Автоматизированная промышленная аппаратура рентгенорадиометрического анализа

В.П.Варварица, С.М.Бродский, Ю.Д.Лаврентьев, К.И.Щекин, ВНИИТФА

Приборы, для рентгенорадиометрического анализа, выпускаемые во ВНИИТФА, охватывают широкую область использования – от медицины до экологии. По типам аппаратура делится на переносную, лабораторную и для анализа на потоке. Приведены параметры приборов и некоторые результаты их использования.

По областям промышленного применения рентгенорадиометрическую аппаратуру можно разделить на пять основных классов:

1. Переносная аппаратура для опробования и анализа в условиях естественного залегания горных пород и идентификации металлов и сплавов;

2. Аппаратура для массового, в том числе многоэлементного анализа отобранных технологических образцов;

3. Аппаратура для опробования руды в транспортных емкостях и на ленте транспортеров;

4. Аппаратура для автоматического контроля состава технологических продуктов на потоке;

5. Аппаратура экологического контроля.

В настоящее время во ВНИИ технической физики и автоматизации Минатома разработан комплекс рентгенорадиометрической аппаратуры, которая может быть использована в качестве средства аналитического контроля состава продуктов на всех стадиях переработки полезных ископаемых: разведке, добыче, контроле, переработке и обогащении товарных руд, а также при анализе технологических продуктов и готовых изделий. Аппаратура обеспечивает автоматизированные режимы измерения и диагностики и характеризуется широким использованием микропроцессоров и микро ЭВМ. Основные типы приборов, соответствующих вышеприведенной классификации, представлены в табл. 1.

Приведем некоторые примеры использования рентгенорадиометрических анализаторов.

В настоящее время значительно возрастает роль вторичного металла в выплавке готовой продукции. Так, по оценкам авторов работы [1], доля черного лома в среднемесячных поставках на внутренний рынок России в течение 1996-1998гг. стабильно составляет величину порядка 600000 т. В этой связи важным является экспрессная сортировка металла по сортаменту и элементному составу.

Таблица 1. Типы рентгенорадиометрических анализаторов


Тип прибора
Атомные номера опред. элементов
Количество
элементов
Диапазон
концентр.,%
1
ПРАМ-1
20-92
10
0,005-100
2
ПРИМ-1
21-92
20
0,001-100
3
ПРИМ-1М
13-92
20
0,001-100
4
РЛП-1
20-92
15
10-4 - 100
5
РКЦ-М1
20-92
4
0,1-80
6
РА-931
20-92
12
0,005-70
7
РЛП-1-3
20-92
15
от 0,3мкг/л
8
РКМ-ПВ-1
92
1
5 мл/л-20 мл/л
9
РКМ-ПВ-2
92
1
5 мл/л-20 мл/
10
ДЗЩЖ
53
1
50мкг/г -
2500 мкг/г

В табл. 2 приведены результаты рентгенорадиометрического анализа хромо-ферро-никелевых сплавов на приборе ПРИМ-1.

Таблица 2. Результаты анализа сплава Cr-Fe-Ni
Сплав, состав
Содержание, %
Результаты анализа, %
 

 

     1                  2
             Cr
             Fe
             Ni
               10
               30
               60
 10,18            10,74
 29,93            29,79
 59,89            59,47
             Cr
             Fe
             Ni
               10
               40
               50
 10,14            10,71
 39,94            39,81
 49,92            49,48

1 - с учётом третичного подвозбуждения;

2 - с учётом только вторичного подвозбуждения.

В табл. 3 даны результаты анализа нержавеющих сталей.

Таблица 3. Результаты анализов нержавеющих сталей
№ п/п
                                              Элемент
      Cr       Mn             Fe                Ni           Nb           Mo
 

1. Пределы содержаний
по ГОСТ, %
                              Сталь марки ЭИ844
 
    15-17     0,8       62,8-67,9        14-16      0,7-0,9      2,5-3,0
 

2. Измеренное содержание, %
 

    22,05     0,8         60,35          12,66           0,57          2,58
 

1. Пределы содержаний
по ГОСТ, %
                            Сталь марки ЭП753
 

17,5-19,0    1-2      32,5-37         39-41     0,25-0,7       4,5-5,0
2. Измеренное содержание, %
 

 23,18         1,72        33,5           35,30       0,50             4,59

Из табл. 3 видно, что РРА обеспечил определение основных элементов в нержавеющих сталях. Была определена воспроизводимость анализов , которая в основном зависит от статистической погрешности определения скоростей счета на линиях соответствующих элементов. Например, для сплава ЭИ 844 за время измерений 5 мин. были получены следующие результаты:

Хром: в диапазоне концентраций (15-17)% относительная погрешность составила 1,26 %.
Марганец:
для 0,8% погрешность равна 17,78%.
Железо:
для (62,6-67,9)% погрешность равна 1,02%.
Никель:
для (14-16)% погрешность равна 1,67%.
Ниобий:
для (0,7-0,9)% погрешность равна 3,92%.
Молибден:
для (2,5-3,0)% погрешность равна 1,0%.

Оценивалась также возможность РРА алюминиевых и алюминиево-магниевых сплавов. В табл.4 приведены пороги обнаружения по некоторым элементам в алюминиевых сплавах на анализаторе ПРИМ-1М при времени измерений 5 мин. Там же приведены диапазоны содержаний этих элементов в некоторых алюминиевых сплавах.

Таблица 4. Пороги обнаружения и диапазоны содержаний элементов в алюминиевых сплавах.
Элементы
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Ni
Cu
Zn
Порог обнаружения, %
 

0.05
 

 

0,05
 

0,035
 

0,035
 

0,025
 

0,015
 

0,01
 

0,008
Сплав АМЦ
-
 

-
-
1,0-1,6
0,7
-
0,2
-
АМГ-3
0,1
 

-
-
0,3-0,6
0,5
-
0,1
-
Д - 16
0,1
-
-
0,3-0,9
0,5
0,1
3,8-4,9
-
 


Из табл. 4 следует, что на приборе ПРИМ-1М возможен РРА алюминиевых сплавов на основные примесные элементы. Важно подчеркнуть, что при этом для расчета концентраций использовался безэталонный метод фундаментальных параметров, не требующий наличия образцовых проб сплавов с известным значением концентраций определяемых элементов.

Примером анализа руд и продуктов их технологической переработки является табл. 5. При этом использовался анализатор РЛП-1, а расчет концентраций проводился с использованием локальных уравнений связи, основанных на использовании так называемого аппарата классификации (кластерного анализа).

Работоспособность предложенной схемы классификации была проверена при анализе свинцово-баритовых руд, при этом диапазоны содержания свинца в “хвостах” составляли 0,3-0,5%, в образцовых рудах - 1,2-1,8% и в концентратах - 40-50%. В табл.5 приведена средняя квадратическая погрешность анализа при использовании для всех образцов единого регрессионного уравнения, а также при разбиении анализируемых образцов на хвосты, руды и концентраты, построении для каждого типа продуктов своего уравнения и расчете на этапе анализа концентраций по соответствующим частным уравнениям..

Таблица 5. Средняя квадратическая погрешность определения свинца в свинцово-баритовой руде и продуктах её технологической переработки, %
Класс продукта
Допустимая погрешность
Погрешность по единому уравнению
Погрешность с классификацией
хвосты
12.0
40,74
10,47
руда
  7,0
  7,26
  6,16
концентрат
  3,0
  2,69
  3,0

Из табл. 5 видно, что введение классификации обеспечило получение допустимых точностных характеристик при анализе рудного сырья от “хвостов” до концентратов.

Особенно экономически эффективным представляется рециклинг отходов рудоизвлечения и рудопереработки. В таблице 6 приведены запасы хвостов обогащения основных ГОКов России [2].

Таблица 6. Запасы хвостов обогащения и содержание в них основных металлов
Фабрика
Запасы, млн. т.
   Содержание, %
 

 

Си
Zn
Гайская
Среднеуральская
Кировоградская
Красноуральская
Учалинская
Сибайская
Турьинская
Урупская
47,0
32,0
29,0
26,0
24,0
18,4
13,3
11,9
0,38
0,26
0,18
0,37
0,41
0,19
0,10
0,25
0,37
0,41
0,29
0,70
0,61
0,57
 

0,18

При этом кадастровая ценность в хвостах техногенного медьсодержащего сырья близка к ценности разведанных запасов.

Для экспресс анализа полезных компонентов в хвостах с успехом используются рудоконтролирующие станции РКЦ-1М. Установки обеспечивают измерение (анализ) содержания элементного состава в широком диапазоне атомных номеров, включая Ca, V, Mn, Fe, Cu, Zn, Mo, Ba, Pb и др. элементы, а по корреляционным связям - серу и кремний. Количество одновременно определяемых элементов варьируется в зависимости от поставленной задачи, например Cu - Zn - Fe - S, Ca - V - Fe, Ca - Fe - Si, Cu - Zn - Ba - Pb и т.д.

Переработка техногенного сырья неразрывно связана с решением задач экологического контроля [3]. Определение тяжелых и токсичных элементов в образцах окружающей среды (воды, атмосфере, почве) возможно с использованием анализатора РЛП-1-3 [4]. В табл. 7 показаны результаты анализов элементов в промышленных сбросных водах методами атомной абсорбции (АА) и рентгенорадиометрическим методом (РРА) на этом приборе.

Таблица 7. Результаты анализа сбросных вод
Элемент
  Концентрация  мкг /мл
 

АА
РРА
Fe
Cu
Zn
1086 +  16
1037  + 10
185  + 3
1016 + 25
1030  + 21
193   + 3

Анализатор РЛП-1-3 состоит из следующих основных частей:

- основной приборный блок, содержащий рентгенофлуоресцентный датчик, Si (Li ) детектор и многоканальный амплитудный анализатор;

- компьютер IBC РС;

- печатающее устройство;

- устройство для осаждения химических элементов из водной среды;

- устройство для осаждения химических элементов из воздушной среды.

Преимуществом прибора является термоэлектрическое охлаждение Si (Li) ППД, что обеспечивает высокое энергетическое разрешение без необходимости использовать жидкий азот.

Гибкость работы обеспечивается возможностью выбора программ, основанных на методах эмпирических коэффициентов и фундаментальных параметров, дающих возможность решения широкого круга аналитических задач. Высокая чувствительность определения токсичных металлов в природных, питьевых и сточных водах достигается комбинацией концентрирования растворов и рентгенофлуоресцентного анализа.

Таким образом, созданный комплекс ядерных физических аналитических приборов обеспечивает эффективный контроль рециклинга техногенного металлосодержащего сырья на всех этапах.

Следует отметить, что описанная выше промышленная аппаратура снабжена полным методическим и программным обеспечением.

Литература
1. В.Лобко . Черные дни черного лома. Металлоснабжение, металлосбыт № 4 (14), 1998, с. 63-65.
2. В.Е.Вигдергауз, Л.М. Данильченко, Л.М Саркисова. Комплексное использование сырья. Переработка отходов. Цветная металлургия, № 1, январь 1999 , с. 25-31.
3. Экология и безопасность ( справочник в 8 томах ) ВНЦИПИ, Москва, 1993.
4. Штань А.С. Варварица В.П., Щекин К.И. и др. Состояние и перспективы применения рентгенофлуоресцентного метода для контроля окружающей среды. Тезисы доклада 14 -ой Российской Научно-технической конференции " Неразрушающий контроль и диагностика ". г. Москва, 23-26 июня 1996 г, с. 408.

По материалам XIII ежегодного семинара «Спектрометрический анализ, аппаратура и обработка данных на ПЭВМ»

назад

Материалы из архива

10.2007 К скупке патентов отношусь положительно

Фонд Содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере - один из первых учрежденных государством фондов, созданный с целью продвижения на рынок разработок инженеров, ученых. Отделения Фонда работают во всех регионах страны. На вопросы редакции отвечает Николай Николаевич Ермилов, директор  ЗАО ИЛИП - официальный представительства Фонда  в Северо-Западном регионе.

9.2008 Наша деятельность требует высокой квалификации

С.А.Адамчик, заместитель руководителя Ростехнадзора. — Сергей Анатольевич, кого сегодня в нашей стране волнует безопасность атомной отрасли? — Наверно, в большей мере население. Хотя у меня такое впечатление складывается, что ему уже все равно – оно не очень активно. Его провоцируют на формирование отдельных мнений, особенно в районах строительства атомных станций, а в целом наше население проявляет активность только, если что-то случается. Даже достаточно страшное событие – Чернобыльская катастрофа – сегодня уже стало забываться.

7.2009 Распорядиться по-хозяйски

И.И.Никитчук, д.т.н., сотрудник РФЯЦ-ВНИИЭФ в 1969—1995 гг., депутат Госдумы РФ 2-го и 3-го созывов                      Природные ресурсы России являются частью ее национального богатства. В России живет менее 3% населения планеты, а сосредоточено на ее территории 35% мировых энергоресурсов и более 50% стратегического сырья. При их суммарной оценке каждый гражданин России оказывается в 3-5 раз богаче американца и в 10-15 раз - любого европейца.