3.2. Радиометрическое обогащение

Радиометрические методы обогащения основаны на различиях в способности минералов испускать, отражать или поглощать различные виды излучения (табл.3.1).

Принцип всех способов радиометрического обогащения одинаков (рис.3.1): на руду 3, перемещаемую в пространстве, действует какое-либо излучение от источника 1; сигнал, возникающий от взаимодействия минералов с этим излучением, улавливается приемником 4; информация передается в специальный прибор-радиометр 5, где обрабатывается и подается команда на исполнительный механизм 6, направляющий кусок в сборник концентрата или в сборник хвостов. Для отсечения посторонних сигналов в схеме установлены фильтры 2.

В случае авторадиометрического обогащения схема значительно упрощается, так как отпадает необходимость в источнике первичного излучения (радиоактивные минералы сами испускают излучение).

Таблица 3.1

Классификация радиометрических методов обогащения

Физические процессы взаимодействия излучения с минералом	Признак разделения	Название метода
I. Гамма-излучение (<10-3 мм)
Фотоядерная реакция	Плотность потока образующегося нейтронного излучения	Фотонейтронный метод
Возбуждение рентгеновского флюоресцентного излучения	Интенсивность возбужденного рентгеновского излучения	Гамма-флюоресцентный метод
Рассеивание на электронных оболочках	Интенсивность обратноотраженного гамма-излучения	Гамма-отражательный метод
Поглощение атомами	Интенсивность прошедшего гамма-излучения	Гамма-абсорбционный метод
II. Бета-излучение (10-3-10-2 мм)
Возбуждение рентгеновского флюоресцентного излучения	Интенсивность наведенного рентгеновского излучения	Бета-флюоресцентный метод
Рассеивание на электронных оболочках	Интенсивность обратноотраженного бета-излучения	Бета-отражательный метод
III. Нейтронное излучение (10-2-10-1 мм)
Захват ядрами нейтронов с образованием искусственной радиоактивности	Плотность потока наведенного излучения	Нейтронно-активационный метод
Захват ядрами нейтронов с образованием характеристического гамма-излу­чения	Интенсивность характеристического гамма-излучения	Нейтронно-радиационный метод
Частичное поглощение потока нейтронов	Плотность потока прошедших нейтронов	Нейтронно-абсорбционный метод
IV. Рентгеновское излучение (10-1-10 мм)
Возбуждение вторичного флюоресцентного рентгеновского излучения	Интенсивность вторичного излучения	Рентгенофлюоресцентнный метод
Рассеивание на электронных оболочках	Плотность отраженного излучения	Рентгеноотражательный метод
Окончание табл.3.1
Физические процессы взаимодействия излучения с минералом	Признак разделения	Название метода
Поглощение излучения	Интенсивность прошедшего излучения	Рентгеноабсорбционный метод
Возбуждение люминесценции	Световой поток люминесценции	Рентгенолюминесцентный метод
V. Ультрафиолетовое излучение (3102 мм)
Возбуждение люминесценции	Световой поток люминесценции	Фотолюминесцентный метод
VI. Видимый свет ((3,8-7,6)102 мм)
Зеркальное отражение	Световой поток зеркально отраженного света	Зеркальный фотометрический метод
Диффузное отражение	Световой поток диффузно отраженного света	Фотометрический метод
Поглощение света	Интенсивность прошедшего светового потока	Фотоабсорбционный метод
VII. Инфракрасное излучение (102-104 мм)
Поглощение тепла и возникновение инфракрасного излучения	Интенсивность испускаемого инфракрасного излучения	Инфраметрический метод
VIII. Радиоволновое излучение (105-1014 мм)
Поглощение радиоволн	Интенсивность прошедшего излучения	Радиоабсорбционный метод
Поляризация диэлектриков	Изменение энергии электромагнитного поля	Емкостной радиорезонансный метод

Основными факторами, влияющими на показатели радиометрического обогащения, являются: характеристика руды, качество применяемых аппаратов, характеристика используемой схемы обогащения. Характеристика руды при этом включает содержание ценного компонента, гранулометрический состав, распределение ценного компонента в кусках руды и между кусками.

Содержание основного и сопутствующих ценных компонентов влияет на эффективность обогащения. Особенно эффективно радиометрическое обогащение руд с невысоким содержанием ценного компонента; при этом можно ожидать значительного выхода крупнокусковых хвостов. Радиометрические процессы как более дешевые позволяют снижать существующие кондиции на содержание ценных компонентов, вовлекать в промышленное использование некондиционные, разубоженные и забалансовые руды.

Гранулометрический состав руды имеет особенно большое значение при покусковом режиме сепарации, так как производительность сепараторов снижается с уменьшением крупности кусков руды, а мелкие классы вообще не подвергаются сепарации. По мере повышения контрастности руды можно сепарировать более мелкие классы. Перед сепарацией материал, как правило, классифицируется, так как работа на узких классах крупности повышает эффективность обогащения. В настоящее время верхний предел крупности обогащаемой руды составляет около 300 мм, нижний – 1-2 мм.

Распределение полезного компонента в кусках дробленой руды может быть различно: 1) только пустая порода; 2) только полезный минерал; 3) сростки полезного минерала и пустой породы. В последнем случае полезный минерал в куске может распределяться по-разному: располагаться по всему куску равномерно или концентрироваться в какой-либо части куска. Наиболее высокие показатели обогащения достигаются в случае полного раскрытия полезного минерала, когда полезный минерал и пустая порода находятся в отдельных кусках. Следует отметить, что, если имеются сростки, в которых полезный минерал находится внутри куска, то для обогащения такого сырья применим только радиометрический способ, использующий проникающее излучение.

Распределение полезного минерала между кусками дробленой руды (контрастность руды) относится к важнейшим технологическим характеристикам, определяющим показатели обогащения. Контрастность характеризует степень различия кусков руды по содержанию в них ценного компонента и зависит, в основном, от природных свойств руды, условий добычи и предварительной подготовки ее к обогащению. В идеально контрастных рудах полезный компонент сосредоточен в кусках, состоящих только из полезного компонента. В предельно неконтрастных рудах содержание полезного компонента во всех кусках одинаково и равно содержанию в руде.

Количественная оценка контрастности осуществляется коэффициентом контрастности, определяемым как среднее относительное отклонение содержания полезного компонента в кусках руды от среднего его содержания в руде:

,

где  – среднее содержание полезного компонента в руде, %; у_i – то же, в отдельных кусках пробы, %; q_i – доля массы куска в общей массе пробы, доли ед.^

Показатель контрастности можно определить также по кривым контрастности, построенным по данным фракционного состава аналогично кривым обогатимости, с той разницей, что группировка кусков во фракции осуществлена непосредственно по содержанию ценного компонента.

Для расчета показателя контрастности через точку С пересечения основной кривой  (рис.3.2) с линией среднего содержания металла в руде АА проводится параллельно оси абсцисс линия ЕЕ, которая, пересекаясь с кривыми , ,  и осью ординат, позволяет получить исходные данные для расчета показателя контрастности по формуле

M = 2_хв(1 – /). (3.2)

В формулу (3.2) выход хвостов _хв подставляется в долях единицы. Пределы изменения коэффициента контрастности 0-2, что легко определить по формуле (3.2).

Предположим, что содержание полезного компонента во всех кусках одинаково (руда неконтрастная), тогда содержание в хвостах будет равно содержанию в концентрате и в руде ( =  = ). Тогда величина в скобках будет равна 0 и М  0. В другом крайнем случае руду можно представить как совокупность одного куска, состоящего только из полезного компонента, и множества кусков пустой породы (например, алмазы). В этом случае   0,   1, а М  2.

По значению коэффициента контрастности М руды делят на следующие группы:

Весьма слабоконтрастные	0-0,4
Слабоконтрастные	0,4-0,8
Среднеконтрастные	0,8-1,2
Сильноконтрастные	1,2-1,6
Весьма сильноконтрастные	1,6-2

Первый тип руд практически не поддается обогащению, второй обогащается плохо, при обогащении третьего можно ожидать хороших результатов, два последних относят к легкообогатимым рудам.

Характеристика применяемых аппаратов и приборов оказывает существенное влияние на результаты обогащения. Все радиометрические сепараторы имеют следующие одинаковые узлы: узел источника излучения (нерадиоактивные руды), узел регистрации, счетно-измерительный блок (радиометр), исполнительный механизм и вспомогательные узлы. Чем совершеннее аппаратура, тем выше показатели обогащения.

При прочих одинаковых условиях на показатели обогащения влияет конфигурация применяемой схемы. Используют покусковой, порционный и поточный режимы радиометрической сепарации. При покусковом и порционном режимах куски или порции руды во время прохождения через сепаратор пространственно разделены. Поточный режим, при котором через сепаратор руда проходит непрерывно, – наиболее производителен. Более высокие технологические показатели обогащения получают при покусковом режиме.

Руды, в которых менее 70 % кусков подлежат удалению с хвостами, рационально обогащать в один прием при покусковом режиме. Для обогащения руд, в которых удалению с хвостами подлежат более 90 %, может оказаться целесообразной основная операция в порционном или поточном режимах и перечистка концентрата в покусковом режиме.

Радиометрическое обогащение радиоактивных руд. Радиометрическое обогащение радиоактивных руд является первым промышленно освоенным процессом. В современной научно-технической литературе этот процесс называют авторадиометрическим обогащением. Авторадиометрический метод основан на использовании излучений естественно-радиоактивных химических элементов. Из трех видов излучений (альфа-, бета- и гамма-излучение) в промышленных аппаратах используется, главным образом, проникающее гамма-излучение, так как альфа- и бета-излучения легко поглощаются стенками аппаратуры и не дают нужной информации. В зависимости от интенсивности гамма-излучения руда разделяется на отдельные продукты. Этот метод широко применяют для обогащения урановых руд, а также для руд, в которых ценный компонент находится в минералах, попутно содержащих также радиоактивный химический элемент.

Наибольшее распространение среди радиоактивных руд имеют урановые, говоря о обогащении которых следует помнить, что они, как правило, комплексные. Наряду с ураном руды содержат ряд других ценных компонентов, попутное извлечение которых резко повышает рентабельность производства. Наиболее характерными являются: золотоурановые (U  0,01 %, Au  0,51 г/т), фосфорно-урановые (U  0,010,02 %, P₂O₅  510 %), ванадий-урановые (U  0,020,03 %, V₂O₅  0,51 %), медно-урановые (U  0,020,03 %, Cu  0,20,3 %), пиритно-урановые (U  0,010,02 %, S  23 %), цирконоурановые (U  0,010,02 %, ZrO₂  12 %), ниобиево-урановые (U  0,010,02 %, Nb₂O₅  0,050,1 %), ториево-урановые (U  0,010,02 %, ThO₂  0,050,1 %).

По технике осуществления, технологии и задачам авторадиометрическое обогащение подразделяется на радиометрическую крупнопорционную сортировку; радиометрическую сепарацию.

Радиометрическая крупнопорционная сортировка – процесс разделения руды на сорта на основе измерения интенсивности излучения крупных ее объемов, загруженных в транспортные емкости: вагонетки, автомашины и др. При сортировке кондиционные руды отделяются от забалансовых и пустой породы. Радиометрическая крупнопорционная сортировка – самый производительный и дешевый обогатительный процесс, применимый только к рудам, отличающимся достаточной неравномерностью по содержанию ценного компонента. Измерение радиоактивности отдельных порций руды производят радиометрическими контрольными станциями (РКС). Датчики, регистрирующие излучение, ставят непосредственно у вагонеток или над автосамосвалами. Содержание полезного компонента определяют по интенсивности излучения, пользуясь специальными градуировочными графиками. Например, на урановых предприятиях широко используется сортировочный узел, оснащенный радиометром «Стрела». Исполнительным механизмом являются железнодорожные стрелки, и вагонетки, выходящие из забоя, направляются ими в накопители того или иного сорта руды в зависимости от интенсивности излучения.

Радиометрическая сепарация осуществляется при покусковом режиме на ленточных сепараторах. Схема такого сепаратора показана на рис.3.3. Руда подается на ленту конвейера питателем. Скорости ленты и питателя согласованы так, чтобы обеспечить покусковую подачу материала. В приводном барабане конвейера расположен датчик (приемник излучения). Исполнительный механизм шиберного типа направляет кусок в сборник концентрата или в сборник хвостов. Сепаратор работает на материале крупностью 25-200 мм, скорость движения ленты 0,3-0,6 м/с, производительность до 25 т/ч.

Интенсивность естественного излучения определяется не только содержанием радиоактивного элемента в куске, но и размером куска. Поскольку даже в сравнительно узком классе крупности всегда содержатся куски разного размера, для учета погрешности на размер применяют сепараторы, в которых установлена оптическая система, автоматически определяющая размеры куска и вносящая соответствующую поправку при сепарации.

Например, авторадиометрический сепаратор КН с автоматической коррекцией массы кусков работает следующим образом. Виброжелоб подает куски руды на конический питатель, при вращении которого они выстраиваются в ряд и попадают на короткий ленточный конвейер, откуда, свободно падая, направляются в зону измерения. Подход куска к датчику фиксируется фотоэлементом. Время затемнения фотоэлемента куском руды характеризует его размер. Результат измерения подается в счетную схему радиометра для корректировки уровня настройки сепаратора. Интенсивность излучения куска измеряется сцинтилляционным датчиком. В качестве исполнительного механизма используется трехдюзный пневмоклапан, включаемый по сигналу радиометра во время прохождения куска перед соплом клапана. Время дутья клапана зависит от размера куска. Производительность сепаратора по классу –200+50 мм достигает 20-50 т/ч при расходе электроэнергии 3 кВтч. На рис.3.4 приведена схема обогащения урановой руды.

При радиометрическом обогащении золотоурановой руды на одной из фабрик ЮАР получены хорошие результаты (табл.3.2).

Таблица 3.2