РЕНТГЕНОРАДИОМЕТРИЧЕСКИЙ СЕПАРАТОР

Предлагаемая полезная модель относится к технологическому оборудованию для обогащения минерального и техногенного сырья, в том числе для вторичной переработки лома различных сплавов, а именно к рентгенорадиометрическим сепараторам. Такие сепараторы, в частности, могут быть использованы для автоматической покусковой рентгенофлуоресцентной сепарации алюминиевых сплавов по содержанию меди и цинка.
Известен, например, рентгенорадиометрический сепаратор [Рентгенофлуоресцентный сепаратор, SU №1391739, В07 5/34, G01N 23/22, №16, 30.04.1988.], содержащий средства покусковой подачи обогащаемого материала в зону анализа, по крайней мере, один датчик аналитического сигнала, средства обработки сигналов и исполнительный механизм узла сортировки. Датчик аналитического сигнала содержит источник ионизирующего излучения в виде рентгеновской трубки с фильтром и коллиматором, детектор рассеянного первичного излучения и дифференциальный детектор одного из контролируемых элементов обогащаемого материала. Каждый датчик аналитического сигнала размещен над транспортирующим органом, например лентой транспортера, средства покусковой подачи обогащаемого материала в зону анализа. Количество датчиков в сепараторе определяется числом контролируемых элементов. Средства обработки сигналов осуществляют регистрацию сигналов с детекторов, их анализ на соответствие критериям отбора кусков обогащаемого материала и выработку сигнала управления на исполнительный механизм узла сортировки, по которому куски направляются в соответствующую течку продуктов сортировки.
Основным недостатком такого сепаратора является недостаточная производительность сепаратора, ограничивающая возможность его использования только для порционной сепарации. Этот недостаток обусловлен очень низкой эффективностью дифференциальных детекторов, в сотни раз уступающей эффективности пропорциональных и сцинтилляционных детекторов. Кроме того, для сепарации материала по содержанию нескольких компонентов необходимо установить соответствующее количество датчиков, что приводит к увеличению массогабаритных параметров сепаратора.
i
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является рентгенорадиометрический сепаратор, выпускаемый ООО "РАДОС" [Ю.О.Федоров. Пособие по рентгенорадиометрической сепарации. ООО "РАДОС", 30.11.2006 ((http://rados.ru/info-article/html?st=10)]. Сепаратор содержит средства покусковой подачи обогащаемого материала в зону анализа, датчик аналитического сигнала, средства обработки сигналов и исполнительный механизм узла сортировки. Датчик аналитического сигнала содержит источник ионизирующего излучения в виде рентгеновской трубки с фильтром и коллиматором и детектор вторичного излучения, выполненный в виде пропорционального или сцинтилляционного счетчика. Зона анализа в сепараторе расположена на участке свободного падения материала. Детектор вторичного излучения регистрирует вторичное излучение (флуоресцентное и рассеянное) от каждого куска материала, возбужденное в нем первичным излучением источника ионизирующего излучения. Средства обработки сигналов служат для определения значения критерия обогащения, сравнения этого значения с заданным пороговым значением и выработки сигнала управления на исполнительный механизм узла сортировки для направления куска в соответствующий сборник продуктов сепарации. Критерием отбора служит аналитический параметр P„ рассчитываемый по выражению
i
1
2
2
3
4
4
Pi(C)=(N+KN)/(N+KN),
i
где C - концентрация контролируемого элемента;
1
N - набор импульсов в канале контролируемого элемента;
2
N - набор импульсов в канале мешающего элемента;
3
N - набор импульсов в канале рассеянного излучения;
4
1
3
N, K и К - эмпирические коэффициенты, определяемые по образцам известного состава.
Основным недостатком аналога является недостаточная надежность при сепарации материала сразу по двум элементам с малым содержанием контролируемого элемента, в особенности по элементам с соседними атомными номерами, в присутствии значительных количеств элементов с близкими спектральными линиями. Это подтверждается спектрами проб медно-цинковых руд, приведенными на фиг.7 Пособия. Пик меди с энергией 8.04 при содержаниях от 0.5-5%, полностью отделяется от пика железа (6.4 кэВ), в то время как пик цинка (8.63 кэВ), также присутствующего в рудах, полностью сливается с пиком меди.
Техническим результатом предлагаемого решения является обеспечение возможности спектрального разделения линий двух, в том числе с соседними атомными номерами, контролируемых элементов с малым содержанием их в куске сепарируемого материала без снижения производительности сепаратора.
Достижение технического результата обеспечивается тем, что в рентгенорадиометрическом сепараторе, включающем средства покусковой подачи обогащаемого материала в зону анализа, датчик аналитического сигнала, содержащий источник ионизирующего излучения в виде рентгеновской трубки с фильтром и коллиматором и детектор вторичного излучения, выполненный в виде пропорционального или сцинтилляционного счетчика, средства обработки сигналов и исполнительный механизм узла сортировки, в котором датчик аналитического сигнала дополнительно снабжен вторым детектором вторичного излучения, размещенным рядом с первым детектором, и перед входным окном одного из детекторов установлен фильтр вторичного излучения из материала, край поглощения которого расположен выше аналитических линий контролируемых элементов, а перед входным окном другого установлен фильтр вторичного излучения из материала, край поглощения которого расположен между этими линиями.
В отличие от известного, в предлагаемом сепараторе датчик аналитического сигнала дополнительно снабжен вторым детектором вторичного излучения, размещенным рядом с первым детектором, и перед входным окном одного из детекторов установлен фильтр вторичного излучения из материала, край поглощения которого расположен выше аналитических линий контролируемых элементов, а перед входным окном другого установлен фильтр вторичного излучения из материала, край поглощения которого расположен между этими линиями.
Детекторы вторичного излучения могут быть снабжены средствами ограничения их поля зрения.
Для обеспечения раздельного обогащения материала по содержанию меди и цинка фильтр вторичного излучения, установленный перед входным окном одного из детекторов, выполнен из меди, а фильтр вторичного излучения, установленный перед входным окном другого - из никеля, при этом рентгеновская трубка снабжена фильтром из алюминия.
Существенные признаки предложенного решения, а также их взаимосвязь, не обнаружены в известных в науке и технике решениях на дату подачи заявки, следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "новизна".
На фиг. представлена блок-схема предлагаемого рентгенорадиометрического сепаратора.
Сепаратор, представленный на фиг., содержит средства 1 покусковой подачи обогащаемого материала 2 в зону 3 анализа, датчик 4 аналитического сигнала, средства 5 обработки сигналов (СОС) и исполнительный механизм 6 узла (на фиг. не обозначен) сортировки. Средства покусковой подачи обогащаемого материала 2 включают разгрузочный бункер (на фиг. не отмечен) и наклонный лоток 1. Датчик 4 аналитического сигнала содержит источник 7 ионизирующего излучения в виде рентгеновской трубки (РТ) с фильтром 8 и коллиматором (на фиг. не обозначен) и два детектора 9 и 10, перед входным окном каждого из детекторов 9 и 10 установлены соответственно фильтры 11 и 12 вторичного излучения. Детекторы 9 и 10 выполнены в виде пропорциональных или сцинтилляционных счетчиков. Выходы детекторов 9 и 10 подключены к соответствующим входам СОС 5, а его выход подключен к управляющему входу исполнительного механизма 6. Продукты (на фиг. не отмечен۰ы) сепарации материала 2 распределены по соответствующим сборникам: концентрата 13 или 14 и хвостов - 15.
Для сепарации алюминиевых сплавов по содержанию меди и цинка в предлагаемом сепараторе фильтр 8 выполнен из алюминия (Al), фильтр 11 - из меди (Сu), а фильтр 12 - из никеля (Ni).
sc
CuKα
sc
(CuKα+CuKβ+ZnKα)-kCuKα)
sc
Предлагаемый рентгенорадиометрический сепаратор работает следующим образом. Из разгрузочного бункера (на фиг. не отмечен) по наклонному лотку 1 отдельные куски обогащаемого материала 2 поступают в зону 3 анализа, расположенную на начальном отрезке их свободного падения. Каждый кусок материала 2 облучается прошедшим через фильтр 8 излучением РТ 7 в зоне 3. Фильтр 8 поглощает низкоэнергетическую часть тормозного спектра РТ 7, снижая фон в области регистрируемых детекторами 9 и 10 аналитических характеристических линий контролируемых элементов. Детекторы 9 и 10 регистрируют вторичное излучение куска материала 2, прошедшее через фильтры 11 и 12 соответственно. При сепарации алюминиевых сплавов детектор 10 с фильтром 12 в основном регистрирует импульсы аналитической линии СuКα, а детектор 9 с фильтром 11 - аналитические линии СuКα, СuКβ и ZnKα. Оба детектора 9 и 10 регистрируют также рассеянное куском материала 2 коротковолновое излучение J с энергией более 12-14 кэВ, значение интенсивности которого используется в СОС 5 для учета величины куска при расчете критериев отбора материала 2. Коллиматор РТ 7 (на фиг. не обозначен) ограничивает телесный угол облучения материала 2, а средства (на фиг. не показаны) ограничения поля зрения детекторов 9 и 10 определяют телесный угол регистрируемого излучения, препятствуя одновременному попаданию в детектор излучения от нескольких кусков материала 2 и постороннего излучения, рассеянного деталями сепаратора. Импульсы, регистрируемые детекторами 9 и 10, поступают в электронные средства 5 обработки сигналов. СОС 5 рассчитывают критерии отбора материала 2, характеризуемые как J/J для меди и J/J для цинка,
СuKα
(CuKα+СuKβ+ZnKα)
где J - интенсивность линии меди, пропускаемой фильтром 12; J - интенсивность линий меди и цинка, пропускаемых фильтром 11;
sc
J k - эмпирический коэффициент, зависящий от толщин фильтров 11 и 12 детекторов 9 и 10.
Полученные значения критериев отбора в СОС 5 сравниваются с заданными пороговыми значениями и по результату сравнения вырабатывается управляющий сигнал, поступающий на исполнительный механизм 6. По полученному сигналу исполнительный механизм 6 изменяет траекторию свободного падения куска материала 2, направляя его в соответствующий сборник 13, 14 или 15 продуктов сепарации.
В зависимости от заданных параметров исполнительный механизм 6 может выполнять отбор материала 2, как по содержанию в нем меди или цинка, так и по нахождению обоих элементов в заданных диапазонах.
Конкретный пример применения предлагаемого сепаратора, осуществленный на базе серийно выпускаемого НПП «Буревестник» сепаратора ЛС-ОД-50-03 приведен в таблицах 1 и 2.
Табл.1
Сепарация алюминиевых сплавов по меди
№п/п
ССu атт., %
lCu, имп/с
lsc, имп/с
lCu/lsc
CCu рентг, %
1
0.99
17620
227170
0.0776
0.98
2
0.609
15601
237640
0.0656
0.47
3
0.378
15392
245602
0.0627
0.34
4
0.314
15148
247022
0.0613
0.28
5
0.543
15374
220321
0.0697
0.64
6
0.45
15710
241354
0.0651
0.45
7
0.22
14983
246608
0.0607
0.25
8
0.131
14659
245560
0.0597
0.21
Табл.2
Сепарация алюминиевых сплавов по цинку
№ п/п
CZn атт., %
lCu+lZn, имп/с
lCu, имп/с
lZn, имп/с
lsc, имп/с
lZn/lsc
CZn рентг, %
1
0.11
34323
14954
19369
234657
0.0823
0.11
2
0.179
37412
15550
21862
237159
0.0922
0.21
3
0.279
38523
15910
22613
238963
0.0946
0.23
4
0.318
47705
24257
23448
219521
0.1068
0.35
5
0.396
45401
20861
24540
226145
0.1085
0.37
В таблицах приведены:
- аттестованные содержания Сu и Zn в стандартных образцах алюминиевых сплавов, содержащих оба эти элемента;
- скорости счета, полученные с Ni и Сu фильтрами (lCu и (lCu+lZn) соответственно);
- рассчитанные lZn=(lCu+lZn)-lCu;
- lsc - скорость счета рассеянного излучения в диапазоне 12-25 кэВ;
- отношения lCu и lZn к рассеянному излучению;
- рассчитанные по этим отношениям содержания меди и цинка.
Данные получены при толщине алюминиевого фильтра на трубке 0.3 мм и никелевом и медном фильтрах толщиной 10 мкм. Анодное напряжение рентгеновской трубки БХ-7 составляло 25 кВ при анодном токе 0.4 мА. Экспозиция составляла 50 мс, что соответствует перемещению кусков материала размером порядка 100 мм со скоростью 2 м/с. Среднеквадратичные расхождения аттестованных и рассчитанных содержаний по меди и цинку составило 0.08 и 0.04% соответственно, что свидетельствует о целесообразности применения предлагаемой полезной модели для сепарации алюминиевых сплавов по меди и цинку при содержаниях этих элементов от десятых долей % и более.
Приведенный пример применения предлагаемого сепаратора подтверждает, что заявленное техническое решение соответствует критерию "промышленная применимость".
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает возможность спектрального разделения линий двух, в том числе с соседними атомными номерами, контролируемых элементов с малым содержанием их в куске сепарируемого материала без снижения производительности сепаратора.
Кроме того, раздельная регистрация аналитических линий контролируемых элементов, осуществляемая в предлагаемом сепараторе, позволяет, по сравнению с прототипом, снизить требования, как к стабильности электронного средства обработки сигнала, так и к характеристикам его загрузки.