Расширение аналитических возможностей рентгеноспектрального флуоресцентного анализа многоэлементных руд и продуктов их переработки

Разработка экспрессных методов контроля элементного состава различных объектов является одним из основных направлений современной аналитической химии. Экспрессность и своевременность контроля необходимы на всех стадиях любого технологического процесса, но проблема становится весьма сложной, когда требуется анализировать твердофазные многокомпонентные объекты переменного состава, а условия исключают возможность применения разрушающих методов химической подготовки проб. Именно в таких условиях осуществляется аналитический контроль технологических процессов переработки минерального сырья с целью извлечения ценных компонентов, при этом свыше 70% всех аналитических работ выполняются оперативным рентгеноспектральным флуоресцентным анализом (РСФА), наиболее часто применяемым методом рентгенофлуоресцентного анализа (РФА). Это обусловлено специфическими особенностями метода, проявляющимися в возможности вести измерения в недеструктивном варианте без сложной пробопод-готовки, что определяет его высокую экспрессность. Другие аналитические методы (прежде всего инструментальные, АЭСА и ААСА) уступают РСФА по производительности и стоимости, и применяются в меньших объемах. Поэтому все горнодобывающие и горно-металлургические предприятия оснащены современной рентгенос-пектральной аппаратурой, дающей оперативную информацию для управления технологическим процессом обогащения и переработки рудного сырья, а также для оценки качества руд при поисках и разведке рудных полей для подсчета запасов месторождений.

Применение РСФА позволяет непосредственно анализировать твердофазные пробы. Появляется также уникальная возможность вести непрерывный аналитический контроль процесса флотационного обогащения — анализировать твердофазные продукты в потоке пульпы. Но при этом возникают дополнительные трудности, связанные с отсутствием адекватных стандартных образцов. Кроме того, применявшиеся ранее методики РСФА требовали частых и продолжительных градуировок, что существенно ограничивало эффективность аналитического контроля. Поэтому было необходимо применить более экспрессную методику РСФА, не требующую частых градуировок и большого числа стандартных образцов.

Разработка такой методики, единой для всех продуктов, была основной задачей настоящей работы. Последующее ее внедрение в производственную практику лабораторий Заполярного Филиала «ГМК «Норильский никель» позволило получать экспрессную аналитическую информацию о технологических процессах на трёх металлургических заводах, обогатительной фабрике и на семи действующих рудниках при эксплуатационной разведке рудных полей и поисках новых месторождений.

Цель работы. Теоретическое и экспериментальное обоснование нового универсального алгоритма выполнения РСФА многоэлементных руд и продуктов их переработки с использованием минимального количества адекватных стандартных образцовразработка на принципах предложенного алгоритма методик анализа, ориентированных на решение задач технологического контроля на ГМК «Норильский никель», и их внедрение в практику в Заполярном Филиале компании.

В связи с поставленной целью было необходимо решить следующие задачи:

1. Теоретически обосновать универсальный алгоритм для РСФА многоэлементных руд и технологических продуктов.

2. Разработать программное обеспечение для определения содержаний всех определяемых элементов по предложенному универсальному алгоритму на разных типах рентгеновских анализаторов для минеральных объектов анализа с широким спектром содержаний аналитов и сопутствующих примесей.

3. Экспериментально показать возможность применения универсального алгоритма для анализа всех типов поисковых геологических проб, сульфидных (оксидных) медно-никелевых руд и всех продуктов их переработки и обогащения. Обосновать преимущества РСФА по универсальному алгоритму по сравнению с ранее применявшимися способами.

4. Разработать методику РСФА по универсальному алгоритму для автоматизированной системы аналитического контроля (АСАК) технологического процесса флотационного обогащения медно-никелевых руд.

5. Внедрить в производственную практику лабораторий ЗФ «ГМК «Норильский никель» единую методику неразрушающего контроля с целью унификации подходов к получению аналитической информации о технологических процессах на всех предприятиях комбината (трёх металлургических заводах, обогатительной фабрике и семи действующих рудниках).

Научная новизна. Обоснована возможность и подходы к усовершенствованию алгоритма экспрессного РСФА по способу стандарта-фона. Выведено модифицированное универсальное уравнение, более точно учитывающее матричные эффекты и позволяющее анализировать минеральные объекты в широком диапазоне их состаbob без большого количества стандартных образцов, по единому градуировочному массиву реальных твердофазных проб всех анализируемых продуктов, аттестованных контролируемыми методами анализа. Показана возможность применения одного уравнения для анализа твердофазных продуктов различного состава, как на порошковых, так и на пульповых рентгеновских спектрометрах.

Практическая значимость работы. Предложен новый универсальный алгоритм РСФА, обеспечивающий аналитическое сопровождение технологических процессов в горно-обогатительной и металлургической отрасли, начиная от поисков, разведки месторождений и подсчёта запасов, до получения полуфабрикатов (концентратов) и учёта готовой продукции. На принципах РСФА по предложенному универсальному алгоритму разработана унифицированная методика технологического контроля для предприятий, входящих в ЗФ ГМК «Норильский никель». Эта методика после многолетней производственной апробации аттестована Государственным Комитетом РФ по стандартизации и метрологии (Свидетельство № 224.06.09.265/2006).

Её внедрение позволило обеспечить минимум в 4 раза большую производительность по сравнению с методиками, применявшимися до её разработки. Версия унифицированной методики РСФА по способу стандарта-фона в настоящее время является основой АСАК на пульповых спектрометрах АР-31-Н в производственном цикле обогащения руд и производства целевых концентратов меди и никеля на Тал-нахской обогатительной фабрике (ТОФ). Результаты РСФА по универсальному ат-горитму используются для подсчёта запасов меди, никеля и кобальта на семи действующих рудниках (Октябрьский, Таймырский, Комсомольский, Скалистый, Заполярный, Маяк, Медвежий Ручей), а также для оценки качества поступающего сырья, ведения технологических процессов и сертификации конечной продукции трёх металлургических заводов: Медного (МЗ), Никелевого (НЗ) и Надеждинского (НМЗ) и Талнахской обогатительной фабрики (ТОФ). Ежегодный экономический эффект от внедрения инновационной разработки неразрушающим рентгеноспек-тральным методом для продукции Горно-металлургической Компании «Норильский никель» и в горно-металлургической отрасли составляет 60 млн. рублей.

Положения, выносимые на защиту:

1. Универсальный алгоритм РСФА на принципах модифицированного универсального уравнения способа стандарта-фона.

2. Экспериментальное обоснование возможности применения и преимущества предложенного универсального алгоритма РСФА на многоэлементных рудах и продуктах их переработки.

3. Программное обеспечение РСФА по универсальному алгоритму для твёрдо-фазных и пульповых спектрометров, применяемых в технологическом контроле на ГМК «Норильский никель» .

4. Унифицированная методика РСФА по универсальному алгоритму для анализа проб многоэлементных руд и продуктов их переработки.

5. Методика непрерывного аналитического контроля (АСАК) процессов флотационного обогащения.

6. Результаты внедрения разработанных методик в практику аналитических лабораторий Заполярного Филиала ГМК «Норильский никель».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всероссийской конференции «Аналитика России — 2004» (Москва, 2004), 2-й Всероссийской конференции «Аналитические приборы» (Санкт-Петербург, 2005) — V Всероссийской конференции по рентгеноспектральному анализу (Иркутск, 2006).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ (4 статьи, 1 патент и тезисы 4 докладов).

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Зайцев В. А. // Применение универсальных уравнений способа стандарта-фона в рентгеноспектральном флуоресцентном анализе. Статья Сборник научных трудов Норильского индустриального института «Добыча и переработка руд цветных металлов». Норильск, 2000, с. 153 — 158.

2. Патент № 2 240 543 РФ. Способ рентгенофлуоресцентного анализа элементного состава вещества. /Макарова Т.А., Бахтиаров А. В., Зайцев В. А. 2004. Приоритет от 17.10.2002.

3. Бахтиаров А. В., Зайцев В. А., Макарова Т. А. // Многоэлементный рентгеноспек-тральный анализ руд и продуктов их переработки по способу стандарта-фона с использованием модифицированного универсального уравнения. Статья //Журнал Аналитической химии ЖАХ, 2007, т. 62, № 4, с.395−401.

4. Зайцев В. А., Макарова Т. А., Барков А. В., Бахтиаров А. В., Москвин JI.H. // Рент-генофлуоресцентный анализ полиметаллических руд и их переделов в системе автоматического контроля их качества. Статья Заводская Лаборатория, 2007, № 4. с. 3−11.

5. Зайцев В. А., Макарова Т. А., Барков А. В., Бахтиаров А. В., Москвин JI.H. // Нераз-рушающий контроль состава полиметаллических руд и продуктов обогатительного цикла. Статья Журнал «Цветные металлы».2006, № 8, с. 60−67.

6. Зайцев В. А., Макарова Т. А., Бахтиаров А. В. // Новые возможности аналитического контроля технологических процессов методом рентгеноспектрального флуоресцентного анализа с использованием способа стандарта — фона. Тезисы докл. Всероссийской конференции «Аналитика России — 2004», Москва РАН НСАХ, с. 260−261;

7. Зайцев В. А., Макарова Т. А., Барков А. В., Бахтиаров А. В., Москвин J1.H. // Методическое и программное обеспечение РСФА для функционирования АСАК технологических потоков. Тезисы докл. 2-й Всероссийской конференции «Аналитические приборы», Санкт-Петербург — 2005, РАН НСАХ, РФФИ, с. 258−259.

8. Бахтиаров А. В., Зайцев В. А., Макарова Т. А. // Усовершенствованный вариант способа стандарта-фона для рентгенофлуоресцентного анализа многоэлементных руд и продуктов их переработки. Тезисы докл. V Всероссийской Конференции по рентгеноспектральному анализу. Иркутск, 2006 г. Стр. 87.

9. Зайцев В. А., Макарова Т. А., Барков А. В., Бахтиаров А. В., Москвин JI.H. // Схема АСАК на принципах РСФА. Тезисы докл. V Всероссийской Конференции по рентгеноспектральному анализу. Иркутск, 2006 год. Стр. 78.

ВЫВОДЫ.

1. Проведенные исследования позволили расширить возможности экспрессного способа РСФА — способа стандарта-фона. Предложенное модифицированное универсальное уравнение является дальнейшим развитием идеи об использовании при расчете содержаний вспомогательного аналитического параметра Rj, представляющего отношение удельной интенсивности рентгеновской флуоресценции определяемого элемента к интенсивности комптоновского пика. В новом варианте универсального уравнения удалось учесть осложняющие факторы путем введения в параметр Ri дополнительных корректирующих членов. Это существенно улучшило точность анализов сложных объектов по способу стандарта-фона, а простая форма уравнения позволяет быстро проводить градуировку аппаратуры с небольшим числом образцов сравнения и оперативно контролировать стабильность коэффициентов градуировочных характеристик.

2. Предложен новый универсальный алгоритм РСФА, обеспечивающий аналитическое сопровождение технологических процессов в горно-обогатительной и металлургической отрасли, начиная от поисков, разведки месторождений и подсчёта запасов, до получения полуфабрикатов (концентратов) и учёта готовой продукции. Показана возможность применения одного модифицированного уравнения для анализа поисковых геологических объектов, сульфидных (оксидных) медно-никелевых руд и всех продуктов их переработки и обогащения, проверена высокая степень надёжности и точности нового уравнения, которое позволяет выполнять рентгеноспектральный анализ более оперативно и достоверно по сравнению с ранее применявшимися способами.

3. На принципах РСФА по предложенному универсальному алгоритму разработана унифицированная методика технологического контроля для предприятий, входящих в ЗФ ГМК «Норильский никель». Эта методика после многолетней производственной апробации аттестована Государственным Комитетом РФ по стандартизации и метрологии (Свидетельство № 224.06.09.265/2006).

4. Обоснована возможность использования универсального уравнения способа стандарта-фона для РСФА многоэлементных руд и их технологических продуктов, а также теоретически показана возможность усовершенствования уравнения с выводом формулы модифицированного универсального уравнения, пригодного для широкого круга анализируемых объектов. Адекватность и преимущества предложенного алгоритма РСФА подтверждены результатами анализа большого массива объектов анализа на НГМК: поисковых геологических объектов, сульфидных и оксидных медно-никелевых руд и всех продуктов их переработки и обогащения. Показана высокая степень надёжности и точности результатов анализа, получаемых по предложенному алгоритму РСФА.

5. Разработан и внедрён алгоритм программного обеспечения для определения содержания рудных элементов по модифицированному универсальному уравнению на разных тинах рентгеновских анализаторов, для разных объектов анализа поступающих в лаборатории ЗФ «ГМК «Норильский никель».

6. Разработана и внедрена методика РСФА на основе того же модифицированного уравнения для пульповых потоков АСАК технологического процесса флотационного обогащения медно-никелевых руд.

7. В производственную практику лабораторий ЗФ «ГМК «Норильский никель» внедрена единая методика неразрушающего контроля с целью получения аналитической информации о технологических процессах. Её внедрение позволило обеспечить минимум в 4 раза большую производительность по сравнению с методиками, применявшимися до её разработки. Версия унифицированной методики РСФА по способу стандарта-фона в настоящее время является основой АСАК на пульповых спектрометрах АР-31-Н в производственном цикле обогащения руд и производства целевых концентратов меди и никеля на Талнахской обогатительной фабрике (ТОФ).

Результаты РСФА по универсальному алгоритму используются для подсчёта запасов меди, никеля и кобальта на семи действующих рудниках (Октябрьский, Таймырский, Комсомольский, Скалистый, Заполярный, Маяк, Медвежий Ручей), а также для оценки качества поступающего сырья, ведения технологических процессов и сертификации конечной продукции трёх металлургических заводов: Медного (МЗ), Никелевого (НЗ) и Надеждинского (НМЗ) и Талнахской обогатительной фабрики (ТОФ). Ежегодный экономический эффект от внедрения инновационной разработки неразрушающим рентгеноспектральным методом для продукции Горнометаллургической Компании «Норильский никель» и в горно-металлургической отрасли составляет 60 млн. рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Итогом теоретических и экспериментальных исследований по теме диссертации является расширение области применимости предложенных ранее модификаций способа стандарта-фона и усовершенствование методики для решения наиболее сложных аналитических задач, разработка нового способа РСФА, а также внедрение разработанного способа в производственную практику всех лабораторий Заполярного филиала Норильского ГМК.

Это стало возможным в результате многолетнего сотрудничества автора с учеными Санкт-Петербургского государственного университета:

— доцентом Андреем Викторовичем Бахтиаровым, у кого автор учился основам рент-геноспектрального анализа и который был научным консультантом в практической работе и в теоретических исследованиях,.

— заведующим кафедрой аналитической химии профессором Леонидом Николаевичем Москвиным, под непосредственным руководством которого выполнена настоящая диссертация.

Считаю своим долгом выразить им свою искреннюю благодарность. п/п Наименование СОП Си-атт.% Си-УР.(3.2),% d отн.% Ni-атт.% Ni-УР.(3.1),% d отн.% Со-атт.% Со-УР.(3.3),% d отн.% Fe-атт.% Fe-ур.(3.4),% d отн.%.

1 Хвосты отвальн ТОФ 52−93 0,15 0,16 -4,0 0,37 0,419 -13,3 0,02 0,020 1,9 26,25 26,64 -1,5.

2 Шлак ЭПО медн. лин НМЗ 26.1−96 0,18 0,18 1,7 0,041 0,036 12,5 0,024 0,026 -7,2 34,23 35,39 -3,4.

3 Шлак ОП НЗ 22.1−99 0,205 0,20 1,9 0,076 0,073 4,1 0,09 0,091 -1,0 41,06 41,5 -1,2.

4 Граншлак никелевый НМЗ 101−97 0,195 0,191 1,9 0,142 0,136 4,3 0,111 0,113 -1,6 40,1 40,7 -1,4.

5 Шлак ганул.отваль.НМЗ 48.1−94 0,552 0,537 2,7 0,112 0,108 3,3 0,07 0,071 -1,0 43,1 43,7 -1,4.

6 Шлак ПВП меднной линии НМЗ 39.2−98 0,65 0,66 -1,1 0,12 0,122 -1,5 0,038 0,035 8,0 40,4 41,3 -2,2.

7 Шлак ПВП никел. линии НМЗ 114−98 0,67 0,69 -3,4 1,55 1,65 -6,8 0,206 0,229 -11,3 41,1 41,9 -1,8.

8 Концентрат пирроин.очищ.НМЗ 50−93 0,53 0,52 1,4 2,19 2,20 -0,4 0,092 0,088 4,0 49 49,0 0,0.

9 Окислен. пульпа НМЗ 96−97 0,195 0,18 6,1 0,796 0,795 0,1 0,04 0,037 8,4 39,6 39,9 -0,8.

10 Пульпа ГМЦ НМЗ 97−97 0,31 0,31 0,8 1,49 1,57 -5,1 0,067 0,065 3,0 39,6 40,4 -1,9.

11 Серосульфид. концентрат НМЗ 98−99 0,83 0,81 1,9 5,43 5,93 -9,3 0,245 0,241 1,4 23,38 24,7 -5,6.

12 Шлак конверт.медн.линии НМЗ 100−97 2,93 2,71 7,4 1,1 1,01 8,6 0,281 0,293 -4,1 56,6 56,4 0,3.

13 Концентрат никел. отфильтр 27−99 2,51 2,53 -0,8 4,47 4,50 -0,7 0,166 0,157 5,4 41,4 42,4 -2,5.

14 Концентрат никел. ТОФ 130−95 3,47 3,58 -3,1 7,14 7,05 1,2 0,326 0,315 3,5 49,5 50,5 -2,0.

15 Руда богатая сульф. Медо-ник. НРП-1−94 3,75 3,80 -1,3 4,72 4,73 -0,3 0,153 0,146 4,6 53,95^ 53,3 1,3.

16 Оборты бедные дроблен. НМЗ 89.1−95 2,64 2,66 -0,9 3,73 3,66 1,8 0,637 0,646 -1,3 51,1 50,8 0,7.

17 Шлак ПВ НМЗ 147−98 5,9 5,85 0,8 0,92 0,95 -3,3 0,31 0,30 2,3 28,2 27,5 2,3.

18 Обогащенная никел. масса НМЗ 102−97 29,37 29,53 -0,5 37,16 36,91 0,7 0,81 0,79 2,6 7,74 8,25 -6,6.

19 Файнштейн медно-никел.ГСО 34−98 33,6 34,19 -1,7 38,7 38,47 0,6 0,57 0,55 3,8 3 3,26 -8,6.

20 Файнштейн медно-никел.НМЗ 56.1−94 26,63 26,25 1,4 45 45,09 -0,2 1,05 1,01 4,1 2,86 2,73 4,7.

21 Файнштейн медно-никел.НЗ 56.2−94 35,97 35,33 1,8 36,79 36,80 0,0 0,91 0,861 5,4 2,48 2,38 3,9.

22 Штейн ПВП медной линии НМЗ 112−98 49 49,07 -0,1 6,7 6,74 -0,6 0,125 0,131 -4,8 18,1 17,98 0,7.

23 Штейн ПВП медной линии НМЗ 37.3−98 59,8 60,37 -1,0 3,5 3,56 -1,6 0,064 0,072 -13,2 12,1 11,91 1,6.

24 Концентрат медный ЦРФ (КМЦ) 30.1−97 66,8 66,72 0,1 6,44 6,67 -3,6 0,188 0,189 -0,6 3,1 3,14 -1,3.

25 Концентрат медный ЦРФ (КМЦ) 30.2−97 67,6 67,22 0,6 5,42 5,62 -3,6 0,186 0,184 1,0 3,28 3,28 0,1.

26 Медный штейн ПВ НМЗ 146−98 67,5 67,60 -0,2 6,27 6,14 2,1 0,23 0,223 3,2 3,7 3,60 2,8.

27 Штейн МОП МЗ 87−95 69,5 69,62 -0,2 4,61 4,37 5,1 0,15 0,148 1,4 3,8 3,81 -0,3.

28 Концентрат никел. ЦРФ (КНЦ) 29.1−97 3,73 4,08 -9,3 64 64,0 0,0 1,2 1,20 -0,2 3,07 2,83 7,9.

29 Концентрат никел. ЦРФ (КНЦ) 29.2−97 9,27 9,42 -1,6 59 59,2 -0,4 1,19 1,20 -0,7 2,81 2,69 4,3.

30 Гидроокись кобальта 110−93 0,006 0,006 -2,3 0,16 0,160 -0,1 55,4 53,9 2,7 0,025 0,025 -0,4.

31 Руда сульфидная вкрапл." Запол." 148.3−98 0,6 0,59 1,7 0,47 0,45 3,6 0,019 0,020 -5,0.

32 Руда сульфидная вкрапл." Маяк" 148.2−98 1,48 1,48 -0,3 0,59 0,60 -1,7 0,022 0,025 -13,0.

33 Руда сульфидная мед." Комсом" 148.1−98 2,39 2,44 -2,0 0,78 0,80 -2,4 0,019 0,021 -9,1.

34 Руда сульфидная пиррот." Октябр" 148.5−98 4,92 5,00 -1,7 3,6 3,60 0,0 0,166 0,154 7,1.

35 Руда сульфидная мед." Октябр." 148.4−98 6,94 7,23 -4,2 1,29 1,28 0,8 0,039 0,041 -4,3.

РОС СШ1&CIKAJi ФИЦ'^^ЦЖЛ i, а и a я и.

И1.

5i f as ia «к &.

IIAT?HT.

МЛ И ЮЫ’КTKIIHI" 2 240 543.

СПОСОБ РЕНТГЕНОФЛУОРНСПНПТПОГО АНАЛИЗА ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ВЕЩЕСТВА.

11атент (Х|Ллалптслъ (ли): Открытое акционерное общество «Горно-металлургическая компания» «Норильский никель» (RV).

А"тор (ы)1. см. на обороте.

Чаинка Х" 2 002 127Н45.

Прииритп ii. uiCi|"'ri-H>iM 17 октября 2002 г. fciponiO ри pOBOJ lu ti Государственном pcк действия патмгта истекает 17 октября 2022 г.

Рук1жЫ)итглъ Федералыюй службы пи интеллектуальной собствоаин’ти. патента w и товарным знака." II. Cuuttmtn Z й Й И И Й «SSSKSK SKBf SSB ПИ ПНЙ!"5"""ИЙ1е"''Я!»:"Я"В"Н<