СПОСОБ РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНОЙ СЕПАРАЦИИ МАТЕРИАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2013 года по МПК G01N23/22 

Изобретение относится к области аналитической химии и технической физики, а также к различным областям науки и техники, где применяются способы покусковой сепарации разнообразных материалов, основанные на измерении рассеянного разделяемыми материалами рентгеновского излучения.

Предлагаемое изобретение может быть использовано в различных отраслях промышленности, в первую очередь на горно-обогатительных и металлургических предприятиях, для обогащения руд черных металлов, углей и вторичного металлургического сырья.

Как известно, с увеличением эффективного атомного номера материала (Z_эфф) интенсивность рассеянного излучения, пропорциональная отношению массового коэффициента рассеяния к массовому коэффициенту ослабления, уменьшается, что и используется, например, в известных способах обогащения руд, которые и являются аналогами настоящего изобретения [1-3]. К недостаткам этих способов относятся малая чувствительность к изменению эффективного атомного номера объекта Z_эфф, необходимость определения величины контролируемого куска материала, и, иногда, необходимость дополнительного измерения рентгеновской флуоресценции ряда мешающих элементов, что ведет к усложнению сепаратора и его электронной схемы.

Наиболее близким по решению технической задачи и достигаемому техническому результату является способ сепарации алмазоносных материалов и устройство для его реализации [4], выбранный в качестве прототипа.

Известный способ включает поштучную подачу материала, содержащего частицы с различными атомными номерами, в зону анализа, облучение материала пучком первичного проникающего излучения заданного поперечного сечения, регистрацию вторичного проникающего излучения, сравнение сигнала с пороговым значением, и выделение полезного минерала по результату сравнения. Материал облучают коллимированным пучком проникающего излучения, поперечное сечение которого вытянуто в горизонтальном направлении, при этом высоту и ширину пучка выбирают в зависимости от крупности сепарируемого материала, регистрируют со стороны, противоположной падающему первичному потоку проникающего излучения в телесном угле 0,2-4,0 стерадиана относительно оси пучка проникающего излучения, вторичное проникающее излучение, прошедшее в направлении детектора через рассеивающий экран толщиной, выбранной в зависимости от атомного номера сопутствующих минералов, составляющих основную массу кимберлита, и из материала с атомным номером, близким к атомному номеру полезного минерала, причем угол падения пучка проникающего излучения на рассеивающий экран выбирают в зависимости от атомного номера сопутствующих минералов, а пороговое значение интенсивности вторичного проникающего излучения устанавливают пропорционально коэффициенту прозрачности рассеивающего экрана и коэффициентам пропускания и рассеивания излучения алмазом. Кроме того, в качестве вторичного проникающего излучения используют интенсивность проникающего излучения, прошедшего через минерал, и рассеянного минералом. В качестве материала рассеивающего экрана используют органическое вещество (полимер).

Сущность способа заключается в том, что вторичное проникающее излучение (интенсивность проникающего излучения, прошедшего через минерал и рассеянного минералом) регистрируется после прохождения проникающим излучением всей массы вещества минерала. Размеры пучка первичных проникающих лучей выбирают так, чтобы поперечное сечение в горизонтальном направлении превышало максимальный размер сепарируемых минералов. Это сделано для уменьшения требований к стабильности траектории движения. Таким образом, любая частица сепарируемого материала при движении, не зависимо от разброса траектории, пересечет пучок первичного проникающего излучения.

При прохождении минерала через пучок первичных проникающих лучей наблюдаются два различных процесса: во-первых, минерал рассеивает первичное проникающее излучение, часть которого попадает на детектор и суммируется с постоянной составляющей сигнала рассеяния, во-вторых, минерал перекрывает часть пучка первичного проникающего излучения, в результате чего уменьшается интенсивность излучения, падающего на рассеивающий экран, и, следовательно, уменьшается интенсивность сигнала рассеяния от этого экрана. Толщина и материал рассеивающего экрана выбираются так, чтобы максимально компенсировать эффект поглощения и рассеяния первичного проникающего излучения от сопутствующих минералов.

Недостатком прототипа является невысокая производительность и ограниченный круг сепарируемых материалов. Сепарация высокопроизводительной крупнокусковой сепарации горных пород, руд и сплавов, проходящее и рассеянное излучение с необлучаемой стороны, практически отсутствует.

Технический результат заявленного изобретения состоит в повышении производительности сепаратора за счет возможности сепарации крупнокусковых материалов, а также существенном расширении типов сепарируемых материалов (от каменного угля до руд черных металлов и ряда сплавов).

Указанный технический результат достигается тем, что в способе рентгеновской сепарации материалов, включающем покусковую подачу материала, содержащего куски с различными эффективными атомными номерами в зону анализа, облучение материала коллимированным пучком первичного рентгеновского излучения, поперечное сечение которого вытянуто в горизонтальном направлении, при этом высоту и ширину пучка выбирают в зависимости от крупности сепарируемого материала, регистрацию рассеянного излучения, сравнение сигнала с пороговым значением и выделение полезного минерала по результату сравнения, в соответствие с заявленным изобретением, регистрацию вторичного излучения детектором осуществляют со стороны падающего первичного излучения, в качестве материала экрана выбирают материал с эффективным атомным номером, промежуточным между эффективными атомными номерами разделяемых материалов (рассеивающий экран выполнен из материала с Z_эфф, промежуточным между эффективными атомными номерами отбираемого и пропускаемого материала), а детектор защищен фильтром для флуоресцентного излучения

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что при сепарации каменного угля в зависимости от допустимой зольности качестве материала экрана используют фторопласт или плексиглас.

Помимо этого, указанный технический результат достигается тем, что при сепарации железных руд в зависимости от желаемой степени обогащения в качестве материала экрана используют титан или органический полимер с тяжелым наполнителем.

Кроме этого, указанный технический результат достигается также новым устройством, реализующим заявленный способ, который содержит систему покусковой подачи сепарируемого материала, рентгеновскую трубку, детектор рассеянного рентгеновского излучения, детектор, фильтр детектора, коллиматор, рассеивающий экран, систему регистрации и исполнительный механизм отбора, и в котором, в соответствие с заявленным изобретением, рассеивающий экран, выполнен из материала с Z_эфф, промежуточным между эффективными атомными номерами отбираемого и пропускаемого материала и детектор расположен с облучаемой стороны сепарируемого материала, перед детектором установлен фильтр флуоресцентного излучения, а с необлучаемой стороны сепарируемого материала установлен экран с эффективным атомным номером, промежуточным между эффективными атомными номерами разделяемых материалов.

Технический результат, заключающийся в повышении производительности сепарации и расширении диапазона сепарируемых материалов, достигается в заявленном изобретении тем, что при сепарации, включающей покусковую подачу сепарируемого материала, содержащей куски с разными эффективными атомными номерами, в зону анализа, расположенную между рентгеновской трубкой и рассеивающим экраном, устанавливается с облучаемой стороны материала детектор с фильтром, поглощающим флуоресцентное излучение элементов материала, и регистрирует только рассеянное образцом рентгеновское излучение, которое сопоставляется с излучением рассеивающего экрана, выполненного из материала с Z_эфф, промежуточным между эффективными атомными номерами отбираемого и пропускаемого материала.

Сущность заявленного изобретения поясняется Фиг.1 и Фиг.2

На Фиг.1 приведена схема сепаратора.

На Фиг.2 изображены выходные сигналы отбираемого и пропускаемого кусков.

Сепаратор, приведенный на фиг.1, включает питатель (1), рентгеновскую трубку (2), детектор (3), фильтр детектора (4), коллиматор (5), экран (6), регистрирующее устройство (7) и исполнительный механизм отбора (8).

Рентгеновский сепаратор функционирует следующим образом.

Покусковая подача сепарируемого материала осуществляется питателем (1). Свободно падающие куски сепарируемого материала облучаются излучением рентгеновской трубки (2) (в данном случае приведена трубка прострельного типа). Рассеянное сепарируемым материалом и экраном (6) рассеянное излучение регистрируется детектором (3), в данном случае - сцинтилляционным счетчиком, работающем в токовом режиме. Перед детектором установлен фильтр (4), поглощающий низкоэнергетическую часть спектра, которая может содержать флуоресценцию элементов, находящихся в сепарируемом материале. Коллиматор (5) ограничивает телесный угол регистрируемого излучения, препятствуя одновременному попаданию в детектор излучения от нескольких кусков материала. Экран (6), изготовленный из материала с Z_эфф, промежуточным между эффективными атомными номерами пропускаемых и отбираемых кусков, создает при отсутствии сепарируемого материала на выходе детектора постоянный ток, поступающий в схему регистрации (7). При прохождении между экраном и детектором куска материала с Z_эфф, меньшим Z_эфф экрана, интенсивность рассеянного излучения увеличивается, т.е. в схему регистрации поступает импульс положительной полярности. В противном случае полярность импульса отрицательна (см. фиг.2). В зависимости от сепарируемого материала и цели сепарации включения механизма отбора (8), обычно пневматического, осуществляются импульсами заданной полярности.

Заявленное изобретение было апробировано в реальных полевых условиях. Результаты апробации в виде конкретных примеров приведены в таблице.

Таблица Отбираемый компонент Экран Остаток Алмаз, Z_эфф=6 Плексиглас, Z_эфф=6.5 Порода Z_эфф=12 Алмаз, Z_эфф=6 Фторопласт-4, Z_эфф-7.11 Порода Z_эфф=12 Уголь (зольность <4%) Z_эфф=6.5 Плексиглас, Z_эфф=6.5 Уголь (зольность >4%), Z_эфф=6.5 Уголь (зольность <10%) Z_эфф>7.1 Фторопласт-4, Z_эфф=7.11 Уголь (зольность >10%), Z_эфф>7.1 Железная руда, CFe=62.5% Титан, Z_эфф=22 Железная руда, CFe<62.5% Железная руда, CFe=41% Полипропилен 30% + цинковая пыль 70%, Z_эфф=19.1 Железная руда (порода), CFe<41%

Результаты испытаний, приведенные в таблице, получены для рентгеновской трубки с Ag анодом при анодном напряжении 35 кВ и алюминиевом фильтре перед сцинтилляционным детектором толщиной 0.7 мм.

Как следует из таблицы, в зависимости от объекта и целей сепарации в качестве материала экрана могут быть как чистые металлы, так и пластмассы, включая пластмассы с требуемым содержанием подходящего наполнителя.

Заявленное изобретение по сравнению с прототипом и аналогами обеспечивает возможность сепарации разнообразных материалов и имеет существенно более высокую производительность, так как позволяет осуществлять сепарацию крупнокусковых материалов. Кроме того, обеспечивается расширение круга сепарируемых материалов.

Список использованных источников информации

1. Патент РФ №2156168 (RU). Класс(ы) патента: В03В 13/06, В07С 5/346. СПОСОБ РЕНТГЕНОРАДИОМЕТРИЧЕСКОЙ СЕПАРАЦИИ МАГНЕЗИТОВЫХ РУД. Заявка №99111017/03. Дата подачи заявки: 02.06.1999. Дата публикации: 20.09.2000. Автор(ы): Гельфенбейн В.Е.; Семянников В.П.; Журавлев Ю.Л.; Тимощенко М.И.; Дубровин М.Е.; Федоров Ю.О.; Кацер И.У.

2. Патент РФ №2154537 (RU). Класс(ы) патента: В07С 5/346. СПОСОБ РЕНТГЕНОРАДИОМЕТРИЧЕСКОЙ СЕПАРАЦИИ МИНЕРАЛИЗОВАННОЙ МАССЫ. Заявка №99102299/12. Дата подачи заявки: 03.02.1999. Дата публикации: 20.08.2000. Автор(ы): Канцель A.B. (RU); Богушевский Э.M. (RU); Демидов A.M. (RU); Журавлев O.K.(RU); Земляницин M.A. (RU); Канцель M.A. (RU); Куркин B.A. (RU); Мазуркевич H.A. (RU); Кучерский Николай Иванович (UZ); Толстов Евгений Александрович (UZ); Мазуркевич Александр Петрович (UZ); Иноземцев Сергей Борисович (UZ); Мальгин Олег Николаевич (UZ); Прохоренко Геннадий Алексеевич (UZ); Сытенков Виктор Николаевич (UZ); Клименко Александр Ильич (UZ); Шеметов Петр Александрович (UZ); Беленко Александр Павлович (UZ).

3. Патент РФ №2164830 (RU). Класс(ы) патента: В07С 5/346, В07В 15/00, В03В 13/06. СПОСОБ СОРТИРОВКИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ И ЗОЛОТОСОДЕРЖАЩИХ РУД. Заявка №99109833/03. Дата подачи заявки: 07.05.1999. Дата публикации: 10.04.2001. Автор(ы): Федоров Ю.О.; Кацер И.У.; Короткевич В.А.; Коренев О.В.; Цой В.П.; Ковалев П.И.; Тишкевич О.П.; Носков И.Г.

4. Патент РФ №2199108 (RU). Класс(ы) патента: G01N23/00, В07С 5/342. СПОСОБ СЕПАРАЦИИ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ. Заявка №2002109367/12. Дата подачи заявки: 10.04.2002. Дата публикации: 20.02.2003. Автор(ы): Шлюфман Е.М.; Мухачев Ю.С.; Китов Б.И.; Борзенко С.Ю. - прототип.

Использование: для ренгтеноспектральной сепарации материала. Сущность: заключается в том, что осуществляют покусковую подачу материала, содержащего куски с разными эффективными атомными номерами в зону анализа, облучение материала коллимированным пучком первичного рентгеновского излучения, поперечное сечение которого вытянуто в горизонтальном направлении, при этом высоту и ширину пучка выбирают в зависимости от крупности сепарируемого материала, регистрацию рассеянного излучения, сравнение сигнала с пороговым значением, выделение полезного минерала по результату сравнения, при этом регистрацию вторичного излучения детектором осуществляют со стороны падающего первичного излучения, в качестве материала экрана выбирают материал с эффективным атомным номером, промежуточным между эффективными атомными номерами разделяемых материалов, рассеивающий экран выполнен из материала с Z_эфф, промежуточным между эффективными атомными номерами отбираемого и пропускаемого материала, а детектор защищен фильтром для флуоресцентного излучения. Технический результат: повышение производительности сепаратора, а также существенное расширение типов сепарируемых материалов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ рентгеновской сепарации материалов, включающий покусковую подачу материала, содержащего куски с разными эффективными атомными номерами в зону анализа, облучение материала коллимированным пучком первичного рентгеновского излучения, поперечное сечение которого вытянуто в горизонтальном направлении, при этом высоту и ширину пучка выбирают в зависимости от крупности сепарируемого материала, регистрацию рассеянного излучения, сравнение сигнала с пороговым значением, выделение полезного минерала по результату сравнения, отличающийся тем, что регистрацию вторичного излучения детектором осуществляют со стороны падающего первичного излучения, в качестве материала экрана выбирают материал с эффективным атомным номером, промежуточным между эффективными атомными номерами разделяемых материалов, рассеивающий экран выполнен из материала с Z_эфф, промежуточным между эффективными атомными номерами отбираемого и пропускаемого материала, а детектор защищен фильтром для флуоресцентного излучения.

2. Способ сепарации по п.1, отличающийся тем, что при сепарации каменного угля в качестве материала экрана используют фторопласт или плексиглас по значению допустимой зольности.

3. Способ сепарации по п.1, отличающийся тем, что при сепарации железных руд в качестве материала экрана используют титан или органический полимер с тяжелым наполнителем по задаваемой степени обогащения.

4. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее систему покусковой подачи сепарируемого материала, включающую рентгеновскую трубку, детектор рассеянного рентгеновского излучения, детектор, фильтр детектора, коллиматор, рассеивающий экран, систему регистрации и исполнительный механизм отбора, отличающееся тем, что рассеивающий экран установлен с необлучаемой стороны сепарируемого материала, выполнен из материала с Z_эфф, промежуточным между эффективными атомными номерами отбираемого и пропускаемого материала, детектор расположен с облучаемой стороны сепарируемого материала, перед детектором установлен фильтр флуоресцентного излучения.