автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Теоретическое и экспериментальное обоснование и разработка способов определения количественных и качественных параметров калийных руд и продуктов их обогащения на основе ядерно-физических методов

Г г Б ОД 2 Г» ПАЙ 1ПП7

На правах рукописи

ВИШНЯКОВ Эдуард Хамндовнч

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ И КАЧЕСТВЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ КАЛИЙНЫХ РУД И ПРОДУКТОВ ИХ ОБОГАЩЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Специальность 05.11.13- Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1997 г.

Работа выполнена в АО "Всероссийский научно-исследовательский и проектный институт галургии" (АО ВНИИГ)

Официальные оппоненты: доктор технических паук, профессор

КАТУШКИН Владимир Петрович;

доктор технических наук, профессор ЯКОВЛЕВ Дмитрий Владимирович;

доктор технических наук, профессор КОВАЛЕВ Олег Владимирович

Ведущее предприятие: Всероссийский научно-исследовательский институт разведочной геофизики им.А.А Логачева (ВИРГ-РУДГЕОФИЗИКА)

Защита состоится " 3 " СС^-ОН^Я 199 ¿г.в

час.

на заседании диссертационного совета Д.063.15.11 Санкт-Петербургского государственного горного института им.Г.В.Плеханова (технического университета) по адресу: 199026, Санкт-Петербург, В.О., 21 линия, дом 2, зал заседаний N 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института

Автореферат разослан " _^ У* 1997 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д.063.15.11,

к.т.н., доцент А.Н. МАКОВСКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В условиях, многотоннажного производства калийных удобрешш эффективность работы калийного предприятия во многом определяется развитием современных средств и систем автоматизации, базирующихся на новейших методах контроля калийной руды, поступающей на переработку, и продуктов на обогатительных фабриках. Важнейшее значение при этом имеет разработка способов и средств контроля показателей качества калийных руд и продуктов обогащения, (в первую очередь, массовой доли калия и нерастворимого остатка), а также их количественных параметров (массы, массового расхода), которые обеспечивают - возможность автоматизации процессов дозировки руды и реагентов , при ее переработке, учета произведенной продукции и обработки готового продукта реагентами - антислеживателями и обеспыливателями.

Большое развитие в калийной промышленности получили ядерно-физические методы исследования веществ, как наиболее перспективные в плане обеспечения экспрессности получения информащш об указанных выше параметрах, что связано с естественной радиоактивностью калия.

Проблеме разработки методик оценки указанных параметров калийных руд посвящены работы Бельды М.П., Вернера К., Вагнера И.З., Василенко A.A., Вэнса Дж., Гауса В., Головкова Б.Ю., Касаткина В.А., Колпикова Г.Г., Котельникова В.В., Крейдлина И.И., Кричевского Е.С., Ланге В., Матийко Л.Н., Матвеева Л.Б., Мишина Г.Т., Новикова П.И., Оцупа P.P., Пшевлоцкого К.С., Поливцева A.B., Сатурина A.A., Саяпина А.И., Смирнова А.И., Смирнова В.Н., Степанюка В.П., Папченко А.Ю., Чуланова Ю.Г., Штаудте Г.Г. и др.

В настоящее время их усилиями создана современная измерительная аппаратура, с помощью которой можно решать многие задачи на самом высоком уровне, и достигнуты значительные успехи в области создания методик выполнения измерений, особенно при лабораторных исследованиях, а также при определении массовой доли калия в суспензиях в твердой и жидкой фазах, с определениями содержания калия в сыпучих продуктах в насыщенных по гамма-излучению объемах. В то же время нельзя не отметить некоторое отставание в области создания

калийсодержащих сыпучих продуктах в ненасыщенных по гамма-излучению слоях при их радиометрическом опробовании на конвейерных лентах, массовой доли калия и нерастворимого остатка в естественном залегании, а также в области измерения масс продуктов в движении на конвейерах обогатительных фабрик. Это связано, в частности, с большой трудоемкостью проведения в производственных условиях экспериментальных работ, направленных на выбор оптимальных условий измерений, а также с многообразием параметров, имеющих возможность варьирования. Среди этих параметров не всегда арпоп можно выбрать наиболее значимые. Решение этих вопросов с теоретических позиций, которое могло бы помочь значительно сократить эксперименты, затруднено, поскольку существующая теория не позволяет производить расчеты информативного параметра ядерно-физических измерений с приемлемой точностью, т.к. она не учитывает влияние детекторов реальных размеров на измеряемые гамма-поля.

Таким образом, аналитические и экспериментальные исследования, направленные на совершенствование теоретических представлений об изучаемых гамма-полях с учетом реальной геометрии измерений, а также размеров использующихся для регистрации гамма -излучения детекторов, и разработка на основе этих представлений эффективных методик контроля показателей качества и количественных параметров калийных руд и калийсодержащих продуктов, на которых строятся автоматизированные системы переработки калийных руд и учета готовой продукции, ее обработки перед отправкой потребителям, являются актуальными.

Целью работы является научно обоснованное решение проблемы повышения эффективности известных и разработка новых способов и средств определения показателей качества и массы калийных руд и продуктов их обогащения, обеспечивающих возможность использования этих параметров для автоматизации технологических процессов в промышленности по производству калийных удобрений и способствующих, тем самым, ускорению научно-технического прогресса в данной отрасли народного хозяйства.

Идея работы состоит в использовании фундаментальных закономерностей, лежащих в основе ядерно-физических методов исследования веществ, материалов и изделий для создания способа расчета измеряемой детекторами реальных размеров

интенсивности гамма-излучения, зависящей от показателей качества и массы калийной руды и продуктов ее обогащения, а также от геометрических параметров измерительных установок и объектов исследования и в выборе на основании расчетов таких геометрических параметров, которые обеспечивали бы наибольшую эффективность измерений показателей, являющихся основой для автоматизации ряда технологических процессов. Задачи исследований:

1. Проанализировать современное состояние вопросов использования ядерно-физических методов для определения показателей качества отбитых калийных руд и руд в естественном залегании, а также количественных параметров руд и сыпучих продуктов их обогащения на транспортных потоках калийных обогатительных фабрик.

2. На основании выполненного анализа литературных и фондовых материалов выбрать основные направления исследований.

3. Разработать метод расчета интенсивности гамма-излучения, создаваемой излучающими объектами произвольной формы и размеров и измеряемой детекторами в любой точке пространства, при условии, что реальные размеры детектора соизмеримы с размерами изучаемых объектов.

4. Используя результаты теоретических исследований, обосновать и разработать:

- методику определения массовой доли калия в калийных рудах в естественном залегании, обеспечивающую оперативное и точное^ определение этого параметра калийной руды при геотехнологическом картировании;

- способы экспресс-оценки массовой доли калия в отбитой калийной руде и калийсодержащих продуктах на обогатительных фабриках, обеспечивающие получение с достаточной для практических целей точностью информации о качестве руды и сыпучих продуктов в условиях ненасыщенных по гамма-излучению слоев переменной мощности на конвейерах обогатительных фабрик;

- способы оперативного определения массы калийной руды и продуктов обогащения на конвейерных лентах, обеспечивающие возможность автоматизации ряда технологических процессов и учета произведенной продукции, направляемой на временные склады калийных предприятий;

- способы оценки массовой доли нерастворимого остатка как в калийной руде в естественном залегании (как элемент

геотехнологического картирования), так и в отбитой руде для целей оперативного управления процессами ее переработки; 5. Провести апробацию методик и их проверку в промышленных условиях.

Положения, выносимые на защиту:

1. Использование весовой функции детектора реальных размеров для описания вклада в измеряемую им интенсивность гамма-излучения, создаваемую отдельными излучателями, расположенными в произвольных точках пространства на различных расстояниях от детектора, а также получение аналитического выражения для количественной оценки этой функции, позволило создать метод расчета интегральной интенсивности излучения объектов любой формы и размеров.

2. Компенсация влияния весовой функции детектора на измеряемую им интенсивность гамма-излучения позволяет обеспечивать определение с приемлемой для практических целей точностью массовой доли калия в породном массиве и в калийсодержащих продуктах на конвейерной ленте, а также массы отбитой руды и сыпучих продуктов обогащения в транспортных потоках калийных фабрик.

3. Варьирование геометрическими параметрами измерительных установок и излучающих объектов при расчетах интенсивности гамма-излучения, измеряемой в заданных точках пространства, позволяет отыскивать такие параметры, при которых обеспечивается максимальная эффективность оценки массовой доли калия, а также массового расхода (массы) руды и сыпучих калийсодержащих продуктов на конвейерной ленте.

4. Измерение массовой доли калия на конвейерной ленте в ненасыщенных по гамма-излучению слоях наиболее эффективно производить в постоянной по объёму информативной области, формируемой на ленте под выровненной поверхностью материала, с помощью двухдетекторной установки, снабженной экраном.

5. Массовая доля нерастворимого остатка с приемлемой для практических целей точностью может быть рассчитана по полученным в результате статистического анализа взаимосвязей между отдельными компонентами калийной руды уравнениям с использованием данных измерений массовой доли калия в массиве, а также данных комплексных радиометрических определений массовой доли калия и рентгено-радиометрических определений суммарной массовой доли кальция в растворимой и нерастворимой частях отбитых калийных руд.

Научная новнзт! результатов работы заключается в том,

что:

обосновано применение фундаментальных закономерностей распространения гамма-излучения в веществе для неизвестного ранее теоретического решения задачи количественной оценки измеряемого детекторами реальных размеров гамма-поля в .побои точке пространства от излучающих объектов произвольной формы;

выявлены закономерности связи измеряемой характеристики гамма-поля-интенсивности регистрируемого детектором гамма-излучения, калийсодержащих продуктов - с их массой и массовой долей калия в них при различных геометрических параметрах измерительных установок и исследуемых излучающих объектов (формы и размеров детекторов, высоты и места его расположения относительно излучающего объекта, а также формы и размеров этого объекта);

- выявлена неизвестная ранее закономерность тесной статистической связи массовой доли нерастворимого остатка в калийных рудах с суммарной массовой долей кальция, входящего в растворимую и нерастворимую части этих руд и усиления тесноты связи между этими параметрами при учете массовой доли калия.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается: корректностью аналитических и численных методов исследований, корректной постановкой задач, положительными результатами экспериментальной проверки результатов теоретических исследований; положительными результатами опытно-промышленных испытаний разработанных методик й способов измерений, а также результатами промышленного внедрения методик, рекомендаций и выводов, полученных в диссертационной работе.

Методы исследований: Общей методологической основой работы является комплексный подход, включающий анализ и научное обобщение опыта работ в области применения ядерно-физических методов для оценки количественных параметров и показателей качества калийных руд и продуктов их обогащения, теоретические и экспериментальные исследования, открывающие возможности повышения эффективности использования этих методов в калийной промышленности, опытно-конструкторские разработки измерительных установок, а также разработку методик

выполнения измерений и их промышленные испытания и внедрение на калийных предприятиях России и Белоруссии.

Практическая значимость работы состоит в:

-разработке экспресс-методов определения массовой доли хлористого калия и нерастворимого остатка в калийных, рудах в их естественном залегании на стадии геотехнологического картирования для целей усреднения состава добываемой руды, являющегося элементом подготовки руды к обогащению;

- разработке способов определения массовой доли калия в руде и в калийсодд>жащих продуктах на конвейерной ленте с точностью, приемлемой для использования в системе автоматизации процессов управления реагентным режимом при переработке и для оперативного контроля качества продукции;

- усовершенствовании известного и создании нового способов определения массы продуктов, транспортируемых ленточными конвейерами на обогатительной фабрике, обеспечивающих возможность использования созданных на базе этих способов радиометрических и радиоизотопных конвейерных весов в системе автоматизированного учета руды, поступающей из рудника на фабрику и готовой продукции, направляемой на временные склады, а также для модернизации малоэффективной в настоящее время автоматизированной системы подачи реагентов-антислеживателей и пылеподавителей перед отправкой„ готовой продукции потребителям;

- создании экспресс-метода приборного контроля массовой доли нерастворимого остатка в пробах отбитых калийных руд, открывающего перспективы создания оперативной системы управления реагентным режимом при обесшламливании.

Реализация_работы. Отдельные результаты

диссертационной работы либо внедрены, либо внедряются в настоящее время на основных предприятиях России и Беларуси, производящих калийные удобрения.

На калийных рудниках АО "Уралкалий" и АО "Сильвинит" в 1985 году был внедрен гамма-метод оценки массовой доли калия и экспресс-метод расчета нерастворимого остатка в калийных рудах в естественном залегании. На фабриках ПО "Беларуськалий" прошли промышленную проверку и метрологическую аттестацию способ оценки массы готовой продукции на конвейерной ленте по естественному гамма-излучению, а также разработанные по техническому заданию диссертанта радиоизотопные весы с квазипротяженным детектором. В ЦЛ ПО "Беларуськалий" и АО

"Уралкалий" внедряется разработанный под руководством автора способ приборного контроля нерастворимых примесей в отбитых калийных рудах. В настоящее время проходят опытно-промышленные испытания новые способы оценки массовой доли калия в руде и продуктах на конвейерной ленте.

Личный вклад автора состоит в выборе и обосновании основных направлении исследовашш, в организации и планировании лабораторных, шахтных, опытно-производственных и теоретических исследований и непосредственном участии в них, в анализе и обобщении результатов экспериментов, в формулировании основных выводов по полученным данным, в установлении основных закономерностей измерения гамма-полей реальными детекторами, в разработке практических рекомендаций для калийных предприятий России и Белоруссии.

Автор выражает признательность техническим специалистам калийных предприятий за практическую в постановке опытно-методических работ и за активное участие в обсуждении полученных результатов: а также руководству калийных предприятий PocciDi и Белоруссии, без финансовой поддержки которых проведение исследований было бы невозможно. Автор благодарен д.т.н. Б.Ю.Головкову за ряд полезных советов и рекомендаций: а также своим коллегам к.г-м.н. Э.П.Попову, инженерам ¡O.B.Kocapemj, В.П.Осипову и А.Э.Попову за помощь в выполнении расчетов на ПК и в проведении экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на III Всесоюзном семинаре по горной геофизике (Батуми, 1985 г.), на Всесоюзном совещании по рудоподготовке (Ногинский научный центр АН СССР, П.Черноголовка, 1985 г.), на Научно-техническом и Ученом Советах АО ВНИИГ, на технических советах АО "Уралкалий", АО "Сильвинит", ПО "Беларуськалий". Расширенные тезисы доклада по тематике, затронутой в диссертации, были одобрены Оргкомитетом 8-го Международного симпозиума по автоматизации (г.Сан-Сити, ЮАР, 1995 г.). Результаты исследований обсуждались с техническими специалистами фирм "Мессэлектроншс", "Кали-Умвельттехник" и "Бертольд" (Германия), работающих в области создания техники и технологии радиометрических методов, а также на калийном предприятии Ланниган фирмы "Поташ корпорейшн оф Саскачеван", (Канада, 1995 г.).

Публикации. В области ядерно-физических исследований автором опубликованы 44 работы; основные положения диссертации отражены в 24 работах, указанных в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и Заключения, изложена на 359 страницах машинописного текста, включая рисунки, таблицы, список литературы из 138 наименований и приложения.

В первой главе рассмотрены существующие способы и средства измерений показателей качества и массы калийных руд на основе ядерно-физических методов, определяются области, в которых разработанные методы требуют усовершенствования в плане повышения точности оценки указанных параметров, а также области, где требуется разработка новых способов измерений, намечаются пути решения данных вопросов.

Во второй главе приводится теоретическое обоснование метода расчета интенсивности гамма-излучения , измеряемой детекторами реальных размеров в любой точке пространства от объектов произвольной формы и размеров, т.е., по-существу, рассматривается способ, решения прямой задачи радиометрии для случая, когда размеры детектора соизмеримы с размерами объекта исследования.

В последующих главах рассмотрено решение некоторых прикладных задач на основе теоретических решений, изложенных во второй главе.

В третьей главе дано теоретическое и экспериментальное обоснование решения задачи определения массовой доли калия в естественном залегании.

В четвертой главе обосновываются способы определения массовой доли калия в отбитой калийной руде и продуктах обогащения, транспортируемых ленточными конвейерами и определяются параметры измерительных установок, обеспечивающие высокую эффективность оценки данного показателя.

В пятой главе приводятся результаты исследований, направленных на разработку экспресс-методов контроля нерастворимого остатка в калийных рудах как для целей рудоподготовки, так и для оперативного управления реагентным режимом при переработке руды.

В шестой главе дано теоретическое обоснование способов определения массы калийсодержащих продуктов на конвейерной ленте. Приводятся результаты выполненных экспериментальных и

опытно-промышленных исследований, данные метрологической аттестации радиоизотопных и радиометрических весов, разработанных по рекомендациям автора.

В седьмой главе приводятся рекомендации по внедрению рассмотренных в диссертации разработок.

В заключении обобщены результаты исследований в соответствии с поставленными задачами, сформулированы основные выводы по работе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Использование весовой функции детектора реальных размеров для описания вклада в измеряемую им интенсивность гамма-излучения, создаваемую отдельными излучателями, расположенными в произвольных точках пространства на различных расстояниях от детектора, а также получение аналитического выражения для количественной оценки этой функции, позволило создать метод расчета интегральной интенсивности излучения объектов любой формы и размеров.

Ядерно-физические методы, обладающие большими возможностями при определении массовой доли калия в калийных рудах и в продуктах их обогащения, а также массы сыпучих продуктов на конвейерах калийных обогатительных фабрик, связаны с измерениями радиоактивности, как самих продуктов, содержащих радиоактивный изотоп 40 К, так и иных источников излучения. Поскольку, указанные параметры являются основой создания локальных систем автоматизации ряда технологических процессов на калийных обогатительных фабриках, развитию этих методов уделяется серьезное внимание как за рубежом, так и на предприятиях России и Белоруссии, производящих калийные удобрения.

Выполненный в диссертационной работе анализ литературных и фондовых материалов показывает, что применяемые методики контроля этих параметров не всегда являются оптимальными, в связи с чем они не могут обеспечить точность их оценки, необходимую для построения систем автоматизации производственных процессов.

Дальнейшее совершенствование или разработку новых методик можно осуществлять двумя путями. Первый путь -экспериментальный, предполагающий выполнение сложных производствешшх экспериментов с варьированием геометрических и иных параметров, от которых зависит основной информационный параметр радиометрических измерений -

интенсивность гамма-излучения. Целью этих экспериментов является отыскание таких параметров измерительных установок, при которых обеспечиваются наиболее благоприятные условия для оценки по интенсивности регистрируемого гамма-излучения показателя качества продуктов или их массы, перемещаемой ленточными конвейерами. Данный путь представляется малоэффективным, т.к. требует проведения многочисленных и трудоемких экспериментов в условиях действующего производства и не всегда приводит к оптимальным решениям, поскольку не всегда является очевидным, варьированием каких параметров можно решить поставленную задачу.

В диссертационной работе рассматривается иной путь при разработке методик измерений количественных и качественных параметров калийных руд. Данный путь базируется на теоретических расчётах основных зависимостей, определяющих связь этих параметров с измеряемой характеристикой-интенсивностью гамма-излучения при различной геометрии как измерительных установок, так и самих излучающих объектов. Условия, обеспечивающие наибольшую эффективность определения оцениваемых параметров, предлагается находить путем варьирования геометрическими параметрами при расчетах.

Существующие методы теоретических расчетов применимы лишь для точечных детекторов и не могут использоваться в случае, когда нельзя пренебречь их размерами. Поскольку из соображений метрологии в современной измерительной аппаратуре используются болынеобъемные детекторы, размеры которых соизмеримы с размерами аномальных особенностей гамма-полей, создаваемых излучающими объектами (телами, сформированными калийсодержащими продуктами), измеряемые такими детекторами количественные характеристики гамма-поля существенно отличаются от характеристик истинного гамма-поля. Реализация выбранного направления при решении поставленных в работе задач потребовала разработки специального метода расчета интенсивности гамма-излучения, измеряемой детекторами реальных размеров. Этот метод базируется на фундаментальных закономерностях, являющихся основой ядерно-физических методов исследования веществ, материалов и изделий. Учет реальных размеров детектора предложено производить с помощью весовой функции, определяемой размерами детектора, поглощающими свойствами сцинтиллятора, а также расположением излучателей относительно детектора. Эта функция определяет вклад отдельного

точечного излучателя в суммарной регистрируемой прибором интенсивности гамма-излучения от совокупности точечных источников, содержащихся в излучающих телах.

В работе показано, что интенсивность излучения от точечного источника, испускающего q гамма-квантов в единицу времеш! и расположенного в точке с координатами (x,y,h) в выбранной системе координат X,Y,H, определяется выражением:

J = -ü-xP{x,yth), (1)

47t

где P(x,y,h) - весовая функция детектора.

Нами получено следующее выражение для расчета весовой функции детектора:

f

h+m h-m

arctg .- - . -■ - arctg-

P(x,y,h)= r—~

-- -.«в r---6 r---

(2)

где К - радиус детектора; цд- линейный коэффициент поглощения сцшггиллятора; 2т - длина детектора.

В работе доказано, что в предельном случае при и т-^0 (детектор при этом становится точечным) выражение (1) принимает вид характерный, для точечного источника, что свидетельствует о правомочности принятого подхода к учету реальных размеров детектора с помощью весовой функции.

Результаты экспериментальной проверки уравнения (2), выполненной с использованием точечного источника при регистрации его излучения детекторами разных размеров, подтвердила его справедливость. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных приведено на рис.1. Видно, что отклонение экспериментальных данных от теоретических кривых при варьировании в широких пределах размеров детекторов не выходит за пределы статистического разброса.

Выполненные эксперименты показали несущественность ряда допущений, сделанных при выводе формулы (2), что послужило основанием для включения весовой функции в аппарат расчета интенсивности гамма-излучения, создаваемой радиоактивными объектами произвольной формы и измеряемой детекторами реальных размеров в любой точке пространства.

Рас.1. Сопоставление результатов теоретических расчетов (а) и экспериментальных определений (б) весовой функции Р (x,h,m) для точечного источника.

Цифры на кривых - высота расположения детектора. Кристалл Nal (TI) размерами:1 - 18x30 мм; 2 - 18x10 мм; 3 - 18x5 мм.

В работе показано, что измеряемая интенсивность гамма-излучения (J) создаваемая телом с объемом V, в общем виде может быть представлена выражением:

JU1M = J Р(х, у, Л) х ехр[-ц, г, - 2г2 \dxdydh, (3)

где щ и цг - линейные коэффициенты поглощения гамма-излучения материалом тела и окружающей его среды, соответственно: п и п - расстояния, проходимые гамма-квантами по прямой, соединяющей излучающую точку с координатами

Правомочность использова1шя выражения (3) для расчета измеряемой детектором реальных размеров интенсивности гамма-излучения от тал заданной формы и размеров подтверждается при сопоставлении данных теоретических расчетов интенсивности гамма-излучения над излучающими параллелепипедами ограниченных размеров, помещенными в неизлучающую среду, с данными практических замеров.

Расчет интенсивности гамма -излучения над параллелепипедами производился по формуле:

Ув-1 IЩ^2+о»-#+

I- ^ у°+у (Ъ+НХУо-У) )

2т*1х2 + (у„- у)2 ...

х + (Уо ~ У) + С*о + Л) ~~ т а-О-Я-и.» -р

где в =—-— , а • удельная гамма-активность единицы

объема; О - массовая доля калия в руде; р - плотность руды; ц и ц. -коэффициенты поглощения излучегам в излучающей и неизлучающей среде соответственно; х,у,Ь - координаты излучающей точки в системе координат, показанной на рис.2; Ьо -задаваемый геометрический параметр (высота расположения центра детектора); уо - текущая коордашата по оси у, точка расположения оси детектора.

На рис.2 приведены результаты расчетов, выполненных при условии Хк=20 см, Нк=20 см, Ь= 13,5 см, 9,5 см и 5,5 см при Ь0= 5,5 см, 7,0 см и 9,0 см. На этом же рисунке точками показаны данные замеров, выполненных с помощью гамма-спектрометра СП-4 над излучающим параллелепипедом с параметрами, приведенными выше. Экспериментальные и расчетные данные соответствуют сцинтилляторному детектору Ка1(Т1) размером 80x80 мм. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных показывает их вполне удовлетворительную сходимость.

Таким образом, использованный нами математический аппарат, включающий весовую функцию детектора излучения, позволяет рассчитывать теоретически аномальный эффект от излучающих тел произвольной формы.

Рис.2. Сопоставление рассчитанных (сплошные кривые) и фактических (измеренных) значений интенсивности гамма-излучения над излучающим телом различной мощности (Ь) и прн различной высоте расположения центра детектора (И0) 1.Ь=13,5 см; Ьо=9,0 см; 2.Ь= 9,5 см; Ьо=5,5 см; ЗХ= 5,5 см; Ьо=7,0 см.

В диссертационной работе при решении ряда прикладных задач рассмотрены два варианта учёта весовой функции детекторов реальных размеров:

- компенсация влияния весовой функции детектора на измеряемую детектором интенсивность гамма-излучения, позволяющая абстрагироваться от положения гамма-излучателей относительно детектора;

- использование весовой функции при расчетах интенсивности регистрируемого детектором излучения, учитывающих все влияющие на получаемый результат геометрические и иные факторы, варьирование которыми может позволить найти параметры, обеспечивающие наибольшую эффективность измерительных установок.

2. Компенсация влияния весовой функции детектора на измеряемую им интенсивность гамма-излучения обеспечивает определение с приемлемой для практических целей точностью массовой доли калпя в породном массиве и в калийсодержащих продуктах на конвейерной ленте, а также массы отбитой руды и сыпучих продуктов обогащения, в транспортных потоках обогатительных фабрик.

Знание весовой функции детектора оказалось весьма полезным при разработке методики опробования калийных руд в естественном залегании. Как показывают исследования руд Верхнекамского и Старобинского месторождений, излучатели в рудах распределены по разрезу и по латерали весьма неравномерно. Это означает, что интенсивность регистрируемого гамма-излучения при помещении детектора вблизи стенки горной выработай определяется не только количеством излучателей попавших в "зону обзора" детектора, т.е. массовой долей калия в породе, но и, в соответствии с закономерностями весовой функции детектора, расположением отдельных излучателей относительно детектора. За основу разрабатываемой нами методики был принят известный в радиометрии способ опробования руд с экранами, которые позволяют локализовать на стенке горной выработки область, из которой поступает информация о гамма-активности содержащейся в ней руды. В плане дальнейшего усовершенствования методики в диссертационной работе, предложено проводить измерения с двумя экранами разных размеров и формы, каждый из которых служит для компенсации эффекта, обусловленного весовой функцией в пределах информационных областей, создаваемых ими.

Каждый из экранов имеет такую форму при которой интенсивность измеряемого в его присутствии гамма-излучения не зависит от положения излучателя в пределах информационной области, т.е. экран как бы компенсирует эффект влияния на измеряемую интенсивность гамма-излучения весовой функции детектора. В присутствии экрана значение весовой функции как бы выравнивается и становится равным его значению в точках,

соответствующих границам создаваемых ими информационных областей.

Проведение двух измерений с экранами разных размеров, рассчитанных в соответствии с приведенным выше принципом, позволяет рассчитать разностный эффект AJ, связанный со средней массовой долей калия (хлористого калия) в пределах общей для

обоих экранов информационной области С выражением: AJ

где А - некоторый постоянный коэффициент, устанавливаемый экспериментально; ДР - разность весовых функций для излучателей, располагающихся на границах экранов.

В работе приводится методика и пример расчета формы компенсирующих экранов, а также детально рассмотрен способ определения массовой доли калия в пределах каждого из маломощных слоев, слагающих продуктивную толщу.

Показано, что для определения истинной массовой доли калия в каждом из n-слоев необходимо выполнить n-измерений в п-точках на стенке горной выработки. Истинные значения массовых долей калия в каждом слое получают путем решения системы из п-уравнения с п-неизвестными.

Для определения средневзвешенного значения массовой доли калия по всему продуктивному пласту или по его части предложена методика, предусматривающая двукратное сканирование в направлении, перпендикулярном к напластованию.

Для обеспечения возможности производства измерений в горных выработках значительной высоты разработана установка, служащая для доставки датчика в любую точку на стенке горной выработки. Установка сконструирована таким образом, что обеспечивает равномерный прижим датчика к стенке горной выработки в любой точке на ее поверхности, что облегчает ее перемещение в процессе сканирования. Установка защищена авторским свидетельством на изобретение (A.c. № 1303958).

Шахтные исследования, выполненные на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей показывают, что расхождения между результатами оценки массовой доли хлористогр калия по результатам радиометрических измерений и данными бороздового опробования (при ширине борозды 6 см и глубине - 2 см) могут достигать в некоторых точках ± 3% абс.

Столь большие расхождения, как показал дальнейший анализ, связаны с крайне неравномерным распределением калия по латерали. Специально проведенные исследования свидетельствуют о том, что даже 2 сопряженные бороздовые пробы дают нередко расхождения в 5-10% абс. Если же вести сопоставление данных радиометрических измерений со средними значениями массовой доли КС1 по нескольким сопряженным пробам, расположенным в пределах информационной области, расхождения, как правило, не превосходят ± 0,25%.

В работе приведены результаты определения средневзвешенных массовых долей КС1 при гамма-сканировании по стенкам горных выработок калийных рудников Верхнекамского месторождения. Показано, что отличие средневзвешенных массовых долей, определенных по данным химанализов бороздовых проб и радиометрических измерений не превышают ± 0,6% абс. Эти расхождения, как и в случае измерений массовой доли хлористого калия в отдельных слоях, объясняются различиями информационных объемов радиометрического и бороздового опробований.

Достигнутая точность оценки массовой доли КС1 в породном массиве вполне приемлема для метода опробования калийных руд на стадии геотеднологического картирования, что позволило рекомендовать разработанный способ к широкому внедрению на Верхнекамском месторождении.

Другим примером успешного применения компенсации влияния весовой функции детекторов на измеряемую интенсивность гамма-излучения является предложение автора диссертации использовать протяженные источники гамма-излучения, как непрерывные, так и дискретные, в радиоизотопных весах, реализующих гамма-абсорбционный метод.

В работе приведены результаты выполненных теоретических расчетов интенсивности излучения, регистрируемой детекторами реальных размеров при различной загрузке транспортерной ленты. При этом было установлено, что если использовать протяженный или квазипротяженной (дискретный) источник, расположенный по линии равных значений весовой функции детектора, то зависимость интенсивности регистрируемого гамма-излучения от площади сечения продукта на ленте, а, следовательно, от его массы, будет линейной. Это наглядно иллюстрирует рис.3.

Из рисунка видно, что при прочих равных условиях использование источника с меньшей энергией гамма-излучения (\37Cs) предпочтительней источника с большей энергией (60Со), т.к. последний обеспечивает меньшую чувствительность метода оценки массы материала. В то же время при использовании одного итого же источника большая чувствительность метода характерна для более узких лент.

Рис.3. Зависимость расчегной интенсивности регистрируемого детекторами излучения от площади сечения материала на конвейерной ленте для непрерывных протяженных источников Со-60 и С$-137. Цифры на кривых - ширина ленты, мм.

Таким образом, компенсация влияния весовой функции детектора в рассмотренном варианте практически обеспечила линейность основной зависимости метода (за исключением области малых загрузок конвейерных лент), чем созданы наиболее благоприятные условия измерения: чувствительность метода остается практически неизменной во всем диапазоне возможной загрузки конвейерной ленты того или иного типоразмера.

Расчеты показывают, что активность источника излучения, используемого для реализации гамма-абсорбционного метода в

ш

Л £

радиогоотопных весах должна быть не менее чем в 110 раз больше суммарной активности излучателей в калийсодержапшх продуктов. В этом случае погрешность оценки массы из-за неучета активности просвечиваемого гамма-лучами материала не будет превышать 1%.

В работе рассмотрено еще одно техническое решение, в котором используется компенсация влияния весовой функции детектора на измеряемую детектором интенсивность гамма-излучения. Это относится к предложенному в работе,,способу одновременной оценки массовой доли калия в продукте, и его массы на конвейерной ленте. Сущность способа заключается в следующем: если использовать два детектора, один из которых производит измерение интенсивности излучения дополнительного источника, прошедшего через слой материала на конвейерной ленте и материала на ленте, а другой - только материала, то будут справедливы два равенства:

¡^з^ + т (б)

(7)

где II и Ь - интенсивности излучений, регистрируемые первым и вторым детектором соответственно; Ц ■ ё - средняя массовая толщина продукта на ленте за заданный интервал времени; -количество калия, проходящего мимо детекторов за тот же интервал времени.

(2 = А-С-§; (8)

где А - постоянный коэффициент; С - средняя массовая доля калия

за заданный интервал времени; Б - средняя площадь сечения за тот же интервал времени.

Рассматривая уравнения, (6) и (7), как систему, после Преобразований, получаем:

Д1= = = ДБ) (9)

12=Ф(С-§)

(Ю)

Таким образом, построив заранее зависимость Д1 = Г(Б) на продукте, подлежащем анализу на содержание калия, в реальном потоке всегда можно оценить значения э „, а по измеренной

величине используя градуировочную характеристику

32 = Г(55 • С) , можно определить значение Б • С. Разделив это

значение на ¡Зшл,можно определить среднюю массовую долю калия в продукте.

Всё вышеизложенное может быть выполнено корректно, если величины I) и З2 определены хотя бы с приблизительно равной погрешностью, т.е. когда эти величины имеют, по крайней мере, один порядок исчисления. Для этого в качестве дополнительного источника предлагается использовать 98%-ный хлористый калий, помещенный в цилиндрическую емкость. Этот источник является протяженным объемным источником. Для исключения влияния различного геометрического положения отдельных излучателей этого источника относительно детектора излучения на результат измерения, в соответствии с представлениями о весовой функции детектора, отдельные излучатели должны располагаться таким образом, чтобы весовая функция детектора была бы приблизительно одинаковой для всех из них. Для этого цилиндрический источник должен быть изогнут в плоскости, перпендикулярной плоскости ленты по кривой, повторяющей форму сечения ленты в той же плоскости.

Данный способ может быть рекомендован для определения массовой доли калия в отбитой руде на конвейерной ленте. Эксперименты показывают, что абсолютная погрешность определения С при ее колебаниях в интервале 10-г35% составляет ± 1,0%.

3. Варьирование геометрическими параметрами измерительных установок и излучающих объектов при расчетах интенсивности гамма-излучения» измеряемой в заданных точках пространства, позволяет отыскивать такие параметры, при которых обеспечивается максимальная эффективность оценки массовой доли калия, а также массового расхода (массы) руды и сыпучих калийсодержащих продуктов на конвейерной ленте.

В диссертационной работе рассмотрен способ, предполагающий использование специальной мерной станции, с помощью которой осуществляется нормализация потока по ширине. На мерной станции формируется поток калийсодержащего продукта с близким к прямоугольному сечением шириной Ь и переменной во времени высотой Н.

Если над или под мерной станцией разместить детектора излучения, то регистрируемая им интенсивность будет

определяться массой проходящего через мерную станцию продукта М, а также массовой долей калия в этом продукте С , т.е. ] = ДМ, С). Но величину М продукта, прошедшего через мерную станцию за время /М = ^ ~ ^ можно определить из выражения »1

М =р-У-Ь-\Щ^сИ (здесь р - плотность продукта, V - скорость

«2

конвейерной ленты). Таким образом, зная распределение Н(0 во времени, можно определить величину М. Распределение функции НО) предложено определять с помощью стандартных датчиков перемещений, фиксирующих перемещение поверхности продукта на мерной станции в вертикальной плоскости при увеличении или уменьшении массового расхода продукта на конвейерной ленте.

Рис.4. Зависимость интенсивности излучения калийного продукта от высоты его насыпки па мерной станции.

Цифры на кривых: числитель - расстояние между щечками, см; знаменатель - высота расположения центра детектора над конвейерной лентой.

Если заранее произвести градуировку установки в единицах

МС, то зная М, легко рассчитать величину С . При постоянном

значении С интенсивность излучения зависит только от величины М, а для условий мерной станции - от величины Н. Расчеты интенсивности излучения, выполненные с учетом весовой функции детектора, показывают (рис.4), при расположении детектора излучения над мерной станцией зависимость интенсивности излучения от Н близка к линейной практически при всех значениях Ь, однако, чем больше величина х, тем ниже можно разместить детектор над , потоком, что приводит к увеличению чувствительности интенсивности регистрируемого излучения к изменению величины Н (т.е. обеспечивается наибольшая эффективность оценки величины МС). При расположении детектора под лентой зависимость 1(Н) имеет вид кривой насыщения, в связи с чем этот вариант размещения детектора менее благоприятен по сравнению с рассмотренным выше. В работе рассмотрен вариант двухдетекторной установки с подвижным нижним детектором, перемещение которого зависит определенным образом от колебаний уровня продукта в пределах мерной станции, который позволяет, сохраняя линейный характер зависимости Д(Н),увеличить в два раза чувствительность к изменению величины Н. Однако, это возможно, во-первых, только для лент небольшой ширины (800-1000 мм), а во-вторых, для конвейеров, где прямая и возвратная части ленточного конвейера разнесены на расстояние не менее 70 см, чтобы обеспечить возможность перемещения нижнего датчика в пространстве между лентами.

Градуировку измерительной аппаратуры рекомендуется проводить путем построения зависимости 1(Н) на продукте с массовой долей хлористого калия 95-96% при заранее выбранной величине Ь. В работе показано, что значение массовой доли калия

.1 -С

в продукте может быть определено из выражения: С = —-——,

а • Ниэ м

где 1им - измеренное значение интенсивности излучения на мерной станции; Сзад - заданное значение массовой доли калия в продукте, использованном при построении градуировочной зависимости; а -постоянный коэффициент, определяющий угол наклона градуировочного графика; Н юм - высота насыпки продукта на

мерной станции, измеренная с помощью датчика линейных перемещений.

Данный способ оценки массовой доли калия рекомендовано использовать при опробовашт отбитой калийной руды после ее обработки на солемельнице.

Другим примером успешного применения расчетов, базирующихся на развиваемых в диссертационной работе теоретических представлениях, является обоснование использования радиоизотопных весов с протяженным детектором излучения. Детекторы излучения могут быть как непрерывными, так и дискретными. Рассматривается наиболее приемлемый вариант расположения детектора под конвейерной лентой. Детектор при этом расположен перпендикулярно к направлению движения ленты.

Были выполнены теоретические расчеты как для сечения с естественной формой засыпки, так и для выровненной верхней поверхности продукта.

Расчеты интенсивности излучения, регистрируемого детектором длиной 2т при выровненной поверхности материала

проведены по формуле:

х m 2

J/K= —(II)

о х +h0~ х0 х + h0* 2

где Jo - излучение, регистрируемое элементарным диском шириной dx, |л - линейный коэффициент поглощения продукта, расположенного на ленте, г - радиус кривизны ленты, Н - высота насыпки материала на ленте, ho - расстояние от источника до оси детектора, 2т - длина детектора, R - радиус детектора, цд -линейный коэффициент поглощения излучения источника материалом детектора, х - текущая координата вдоль оси детектора, хг - граничное значение текущей координаты х, при дальнейшем росте которой излучение источника попадает в детектор без поглощения.

Проведенные расчеты для ленты шириной 800 мм показывают, что величина J/K практически линейно зависит от площади сечения (S) в диапазоне площадей от 0-400 см2 для сцицтилляторов, длина которых составляет 100 см, от 0-600 см2 для сцинтилляторов длиной 150 см и от 0 до 700 см3 для сциитилляторов длиной 200 см. Учитывая, что для данного типоразыера ленты площадь сечения потока может достигать

21000 см2 применение протяженных детекторов наиболее эффективно для конвейеров с минимальной загрузкой материала.

Аналогичный характер зависимостей Т/К от Б отмечается и для лент других типоразмеров, и для них также справедлив приведенный выше вывод.

В работе приводятся результаты экспериментов, выполненных с протяженным сцинтиллятором длиной 100 см. Эксперименты подтвердили выводы, сделанные на основании теоретических расчетов.

При естественной форме сечения материала на ленте с

углом естественного откоса а = 36° зависимость регистрируемой интенсивности излучения от сечения потока определяется выражением:

тр» 'о т НУ

1/к= I ---,--ах+1—2Ц-; (12)

О X +Ь0 ХгрХ^+Ьс

где Ьв и Ьд - высоты расположения точек выхода гамма-луча, исходящего из источника в направлении точки на оси детектора с координатой х.

При малых удельных нагрузках на ленте для достижения максимальной эффективности измерений массы продукта рекомендуется источник размещать по возможности как можно ниже над лентой. Данные, приведенные на рис.5, позволяют для ленты шириной 800 мм (эти ленты наиболее употребительны на калийных фабриках) при заданной удельной нагрузке (площади сечения) материала определять высоту расположения источника, при которой будет обеспечиваться максимальная чувствительность детектора к изменению массы на ленте.

В работе приводится теоретическое обоснование возможности использования естественной радиоактивности калия для определения массы продукта на конвейерной ленте в случае, когда массовая доля калия в продукте колеблется в весьма нешироких пределах (не более ± 1,0%), т.е. в готовом продукте. Автор назвал устройство для измерения массы "радиометрическими весами".

Рассмотрены два варианта расположения детектора .^лучения: над и под лентой конвейера.

Рис.5. Вид расчетных зависимостей интенсивности регистрируемой протяженным детектором от площади сечения при его естественной форме при численных параметрах Ь см.

При расположении дегектора над лентой при естественной формы насыпки материала интенсивность регистрируемого излучения определяется выражением: , Н„ - Ь - х • ,

V**+у2 (13)

Ь - Ь + т Ь„-Ь-т. , ,

х(агс1§—^ - агс!§ ° )ах ау • <1п;

+ + у2

где Хк и Ук - значение координат на границе области опробования.

Результаты численного интегрирования, выполненного для условий: Л = 10 см, ш = 5 см, ц = 0,0786 см-', а = 36°, У* = 200 см для различных типоразмеров лент приведены на рис.6.

k A j|Л0 ~65сл \ho~8ScM.

; 1. Ц1о=40сп 2. <На =60см. 3. <Но =-80см. ! |т ~28.8си |г -43,2см. |г =57,6см

Рис.6. Зависимость интенсивности излучения калийного концентрата от площади его сечения на ленте.

Зависимость J = f(S) оказалась близкой к линейной для всех типоразмеров лент при S > 200 см2. Однако, регистрируемая интенсивность излучения оказалась крайне низкой, что определяет низкую чувствительность метода. Это объясняется значительным

удалением детектора от основной излучающей массы концентрата (большими значениями Ьо).

На ленте малой ширины (800 мм) чувствительность метода оказалась в 2 раза выше, чем на ленте большей ширины, в связи с чем при естественной форме сечения более эффективны измерения массы материала на нешироких лентах.

Из приведенных закономерностей видно, что для увеличения чувствительности метода необходимо приблизить детектор к излучающей поверхности, что проще всего достигается при выравнивании поверхности излучающего гамма-кванты материала.

Формула для расчета интенсивности регистрируемого детектором излучения получается из приведенной выше формулы общего вида при а=0. характерно, что чувствительность для лент всех типоразмеров в этом случае возрастает более, чем в 1,6 раза, в то же время несколько ухудшается линейность зависимости от Б. Как и в случае с естественной формой насыпки величина Ь должна быть максимально допустимой при максимально возможной доя данног о конвейера загрузке ленты.

В работе показано, что изменяя определенным образом форму сечения потока, можно добиться линейности зависимости .1=11(8) практически во всем диапазоне Б, Максимальная чувствительность метода достигается при лентах шириной 800 мм.

Расчеты, выполненные с учетом закономерностей интегрирующего действия детекторов, показывают, что при расположении детекторов под конвейерной лентой зависимость 1=Г(8) имеет форму кривой насыщения, т.е. является нелинейной. В связи с этим, чувствительность метода при большой загрузке ленты будет весьма незначительной. Данную геометрию измерений, в связи с изложенным выше, не рекомендуется применять на практике, за исключением случаев, когда заранее известно, что данный конвейер всегда будет работать на малых нагрузках, где чувствительность метода даже несколько выше, чем в случае расположения детектора над лентой.

В настоящее время усовершенствованные в соответствии с рекомендациями автора радиоизотопные весы с квазипротяженным (дискретным) детектором внедрены на фабрике Второго рудоуправления ПО "Беларуськалий", а радиометрические весы - на фабриках Второго, Третьего и Четвертого рудоуправлений ПО "Беларуськалий". Радиометрические весы проходят испытания на терминале погрузки минеральных

удобрений в порту г.Вентспилса. Была проведена метрологическая аттестация радиоизотопных весов с "квазипротяженным" детектором и радиометрических весов, установленных на конвейере N0 902 фабрики РУ-2 ПО "Беларуськалий".

Анализ полученных данных показывает, что доверительный интервал случайной составляющей погрешности оценки массы при доверительной вероятности Р = 0,95 составляет: для радиоизотопных весов ± 2,1%, для радиометрических весов ± 2,0%. " В аналогичных условиях конвейерные электромеханические тензометрические весы дают погрешность ± 4%.

Положительные результаты метрологической аттестации весов позволили рекомендовать их к широкому производственному внедрению как для целей учета руды, поступающей из рудника на фабрику, а также готовой продукции, направляемой на временный склад, так и для создания автоматизированной системы обработки готовой продукции реагентами перед отправкой потребителям.

4. Измерения массовой доли калия на конвейерной ленте в ненасыщенных по гамма-излучению слоях наиболее эффективно производить в постоянной по объёму информативной области, формируемой на ленте под выровненной поверхностью материала, с помощью двухдетекторной установки, снабженной экраном.

Рассмотренные выше методы определения массовой доли калия (измерения с дополнительным калиевым источником, измерения с помощью мерной станции) связаны с оценкой одновременно двух параметров (массы продукта и массовой доли калия в нем). Естественно, что при подобных схемах измерения ошибки определения одного из параметров ведут к дополнительной погрешности определения другого. В работе рассматривается способ, свободный от указанного недостатка. Схема измерений по предложенному способу приведена на рис.7, где показано формирование области опробования (П) с помощью специального экрана. Выравнивание поверхности в центральной части ленты и формирование здесь слоя с заданной максимальной толщиной предложено проводить с помощью специально разработанной под руководством автора установки. Установка, помимо указанных функций, обеспечивает активное перемешивание материала на ленте, что крайне важно, поскольку оценка массовой доли калия производится не для всего потока, а лишь для его части, которая должна быть представительной.

Измерения выполняются двумя детекторами, измеряющими

Рис.7. Схема измерений массовой доли калия с применением экрана.

a-общий вид; б-разрез по линии I-I. БД 1 и БД2-блоки детектирования; Э-экран; 1-лента траспортера; 2-ролик транспортера; 3-калийная руда; 1,11,III - отдельные области рудного потока на ленте.

При этом справедливы равенства:

J, =J, +JH+JUI +JÍ0„ (14)

J2 = aJ,+akJn+aJlu+aJ$0H (15)

где Ji, Ju, Jin - интенсивности гамма-излучения калийной руды соответственно в областях 1, 11, 111; а - коэффициент,

учитывающий различие в чувствительности датчиков; к - доля гамма-излучения руды в области 11, не поглощенная экраном.

Рассматривая приведенные выше уравнения как систему, имеем, в конечном счете:

5 = а1, -12 = а(1 — к)Лп =А-С+В, (16)

где А и В - постоянные коэффициенты, устанавливаемые в процессе градуировки.

Данный способ опробовался в лабораторных и полупроизводственных условиях. Опытно-методические исследования показали, что при времени экспозиции т = 300 с на мелкозернистом хлористом калии с массовой долей 92-98% погрешность определения массовой доли КС1 составляет ± 0,5% абс. Данный способ может быть рекомендован к применению в тех местах, где толщина слоя насыпки материала на ленте не испытывает значительных колебаний и имеет достаточно большую величину (например, после дозирующего устройства). В противном случае, возникает необходимость в увеличении времени экспозиции, что ведет нередко к излишнему усреднению полученных значений массовой доли калия.

5. Массовая доля нерастворимого остатка в калийной руде с приемлемой для практических целей точностью может быть рассчитана по полученным в результате статистического анализа взаимосвязей между отдельными компонентами калийной руды уравнениям с использованием данных измерений массовой доли калия в руде в ее естественном залегании, а также данных комплексных радиометрических определений массовой доли калия и рентгено-радиометрических определений суммарной массовой доли кальция в растворимой и нерастворимой частях отбитых калийных РУД-

В диссертационной работе приводятся результаты теоретических и опытно-методических исследований, направленных на обоснование методов экспресс-контроля массовой доли нерастворимого остатка в калийных рудах.

Автором совместно с инженером О.В.Косаревым в 80-х годах был предложен расчетный метод определения нерастворимого остатка в калийной руде в ее естественном залегании. Основой для расчетов являются массовые доли калия, определенные в руде в естественном залегании способом, рассмотренном выше.

Процентное содержание нерастворимого остатка (Н.О.,%) определяется по формуле:

н о.= 100-а-Ь-С,% (17)

где С - процентное содержание калия в руде по данным радиометрического опробования; а и Ь - численные коэффициенты, определенные для различных шахтных полей и породных слоев, содержащих калий, на основании статистического анализа материалов бороздового опробования.

Полученные в результате статистического анализа бороздовых проб значения коэффициентов а и Ь для различных слоев продуктивных пластов Верхнекамского месторождения в различных его частях приведены в работе.

Сопоставление определений процентных содержаний нерастворимого остатка по данным химанализа проб и рассчитанных по приведенной выше формуле показывает, что наибольшая сходимость результатов обеспечивается, также как и при определении массовой доли калия, при сравнении расчетных данных со средними значениями, определенными по нескольким сопряженным пробам. В остальных случаях более значительные расхождения связаны с неравномерностью распределения Н.О. по латерали, что доказано специальными исследоваш!ями.

Анализ результатов опытных работ по опробованию калийных руд в естественном залегании позволил установить, что средневзвешешше значения процентных содержаний нерастворимого остатка, рассчитанные по приведенной выше формуле, и по результатам бороздового опробования, отличаются не более, чем на 0,6% друг от друга.

Это позволило рекомендовать расчетный метод определения Н.О. в комплексе с радиометрическим определением массовой доли калия в продуктивных пластах к внедрению на Верхнекамском месторождении калийных солей на стадии геотехнологического картирования для последующей подготовки руд к обогащению.

В диссертационной работе обосновывается способ оценки массовой доли Н.О. в отбитых калийных рудах, приемлемый как для лабораторных условий, так и для условий измерений на ленте транспортера. Данный способ разработан на примере отбитых калийных руд предприятий ПО "Беларуськалий".

Впервые установлено, что массовая доля Н.О. достаточно тесно коррелирует с суммарной массовой долей кальция, входящего в состав растворимой и нерастворимой частей калийной руды. При

этом оказалось, что теснота связи этих двух показателей усиливается, если учесть при этом массовую долю KCl в руде. Это наглядно иллюстрирует рис.8, где видно, что для руд с массовой долей KCl. до 28% и для более богатых руд линии регрессии существенно расходятся. Отсюда следует, что коэффициенты , входящие в линейные уравнения регрессии, определяющие связь массовых долей Н.О. и Ca можно рассматривать как функции от массовой доли КС1(К).

В соответствии с этим массовую долю Н.О. предложено определять из выражения:

H.O.=(aixK+bi)Ca+(a2xK+b2), (18)

где ai, аг, bi, Ьг - коэффициенты, устанавливаемые при статистическом анализе.

Были выполнены расчеты массовых долей Н.О. по данному уравнению для проб руды1 и II РУ ПО "Беларуськалий" и произведено сопоставление расчетных данных с данными анализов Н.О. по стандартной методике.

Полученные в результате статистического анализа данные показывают, что абсолютная погрешность оценки массовой доли Н.О. только за счет статистического характера зависимости (18) составляет ±(0.4 - 0.5)% при доверительной вероятности 0.95. Были выполнены эксперименты, которые позволили оценить погрешность определения массовой доли Н.О. с учетом реальных погрешностей оценки массовых долей KCl и Ca. Измерения массовой доли KCl в пробах выполнялись прибором ПА 24006 производства фирмы "Robotron", а массовой доли Ca рентгенорадиометрическим анализатором БАРС-3. Всего было проанализировано 40 проб. Расчет массовой доли Н.О. производился по формуле:

Н.О. = AJub+BJi + Ch + D, (19) где А, В, С и D - числовые коэффициенты, получаемые по совокупности данных статистического анализа результатов химанализов и градуировок измерительной аппаратуры; Ji, J2 -результаты измерений. В работе детально рассмотрена методика определения коэффициентов в вышеприведенном выражении.

Статистическая обработка данных сопоставления рассчитанных по формуле (19) значений массовой доли Н.О. с этим же показателем, определенным по стандартной методике, показал, что среднее квадратичное отклонение результатов обоих определений составляет ± 0.28%. Это свидетельствует о том, что доверительный интервал случайной составляющей абсолютной

пснрешности определения массовой долн Н.О. составляет ± 0.6% при допчиггельной вероятности 0.95. Данный способ защищен патентом Российской Федерации № 1762205 и рекомендован к внедрению в лабораториях калийных предприятий.

и.о.;/

з 8 7 5

5 Н

■ 3

0,8 0,7 0,8 0,9 . ДО. и \,г 1,3

Рпс.8. Корреляционная связь между массовой долей Н.О. и суммарной массовой долей кальция в растворимой и нерастворимой частях калийной руды.

Заключение

Естественная радиоактивность калийных солей открывает широкие перспектив!,I для использования ядерно-физических методов при исследовании количествешшх и качественных параметров калийных руд и сыпучих продуктов обогащения. Однако, многие возможности этих методов не были реализованы из-за сложностей, связанных, в частности, с организацией

промышленных экспериментов на реальных объектах. В основу диссертационной работы положена разработка теории измерений Гамма-активности излучающих объектов различной геометрии детекторами реальных размеров, соизмеримых с размерами самих объектов. Расчеты, выполняемые на основе развиваемых в работе теоретических представлений, позволили при резком сокращении объемов экспериментальных исследований оценить эффекты, вызываемые излучающими объектами в тех или иных условиях, и обосновать новые, перспективные способы оценки количественных параметров и показателей качества калийных руд.

Теоретические решения, содержащиеся в работе, на базе которых был решен ряд прикладных задач применительно к условиям калийной промышленности, значимы не только для данной отрасли, но и для других отраслей, занимающихся вопросами добычи, переработки радиоактивного сырья и хранения радиоактивных отходов.

Диссертация представляет собой законченную научно-исследовательскую работу.

Ее основные результаты исследований сводятся к следующим:

1. Впервые разработан метод расчета интенсивности гамма-излучения тел произвольной формы, измеряемой детекторами реальных размеров в любой точке пространства. Экспериментально доказано, что эти расчеты можно производить достаточно корректно, если интегрирующее действие детектора при измерении гамма-полей учитывать с помощью весовой функции, определяемой взаимным расположением в пространстве детектора и гамма-излучателей, поглощающими свойствами материала детектора и его размерами.

2. Компенсация влияния весовой функции детектора на измеряемую интенсивность гамма-излучения с помощью предложенных в работе приспособлений и методических приемов позволяет абстрагироваться от положения отдельных гамма-излучателей относительно детектора. Благодаря использованию этого приема в диссертационной работе успешно решены следующие прикладные задачи, связанные с разработкой способов определения количественных и качественных параметров калийных руд и продуктов их обогащения.

- теоретически обоснован и экспериментально апробирован на Верхнекамском месторождении калийных солей гамма-метод определения массовой доли калия в породном массиве на стадии

геотехнологического картирования руды на подготавливаемых к отработке площадях. Показано, что в условиях неравномерности распределения гамма-излучателей в руде как по разрезу, гак и по латерали, вполнение двух измерений с экранами, форма и размеры которых рассчитаны таким образом, что эффект поглощешм ими части излучения, идущего из породы, адекватен выравниванию весовой функции в пределах создаваемых с помощью этих экранов информационных областей, обеспечивает инвариантность разностности двух измерений, интенсивностей от положения излучателей в общей для обоих видов областей, при этом разностный эффект зависит лишь от массовой доли калия. Это позволяет выполнять точные (с погрешностью не более ±0.25%) определения массовой доли калия в отдельных маломощных слоях, слагающих продуктивную толщу, а также переделать средневзвешенные значения этого параметра по всей вскрытой выработкой толще или ее части (с погрешностью ±0.6%);

- усовершенствован гамма-абсорбционный метод оценки массы продуктов на конвейерной ленте путем использования протяженного непрерывного или дискретного источника гамма-излучения. Для обеспечения независимости показаний весов от конфигурации сечения материала на конвейерной ленте предложено отдельные излучатели гамма-источника располагать по линии равных значений весовой функции детектора излучения. Теоретические расчеты показывают, что при этом обеспечивается линейность зависимости интенсивности регистрируемого гамма-излучения от площади сечения материала, а, следовательно, от массового расхода или массы. Показано, что чувствительность весов возрастает с уменьшением энергии излучения применяемого источника. При прочих равных условиях чувствительность весов к измеряемому параметру больше для более узких лент;

- разработан способ определения массовой доли калия в ненасыщенных по гамма-излучению слоях отбитой калийной руды на конвейерной ленте с помощью двухдетекторной установки с дополнительным объемным источником гамма-излучения, который как и в предыдущем случае, располагается вдоль линии равных значений весовой функции детектора. Показано, что активность источника должна быть соизмеримой с активностью исследуемой руды, поэтому в качестве материала для дополнительного источника рекомендовано использовать 98%-й КС1. Экспериментально установлено, что при варьировании массовой

доли хлористого калия в руде в пределах 10-35% абсолютная погрешность оценки этого параметра составляет ±1%.

3. Доказано, что варьирование геометрических тел или иными параметрами при расчетах интенсивности измеряемого гамма-излучения калийсодержащих продуктов позволяет отыскивать такие параметры, при которых обеспечивается максимальная эффективность определения количественных параметров и показателей качества калийной руды и продуктов обогащения. Используя подобный подход, были успешно решены следующие задачи:

- разработан способ оценки массовой доли калия в руде и в продуктах на конвейерной ленте с помощью мерной станции, формирующей поток сыпучего продукта с близким к прямоугольному сечением с переменной высотой слоя, измерение которого производится с помощью устройств для измерения линейных параметров. Показано, что наиболее эффективно детектор располагать над лентой. Рассчитанные зависимости интенсивности гамма-излучения продукта на мерной станции от мощности детектора показывают, что при ширине потока и высоты расположения детектора показывают, что при ширине потока 40-50 см и высоте расположения детектора 42.5 - 53 см наблюдается наибольшее приближение к линейности зависимости интенсивности излучения от высоты слоя насыпки или от произведения высоты слоя на массовую долю калия в продукте. В этих условиях, очевидно, обеспечивается максимальная эффективность измерений с последующей оценкой масовой доли калия по заранее построенным градуировочным зависимостям;

- теоретически обосновано использование протяженных детекторов в радиоизотопных весах. Выполненные расчеты показали, что при выровненной поверхности материала на ленте чем длиннее детектор, тем в пределах большего диапазона массового расхода сохраняется линейность зависимости регистрируемой интенсивности гамма-излучения от площади сечения. В связи с этим выбор размеров детектора определяется максимальным массовым расходом материала на ленте, предусмотренным регламентом данного конвейера. В случае естественной формы сечения материала на ленте чувствительность метода тем больше, чем ниже источник опущен над потоком. Характерно, что при любой высоте расположения детектора линейный характер зависимости интенсивности от площади сечения сохраняется. Весы внедрены на предприятиях ПО

"Беларуськалпй". По данным метрологической аттестации они обеспечивают оценку массы (массового расхода) материала с погрешностью ±2° о;

- теоретически и экспериментально обоснован способ определения массы готовой продукции калийного предприятия (с колебаниями массовой доли калия в ней не более* ± ; 1%) на конвейерной ленте по данным измерений естественной радиоактивности концентрата. Расчеты показывают, что при естественной форме насыпки материала, хотя и наблюдается линейность зависимости интенсивности излучения от площади сечения, а, следовательно, массового расхода, при сечениях свыше 200 см2, сама интенсивность излучения мала, что является причиной низкой чувствительности подобных весов. При

выровненной поверхности материала чувствительность для лент всех типоразмеров приблизительно в 1,6 раза выше, в связи с чем в этом варианте измерения массы наиболее предпочтительны. Все вышеизложенное относится к расположению детектора над лентой. При расположении детектора под лентой измерения массы, как правило, неэффективны.

4.Разработан новый способ измерения массовой доли калия на конвейерной ленте в ненасыщенных по гамма-излучению слоях в постоянной по объему области с помощью двухдетекторной установки, снабженной экраном. Разработана специальная установка дам формирования области с постоянным объемом. Применение метода разностного эффекта позволяет в этом случае оценивать массовую долю калия в готовом продукте с погрешностью ± 0,5%. Способ рекомендован для применения в тех местах, где толщина слоя насыпки продукта на ленте не менее 15 см.

5. Изучены статистические зависимости между массовой долей нерастворимого остатка и другими компонентами калийной руды в ее естествешюм залегании. Получены ура к нения регрессии, связывающие массовые доли нерастворимого остатка и хлористого калия, позволяющие расчитывать массовую долю Н.О. с абсолютной погрешностью ± 0,6%, используя данные гамма-измерений массовой доли КС1 предложенным в работе способом.

6. Впервые установлено наличие тесной корреляционной связи между массовыми долями Н.О. и кальция, входящего в состав растворимой и нерастворимой частей отбитой калийной руды. Доказано, что теснота этой связи усиливается, если учесть при этом различное содержание калия. Получены уравнения,

связывающие все рассматриваемые выше параметры руды. Предложен комплексный метод приборной оценки массовой доли Н.О., включающий радиометрический метод оценки массовой доли КС1 и рентгено-радиометрический метод определения массовой доли кальция. Погрешность оценки Н.О. при этом составляет ± 1%, что приемлемо для экспресс-метода. Метод рекомендован к применению в лабораторных условиях.

7. Часть разработок и рекомендаций автора внедрены на калийных предприятиях России и Беларуси (гамма-метод оценки массовой доли калия в естественном залегании, расчетный метод оценки массовой доли Н.О. в рудном массиве, радиоизотопные весы с протяженным детектором, весы, основанные на измерении естественной радиоактивности готовой продукции калийных фабрик, лабораторный метод приборного контроля массовой доли Н.О. в отбитой калийной руде. Часть предложений проходит опытно-промышленные испытания (способы оценки массовой доли калия в сыпучих калийсодержащих продуктах на конвейерной ленте). В связи с тем, что оцениваемые по разработанным методикам параметры используются при создашш локальных систем автоматизации ряда технологических процессов на обогатительной фабрике, выполненные разработки представляют важный этап в решении общей проблемы создания современной системы автоматизации процессов переработки калийной руды с получением высококачественных минеральных удобрений.

8. Внедрение разработок в полном объеме позволит рационально расходовать реагенты, использующиеся при переработке калийных руд, снизить потери полезного компонента, повысить эффективность таких технологических процессов, как геотехнологическое картирование, измельчение руды, шламовая и сильвиновая флотация и пылеподавление. Оно обеспечит также непрерывный контроль качества готовой продукции и ее автоматический учет, позволит улучшить экологическую обстановку как на калийном предприятии, так и в портах отгрузки калийных удобрений на экспорт.

Основные положения и научные результаты опубликованы в следующих работах:

1. О влиянии интегрирующего действия детектора при измерении гамма-полей. Изв.ВУЗов. Серия "Геология и разведка", 1973, №11, с.90-94 (Соавтор Попов Э.П.).

2. Гамма-спектрометрические исследования калийных руд и возможности метода при определении хлористого калия на Верхнекамском месторождении. Реф.сб. "Калийная промышленность", М., НИИТЭХИМ, 1980, №5, с.15-18 (Соавтор Косарев О.В.).

3. Сравнительная оценка интегрального и дифференциального режима измерений при гамма-опробовании калийных руд. Реф.сб. "Калийная промышленность", М., НИИТЭХИМ, 1982, №3, с.12-13 (Соавтор Косарев О.В.).

4. Способ опробования калийных руд по гамма-лучам в естественном залегании. A.c. СССР №1050391, Б.и. 1983, №39 (Соавторы Косарев О.В. и Смирнов С.Н.).

5. Инструкция по гамма-спектрометрическому опробованию сильвинитов Верхнекамского месторождения. JL, ВНИИГ, 1985, 52 с. (Соавтор Косарев О.В.).

6. Способ опробования калийных руд по гамма-лучам в естественном залегании. A.c. СССР №1202421, Б.и. 1985, №48 (Соавторы Косарев О.В. и Смирнов С.Н.).

7. Опробование маломощных слоев калийсодержащих пород по стенкам горных выработок. Тезисы докладов на Ш семинаре по горной геофизике, Батуми, 1985.

8. Устройство дай геофизических исследований по стенкам горных выработок. A.c. СССР №1303958, Б.и. 1987, №14 (Соавторы Косарев О.В., Смирнов С.Н. и Кузнецов Н.В. и др.).

9. Роль геофизических исследований в калийном горнодобывающем и обогатительном производстве. В кн. "Использование методов прикладной геофизики в калийной промышленности" (под редакцией Вишнякова Э.Х.). Д., ВНИИГ, 1986, с.5-20.

10. Сопоставление результатов спектрометрического и бороздового опробования калийных руд Верхнекамского месторождения. Там же., с. 196-208 (Соавтор Косарев О.В.).

11. Способ оперативного контроля массовой доли нерастворимых примесей калийных руд. Патент России №1762205, Б.и. 1992, №34 (Соавторы Василенко A.A., Головков Б.Ю., Нураев Р.Х. и др.).

12. Применение рентгено-радиометрического метода для контроля массовой доли меди в кашшпо-медном удобрении на конвейерной ленте. Сб. "Геофизическая аппаратура". Л., Недра, 1992, №96, с.71-76 (Соавторы Свердлова И.Н. и Васильева С.Н.).

13. Новые способы непрерывного контроля массовой доли калия в руде на конвейерной ленте по естественной гамма-активности. Л., Обогащение руд, 1992, № 1 (219), с.9-13,

14. О возможности контроля массовой доли магния в карналлитовой руде ядерно-физическим методом в естественном залегании и на транспортных потоках. Л., Обогащение руд, 1992,

№3-4, с.25-29.

15. Теоретическое обоснование оптимальных условий измерений при определешш массы радиоактивного концентрата на конвейерной ленте по его естественному гамма-излучению. СПб., Обогащение руд, 1995, №6(242), с. 13-16 (Соавтор Попов Э.П.).

16. Способ опробования радиоактивных горных пород и руд по естественному гамма-излучению. Положительное решение ВНИИГПЭ по заявке на патент № 93-046641/25 от 27.05.1996.

17. Экспериментальная проверка представлений о весовой функции детекторов реальных размеров при измерении гамма-полей. Рук.деп. ВИНИТИ, № 940-В96 от 26.03.1996.

18. Анализ возможности применения протяженных детекторов гамма-излучения в радиоизотопных конвейерных весах обогатительных фабрик СПб., Обогащение руд, 1996, №2, с.30-33 (Соавтор Попов Э.П.).

19. Анализ возможностей радиоизотопных конвейерных весов с протяженным источником гамма-излучения и пути оптимизации их метрологических характеристик. СПб., Обогащение руд, 1996, №5-6, с.32-35 (Соавтор Попов Э.П.).

20. Весовая функция детектора гамма-излучения и ее применение при решении прямой задачи радиометр™. Рук.деп. ВИНИТИ, №939-В96 от 26.03.1996.

21. О приборном контроле нерастворимых примесей в калийных рудах. СПб., Обог ащение руд, 1996, №4, с.28-30.

22. О точности определения массы сыпучего материала на онвейерной ленте с помощью радиоизотопных весов. СПб., обогащение руд, 1995, №3, с.51-54.

23. Об одновремешюм определении массового расхода 1ассы) калийсодержащего продукта на конвейерной ленте и ассовой доли калия в нем по данным измерений естественной амма-радиоактивности. Рук.деп. ВИНИТИ, №1752-В96 от 8.05.1996.

24. Способ стабилизации состава отбитых руд, A.c. СССР Г°1490278, Б.и. 1989, №24 (Соавтор Доливо-Добровольский A.B.).