CC BY
51
© Ю.А. Мамаев, Н.П. Хрунина, 2007
УДК 622.271.35:534
Ю.А. Мамаев, Н.П. Хрунина
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТУЮ ЗОЛОТОСОДЕРЖАЩУЮ ПОРОДУ ПОСЛЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ
разрушение песчано-глинистых пород с целью выделения тонкого и мелкого золота и разработка научных основ создания высокопроизводительных технологий, комплекса средств большой единичной мощности с автоматизированной системой управления, в которых используются принцип разделения на фракции, механическая активация и ультразвуковое инициирование, требует детального изучения процессов, протекающих в золотосодержащих дисперсных системах, и построения моделей, которые дали бы возможность добиться не только максимально возможной эффективности трансформации породы, но и перейти к автоматическому регулированию и управлению технологическим процессом.
Анализ информации, выполненный на основе системного подхода к рассмотрению протекающих при ультразвуковом воздействии на золотосодержащие глинистые дисперсии процессов, показал противоречивость отдельных экспериментальных данных и недостаточную их изученность [1]. В настоящее время отсутствует рациональная модель, удовлетворительно описывающая закономерности процесса ультразвуковой трансформации песчано-глинистой породы. Потребовалось проведение комплекса исследований по экспериментальной проверке имеющейся информации и получение дополнительных данных для выявления закономерности процесса диспергирования под действием ультразвука, разработка методологии имитационного моделирования, ориентированной на специфику данного процесса, и построение на ее основе модели.
Экспериментальные исследования в ИГД ДВО РАН проводились по изучению влияния интенсификации процесса, обусловленного физическими параметрами ультразвукового воздействия на измельчение частиц песчано-глинистых пород россыпных месторождений золота с целью разработки эффективного и надежного способа их трансформации и комплекса средств на его основе. Исследование процесса диспергирования песчано-глинистой породы и формирования устойчивого состояния полидисперсной гетерогенной системы проводилось на лабораторной установке, включающей блок контроля физических и структурно-механических параметров исследуемой системы с лазерным дифракционным микроанализатором 1, систему механического инициирования 2, блок ультразвукового инициирования 3, систему ультразвукового излучения 4, генератор переменной мощности 5, блок вспомогательных устройств по отделению массовой доли дисперсных частиц 6, блок определения и контроля выходных данных - массовой доли дезинтегрированной части песчано-глинистой породы 7, рис.
1.
В систему ультразвукового излучения 4 входит установка ULTRASONIC MACHINE Модель USD 150B № 8403014, IMAHASHI MFG. CO. JAPAN с изменяющимся диапазоном мощности от 1 до 10 Вт и частотой излучения 19,5 кГц.
Физическое и структурно-механическое изменение системы исследовалось посредством лазерного дифракционного микроанализатора - Laser Particle Sizer “Analysette 22” (1), работающего на основе сходящегося лазерного луча, использующего физический принцип рассеяния электромагнитных волн для определения распределения частиц по размерам. Свет параллельного лазерного луча отклоняется на определенные пространственные углы, зависящие от диаметра и оптических свойств частиц. Собирающая линза фокусирует рассеянный свет кольцеобразно в фокальной плоскости, где детектор регистрирует спектр Фурье (распределение световой энергии). В наших исследованиях использовался также метод седиментационной устойчивости на основе разделения фаз и прямого взвешивания для определения суточного отстоя и стабильности. Исследованию подвергались слабопластичные и высокопластичные золотосодержащие песчано-глинистые породы. Вес пробы, средние габаритные размеры соответствуют эквивалентным весу
Рис. 1. Принципиальная схема лабораторной установки: 1 - блок контроля физических и структурно-механических параметров исследуемой системы с лазерным дифракционным микроанализатором; 2 - система механического инициирования; 3 - блок ультразвукового инициирования; 4 - система ультразвукового излучения; 5 - генератор переменной мощности; 6 - блок вспомогательных устройств по отделению массовой доли дисперсных частиц; 7 - блок определения и контроля выходных данных - массовой доли дезинтегрированной части песчаноглинистой породы М1
и размерам кусков породы, попадающим на промышленную установку. Соотношение Т:Ж - 1:13. Схема проведения эксперимента в соответствии с рис. 2.
Исходная проба подвергалась механической активации (частота перемешивания - SO мин -1), ее дисперсность проверялась на установке Laser Particle Sizer “Analysette 22”. Диапазон размеров измеряемых частиц - 1,19-171,48 мкм. После механической активации система подвергалась ультразвуковой обработке и снова проверялась на установке Laser Particle Sizer “Analysette 22”. Затем производился суточный отстой, слив жидкой части, сушка в печи и взвешивание на весах твердой составляющей. Обработка проб слабопластичной и вы-
сокопластичной золотосодержащей песчано-глинистой породы Соловьевского
Физические характеристики
характеристики
Суточный отстой, С (%) с = ^■■■ —-; М2 - М - Мь Стабильность, Mi (г)
4 М
Рис. 2. Общая схема проведения экспериментальных исследований
золотоносного района на установке ULTRASONIC MACHINE, Модель USD 150B № 8403014, IMAHASHI MFG. CO. JAPAN проводилась при разных временных интервалах - 0,5; 5; 8; 10; 15 минут и мощности - 2; 4; 5; 6; 8; 10 Вт. Анализ данных, рис. 3, 4, полученных в результате исследования дезинтегрированной посредством ультразвука породы на седиментационную устойчивость в воде, позволил оценить эффективность процесса и выявить допустимые оптимальные параметры интенсивного звукового воздействия. Установлено, что при мощности излучения свыше 2 Вт и временном интервале свыше 5 минут стабильность исследуемой слабопластичной и высокопластичной песчано-глинистой породы значительно возрастает. Это дает возможность на основе предварительной оценки процесса определить эффективные параметры энер-гетического воздействия на природную золотосодержащую систему «песчано-глинистой породы в воде» для выявления и подтверждения основных физических зависимостей, позволяющих управлять процессом дезинтеграции породы с раз-ным типом пластичности.
На основе данных автоматического гранулометрического экспресс анализа - гистограмм распределения дисперсности
I
ф
со 3
1 §
I § 8-1 5 *8
Ь |
£ 5
II I ^
СО С;
О
5 8 10 15 Время, мин
Рис. 3. График стабильности слабопластичной золотосодержащей песчаноглинистой породы после механического воздействия и озвучивания: 1 - мощность 2 Вт; 2 - мощность 5 Вт; 3 - мощность 10 Вт
Рис. 4. График стабильности высокопластичной золотосодержащей песчаноглинистой породы после механического воздействия и озвучивания: 1 - мощность 2 Вт; 2 - мощность 5 Вт; 3 - мощность 10 Вт
частиц в исходном состоянии, после механического воздействия и ультразвуковой обработки, величин удельной поверхности частиц в установленном размерном диапазоне измерения - 1,19-171,48 мкм, - значений моды и медианы, изменений процентных соотношений размеров частиц, - получено более наглядное представление об эффективности процесса как механического инициирования, так и ультразвукового воздействий. Сравнение изменений процентных соотношений размеров частиц, полученных при различных временных интервалах, дает представление о количественном изменении частиц в объеме исследуемого состава пульпы. Так, при мощности 10 Вт, в объеме массовой доли дисперсной составляющей слабопластичной породы равной 55 %, размер частиц уменьшился в среднем в 2 раза, а в объеме массовой доли равной 90 %, он почти достигает этого уровня только при времени 15 минут. Гистограммы распределения дисперсности частиц демонстрируют увеличение массовой доли диспергированных частиц в измеряемом диапазоне после механического воздействия и звуковой обработки, но не позволяют оценить процесс более представительно. Сравнение гистограмм, полученных после механической активации, с гистограммами исходного состояния высокопластичной и слабопластичной золотосодержащей песчано-глинистой породы показывает низкую эффективность механического воздействия во всех экспериментах. Плотность распределения размеров частиц после ультразвуковой обработки, по сравнению с механической активацией, во всех случаях указывает на значительную эффективность - распределение размеров частиц имеет смещение в сторону мелкой зоны, где находится и большая часть материала, т. е. распределение положительное косое. Проведенные дополнительные экспериментальные исследования в 2004 и 2005 году подтвердили полученные данные в 2003 году и позволили осуществить проверку математического описания процесса изменения удельной поверхности Sw песчано-глинистой породы
8уд=8уд.0 exp0,0096 В^сРпЛс^пЩ-Аехр^а!)] t. (1)
Sуд=Sуд.o exp Врп^с'Уп W[1-Aexp(-2al)] t, (2)
Sуд=Sуд.o ехр14,4"2ВрпЛо"1Уп P2[1-Aexp(-2al)] t, (3)
где Sw.0 - удельная межфазная поверхность системы частиц в выбранном; размерном диапазоне измерения при т = 0; п - коэффици-
ент полезного действия установки; W - мощность подводимой энергии; рп - плотность поверхностной массы частиц; Уп - объем поверхностной массы частиц; t - время воздействия подводимой энергии; Сс - волновое сопротивление; о - удельная поверхностная энергия системы дезинтегрированных золотосодержащих глинистых частиц в выбранном размерном диапазоне измерения; В -коэффициент; Р - звуковое давление; I- интенсивность излучения ультразвука; 1 - расстояние от источника звука до точки измерения интенсивности в среде; а - коэффициент поглощения звуковой энергии средой, и разработать метод управления процессом структурной перестройки.
Для разработки метода управления энергетическими параметрами ультразвукового инициирования, формирующего направленное изменение песчано-глинистых пород, в качестве оценки предложен условный коэффициент трансформации у, который дает наглядное представление об эффективности изменения дисперсной системы золотосодержащих глинистых частиц
т т
у = М1 - ((Ум1)-(Уи1))] +• • •+
к:1 кп
ШУузп ) - (умп )) - Иумп ) - (уи„ ))] ,
где <ууз>, <ум >, <уи> - физическая характеристика системы (эмпирическая средняя величина удельной поверхности), меняющаяся в процессе структурной перестройки в зависимости от типа воздействия; тф, Мк - количественная характеристика фракции (фактическая и контрольная объемная доля дисперсных частиц в измеряемом диапазоне размера); 1...п - номер ступени физического воздействия.
Проведен расчет условного коэффициента трансформации слабопластичной золотосодержащей песчано-глинистой породы Соловьевского золотоносного района, рис. 5. Отношение фактической объемной доли дисперсных частиц к ее контрольной величине принимаем равным 1, так как необходимости в оценке количественной характеристики фракции при одностадийной обработке нет. При мощности 5 Вт и 10 Вт и увеличении времени ультразвукового воздействия происходит заметный рост коэффициента у . Макси-
мальный показатель условного коэффициента трансформации у получен при
< У •105 >, м'1
Рис. 5. Изменение условного коэффициента трансформации у : 1 - при мощности 2 Вт; 2 - при мощности 5 Вт; 3 - при мощности 10 Вт; 4 -при увеличении исходной эмпирической средней величины удельной поверхности частиц <уи> на порядок и мощности 5 Вт
Рис. 6. Изменение условного коэффициента трансформации у : 1 - при мощности 2 Вт; 2 - при мощности 5 Вт; 3 - при мощности 10 Вт; 4 - при увеличении исходной эмпирической средней величины удельной поверхности частиц <у и> на порядок и мощности 5 Вт
Рис. 7. График зависимости удельной поверхности частиц от мощности ультразвукового излучения
исходных параметрах системы с удельной поверхностью глинистых частиц, увеличенной на порядок, кривая 4 рис. 5. Для высокопластичной золотосодержащей песчано-глинистой породы также выявлена закономерность роста условного коэффициента трансформации при увеличении исходной удельной поверхности частиц на порядок, рис. 6.
Таким образом, выявлена возможность оценки трансформации песчано-глинистой породы в воде в зависимости от изменения удельной поверхности частиц и мощности ультразвука при фиксированных временном интервале и частоте ультразвукового излучения. Подтверждено влияние изменения исходных характеристик самой же системы на эффективность структурно-механической трансформации золотосодержащих пород в воде при заданной частоте излучения. Эффективность зависит от степени измельчения кусков породы и дисперсности частиц в исходном состоянии, временного интервала воздействия и мощности излучения. Проведена проверка математической модели основного процесса, протекающего при воздействии ультразвука на песчано-глинистую породу в
водной среде, рис. 7. Линейный характер зависимости удельной поверхности частиц до и после ультразвуковой обработки также подтвержден на основе экспериментальных данных.
Экспериментально подтверждено, что направленное изменение физических параметров песчано-глинистых пород в воде при ультразвуковом воздействии после механической активации, осуществляемое при внешних постоянных давлении и температуре, определяется экспоненциальной зависимостью от мощности и линейной зависимостью от контролируемого начального параметра системы - удельной межфазной поверхности. На основе предложенного в качестве оценочного параметра условного коэффициента трансформации у разработан метод управления энергетическими параметрами ультразвукового излучения, формирующими направленное изменение свойств песчано-глинистых пород, для повышения технологичности и снижения удельной энергоемкости процесса [1, 2]. Метод включает: выбор допустимых оптимальных параметров (диапазон временного воздействия ультразвука, уровней мощности) на основе исследования седиментационной устойчивости глинистых частиц к осаждению; расчет условных коэффициентов трансформации у для различных параметров мощности; построение графических зависимостей у = f (^), где t - время воздействия ультразвука; оценка физического процесса по графикам, из которых на основе изменения контролируемой исходной величины удельной межфазной поверхности разупрочняемых частиц определяют мощность ультразвукового излучения.
Выводы
1. Эмпирическим путем определена область параметров настройки мощности ультразвукового излучения при изменении исходной физической характеристики системы. При увеличении исходного параметра удельной межфазной поверхности частиц Syд.I на порядок, мощность W ультразвукового излучения при внешних постоянных давлении, температуре, частоте и времени воздействия может быть снижена вдвое. Это дает возможность повысить технологичность и снизить удельную энергоемкость процесса.
2. Преимущества разработанного метода заключаются в том, что контроль за процессом разрушения, направленного изменения состояния и свойств породы в воде осуществляется на близком к микроскопическому уровню (по Syд), тогда как в известных
технологиях оценка производится на основе изменения макропоказателя (массы куска), что приводит к значительным погрешностям при расчетах. Кроме того, условный коэффициент трансформации связывает механический и звуковой процессы между собой с фиксированием начальных и конечных физических параметров.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хрунина Н.П. Физические методы интенсификации процессов горного производства при золотодобыче //Горный информационно-аналитичес-ий бюллетень. Приложение. Международная научно-практическая конференция «Проблемы комплексного освоения минерального сырья Дальнего Востока» (6-8 сент. 2005г., Хабаровск) - М.: МГГУ, 2005. - с. 334-341.
2. Хрунина Н.П. Способ управления процессом трансформации золотосодержащей породы: Патент RU 2276727 от 20.05.06 г. МПК Е21С 45/00, 20.05.06, Бюл. № 14.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------
Мамаев Ю.А. - доктор технических наук, профессор, директор института,
Хрунина Н.П. - научный сотрудник,
Институт горного дела ДВО РАН.
