CC BY
142
Л.П. Старчик
СОРТИРОВКА И СЕПАРАЦИЯ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ НА ОСНОВЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРИЗНАКОВ
Радиометрические методы обогащения позволяют разделить минеральные компоненты на основе информации о составе и свойствах горных пород и минералов, получаемой на основе использования различных излучений. Радиометрические методы используют для рудоподготовки, порционной сортировки и покусковой сепарации.
Ключевые слова: минералы, породы, распознавание, информация, сепарация.
адиометрические методы обогащения полезных ископае--яГ мых позволяют разделить минеральные компоненты на основе информации о составе и свойствах горных пород и минералов, получаемой бесконтактным способом на основе использования различных излучений. Радиометрические методы используют для рудоподготовки и предварительного концентрирования крупно, и мелкопорционной сортировки и покусковой сепарации[1]. Предварительное концентрирование позволяет сократить объем полезного ископаемого, поступающего на дробление и дальнейшую переработку, вовлекать в переработку некондиционные руды, обогащение которых традиционными методами нецелесообразно, выделять крупнокусковой продукт с определенными параметрами для последующей переработки Информационные методы являются не только средством предварительного концентрирования, но и позволяют выделять полезную компоненту на основе новых признаков, не используемых в традиционных методах обогащения. Для сложных по составу видов сырья дают возможность распознавать и выделять технологические сорта руды. Информационные методы обогащения позволяют разделить компоненты, как на основе косвенных признаков, так и по главному технологическому показателю- содержанию ценного компонента в руде.
Для получения информации о составе и свойствах горных пород и минералов используют различные виды изучения, применяют его энергетическую и временную селекцию[2]. Энергия и тип излучения определяют проникающую способность и представитель-
ность обнаружения. Для порционной сортировки и крупнокусковой сепарации чаще используют проникающие ядерные и радиоволно-вые излучения, для сепарации мелких классов руд рентгеновские и оптические методы распознавания, обладающие высокой информативностью. Чем меньше порция руды, тем больше неоднородность порций по содержанию, тем эффективнее порционное обогаще-ние.Для мелкопорционной сортировки могут быть использованы модули с информационным сканированием сплошного потока руды и разделением на составляющие потоки, в каждом из которых проводят независимые измерения. Эффективность применения метода зависит от его селективности, глубинности и быстродействия.
Ядерно-физические методы основаны на измерении энергии и интенсивности вторичного излучения, возникающего после облучения пробы. Детекторы высокого разрешения и большого объема позволяют с высокой селективностью и чувствительностью с помощью программных средств ЭВМ выделять излучение анализируемых элементов. Энергия излучения, используемого для технологического контроля, определяет его проникающую способность. Большая приникающая способность нейтронного и у-излучения обеспечивает ядерным методам значительную глубинность анализа и представительность контроля. Для распознавания минерального сырья могут быть использованы не только селективные методы, но и простые методы, основанные на поглощении и рассеянии излу-чения[3]. Для этого необходимо, чтобы интенсивность аналитического признака благодаря высокому содержанию анализируемого элемента или большому сечению взаимодействия первичного излучения с одним из компонентов была определяющей. В этом случае анализируемый объект представляет квазибинарную систему и получаемый сигнал зависит от содержания определяемого компонента.
Многие виды минерального сырья имеют существенные различия в атомном номере Ъ извлекаемого компонента и сопутствующих пород. Основные породообразующие элементы О, А1, Si имеют соответственно Ъ=8, 13, 14. Другие элементы, составляющие основу извлекаемой компоненты С, Сг, Fe, Ва, ^, РЬ имеют Ъ=6, 24, 26, 56, 80, 82. Различие в атомных номерах этих элементов может быть использовано для их распознавания в рудах и продуктах обогащения на основе взаимодействия с у-квантами малой и средней энергии. Взаимодействие у-квантов этих энергий с
веществом определяется фотопоглощением (зависит от атомного номера как ~Ъ4), комптоновским рассеянием ( ~ Ъ), рэлеевским рассеянием (~ Ъ3).
Сильная зависимость коэффициента фотоэлектрического поглощения от атомного номера позволяет использовать метод, основанный на поглощении мягкого у-излучения, для определения содержания элементов с большим и средним атомным номером в среде с малым атомным номером, что позволяет оценивать в продуктах обогащения содержание угля, хрома, железа, бария, ртути, свинца и других элементов. При высоких энергиях фотопоглощение слабо зависит от атомного номера, что дает возможность использовать этот метод для измерения плотности и количества материала.
Рассеянное анализируемой пробой излучение с энергией порядка 100 кэВ, вследствие фотоэффекта, поглощается пропорционально Ъ4. С увеличением атомного номера рассеивателя интенсивность рассеянного излучения сначала увеличивается (при малых Ъ), а затем (при больших Ъ) уменьшается за счет фотопоглощения. Обнаружение содержания элементов как с большими, так и с малыми атомными номерами также производится по рассеянному гамма-излучению. Глубинность и представительность контроля зависят от энергии используемого излучения источников: 238Ри-14.8 и 17 кэВ, 241Ат - 60 кэВ, 57Со - 122 кэВ, 13>С - 660 кэВ. Дополнительные возможности для контроля минерального сырья и радиометрической сепарации у-методами дает источник излучения 133Ва(Т1/2=10.5 года):
Еу, МэВ 0.38; 0.36; 0.30; 0.28; 0.081; 0.079;
Выход, % 8.9; 61.6; 18.6; 7.0; 32.5; 2.4.
Наличие в спектре мягкого и жесткого у-излучения позволяет осуществить комплексирование методов распознавания и коррекции размеров куска[4].
Применению поглощения и рассеяния нейтронов для аналитических целей и распознавания горных пород благоприятствует то обстоятельство, что некоторые элементы имеют высокое сечения захвата тепловых нейтронов. Это приводит к изменению потока нейтронов, идущего от источника к детектору нейтронов в зависимости от содержания этих элементов. В качестве источника нейтронов обычно применяют Ро - Ве и Ри - Ве , быстрые нейтро-
ны которых замедляются в среде, содержащей водород. Для измерения потока нейтронов используют ионизационные камеры, пропорциональные счетчики, сцинтилляционные детекторы и радио-изотопные индикаторы. Метод нейтронной абсорбциометрии применяют для обнаружения содержания элементов с большим сечением захвата нейтронов - лития, бора, кадмия, ртути - 70, 755, 2500, 380 барн соответственно. Основные породообразующие элементы, как правило, имеют низкое сечение захвата нейтронов, не превосходящее десятые доли барн. Очень большим сечением захвата нейтронов обладают некоторые элементы редких земель. В цериевой подгруппе наибольшее сечение поглощения нейтронов имеет самарий - 8250 барн, в иттриевой - гадолиний - 40000, европий - 4370 и диспрозий - 1100 барн. За счет захвата нейтронов этими элементами можно производить суммарное определение редких земель в рудах и продуктах их обогащения с чувствительностью не хуже 0.1%.
Для обнаружения и контроля малых содержаний элементов и сложных по составу сред необходимо пользоваться методами, основанными как на селективных взаимодействиях излучения с веществом, так и на применении детекторов, чувствительных к энергии, позволяющих избирательно выделять излучение анализируемых элементов.
Широкое применение для контроля минерального сырья получил рентгено-спектральный метод анализа. Рентгено-спектраль-ный анализ основан на возбуждении характеристического рентгеновского излучения исследуемой пробы излучением рентгеновской трубки. Характеристическое излучение, возбуждаемое в анализируемой пробе, разлагается в спектр при помощи кристалла-анализатора. Простота рентгеновских спектров позволяет с высокой селективностью определять элементы с высокой чувствительностью. При использовании детекторов с хорошим амплитудным разрешением можно отказаться от кристалла-анализатора. Для этих целей используют пропорциональные, сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы - ППД. Особенно эффективно применение ППД в рентгеновском диапазоне энергий. Основным достоинством этих детекторов являются: высокая разрешающая способность, обеспечивающая разделение основных рентгеновских линий элементов, и высокая эффективность, позволяющая во многих случаях применять простые и маломощные источники возбуждения спектров. За счет улучшения геомет-
рии регистрации характеристического излучения можно измерять потоки излучения на несколько порядков более низкие, чем для кристалла-анализатора, и использовать для возбуждения характеристических спектров анализируемых проб излучения радиоактивных изотопов. Применение радиоактивных изотопов для возбуждения характеристического излучения позволяет получить чувствительность, близкую к чувствительности рентгеноспектрального метода с кристалл-анализатором. Применение полупроводниковых детекторов из кремния для L-серии и германиевых для К-серии характеристического излучения не только увеличивает чувствительность и селективность анализа, но позволяет также определять одновременно несколько элементов. Рентгеновские методы получили широкое практическое применение как для контроля минерального сырья и продуктов обогащения, так и для сепарации и сортировки руд [5]. Основной недостаток этих методов связан с низкой энергией характеристического излучения, которая снижается с уменьшением атомного номера элемента. Для элементов с малым атомным номером даже воздух является препятствием для прохождения излучения. Значительно большие энергии излучения можно получить при переходе от возбуждения электронных уровней атомов к возбуждению ядерных уровней за счет ядерных механизмов взаимодействия. Энергии характеристического рентгеновского излучения и ядерных уровней для элементов с малым атомным номером приведены в табл. 1. Энергия ядерного излучения на три-четыре порядка выше энергии рентгеновского излучения, что дает возможность представительного контроля с глубинностью в несколько десятков сантиметров. При таких энергиях возможен также анализ через промежуточные среды и конструкционные материалы.
Для сепарации и сортировки можно использовать нейтронные механизмы взаимодействия с веществом, сопровождающиеся испусканием излучения с высокой энергией. Нейтронные активационные методы разделяют на две группы: с регистрацией «мгновенного излучения», испускаемого за 10-7 10-3 с (нейтронно-
радиационные методы), и с регистрацией
Таблица 1
Энергии характеристического рентгеновского излучения и энергии ядерных уровней.____________________________
Вид Элемент
энергии Li Be B C N O F
Энергия К-
линий рентгеновских спектров, кэВ 0.054 0.109 0.184 0.279 0.393 0.524 0.675 1.041
Энергия линий ядерных уровней, МэВ 0.47 4.43 3,8 2,3 2.36 4.43 0.511 10.8 6.1 6.1 2.75
запаздывающего относительно момента реакции с нейтронами р- и у-излучения (нейтронно-активационный анализ)[6].
Быстрые нейтроны, взаимодействую с веществом, создают у-квант за счет реакций неупругого рассеяния (п,п'у) или (п,п') и радиационного захвата (п,у). По реакции (п,у) у-кванты возникают в основном на тепловых нейтронах и отдалены на время замедления нейтронов от у-квантов реакций (п,п'). Поэтому, для того, чтобы зарегистрировать у-кванты реакции (п,п'), удобно применить импульсный источник нейтронов и регистрировать у-кванты реакции (п,п') до появления у-квантов реакции (п,у). Число у-квантов, регистрируемых детектором, зависит от времени, прошедшего после нейтронного импульса. Спустя 0.2 мксек после нейтронного импульса у-кванты неупругого рассеяния попадают в детектор и регистрируются в течение нескольких десятых микросекунд. Спустя 10 мксек начинают регистрироваться у-кванты захвата тепловых нейтронов и их регистрация продолжается в течение 1 мсек. Реакция неупругого рассеяния нейтронов используется для определения содержания породообразующих элементов.
Энергии у-квантов реакции (п,п'), используемые для определения в горных породах элементов с малым атомным номером:
Изотоп........12С 160 27А1 2^ 32S 40Са 56Fe
Энергия, МэВ .4.43 6.14 1.37 2.21 1.78 2.24 3.72 0.8
При захвате медленного нейтрона ядра элементов с малым атомным номером имеют небольшое число возбужденных уровней. Спектр у-излучения в этом случае состоит из нескольких хорошо разделенных линий. Ядра более тяжелых элементов имеют большое число рядом расположенных уровней, и поэтому переход ядер из возбужденного состояния на более низкий энергетический уровень осуществляется многими способами. Ядра элементов с высоким атомным номером имеют большее число рядом расположенных уровней, и поэтому переход ядер из возбужденного состояния на более низкий уровень осуществляется многими способами. Се-
чение захвата тепловых нейтронов и соответственно интенсивность у-излучения, сопровождающего захват, для различных элементов изменяются в пределах от нескольких миллибарн до десятков тысяч барн ( в 107 раз), т.е. могут быть случаи, когда количество элемента, дающее сравнимый вклад в измеряемую область спектра, может составлять 10-5%. Реакция (п,у) дает возможность распознавать в минеральном сырье и продуктах обогащения элементы, ядерные характеристики которых приведены в табл. 2.
Нейтронно-активационный анализ, основанный на создании тепловыми и быстрыми нейтронами наведенной радиоактивности, позволяет определять многие элементы в широком диапазоне содержаний. В активационном анализе для определения содержания элементов используют различие элементов в поперечном сечении активации, периоде полураспада наведенной активности (Т1/2) и энергии возникающего у-излучения (Еу). Активационный анализ дает возможность использовать авторадиометрический метод для сортировки и сепарации по наведенной радиоактивности не радиоактивных руд.
Новые возможности для нейтронных методов обнаружения открывает использование резонансного поглощения нейтронов, позволяющего улучшить селективность определения при сохранении большой представительности опробования. Ряд ядер химических элементов обладают способностью интенсивно захватывать нейтроны в узких областях энергии. Различие в энергии резонансов при малой их ширине создает предпосылки для селективного определения элементов, а многократное увеличение сечения захвата нейтронов - для улучшения чувствительности определения [7].
Простота и доступность получения нейтронов за счет ядерных реакций в радионуклидных источниках, а также с помощью ядерной реакции ^,Т) в ускорительных трубках низкого напряжения, позволяет широко использовать нейтронные методы для контроля, сортировки и сепарации минерального сырья.
Таблица 2
Энергия Eу сечение реакции а и вышод у-квантов радиационного захвата нейтронов
Элемент £,, МэВ а,барн выход, %
н 2.22 0.33 100
Li 2,03 0,036 84
В 0.470 760 93.3
N 10.82 0.075 13.8
№ 6.39 0.53 20
Mg 3.91 0.063 50
А1 7.72 0.23 30
Si 10.6 0.26 0.26
4.9 58
Р 6.78 0.18 18.3
S 5.42 0.52 57
С1 7.79 31 8.4
к 7.76 2.1 6.9
Са 6.41 0.43 40
6.76 6.1 28
V 7.16 5.04 12
Сг 8.88 3.1 26
Мп 7.24 13.6 12.3
Fe 7.6 2.56 46.6
Со 6.87 37.2 8.5
6.7 8.5
№ 8.99 4.43 26
Си 7.91 3.79 22
Zn 7.8 1.1 11.7
Мо 0.77 2.65 62
Cd 0.558 2450 72
Sb 5.4
Ва 4.09 1.2 9
Sm 1-5 5800
Еи 1-5 4600
Gd 1-5 49000
Dy 1-5 930
Hf 0.213 102 57
Hg 5.96 375 13
Отсутствие специальных требований по подготовке вещества при его распознавании ядерно-физическими методами дает возможность дистанционного анализа, определения через промежуточные среды и конструкционные материалы.Отказ от отбора пробы и ее транспортировки, возможность измерения через транспортерные ленты и стенки бункеров,определение элементов в пульпах, возможность распознавания в движении радикально упрощает технологию контроля, сортировки и сепарации.
Прогресс в создании средств регистрации излучений, применение современных методов обработки информации позволяет унифицировать и упростить аппаратуру и устройства для сепарации и сортировки руд, а также использовать унифицированные модули для технологического контроля процессов обогащения. На
основе ядерно-физических методов могут быть созданы унифицированные модули для контроля, сортировки и сепарации минерального сырья В унифицированные блоки выделены датчи-ки,опредеяющие различные физические свойства минерального сырья, связанные с его качественными характеристиками; средства обработки, регистрации и передачи информации; исполнительные механизмы с устройствами управления. Использование унифицированных модулей позволило соэдать унифицированный по основным элементам ряд устройств для сортировки и сепарации минерального сырья включающий: радиорезонансный, оптический и ав-торадиометрический сепараторы: нейтронно-авсорбционные и нейтронно-активационные рудоконтролирующие станции; гамма-гамма и рентгенрадиометрические рудоконтролирующие станции и сепараторы; многопродуктовый рентгенорадиометрический сепаратор [8]. Эти модули могут также использовать традиционную надежную технику горного производства и ленточные конвейеры, оснащенные приставными датчиками для распознавания материала и исполнительными механизмами.В качестве источника информации используется вторичное излучение, возникающее при взаимодействии первичного излучения с анализируемым материалом.При предварительном обогащении для снижения потерь ценного компонента выделяют хвосты с его отвальным содержанием.При обогащении некондиционных материалов получают максимальный выход концентрата при минимально допустимом содержании, что позволяет снизить потери ценного компонента в забалансовых рудах [9].
Использование различных видов излучения и их взаимодействия с анализируемым материалом в сочетании с обработкой полученной информации открывает доплнительные технологические возможности особенно в оптическом диапазоне измерений. Временная селекция в спектрах излучения существенно расширяет распознавание горных пород и руд. Современные средства программного обеспечения и алгоритмы обработки информации дают возможностьвыделять большое число различных характеристик.В оптическом сепараторе “OptoSort”можно получить до 16 млн. цветовых характеристик,что позволяет осуществлять очень тонкую настройку сепаратора и увеличивает распознавание разделяемых компонентов. На основе информационных признаков возможно распознавание и разделение материалов любой крупности-вплоть
до наночастиц. В настощее время технически возможно применение обогащения минерального сырья на основе информационных признаков до крупности примерно 1 мм, что позволяет при использовании магнитной и электрической сепарации перейти к сухим методам обогащения полезных ископаемых.
Ядерно-физические методы наряду с оптическими и высокочастотными позволяют разделить компоненты полезных ископаемых по различию таких свойств, которые в традиционных методах обогащения не используются. Высокая проникающая способность и селективность обнаружения элементов ядерно-физическими методами благоприятствуют их применению для контроля, сортировки и сепарации минерального сырья. Их широкому применению препятствует искусственно созданная радиофобия не только на бытовом уровне, но и в промышленности. На самом деле атомная энергия является самым безопасным видом энергии, ипользуемым в промышленности [10]. Поэтому взможность применения ядернофизических методов должно определятся исходя из их техникоэкономического потенциала и неискаженных экологических представлений.
Применение информационных методов обогащения минерального сырья на основе информационных признаков не только экономически целесообразно но также позволяет уменьшить загрязнения окружающей среды.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ревнивцев В.И. Подготовка минерального сырья к обогащению и переработке. Недра. 1987.
2. Терещенко С.В., Денисов Г.А., Марчевская В.В. Радиометрические методы опробования и сепарации минерального сырья. Санкт-Петербург,2005
3. Старчик Л.П. Ядерно-физические методы контроля минерального сырья и продуктов обогащения. Обогащение руд. 2006, №2, с. 32-36.
4. Старчик Л.П. Ядерно-физические методы для рудоподготовки. Комплексная переработка минерального сырья. М., Наука, 1992, с. 130-136.
5. Ревнивцев В.И., Рыбакова Т.Г., Леман Е.П. Рентгенорадиометрическое обогащение комплексных руд цветных и редких металлов, Недра, 1990.
6. Филиппов Е.М. Ядерная геофизика. Киев. «Наукова думка».1986.
7. Ревнивцев В.И., Крапивский Е.И., Волков А.А. Применение нейтронных методов сортировки руд цветных и редких металлов. Обогащение руд. 1987, №2, с.4-
9.
8. Старчик Л.П.,Улитенко КЯ., Гудсков ВЛ.,.Семин И.П. Унифицированный ряд электронных средств рудоподготовки и инструментальных методов контроля. Тематический сборник научных трудов, Союзцветметавтоматика,1991.
9. Кравец Б.Н.,Белокрылецкий А.В.,Волков Ю.Н. и др. Оператор фотометрических сортировочных установок. Недра, 1988.
10. Белоус Д.А. Радиация, биосфера, технология. Санкт-Петербург, 2004.
Starchik L.P.
SCREENING AND SEPARATION OF MINERAL RAW MATERIALS ON THE BASE OF INFORMATIONAL FEATURES
Sorting and separation of mineral raw materials on the basis of information signs.
Radiometric methods enrichment allow to divide mineral components on the basis of the information on structure and properties of rocks and minerals, received on the basis of use of various radiations.Radiometric methods use for preparation row, portion sorting and starting separation.
— Коротко об авторе --------------------------------------------
Старчик Л.П. - профессор, доктор технических наук, Российский научный центр «Курчатовский институт», факс 499-9430073, www.kiae.ru
