Г. В. Шибалко, зав. лабораторией, к. т. н., Л. В. Шалыгина, зам. зав. лабораторией, Г. Г. Амигуд, старший научный сотрудник, к. т. н.,
ОАО «Уралмеханобр», г. Екатеринбург, Россия
Научно-исследовательский и проектный институт обогащения и механической обработки полезных ископаемых «Уралмеханобр» (ОАО «Уралмеханобр») проводит комплексные исследования горных пород и твердого минерального сырья, разрабатывает технологии добычи и обогащения самых разнообразных полезных ископаемых, выполняет работы по проектированию строительства и реконструкции предприятий горнодобывающего, обогатительного, металлургического профилей, и т. д.
Переработка минерального сырья является совокупностью большого числа физических, химических и физико-химических процессов, отличающихся друг от друга по принципу воздействия, аппаратурному оформлению, затратам и масштабам.
При разработке рациональной технологии обогащения того или иного материала необходимо иметь достаточную и достоверную информацию о химическом, физическом и минеральном составе продуктов на всех этапах исследований. В институте «Уралмеханобр» эту информацию предоставляет аналитическая лаборатория, которая является многопрофильным научно-производственным подразделением научной части института. Аналитическая лаборатория имеет богатый многолетний опыт исследования вещественного состава твердого минерального сырья на всех этапах его переработки.
Объекты исследования
В лаборатории выполняются исследования как природных, так и техногенных материалов. Среди объектов исследования:
– горные породы и минералы;
– руды и продукты переработки черных, цветных и редких металлов различных месторождений России и зарубежных стран (железные, титано-магнетитовые, хромовые, марганцевые, медные, цинковые, свинцовые, полиметаллические, титан-циркониевые, ниобиевые и т. д.);
– неметаллические полезные ископаемые различных месторождений (кварциты, кварц-полевошпатовые материалы, известняки, графитовые руды и др.);
– техногенные отходы (шлаки, шламы, пыли, клинкера и т. д.).
Методы исследования
Для выполнения аналитических работ используются следующие методы исследования:
– классические химические (гравиметрия, титриметрия);
– оптическая молекулярная фотометрия;
– инфракрасная фотометрия;
– атомная абсорбция с пламенной атомизацией;
– эмиссионная спектроскопия с индуктивно связанной плазмой (ИСП);
– оптическая эмиссионная спектроскопия с возбуждением атомов сжиганием в дуге электрического тока методами испарения из кратера и непрерывной просыпки пробы;
– варианты электрохимических методов (прямая потенциометрия, потенциометрическая и биамперометрическая индикация конечной точки титрования, кондуктометрия др.);
– рентгенофлуоресцентный;
– фазовый (химический и рентгеноструктурный);
– магнитометрический;
– минералого-петрографические исследования с применением оптической и электронной микроскопии.
Направления деятельности
Аналитические исследования выполняются по следующим направлениям:
– определение общего (валового) элементного состава – количественные и полуколичественные измерения;
– определение распределения элементов по фазам (минералам или группам минералов);
– минералогические исследования;
– определение гранулометрического состава порошков;
– исследование электрохимических характеристик суспензий минеральных порошков;
– выполнение арбитражных анализов и заявок сторонних организаций по исследованию состава и структуры горных пород, руд черных, цветных, редких металлов, неметаллорудных материалов и продуктов их переработки;
– разработка стандартных образцов предприятия (СОП) руд и продуктов их переработки, участие в межлабораторных сравнительных испытаниях по аттестации стандартных образцов (СО);
– разработка новых методик анализа горных пород и минерального сырья;
– оказание консультационных услуг.
Оборудование
Исследования выполняются на оборудовании отечественного и импортного производства:
– анализатор инфракрасный для определения серы и углерода CS-800 (Eltra, Германия);
– анализатор магнитных материалов Satmagan (Финляндия);
– анализатор ртути РА-915М с пиролитической приставкой ПИРО-915+ производства ООО «Люмээкс» (Россия);
– атомно-абсорбционные спектрометры SOLAAR-969 и SOLAAR-S4 (Thermo Fisher Scientific, Англия);
– весы специального класса точности Sartorius (Германия), GR (Япония);
– волнодисперсионный XRF-спектрометр Perform’X (Thermo Scientific, Швейцария);
– дифрактометр XRD-7000 (Shimadzu, Япония);
– лазерный анализатор размера частиц Helos/KR с модулями диспергирования суспензий – Quixel и диспергирования порошков – Rodos/М производства фирмы SYMPATEC GmbH (Германия);
– оптический микроскоп Axio Imager (Carl Zeiss, Германия) с программным обеспечением «Минерал С-7»;
– сканирующий электронный микроскоп EVA MA 15 с микрозондовой приставкой ((Carl Zeiss, Германия);
– система автоматического титрования Titration Excellence T-70 производства компании Metller Toledo ( Швейцария);
– сканирующий спектрофотометр SPECORD 250 Plus Analytik Jena (Германия);
– спектрофотометр ПЭ-5400ВИ (Россия);
– спектрометр оптический с индуктивно связанной плазмой SPECTRO ARCOS (SOP) (Spectro, Германия);
– электроакустический спектрометр Dispersin DT-310 производства компании Dispersion Tecnolodgy Inc. (США).
Измерительное оборудование внесено в госреестр средств измерений, проходит периодическую поверку. Практически все аналитическое оборудование работает в комплекте с управляющими компьютерными программами, которые позволяют тестировать работоспособность приборов, облегчают процедуру настройки, расчета результата и предоставления данных в удобном для прочтения виде. Это снижает субъективные ошибки, повышает производительность и точность получаемых результатов.
Кроме измерительного оборудования имеется различное вспомогательное оборудование:
– микроволновая система разложения проб Mars 5 (СЕМ, США);
– лабораторная система разложения в открытых сосудах Hot Block (США);
– муфельные лабораторные печи LT/9/11 (Nobertherm, Германия);
– система получения лабораторной воды Elix 10 (Millipore, Франция);
– таблетировочный пресс Atlas (Англия);
– генератор 4-полюсной дуги переменного тока «ПОЛЮС-4» (Россия);
– генератор дуги «Прима-М» (Россия);
– спектрографы PGS 2 (Германия), СТЭ-1 (Россия);
– посудомоечная машина для мытья лабораторной посуды Miele PG 8536 (Германия), и т. д.
Лабораторные исследования
По заявке заказчика проводится комплексное исследование материала по нескольким или какому-либо одному направлению.
Большая доля аналитических работ связана с определением элементного состава проб.
Лаборатория выполняет измерения содержания свыше 50 компонентов (Cu, Zn, Cd, Pb, Au, Ag, Bi, Ni, Co, Hg, Fe, TiO2, ZrO2, V2O5, P2O5, CaO, MgO, SiO2, Al2O3, K2O, Na2O и т. д.) в горных породах, различном твердом минеральном сырье (руды черных, цветных, редких металлов), неметаллических полезных ископаемых, продуктах их переработки (концентратах, хвостах и т. д.), техногенных отходах (шлаках, медьсодержащем ломе и т. д.). Интервал определяемых концентраций от 10-5 до десятков процентов в зависимости от природы определяемого компонента и объекта анализа.
Для работы применяются методы определения элементов по ГОСТ, методикам (инструкциям) Научного совета по аналитической химии (НСАМ), аттестованным методикам, разработанным самой аналитической лабораторией или другими предприятиями, и т. д. При отсутствии стандартизованных методик исследования проводятся на основании литературных данных, богатого опыта исследований полезных ископаемых и глубокого знания возможностей метода измерений. В лаборатории применяются свыше 300 методик измерений различных компонентов.
Выбор того или иного метода и методики выполнения измерений определяется природой материала, его составом как элементным, так и минеральным, требованиями к точности результатов, экспрессности получения данных, наличием приборной базы и квалификации персонала и т. д. Поэтому в аналитической практике лаборатории успешно соседствуют классические методы (гравиметрия и титриметрия), физико-химические (фотометрия, электрохимия, атомная абсорбция, спектрометрия с индуктивно связанной плазмой и др.)
и физические (эмиссионный спектральный, рентгенофлуоресцентный, рентгеноструктурный и т. д.) методы измерений. Для определения того или иного компонента в лаборатории внедрено несколько методов и методик.
Так, например, содержание кальция определяется комплексонометрическим титрованием, атомно-абсорбционным методом, ИСП-спектрометрией. Экспресс-анализ выполняется рентгенофлуоресцентным методом. Для определения содержания железа применяют варианты титриметрии с визуальной или потенциометрической индикацией конечной точки титрования. Титрование выполняют вручную из бюретки или автоматически на титраторе Т-70 (компания Metler Toledo) с механической подачей растворов.
Для измерения более низких концентраций железа применяют фотометрические методы с различными комплексообразователями, атомно-абсорбционные методы с пламенным источником возбуждения энергии атомов либо спектрометрию с индуктивно связанной плазмой. Эти два примера в определенной мере показывают не только возможности лаборатории, но и рисуют подход к выполнению поставленной задачи.
Кроме количественных определений специалисты лаборатории выполняют большое число полуколичественных измерений. Для этого используются эмиссионный спектральный метод определения примесных элементов (29–33 компонента) и бесстандартный рентгенофлуоресцентный (РФА) метод полного анализа материала. Первый нашел широкое применение при выполнении геологоразведочных работ, второй – для первичной оценки неизвестных или малоизученных проб.
Геологами Уральского федерального округа широко востребован полуколичественный эмиссионный спектральный анализ. Для работы применяется метод испарения проб из канала угольного электрода и метод непрерывной просыпки пробы в дугу переменного тока. Регистрация спектров – как фотографическая, так и с использованием анализатора многоканальных атомно-эмиссионых спектров «МАЭС». За год лаборатория анализирует 6–9 тысяч проб полуколичественным спектральным методом.
Потребности в данных бесстандартного РФА-метода скромнее – 300–500 проб в год. Использование новейшего рентгеновского спектрометра PERFORM’X позволяет, кроме того, проводить точечный химический анализ включений размером от 0,5 мм и получать 3D-картину распределения элементов по поверхности образца.
Для контроля качества выполняемых измерений действует система внутрилабораторного контроля, включающая оперативный и статистический контроль качества результатов в соответствии с метрологическими требованиями ГОСТ 5725-2002, РМГ 76 и ОСТ 41-08-214-2004, ОСТ 41-08– 265-2004.
Применяются различные способы контроля. Основной – применение образцов для контроля, в качестве которых обычно используются стандартные образцы. Для этих целей в распоряжении персонала лаборатории свыше 90 стандартных образцов различной природы с широким набором аттестованных характеристик. Сюда входят государственные, отраслевые стандартные образцы и стандартные образцы предприятия. Применяются и другие алгоритмы внутрилабораторного контроля.
Внешний контроль качества результатов измерений проводится в ходе ежегодного участия лаборатории в межлабораторных сравнительных испытаниях (МСИ), которые организуют ФГУП «ВИМС», ЗАО «Институт стандартных образцов», ФГУП «УНИИМ» и т. д. Результаты МСИ подтверждают высокое качество результатов измерений.
Аналитическая лаборатория аккредитована на соответствие требованиям ГОСТ ИСО/МЭК 17025, аттестат аккредитации RA.RU.21РУ01.
Область аккредитации содержит 81 методику измерений массовой доли 35 основных показателей в горных породах, различном твердом минеральном сырье (руды черных, цветных, редких металлов), неметаллических полезных ископаемых, продуктах их переработки (концентратах, хвостах и т. д.), техногенных отходах (шлаках, медьсодержащем ломе и т. д.).
Аналитическая лаборатория сотрудничает с ФГУП «ВИМС» и ЗАО «Институт стандартных образцов» по аттестации стандартных образцов горных пород, рудного и нерудного сырья и продуктов их переработки.
Распределение элементов по фазам (фазовый анализ) выполняется методом селективного растворения минеральных форм, рентгеноструктурным методом на порошковом рентгеновском дифрактометре XRD-7000S фирмы «Шимадзу» или их комбинацией.
Широко применяется фазовый химический анализ минеральных форм железа, серы, золота, серебра, меди, цинка, свинца и др. В ходе исследований используются как методики сторонних предприятий, так и собственные алгоритмы.
Для железных и железосодержащих руд разработаны, аттестованы и успешно используются методики магнитно-химического и магнитометрического определения железа магнетита на анализаторе магнитных материалов Satmagan. Для контроля правильности получаемых результатов создана серия стандартных образцов предприятия, охватывающая весь диапазон определяемых концентраций от 0,5 до 70 % железа магнетита.
Обогащение твердых полезных ископаемых немыслимо без минералогического анализа материалов. В лаборатории выполняются минералого-петрографические описания материала, определяется количественный минеральный состав проб, проводится анализ раскрытий и сростков минералов, вычисление свободного периметра минералов и т. д., влияющие на технологию обогащения. Применяются методы исследования на оптическом материаловедческом микроскопе AXIO IMAGER.1М с системой фотодокументирования на цифровой цветной камере.
Электронный сканирующий микроскоп EVA MA 15 с микрозондовой приставкой с использованием компьютерных технологий обработки изображения позволяет получать данные о химическом и фазовом составе более тонких структур материала.
С его помощью можно изучить морфологию частиц пробы размером в несколько микрон, а также определить их химический состав, что является основой для прогнозирования качества и количества продуктов, которые могут быть получены при переработке сырья.
В работе используются оптические и электронный микроскоп фирмы Carl Zeiss (Германия).
Одним из важнейших показателей качества порошкового продукта является гранулометрический состав. Анализ распределения по размерам частиц необходим не только для определения качества самого продукта, но также может быть использован для определения эффективности используемого технологического оборудования. Для оценки степени измельчения твердых материалов в лаборатории применяется лазерный анализатор размера частиц Helos компании SYMPATEC GmbH (Германия) с приставками для диспергирования сухих проб – Rodos и суспезии – Quixel.
Анализатор позволяет измерять гранулометрический состав проб в интервале от 0,1 мкм до 2 мм, показывая как интегральное, так и дифференциальное распределения частиц по крупности.
Новым видом исследования для лаборатории является изучение электрохимических характеристик суспензий – рН жидкой фазы и дзета-потенциала в ходе взаимодействия с растворами реагентов. Информация, получаемая с помощью электроакустического спектрометра Dispersin DT-310, используется для прогнозирования процессов сгущения суспензий и эффективности реагентов при флотации.
Таким образом, лаборатория выполняет широкий комплекс исследований, необходимых для проведения технологических работ, постоянно совершенствует и обновляет широкий комплекс методов, решаются вопросы технического перевооружения, повышения профессионального уровня сотрудников, повышения информативности и качества исследований.
Сотрудниками аналитической лаборатории разработаны и аттестованы различные методики анализа: атомно-абсорбционное определение золота, серебра, меди, цинка, свинца; методы ИСП-спектрометрии для измерения массовой доли меди, цинка, свинца, мышьяка, фотометрический метод определения оксида кремния в минеральном сырье, магнито-химическая и магнитометрическая методики фазового химического определения железа магнетита; определение серы и углерода методом инфракрасной спектроскопии в широком интервале определяемых концентраций и др. Результаты различных исследований реализованы при разработке и (или) пересмотре действующих ГОСТов на методы анализа:
В 2015 году лаборатория внесена в отраслевой реестр лабораторий, рекомендованных для лабораторно-аналитического обеспечения геологоразведочных работ (ГРР).
Все проводимые исследования обеспечены необходимой нормативно-методической документацией. В лаборатории функционирует система менеджмента качества в соответствии с ГОСТ ИСО/МЭК 17025-2009. Сохраняя все виды исследований, необходимых для горнодобывающей и горноперерабатывающей промышленности, аналитическая лаборатория постоянно развивается, расширяет номенклатуру анализируемой продукции и объектов контроля.
Список использованных источников:
- 1. ГОСТ 5725-2002 Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений.
- 2. ГОСТ ИСО/МЭК 17025-2009 Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий.
- 3. ОСТ 41-08-214-2004 Управление качеством аналитических работ. Внутренний лабораторный контроль точности (правильности и прецизионности) результатов количественного химического анализа.
- 4. ОСТ 41-08– 265-2004 Управление качеством аналитических работ. Статистический контроль точности (правильности и прецизионности) результатов количественного химического анализа.
РМГ 76 -2004 Государственная система обеспечения единства измерений. Внутренний контроль качества результатов количественного химического ана
