Способ лазерного разделения минералов

(51) 03 13/02 (2006.01) 07 5/342 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ системы самонаведения силового импульса на частицы разделяемого материала. Система самонаведения состоит из маломощного лазера подсветки и мощного квантового усилителя с обращающим волновой фронт зеркалом. При облучении потока разделяемого материала расходящимися лучами маломощного лазера,отражнные от частиц вещества лучи, попадают в створ объектива квантового усилителя с обращающим волновой фронт зеркалом. Там эти лучи усиливаются до интенсивности, достаточной для оптического пробоя веществ разделяемого потока, и возвращаются точно на объекты отражения, тем самым не рассеиваясь в окружающем пространстве. В результате, на поверхности каждой из частиц, со стороны освещения силового лазера, возникает лазерный факел испарнного вещества (испарение - 10-3 массы частицы). Реактивная отдача от этих факелов изменяют первоначальные траектории движения частиц на величину, зависящую от физических свойств веществ частиц, тем самым осуществляя процесс разделения (обогащения). С помощью предлагаемого способа сепарации минерального сырья возможно выделение микроскопических кристаллов алмазов из алмазоносной породы, а так же выделения микроскопических зерен золота, что невозможно сделать известными способами обогащения.(72) Мурзадилов Тулеген Джанибекович Гринштейн Юрий Аронович(73) Дочернее государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Институт геофизических исследований Республиканского государственного предприятия на праве хозяйственного ведения Национальный ядерный центр Республики Казахстан Министерства индустрии и новых технологий Республики Казахстан(54) СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ МИНЕРАЛОВ(57) Область применения - обогащение полезных ископаемых и может быть использовано для фракционирования дезинтегрированных горных пород и руд по физическим и оптическим свойствам частиц разделяемого вещества. Сущность изобретения заключается в том, что для понижения удельных энергетических затрат и повышения селективности разделения, согласно предлагаемому способу, разделение производят силовым воздействием импульсного излучения мощного лазера, путм автоматического наведения лучей только на частицы движущегося потока. Технически это осуществляется использованием Изобретение относится к области обогащения полезных ископаемых и может быть использовано для фракционирования дезинтегрированных горных пород и руд по физическим и оптическим свойствам частиц разделяемого вещества. Известен способ и устройство, реализующие разделение материалов облучением электромагнитного излучения определнного спектра,вызывающего люминесценцию полезных компонентов потока вещества. Последующая регистрация серии люминесцентных откликов, анализ откликов, в последовательном временном интервале, позволяет выделению полезных минералов исполнительным механизмом (Патент 2362635 кл. В 03 В 13/06,В 07 С 5/346, Метод для люминесцентного разделения материалов.). Недостаток метода - метод позволяет разделять только люминесцирующие минералы от не люминесцирующих компонентов разделяемого материала. Известен метод разделения частиц руды,заключающийся в предварительной обработке разделяемой смеси поверхностно активными веществами, которые приводят к различной окраске компонентов руды с последующим облучением,диагностике цвета и сортировке потока по признаку цвета исполнительным механизмом (Патент 4235708 кл. 209/3.3, 209/576, Метод разделения смеси частиц). Недостаток метода не для всех рудообразующих минералов удатся селективно подобрать соответствующие красители. Кроме того,обработка жидкими поверхностно активными веществами дезинтегрированных руд приводит к агрегации частиц разделяемого материала, что в свою очередь приводит к ухудшению селективности разделения. Известен способ сепарации минералов,основанный на принципе облучения потока частиц излучением и сопоставлением прохождения этого излучения через частицы с опорным излучением,путм сравнения степени люминесцентной реакции минералов со стороны освещения с реакцией на противоположной стороне (Патент 2303495 кл. В 07 С 5/342, Способ сепарации минералов). Недостаток данного способа - необходимость использования жсткого излучения для просвечивания полного объма относительно крупных частиц разделяемого материала, что экологически не всегда приемлемо, кроме того,данный способ пригоден только для обогащения люминесцирующих веществ. Наиболее близким предлагаемому изобретению(прототип), является способ разделения минералов(А.с.988378 кл. В 07 С 5/342, Способ разделения минералов). Этот способ включает подачу смеси минералов в зону облучения, облучение импульсным лазерным излучением и последующее разделение. Согласно данному способу разделяемый материал подают в зону облучения и облучают мощными лазерными импульсами с интенсивностью превышающими величину оптического пробоя 2 веществ. При этом лазерный луч сканирует, по ширине, поток дезинтегрированного разделяемого материала. В результате такого облучения на поверхности каждой из частиц вещества, со стороны освещения, возникает лазерный факел, который обеспечивает возникновение силы отдачи. Под воздействием этой силы частицы отклоняются от траектории своего первичного движения(светореактивное движение). Причм, величина этого отклонения зависит от плотности и размера частиц. Следовательно, различные отклонения от первичных траекторий обеспечивают процесс разделения потока частиц по признакам плотности материала и размеру. Недостаток данного способа - сканирование широкого потока разделяемого материала требует большой частоты следования мощных импульсов излучения, что в свою очередь требует лазерного излучения большой средней мощности, а это приводит к большим удельным энергетическим затратам на обогащение единицы массы разделяемого вещества. Это делает проблематичным использование данного способа при крупномасштабном обогащении. Кроме того,селективность такого разделения не достаточно велика, поскольку всегда есть вероятность не попадания излучения лазера на все частицы потока,например, ввиду затенения одних частиц в потоке другими, а также равенство плотности и размеров частиц различных разделяемых веществ. Целью заявленного предложения является устранение выше отмеченных недостатков прототипа, а именно, уменьшение удельных энергетических затрат на единицу массы разделяемого вещества и повышение селективности разделения. Технический результат достигается тем, что согласно способу для лазерного разделения минералов, разделяемый многокомпонентный поток дезинтегрированного вещества вначале подсвечивают слабым, расходящимся лучом вспомогательного лазера, а отражнный свет от частиц потока усиливают, до интенсивности,достаточной для оптического пробоя, и возвращают на объекты отражения путм обращения волнового фронта. Способ реализуется с помощью системы самонаведения излучения на разделяемый материал 1 (фиг.1). Система самонаведения излучения(фиг.1) состоит из маломощного лазера подсветки 2,объектива маломощного лазера 3, зеркала 4,квантового усилителя 5, объектива квантового усилителя 6, линзы 7, зеркала обращающего волновой фронт (ОВФ) 8. Способ разделения минералов осуществляется следующим образом. Маломощный лазер 2 генерирует импульсы излучения, которые с помощью объектива 3 и плоского зеркала 4 разворачиваются в расходящиеся лучи 9. Угол расхождения излучения выбирается так, что он освещает весь поток движущихся частиц 10 разделяемого материала по ширине. Высоту прямоугольной зоны подсветки потока выбирают таким образом, чтобы за время между импульсами лазера 2 частицы могли бы пролететь расстояние равное среднему размеру этой высоты (фигура. 1). Отраженные от частиц разделяемого материала 10 лучи 11 попадают в объектив 6 квантового усилителя 5 где, проходя по его оптическому тракту,усиливаются с обращением волнового фронта на зеркале 8. Зеркало 8 является специальным зеркалом, на котором собственно и происходит обращение волнового фронта излучения. Усиленный в квантовом усилителе 5 импульс является обращенным, поэтому он выходит из лазера в виде лучей 12, направленных строго в противоположных направлениях по отношению к отражнным лучам 11. Следовательно, усиленные импульсы излучения, интенсивность которых достаточна для оптического пробоя материалов частиц, попадают только на поверхности этих частиц, а не рассеиваются по большей части, как в случае прототипа, в пространстве между частицами. В результате оптического пробоя вещества каждой из частиц, со стороны падения усиленного импульса излучения квантового усилителя 5, на е поверхности образуется лазерный факел ионизированных продуктов испарения (масса испарнного вещества не превышает 10-3 массы частицы). Возникновение факела вызывает реактивную отдачу, проявляемую в смещении частицы от первичной е траектории движения. Это смещение зависит от оптических свойств вещества,плотности и размера частицы. То есть, при воздействии усиленного импульса на частицы потока, отличающиеся отмеченными признаками,они отклоняются на различные расстояния, или иначе,осуществляется процесс разделения материала. Причм вся энергия излучения квантового усилителя 5 расходуется только на разделение, а не рассеивается по большей части в окружающем пространстве, как это имеет место в выше приведенном способе, принятом в качестве прототипа. Таким образом,уменьшение удельных энергетических затрат достигается путм индивидуального воздействия импульсов излучения на каждую частицу потока разделяемого материала. Повышение селективности достигается путм выбора интенсивности импульсов силового воздействия на разделяемый материал, которая должна быть равна величине значения оптического пробоя выделяемого минерала. На фиг. 2 приведн лазерный сепаратор,реализующий предлагаемый способ разделения минералов. Сепаратор состоит из системы самонаведения излучения 1 (см. фиг. 1), корпуса камеры разделения 13, дозатора разделяемого материала 14, примных бункеров 15, поглощающего рассеянное излучение экрана 16 и основания 17. Лазерный сепаратор работает следующим образом. Включается система самона-ведения. При этом она находится в режиме ожидания, поскольку на вход квантового усилителя 5 (фиг.1) не поступает сигнал генерации излучения вследствие поглощения экраном 16 запускающих импульсов от лазера подсветки 2 (фиг.1). Разделяемый материал 18, через дозатор 14,податся в камеру разделения 13 в виде плоского потока частиц, падающих под воздействием силы тяжести В момент времени, когда поток частиц разделяемого материала достигает зоны облучения системы самонаведения излучения, отражнные от частиц лучи света попадают в объектив 6 квантового усилителя 5 и, распространяясь через его активную среду, усиливается с обращением волнового фронта на зеркале ОВФ 8. В результате такого преобразования отражнных от частиц лучей,усиленный импульс возвращается точно на объекты отражения 10, то есть на частицы потока разделяемого вещества. Поскольку интенсивность преобразованного излучения превосходит критическое значение оптического пробоя, то на поверхности облучнных частиц, со стороны освещения, возникают лазерные факелы продуктов испарения, и частицы получают механический импульс силовой отдачи в направлении перпендикулярном линии первоначального движения (падения) частиц. Данный силовой импульс придат смещения частицам, величина которых будет зависеть от механических,термодинамических и оптических свойств частиц разделения. Вследствие такого смещения, исходный поток частиц разбивается на различные потоки,частицы которых различаются по отмеченным признакам, и как следствие, каждый из потоков попадает в соответствующие секции бункера 15, тем самым, завершая процесс разделения. Практическая апробация предлагаемого способа осуществлялась на уровне физических исследований с использованием в качестве твердотельных квантовых усилителей силовых лазеров ГОР-100 и АРЗНИ-210. Использовались силовые импульсы излучения, длительностьюот 30 наносекунд до 1 миллисекунды и интенсивностью 0 от 107 до 1010 вт/см 2, они фокусировались на частицах вещества различной плотностиот 2,5 до 10 г/см 3 с размерами от 0,5 до 1 мм и менее 0,5 мм. Результаты этих исследований приведены в таблицах 1 и 2. В таблице 1 приведены результаты эксперимента для частиц размером 01 мм. Первая строка таблицы - интенсивность облучения (0) вторая строка - отражает регрессионные зависимости величин отклонения частиц относительно их начального местоположения - х в третьей строке приведены коэффициенты корреляцииэмпирических измерений величин отклонений с регрессионными(теоретическими) зависимостями х в четвртой строке приведена длительность силовых импульсов. Таблица 1 Результаты эксперимента для частиц размером 1 мм 0, Вт/см 2 х, см Как видно из данной таблицы, коэффициенты корреляции между наблюдаемыми и интерполированными закономерностями близки к единице, что указывает, практически, на строго функциональную зависимость величины отклонения от размера и плотности разделяемого материала. А это в свою очередь указывает на очень высокую степень потенциальной селективности разделения материалов предлагаемым способом (по признаку плотности классифицированного по размеру частиц вещества). Аналогичные зависимости разделения наблюдаются и для размеров частиц 0,100,5 мм Таблица 2. Таблица 2 Результаты эксперимента для частиц размером 0,100,5 мм Для частиц размера 00,1 миллиметра отклонения становятся практически не контролируемыми (при разделении в воздушной среде), следовательно, такой класс разделяемого материала предлагаемым способом следует проводить в вакуумной среде. В этом случае закон отклонения, при интенсивности силового импульса 01010 вт/см 2, имеет вид х 47-0,8/р. Возможность разделения минералов предлагаемым способом по другим физическим признакам (кроме плотностных, размерных и оптических свойств разделяемого материала) проверена, в частности, для разделения по признаку температуры плавления или теплового разложения. Так, например, в этом случае, величины отклонения подчиняются закону х 2,4646998/Тпл, где Тпл - температура плавления (разложения) вещества частиц. Величина отклонения разделяемых частиц пропорциональна 00,258, поэтому для уменьшения удельных затрат энергии на процесс разделения,целесообразно проводить эту операцию,предлагаемым способом, при малых значениях длительности импульса и относительно малых значениях интенсивности,например,в наносекундном диапазоне длительности и интенсивности порядка 107 вт/см 2. Как показали расчеты, в этом случае, лазерное разделение материалов по энергетическим затратам становится сопоставимым с самыми дешвыми гравитационными способами обогащения минерального сырья, но в отличии от них,предлагаемый способ,позволяет разделять тонкодисперсные фракции дезинтегрированного вещества, которые как правило, теряются в хвостах. При этом предлагаемый способ обладает несопоставимо высоким качеством селективности не свойственный гравитационным методам обогащения. Таким образом, предлагаемый способ и устройство для лазерного разделения минералов позволяет существенно повысить селективность разделения и понизить удельные энергетические затраты на единицу массы разделяемого вещества. С помощью предлагаемого способа сепарации минерального сырья возможно выделение микроскопических кристаллов алмазов из алмазоносной породы, а так же выделение микроскопических зерен золота, что невозможно сделать известными способами обогащения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ лазерного разделения минералов,включающий подачу смеси минералов в зону облучения, воздействие на смесь импульсного электромагнитного излучения, отличающийся тем,что разделение минералов осуществляют усиленными импульсами, полученными методом обращения волнового фронта отражнных от разделяемого материала лучей слабой интенсивности. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разделение минеральных смесей, осуществляют последовательными обогатительными операциями,в каждой из которых интенсивность усиленных импульсов соответствуют величинам оптических пробоев определнных компонентов разделяемой смеси, а последовательность операций выбирают по признаку возрастания величин оптического пробоя.