивности сигнала люминесценции через заданное время после окончания возбуждающего импульса, сравнивают полученное значение с заданным для него пороговым значением и в случае превышения порогового значения производят обработку сигнала для определения значения выбранного критерия разделения, сравнивают результат обработки с заданным пороговым значением и выделяют обогащаемый минерал из разделяемого материала, если результат сравнения удовлетворяет заданному критерию, в том случае если полученное значение интенсивности сигнала люминесценции через заданное время после окончания возбуждающего импульса меньше его порогового значения, определяют значение интенсивности сигнала люминесценции, возникающего во время импульса возбуждающего излучения, сравнивают его с заданным для него пороговым значением и выделяют обогащаемый минерал из разделяемого материала при превышении порогового значения.
Для устранения влияния временных и аппаратурных изменений на регистрируемый сигнал люминесценции при определении значения его интенсивности могут дополнительно определять среднее из минимальных значений интенсивности сигнала люминесценции, зарегистрированных за определенный период времени, и нормировать на эту величину значение интенсивности сигнала люминесценции разделяемого материала.
Для обеспечения достоверной регистрации интенсивности сигнала люминесценции минералов независимо от величины его амплитуды, могут регистрировать сигнал одновременно в нескольких амплитудных диапазонах значений - в диапазоне с фиксированным коэффициентом усиления и в диапазонах с N-кратным уменьшением коэффициента усиления, определять диапазон, в котором отсутствует ограничение сигнала, и проводить обработку регистрируемого в этом диапазоне сигнала для определения значения выбранного критерия разделения.
Совокупность отличительных признаков и их взаимосвязь с ограничительными признаками в предлагаемом изобретении обеспечивает селективность и повышение извлечения обогащаемых минералов из разделяемого материала в реальном времени. При этом совокупность предложенных в изобретении действий позволяет учитывать не только кинетические характеристики сигнала люминесценции обогащаемого минерала, но и природные энергетические особенности, присущие различным его типам. Именно наличие и учет энергетических особенностей в различных типах обогащаемого минерала являются определяющими для предлагаемого в изобретении критерия разделения минералов. Совокупность отличительных признаков обеспечивает также разделение материала в течение одного цикла измерений, что приводит не только к достижению технического результата, но и обеспечивает высокую производительность и экономичность процесса разделения, повышая, в свою очередь, эффективность процесса на последующих стадиях обогащения. Неочевидность предлагаемого решения подтверждается также отсутствием подобных решений в течение, по крайней мере, 20 лет, несмотря на актуальность решаемой задачи для горнообогатительной промышленности. Таким образом, предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень.
Предлагаемая в изобретении совокупность отличительных и ограничительных признаков не описана в известной авторам литературе.
На фиг.1 представлены временные диаграммы сигналов регистрации люминесценции минерала при его облучении импульсами возбуждающего излучения:
a) - импульсы возбуждения;
b) - сигналы люминесценции, регистрируемые в отсутствии люминесцирующих минералов;
с) - сигналы люминесценции минералов, обладающие БК и МК;
d) - сигналы люминесценции минералов, обладающие только БК.
На фиг.2 схематически представлен один из вариантов устройства для реализации предлагаемого изобретения.
п1
и1
и1
р
3
р
3
р
П1
И1
иl
Осуществление предлагаемого способа разделения минералов по их люминесцентным свойствам происходит следующим образом. Устанавливают пороговое значение Ua интенсивности сигнала U(t) люминесценции, возникающего через заданное время t после окончания импульса возбуждающего излучения (фиг.1с), а также пороговое значение Ub сигнала U(t) люминесценции, возникающего во время t воздействия импульса возбуждающего излучения на разделяемый материал (фиг.1d). Разделяемый материал облучают периодической последовательностью импульсов t возбуждающего излучения (фиг.1а), например рентгеновского излучения, при этом зону облучения совмещают с зоной регистрации (осмотра). За время облучения успевает разгореться медленная компонента (МК) сигнала U(t) люминесценции минерала. Регистрируют сигнал U=f(t) интенсивности люминесценции минерала (фиг.1с, d) в том энергетическом диапазоне, в котором наблюдается характерная для обогащаемого минерала линия люминесценции с достаточной для регистрации интенсивностью. При этом люминесценцию минерала можно регистрировать со стороны поверхности разделяемого материала, обращенной к источнику облучения, и/или с противоположной от источника облучения стороны поверхности разделяемого материала. Регистрируемый сигнал U(t) люминесценции может включать как участок Т разгорания быстрой (БК) и медленной (МК) компонент сигнала люминесценции, так и участок Т затухания его медленной (МК) компоненты (фиг.1с). У регистрируемого сигнала U(t) может присутствовать участок Т разгорания БК и, возможно, МК сигнала люминесценции и практически отсутствовать участок Т затухания его МК (фиг.1d). В отсутствие люминесцирующего минерала регистрируемый сигнал U(t) представляет собой только участок Т разгорания БК сигнала люминесценции воздуха (фиг.1b), форма которого практически повторяет форму импульса возбуждающего излучения, а интенсивность минимальна. Сигнал U(t) люминесценции регистрируют в течение всего периода Т возбуждения (фиг.1а). Все регистрируемые сигналы U(t) подвергают обработке в режиме реального времени. При этом значения сигналов U(t) люминесценции воздуха запоминают в течение определенного периода времени для определения его статистически достоверного среднего значения. В процессе обработки сигналов U(t) люминесценции сначала определяют значение сигнала U(t) люминесценции в заданный момент времени t после окончания импульса t возбуждающего излучения и сравнивают его с заданным пороговым значением Ua. Если полученное значение сигнала U(t) превышает значения Ua, то его подвергают дальнейшей обработке для получения значений заданных для этого случая параметров выбранного критерия разделения. Полученные при этом значения параметров критерия разделения сигнала U(t) сравнивают с заданными пороговыми значениями этих параметров и выделяют обогащаемый минерал из разделяемого материала при удовлетворении условиям критерия разделения. Если полученное значение сигнала U(t) не превышает значения Ua, то определяют значение сигнала U(t) люминесценции, возникающего во время t воздействия импульса возбуждающего излучения. Сравнивают полученное значение с пороговым значением Ub и выделяют обогащаемый минерал из разделяемого материала, если полученное значение сигнала U(t) превышает пороговое значение Ub. Таким образом, предложенный способ использует энергетические особенности всех типов люминесцирующих минералов для селективного разделения.
Подробнее осуществление предлагаемого способа поясняется на примере работы устройства для промышленной реализации предлагаемого изобретения.
Устройство (фиг.2), с помощью которого реализуется предлагаемый способ, содержит транспортирующий механизм 1, выполненный в виде наклонного лотка для транспортировки потока 2 разделяемого материала, блок 3 синхронизации, источник 4 импульсного возбуждающего излучения, фотоприемник 5 люминесценции минералов, устройство 6 цифровой обработки сигнала люминесценции, задатчик 7 пороговых значений Ua и Ub интенсивности сигнала U(t) люминесценции, исполнительный механизм 8, приемные бункеры 9 и 10 соответственно для обогащаемого минерала и хвостового продукта.
Транспортирующий механизм 1 предназначен для транспортировки потока 2 разделяемого материала через зоны облучения-регистрации и отсечки с требуемой скоростью (например, со скоростью от 1 до 3 м/с). Блок 3 предназначен для синхронизации требуемой последовательности работы узлов и блоков, входящих в состав устройства. Источник 4, выполненный в виде генератора рентгеновского излучения, предназначен для облучения потока 2 разделяемого материала непрерывной последовательностью импульсов возбуждающего излучения. Фотоприемник 5 предназначен для преобразования люминесценции минерала в электрический сигнал. Устройство 6 цифровой обработки сигнала предназначено для обработки сигналов с фотоприемника 5, сравнения полученных значений характеристик сигналов люминесценции с соответствующими заданными пороговыми значениями и выработки команды исполнительному механизму 8 на отделение обогащаемого минерала по результату сравнения.
И
Устройство (фиг.2) работает следующим образом. Перед подачей обрабатываемого материала запускают блок 3 синхронизации, который выдает импульсы возбуждения длительностью, достаточной для возбуждения МК люминесценции (например, 0.5 мс с периодом 4 мс), на источник 4 рентгеновского излучения и устройство 6 цифровой обработки. Вводят с помощью задатчика 7 в устройство 6 численные значения (в единицах напряжения) порогов Ua и Ub и значения параметров критерия разделения. Затем включают подачу разделяемого материала. По наклонному лотку 1 поток 2 разделяемого материала попадает в зону возбуждения/регистрации, где облучается периодическими импульсами длительностью t с периодом Т (фиг.1а) от источника 4 рентгеновского излучения.
Под воздействием рентгеновского излучения часть минералов, входящих в состав разделяемого материала, люминесцирует. Сигнал люминесценции поступает на фотоприемник 5, который преобразует сигнал люминесценции в электрический сигнал, поступающий на устройство 6 обработки. В каждом периоде Т последовательности возбуждающих импульсов (фиг.1а) устройство 6 регистрирует сигнал люминесценции, при этом:
- если люминесцирующих минералов в зоне возбуждения/регистрации нет (фиг.1b), то устройство 6 регистрирует сигнал люминесценции воздуха и при получении статистически достоверного количества таких сигналов определяет среднее значение люминесценции воздуха в зоне возбуждения/регистрации (определение характеристик люминесценции в этом случае не производится);
П1
- если в зоне возбуждения/регистрации имеется минерал с полной люминесценцией, причем через заданное время T уровень люминесценции превышает порог Ua (фиг.1с), устройство 6 обработки определяет значения заданных критерием разделения характеристик сигнала люминесценции, например, нормированной автокорреляционной функции, отношения компонент (БК+МК)/МК, постоянной времени затухания люминесценции после завершения возбуждающего импульса. Затем устройство 6 обработки производит сравнение полученных характеристик с заданными значениями характеристик согласно критерию обнаружения обогащаемого минерала и, в случае положительного результата сравнения, выдает управляющий сигнал на исполнительный механизм 8. Механизм 8 отклоняет обогащаемый минерал в бункер 9, а остальной материал уходит в бункер 10 хвостового продукта. Обработка сигнала в устройстве 6 по 4 параметрам критерия разделения позволяет отделить обогащаемый минерал, например, от циркона или полевого шпата, которые имеют интенсивную люминесценцию во время действия импульса возбуждения;
П1
Иl
- если в зоне возбуждения/регистрации имеется минерал с интенсивной люминесценцией во время действия импульса возбуждения (фиг.1d), устройство 6 при обработке такого сигнала определяет отсутствие (меньше порога Ua) люминесценции через заданное время t после окончания импульса t возбуждения, а затем сравнивает сигнал во время действия импульса возбуждения с заданным порогом Ub.
При определении значения его интенсивности нормируют измеренную величину сигнала U(t) на среднее значение сигнала люминесценции воздуха.
и
Кроме того, в случае, если интенсивность регистрируемой люминесценции минерала велика настолько, что превышает входной диапазон устройства обработки 6 (сигнал ограничивается по амплитуде), в фотоприемнике 5 предусмотрено несколько выходов: один с номинальным усилением, а другие с усилением в N (например, 10) раз меньше предыдущего. Соответственно, в устройстве 6 обработки предусмотрено несколько входов и обеспечен автоматический выбор того входа, сигнал с которого не имеет ограничения по амплитуде. Блок 3 синхронизации и устройство 6 цифровой обработки сигнала могут быть совмещены и выполнены на базе персонального компьютера или микроконтроллера. Блок 3 синхронизации может быть также выполнен как генератор импульсов длительностью t с периодом Т на микросхемах серии К155 или К555, фотоприемник 5 может быть выполнен на основе фотоумножителя ФЭУ-85 или R-6094 (Hamamatsu), а устройство 6 обработки - на основе микроконтроллера со встроенным многоканальным аналого-цифровым преобразователем. Задатчик 7 пороговых значений может быть выполнен на основе группы переключателей, либо цифровой клавиатуры, подключенной к микроконтроллеру. Предлагаемый в изобретении способ разделения минералов по их люминесцентным свойствам отвечает критерию «промышленная применимость».
Представленный на фиг.2 вариант устройства был опробован в условиях обогатительной фабрики на имитаторах алмазов. Использовались имитаторы фирмы «Флоусорт» голубого цвета, практически не имеющие люминесценции после окончания импульса возбуждения и имитаторы предприятия «Коммерал» на основе люминофора К-35, которые вводились в поток разделяемого материала без перестройки параметров разделения. При испытаниях было получено 100% извлечение обоих типов имитаторов.
Таким образом, предлагаемый способ разделения минералов по их люминесцентным свойствам не только обеспечивает извлечение всех типов обогащаемых минералов из потока разделяемого материала, но и повышает селективность их извлечения.