Разработка технологии рентгенорадиометрической сепарации алмазосодержащих концентратов Рахмеев Ринат Наильевич

Содержание к диссертации

Введение

1 Технология обогащения и доводки алмазосодержащего сырья. современное состояние и проблемы 11

1.1 Современная технология обогащения и доводки алмазосодержащего сырья11

1.2 Проблемы и пути их решения для повышения эффективности доводки алмазосодержащих концентратов 12

1.3 Опыт и перспективы применения рентгенорадиометрического метода для сепарации руд 19

1.4 Вещественный состав и основные свойства алмазосодержащего сырья, определяющие возможность применения рентгенорадиометрического метода 23

1.5 Выводы по главе и постановка задач 29

2 Исследования флуоресцентного излучения алмазов и сопутствующих минералов и породы 31

2.1 Описание конструкции рентгенофлуоресцентного сепаратора 31

2.2 Проведение исследований в статических условиях на сепараторах СРФ с полупроводниковым и газовым детектором 35

2.3 Выбор оптимальных режимов работы рентгеновской трубки, при которых измерительная система сепаратора определяет наличие кристалла алмаза 49

2.4 Выбор оптимального размера коллиматора, для обнаружения зерна в зоне измерения 52

2.5 Оценка влияния фильтров на общую интенсивность вторичного рентгеновского излучения 54

2.6 Сравнение сепараторов с различными типами детекторов при оптимальных режимах работы рентгеновской системы 57

2.7 Выводы по главе 58

3 Исследования по оценке эффективности обнаружения и извлечения алмазов методом РРС в динамических условиях 61

3.1. Подготовка проб материала к испытаниям и их минералогическое описание 61

3.2 Изучение факторов, влияющих на эффективность процесса рентгенорадиометрической сепарации 63

3.2.1 Выбор порогов разделения 63

3.2.2 Содержание алмазов в питании сепаратора 66

3.2.3 Производительность сепаратора 68

3.3 Выводы по главе 69

4 Создание оригинального лабораторного образца рентгенорадиометрического сепаратора для материала крупностью -6+3 мм 71

4.1 Технические решения по оптимизации подачи мелкого материала в зону измерения 71

4.2 Разработка конструкции рентгеновского блока сепаратора 72

4.3 Выводы по главе 77

5 Промышленные испытания лабораторного образца рентнгенорадиометрического сепаратора на текущих промпродуктах доводки гравитационного концентрата обогатительной фабрики Ломоносовского ГОКа 78

5.1 Схема доводки гравитационных концентратов тяжелосредной сепарации участка доводки ОФ ЛГОКа 78

5.2 Подготовка коллекции алмазов текущей добычи и материала «контрольной пробы» для уточнения режимов рентгенорадиометрической сепарации 80

5.3 Уточнение режимных параметров и проведение рентгенорадиометрической сепарации алмазосодержащего материала 83

5.4. Расчет ожидаемого экономического эффекта 91

5.5 Выводы по главе 93

Заключение 94

Список сокращений и условных обозначений 96

Список литературы 97

Приложение А 112

• Опыт и перспективы применения рентгенорадиометрического метода для сепарации руд
• Проведение исследований в статических условиях на сепараторах СРФ с полупроводниковым и газовым детектором
• Разработка конструкции рентгеновского блока сепаратора
• Уточнение режимных параметров и проведение рентгенорадиометрической сепарации алмазосодержащего материала

Введение к работе

Актуальность работы. Отработка большей части крупных алмазных месторождений сравнительно дешевым открытым способом и переход на высоко затратный способ подземной добычи алмазов требует повышения эффективности производства, которое достигается путем совершенствования существующих процессов и методов, а также поиском и внедрением новых. Одним из таких перспективных методов повышения эффективности процесса доводки является рентгенорадиометрическая сепарация, позволяющая извлекать кристаллы алмазов независимо от их способности люминесцировать под действием рентгеновского излучения.

Кристаллы алмазов с ослабленной или нехарактерной рентгенолю-минесценцией, так называемые «нелюминесцирующие», представляют собой потери основного процесса схем доводки алмазоизвлекательных фабрик – рентгенолюминесцентной сепарации. Данные кристаллы, теряясь с хвостами рентгенолюминесцентных сепараторов, многократно циркулируют по технологической схеме до тех пор, пока не перейдут в отвальный класс крупности или случайно не извлекутся в товарную продукцию.

Вопросами рентгенорадиометрической сепарации различных типов руд занимались многие отечественные и зарубежные исследователи М.Е. Богословский, В.А. Мокроусов, В.А. Лилеев, А.М. Годен, П.С. Ньюмэн, П.Ф. Уилан, Г.Р. Гольбек, В.В. Финне, В.И. Ревнивцев, В.В. Новиков, Л.П. Старчик, П.М. Леман, А.П. Татарников, Е.Ф. Цыпин, Ю.О. Федоров, В.П. Мязин, Ю.И. Развозжаев, А.А. Картунов и многие другие.

Однако во многом область применения рентгенорадиометрической сепарации, как правило, ограничивалась сферой предварительного обогащения и предконцентрации крупнокускового материала руд цветных и благородных металлов крупностью от 350 до 20 мм. Поэтому использование данного метода для доводки алмазосодержащих концентратов крупностью -6+3 мм требует проведения дополнительных исследований.

Работа выполнена в рамках НИР АО «Иргиредмет» по теме «Изучение возможности и эффективности доводки алмазосодержащих концентратов крупностью -6+3 мм с использованием рентгенофлуоресцентного метода с целью повышения уровня извлечения алмазов», приказ № 86 от 23.07.12.

Идея работы. Применение рентгенорадиометрической сепарации для извлечения кристаллов алмазов из гравитационных концентратов крупностью -6+3 мм независимо от их способности к люминесценции под воздействием рентгеновского или ультрафиолетового излучения.

Цель работы. Научное обоснование и разработка технологии доводки гравитационных алмазосодержащих концентратов крупностью -6+3 мм за счет применения нового процесса рентгенорадиометрической сепарации.

Основные задачи исследования:

1. Исследовать рентгенофлуоресцентные свойства алмазов и основных сопутствующих минералов и пород.

2. Выявить различия во вторичном рентгеновском излучении алмазов и основных сопутствующих минералов и пород с использованием методов статистической обработки данных.

3. Выработать научно обоснованный подход к критериям оптимальных режимов и параметров работы РРС.

4. Определить основные технические и конструктивные пути возможности снижения нижней границы обогащения методом РРС до класса крупности 3 (2) мм.

5. Изготовить лабораторный образец сепаратора для обогащения класса крупности минус 6 мм.

6. Провести испытания лабораторного образца сепаратора на действующем алмазодобывающем предприятии и выработать рекомендации для усовершенствования существующих технологических схем доводки алмазосодержащих концентратов.

Методология и методы исследований. Методология исследований опирается на выявление и использование различий в уровнях характеристического и рассеянного излучений алмазов и сопутствующих минералов и пород с целью их разделения рентгенорадиометрическим методом. В работе использован минералогический анализ, рентгенофлуоресцентный метод, а также лабораторные и промышленные исследования с последующей математической обработкой полученных данных.

Достоверность и обоснованность результатов исследований подтверждается использованием аттестованных методов анализа, применением современных апробированных компьютерных программ и средств измерений, методов статистической обработки данных, сходимостью результатов полученных в лабораторных и промышленных условиях.

Научная новизна работы:

7. Установлено, что отсутствие характеристического и двукратное превышение рассеянного рентгеновского излучений у кристаллов алмазов по отношению к сопутствующим минералам и породам позволяют применить рентгенорадиометрический метод для эффективной сепарации алмазосодержащих продуктов.

8. Предложен признак разделения (защищенный патентом РФ) для выделения кристаллов алмазов способом рентгенорадиометрической сепарации. Признак (Нi) основан на различии в интенсивности характеристических излучений кальция, железа, циркония и рассеянного излучения сопутствующих минералов и пород и кристаллов алмаза по следующим спектральным отношениям:

т_г -^С а i_r ^ Fe т_г ^ Zr

/7 = , Л = , ІГІ

¹ Ns ² Ns ³ Ns

где: N_Са, N_Fe, N_Zr, Ns – число импульсов характеристического излучения кальция, железа, циркония и рассеянного излучения.

Разработан новый способ рентгенорадиометрической сепарации алмазосодержащих материалов.

Практическая значимость работы

Расширена область применения РРС, разработан новый способ сепарации алмазосодержащего сырья. На продуктах доводочных рентгенолю-минесцентных сепараторов обогатительной фабрики Ломоносовского ГОКа ПАО «Севералмаз» были проведены испытания рентгенорадиомет-рического сепаратора в промышленных условиях. На примере проведенных лабораторных и промышленных исследований на продуктах участка доводки обогатительной фабрики показана высокая эффективность рент-генорадиометрического метода для извлечения алмазов из хвостов рентге-нолюминесцентных сепараторов. Разработанный метод позволяет извлекать алмазы в независимости от их способности к рентгенолюминесцен-ции.

Предложены рекомендации с целью усовершенствования существующих технологических схем доводки алмазоизвлекательных фабрик. Технологическую схему доводки гравитационных алмазосодержащих концентратов рекомендовано дополнить процессом РРС на хвостах перечистных РЛС. Использование рентгенорадиометрических сепараторов на хвостах перечистных РЛС позволит дополнительно извлечь слабо- и нелюминес-цирующие кристаллы алмазов, что позволит повысить извлечение алмазов по технологической схеме.

Личный вклад автора состоял в постановке цели и задач исследований, обзоре и анализе патентных и научно-технических литературных источников, непосредственном составлении методик, участии, организации и выполнении лабораторных исследований, разработке и изготовлении лабораторного образца рентгенорадиометрического сепаратора и его испытаний на действующей фабрике в промышленных условиях, анализе и обобщении полученных результатов и подготовке их к публикации, разработке рекомендаций.

Положения, выносимые на защиту:

9. Рентгенорадиометрическая сепарация кристаллов алмазов и сопутствующих минералов и пород основывается на полном отсутствии характеристического излучения элементов кальция, железа и циркония и превышении в два раза интенсивности рассеянного излучения у кристаллов алмазов.

10. Детекция кристаллов алмазов в рентгенорадиометрическом сепараторе основана на превышении количества импульсов вторичного рентгеновского излучения от кристаллов алмазов в сравнении с фоновым излучением воздуха.

3. Признак разделения и условия обнаружения кристаллов алмазов и сопутствующих минералов и пород позволили теоретически обосновать конструкцию рентгенорадиометрического сепаратора для материала класса крупности -6+3 мм и оптимизировать режимы его работы.

4. Усовершенствованная технологическая схема доводки гравитационных концентратов крупностью -6+3 мм на основе применения рентгено-радиометрической сепарации.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и Международных научно-технических конференциях: Международное совещание «Прогрессивные методы обогащения и комплексной переработки природного и техногенного минерального сырья» (г. Алматы, Плаксинские чтения, 2014 г.); Международная научно-техническая конференция «Комбинированные процессы переработки минерального сырья: теория и практика» (г. Санкт-Петербург, 2015 г.); Международное совещание «Современные процессы комплексной и глубокой переработки труднообогатимого минерального сырья» (г. Иркутск, Плаксинские чтения, 2015 г.); Международное совещание «Ресурсосбережение и охрана окружающей среды при обогащении и переработке минерального сырья» (г. Санкт-Петербург, Плаксинские чтения, 2016 г.); на заседаниях обогатительно-металлургической секции Научно-технического совета АО «Иргиредмет». Получен патент РФ на способ рентгенорадиометрической сепарации алмазосодержащих материалов.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность к.т.н. Ю.О. Федорову, одному из авторов технологии РРС, за постановку настоящих исследований, консультативную и методическую помощь в проведении экспериментальных работ; сотрудникам лаборатории обогащения алмазосодержащего сырья и Технологического центра РРС АО «Иргиред-мет» за большую методическую помощь в организации проведения исследований.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ в виде статей и тезисов докладов, из них 2 статьи – в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК. Получен патент РФ на способ сепарации.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы из 127 наименований. Работа изложена на 113 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков и 13 таблиц.

Опыт и перспективы применения рентгенорадиометрического метода для сепарации руд

Рентгенорадиометрический метод относится к общей группе радиометрических методов, которые входят в более общую категорию информационных методов, то есть методов, отличающихся от прочих, использованием ряда информационных процедур (измерение свойств, преобразование информации, принятие решений об удалении или не удалении) в элементарном акте разделения каждой разделяемой частицы [74].

Начиная с 30-х годов XX века, информационные и радиометрические методы начали активно изучаться и внедряться в промышленности. В 40-х годах XX века с началом промышленного освоения месторождений руд с естественной радиоактивностью. Огромный вклад в развитие теории и практики радиометрической сепарации внесли ученые: Г. Р. Гольдбек, В.А. Мокроусов, В.А. Лилеев, А.П. Татарников, В.И. Ревнивцев и другие. Результаты разработки, испытаний и использования сепараторов для радиометрического обогащения, а также технологий с использованием радиометрических сепараторов отражены в работах В.В. Новикова, Ю.О. Федорова, Ю.И. Развозжаева, А.А. Картунова, С.А. Балдина, В.С. Шемякина, Е.Ф. Цыпина и других. Одно из первых мест в разработке и развитии технологии РРС принадлежит институту «Иргиредмет», где в 1979-1983 г.г. совместно с Иркутским филиалом Киевского института автоматики (ИФКИА) были разработаны первые экспериментальные образцы сепараторов. Последующее развитие технологии и оборудования производилось на НПО «Сибцветавтоматика» и «Алмаззолотоавтоматика» (г. Красноярск). Промышленные рентгенорадиометри-ческие сепараторы производства ООО «РАДОС» (г. Красноярск) серийно выпускаются в России с 1995 года. Дальнейшее развитие производства и выпуск сепараторов было налажено на предприятиях ООО «Технорос» и ООО «Радос-сервис» и ООО «Техноген» (г. Екатеринбург). В настоящее время данными методами эф 20 фективно обогащаются многие руды цветных и редких металлов, золота и серебра, платиноидов, олова, вольфрама, марганца, хрома, бокситов, нефелина, кварцитов, магнезита, флюорита, силлиманита, сурьмы, апатита, угля, а также отходов металлургических производств (шлаков, футеровок печей) [75, 76]. Традиционно рентгенорадиометрическая сепарация (РРС) ассоциируется с процессами предварительного обогащения и предконцентрации бедных и забалансовых руд.

Особенность применения методов радиометрического обогащения в случае с неметаллургическим сырьем (кварцевого, кальцитового, гипсового, магнезитового, каменной и калийной соли) – это возможность получения товарной продукции, путем только радиометрической сепарации, без применения традиционных методов обогащения. Этому способствуют технологические свойства сырья. Так как качество продуктов их сепарации поддается визуальной оценке, то и эффективность сепарации доказывается без большого количества химических анализов. Но в большинстве случаев для остальных типов руд радиометрическая сепарация – это, прежде всего, процесс предварительного обогащения [77].

Обогащение золото- и серебросодержащих руд занимает особое место в технологии РРС. Именно по обогащению этих руд накоплен наибольший положительный опыт, исследовано на обогатимость более 100 золоторудных месторождений и рудопроявлений, отработаны методология и технология их обогащения [78, 79]. Для сепарации золотосодержащих руд используются природные свойства и особенности, обусловленные генезисом золоторудных месторождений и проявляются наличием у золота неотъемлемых генетических спутников (минералов или элементов), ассоциирующих и коррелирующих с золотом не только в пределах рудного поля, но и на уровне каждого куска. Многочисленными проведенными исследованиями установлены минералы, тесно связанные с золотом, – это кварц и сульфидные минералы (пирит, халькопирит, сфалерит, галенит, арсенопирит, антимонит, висмутин). Сами минералы-индикаторы распознаются через элементы Fe, Cu, Zn, Pb, As, Bi и Sb. Дополнительно выявлены антикоррелирующие с золотом элементы Ca, Sr и иногда Zr и Rb (элементы вмещающих пород), которые, наоборот, при наличии их в анализируемых кусках свидетельствуют об отсут 21 ствии (или малом количестве) в них золота [74, 75, 78, 80]. Для сортировки методом рентгенорадиометрической сепарации в основном используется крупнокусковой материал размерами более 20 мм. Результаты испытаний показали высокую эффективность метода – по отдельным месторождениям возможно получение до 70 % хвостов с отвальным содержанием ценного компонента и незначительными его потерями.

Одним из успешных примеров применения технологии РРС для золотосодержащих руд является рудосортировочный комплекс, с 2000 года успешно эксплуатирующийся на открытом руднике «Эльдорадо». На РРС подаются наиболее бедные и забалансовые руды с содержанием золота от 1 до 1,8 г/т. На ЗИФ (золо-тоизвлекательная фабрика) направляется руда с содержанием золота более 2 г/т совместно с обогащенным продуктом РРС. Несортируемый класс минус 40 мм совместно с хвостами РРС (с содержанием золота 0,6-0,9 г/т) складируется в специальный отвал для последующего кучного выщелачивания. При этом в хвосты РРС выделяется около 60 % крупнокускового материала. Экономический эффект от внедрения РРС обусловлен сокращением затрат на перевозку (расстояние от карьера до ЗИФ 65 км) и переработку руды на ЗИФ, за счет чего достигается снижение затрат на уровне 47-48 % (при сравнительных расчетах на руду с исходных содержанием золота 1,5 г/т) [78].

Количество научно-исследовательских работ и опытно-промышленных испытаний по рентгенорадиометрическому обогащению медных и медно-цинковых руд являются следующими по объему всех проведенных исследований после золотосодержащих руд. Типичными представителями этой группы полезных ископаемых являются месторождения Уральского региона. Одним из таких характерных месторождений является Валенторское медно-цинковое месторождение. руды месторождения характеризуются тонким прорастанием ценных компонентов от эмульсионной вкрапленности до крупности 0,2 мм. В результате опытно-промышленных испытаний некондиционной руды на машинных классах -150+80 мм, -80+40 мм и -40+20 мм выход обогащенного продукта составил порядка 40 % при содержании в хвостах рентгенорадиометрической сепарации меди и цинка 0,13 % и 0,06 % соответственно [81].

Кроме медьсодержащих руд, испытания проводились на хромовых, сидери-товых, бериллиевых, магнезитовых рудах и шлаках. В результате опытно-промышленных испытаний минерального сырья и техногенных образований: кварца – ЗАО «Карьер Гора Хрустальная» позволило удалить из руды доломитовые породы и уменьшить содержание в ней железа в 2,5-3,0 раза ; сидеритовой руды – ООО «Бакальское рудоуправление» повышение обогащенного продукта с содержанием железа 34 % из исходной руды с содержанием железа 27 %; хромовой руды – компании ЗАО ГДК «Хром» на месторождении «Ашкарка» в 2003 году введен в эксплуатацию рудосортировочный комплекс РРС; бериллиевой руды Малышевского месторождения – ЗАО «Зелен Камень» при выходе концентрата 32,4 % извлечение берилла составляет 88 %; текущих шлаков от производства ферротитана – ОАО «Ключевской завод ферросплавов» с возможностью получения хромсодержащего продута с содержанием хрома 60-90 % и титансодержаще-го продукта с содержанием 85-90 % ферротитана и смеси остальных шлаков; шлака ферромарганцевого производства – Саткинского чугуноплавильного завода; отходов обогащения – ОАО «Комбинат Магнезит» с получением обогащенного продукта с содержанием марганца 61% и выходом его порядка 9 % [80-92].

На основе результатов многочисленных проведенных опытно промышленных испытаний и лабораторных исследований можно выделить следующие преимущества технологии рентгенорадиометрической сепарации по сравнению с традиционной технологией:

«сухая» технология, не требующая воды;

снижение затрат на транспортировку руды до обогатительной фабрики за счет уменьшения ее количества и вывода хвостов сепарации в отвал на руднике;

снижение затрат на содержание хвостохранилища обогатительной фабрики за счет уменьшения количества ее хвостов;

разделение добытой руды на технологические типы, с направлением на дальнейшую раздельную переработку;

выделение на различных стадиях рудоподготовки части готовых концентратов;

получение продуктов, с возможностью использования их в качестве закладки при подземной добычи;

увеличение выпуска концентратов, за счёт повышения сквозного извлечения на обогатительной фабрике при увеличении содержаний ценного компонента в питании фабрики [80, 83, 93-95].

1.4 Вещественный состав и основные свойства алмазосодержащего сырья, определяющие возможность применения рентгенорадиометрического метода

Свойства руд, определяющие возможность использования радиометрических методов для их обогащения, указаны в работах [96-98]. Из множества рентгеновских методов – рентгенорадиометрический – единственный, который позволяет одновременно раздельно оценивать (или регистрировать) наличие в веществе несколько элементов. Конструктивные особенности существующих аппаратов позволяют с единственным датчиком за одну операцию получить несколько продуктов, содержащих разные химические элементы или ценные компоненты. Основан метод на возбуждении и регистрации характеристического (флуоресцентного) и рассеянного рентгеновских излучений элементов.

Для теоретической оценки возможности применения рентгенорадиометри-ческого метода в технологии обогащения алмазосодержащего сырья крупностью -6+3 мм следует рассмотреть следующие факторы: степень отличия сопутствующих минералов и пород от кристаллов алмаза по химическому составу; гранулометрический состав и характер распределения минералов, концентрирующих химические элементы по объему и поверхности обогащаемого минерального сырья; наличие мешающих химических элементов.

Проведение исследований в статических условиях на сепараторах СРФ с полупроводниковым и газовым детектором

Для детального изучения спектров характеристического и рассеянного рентгеновского излучений алмазов и сопутствующих минералов и пород были подготовлены две коллекции: алмазов коренного месторождения Республики (Саха) Якутия и сопутствующих минералов и пород класса крупности -6+3 мм из россыпного и коренного месторождений.

Коллекция алмазов рудного месторождения Республики (Саха) Якутия, общим количеством 227 штук с различной интенсивностью рентгенолюминесцен-ции, была представлена следующими морфологическими группами: октаэдры, ромбододекаэдры, кристаллы переходной формы от октаэдра к ромбододекаэдру, двойники, шпинелевые двойники, сростки, обломки, кристаллы комбинированной формы (грани октаэдра, ромбододекаэдра и куба).

Коллекция минералов спутников алмазов составлялась исходя из предположения, что для применения данного процесса наиболее потенциальными продуктами будут гравитационные концентраты класса крупности -6+3 мм. На основе обобщения и анализа минерального состава, поступающих на доводку гравитационных концентратов действующих фабрик АК «АЛРОСА», были выявлены наиболее встречающиеся зерна минералов и пород крупностью -6+3 мм – циркона (минерал ксенолитов), карбонатов, габбро-долеритов, кимберлитов, пиропа, ильменита и хризолита, которые и были отобраны для коллекции минералов спутников алмазов в количестве по 100 штук каждого [112-114].

Исследования в статических условиях спектров характеристического и рассеянного рентгеновского излучения подготовленных коллекций кристаллов алмазов, сопутствующих минералов и пород проводились в режиме «анализ» на каждом из сепараторов, с полупроводниковым и газовым детектором. Для проведения измерений в статических условиях спектров характеристического и рассеянного рентгеновского излучения каждый образец алмазов, сопутствующих минералов и пород из подготовленных коллекций, помещался в кассету из пищевой пленки, обладающей минимальным влиянием на результат измерений. При этом измеряемый образец в пленке с помощью магнита подвешивался точно по центру измерительной зоны датчика сепаратора.

Измерение рентгеновских спектров образцов проводилось, при времени облучения 3 сек, без выдачи сигнала на исполнительный механизм. Исследуемый образец измерялся с пяти или семи сторон для набора статистики, после рассчитывалось среднее значение полученных данных. Результаты измерений и спектры образцов выводились на экран компьютера и сохранялись в базе данных (окно программы с полученным спектром изображено на рисунке 4).

Особенностью технологии рентгенорадиометрической сепарации является использование в качестве разделительного признака спектрального отношения регистрируемого от зерна характеристического и рассеянного рентгеновского излучений. Непосредственно выделить кристаллы алмаза по прямому содержанию углерода предлагаемым методом невозможно, так как из-за полного поглощения возбуждаемого характеристического рентгеновского излучения элементов с атомным номером Z16 на фоне воздуха, и в сепараторах СРФ оно не регистрируется. В этом случае распознавание регистрации алмазов может успешно производиться по «условно» косвенному методу: минимальному характеристическому рентгеновскому излучению от элементов кальция, железа и циркония у кристаллов ал 37 мазов, которые более всего концентрируются у сопутствующих минералов и пород. Именно в этом заключается новизна и научное обоснование разрабатываемой методики рентгенорадиометрической сепарации.

На рисунках 5-20 приведены спектры алмаза и основных сопутствующих минералов и пород: циркона, пиропа, кимберлита, хризолита, ильменита, габбро-долерита и карбоната, полученные в результате их облучения на сепараторах с полупроводниковым и газовым детекторами. На рисунках 5-20 выделены области характеристического рентгеновского излучения элементов Ca (кальция), Fe (железа), Zr (циркония) и рассеянного рентгеновского излучения Ns [115-119].

Анализ спектров, полученных в результате проведенных замеров, показал значительное отличие спектров алмазов от спектров сопутствующих минералов и пород в аналитических областях характеристического излучения элементов кальция, железа, циркония и рассеянного рентгеновского излучения. Полученные спектры алмазов характеризуются практически полным отсутствием характеристического излучения элементов кальция, железа и циркония при значительном уровне рассеянного рентгеновского излучения, что объясняется слабой поглощающей способностью углерода рентгеновских лучей. Энергия первичного рентгеновского излучения слабо поглощается алмазом и переходит в рассеянное рентгеновское излучение. Спектры сопутствующих минералов и пород, наоборот, прямо противоположны спектрам алмазов – в аналитических областях присутствуют ярко выраженные пики характеристического излучения (ХРИ) кальция, железа и циркония, при этом область рассеянного рентгеновского излучения минимальна. Это объясняется тем, что практически вся энергия первичного рентгеновского излучения была затрачена на возбуждение ХРИ элементов кальция, железа и циркония.

Отличия спектров алмазов от спектров сопутствующих минералов и пород хорошо различимы даже на газовом детекторе, разрешающая способность которого в 5-6 раз хуже, чем у полупроводникового детектора (2000 эВ против 300-400 эВ соответственно).

Таким образом, обобщая полученный результат, можно выделить три основных момента:

1. Практически полное отсутствие во вторичных спектрах алмазов фотопиков характеристического рентгеновского излучения элементов кальция, железа и циркония при ярко выраженных фотопиках указанных элементов в спектрах сопутствующих минералов и пород;

2. Интенсивность рассеянного рентгеновского излучения от алмазов существенно превышает уровень этого излучения от минералов и пород;

3. Данное характерное отличие сохраняется для любого алмаза, вне зависимости от его способности к люминесценции в рентгеновских или ультрафиолетовых лучах.

Совокупность указанных отличий позволяет определить следующий разделительный признак алмазов от сопутствующих минералов и пород или идентификации (распознавания) алмазов на фоне общего потока частиц - спектральное отношение (или аналитический параметр НІ) интенсивности характеристического излучения кальция (Nca), железа (№е) и циркония (Nzr) к рассеянному рентгеновскому излучению [119]

Разработка конструкции рентгеновского блока сепаратора

Рентгеновский блок сепаратора СРФ состоит из следующих основных частей:

- корпус;

- рентгеновская трубка;

- коллиматор;

- детектор рентгеновского излучения;

- схема управления рентгеновской трубкой.

Необходимым условием сепарации любого вида сырья на сепараторах СРФ является обеспечение требуемой интенсивности вторичного рентгеновского излучения, регистрируемой от зерен материала. Что в свою очередь задается параметрами первичного излучения (материалом анода рентгеновской трубки, геометрическими размерами коллиматора, током и напряжением анода рентгеновской трубки).

Определение зерна материала в зоне измерения (или его отсутствия) в сепараторах СРФ осуществляется по специальному алгоритму, учитывающему всплеск интенсивности вторичного рентгеновского излучения относительно фона воздуха. Расчеты показали, что условие обнаружения - повышение интенсивности (всплеск) в «п» раз (достаточно двукратного превышения). В результате исследований характеристического излучения кристаллов алмазов и основных сопутствующих минералов и пород в статических условиях было установлено, что условию минимального двукратного превышения интенсивности вторичного рентгеновского излучения над фоном воздуха при обычных рабочих режимах первичного рентгеновского излучения соответствует только излучение от кристаллов алмазов, циркона и только самых крупных образцов минералов и пород из класса -6+3 мм. Одним из вариантов добиться двукратной разницы и более между интенсивностью вторичного рентгеновского излучения от зерен (частиц) сортируемого материала и фона воздуха является увеличение тока и напряжения анода рентгеновской трубки. Другой путь или возможность увеличить контрастность вторичного рентгеновского излучения от зерен по сравнению с фоном воздуха - сужение рабочей измерительной зоны за счет изменения размеров коллиматора.

Геометрические размеры коллиматора определяют общую интенсивность вторичного рентгеновского излучения. Чем больше площадь коллиматора, тем выше фон воздуха и интенсивность вторичного рентгеновского излучения зерен при прочих равных условиях. При уменьшении геометрического сечения коллиматора фон воздуха уменьшается пропорционально. При этом снижение интенсивности вторичного рентгеновского излучения от зерен происходит значительно меньше. Идеальные условия для проведения сепарации мелких зерен – размеры зоны облучения (сечение пучка рентгеновского излучения) должны быть близки размеру материала в питании. Однако, в процессе сепарации облучение зерна происходит в свободном падении и минимально возможные размеры окна коллиматора необходимо принимать с учетом крупности питания с поправкой на разброс траектории. Экспериментально установлено, что b2Dmax, где b – сторона окна коллиматора, Dmax – максимальный размер зерна в питании. Для возможности оперативного изменения геометрических размеров окна коллиматора, шторки выходного отверстия были изготовлены с возможностью плавной регулировки при помощи винтов (рисунок 33).

Как пояснялось в разделе 2, в сепараторах СРФ особенностью алгоритма обнаружения и измерения зерен в зоне облучения являются следующие физические принципы: измерение производится непрерывно микроциклами по 4 мс. Для гарантированного определения и измерения зерна размерами 3-6 мм в зоне облучения время нахождения его непосредственно в зоне облучения должно составлять не менее 16 мс, с учетом времени входа зерна в зону облучения и выхода из нее.

В общепринятой схеме сепараторов СРФ детектор рентгеновского излучения располагается над источником рентгеновского излучения (коллиматором) рисунок 34.

При таком расположении коллиматора и детектора время нахождения зерна материала в зоне облучения t определяется разницей между временем пройденным зерном расстояния S2 и S1 по формуле: где S1 и S2 – соответственно путь пройденный зерном от края лотка до коллиматора и общий путь пройденный зерном; g – ускорение свободного падения.

Расчетное время цикла облучения единичного зерна при стандартном расположении детектора и коллиматора составляет 12,6 мс при необходимом минимуме 16 мс. При стандартном расположении детектора и коллиматора времени облучения зерен малых размеров (3-6 мм) достаточно только для трех микроциклов, что является недостаточным для 100 % обнаружения зерен в зоне измерения. Для увеличения времени нахождения зерна в зоне облучения и, следовательно, повышения надежности его обнаружения и статистики квантов вторичного рентгеновского излучения принципиальная схема и геометрия расположения детектора и коллиматора была изменена (рисунок 35).

При предлагаемом расположении коллиматора и детектора время нахождения зерна материала в зоне облучения t будет определяться временем на прохождение зерном расстояния S1 по формуле:

Новая схема расположения детектора и источника рентгеновского излучения позволила увеличить время нахождения зерна в зоне облучения в 1,59 раз почти до 20 мс, что составляет 5 микроциклов [122, 124].

Уточнение режимных параметров и проведение рентгенорадиометрической сепарации алмазосодержащего материала

Исследования, проведенные в лабораторных статических условиях, позволили определить, что при пороге разделения Н=0,06 рассчитанного по формуле в концентрат распределяется 100 % кристаллов. С целью уточнения порога разделения для кристаллов алмазов отобранной коллекции трубки «Архангельская» были произведены их покристальные замеры. Результаты замеров приведены на рисунке 38.

Анализ результатов измерений показал, что порог разделения для алмазов, извлеченных из концентрата ТСС трубки «Архангельская», выше в 1,67 раза и составляет Н=0,10. Увеличенное значение порога разделения, рассчитываемого по суммарному содержанию элементов кальция и железа, связано с тем, что в лабораторных исследованиях использовались алмазы прошедшие чистовую химическую обработку. Алмазы текущей добычи, взятые для определения параметров, химической обработке не подвергались. Большинство кристаллов имело примазки вмещающих пород или находились с ней в сростках.

Для уточнения режимных параметров процесса рентгенорадиометрической сепарации алмазы из отобранной коллекции подмешивались в безалмазный материал «контрольной пробы». На подготовленной алмазосодержащей «контрольной пробе» были проведено несколько серий экспериментов.

Эффективность процесса рентгенорадиометрической сепарации оценивалась по извлечению алмазов в концентрат, его выходу и кондиции. Выборка алмазов из продуктов разделения рентгенорадиометрического сепаратора производилась после каждой серии экспериментов. Алмазы, выбранные из продуктов сепарации, взвешивались, дополнительно определялось их количество в штуках. Расчет извлечения алмазов проводился по их количеству в концентрате. После чего алмазы и материал проб объединялись и использовались для проведения следующей серии экспериментов.

Значение порога Н=0,11 было принято с учетом поправки на состояние поверхности кристаллов алмазов (поверхностные примазки и сростки с породой) для увеличения вероятности попадания кристаллов такого типа в концентрат.

Сепарация в таком режиме в одну стадию «контрольной пробы» с подсаженными алмазами подтвердила результаты лабораторных испытаний. Извлечение алмазов в концентрат составило 98,0 % при его выходе 6,1 %. Степень концентрации и степень сокращения также получены относительно высокие - 16,2 и 16,4 соответственно. Для определения показателей сепарации при сниженных значениях анодного тока принято решение изменить режим ее работы, напряжение анода оставить максимальным Ua=45 кВ, а силу тока снизить до минимального значения 1а=200 мкА. На измененном режиме проведено 2 опыта по схеме основная и контрольная сепарация при различных содержаниях алмазов в питании. Результаты сепарации получены высокие, за две стадии в концентрат извлекается 99 % алмазов при выходе суммарного концентрата 10,2-12,8 %. Результаты сепарации приведены в таблице 11.

Работа рентгенорадиометрического сепаратора на протяжении длительного времени проводилась при следующих значениях анодного напряжения и силы тока – Ua=40 кВ и Ia=300 мкА. При данном режиме работы рентгеновской трубки сепаратор стабильно работал в течение 10 часовой смены. Сепарация в указанном режиме проводилась в две стадии с постепенным увеличением содержания алмазов в питании.

В результате сепарации с постепенным увеличением содержания алмазов в питании с 0,8 до 2,4 % установлено, что при пороге разделения, определяемом формулой H = NCa +NFe , извлечение по штукам алмазов в суммарный концентрат Ns вне зависимости от содержания их в питании остается на уровне 99,0-100,0 %, в том числе, в концентрат основной операции – 96,0-97,0 % (рисунок 39). При этом отмечено увеличение с 11,5 до 14,9 % выхода суммарного концентрата с ростом содержания алмазов в питании. Степень концентрации при содержании алмазов в питании 0,8 % составила 7,9 раз, степень сокращения – 8,7 раз. При увеличении содержания алмазов в питании до 2,4 % степень концентрации снижается до 6,6 раз, а степень сокращения – до 6,7 раз. Основная доля кристаллов – 96,0-98,0 %, как и при меньшем содержании, извлекается на основной операции, а 1-2 % – на контрольной. При этом выход концентрата контрольной операции сопоставим с выходом концентрата основной операции. Относительно невысокая степень концентрации и сокращения вызвана контрольной операцией и разубоживанием концентрата сопутствующими минералами и породой. Минералогический анализ концентрата рентгенорадиометрической сепарации показал, что минеральная составляющая концентрата на 90 % представлена кварцитами, кварцем и кварцевыми песча никами, с од ер жание кальц ия и железа в которых нахо дится на мини -мальном уровне при относительно высоком уровне рассеянного рентгеновского излучения. Дополнительный фактор, влияющий на разубоживание концентрата – недостаточное быстродействие исполнительного механизма электромагнитного типа МИ-80, предназначенного для работы на материале крупностью -80+20 мм.

Для снижения выхода концентрата и засорения его зернами кварцсодержа-щих минералов была изменена формула, определяющая порог разделения: H = 2NCa +NFe . В результате корректировки порога разделения извлечение в суммарный концентрат осталось на уровне 99,0 %, при этом выход концентрата в зависимости от содержания алмазов в питании существенно снизился и составил 5,1-7,4 %. Степень концентрации и сокращения увеличились до 13,4-19,4 и до 13,6-19,6 соответственно. Производительность сепаратора при проведении экспериментов поддерживалась на максимально возможном уровне и составила 3-5 кг/ч. Результаты рентгенорадиометрической сепарации при различном содержании алмазов в питании сепаратора приведены в таблице 12.

Для сравнения результатов работы рентгенорадиометрического сепаратора с существующей технологией – рентгенолюминесцентной сепарацией, в таблице 11 приведены данные прямого опробования передела РЛС по классу крупности -6+3 мм, проводившегося в рамках подготовки материала «контрольной пробы».

Как видно из представленных в таблице 13 данных, извлечение алмазов на основной операции на сепараторе ЛС-Д-4-04Н №12 за две стадии составило 97,44 % при выходе суммарного концентрата – 2,24 % от операции. Степень концентрации и сокращения относительно высокая – 43,50 и 44,64 соответственно при производительности сепаратора 34 кг/ч на один канал. Извлечение алмазов на контрольном аппарате ЛС-Д-4-04Н №17 за две стадии получено несколько ниже – 90,65 % при выходе концентрата 0,42 % от операции. Степень концентрации и сокращения составили высокие значения 216,0 и 238,1 соответственно при производительности на один канал 34 кг/ч. Извлечение на перечистном сепараторе ЛС-ОД-6 №18 за одну стадию получено высокое – 99,17 % при выходе концентрата 22,81 %. Степень концентрации и сокращения составили низкие значения 4,35 и 4,38. Производительность сепаратора на один канал 1,5 кг/ч [123]. Анализируя показатели работы рентгенорадиометрического сепаратора в сравнении с рентгенолюминесцентными сепараторами, можно констатировать тот факт, что показатели извлечения, полученные на сепараторе РРС даже в одну стадию, соответствуют показателям извлечения рентгенолюминесцентных сепараторов. При этом выход концентрата сепараторов РЛС в зависимости от содержания алмазов в питании составляет от 0,4 % на контрольных операциях до 22,8 % на перечистных операциях. Относительно низкий выход концентрата рентгенолю-минесцентных сепараторов в сравнении с выходом концентрата РРС, связан с гораздо более совершенной системой исполнительных механизмов на основе пнев 91 моотсекателей. Исполнительный механизм сепаратора РРС - механический отсе-катель с электромагнитным приводом. Кроме того, на сепараторе, участвующем в технологических испытаниях, в виду универсальности аппарата, был использован исполнительный механизм, предназначенный для класса крупности -80+20 мм с размерами шибера ДШ=80150 мм.