测量矿物样品中间层的光谱分析设备

摘要

本发明公开一种颗粒状矿物M的光谱分析方法。矿物M被移过一个照明区域18，光束被照射在矿物M上以将矿物照亮。收集从矿物M反射的光然后对其进行光谱分析，以获得有关颗粒矿物M的成分的信息。矿物M采取一个矿物层的形式，该矿物层有一个底表面20和一个顶表面22。照明区域18在底表面20和顶表面22的中间。

说明书

技术领域

本发明涉及矿物分析。

背景技术

在冶金工业中需要尽可能精确地了解被开采成矿砂或矿石，然后被粉碎成颗粒状，并构成加工厂原料的矿物的成分。

这些关于成分的信息之所以极其重要，是因为矿物加工厂的各种运行参数必须按其设定的方式取决于原料构成的比例。当采矿通过被采矿的矿体进展时，这些比例连续地发生变化，这样就必须进行调整以保证工厂以最高的效率运行，获得最佳可能高的效益。

关于成分的信息之所以极其重要的另一个原因是诸如湿度和温度的环境变数，以及诸如电压和物理条件的设备变数的变化一直在发生。任何这些变数都可能引起加工的一定阶段不能产生最佳的矿物中间产品。理想的情况是这些错误条件必须尽可能快地被探测到和被纠正。因此，要求有关被加工矿物的成分的最新信息保证工厂能以最高的效率运行。

为这些目的所要求的信息通过在处理被加工的矿物的各个阶段分析这些矿物而获得。当矿物通过加工厂时，矿物的构成的比例可被用作工厂效率的表示，并能对所进行的加工作出调整以达到最大的效益。    

因为精确度不够，缺乏对矿物成分的最新的知识以及担忧随着废弃物的抛弃可能丢失有价值的资源，工厂的经营者大都采取保守的方法，对在一些或全部阶段中出现的一定比例的矿物进行回收利用，保证有价值的资源不致被丢失。如果能得到有关被处理的矿物的成分的精确的实时知识，就可以减少上述回收利用的步骤，而且仍不会丢失有价值的产品。

确定被加工矿物的构成比例的已知的方法可被分为“人工”的和“机器”的两种。

主要的人工方法包括制备其构成比例和被加工的矿物的比例相同的样品。获得样品是一个冗长的程序。第一步是采取若干公斤的颗粒矿物，保证样品的构成尽可能代表矿物整体的构成。样品被分解成小部分，然后其中一些部分被重新组合，直至该程序消除了样品的比例和被加工的矿物的比例之间留下的任何差异。然后样品的微粒由熟练的微粒计数人员用显微镜和该微粒在其上散布的格栅进行识别和计数。

另一种“人工”方法依赖于进行实验的人员的技能，因为该方法建立在被检查的样品和标准样品的颜色之间的差异的基础上。这不是一个特别精确的方法，因为人眼不能分辨对比或颜色中的微小变化。

有为数众多的“机器”方法，但是都有不少缺点。有些方法需要昂贵的设备而且样品的制备需要耗时。还有，一些设备只能由受过训练的科学家操作，而且只能在实验室的条件下工作。已知的机器方法的实例有：重力法。样品被沉入本身就昂贵的比重约为3的重液体中。大多数的矿物的比重约为4，而二氧化硅的比重约为2.5。这样就发生了分层，矿物沉下而二氧化硅浮起。然后被分层的微粒被进一步分开，计数和称重。

磁性法。显示出磁性的微粒材料可通过施加一个磁场而从非磁性的颗粒材料中分离。然后再进行计数和称重。

静电法。分离依赖于静电的施加，以将电绝缘的颗粒材料从导电的材料中分离出来。

导体/非导体法。这是近年开发的技术，据本申请人的知识并确信，该技术尚未投入商业使用。该技术包括将电压施加到样品并探测随成分变化的漏电流。

X射线荧光法。当用X射线照射时不同的矿物以不同的方式发射荧光。该方法也需要昂贵的设备。该方法给出了一个92个自然发生的元素的子集及其比例。该方法不能确定样品中的实际矿物相或元素是怎样互相结合的。

诱导等离子光谱法。样品被加热到一定的温度而离解为等离子体。通过等离子体的元素成分确定不同波长的光的辐射或吸收，该方法可用于探测样品的构成。该方法只能识别存在的元素，不能识别矿物相。

X射线衍射法。X射线照射到一片矿物上。在通过矿物时X射线被衍射，矿物的成分确定了衍射的性质。这是一个经验的方法，但不能提供有关矿物相的信息。

化学分析法。样品被溶解在溶剂中，分析化学的方法被用来确定成分。

光谱法。从晶体被抛光的表面，对从方截面的静止器皿中的颗粒样品的侧表面，从颗粒矿物的被压成片形的样品的顶表面以及从转动的皮氏培养皿中的颗粒材料的顶表面反射的光谱的分析都被进行试验。也要试验带有分散在其中的颗粒样品的液体的吸收光谱的分析以及矿物晶片的吸收光谱的分析。所有这些方法都需要制备适合在这些方法中使用的样品。

用于这些方法的样品的制备很费时。

晶体的切割和抛光，或晶片的制备在这些方法的两种方法的应用中是预先不可缺少的。另外两种方法要求通过长时间的分离和再组合制备样品，以保证样品的成分能代表整体材料的成分。

尽管可得到所有的设备和方法，本申请人仍不知道任何在加工厂中使用的接近于被加工的矿物流，能在以秒而不是以分钟测量的时间周期内提供矿物流中的矿物的构成信息的光谱分析设备。

本发明寻求提供一种新的分析方法和新的分析设备，该方法和设备能获得在试验下的矿物的成分信息，用于工艺控制的目的。

发明内容

根据本发明的一个实施例提供一种分析颗粒状矿物的方法以提供有关其成分的信息，该方法包括将所述颗粒矿物移过一个照明区域，将光束照射在所述矿物上以照明该矿物，收集从所述颗粒矿物反射的光，对反射光进行光谱分析以获得有关该颗粒矿物的成分的信息，所述矿物采取一个矿物层的形式，该矿物层有一个底表面和一个顶表面，所述照明区域为该矿物层的底表面和顶表面之间的中间部分。

在该方法的一个实施例中，一个探针被插入所述矿物层中，因此该探针的前端处在所述底表面和所述顶表面的中间，在所述探针的所述前端附近的材料被照明，来自所述前端附近的被照明颗粒矿物的光被收集。

最好所述探针从上方插入所述颗粒矿物。

该方法可以包括刮削所述矿物层的步骤，在所述底表面和所述顶表面的中间形成一个面向上的表面，以便使矿物层的上部被转移，使其通过所述照明区域的周围而暴露先前处在所述矿物层中的所述面向上的表面和所述顶表面之间的水平上的颗粒矿物。

在该方法的另一个实施例中，颗粒矿物被分散在一种液体中以形成一种沿一个管道流动的矿浆，该管道有限制该矿浆并使其沿管道轴向流动的管壁，一个探针被插入所述管道，使该探针的前端和所述管壁隔开，照亮在所述管道的和所述管壁向里隔开的照明区域中流动的分散的颗粒，并当矿浆中的颗粒移过该照明区域时收集从该颗粒反射的光。

该方法的实施例可以包括在所述管道的纵向轴定位所述前端的步骤，使所述照明区域处在该管道的轴线上。

该方法的另一个实施例包括将颗粒矿物的矿物层置于一个有透明壁的垂直延长的容器中，将光束照射在所述管壁上以形成一个在粉末状矿物的顶表面和颗粒矿物的底表面中间的照明区域，绕一个垂直轴转动所述容器，使容器中在所述顶表面和底表面的中间水平上的颗粒矿物移过所述照明区域，并收集从所述区域中的颗粒矿物反射的光。

该后一个实施例可以包括将所述光束倾斜照射在所述容器壁的步骤，这样，从容器壁反射的光不被收集来用于光谱分析。

根据本发明的另一个实施例提供用于分析颗粒状矿物以提供有关其成分的信息的设备，该设备包括在照明区域用于将光照射在所述区域中的所述颗粒矿物上的光源，用于收集从所述区域中的颗粒矿物反射的光的装置，用于光谱分析该反射光的装置，以及将所述颗粒矿物限制成一个有一个底表面和一个顶表面的矿物层的装置，所述照明区域在所述矿物层的所述顶表面和底表面的中间的水平上。

该设备的一个形式包括一个用于插入所述矿物层的探针，使该探针的前端在所述照明区域中。

最好所述光源由第一光纤的终端构成，探针包括用于将反射光传输到所述用于光谱分析反射光的装置的第二光纤。

为了提供用于照明目的的充分的光以及充分的收集光的能力，该设备可以包括一组第一光纤和一组第二光纤。

该设备可以包括一个刮削器，用于使所述矿物层的上部在探针周围被转移，从而暴露在所述底表面和所述顶表面的中间的面向上的颗粒矿物表面，所述探针被用作照明该中间颗粒矿物表面并收集从该中间颗粒矿物表面反射的光。

本发明提供一种“板凳顶”模式的设备，该设备包括一个用于接纳颗粒状矿物的垂直延长的容器，所述容器有透明的侧壁，还有用于绕一个垂直轴转动所述容器的装置，所述光源被定位成将光照射在容器上，以产生一个在所述容器中装载的颗粒矿物的顶表面和底表面中间的照明区域。

在该形式中，所述探针最好被定位成使光被倾斜照射在所述容器的壁上，从而防止从所述容器反射的光被传输到所述光谱分析反射光的装置。

本发明也提供一种设备，该设备由包括一个如上所述的探针和一个管道的装置构成，由带有分散在其中的颗粒状矿物的液体构成的矿浆沿该管道流动，所述管道包括管道壁，所述探针通过所述管道壁插入所述管道，因此探针的前端处在管道内并和管道壁向里隔开。在该形式中，通过光的探针的前端的表面面向上游，并在下游方向从其下边缘向其上边缘倾斜。所述表面最好相对于垂直方向倾斜30°和60°之间的角度。

本发明进一步包括一个设备，该设备由包括一个如上所述的刮削器和一个颗粒状的矿物流在其上移动的传送器的装置构成。所述刮削器突出到所述材料流中转移所述矿物流的上层并暴露所述中间颗粒材料表面。

附图说明

为了更好地理解本发明并显示本发明怎样实现其效果，通过实例的方式参考这些附图：

图1是用于分析颗粒状矿物的设备的第一形式的视图；

图2是图4所示的II-II处的横截面图；

图3是图1和2的设备的俯视图；

图4是图3所示的IV-IV处的纵向截面图；

图5是用于分析矿浆状矿物的设备的另一形式的视图；

图6是图8所示的VI-VI处的截面图；

图7是图5和6的设备的俯视图；

图8是图7所示的VII-VII处的截面图；

图9是用于分析颗粒状矿物的设备的还有一种形式的视图；

图10是图12所示的X-X处的截面图；    

图11是图9和10的设备的俯视图；

图12是图9到11的设备的侧视图；

图13是通过用于分析颗粒状矿物的设备的还有一种形式的垂直截面图；

图14是一个框图。

具体实施方式

首先参考图1到4，根据本发明的用于分析颗粒状矿物的设备形成由10表示的设备的一部分。

该设备包括一个承载颗粒状矿物流M的传送带12。传送带12可以从矿物粉碎厂和加工厂的第一阶段之间运行，可以在加工厂的各个阶段之间运行或可以是加工厂的最后阶段的下游，在该最后阶段，传送带承载已经被提取的有价值的产品或承载将要抛弃的残余物。在所有阶段，颗粒状矿物的构成的知识对工厂的运营者都是有价值的，因为它能使运营者在导致最大的运营效率的方式下控制工厂的参数。

设备包括探针14，该探针安装在面向下游的刮削器16的表面。图4可以清楚地看出，刮削器16是倾斜的，并有使颗粒矿物层M的上部在探针14周围转移的效果。这样保护了探针14免受研磨性的颗粒矿物的影响，也有暴露由18表示的面向上中间颗粒矿物表面的效果。表面18在传送带12上的材料层的底表面20和该层的顶表面22的中间。表面18被延伸到图4的右面，如虚线18.1所示，清楚地表明在被传送的材料层中表面18的位置。

探针14包括至少两个，最好是多重的光纤24，如下文将参考图14更详尽地叙述的那样。第一组光纤从例如钨卤素灯或脉冲氙灯接收光。该光沿第一组光纤传播，这些光纤的尖端形成照明表面18的光源。另一组光纤不将光传送到探针14，但接收从表面18反射的光并将该光传送到光谱仪。这也将在下文参考图14叙述。

通过产生中间表面18，分析就在最接近代表被粉碎的矿物的全部成分的区域进行。在最上面和最下面的矿物层，振动和其他的力会引起分层，在这样的层次中的材料的分析将给出不精确的结果。

可以通过置于靠近表面18的钨卤素灯或脉冲氙灯20的手段直接照射表面18。在这种形式下只需要收集反射光和将该反射光传输到光谱仪的光纤组。

在图5到8的实施例中颗粒矿物不是如图1到4的干燥的形式，而是有矿浆的形式，该矿浆包括带有分散在其中的矿物颗粒的液体。矿浆沿由26表示的管道流动。在这样的形式下探针由28表示并处在保护外壳30内。光通过其传播的外壳30的上端的表面(具体见图8)面向上游并在下游方向从其下边缘向其上边缘倾斜。倾斜的角度可以相对于水平方向在30°和60°之间。成角度表面的原因有三。防止光源的光直接从玻璃表面镜面反射回光纤，使玻璃窗口可因矿浆而有自然的清洗作用，以及引起矿浆在表面上的非层流的流动。外壳30的倾斜的上端可以由诸如蓝宝石的材料制成，比大多数其他透明的材料有更好的阻止由矿浆流动引起的磨耗的作用。在该方式中，颗粒矿物作为一个矿物层流动，矿物层的顶表面在管道的上部的下面，而矿物层的底表面在管道的下部的上面。由探针28照亮的表面所在的平面在图6和8中由32表示，并在流动的矿浆的顶表面和底表面的中间。

图5到8所示的设备以和图1到4所示的同样的方式运行，下文将参考图14叙述。

在图9到12的实施例中刮削器16被省略，由34表示的探针在防磨耗圆柱外壳36内。探针的尖端可从外壳的终端缩进并由外壳的一个透明的部分覆盖。探针的尖端的位置被定位成使其照射颗粒矿物的一个区域，该区域在矿物层的和传送带12相邻的底表面和矿物层的暴露的顶表面的中间。为了简单说明的目的，矿物层被显示为大致为三角形的截面。被说明的表面处在图10和12中由38表示的平面里。

现在转到图13，被说明的用于分析颗粒状矿物的设备被显示为在例如矿物加工厂的实验室或控制室中使用的“板凳顶”，而不是如上所述的设备的一部分。图13显示的分析设备由40表示，并包括一个可由铝制的圆柱形外壳42，一个可由低碳钢制的基础44和一个可由PVC制的盖46。基础44和盖46以排除环境光进入外壳42的方式和外壳42适配，在基础和外壳之间以及盖和外壳之间有O型密封圈48和50。

电机和齿轮箱单元52安装在基础44中的支架54上。电机50的动力线由56表示。    

保持器58固定在电机和齿轮箱单元50的输出轴上，保持器58提供一个向上开口的支架60用于接纳垂直延长的容器62，该容器62接纳将被分析的颗粒矿物。容器62可以是玻璃管或合成塑料管的形式，因此可以是全透明的。或者，容器62可以是一种制造结构，该结构中其圆柱形的侧壁的区域必须是透明的，因此来自探针64的光可以照射到容器62中的颗粒矿物M上。O型圈66设置在支架60中并夹持住容器62，防止容器62除了和保持器一起绕其垂直的纵向轴转动以外不再有任何其他的运动。

塞子68适配在外壳42中为其设置的开口中，探针64通过塞子68进入外壳。如图中清楚所示，探针64成一个可相对于垂直方向在30°和60°之间的角度，因此任何从容器62表面反射的光都不能被反射回这些接收从颗粒矿物反射光的光纤。这就防止了这样的反射光到达光谱仪。

因为容器62转动，在这种结构中的照射区域是一个在容器62中的粉末矿物的顶表面和粉末矿物的底表面的中间的环形区域。底表面由容器62的半球形的底部构成。

最后参考图14，卤素灯或脉冲氙灯由70表示，引导探针的光纤组由72表示。

探针由74表示，收集反射光并将其传输到光谱仪76的光纤组由78表示。光谱仪76连接到数据处理器80，该处理器又顺序连接到监视器82，分析的结果在监视器上以图示的形式显示。

为了确定含有以未知的比例混合的矿物A和B的样品X中该两种矿物的比例，必须获得每种矿物的纯净形式的光谱和未知比例的混合物X的光谱。

在该实例中，只用了来自每个A，B和X的光谱的五个值，但实际上可有几千个值，每个值都代表在一个特定波长上的反射。

实例光谱为：A：[0.2  0.2  0.2  0.6  1.4]B：[1.4  0.6  1.01.4  1.0]X：[0.5  0.3 0.3  0.9  1.3]方案：实例光谱显示，在A和B的反射之间有不同，这对应用这种技术而言是预先必不可少的。

即使需要两个百分比，但只有一个，例如O_A，需要从光谱中确定，因为未知的混合物只含有两种已知的矿物，O_B可以计算为：O_B＝100％-O_A，O_A可以从光谱确定如下：

$>>>O>A>>=>>>100>\%>>N>>\times >>\Sigma >>j>=>1>>N>>>(>>x>j>>->>A>j>>)>>/>>(>>B>j>>->>A>j>>)>>>s>$

其中A_J代表来自光谱A的个别值，B_J代表来自光谱B的个别值，X_J代表来自光谱X的个别值，N等于每个光谱的样品数，在本情况下为5。

对在问题表述中提供的实例光谱的计算产生了下述答案：O_A＝25.0％，O_B＝75.0％。因此，样品X含有25％的A和75％的B。

如果混合物含有多于两种矿物，则需要每种纯净矿物的光谱以及混合物的光谱。必须进行两种或更多的计算。