О возможности прогнозной оперативной оценки качества рудного сырья методом рентгенотомографии

Ключевые слова: минеральное сырье, руда, качество, оценка, разбраковка, рентгеновская томография, просвечивание, технологическая минералогия

Keywords: mineral raw materials, ore, quality, estimation, grading, X-ray tomography, transmission, technological mineralogy

Прогноз качества, выбор технологий переработки и разбраковка исходного сырья в процессах обогащения и передела должны основываться на всестороннем детальном изучения его состава. Показана возможность оперативной оценки качества поступающей на переработку руды по данным рентгенотомографического исследования. Использование рентгеновской томографии в комплексе с другими методами, обеспечивающими в технологические процессы промышленной переработки минерального сырья, может быть эффективно применено для отбраковки бедной руды или пустой породы на обогатительных комбинатах.

Forecasting of quality, technologies and grading of the raw materials at enrichment and processing bases on all-round detailed studying of its structure. Possibility of an operative estimation of quality of ore arriving for processing on X-ray CT data is displayed in this research. Using of X-ray tomography in a complex with other methods in technological industrial processing of mineral raw materials can effectively grade the dead rocks or poor ores of the rich one at industrial processing enterprise.

Промышленная вычислительная томография, называемая в мировой практике X-ray CT – computed  tomography или transmission tomography, развивалась как метод для решения задач в области дефектоскопии, являясь инструментом неразрушающего контроля внутренних параметров объекта, а в последнее время также широко используется в медицине для выявления патологических изменений мягких и костных тканей [1-5].

Существенным преимуществом метода является его недеструктивность, простота процедуры съемки, отсутствие необходимости предварительной подготовки объекта исследования и оперативность (анализ проводится за единицы – первые десятки минут). Для геологии рентгенотомография является сравнительно новым аналитическим методом, в России использовать данный метод для изучения геологических объектов было предложено в 1993 году [4]. Следует отметить, что рентгенотомографическое изучение природных и техногенных объектов имеет другие задачи и определенные особенности, чем простая интроскопия и медицинская рентгеновская томография: промышленные изделия не имеют такого сложного, разнообразного и порой очень близкого минерального состава и текстурно-структурных характеристик, каковыми являются горные породы и минералы [1, 3] В медицинской томографии биологические объекты слабее ослабляют первичное рентгеновское излучение, но, тем не менее,  элементы этих объектов имеют более диффиренцированные коэффициенты ослабления.

Принимая во внимание вышеизложенное, для исследования геологических объектов рентгеновский томограф должен иметь определенные конструкционные характеристики, отличные как от медицинских томографов, так и дефектоскопов.

В основе метода рентгеновской томографии лежит реконструкция (восстановление) пространственного распределения величины линейного коэффициента ослабления (ЛКО) рентгеновского излучения в плоском слое объекта исследования на основе компьютерной математической обработки теневых проекций, получаемых при просвечивании рентгеновским лучом по различным направлениям вдоль исследуемого слоя. Величина ЛКО m (см-1) любого вещества зависит как от его химического состава и плотности, так и от энергии воздействующего на него гамма-излучения. Для фиксированной энергии гамма-излучения величина ЛКО может быть вычислена по формуле:

m = m_mЧr,

где m_m – массовый коэффициент ослабления гамма-излучения рассматриваемого вещества при той же энергии, см²/г; r – плотность вещества, г/см3. При расчете теоретических значений ЛКО вводится поправка на немоноэнергетичность спектра первичного рентгеновского излучения и на наличие поглощающей среды.

В настоящей работе изучалась возможность экспрессной разработки рудосодержащих кусков от пустой породы с помощью рентгеновского томографа. Для исследования было предоставлено 5 зашифрованных образцов, отобранных из минералогических проб руды одного из месторождений Дальнего Востока России, предназначенных к промышленной переработке.

Экспериментальное исследование выполнено на промышленном рентгеновском вычислительном микротомографе ВТ-50-1 «Геотом», изготовленном АО «Промышленная интроскопия» (Россия) специально для решения геологических задач. Источник рентгеновского излучения – микрофокусный рентгеновский аппарат типа РЕИС-150М, оснащенный электростатической и магнитной системами фокусировки электронного пучка и воздушной системой охлаждения мишени. Условия съемки рентгенограмм: рабочее напряжение рентгеновской трубки U= 100 kV, блок детекторов 8 измерительных каналов со сцинтилляторами  CsJ(Na), шаг сканирования 3 мкм. Микротомограф имеет автономную биологическую защиту, отвечающую необходимым требованиям норм радиационной безопасности. Ограничения метода определяются конструкционными особенностями микротомографа и реализуемыми алгоритмами обработки данных.

Исследование проводилось в соответствии с нормативно-методическими документами: методическими рекомендациями НСОММИ [6, 8] и инструкцией по обработке изображений [7].  Для каждого образца было снято по 10 томограмм по случайно выбранным сечениям, которые были затем обработаны по программе TomAnalysis. Выделенные фазы тестировались на вероятность отнесения к «рудным» и «нерудным» по коэффициенту поглощения рентгеновских лучей, на основании чего была выполнена их разбраковка. Томограммы и результаты их обработки приводятся на рис.1.

Рис. 1. Рентгенотомографическое исследование образцов 1-5: томограмма (а); обработка по программе TomAnalysis – выделение фаз (б)  и гистограмма их процентного соотношения (в).

По диапазонам значений ЛКО рентгеновских лучей в образцах выделяется  до 7 основных фаз, из которых первые три (α/Al до~1,6)  можно соотнести с породообразующим минералами - слоистые алюмомосиликаты, кварц (желтое), полевые шпаты, карбонаты (лососево-розовое); затем  (α/Al 1,6-1,8) – гидроксидами металлов, главным образом железа (оранжевое) гидроксиды - оксиды металлов; далее(α/Al >1,8) следует диапазон рудных минералов оксидов металлов– коричневое, синее, малиновое. В образце № 3 установлена «сильнопоглоцающая» фаза, предположительно металлический Ni  размером не более 30мкм (зеленое).

В результате анализа рентгенотомографических данных сделано следующее заключение: образцы 2 и 3 следует считать «бедной» рудой, образец 5 – «пустой» породой, а 1 и 4 являются «богатой» рудой, направляемой на переработку. Полученный результат о качестве руды совпал с данными выполненного ранее минералогического анализа этих же проб.

По оперативно устанавливаемым данным рентгенотомографического анализа о значениях и распределении ЛКО (диапазоне значений и средних величинах ЛКО) в исследуемом образце, можно прогнозировать содержание рудных минералов (%), т.е. разбраковывать продуктивные (рудосодержащие) куски от пустой породы; устанавливать текстурно-структурные параметры и выявлять взаимосвязь этих параметров с технологическими свойствами (дробимость, измельчение, характер раскрытия рудных минералов и пр.), а также прогнозировать технологические показатели обогащения руд и потери в хвостах за счет неполного раскрытия минералов.

Таким образом, проведенные исследования показали перспективность использования метода РТ в комплексе с другими методами в технологических схемах промышленного обогащения для оценки качества и разбраковки руды, поступающей на переработку на обогатительных комбинатах.

Библиографические источники

1.      Вайнберг Э.И.  Компьютерные томографы – уникальные средства бесконтактного измерения размеров и плотности внутри сложных неразборных промышленных изделий // Мир измерений. 2004. №3. С. 8-14.

2.      Блинов Н.Н. Методы компьютерной томографии в медицине // Здравоохранение и медицинская техника 2005. №3 (17). C. 10-11.

3.      Неразрушающий контроль. В 5-ти кн. / Под ред. В.В. Сухорукова. М.: Выс. шк. 1993. 329 С.

4.      Хозяинов М.С., Вайнберг Э.И. Рентгеновский микротомограф как инструмент изучения образцов горных пород // Матер. межд. научн. конф. «Геофизика и современный мир» / М.: ВИНИТИ, 1993. С. 255.

5.      Геологическое изучение и использование недр. Информационный сборник, М.: Геоинфорцентр, 2003. Вып. 5, 6. С.38-53.

6.      Исследование фазовой и структурно-текстурной микронеоднородности объектов методом рентгеновской микротомографии. Методические рекомендации № 130 // Утверждены НСОММИ. М.: ВНИИгеосистем. 1999. 53 с.

7.      Инструкция для пользователя по обработке изображений с помощью программы «TomAnalysis» (на примере геологических образцов) // Утверждена ГНЦ РФ ВНИИгеосистем. / М.: ВНИИгеосистем. 2003. 44 с.

8.      Рентгенотомографический анализ карбонатных марганцевых руд. Методические рекомендации № 146 // Утверждены НСОМИ/ М.: ВИМС. 2001. 19 с.