Переработка руд с использованием современной технологии крупнокусковой фотометрической сепарации

И.В. Чепрасов — ФГУП «ВИМС»
А.И. Романчук — ФГУП «ЦНИГРИ»
А.А. Твердов — Руководитель направления развития горных работ IMCMоntan, к.т.н.
С.Б. Никишичев — Директор IMC Montan, к.э.н.
И.А. Иванов — ученый секретарь Экспертного совета при президенте Алроса, к.т.н.

Экономическая целесообразность отработки месторождений полезных ископаемых, в особенности коренных месторождений золота во многом зависит от возможности применения низкозатратных и высокопроизводительных методов предварительного радиометрического обогащения, позволяющих исключить из дальнейших процессов переработки значительный объем горной массы с отвальным содержанием полезного компонента, что приводит к повышению экономической и технологической эффективности переработки руд.

Среди методов радиометрического обогащения рудного сырья наибольшее развитие получили авторадиометрический, рентгенорадиометрический, рентгенолюминесцентный, рентгеноабсорбционный и фотометрический методы сепарации.

Рис. 1. Принципиальная схема фотометрического сепаратора: 1 — вибропитатель; 2 — раскладчик; 3 — источники света; 4 — фотокамера; 5 — блок обработки информации; 6 — пневмоклапаны; 7 — приемные бункеры.

Полихромный фотометрический метод сепарации является современной модификацией фотометрического метода. Основан на регистрации оптических характеристик (цвет, прозрачность, отражательная способность)минералов.В результате применения различных источников освещения и возбуждения, гибкого управления алгоритмами различных методов обработки получаемых изображений, метод выходит далеко за пределы возможностей фотометрической аппаратуры предыдущих поколений. Основным достоинством сепараторов, использующих данный метод, является их высокая производительность за счет сепарации руды в монослое. За рубежом данный метод получил широкое распространение и с успехом применяется в различных областях: при сортировке материалов, применяемых в строительной отрасли, при переработке отходов металлургического передела, промышленных и бытовых отходов, при сортировке сельскохозяйственных продуктов, но только в единичных случаях для сепарации руд цветных и благородных металлов. Последнее объясняется, с одной стороны, ограниченным количеством сырьевых объектов в Европе, с другой, несоизмеримым возрастанием сложности решения задач при сепарации руд.

Наряду с другими радиометрическими методами обогащения руд,метод ФМС может решать следующие технологические задачи:

• предварительное обогащение с выделением крупнокусковых хвостов для сокращения объема материала, поступающего на последующие переделы (дробление, измельчение, глубокое обогащение) и в хвостохранилища;
• разделение горной массы или нерудных полезных ископаемых на технологические типы (сорта), переработка которых целесообразна по различным технологическим схемам.

Применение обогащения методом ФМС призвано обеспечить:

• возможность вовлечения в эксплуатацию руд, переработка которых ранее считалась нерентабельной;
• снижение себестоимости получения конечной продукции за счет использования низкозатратной технологии предварительного обогащения;
• снижение негативного влияния горнообогатительных предприятий на окружающую среду.

Процесс покусковой сортировки руды с использованием современных фотометрических сепараторов показан на рис. 1. Сепарируемый материал, подаваемый вибропитателем, либо лентой конвейера по стабильной траектории, попадает в зону измерения, где освещается лампами. Цифровая видеокамера фиксирует цветное изображение каждого объекта (куска) и его отображение передает на высокоскоростной компьютер, где специальная программа определяет цветовые характеристики объекта, классифицирует объекты, сравнивая по цветовым признакам с заданным признаком разделения, и принимает решение о выделении его с помощью исполнительного механизма. Система пневмоклапанов импульсом направленных воздушных струй отклоняет выделенный кусок от траектории общего потока кусков, сформированного в виде монослоя шириной от 300 до 1800 мм для разных модификаций сепараторов.

Рис. 2. Цветовой график трехкоординатного цветового пространства RGB.

Принцип получения и анализа изображения в полихромном фотометрическом сепараторе следующий. Отраженный от кусков световой поток через оптическую систему цифровой видеокамеры проецируется на ПЗСматрицу (так называемый «прибор с зарядовой связью»), который является аналоговой интегральной микросхемой, состоящей из светочувствительных фотодиодов (пикселей). В данных устройствах ПЗС-матрицы состоят из субпикселей с красным, зеленым и синим светофильтрами, в результате чего каждый из них фиксирует лишь излучение определенной длины волны. Количество таких светочувствительных площадок обычно составляет несколько миллионов (мегапиксельные камеры), чем определяется разрешающая способность камеры.

В течение временного интервала сканирования, каждый субпиксель заполняется электронами пропорционально количеству попавшего в него света. По окончании времени экспозиции электрические заряды, накопленные каждым пикселем, поочередно считываются и преобразуются в цифровой код.

Модель сепаратора	Способ подачи и измерения	Ширина полосы подачи материала, мм	Крупность материала, мм	Производительность, т/ч
GemStar	Вибропитатель с измерением в свободном падении	300	-1+0,5	0,4
			-3+1	0,8
			-6+3	2,5
			-12+6	5
	Конвейер с измерением на близгоризонтальной траектории	600	-3+1	1,5
			-6+3	5
			-12+6	10
			-30+12	17
BeltCompact	Конвейер с измерением на близгоризонтальной траектории	1200	-6+3	12
			-12+6	23
			-30+12	56
			-60+30	110
		1800	-12+6	35
			-30+12	88
			-60+30	160
Gravity	Вибропитатель с  измерением в свободном падении	1200	-60+30	35
			-150+60	65
			-350+150	200
		1800	-60+30	50
			-150+60	120
			-350+150	280

Табл. 1. Производительность сепараторов OptoSort в зависимости от класса крупности.

Применяемая в телевизионной и цифровой оптической аппаратуре, в том числе в полихромных фотометрических сепараторах, цветовая система RGB (рис. 2) выражает цветовые характеристики светового потока с помощью трех длин волн: красной (R — red), зеленой (G — green) и синей (B — blue). Цветовые характеристики каждой точки в данной системе определяются координатами по трем осям R, G и B. Значения по каждой из осей находятся в пределах от 0 до 255, поскольку цветовые характеристики каждого пикселя описываются восмью битами (28), что в итоге дает 256 значений градаций цвета. Учитывая, что цветовое пространство определяется тремя цветовыми координатами, общее количество цветовых оттенков составляет 16.777.216. Начало координат отвечает черному цвету, противоположная точка диагонали куба — белому, а промежуточные точки с равными значениями R,G,B — градациям серого.

Рис. 3. Конструкция сепаратора AliudGemStar-600.

Метод полихромной фотометрической сепарации основан на разделении кускового материала по его цветовым характеристикам. На цветовые характеристики минерала или горной породы, фиксируемые светоприемником, влияют множество факторов. С одной стороны это окраска минерала и его отражательная способность, с другой — яркость, углы падения и спектральный состав облучающего потока света.

Окраска минералов представляет собой суперпозицию световых волн, которые в ответ на облучение отразились от поверхности кристаллов, а также высветились в результате снятия возбужденного состояния при поглощении света оптически активными центрами в минерале. До настоящего времени используется предложенная А.Е. Ферсманом общая классификация окрасок минералов:

• идиохроматические (собственные, а также вызванные примесями посторонних ионов и атомов) окраски, безусловно доминирующие в минеральном мире;
• аллохроматические (вызванные механическими примесями), являющиеся суперпозицией идиохроматических окрасок минералов включений;
• псевдохроматические (связанные с интерференционными явлениями) окраски — иризация, опалесценция, различного рода побежалости.

Разделение твердых тел по типам химической связи (металлической, ковалентно-металлической, ковалентной, ионно-ковалентной, и ионной) в общем случае соответствует минеральным видам, что позволяет рассматривать окраску по типам оптических поглощений, преобладающих в данных классах минералов. По такому принципу в [1] предложена классификация окрасок минералов идиохроматической группы, объясняющая их природу: окраска металлических и ковалентных соединений, связанная с межзонными оптическими переходами, обуславливающая положение фундаментальной (собственной) полосы поглощения или максимумов отражения в видимой области спектра. К этому типу относятся минералы с высокой отражающей способностью:

• самородные металлы, арсениды, антимониды, висмутиды, некоторые халькогениды тяжелых металлов; 
• окраска ковалентных соединений (примесных полупроводников), обусловленная оптическими переходами с участием локальных донорных и акцепторных энергетических уровней. К этому типу относятся сульфиды;
• окраска, обусловленная процессами переноса заряда электронными переходами между различными ионами, в том числе между металлами и лигандами (периферийные атомы, рассматриваемые как точечные заряды в теории кристаллического поля) и между разноразрядными ионами металлов – спектры переноса зарядов. По этому механизму преимущественно формируется окраска силикатов, ванадатов, хроматов и молибдатов; 
• окраска, связанная с хромоформными свойствами ионов переходных металлов, лантанидов и актинидов и обусловленная электронными переходами между расщепленными кристаллическим полем d- и f-уровнями ионов металла (спектры кристаллического поля). Хром-, марганец-, никель-, железо-, медьсодержащие минералы;
• радиационная окраска, связанная с образованием под действием ионизирующей радиации электронно-дырочных центров окраски, возникающих в реальных кристаллах с различными структурными и примесными дефектами (флюорит, апатит, галоиды, кварц, карбонаты, сульфаты).

Отражательная способность минерала, характеризуемая преобладающим значением для какой-либо длины волны по сравнению с другими волнами, обуславливает его цвет в отраженном свете.

Рис. 4. Алмаз и хризолит.

В естественных условиях преобладает комбинированная природа окраски минералов, на фоне которой доминирует тот или иной механизм и присущая ему окраска. Для использования цветовых характеристик при обогащении методом ФМС важно выделять типичную, связанную с оруденением цветовую характеристику.

Наименование продукта	Выход, %	Содержание, г/т		Извлечение, % от содержания в исходной руде
		Au	Ag	Au	Ag
Фотометрическая сепарация руды
Концентрат фотометрической сепарации	53,42	5,82	3,84	93,95	82,00
Хвосты фотометрической сепарации	46,58	0,43	0,96	6,05	18,00
Исходная руда	100,00	3,31	2,50	100,00	100,00

Табл. 2. Показатели переработки руды месторождения Сухой Лог по комбинированной технологической схеме с предварительной фотометрической сепарацией. 

В конце 1990-х гг. на основе достижений цифровой фототехники и модернизации электронных систем появилось новое поколение оборудования с более высокой разрешающей способностью сепарируемых объектов для качественного и стабильного процесса фотометрического обогащения. На рынке присутствуют различные производители сепараторов. Интересен опыт работы сепараторов компании AliudGmbH, апробированных в России, как на месторождениях благородных металлов, так и на угле, алмазных рудах и нерудных полезных ископаемых.

Рис. 5. Алмаз и пироп.

Измерение оптических и геометрических параметров объекта в сепараторах компании AliudGmbH осуществляется цифровой строчной широкополосной видеокамерой. Критерием распознавания материала служат характеристики на основе цветностной модели RGB.При этом возможен учет 8-ми групп оптических и геометрических признаков разделения с логическими функциями «и», «или», «не». Подача кусков осуществляется монослоем, коэффициент загрузки транспортирующего устройства 0,3–0,4. Минимальная площадь обзора составляет 0,2х0,2мм. Высокая эффективностьразделения обусловлена большим количеством воздушных клапанов(в зависимости от ширины подающего устройства — от 32 до 224 штук), что позволяет более точно выбивать кусковой материал. Управление электронной системы сепаратора промышленным компьютером позволяет производить быструю настройку процесса сепарации с определением количественных показателей продуктов за любой отрезок времени.

Рис. 6. Прототип сепаратора XRT.

Принципиальная схема сепаратора с подачей кусков вибропитателем и измерением в свободном падении показана ранее на рис. 1. Конструкция сепаратора с конвейерной подачей и односторонним осмотром кусков представлена на рис. 3.

Кусковой материал с вибропитателя подается на транспортер, на котором за счет ускорения создается монослой. Оторвавшись от ленты и двигаясь по стабильной траектории, материал попадает в область распознавания, где он сканируется высокоскоростной камерой(для сепарации гетерогенных руд предусматривается двухсторонний осмотр куска), оценивается по заданным критериям отбора и разделяется пневмоклапанами. При этом включается то количество воздушных форсунок, которое необходимо для уверенного выделения каждого куска.

Характеристики сепараторов OptoSort по производительности в зависимости от классов крупности перерабатываемого материала приводится в табл. 1.

В настоящее время подобного типа сепараторы получили за рубежом наибольшее распространение при сепарации известняков, мрамора, кварцевого сырья, промышленных и бытовых отходов, т.е. сырья с гомогенным распределением полезного компонента в пределах отдельного куска [2].

С применением фотометрических установок компании Aliud, исследовательскими центрами ЦНИГРИ и ВИМС были выполнены исследования по крупнокусковой фотометрической сепарации руд золота таких объектов как «Сухой Лог», «Агинское», «Петропавловское», «Токур», «Лобаш», «Синюхинское», «Хатыннах»,«Покровка -2» и др. [5].

Исходя из нашего опыта, можно отметить результаты исследований ФМС золотосодержащих руд месторождения «Сухой Лог». Главным рудным минералом и основным концентратором золота в рудах является пирит, в котором золото присутствует в виде включений различной крупности. Наиболее золотоносными являются относительно крупные (0,7– 2 см) кварц-пиритовые прожилки. Вмещающие породы представлены тёмно-серыми углеродистыми алевросланцами. Указанные особенности минерального состава являются благоприятными для предварительного крупнокускового обогащения руды методом фотометрической сепарации, в результате применения которой в отвальные хвосты с содержанием золота 0,43 г/т выделено 46,58% от массы исходной руды. Соответственно, на дальнейшую переработку в процессы дробления, измельчения и последующей переработки поступает обогащённый продукт с содержанием золота 5,82 г/т, масса которого составляет только 53,4% от исходной руды. В результате снижаются потери золота с хвостами гравитации и флотации, по сравнению с хвостами обогащения исходной руды (табл. 2) [3].

Рис. 7. Фрагмент таблицы отчета по испытаниям прототипа сепаратора XRT.

На основании исследований ВИМС на рудах месторождения «Хатыннах» также было принято решение применить комбинированную схему с фотометрической сепарацией на первой стадии переработки и рентгенорадиометрической сепарацией для перечистки концентрата и увеличения выхода отвальных хвостов. Нижний предел крупности для обогащения методом РРС составляет 20 мм, поэтому перечистка концентрата ФМС использовалась только на классе -75+20 мм. Фотометрическая сепарация проводилась на сепараторе GemStar-300 на классах крупности -75+5 мм. В качестве основного технологического оборудования РРС применялся сепаратор СРФ2/100 конструкции ООО «Радос».

Включение в схему операции РРС позволило увеличить на 6,6% выход отвальных хвостов, содержания золота в хвостах РРС и ФМС при этом находятся на одном уровне 0,11–0,13 г/т.

На основе выполненных исследований рассчитаны технологические показатели предварительного обогащения пробы (табл. 3.) по схеме с ФМС и РРС. Показано, что из убогой руды, содержащей 0,73 г/т золота, может быть выделен обогащенный продукт, содержащий 1,32 г/т ценного компонента, соответствующий по качеству кондиционной рядовой руде, при извлечении 86,6% и высоком (1,81) коэффициенте обогащения [4].

В настоящее время, ведутся укрупненные полупромышленные испытания по предварительному крупнокусковому обогащению золотосодержащих руд Наталкинского месторождения, минералом-концентратором золота на котором является кварц. В случае внедрения технологии ФМС на рудах данного месторождения, она позволит отделять пустую породу от золотоносной руды еще до стадии измельчения, что позволит сэкономить значительные ресурсы.

Как уже отмечалось, предварительная сепарация актуальна не только для золотосодержащих руд, но и всех типов полезных ископаемых, где можно выделить признак сепарации.

Так, в акционерной компании «АЛРОСА» (ОАО) проводятся исследования по определению содержания слаболюминесцирующих, нелюминесцирующих и скрытых алмазов в алмазосодержащих продуктах класса крупности -50+5 мм, включая технологические испытания двухэнергетического рентгеноабсорбционного рентгенографического сепаратора XRT-400 (Aliud GmbH и институтом Fraunhofer EZRT).

Испытания, проведенные на Мирнинском ГОКе, позволяют позитивно оценивать возможность распознавания алмаза на ранних стадиях обогащения, в том числе и алмазов, находящихся внутри кусков кимберлита при соотношении размера куска породы к размеру обнаруживаемого алмаза от 5:1 до 3:1, в зависимости от общего класса крупности. Дополнительно, в процессе исследований, была изучена возможность выделения при обогащении попутного камнесамоцветного сырья, показавшая высокую результативность использования принятой программно-аппаратной части.

Метод сепарации	Класс, мм	Продукт	Выход, %	Содержание Au, г/т	Извлечение Au, %
РРС +ФМС	-75+20	Концентрат	37,66	0,91	46,95
		Хвосты ФМС	31,41	0,11	4,73
		Хвосты РРС	6,57	0,13	1,17
		Итого	75,64	0,51	52,85
		В т.ч. хвосты (ФМС+РРС)	37,98	0,114	5,9
ФМС	-20+10	Концентрат	2,86	4,08	15,99
		Хвосты	11,81	0,39	6,33
		Итого	14,67	1,11	22,32
	10+5	Концентрат	0,64	4,61	4,07
		Хвосты	2,39	0,38	1,24
		Итого	3,03	1,28	5,31
-5+0		Отсев РО	6,66	2,14	19,52
Исходная руда			100,00	0,73	100,00

Табл. 3. Показатели переработки руды месторождения Хатыннах по комбинированной схеме крупнокускового обогащения с применением фотометрической сепарации.

В соответствие протоколу технического совещания при первом вице-президенте — исполнительном директоре АК «АЛРОСА» (ОАО), по рассмотрению результатов исследований, принято решение признать особую важность результатов выполнения работы по извлечению нераскрытых алмазов для АК «АЛРОСА».Предусматривается продолжить испытания и, в случае подтверждения положительных результатов, планируется разработать ТЭО проведения коренной реконструкции фабрик, при которой может быть существенно снижен процент циркуляции (рис. 4–7).

Сравнительные технико-экономические расчёты показывают значительное снижение эксплуатационных затрат при применении предварительной сепарации.ФМС может рассматриваться как самостоятельный метод крупнокускового обогащения, при применении которого в одну стадию выделяются отвальные хвосты, так и в комбинации с рентгенорадиометрической сепарацией, при этом ФМС, ввиду того, что достигаемая производительность на порядок выше, используется в голове процесса.Ранее, одним из сдерживающих факторов широкого внедрения фотометрических методов, являлась ограниченная производительность аппаратной части, что контрастировало с очень высокими нагрузками, типичными для ряда типов полезного сырья. Однако, развитие аппаратной части позволяет существенно расширить рамки применения фотометрической сепарации, как в части более широкого использования в процессах предконцентрации руд, так и для разных видов полезных ископаемых. В настоящее время, методы фотометрической сепарации показывают хорошие результаты не только при исследовании возможности применения его на золотосодержащих рудах, но также на рудах цветных, редких, благородных металлов, алмазосодежащих рудах, камнесамоцветном сырье, кварцсодержащих рудах и угле.

1. Платонов А.Н. Природа окраски минералов. — Киев,Наукова думка, 1976–264 с.
2. Оценка обогатимости руд черных, легирующих и редких металлов полихромным фотометрическим методом сепарации. Проект методических рекомендаций. — Окончательный отчет по ГК № ВБ-04-43/29. Росгеолфонд. Москва, 2012.
3. Седельникова Г.В., Романчук А.И. Переработка руд благородных и цветных металлов с использованием инновационных технологий// Горный журнал — 2010 — №2
4. Применение комбинированной схемы радиометрического обогащения для переработки бедной золотосодержащей руды месторождения Хатыннах. Чепрасов И.В. Тезисы докладов VНаучно-практической конференции молодых ученых и специалистов. Материалы конференции. — М: РИС «ВИМС», 2013 С. 118–119.
5. Фотометрическая сепарация руд благородных металлов различных типов. Романчук А.И., Тихвинский А.В., Жарков В.В., Богомолов В.А., Тезисы докладов VIIконгресса обогатителей стран СНГ. Материалы конгресса. — М., 2009.

Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 1 (23)/март 2014 г.