СПОСОБ СЕПАРАЦИИ МИНЕРАЛОВ Российский патент 2007 года по МПК B07C5/342 

Изобретение относится к области обогащения и сортировки полезных ископаемых, а именно к радиометрической сепарации руд, и предназначено для отделения люминесцирующих минералов от других, и может быть использовано при обогащении алмазосодержащих руд.

Известен способ сепарации минералов, включающий облучение проникающим излучением, измерение интенсивности люминесценции минералов со стороны падающего потока проникающего излучения, сравнение амплитуды сигнала люминесценции минерала с заданным пороговым значением и отделение необходимого минерала по результатам сравнения (патент РФ №2101102 С1, МПК В07С 5/342, 10.01.1998).

Этот способ не обладает высокой селективностью при обогащении алмазов, поскольку многие минералы обладают люминесценцией, сопоставимой с люминесценцией алмазов, и извлекаются совместно с ними в концентрат. Сепараторы, реализующие данный способ, извлекают не алмазы, а содержащуюся в руде люминесцирующую фракцию. Эта люминесцирующая фракция состоит из алмазов, цирконов, кальцитов, плагиоклазов, каменной соли (галита) и ряда других минералов, содержащихся в кимберлитах.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ сепарации минералов, включающий транспортирование минералов в виде монослойного потока, облучение минералов проникающим излучением, регистрацию светового потока люминесценции минерала со стороны облучения и со стороны, противоположной облучаемой, измерение интенсивности суммарного сигнала люминесценции минералов со стороны падающего потока излучения и со стороны, противоположной падающему потоку излучения, сравнение интенсивности суммарного сигнала люминесценции с заданным пороговым значением интенсивности люминесценции и отделение необходимого минерала по результатам сравнения (патент РФ №2170628 С2, В07С 5/342, 20.07.2001). Этот способ частично учитывает степень прозрачности минералов в рентгеновском диапазоне. Если минерал прозрачен для рентгеновского излучения, то часть его достигнет противоположной стороны образца и последняя будет люминесцировать. Суммарный световой поток люминесценции от минерала, прозрачного для рентгеновского излучения, при этом увеличится, и такой минерал будет извлечен в концентрат с большей вероятностью.

Недостаток данного способа - невысокая селективность разделения минералов. Этот недостаток является следствием того, что величина светового потока люминесценции минерала зависит от многих факторов: интенсивности возбуждения (Ro), площади образца (S), выхода люминесценции (η). Например, если на сепарацию подается материал размером от 3 до 6 мм, то при прочих равных условиях световой поток люминесценции этого материала будет изменяться в 4 раза только в зависимости от размера кусков. Выход люминесценции η (отношение энергии светового потока люминесценции к поглощенной энергии возбуждающего излучения) может изменяться от образца к образцу в диапазоне от 1 до 0 (нелюминесцирующие образцы). Реально сепараторами регистрируется диапазон изменения выхода люминесценции от 1 до 10^-4. При этом сигнал фотоприемника после усиления составляет диапазон от 10 В до 1 мВ. Если кристалл обладает высоким выходом люминесценции, то светового потока люминесценции только со стороны, обращенной к источнику возбуждения, достаточно, чтобы идентифицировать такой образец, как полезный минерал. Напротив, если минерал обладает низким выходом люминесценции, световой поток люминесценции окажется малым с обеих сторон и кристалл будет направлен в хвосты.

Цель изобретения - повышение селективности сепарации за счет дополнительного определения степени прозрачности минерала для проникающего излучения, возбуждающего люминесценцию.

Указанная цель достигается тем, что в способе сепарации минералов, включающем облучение минералов проникающим излучением, возбуждающим люминесценцию, регистрацию светового потока люминесценции минерала со стороны, обращенной к потоку излучения и светового потока люминесценции минерала со стороны, противоположной падающему излучению, и отделение минерала по результатам сравнения с заданной величиной, в котором дополнительно определяют степень прозрачности минерала, а отделение минерала осуществляют по степени его прозрачности для проникающего излучения.

Причем степень прозрачности минерала определяют по разности логарифмов световых потоков люминесценции минерала со стороны потока возбуждения и с противоположной стороны или по логарифму отношения световых потоков люминесценции минерала со стороны потока возбуждения и с противоположной стороны.

Сепарация минералов данным способом проводится по двум разделительным признакам одновременно: используется свойство минерала люминесцировать под воздействием возбуждающего (рентгеновского) излучения и свойство минерала быть прозрачным в рентгеновском диапазоне. Подобное сочетание двух отличительных признаков обеспечивает высокую селективность сепарации.

При разработке способа исходили из следующих соображений. Прозрачность минерала для какого-либо излучения обычно определяют как логарифм отношения падающего на минерал потока проникающего излучения к потоку, прошедшему через этот минерал. Если требуется определить прозрачность минерала для, например, рентгеновского излучения, то измеряют потоки падающего на минерал и прошедшего через минерал рентгеновского излучения:

Ln(R_o/R)=βd,

где R_o и R - потоки соответственно падающего и прошедшего через минерал рентгеновского излучения, Вт/см²,

β - коэффициент поглощения, см^-1,

d - толщина (размер) минерала, см.

Если на минерал падает поток проникающего излучения интенсивностью R_o, возбуждающий люминесценцию (фиг.1), то люминесцирующая поверхность минерала со стороны падающего излучения испускает световой поток люминесценции

I_o=R_oηS,

где η - выход люминесценции,

S - площадь сечения минерала, см².

Часть проникающего излучения пройдет сквозь минерал и возбудит свечение его поверхности со стороны, противоположной падающему потоку. Световой поток люминесценции обратной стороны минерала определится как

I=R_oηSexp(-βd).

Проведя измерение световых потоков люминесценции со стороны, обращенной к потоку рентгеновского излучения и с противоположной стороны, найдем, что отношение световых потоков люминесценции составит

Io/I=(R_oηS)/(R_oηSexp(-βd))=exp(βd), откуда

Ln(I_o/I)=βd, или LnI_O-LnI=βd.

Полученная величина βd является показателем степени прозрачности минерала для проникающего излучения, возбуждающего люминесценцию.

Определяемая подобным образом степень прозрачности минерала для возбуждающего излучения не зависит от интенсивности возбуждающего (рентгеновского) излучения, площади образца и выхода люминесценции, а линейно зависит только от размера (толщины) образца. Это обстоятельство позволяет проводить сепарацию люминесцирующих минералов по степени прозрачности их для рентгеновского излучения по измерениям световых потоков люминесценции этих минералов со стороны, обращенной к потоку возбуждающего излучения, и с противоположной стороны, например отделение алмазов от других люминесцирующих минералов.

На фиг.1 показана схема преобразования минералом потока падающего (Ro) и прошедшего через образец (R) проникающего излучения, возбуждающего люминесценцию, в световые потоки (Io) и (I).

На фиг.2 - результаты измерений сигналов от люминесцирующих алмазов и цирконов технологического класса крупности -6+3 мм, полученные способом-прототипом (а) и предлагаемым способом (б). По оси абсцисс отложен порядковый номер кристалла.

По оси ординат - на фиг.2(а) - суммарный сигнал люминесценции минералов со стороны падающего потока излучения и со стороны, противоположной падающему потоку излучения (I_O+I);

2(б) - разность логарифмов световых потоков люминесценции минерала со стороны падающего потока излучения и с противоположной стороны (LnI_O-LnI).

На фиг.3 показана блок-схема устройства для реализации способа.

Устройство, которым может быть реализована сепарация минералов предлагаемым способом (фиг.3), состоит из бункера 1, транспортирующего механизма 2 для монослойной подачи минералов, источника рентгеновского излучения 3, фотоэлектронных умножителей 4, 5, логарифмирующих усилителей 6, 7, разностного (дифференциального) усилителя 8, устройства сравнения (компаратора) 9, исполнительного механизма 10, приемников хвостового 11 и концентратного 12 продуктов.

Устройство работает следующим образом. Из бункера 1 транспортирующим механизмом 2, предназначенным для монослойного перемещения минералов, сортируемый материал подается в зону регистрации, где минералы облучаются рентгеновским излучением от источника 3. Те из них, которые люминесцируют, регистрируются ФЭУ 4 и 5, причем расположение ФЭУ таково, что один из них 4 регистрирует свечение со стороны возбуждения, а второй 5 - с противоположной стороны. Сигналы с обоих ФЭУ подаются на идентичные логарифмические усилители 6 и 7. После логарифмирования сигналы поступают на дифференцирующий усилитель 8, в котором происходит вычитание поступивших на него сигналов. Полученная величина, пропорциональная степени прозрачности минерала для рентгеновского излучения, поступает на компаратор 9, где сравнивается с заданной на основе экспериментальных данных величиной степени прозрачности. Если разность логарифмов сигналов меньше некоторой, заданной, то минерал считается прозрачным в рентгеновском диапазоне. В зависимости от величины этой разности компаратор 9 вырабатывает команду исполнительному механизму 10. Исполнительный механизм направляет материал в хвосты 11 либо в приемник концентрата 12.

Электронная схема обработки сигналов может быть реализована цифровыми методами, при этом блоки 6, 7, 8 и 9 заменяются процессором. При использовании цифровой обработки сигналов предпочтительно производить вычисление логарифма отношения потоков люминесценции Ln(Io/I)=βd.

Пример реализации способа.

Пример конкретного выполнения иллюстрируется разделением алмазов и цирконов технологических классов крупности -6+3 мм. Эти минералы совместно извлечены в концентрат сепаратором, работающим по способу-аналогу, т.е. по интенсивности светового потока люминесценции со стороны падающего излучения.

Для полученного концентрата были измерены сигналы от световых потоков люминесценции со стороны падающего излучения и с противоположной стороны и проведено их суммирование по способу-прототипу. Данные суммарного сигнала люминесценции минералов со стороны падающего потока излучения и со стороны, противоположной падающему потоку излучения (I_O+I), изображены на фиг.2а. Из фиг.2(а) следует, что разделение смеси этих минералов невозможно и по способу-прототипу.

Затем были проведены измерения степени прозрачности той же коллекции согласно заявляемому способу. Известно, что ослабление минералом рентгеновского излучения определяется показателем его поглощения для этого излучения, а показатель поглощения пропорционален четвертой степени эффективного атомного номера поглощающего минерала β˜cZ⁴эфф, где с - константа, учитывающая спектральный состав рентгеновского излучения, тип рентгеновской трубки и т.д. (Э.В.Шпольский. Атомная физика, Т1, Ленинград, изд-во технико-теоретической литературы, 1951 г.). Для тормозного рентгеновского излучения трубки с вольфрамовой мишенью, использованной в наших экспериментах, при напряжении на трубке 40 кВ константа с составляет 1.3×10^-3, что определено экспериментально.

Проведенные на основании теоретических зависимостей расчеты дают для алмаза (углерод) Z=6 и циркона (ZrSiO₄) Zэфф=14.3 коэффициенты поглощения: βа≈1.7 см^-1 и βс≈55 см^-1. Соответственно, учитывая размер минералов в технологическом классе крупности -6+3 мм, найдем, что значение β для алмазов этого класса составит βа≈1-0.5 см^-1, для цирконов βс≈30-15 см^-1.

Измеренные предлагаемым способом значения степени прозрачности (βа=LnIo-LnI) для алмазов близки к расчетным. Для цирконов по данному способу получены значения степени прозрачности (βс=LnIo-LnI), равные ≈4±1 см^-1, что существенно ниже расчетного. Это объясняется тем, что сквозь циркон рассматриваемого класса крупности проходит приблизительно 10^-6 части рентгеновского излучения, в то время как ФЭУ, расположенный с противоположной стороны возбуждающего излучения, регистрирует 1% и более светового потока люминесценции со стороны минерала, обращенной к потоку возбуждающего излучения. Попадание излучения со стороны возбуждения на противоположную сторону объясняется, прежде всего, частичной прозрачностью рассматриваемых минералов в оптическом диапазоне. ФЭУ, расположенный со стороны противоположной возбуждению, регистрирует часть потока люминесценции сквозь частично прозрачный кристалл, что и является причиной существенного отличия рассчитанного показателя ослабления.

Установив "порог разделения", соответствующий величине степени прозрачности Ln(Io)-Ln(I)=2.2 (исходя из экспериментальных результатов), получаем высокоселективное разделение этих минералов (фиг.2б).

Способ сепарации минералов относится к области обогащения и сортировки полезных ископаемых, а именно к радиометрической сепарации руд, предназначен для отделения люминесцирующих минералов от других и может быть использован при обогащении алмазосодержащих руд. Цель изобретения - повышение селективности сепарации за счет дополнительного определения степени прозрачности минерала для проникающего излучения, возбуждающего люминесценцию. Способ включает транспортирование минералов монослойным потоком, облучение минералов проникающим излучением, возбуждающим люминесценцию, регистрацию светового потока люминесценции со стороны проникающего излучения и с противоположной стороны и отделение минерала по результатам сравнения с заданной величиной. Дополнительно определяют степень прозрачности минералов, а отделение минералов осуществляют по степени прозрачности минерала для проникающего излучения. Степень прозрачности минерала определяют по разности логарифмов или по логарифму отношения световых потоков люминесценции минерала со стороны потока возбуждения и с противоположной стороны. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ сепарации минералов, включающий транспортирование минералов в виде монослойного потока, облучение минералов проникающим излучением, возбуждающим люминесценцию, регистрацию светового потока люминесценции со стороны проникающего излучения и с противоположной стороны и отделение минерала по результатам сравнения с заданной величиной, отличающийся тем, что дополнительно определяют степень прозрачности минералов, а отделение минералов осуществляют по степени прозрачности минерала для проникающего излучения.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что степень прозрачности минерала определяют по разности логарифмов световых потоков люминесценции минерала со стороны потока возбуждения и с противоположной стороны.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что степень прозрачности минерала определяют по логарифму отношения световых потоков люминесценции минерала со стороны потока возбуждения и с противоположной стороны.