СПОСОБ СЕПАРАЦИИ МИНЕРАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК B07C5/342 G01N21/65 

Изобретение относится к области обогащения и сортировки полезных ископаемых и может быть использовано при обогащении алмазосодержащих руд и сортировке алмазов по качественным характеристикам.

Известен способ и устройство для определения уровня фонового излучения на участке спектра характерного рамановского пика (Великобритания №2228316, G 01 N 21/84, заявлено 19.01.89, ЮАР №0435, опубликовано 19.01.90). Способ позволяет повысить извлечение алмазов за счет компенсации фонового и вторичного излучений в области частот рамановского рассеяния в алмазе. Для этого концентрат облучают монохроматическим светом, способным рассеиваться, регистрируют рассеянное излучение, разделяя его на ряд спектральных полос. Рассеянное излучение измеряется в полосе спектра рамановского пика и, по меньшей мере, в двух полосах спектра, которые находятся вблизи предполагаемого рамановского пика. Из этих, по меньшей мере двух, полос вычисляется значение фонового излучения, являющееся характерным для уровня фонового излучения в предполагаемом рамановском пике. По разности сигналов в полосе частот рамановского пика и сигналов, по крайней мере, в двух полосах боковых частот судят о принадлежности минерала к тому или иному минеральному виду. Спектральные полосы боковых частот расположены симметрично около предполагаемого рамановского пика, а перекрываемый ими диапазон частот охватывает рамановский пик с двух сторон. Таким образом, для реализации данного способа требуется проведение измерений интенсивности излучения, не менее чем в трех спектральных полосах. Ширина спектральных полос фиксирована.

Устройство для реализации этого способа содержит средство для облучения вещества монохроматическим светом, способным вызвать рамановское рассеяние, средство для приема рассеянного излучения, средство фильтрации для выделения ряда спектральных полос (не менее двух боковых и одной, содержащей линию рамановского рассеяния), средства для измерения интенсивности прошедшего через фильтры излучения и получения значений, центральный процессор. Средство для разделения излучения на первый, второй и третий участки состоит из нескольких фильтров, пропускающих полосы фиксированной ширины, за которыми находятся средства для регистрации излучения, пропущенного каждым фильтром и средства для получения значений, показательных для обнаруженного излучения.

Недостатком известных способа и устройства для его осуществления является недостаточно высокая селективность сепарации, что обусловлено невысокой точностью выделения спектральных полос системой фильтров, невозможностью изменения (регулировки) ширины полос, требованием к выделению трех полос - двух боковых и центральной. Последнее требует три фильтра, три фотоприемника, и три канала регистрации, что усложняет систему в целом.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ лазерной сепарации алмазов, согласно описанию, приведенному в статье С.В.Авдеева, С.В.Белого, Ю.В.Чугуя, В.А.Чупрова, О.А.Гудаева, И.Ф.Канаева, В.К.Малиновского, А.Ф.Махрачева, А.К.Поташникова, А.М.Пугачева, Е.М.Шлюфмана, Н.В.Суровцева, В.А.Трещихина, А.Т.Ведина, В.В.Воробьева "Лазерная сепарация алмазов" (Журнал "Наука - производству", №2, 2003 г., с.8). Способ сепарации включает облучение образцов монохроматическим светом и регистрацию рассеянного излучения в двух областях спектра фиксированной ширины, одна из которых содержит линию рамановского рассеяния, а вторая не содержит линию рамановского рассеяния, но охватывает первую с двух сторон, сравнение сигналов в этих областях, идентификацию и разделение образцов по результатам этого сравнения.

Устройство для сепарации данным способом сепарации состоит из бункера, питателя, источника излучения (лазера), оптической системы, двух фотоприемников, электронного блока, исполнительного механизма, приемников концентратного и хвостового продуктов. Оптическая система устройства состоит из входной щели, диспергирующего элемента и выходной щели измерительного канала фиксированной ширины. Внешняя поверхность выходной щели измерительного канала отражающая. Отраженное от нее излучение составляет световой поток опорного канала. Ширина полосы частот измерительного и опорного каналов не регулируется.

Основным недостатком данных способа и устройства является невысокая их селективность, поскольку часть сопутствующих минералов данным способом определяется, как алмазы и извлекается в концентрат, а часть алмазов определяется, как сопутствующие минералы и отправляется в хвосты. Невысокая селективность данного способа обусловлена несогласованностью ширины полос пропускания опорного и измерительного каналов. Несогласованность ширины полос пропускания и, вследствие этого, несогласованность интенсивностей световых потоков в опорном и измерительном каналах требует выравнивания создаваемых этими световыми потоками амплитуд электрических сигналов. Выравнивание амплитуд электрических сигналов производится в электронной части устройства, для чего задаются разные коэффициенты усиления в опорном и измерительном каналах или разной чувствительностью фотоприемных трактов. Это приводит к ограничению диапазона интенсивностей световых потоков в опорном и измерительном каналах, в котором возможна компенсация фоновых сигналов. Компенсация фоновой составляющей происходит в узком диапазоне соотношений амплитуд сигналов опорного и измерительного каналов: - при малых уровнях фона амплитуда опорного сигнала меньше амплитуды сигнала в измерительном канале, а при больших уровнях фона амплитуда сигнала в опорном канале превышает величину сигнала в измерительном канале. Таким образом, компенсация фоновой составляющей данным устройством недостаточно эффективна. Это приводит к ложным идентификациям, поэтому селективность устроенного согласно данному способу сепаратора также недостаточно невысока.

Целью изобретения является повышение селективности сепарации за счет более точного выделения линии рамановского рассеяния из фона.

Поставленная цель достигается тем, что в способе сепарации минералов, включающем облучение минералов оптическим излучением, регистрацию рассеянного излучения в двух спектральных полосах определенной ширины, одна из которых содержит линию рамановского рассеяния, вторая полоса не содержит линии рамановского рассеяния, но охватывает первую с двух сторон, сравнение сигналов в этих полосах, идентификацию и разделение минералов по результатам этого сравнения, ширину спектральных полос рассеянного излучения регулируют согласно условию:

Δν₁=ν₀±δ,

Δν₂=ν₀±2δ-Δν₁,

где Δν₁ - ширина полосы спектра, содержащая линию комбинационного рассеянного излучения;

Δν₂ - ширина полосы спектра, не содержащая линию комбинационного рассеяния, но охватывающая ее с двух сторон;

ν₀ - частота максимума линии комбинационного рассеяния;

δ - полоса частот выбранной линии в спектре комбинационного рассеяния.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для сепарации минералов содержащее бункер, питатель, источник оптического излучения, собирающую линзу, входную щель, диспергирующий элемент, выходную щель измерительного канала определенной ширины с отражающей внешней поверхностью, фотоприемники, электронный блок, исполнительный механизм, приемники концентратного и хвостового продуктов, дополнительно введена выходная щель опорного канала, установленная соосно с выходной щелью измерительного канала, причем выходные щели измерительного и опорного каналов выполнены регулируемыми.

Условия, налагаемые на полосы частот измерительного и опорного каналов в устройстве, реализуются введением щели опорного канала и регулировкой ширины соосных щелей опорного и измерительного каналов. При этом достигается выполнение условия:

Δν₁=ν₀±δ,

Δν₂=ν₀±2δ-Δν₁,

где Δν₁ - ширина полосы спектра, содержащая линию комбинационного рассеянного излучения;

Δν₂ - ширина полосы спектра, не содержащая линию комбинационного рассеяния, но охватывающая первую с двух сторон;

ν₀ - частота максимума линии комбинационного рассеяния;

δ - полоса частот выбранной линии в спектре комбинационного рассеяния.

При отсутствии излучения рамановского рассеяния разность этих сигналов близка к нулю, что означает полную компенсацию фоновой составляющей в измерительном канале, как при малых, так и при больших уровнях фонового излучения. При появлении излучения рамановского рассеяния сигнал в измерительном канале становится больше, чем сигнал в опорном канале на величину, пропорциональную интенсивности линии рамановского рассеяния независимо от интенсивности фонового излучения.

На фиг.1 изображена схема устройства для сепарации минералов согласно способу-прототипу;

на фиг.2 показана схема устройства для сепарации минералов предлагаемым способом;

на фиг.3 показана совокупность линий рамановского рассеяния выборки алмазов одного из месторождений (а) и выбор ширины полосы пропускания измерительного канала (б);

на фиг.4 приведены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) измерительного (а) и опорного (б) каналов которые реализуются использованием данной системы щелей;

на фиг.5 показаны распределения сигналов в выборке, состоящей из смеси алмазов (положительные сигналы) и сопутствующих им минералов кимберлитовой руды (отрицательные сигналы), измеренные устройством согласно прототипу (а) и предлагаемым устройством (б).

Устройство для сепарации минералов предлагаемым способом (фиг.2) состоит из бункера 1, питателя 2, источника оптического излучения 3, собирающей линзы 4, входной щели 5, диспергирующего элемента 6, выходной щели 7 измерительного канала с отражающей (зеркальной) внешней поверхностью, выходной щели 8 опорного канала, двух фотоприемников 9, 10 электронного блока 11, исполнительного механизма 12, приемников концентратного и хвостового продуктов 13 и 14. Ширина выходных щелей опорного и измерительного каналов регулируется. Перед выходной щелью измерительного канала расположена выходная щель опорного канала, причем оси щелей опорного и измерительного каналов совпадают.

Устройство работает следующим образом.

Из бункера 1 питателем 2 разделяемые минералы поступают в зону сепарации, где облучаются излучением источника 3. После рассеяния на минерале излучение через собирающую линзу 4, входную щель 5 попадает на диспергирующий элемент 6, где разлагается в спектр, затем выходными щелями 7 и 8 разделяется на опорный и измерительный потоки. Диспергирующий элемент 6 настроен так, что комбинационно рассеянное излучение проходит через щель 7 на фотоприемник 9, а не прошедшее через щель 7 излучение отражается от зеркальной поверхности щели 7 и через щель 8 попадает на фотоприемник 10.

Световые потоки опорного и измерительного каналов фотоприемниками 9, 10 преобразуются в электрические сигналы. Эти сигналы поступают на электронную систему 11, вырабатывающую команду исполнительному механизму 12 в зависимости от соотношения поступивших в нее сигналов. Исполнительный механизм сортирует минералы на концентратные 13 и хвостовые 14 продукты.

Пример конкретной реализации.

Техническая реализация способа и устройства соответствует фиг.2. Проверка работы устройства проводилась на смеси из 500 алмазов и кусков кимберлитовой руды (сопутствующих минералов) одного из месторождений АК "АЛРОСА".

Алмаз содержит одну узкую линию комбинационного рассеяния, сдвинутую на 1332 см^-1 от линии возбуждения. Исследование представительных выборок алмазов показало, что реальная линия комбинационного рассеяния имеет разную ширину и имеет девиацию от кристалла к кристаллу (фиг.3а) в зависимости от наличия в кристалле дефектов и напряжений. Для того чтобы извлечь все алмазы, следует выбрать такую ширину полосы пропускания измерительного канала, чтобы эта полоса охватывала полосу частот линии рамановского рассеяния с учетом ее всевозможных девиаций. Ширина полосы пропускания измерительного канала выбирается, как огибающая совокупности линий рамановского рассеяния представительной выборки алмазов (фиг.3б). Как следует из фиг.3б все линии рамановского рассеяния для данной выборки попадают в диапазон δ=±10 см^-1, таким образом, ширина полосы пропускания измерительного канала составляет 1332±10см^-1,т.e.

Δν₁=ν₀±δ=1332±10 см^-1.

Считая, что для полной компенсации фоновой составляющей полоса частот опорного канала должна быть равна полосе частот измерительного канала, для опорного канала получаем

Δν₂=ν₀±2δ-Δν₁=(1332±2×10 см^-1)-(1332±10 см^-1).

Отсюда следует, что полоса частот опорного канала состоит из двух участков, симметрично охватывающих полосу пропускания измерительного канала с двух сторон и составляет (1312-1322 см^-1) и (1342-1352) см^-1.

Устройство реализовано для сепарации алмазов размером - 6+3 мм с производительностью около 2 кг/час. При такой производительности в зоне регистрации обеспечивается поштучная подача частиц материала в зону облучения. Настройка устройства производилась с использованием образца, дающего высокий уровень сигнала, как в измерительном, так и в опорном канале, например, имеющем яркую люминесценцию при возбуждении гелий-неоновым лазером.

В качестве источника излучения был использован гелий-неоновый лазер ГН-40. Излучение лазера сфокусировано в пятно диаметром около 0.1 мм. Юстировкой оптической системы положение этого пятна выбирается такое, что его изображение линзой 4 проецируется на входную щель 5 шириной около 0.5 мм.

Диспергирующим элементом является вогнутая дифракционная решетка, имеющая 1200 штрихов/мм. Ориентация решетки выбирается так, что сфокусированное излучение рамановского рассеяния попадает на щель 7 измерительного канала. Ширина щелей опорного и измерительного каналов регулируется в соответствии приведенными выше условиями. Внешняя поверхность щели измерительного канала зеркальная. Перед щелью измерительного канала расположена щель опорного канала 8, причем оси щелей 7 и 8 совпадают. Полоса пропускания измерительного канала устанавливается регулировкой ширины щели 7, а полоса пропускания опорного канала - шириной щели 8 в соответствии с описанным выше. На фотоприемник измерительного канала попадает излучение, прошедшее сквозь щель 7, а на фотоприемник опорного канала - излучение, отраженное от внешней зеркальной поверхности щели 7, ограниченное шириной щели 8. Поскольку излучение, прошедшее через щель 7 не отражается от зеркальной поверхности щели 7, то это излучение не попадает в опорный канал. В результате этого из полосы частот опорного канала исключается полоса частот измерительного канала и в опорный канал частоты из полосы пропускания измерительного канала не попадают. На фиг.4 показаны сформированные данной системой щелей амплитудно-частотные характеристики полос пропускания измерительного (а) и опорного (б) каналов.

Световые потоки опорного и измерительного каналов фотоприемниками 10 и 9 соответственно, выполненными на базе ФЭУ-79, преобразуются в электрические сигналы. Сигналы с фотоприемников поступают в электронный блок 11, который вырабатывает команду исполнительному механизму 12. Исполнительный механизм в зависимости от поступившей команды разделяет минералы на полезные и сопутствующие (хвосты).

На фиг.5 показаны распределения сигналов в выборке, состоящей из смеси алмазов (положительные сигналы) и сопутствующих минералов кимберлитовой руды (отрицательные сигналы), измеренные устройством согласно прототипу (а) и предлагаемым устройством (б). Как следует из фиг.5а, по способу-прототипу сигналы от выборок сопутствующих минералов и алмазов частично перекрывались, т.е. часть минералов определялась, как алмазы и извлекалась в концентрат, а часть алмазов определялась, как сопутствующие минералы и отправлялась в хвосты. На фиг.5(б) показано распределение сигналов в той же выборке при измерении предлагаемым способом. Как следует из рисунка, распределения не перекрываются, что указывает на достижение поставленной цели - повышение селективности сепарации.

Изобретения относятся к области обогащения и сортировки полезных ископаемых и могут быть использованы при обогащении алмазосодержащих руд и сортировке алмазов по качественным характеристикам. Способ включает облучение минералов оптическим излучением, регистрацию рассеянного излучения в двух спектральных полосах определенной ширины, одна из которых содержит линию комбинационного рассеяния, вторая полоса не содержит линию комбинационного рассеяния, но охватывает первую с двух сторон, сравнение сигналов в этих полосах, идентификацию и разделение минералов по результатам этого сравнения, в котором ширина полос спектра регулируется согласно условию: Δν₁=ν₀±δ, Δν₂=ν₀±2δ-Δν₁, где: Δν₁ - ширина полосы спектра, содержащая линию комбинационного рассеянного излучения; Δν₂ - ширина полосы спектра, не содержащая линию комбинационного рассеяния, но охватывающая первую с двух сторон; ν₀ - частота максимума линии комбинационного рассеяния; δ - полоса частот выбранной линии в спектре комбинационного рассеяния. Устройство состоит из бункера, питателя, источника оптического излучения, входной щели, собирающей линзы, диспергирующего элемента, измерительного канала с выходной щелью определенной ширины, внешняя поверхность которого отражающая, опорного канала, принимающего световой поток, отраженный от внешней поверхности выходной щели измерительного канала, снабженного выходной щелью, фотоприемников, электронного блока, исполнительного механизма, приемников концентратного и хвостового продуктов, при этом щели опорного и измерительного каналов расположены соосно и выполнены регулируемыми. Техническим результатом является повышение селективности сепарации за счет более точного выделения рамановского рассеяния из фона. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ сепарации минералов, включающий облучение минералов оптическим излучением, регистрацию рассеянного излучения в двух спектральных полосах определенной ширины, одна из которых содержит линию комбинационного рассеяния, а вторая полоса не содержит линию комбинационного рассеяния, но охватывает первую с двух сторон, сравнение сигналов в этих полосах, идентификацию и разделение минералов по результатам этого сравнения, отличающийся тем, что ширина полос спектра регулируется согласно условию

Δν₁=ν₀±δ;

Δν₂=ν₀±2δ-Δν₁,

где Δν₁ - ширина полосы спектра, содержащая линию комбинационного рассеянного излучения; Δν₂ - ширина полосы спектра, не содержащая линию комбинационного рассеяния, но охватывающая первую с двух сторон; ν₀ - частота максимума линии комбинационного рассеяния; δ - полоса частот выбранной линии в спектре комбинационного рассеяния.