Результат интеллектуальной деятельности: Способ сортировки породы (варианты)

Изобретение относится к области обогащения полезных ископаемых, а именно к способам обогащения различных пород полезных ископаемых по их теплофизическим свойствам, и может быть использовано при сепарации минеральных частиц, у которых теплопроводность и теплоемкость существенно отличаются от частиц пустой породы, например, таких, как различные самородные минералы (медь, золото и тому подобные), в том числе минералы алмазосодержащей породы. Заявляемый способ может быть использован на этапах обогащения полезных ископаемых.

Заявляемое изобретение относится к приоритетному направлению развития науки и технологий «Технологии экологически безопасной разработки месторождений и добычи полезных ископаемых» [Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г. Смирнов, Е.В. Скиданова, С.А. Краснов. - М.: ПАТЕНТ, 2008. - с. 110], так как заявляемый способ является экологически безопасным.

Существует ряд контактных способов с использованием различных устройств для выявления алмазов и бриллиантов, например, способ, раскрытый в описании патента РФ 2011978, с использованием устройства для идентификации алмазов и бриллиантов (патент РФ 2011978, МПК 5 G01N 25/18, опубликовано 30.04.1994), в котором идентификация алмаза осуществляется контактным образом с использованием электронной схемы с транзистором.

Признаками способа-аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, является назначение и использование физического воздействия.

Известный способ с использованием устройства для идентификации алмазов и бриллиантов по патенту РФ 2011978 весьма сложен для промышленного обогащения алмазоносной руды. Другие подобные контактные устройства также невозможно использовать в промышленной сепарации (сортировке) алмазов от породы их содержащей.

Существует ряд способов, представляющих собой рентгенолюминесцентную сепарацию алмазов из исходной алмазосодержащей породы.

Известен, например, способ люминесцентной сепарации минералов из обогащаемого материала (патент РФ №2362635, МПК В07С 5/346 (2006.01), В03В 13/06 (2006.01), опубликовано 27.07.2009), использующий возникающую под воздействием возбуждающего излучения люминесценцию извлекаемого минерала.

Признаками способа-аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, является использование физического воздействия.

Недостатками данного способа являются:

- во-первых, высокие энергозатраты;

- во-вторых, не все минеральные частицы ценного компонента люминесцируют, а часть пустой породы может также люминесцировать, давая ложный сигнал, что снижает эффективность сепарации;

- в-третьих, сложная система обработки полученных ответных сигналов, что не позволяет получать требуемое извлечение ценного компонента из исходной руды;

- в-четвертых, применение проникающего электромагнитного излучения не является безопасным.

Известен способ сепарации алмазосодержащих материалов и устройство для его осуществления (патент РФ №2366519, МПК В07С 5/346 (2006.01), В03В 13/06 (2006.01), G01N 23/00 (2006.01), опубликовано 10.09.2009).

Признаками способа-аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, является физическое воздействие (облучение в рентгеновском диапазоне электромагнитных волн) на исходный материал.

Недостатками данного способа также являются:

- во-первых, высокие энергозатраты;

- во-вторых, не все минеральные частицы ценного компонента люминесцируют, а часть пустой породы может также люминесцировать, давая ложный сигнал, что снижает эффективность сепарации;

- в-третьих, сложная система обработки полученных ответных сигналов, что не позволяет получать требуемое извлечение ценного компонента из исходной руды;

- в-четвертых, применение проникающего электромагнитного излучения не является безопасным.

Известен способ, который реализуется при работе люминесцентного сепаратора для обогащения минерального сырья и устройства отделения искомого продукта для сепараторов (патент РФ №2215586, МПК В03В 13/06, В07С 5/346, опубликовано 10.11.2003).

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются способ, в котором осуществляется физическое воздействие (облучение в некотором диапазоне электромагнитных волн) на исходный материал.

Недостатками данного способа являются, как было сказано выше: во-первых, высокие энергозатраты; во-вторых, не все минеральные частицы ценного компонента люминесцируют, а часть пустой породы также может люминесцировать; в-третьих, сложная система обработки полученных ответных сигналов, что не позволяет получать требуемое извлечение ценного компонента из исходной руды; в-четвертых, применение проникающего электромагнитного излучения не является безопасным.

Таким образом, все способы, по которым работают рентгенолюминесцентные сепараторы, имеют ряд недостатков:

- экологически не безопасны, так как используется электромагнитное излучение, неблагоприятно действующее на живые организмы;

- сложный обсчет выявления ценного компонента;

- большие энергозатраты;

- не все алмазы светятся под рентгеном, так как их свечение обусловлено примесями (азот и другие примеси);

- кроме алмазов под рентгеном светится еще ряд минералов (цирконы, пиропы, галиты, кальциты и др.), поэтому, способы рентгенолюминесцентной сепарации устройств НПО «Буревестник» идентифицируют алмазы по затуханию их свечения после облучения рентгеном, что усложняет процесс сепарации;

- для способов рентгенолюминесцентной сепарации необходимо сложное аппаратурное исполнение (защита людей и других живых организмов от проникающего электромагнитного излучения, сложные электронные схемы и другие элементы устройства).

Наиболее близким к заявляемому способу является способ сортировки добытой породы (патент РФ №2401166, МПК В07С 5/342 (2006.01), G01N 33/24 (2006.01), опубликовано 10.10.2010), в котором сортировка основана на анализе посредством термического формирования изображений и идентификации частиц, содержащих ценный материал. Для чего на грубую фракцию частиц осуществляют воздействие некоторого вида нагрева и проводят разделение грубой фракции на частицы, содержащие, по результатам анализа посредством термического формирования изображений, ценный материал, и частицы, относительно непродуктивные с точки зрения содержания ценного материала.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:

- измельчение добытой руды;

- разделение частиц по крупности;

- воздействие на одну из фракций частиц некоторого вида физического воздействия с последующим анализом посредством термического формирования изображений и идентификацией частиц, содержащих ценный материал;

- отделение ценного материала из анализируемой фракции частиц по результатам анализа посредством сформированных изображений.

Недостатком прототипа также является осуществление того или иного нагрева, что требует безусловно дополнительных энергозатрат. Однако, нагрев не всегда приемлем, так как исходная руда может содержать минералы, которые при нагреве выделяют ядовитые или токсичные вещества. Например, колорадоит - минерал, содержащейся в застывшей магме (кимберлитовой трубке). Этот минерал при нагреве выделяет смертельно ядовитые пары и пыль. Кроме этого, кимберлитовая трубка в ряде случаев содержит некоторое количество нефти. Пары нефти также токсичны, а при нагреве с воспламенением выделяют еще более токсичные вещества. Особенно сильно могут нагреться вышеприведенные вещества при СВЧ, которое используется для нагрева в прототипе. Так же нагрев не приемлем при обогащении других руд, содержащих токсичные минералы (киноварь, аурипигмент, стибнит, торбернит, арсенопирит, асбест, галенит, гутчинсонит, халькантит и другие), так как такие минералы выделяют ядовитые и токсичные химические вещества.

Изобретение направлено на создание эффективной безопасной технологии сортировки породы, содержащей ценные компоненты, такие как алмазы, самородные металлы (золото, медь и другие подобные металлы) и минералы, существенно отличающиеся по теплофизическим свойствам от пустой породы.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении эффективности сепарации за счет получения более четких термических изображений, способствующих разделению ценных и неценных компонентов руды, посредством охлаждения рудной массы.

Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что в способе сортировки породы, включающем измельчение добытой руды, разделение частиц на фракции по крупности, воздействие на фракцию частиц некоторого вида физического воздействия с последующим анализом посредством формирования изображений и идентификации частиц, содержащих ценный материал, и отделение из фракции частиц, содержащих по результатам анализа посредством формирования изображений ценный материал, согласно изобретению, перед анализом посредством формирования термических (инфракрасных) изображений и в процессе идентификации частиц фракцию подвергают некоторому виду охлаждения и осуществляют регистрацию распределений температуры в виде инфракрасных изображений, а отделение ценного материала из фракции частиц проводят по теплофизическим характеристикам минералов, зафиксированным на инфракрасных изображениях. Причем, регистрацию распределений температуры в виде инфракрасных изображений осуществляют в диапазоне от 0,74 мкм до 14 мкм длин электромагнитных волн, а охлаждение фракции частиц осуществляют потоком охлажденного газа, пара, тумана или газовым потоком, содержащим любые охлажденные частицы, например, снег/лед и тому подобные частицы.

Охлаждение анализируемой фракции частиц осуществляют со стороны подложки или конвейера (транспортера, лотка или любого подобного устройства), а регистрацию распределений температуры в виде инфракрасных изображений осуществляют с помощью тепловизора. Отделение ценных минералов от минералов пустой породы осуществляют по разности контраста или цвета на инфракрасных изображениях ценных минералов и минералов пустой породы исполнительным механизмом.

Отделение ценных минералов от минералов пустой породы осуществляют по разности температур ценных минералов и минералов пустой породы исполнительным механизмом.

Отделение ценных минералов от минералов пустой породы осуществляют по разности скорости охлаждения ценных минералов и минералов пустой породы исполнительным механизмом.

Отделение ценных минералов от минералов пустой породы осуществляют по разности теплоемкостей ценных минералов и минералов пустой породы исполнительным механизмом.

Отделение ценных минералов от минералов пустой породы осуществляют по разности теплопроводностей ценных минералов и минералов пустой породы исполнительным механизмом.

Отделение ценных минералов от минералов пустой породы осуществляют по разности распознанных геометрических изображений ценных минералов и минералов пустой породы исполнительным механизмом.

Для достижения более четких термических изображений слой анализируемой фракции породы одновременно подвергают охлаждению с одной стороны и нагреву с другой стороны.

Заявляемый способ основан на различии теплофизических параметров (теплопроводности, теплоемкости) пустой породы и выделяемого полезного компонента (например, алмазов, самородных металлов и других минеральных частиц, имеющих различия в теплофизических параметрах). Способ сепарации включает транспортировку кусков породы в виде монослойного потока породы, внешнее некоторое охлаждение - потоком газа, тумана, жидкости или другим физическим воздействием, приводящим к различному охлаждению кусков породы, регистрацию распределений температуры участка конвейера в зоне охлаждения тепловизором или другим аналогичным прибором. Например, при охлаждении потоком газа, тумана, жидкости или другим физическим воздействием, приводящим к различному охлаждению кусков породы, алмаз или другой кусок породы, имеющий высокую теплопроводность и низкую теплоемкость по сравнению с другими минеральными кусками в зоне охлаждения, имеет меньшую температуру и на тепловизоре будет изображаться менее ярким (более темным), а пустая порода имеет более высокую температуру и имеет на тепловизоре более яркую (светлую) раскраску (окраску, цвет).

Отличия от прототипа доказывают новизну заявляемого способа.

Известно использование процедуры охлаждения при обогащении полезных ископаемых в способе обогащения сульфидных руд (патент РФ 2229938). В данном патенте сульфидные руды подвергают дроблению, измельчению до крупности не более 0,25 мм, после чего производят флотационное отделение промежуточного продукта от нерудных минералов. Обезвоженный до остаточной влажности не более 2% промежуточный продукт направляется на дальнейшую обработку, которая ведется в плазмохимическом реакторе (плазмотроне). На входе в плазмохимический реактор измельченный и обезвоженный промежуточный продукт подается в струю нейтрального газа, например, азота. Происходит образование пылегазовой смеси мелкодисперсной фазы промежуточного продукта и нейтрального газа. Указанная пылегазовая смесь поступает в плазмохимический реактор, где она последовательно проходит через пояса электродов, между которыми создается дуговой разряд с температурой внутри плазмы до 10000 градусов по Цельсию». «Продукты распада полисульфидов после плазмохимического реактора сразу подаются в камеру криогенного охлаждения с жидким нейтральным газом. Резкое охлаждение препятствует протеканию химических реакций в смеси и способствует превращению газообразных элементов в элементы порошковые». В данном патенте охлаждение осуществляется с другой целью - с целью превращения газообразных элементов в твердое состояние (порошковое), а не способствует проявлению теплофизических свойств и, благодаря этому обеспечивает возможность более полного разделения ценного материала и пустой породы.

В обогащении полезных ископаемых широко применяется метод декрипитации (http://www.miningexpo.ru/userul/3672). Это метод измельчения (дробления) породы, основанный на ее нагревании и затем быстром охлаждении, что приводит к разрушению породы, так как разные минералы имеют различные коэффициенты температурного расширения. В данном методе охлаждение используется с другой целью (дробления, измельчения) по сравнению с заявляемым способом.

Известно также использование тепловизоров в ряде областей человеческой деятельности (http://www.thermoview.ru/articles/primenenie/), таких как строительство, энергетика и электротехника, металлургия и других.

Однако в перечисленных отраслях, во-первых, не известно обогащение полезных ископаемых с помощью тепловизора. Во-вторых, не известны способы, в которых с помощью последовательности операций - охлаждение (нагрев и охлаждение), формирование изображений в инфракрасном диапазоне электромагнитных волн, - производится сепарация частиц на ценные частицы и не ценные частицы. Следовательно, заявляемый способ позволяет получить новый технический результат - повышении эффективности сепарации за счет получения более четких термических изображений, что позволяет сделать вывод о его соответствии условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется графическими материалами в виде фотографий, полученных в инфракрасном диапазоне электромагнитных волн.

На фиг. 1 показаны две одинаковые навески в стеклянных круглых банках с низкими бортами, расположенные на алюминиевой подложке. В правой банке навеска 1 алмазов крупностью от 0,6 до 0,8 мм, а в левой - навеска 2 безалмазного материала минералов кимберлитовой трубки той же крупности.

На фиг. 2 показан температурный профиль изменения температуры безалмазного материала и алмазов по линии cd, показанной на фиг. 1.

На фиг. 3 показаны частицы: речная галька 3 и медные частицы 4 со средним размером 1,5 см на алюминиевой подложке.

На фиг. 4 показан температурный профиль изменения температуры речной гальки и медных частиц по линии ab, показанной на фиг. 3.

На фиг. 5 показаны частицы речной гальки и медные частицы в открытой стеклянной чашке Петри, расположенной на алюминиевой подложке, и соответствующие частицам средние температуры.

Основные варианты технологических схем выполнения заявляемого способа приведены в виде блок-схем 1-3.

По заявляемому способу сортировки породы проводят измельчение добытой руды и разделение частиц на фракции по крупности. Перед анализом подвергают некоторому виду охлаждения частицы анализируемой фракции и осуществляют регистрацию распределений температуры в виде инфракрасных изображений, идентификацию частиц, содержащих ценный материал, по разным признакам и отделение ценного материала из фракции частиц проводят по теплофизическим характеристикам минералов, зафиксированным на инфракрасных изображениях. Причем, регистрацию распределений температуры в виде инфракрасных изображений осуществляют в диапазоне от 0,74 мкм до 14 мкм длин электромагнитных волн с использованием тепловизора, например, марки Testo 885-2, а охлаждение фракции частиц осуществляют потоком охлажденного газа, пара, тумана или газовым потоком, содержащим любые охлажденные частицы, например, снег/лед и тому подобные частицы, а также любым жидким газом, например, жидким азотом.

Охлаждение анализируемой фракции частиц осуществляют со стороны породы или со стороны подложки или конвейера, а регистрацию распределений температуры в виде инфракрасных изображений осуществляют с помощью тепловизора.

Отделение ценных минералов от минералов пустой породы осуществляют по разности контраста или цвета на инфракрасных изображениях ценных минералов и минералов пустой породы исполнительным механизмом в случае, когда наблюдаются небольшие отличия ценных и не ценных минеральных частиц в их теплофизических свойствах, но на фотографиях ценные и не ценные частицы окрашены различными цветами или имеют разную яркость.

Отделение ценных минералов от минералов пустой породы осуществляют по разности температур ценных минералов и минералов пустой породы исполнительным механизмом в случае, когда ценные и не ценные частицы различаются по своим теплофизическим свойствам или имеют различные геометрические параметры, существенно влияющие на различное их охлаждение/нагрев. Например, отношение площади поверхности частицы к ее объему значительно влияет на ее охлаждение (фиг. 5).

Отделение ценных минералов от минералов пустой породы осуществляют по разности скорости охлаждения ценных минералов и минералов пустой породы исполнительным механизмом в случае, когда ценные и не ценные частицы отличаются по теплофизическим свойствам, но и по различию геометрических параметров и параметров исходных охлаждающих элементов и их температуры.

Отделение ценных минералов от минералов пустой породы осуществляют по разности теплоемкостей ценных минералов и минералов пустой породы исполнительным механизмом в случае, когда ценные и не ценные частицы различаются только по теплоемкости при незначительном отличии по другим теплофизическим свойствам.

Отделение ценных минералов от минералов пустой породы осуществляют по разности теплопроводностей ценных минералов и минералов пустой породы исполнительным механизмом в случае, когда ценные и не ценные частицы различаются по теплопроводности, но не сильно отличаются по другим теплофизическим свойствам.

Отделение ценных минералов от минералов пустой породы осуществляют по разности теплоемкостей и теплопроводностей ценных минералов и минералов пустой породы исполнительным механизмом в случае, когда ценные и не ценные частицы различаются по теплопроводности и теплоемкости.

Отделение ценных минералов от минералов пустой породы осуществляют по разности распознанных геометрических изображений ценных минералов и минералов пустой породы исполнительным механизмом в случае, когда ценные и не ценные частицы при разнице по вышеуказанным параметрам имеют существенно различие в геометрических параметрах. Например, ряд природных алмазов имеют форму октаэдра.

Для достижения более четких термических изображений слой анализируемой фракции породы одновременно подвергают охлаждению с одной стороны и нагреву, с другой стороны. При таком воздействии получается наибольшая разница температуры между ценными и не ценными компонентами добываемой руды (см. фиг. 5).

Охлаждение, например, можно осуществить конвективным потоком воздуха (тумана, пара и т.п.) при соответствующей геометрии устройства для сепарации минеральных кусков породы. Охлаждение также можно осуществить с помощью естественных его источников, например, направив поток холодного влажного зимнего воздуха с улицы в устройство для сепарации минеральных кусков породы.

Примеры.

Две одинаковые навески, изображенные на фиг. 1, в стеклянных круглых банках с низкими бортами, расположены на алюминиевой подложке. В правой банке навеска 1 алмазов крупностью от 0,6 до 0,8 мм темно синего цвета, а в левой - навеска 2 безалмазного материала минералов кимберлитовой трубки той же крупности.

При температуре навески 37°С она обдувалась потоком воздуха с температурой 22-25°С из вентилятора. Через 3 секунды установилась разность температур, показанная на данном рисунке. Средняя температура безалмазного материала стала 34,2°С, а средняя температура алмазной навески 33°С. При работе тепловизора в цветной шкале температуры изображения навесок будут отличаться цветами. Разумеется, данная разность температур определяется различной теплопроводностью и теплоемкостью безалмазного материала и алмазов, а ее небольшая величина объясняется тем, что у навесок алмазов и безалмазного материала имеются воздушные прослойки, которые влияют на их охлаждение и разность температур. На фиг. 2 показан профиль изменения температуры по линии cd, показанной на фиг. 1. Такая разность температур безалмазного материала и алмазов наблюдалась с помощью тепловизора марки Testo 885-2 многократно, более десяти раз. Аналогичные результаты были получены на тепловизоре марки ThermoPro TP8S.

Способ можно осуществить путем одновременного нагрева с одной стороны и охлаждением с другой стороны, что приведет к большей разности температур между ценными и не ценными кусками породы. Например, подложку, по которой движется монослойный поток породы, можно нагревать, а сверху охлаждать, или наоборот - подложку охлаждать, а сверху породу нагревать. Можно только охлаждать породу с любой стороны - сверху, снизу, сбоку или в любом другом направлении.

На фиг. 3 показаны частицы: речная галька 3 и медные частицы 4 со средним размером 1,5 см. Галька и медные частицы располагались на алюминиевой подложке и охлаждались воздухом с температурой 22-25°С вентилятором. При начальной температуре образцов 37°С через 10 секунд средняя температура речной гальки снизилась до 36,6°С (на фотографии они показаны светло-серыми частицами), средняя температура подложки составила 35°С, а средняя температура медных частиц (на фотографии выглядят черными) снизилась до 28°С. В цветной палитре работы тепловизора разница в цветах и их яркости у частиц, имеющих температурную разницу после охлаждения, существенна: галька 3 - красная, а медные 4 - сине-голубые.

На фиг. 4 показан профиль изменения температуры по линии ab, показанной на фиг. 3. В данном случае при охлаждении крупных частиц породы наблюдается и большая разница температур между медными частицами и частицами речной гальки.

На фиг. 5 представлены те же частицы речной гальки красного и медные частицы синего цвета, нагретые естественным образом при комнатной температуре в 37°С, в открытой стеклянной чашке Петри. Чашку Петри разместили на алюминиевую пластину со средней температурой равной -9°С. На данной фотографии медные частицы и речная галька явно отличаются по цвету и температуре. Через 7 секунд средняя температура гальки установилась около 29°С, а медных частиц - средняя температура 9,9°С. Данный пример наиболее информативный для описания обоих вариантов заявляемого способа. Для каждой показанной на фотографии частицы приведена ее средняя температура. Например, средняя температура самой крупной частицы гальки равна 36,6°С, а температура самой мелкой частицы равна 21,5°С. У самой крупной медной частицы средняя температура равна 14,6°С, а у самой мелкой медной частицы средняя температура равна 4,6°С. Крупные частицы имеют меньшее отношение площади поверхности к объему, что способствует более медленному их охлаждению. Такой разброс температур показывает то, что, во-первых, для частиц более близких по своим теплофизическим свойствам следует предварительно сортировать исходную породу по крупности, по форме и другим геометрическим параметрам, во-вторых, различие исходных частиц по крупности не будет влиять на выявление минеральных частиц, имеющих значительные отличия по теплофизическим свойствам от другой породы. В данном примере медные частицы, имеющие существенные отличия теплофизических свойств по сравнению с речной галькой легко можно отделить от пустой породы. Поскольку медь по сравнению с речной галькой имеет очень высокую теплопроводность и низкую теплоемкость. Удельная теплоемкость меди равна 0,385 кДж/(кг⋅К), а удельная теплоемкость данной речной гальки равна 0,7-0,9 кДж/(кг⋅К). Теплопроводность меди равна 401 Вт/(м⋅К), а тепловодность данной речной гальки 2-4 Вт/(м⋅К). Для алмазов аналогичная разница температур с пустой породой на фотографиях, полученных в инфракрасном диапазоне электромагнитных волн, будет более значительной, так как теплопроводность алмаза равна 1000-2600 Вт/(м⋅К) при удельной его теплоемкости равной 0,502 кДж/(кг⋅К).