СПОСОБ РЕНТГЕНОЛЮМИНЕСЦЕНТНОЙ СЕПАРАЦИИ МИНЕРАЛОВ
METHOD OF X-RAY LUMINESCENCE SEPARATION OF MINERALS

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 в рентгенолюминесцентных сепараторах с импульсным режимом возбуждения люминесценции, предназначенных для использования на разных стадиях обогащения.
Регистрируемый в течение некоторого времени сигнал люминесценции минерала характеризуется динамикой изменения интенсивности с течением времени (кинетическими характеристиками) и может рассматриваться как суперпозиция или наложение двух компонент: короткоживущей или быстрой компоненты (далее - БК), возникающей практически одновременно (с интервалом в несколько микросекунд) с началом воздействия возбуждающего излучения и пропадающей сразу же после его окончания, и долгоживущей или медленной компоненты (далее - МК), 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).
Задачи повышения эффективности сепарации минералов и качества обогащенного минерала (полученного концентрата) решаются путем повышения селективности извлечения обогащаемого минерала.
Повышение селективности извлечения обогащаемого минерала в известных способах достигается как за счет выбора критерия разделения для идентификации обогащаемого минерала среди сопутствующих ему в транспортируемом потоке сепарируемого материала, так и за счет определения его местоположения (локализации) в потоке материала для исключения ошибок при отделении идентифицированных обогащаемых минералов из потока материала при поточно-кусковой сепарации, и/или для уменьшения объема отделяемого из потока материала при порционной сепарации.
Для повышения селективности извлечения искомого минерала в известных способах рентгенолюминесцентной сепарации в качестве критерия разделения используют различные кинетические характеристики сигнала люминесценции, регистрируемого как во время воздействия на минеральный материал возбуждающего излучения, так и после него (в период послесвечения).
Известен, например, способ сепарации минералов [SU 1510185 А1 В03В 13/06, В07С 5/346, 20.08.1995], включающий импульсное возбуждение люминесценции минералов, измерение начальной и текущей амплитуд сигналов МК в периоде послесвечения люминесценции, разделение минералов по интервалу времени, пропорциональному постоянной времени затухания люминесценции.
Недостатки этого способа - не учитывается люминесценция во время импульса возбуждения - БК люминесценции, существенно различающаяся, например, для алмазов и сопутствующих минералов. Кроме того, использование способа ограничено амплитудным диапазоном устройства регистрации. Этот недостаток является существенным, поскольку интенсивность люминесценции минералов может различаться на несколько порядков. Вследствие указанных недостатков в обогащаемый продукт (концентрат) кроме обогащаемого минерала попадут сопутствующие минералы с относительно коротким периодом послесвечения, но с интенсивной люминесценцией. Это приводит к существенному ухудшению селективности.
Известен также способ сепарации алмазосодержащих материалов [RU 2235599, С1, В03В 13/06, В07С 5/342, 2004], 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 БК и МК компонент люминесценции к уровню ее МК компоненты, сравнение его с пороговым значением и отделение обогащаемого минерала по результатам сравнения.
Недостатком описанного способа является невозможность его применения в случаях выхода сигнала люминесценции за границы линейного диапазона (ограничения) устройства регистрации интенсивности, поскольку в этом случае соотношение перестает отражать свойства минерала. Этот недостаток является существенным, поскольку интенсивность люминесценции минералов в устройствах для обогащения может различаться на несколько порядков.
Известен принятый нами за прототип способ разделения минералов по их люминесцентным свойствам [RU 2355483, С2, 20.05.2009], 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 отделение обогащаемого минерала из потока транспортируемого материала по результатам сравнения. В этом способе в качестве параметров критерия разделения используется совокупность трех характеристик сигнала люминесценции минерала - нормированной автокорреляционной функции, соотношения 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.
Используемые в этом способе параметры критерия разделения достаточно полно учитывают кинетические характеристики люминесценции для идентификации обогащаемого минерала.
Недостатками этого способа являются появление ошибок при отделении идентифицированных обогащаемых минералов из потока материала и увеличение объема отделяемого из потока материала при поточно-кусковой и при порционной сепарации. Эти недостатки обусловлены тем, что в транспортируемом потоке разделяемого материала присутствуют обогащаемые минералы разных типов, а их размеры варьируются в пределах разделяемого класса крупности. Интенсивность люминесценции таких минералов может отличаться на 3-4 порядка. Различие в размерах минералов приводит к расширению транспортируемого потока материала в плоскости, перпендикулярной плоскости движения от области облучения-регистрации к области отделения обогащаемых минералов. Различие в интенсивности люминесценции разных типов минералов приводит к тому, что идентификация минералов осуществляется на разных этапах ее возбуждения. Обладающие высокой интенсивностью минералы могут удовлетворять критерию разделения практически при воздействии первого же импульса возбуждающего излучения, тогда как минералы с низкой интенсивностью удовлетворяют критерию разделения после воздействия нескольких импульсов излучения. Расширение транспортируемого потока материала обуславливает различные условия возбуждения люминесценции минералов. Влияние этих факторов вносит искажение в кинетические характеристики люминесценции, используемые для определения значений параметров критерия разделения, и, следовательно, снижают достоверность идентификации минералов. Особенно сильно сказывается влияние этих факторов на селективность извлечения обогащаемых минералов при повышении производительности сепарации минералов из-за расширения поля зрения фотоприемного устройства, в которое также попадает излучение еще не вошедших в область облучения минералов с высокой интенсивностью люминесценции, вызванной наведенной радиацией. Такие минералы могут быть идентифицированы до поступления в зону облучения и пропущены при отделении, так как не успеют попасть в область отделения ко времени исполнения команды на отделение, полученной исполнительным устройством сепаратора при их идентификации. Кроме того, из-за расширения поля зрения фотоприемного устройства, в него также попадает излучение уже вышедших из области облучения минералов с высокой интенсивностью люминесценции. При этом регистрируемая интенсивность БК люминесценции резко снижается, в то время как интенсивность МК люминесценции снижается гораздо медленнее. Такой характер изменения кинетических характеристик регистрируемого сигнала люминесценции может привести к ошибочной идентификации ярко светящегося сопутствующего минерала как обогащаемого.
Техническим результатом изобретения является повышение селективного извлечения обогащаемых минералов из разделяемого материала. Кроме того, техническим результатом изобретения является также обеспечение возможности локализации обогащаемого минерала в потоке разделяемого материала.
Достижение технического результата обеспечивает предлагаемый способ рентгенолюминесцентной сепарации минералов, включающий транспортирование потока разделяемого материала, облучение этого материала последовательностью импульсов возбуждающего излучения в пределах заданного участка траектории движения материала, регистрацию интенсивности сигнала люминесценции минерала, обработку этого сигнала в реальном времени для определения параметров разделения, сравнение полученных параметров с заданными значениями и отделение обогащаемого минерала из потока транспортируемого материала по результатам сравнения, в котором устанавливают пороговое значение интенсивности сигнала люминесценции через заданное время после окончания импульса возбуждающего излучения, при регистрации интенсивности сигнала люминесценции минерала измеряют интенсивность сигнала люминесценции через заданное время после окончания каждого импульса возбуждающего излучения, запоминают полученное значение интенсивности для каждого сигнала люминесценции при условии превышения регистрируемым сигналом установленного порогового значения, сравнивают измеренное в текущем периоде значение со значениями, полученными в предыдущих периодах, определяют период, в котором значение интенсивности достигло максимальной величины, и для определения параметров разделения проводят обработку того сигнала люминесценции, в котором значение измеренной интенсивности достигло максимальной величины, принимают решение об отделении обогащаемого минерала в том случае, если параметры разделения находятся в диапазоне заданных значений.
В отличие от известного, в предлагаемом способе рентгенолюминесцентной сепарации минералов устанавливают пороговое значение интенсивности сигнала люминесценции через заданное время после окончания импульса возбуждающего излучения, при регистрации интенсивности сигнала люминесценции минерала измеряют интенсивность сигнала люминесценции через заданное время после окончания каждого импульса возбуждающего излучения, запоминают полученное значение интенсивности для каждого сигнала люминесценции при условии превышения регистрируемым сигналом установленного порогового значения, сравнивают измеренное в текущем периоде значение со значениями, полученными в предыдущих периодах, определяют период, в котором значение интенсивности достигло максимальной величины, и для определения параметров разделения проводят обработку того сигнала люминесценции, в котором значение измеренной интенсивности достигло максимальной величины, принимают решение об отделении обогащаемого минерала в том случае, если параметры разделения находятся в диапазоне заданных значений.
Для повышения качества полученного концентрата за счет уменьшения объема отделяемого материала могут устанавливать длительность выполнения операции отделения обогащаемого минерала в зависимости от момента времени воздействия на разделяемый материал того импульса возбуждающего излучения, после окончания которого измеряемое значение интенсивности сигнала люминесценции достигло максимальной величины.
Также могут устанавливать время задержки до начала выполнения операции отделения обогащаемого минерала в зависимости от момента времени воздействия на разделяемый материал того импульса возбуждающего излучения, после окончания которого измеряемое значение интенсивности сигнала люминесценции достигло максимальной величины.
Совокупность отличительных признаков и их взаимосвязь с ограничительными признаками в предлагаемом изобретении обеспечивает повышение селективного извлечения обогащаемых минералов из разделяемого материала в реальном времени, также возможность локализации обогащаемого минерала в потоке разделяемого материала. При этом совокупность предложенных в изобретении действий позволяет учитывать не только кинетические характеристики сигнала люминесценции различных типов и размеров (в пределах каждого класса крупности) обогащаемого минерала, но и динамику изменений этих характеристик в зависимости от изменения условий возбуждения люминесценции в процессе транспортировки минералов через область облучения. Именно учет динамических особенностей возбуждения люминесценции в различных типах обогащаемого минерала является определяющим для предлагаемой в изобретении совокупности отличительных признаков, обеспечивающей повышение селективного извлечения обогащаемых минералов. Совокупность отличительных признаков дает также возможность улучшения достигнутого технического результата за счет локализации обогащаемого минерала в потоке разделяемого материала.
Неочевидность предлагаемого решения подтверждается также отсутствием подобных решений в течение, по крайней мере, 20 лет, несмотря на актуальность решаемой задачи для горно-обогатительной 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:
а - импульсы возбуждения;
b - сигналы люминесценции минералов, регистрируемые в процессе их транспортирования через область облучения;
с - сигналы люминесценции минералов, регистрируемые до их вхождения в область облучения;
d - сигналы люминесценции минералов, регистрируемые после их выхода из области облучения.
На фиг.2 схематически представлен один из вариантов устройства для реализации предлагаемого изобретения.
п
ik
k
р
з
ik
k
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.1 b-d). Разделяемый материал облучают периодической последовательностью импульсов длительностью t и периодом T возбуждающего излучения (фиг.1а), например рентгеновского излучения. За время облучения успевает разгореться медленная компонента (МК) сигнала U(t) люминесценции минерала. Регистрируют сигнал U=f(t) интенсивности люминесценции минерала (фиг.1 b-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 включает как участок Т разгорания быстрой (БК) и медленной (МК) компонент сигнала люминесценции, так и участок Т затухания его медленной (МК) компоненты (фиг.1 b-d). Сигнал U(t) люминесценции регистрируют при облучении каждым импульсом t последовательности в течение всего периода T возбуждения (фиг.1а). Все регистрируемые сигналы U(t) подвергают обработке в режиме реального времени.
ik
п
ik
ik
ik+1
ik+1
ik+1
k
ik
ik
ik
В процессе обработки сигналов U(t) люминесценции сначала измеряют 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 запоминают, а затем сравнивают со значением сигнала U(t), регистрируемым в следующем импульсе t возбуждающего излучения в том случае, если U(t)>Ua. Определяют период T возбуждения, в котором значение сигнала U(t) достигло максимального значения U(max) и для получения значений параметров разделения подвергают дальнейшей обработке тот сигнал, в котором U(t)=U(max). Полученные при этом значения параметров разделения сигнала U(t) сравнивают с заданными пороговыми значениями этих параметров и отделяют обогащаемый минерал из разделяемого материала при удовлетворении заданным условиям (критерию) разделения.
Таким образом, предложенный способ использует динамику изменения характеристик люминесценции минералов в зависимости от изменения условий возбуждения для повышения селективного извлечения обогащаемых минералов.
ik
ik
k
ik
Длительность выполнения операции отделения обогащаемого минерала устанавливают в зависимости от момента времени воздействия на разделяемый материал того импульса t возбуждающего излучения, после окончания которого измеряемое значение интенсивности сигнала U(t) люминесценции достигло максимальной величины U(max), и максимальной крупности разделяемого материала, но не меньше периода T возбуждения. Время задержки до начала выполнения операции отделения устанавливают в зависимости от момента времени воздействия на разделяемый материал того импульса t возбуждающего излучения, после окончания которого измеряемое значение интенсивности сигнала люминесценции достигло максимальной величины. Таким образом, предложенный способ позволяет автоматически изменять параметры отделения обогащаемого минерала, что дополнительно приводит к повышению селективного извлечения обогащаемых минералов из разделяемого материала за счет уменьшения объема отделяемого материала.
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 для транспортировки потока 2 разделяемого материала, выполненный в виде наклонного лотка, блок 3 синхронизации, источник 4 импульсного возбуждающего излучения, фотоприемник 5 люминесценции минералов, устройство 6 цифровой обработки сигнала U(t) люминесценции, задатчик 7 порогового значения Ua интенсивности сигнала U(t) люминесценции и пороговых значений выбранных параметров разделения, исполнительный механизм 8, приемные бункеры 9 и 10 соответственно для обогащаемого минерала и хвостового продукта.
Транспортирующий механизм 1 обеспечивает транспортировку с требуемой скоростью (например, со скоростью от 1 до 3 м/с) потока 2 разделяемого материала через зоны облучения-регистрации и отсечки. Механизм 1 может быть выполнен, например, в виде наклонного лотка 1. Блок 3 синхронизации обеспечивает требуемую последовательность 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 сигнала U(t) люминесценции минерала в электрический сигнал. Устройство 6 цифровой обработки сигнала предназначено для обработки сигналов с фотоприемника 5, сравнения полученных значений параметров сигнала U(t) люминесценции с заданными пороговыми значениями и выработки исполнительному механизму 8 команды на отделение обогащаемого минерала по результату сравнения.
Блок 3 синхронизации и устройство 6 цифровой обработки сигнала могут быть совмещены и выполнены на базе персонального компьютера или микроконтроллера со встроенным многоканальным аналого-цифровым преобразователем. Фотоприемник 5 может быть выполнен на основе фотоумножителя ФЭУ-85 или R-6094 (фирмы Hamamatsu, Япония). Задатчик 7 может быть выполнен на основе группы переключателей, либо цифровой клавиатуры, подключенной к микроконтроллеру.
k
ik
ik
k
ik
Устройство (фиг.2) работает следующим образом. Перед подачей разделяемого материала запускают блок 3 синхронизации, который выдает на источник 4 рентгеновского излучения и устройство 6 цифровой обработки импульсы возбуждения с периодом Т и длительностью t, достаточной для возбуждения МК люминесценции. С помощью задатчика 7 в устройство 6 обработки передают численные значения Ua порога и значения параметров разделения. Затем на лоток 1 подают поток 2 разделяемого материала, который движется по нему с заданной скоростью, определяемой требуемой производительностью сепарации. После схода с лотка 1 поток 2 попадает в область облучения/регистрации, где подвергается периодическому воздействию импульсов рентгеновского излучения длительностью t с периодом T (фиг.1а) от источника 4. Протяженность области облучения в устройстве сепарации определяется скоростью перемещения потока 2 и обеспечением достаточной полноты возбуждения люминесценции разделяемых минералов. Как правило, для удовлетворения условий возбуждения люминесценции разделяемый минерал во время перемещения вдоль области возбуждения должен подвергнуться воздействию по крайней мере трех импульсов t излучения источника 4. В устройстве с большой производительностью сепарации поток 2 разделяемого материала движется по лотку 1 с достаточно большой скоростью и при сходе с лотка 1 происходит его расширение в плоскости, перпендикулярной плоскости движения от области облучения-регистрации к области отделения обогащаемых минералов. Расширение потока 1 особенно сказывается при сепарации материала большой крупности, например (-50+20) мм. В силу этого, фотоприемник 5 в устройстве сепарации должен быть расположен на достаточно большом расстоянии от траектории движения потока 2, что приводит к существенному расширению его поля зрения. Область облучения в таком устройстве сепарации полностью совпадает с областью регистрации, однако протяженность области регистрации в направлении движения потока 2 больше протяженности области облучения.
ik
k
ik
п
ik
ik
ik+1
ik+i
ik
ik+1
ik
k+1
Под воздействием рентгеновского излучения, вызванного импульсами источника 4, часть входящих в состав разделяемого материала минералов люминесцирует. Сигнал люминесценции поступает на фотоприемник 5, который преобразует его в электрический сигнал, поступающий на устройство 6 обработки. С помощью синхронизатора 3 устройство 6 обработки регистрирует поступивший с фотоприемника 5 сигнал синхронно с текущим импульсом t возбуждения в течение всего периода Т в режиме реального времени; определяет значение U(t) сигнала люминесценции в заданный момент времени t после окончания импульса возбуждения, сравнивает полученное значение U(t) с пороговым значением Ua сигнала и запоминает его, если U(t)>Ua. Значение U(t) сигнала люминесценции, определенное при каждом последующем импульсе t() возбуждения, устройство 6 сравнивает с предыдущим значением U(t) до тех пор, пока значение U(t) регистрируемого сигнала люминесценции не станет меньше предыдущего значения U(t). В том же периоде T последовательности импульсов, в котором
ik+1
ik
ik
k
ik
ik
U(t)<U(t), устройство 6 проводит обработку сигнала U(t) люминесценции, зарегистрированного в периоде T, в котором значение сигнала U(t)=U(max). При обработке сигнала U(t)=U(max) устройство 6 определяет значения параметров разделения, сравнивает их с соответствующими пороговыми значениями и принимает решение об отделении минерала из потока 2, если полученные значения параметров удовлетворяют заданным условиям разделения. Сигнал об отделении из устройства 6 поступает на исполнительный механизм 8, который направляет обогащаемый минерал из потока 2 в приемный бункер 9 для обогащаемого продукта, тогда как остальной материал в потоке 2, не изменяя траектории движения, попадает в бункер 10 хвостового продукта.
k
ik
ik
В предлагаемом способе рентгенолюминесцентной сепарации минералов для определения параметров разделения используют тот сигнал, при котором возбуждение люминесценции минерала достигло максимально возможной полноты, и, следовательно, наиболее полно представлены все характерные особенности процесса люминесценции, присущие данному минералу. Это обеспечивает достоверность определяемых параметров разделения и повышение селективности извлечения обогащаемых минералов. Действительно, поскольку протяженность области облучения выбирается из расчета обеспечения достаточно полного возбуждения люминесценции всех обогащаемых минералов независимо от присущей им интенсивности, то именно в этой области и регистрируется фотоприемником 5 сигнал U(max) с максимальной интенсивностью. Блок 3 синхронизации обеспечивает связь между периодом T последовательности импульсов t возбуждения и сигналом, в котором регистрируемая интенсивность U(t)=U(max). Это дает возможность установить длительность выполнения операции отделения обогащаемого минерала в зависимости от момента времени воздействия именно этого импульса возбуждающего излучения на разделяемый материал, а также и время задержки до начала выполнения операции отделения обогащаемого минерала. Привязка процесса отделения обогащаемого минерала (времени и длительности срабатывания исполнительного механизма 8) к определенному импульсу возбуждения позволяет уменьшить объем отделяемого из потока 2 материала и, следовательно, дополнительно повысить селективность извлечения обогащаемого минерала и качество обогащенного продукта.
Предлагаемый в изобретении способ рентгенолюминесцентной сепарации минералов отвечает критерию «промышленная применимость» и может быть осуществлен, например, на базе серийно выпускаемого люминесцентного сепаратора ЛС-20-05-2Н ТУ - 4276-054-00227703-2003.
Таким образом, предлагаемый способ разделения минералов по их люминесцентным свойствам обеспечивает достижение технического результата - повышение селективного извлечения обогащаемых минералов из разделяемого материала. Повышение селективности извлечения обогащаемых минералов существенно улучшает качество получаемого концентрата, что, в свою очередь, повышает технологичность и экономичность всего процесса обогащения.