Введение к работе
Актуальность проблемы. В условиях многотоннажного производства калийных удобрешій эффективность работы калийного предприятия во многом определяется развитием совремегаїьіх средств и систем автоматизации, базирующихся на новейших методах контроля калийной руды, поступающей на переработку, и продуктов на обогатительных фабриках. Важнейшее значение при этом имеет разработка способов и средств контроля показателей качества калийных руд и продуктов обогащения, (в первую очередь, массовой доли калия и нерастворимого остатка), а также их количественных параметров (массы, массового расхода), которые обеспечивают'возможность автоматизации процессов дозировки руды и реагентов.при ее переработке, учета произведенной продукции и обработки готового продукта реагентами - антислеживателями и обеспыливателями.
Большое развитие в калийной промышленности получили ядерно-физические методы исследования веществ, как наиболее перспективные в плане обеспечения экспрессности получения информащш об указанных выше параметрах, что связано с естественной радиоактивностью калия.
Проблеме разработки методик оценки указанных параметров калийных руд посвящены работы Бельды М.П., Вернера К., Вагнера И.З., Василенко А.А., Вэнса Дж., Гауса В., Головкова Б.Ю., Касаткина В.А., Колішкова Г.Г., Котельникова В.В., Крейдлина И.И., Кричевского Е.С., Ланге В., Матийко Л.Н., Матвеева Л.Б., Мишина Г.Т., Новикова П.И., Оцупа P.P., Пшевлоцкого К.С., Поливцева А.В., Сатурина А.А., Саягоша А.И., Смирнова А.И., Смирнова В.Н., Степанюка В.П., Папченко А.Ю., Чуланова Ю.Г., Штаудте Г.Г. и др.
В настоящее время их усилиями создана современная измерительная аппаратура, с помощью которой можно решать многие задачи на самом высоком уровне, и достигнуты значительные успехи в области создания методик выполнения измерений, особенно при лабораторных исследованиях, а также при определении массовой доли калия в суспензиях в твердой и жидкой фазах, с определениями содержания калия в сыпучих продуктах в насыщенных по гамма-излучению объемах. В то же время нельзя не отметить некоторое отставание в области создания
калийсодержащих сыпучих продуктах в ненасыщенных по гамма-излучению слоях при их радиометрическом опробовании на конвейерных лентах, массовой доли калия и нерастворимого остатка в естественном залегании, а также в области измерения масс продуктов в движении на конвейерах обогатительных фабрик. Это связано, в частности, с большой трудоемкостью проведения в производственных условиях экспериментальных работ, направленных на выбор оптимальных условий измерений, а также с многообразием параметров, имеющих возможность варьирования. Среди этих параметров не всегда apriori можно выбрать наиболее значимые. Решение этих вопросов с теоретических позиций, которое могло бы помочь значительно сократить эксперименты, затруднено, поскольку существующая теория не позволяет производить расчеты информативного параметра ядерно-физических измерений с приемлемой точностью, т.к. она не учитывает влияние детекторов реальных размеров на измеряемые гамма-поля.
Таким образом, аналитические и экспериментальные исследования, направленные на совершенствование теоретических представлений об изучаемых гамма-полях с учетом реальной геометрии измерений, а также размеров использующихся для регистрации гамма-излучения детекторов, и разработка на основе этих представлений эффективных методик контроля показателей качества и количественных параметров калийных руд и калийсодержащих продуктов, на которых строятся автоматизированные системы переработки калийных руд и учета готовой продукции, ее обработки перед отправкой потребителям, являются актуальными.
Целью работы является научно обоснованное решение
проблемы повышения эффективности известных и разработка новых способов и средств определения показателей качества и массы калийных руд и продуктов их обогащения, обеспечивающих возможность использования этих параметров для автоматизации технологических процессов в промышленности по производству калийных удобрений и способствующих, тем самым, ускорешпо научно-технического прогресса в данной отрасли народного хозяйства.
Идея работы состоит в использовании фундаментальных закономерностей, лежащих в основе ядерно-физических методов исследования веществ, материалов и изделий для создания способа расчета измеряемой детекторами реальных размеров
интенсивности гамма-излучения, зависящей от показателей качества и массы калийной руды и продуктов ее обогащения, а также от геометрических параметров измерительных установок и объектов исследования и в выборе на основании расчетов таких геометрических параметров, которые обеспечивали бы наибольшую эффективность измерений показателей, являющихся основой для автоматизации ряда технологических процессов. Задачи исследований:
1. Проанализировать современное состояние вопросов
использования ядерно-физических методов для определения
показателей качества отбитых калийных руд и руд в естественном
залегании, а также количественных параметров руд и сыпучих
продуктов их обогащения на транспортных потоках калийных
обогатительных фабрик.
2. На основании выполненного анализа литературных и фондовых
материалов выбрать основные направления исследований.
3. Разработать метод расчета интенсивности гамма-излучения,
создаваемой излучающими объектами произвольной формы и
размеров и измеряемой детекторами в любой точке пространства,
при условии, что реальные размеры детектора соизмеримы с
размерами изучаемых объектов.
4. Используя результаты теоретических исследований, обосновать
и разработать:
- методику определения массовой доли калия в калийных рудах в
естественном залегании, обеспечивающую оперативное и точное^
определение этого параметра калийной руды при
геотехнологическом картировании;
- способы экспресс-оценки массовой доли калия в отбитой
калийной руде и калийсодержащих продуктах на обогатительных
фабриках, обеспечивающие получение с достаточной для
практических целей точностью информации о качестве руды и
сыпучих продуктов в условиях ненасыщенных по гамма-излучению
слоев переменной мощности на конвейерах обогатительных
фабрик;
способы оперативного определения массы калийной руды и продуктов обогащения на конвейерных лентах, обеспечивающие возможность автоматизации ряда технологических процессов и учета произведенной продукции, направляемой на временные склады калийных предприятий;
способы оценки массовой доли нерастворимого остатка как в калийной руде в естественном залегании (как элемент
геотехнологического картирования), так и в отбитой руде для
целей оперативного управления процессами ее переработки;
5. Провести апробацию методик и их проверку в промышленных
условиях.
Положения, выносимые на зашиту:
1. Использование весовой функции детектора реальных размеров для описания вклада в измеряемую им интенсивность гамма-излучения, создаваемую отдельными излучателями, расположенными в произвольных точках пространства на различных расстояниях от детектора, а также получение аналитического выражения для количественной оценки этой функции, позволило создать метод расчета интегральной интенсивности излучения объектов любой формы и размеров.
2. Компенсация влияния весовой функции детектора на
измеряемую им интенсивность гамма-излучения позволяет
обеспечивать определение с приемлемой для практических целей
точностью массовой доли калия в породном массиве и в
калийсодержащих продуктах на конвейерной ленте, а также массы
отбитой руды и сыпучих продуктов обогащения в транспортных
потоках калийных фабрик.
-
Варьирование геометрическими параметрами измерительных установок и излучающих объектов при расчетах интенсивности гамма-излучения, измеряемой в заданных точках пространства, позволяет отыскивать такие параметры, при которых обеспечивается максимальная эффективность оценки массовой доли калия, а также массового расхода (массы) руды и сыпучих калийсодержащих продуктов на конвейерной ленте.
-
Измерение массовой доли калия на конвейерной ленте в ненасыщенных по гамма-излучению слоях наиболее эффективно производить в постоянной по объёму информативной области, формируемой на ленте под выровненной поверхностью материала, с помощью двухдетекторной установки, снабженной экраном.
-
Массовая доля нерастворимого остатка с приемлемой для практических целей точностью может быть рассчитана по полученным в результате статистического анализа взаимосвязей между отдельными компонентами калийной руды уравнениям с использованием данных измерений массовой доли калия в массиве, а также данных комплексных радиометрических определений массовой доли калия и ренттено-радиометрических определений суммарной массовой доли кальция в растворимой и нерастворимой частях отбитых калийных руд.
Научная новпзіга результатов работы заключается в том, что:
обосновано применение фундаментальных
закономерностей распространения гамма-излучения в веществе для неизвестного ранее теоретического решения задачи количественной оценки измеряемого детекторами реальных размеров гамма-поля в любой точке пространства от излучающих объектов произвольной формы;
выявлены закономерности связи измеряемой характеристики гамма-поля-интенсивности регистрируемого детектором гамма-излучения, калиисодержащих продуктов - с их массой и массовой долей калия в них при различных геометрических параметрах измерительных установок и исследуемых излучающих объектов (формы и размеров детекторов, высоты и места его расположения относительно излучающего объекта, а также формы и размеров этого объекта);
- выявлена неизвестная ранее закономерность тесной статистической связи массовой доли нерастворимого остатка в калийных рудах с суммарной массовой долей кальция, входящего в растворимую и нерастворимую части этих руд и усиления тесноты связи между этими параметрами при учете массовой доли калия.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается: корректностью аналитических и численных методов исследований, корректной постановкой задач, положительными результатами экспериментальной проверки результатов теоретических исследований; положительными результатами опытно-промышленных испытаний разработанных методик й способов измерений, а также результатами промышленного внедрения методик, рекомендаций и выводов, полученных в диссертационной работе.
Методы исследований: Общей методологической основой работы является комплексный подход, включающий анализ и научное обобщение опыта работ в области применения ядерно-физических методов для оценки количественных параметров и показателей качества калийных руд и продуктов их обогащения, теоретические и экспериментальные исследования, открывающие возможности повышения эффективности использования этих методов в калийной промышленности, опытно-конструкторские разработки измерительных установок, а также разработку методик
выполнения измерений и их промьшшенные испытания и внедрение на калийных предприятиях России и Белоруссии.
Практическая значимость работы состоит в: -разработке экспресс-методов определения массовой доли хлористого калия и нерастворимого остатка в калийных рудах в их естественном залегании на стадии геотехнологического картирования для целей усреднения состава добываемой руды, являющегося элементом подготовки руды к обогащению;
- разработке способов определения массовой доли калия в
руде и в калийсодержащих продуктах на конвейерной ленте с
точностью, приемлемой для использования в системе
автоматизации процессов управления реагентным режимом при
переработке и для оперативного контроля качества продукции;
- усовершенствовании известного и создании нового
способов определения массы продуктов, транспортируемых
ленточными конвейерами на обогатительной фабрике,
обеспечивающих возможность использования созданных на базе
этих способов радиометрических и радиоизотопных конвейерных
весов в системе автоматизированного учета руды, поступающей из
рудника на фабрику и готовой продукции, направляемой на
временные склады, а также для модернизации малоэффективной в
настоящее время автоматизированной системы подачи реагентов-
антислеживателей и пылеподавителей перед отправкой, готовой
продукции потребителям;
- создании экспресс-метода приборного контроля массовой
доли нерастворимого остатка в пробах отбитых калийных руд,
открывающего перспективы создания оперативной системы
управления реагентным режимом при обесшламливании.
Реализация работы. Отдельные результаты
диссертационной работы либо внедрены, либо внедряются в настоящее время на основных предариятиях России и Беларуси, производящих калийные удобрения.
На калийных рудниках АО "Уралкалий" и АО "Сильвинит" в 1985 году был внедрен гамма-метод оценки массовой доли калия и экспресс-метод расчета нерастворимого остатка в калийных рудах в естественном залегании. На фабриках ПО "Беларуськалий" прошли промышленную проверку и метрологическую аттестацию способ оценки массы готовой продукции на конвейерной ленте по естественному гамма-излучению, а также разработанные по техническому заданию диссертанта радиоизотопные весы с квазипротяженным детектором. В ЦЛ ПО "Беларуськалий" и АО
"Уралкалий" внедряется разработанный под руководством автора способ приборного контроля нерастворимых примесей в отбитых калийных рудах. В настоящее время проходят опытно-промышленные испытания новые способы оценки массовой доли калия в руде и продуктах на конвейерной ленте.
Лнчшлй вклад автора состоит в выборе и обосновании основных направлений исследовашш, в организации и планировании лабораторных, шахтных, опытно-производственных и теоретических исследовашш и непосредственном участии в них, в анализе и обобщении результатов экспериментов, в формулировании основных выводов по полученным данным, в установлении основных закономерностей измерения гамма-полей реальными детекторами, в разработке практических рекомендаций для калийных предприятий России и Белоруссии.
Автор выражает признательность техническим специалистам калийных предприятий за практическую в постановке опьгтно-методітческих работ и за активное участие в обсуждении полученных результатов: а также руководству калийных предприятий Россіш и Белоруссии, без финансовой поддержки которых проведение исследовашш было бы невозможно. Автор благодарен д.т.н. Б.Ю.Головкову за ряд полезных советов и рекомендаций: а также своим коллегам к.г-м.н. Э.П.Попову, инженерам {О.В.Косареву}, В.П.Осшгову и А.Э.Попову за помощь в выполнении расчетов на ПК и в проведении экспериментальных исследований.
Апробация работы. Основные положения работы
докладывались на III Всесоюзном семинаре по горной геофизике (Батуми, 1985 г.), на Всесоюзном совещании по рудоподготовке (Ногинский научный центр АН СССР, П.Черноголовка, 1985 г.), на Научно-техническом и Ученом Советах АО ВНИИГ, на технических советах АО "Уралкалий", АО "Сильвинит", ПО "Беларуськалий". Расширенные тезисы доклада по тематике, затронутой в диссертации, были одобрены Оргкомитетом 8-го Международного симпозігума по автоматизации (г.Сан-Сити, ЮАР, 1995 г.). Результаты исследовашш обсуждались с техническими специалистами фирм "Мессэлектроншс", "Кали-Умвельттехник" и "Бертольд" (Германия), работающих в области создания техники и технологии радиометрических методов, а также на калийном предприятии Ланниган фирмы "Поташ корпорейшн оф Саскачеван", (Канада, 1995 г.).
Публикации. В области ядерно-физических исследований автором опубликованы 44 работы; основные положения диссертации отражены в 24 работах, указанных в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и Заключения, изложена на 359 страницах машинописного текста, включая рисунки, таблицы, список литературы из 138 наименований и приложения.
