Радиометрическое обогащение нерадиоактивных руд

Основная масса обогащаемых руд не обладает естественной радиоактивностью, поэтому эта группа процессов играет определяющую роль. Необходимым условием радиометрического обогащения нерадиоактивных руд является наличие источника какого либо первичного излучения. Различия во взаимодействии его с разделяемыми минералами является разделительным признаком. По характеру взаимодействия минералов с первичным излучением различают следующие группы: 1) возникают ядерные реакции, в результате которых образуется наведенная радиация (нейтронное или рентгеновское вторичное излучение); 2) возбуждение люминесценции (холодного свечения); 3) отражение первичного излучения; 4) поглощение (абсорбция) первичного излучения. В качестве первичного излучения используются излучения широкого диапазона длины волн, от самых коротких гамма излучений до самых длинных радиоволн. По длине волны различают следующие группы первичного излучения, применяемых в радиометрических сепараторах:

Наиболее полно классификация радиометрических методов обогащения нерадиоактивных руд разработана Мокроусовым В. А. По этой классификации все методы разделены на группы по характеру первичного излучения, а внутри каждой группы выделены методы по характеру взаимодействия минералов с этим излучением (см. таб. 3).

Таблица 3.

Классификация радиометрических методов обогащения нерадиоактивных руд.

Степень разработки и промышленного освоения перечисленных методов различна. Некоторые успешно применяются на обогатительных фабриках, некоторые прошли полупромышленную проверку, а некоторые находятся в стадии лабораторных испытаний. Наиболее широко в промышленности применяются фотонейтронный, гамма-абсорбционный, рентгенолюминесцентный, фотолюминесцентный и фотометрический методы.

Фотонейтронный метод основан на использовании различий в интенсивности нейтронного излучения, испускаемого минералами при воздействии на руду гамма лучами. Этот метод применяют для обогащения бериллиевых руд, так как именно ядра бериллия обладают способностью испускать нейтроны под влиянием гамма лучей сравнительно низкой энергии (около 1,7МэВ). Для возбуждения фотоядерной реакции в других химических элементах требуются гамма лучи с энергией свыше 5—10 МэВ.

В качестве основного аппарата используются ленточные сепараторы, в которых определение сорта куска может осуществляться или на ленте, или в воздухе. Источником гамма излучения при обогащении бериллиевых руд обычно является ампульный источник на основе радиоактивного изотопа Sb¹²⁴. Испускаемые ядрами бериллия нейтроны перед их регистрацией пропускаются через замедлитель (парафин) для снижения их энергии до тепловой. При данной активности гамма источника мощность потока нейтронов, испускаемого куском руды, определяется содержанием в нем бериллия независимо от того, какими минеральными формами он представлен. Приемником нейтронного излучения являются сцинтиляционные счетчики на основе светосостава, представляющего собой смесь сульфида цинка с борной кислотой.

У нас выпускаются три типа фотонейтронных сепараторов:

РМБ-300, d-200−75мм, Q-10−15т/ч Исполнительный РБМ-100, d-75−25мм, Q-1−3т/ч механизм РАБЛ-100, d-75−25мм, Q-1−3т/ч пневмоклапан Гамма-абсорбционный метод основан на различии в степени поглощения кусками руды гамма-излучения. Интенсивность прошедшего через куски руды гамма излучения и является разделительным признаком.

Относительная величина поглощения гамма-излучения подчиняется экспоненциальному закону.

J/J₀=e^-d,.

где J₀ и J — интенсивности гамма-излучения соответственно до и после прохождения через вещество;

— линейный коэффициент поглощения;

d — толщина слоя вещества.

Величина зависит от энергии квантов первичного гамма-излучения и атомного номера и атомной массы облучаемого вещества; чем выше атомный номер химического элемента и его атомная масса и чем меньше энергия применяемого излучения, тем сильнее проявляется свойство абсорбции рентгеновского излучения.

Для кусков руды, содержащих различные химические элементы,.

=_ii/100 ,.

где _i — содержание i-ro элемента, %;

_i — коэффициент линейного поглощения для i-го элемента.

Кроме химического состава кусков руды, на степень поглощения гамма-излучения влияют размеры облучаемых кусков. Для устранения этого влияния руду подвергают предварительной классификации. Кроме того, сепараторы снабжены специальным устройством, позволяющим учитывать размеры кусков руды. Такие устройства бывают разных типов: метод механической коррекции, двух лучевой метод с дополнительным неподвижным источником, двух лучевой метод с дополнительным подвижным источником, метод коррекции по частично отраженному излучению.

Гамма-абсорбционный метод можно использовать для обработки различных полезных ископаемых, однако он достаточно эффективен лишь при высоком содержании ценного компонента в руде и для разделения минералов достаточно сильно отличающихся по плотности. В настоящее время метод применяется для сепарации железных руд.

В качестве источника гамма лучей используются изотопы: Аm²¹¹,.

Cd¹⁵³ и Co⁵⁷. Приемником излучения служат сцинтиляционные счетчики па основе кристаллов NaJ (Tl).

У нас выпускаются следующие типы гамма абсорбционных сепараторов: d, мм Q, т/ч Минерал-2 -300+100 25−30 Исполнительный механизм Минерал -200+50 12−18 шибер или пневмоклапан Кристалл -200+50 50−70.

Рубин -50+20 8−12.

Рубин-2 -100+50 15−20.

РС-2Ж -200+100 20.

На рисунке 5 показана схема ленточного сепаратора РС-2Ж, применяемого для обогащения крупнокусковых железных руд. Руда из бункера (1) вибропитателем (2) подается на ленточный транспортер (3). Скорости вибропитателя и транспортера согласованы так, чтобы обеспечить покусковую подачу материала. Внутри ведущего барабана расположен датчик гамма-излучения (4). Проходящий сигнал улавливается приемником излучения (5), обрабатывается в радиометре «Днепр» (на рисунке он не показан), и подается сигнал на исполнительный механизм шиберного типа (6), который направляет кусок или в сборник концентрата, или в сборник хвостов.

Рентгенолюминесцентный метод основан на различиях в интенсивности люминесценции (холодного свечения) минералов под влиянием рентгеновского излучений. Процесс люминесценции складывается из трех стадий: поглощения энергии возбуждающего излучения, преобразования и передачи энергии возбуждения внутрь тела и испускания света в центрах свечения с возвращением минерала в равновесное состояние. Центрами свечения могут быть атомы или комплексные ионы основного вещества кристаллической решетки, ионы примесей, а также дефекты кристаллической решетки: вакансии, междоузельные атомы и др.

Способностью люминесцировать обладают многие минералы, но лишь у некоторых это свойство обусловлено особенностями их основного состава и строения кристаллической решетки. Такие минералы отличаются устойчивой люминесценцией. К ним относятся: шеелит, повеллит, гипергенные минералы, содержащие в своем составе уранил-ион UO₂²⁺, и алмаз. Люминесценция большей части минералов обусловлена присутствием в них примесей-активаторов (люминогенов). Некоторые минералы люминесцируют благодаря присутствию в них редкоземельных элементов. К этой группе относятся циркон, корунд. Многие минералы имеют неустойчивую люминесценцию, например кальцит, арагонит, опал, топаз, полевые шпаты. Некоторые примеси в минералах гасят люминесценцию, например, железо и никель.

Рентгенолюминесцентный метод широко применяется для обогащения алмазосодержащих руд. С его помощью обогащаются также флюоритовые и шеелитовые руды.

Источником первичного излучения в рентгенолюминесцентных сепараторах являются рентгеновские трубки с различными анодами (вольфрам, медь, серебро, молибден и др.), что дает возможность выбирать оптимальное первичное излучение для данного вида сырья. В сепараторах предпочтительнее использовать трубки с широким пучком излучения. Приемником сигнала люминесценции служат различные фотоэлементы и фотоумножители, тип фотоэлемента определяется длиной волны возбуждаемой люминесценции.

Рентгенолюминесцентные сепараторы отличаются устройством питателей, режимом подачи материала и способом вывода куска. У нас созданы сепараторы серии ЛС, которые широко используются для доводки гравитационных и флотационных алмазных концентратов, а также для первичного обогащения алмазных руд. Из зарубежных следует отметить сепараторы серии XR, разработанные фирмой"Гансонс Сортекс лимитед" (Великобритания).

d, мм Q, т/ч ЛС-20 -20+8 20 Исполнительный механизм.

— 8+4 9 пневмоклапан ЛС-50 -50+20 100.

— 30+10 60.

XR-23 -32+16 4.

XR-61 -2+1 0,8.

На рисунке 6 показан общий вид сепаратора серии ЛС, использование которых на обогащении алмазов дало очень высокое извлечение99%.

Фотолюминесцентный метод основан на различиях в интенсивности люминесценции (холодного свечения) минералов под влиянием ультрафиолетового излучений.

В качестве источника ультрафиолетового излучения используются ртутно-кварцевые лампы. Так как они дают расходящиеся пучки излучения, то для концентрации потока в нужном направлении применяются оптические системы, состоящие из отражателя и коллиматора. Кроме того лампы помимо ультрафиолета испускают поток видимого света, который искажает результаты. Поэтому в сепараторах обязательно используются различные светофильтры.

Приемником потока люминесценции служат фотоэлементы и фотоумножители.

Наиболее характерными из фотолюминесцентных сепараторов являются наш «Фотон» и канадский «Флоуренс Сортекс»:

d, мм Q, т/ч Фотон -75+50 5 Исполнительный механизм Флоуренс -178+26 2−100 пенвмоклапан Сортекс За рубежом фотолюминесцентная сепарация успешно применена для обогащения шеелитовых руд. В Австралии на месторождении «Кинг Исланд» на сепараторе со сканирующей системой обзора достигнуты устойчивые высокие технологические показатели сепарации: выход хвостов — 50% (поступающей на сепарацию руды), а содержание в них шеелита — 0,1%, т. е. меньше, чем в хвостах, получаемых при флотации тонкоизмельченной руды. В итоге достигнуто суммарное извлечение шеелита в концентрат 98%*.

Фотолюминесцентное обогащение крупно вкрапленных флюоритовых руд на сепараторе «Фотон» обеспечивает выделение хвостов с содержанием флюорита 1—3% при их выходе 30—45%. Значительно хуже обогащаются этим способом тонко вкрапленные флюоритовые руды, особенно при повышенном содержании в них кальцита. Схема фотолюминесцентного сепаратора «Фотон» показана на рисунке 7.

Фотометрический метод основан на использовании различий в свойстве минералов отражать, пропускать или преломлять свет. При сепарации по отражению света используют ту часть оптического спектра, в которой наблюдаются наибольшие различия в отражательной способности разделяемых минералов. Один из способов регистрации отраженного от куска света — его измерение на фоне цветной поверхности, при этом выбор ее цвета является одним из способов оптимизации процесса.

Поскольку при фотометрической сепарации требуется разделять не только мономинеральные куски, но и агрегаты полезных и сопутствующих минералов, то оптические системы сепараторов нередко конструируют с применением сканирующих устройств, так что свет поступает на датчик не сразу со всей поверхности куска руды, а последовательно с отдельных ее участков. Источником света служат как обычные лампы накаливания с вольфрамовой нитью, так и лампы с большим световым потоком (иодо-кварцевые). Кроме того в последние годы стали использоваться гелий-неоновые лазеры, преимущество которых в возможности создания мощного пучка света малого диаметра (до нескольких миллиметров). Это дает возможность дифферинциированного облучения поверхности куска. В качестве детекторов отраженного кусками руды света применяются фотоумножители.

Серийно фотометрические сепараторы выпускаются как у нас (Хрусталь, Сапфир), так и за рубежом (английской фирмой «Гансонс Сортекс Лимитед» сепораторы серии М).

d, мм Q, т/ч Хрусталь -200+50 20−30 Исполнительный механизм Сапфир -50+25 4−8 пневмоклапан.

• 811 М -150+50 10−50
• 711 М -50+20 2−7

На рисунке 8 показаны схемы одно и многоканальных фотометрических сепараторов «Сортекс». Фотометрическая сепарация применима к самым разнообразным полезным ископаемым. Особенно распространена она за рубежом для обработки неметаллических полезных ископаемых; хорошие результаты получают при фотометрической сепарации золотосодержащих руд. Например, в таблице 4 приведены показатели фотометрического обогащения золотой руды на одной из фабрик ЮАР:

Таблица 4.

Результаты фотометрического обогащения золотой руды.

Интересный способ обогащения для получения кварца особой чистоты (99,999%) разработали сотрудники института Механобр. При стандартных способах обогащения получаются концентраты, содержащие не только зерна чистого кварца, но и кварца, содержащего различные примеси. Если на такой кварц воздействовать гамма-излучением то он окрасится, причем цвет окраски зависит от характера примеси (алюминий дымчатый цвет, железо аметистовый, титан розовый). После облучения кварц направляют на фотометрическое обогащение, и окрашенные зерна отделяют.

Основные технологические задачи, решаемые с помощью радиометрического обогащения:

• 1. Предварительное обогащение руд (крупнокусковое). Как показала практика, предварительное обогащение позволяет на 20−50% сократить объем руды, поступающей на среднее дробление и дальнейшую переработку. Кроме того оно повышает содержание ценного компонента в перерабатываемом сырье и, как следствие, сквозное извлечение. Радиометрическое обогащение широко применяется для предварительного обогащения бериллиевых, золотых руд и руд неметаллических полезных ископаемых.
• 2. Предварительное разделение полезных ископаемых на отдельные технологические сорта, которые более эффективно перерабатываются по различным схемам. Например, радиометрическое обогащение позволяет при переработке медной руды сначала выделить крупнокусковую богатую фракцию, которую можно сразу же направить на плавку, и бедную фракцию, которая сначала обогащается флотацией, а затем плавится.
• 3. Получение крупнокусковых концентратов. Для некоторых металлургических процессов необходимо крупнокусковое исходное сырье, например, доменная плавка. Радиометрическое обогащение позволяет получать крупнокусковые железные концентраты, которые без всякой дополнительной подготовки можно направлять в доменную печь.
• 4. Доводка концентратов, полученных другими методами обогащения. Например, получение сверхчистых кварцевых концентратов.