CC BY
27
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ МИНЕРАЛОВ
В.И. Дядин (КОМСП ГС РАН), Д.С. Синявин (КамчатГТУ)
В сообщении рассмотрены некоторые особенности воздействия магнитного поля на минералы, содержащие металлические включения малых размеров. Показана возможность разделения минералов в сильных магнитных полях. Предлагаемый метод может быть использован при промышленной добыче полезных ископаемых.
In the message some features of influence of a magnetic field on the minerals containing metal inclusions of the small sizes are considered. The opportunity of division of minerals in strong magnetic fields is shown. The offered method can be used on industrial extraction of minerals.
Горнодобывающие отрасли являются важнейшим фактором, дающим России геополитический вес, веру в стабилизацию и будущее развитие экономики. Потенциал минерально-сырьевой базы позволяет полностью обеспечить потребности страны во всех без исключения видах сырья как для внутреннего потребления, так и для продажи на внешнем рынке. Но многие наши месторождения по сравнению с зарубежными характеризуются пониженным качеством руд, более сложными горногеологическими и суровыми климатическими условиями районов добычи [1]. Процесс постоянного снижения качества горной массы и увеличения доли труднообогатимых руд, характерный для эксплуатируемых месторождений всего мира, в России выражен более ярко, чем в других странах. Особенно это заметно в золотодобыче, так как почти 70 % драгоценного металла в России добывается из россыпных месторождений. Истощение крупных россыпных и приповерхностных коренных месторождений с относительно хорошим качеством сырья и простых по технологии извлечения заставляет вовлекать в переработку все более бедные, упорные и сложные по составу руды и пески. Затраты на добычу возрастают, и добывать золото становится невыгодно. Проблема рентабельности добычи золота с особой остротой заявила о себе в середине 90-х годов, когда было резко сокращено государственное финансирование геологии и горнодобывающей промышленности, а мировые цены на золото упали примерно с 450 до 250 долларов за унцию. Добыча золота редко приносит сверхприбыли. Это очень трудное производство, продукция которого на протяжении истории человечества всегда имела хороший сбыт.
Золото для России - это не только слитки, валюта, но и престижное звание страны - лидера золотодобычи. Золото - это ничем не заменимое сырье для ювелирной промышленности, электроники, медицины и высоких технологий, это стратегические запасы для будущего развития новых наукоемких отраслей промышленности, это стабильные рабочие места. Большой золотовалютный запас - это и возможность беспрепятственного обслуживания внешнего долга страны. Большой золотой запас в любом государстве является мощнейшим фактором, стабилизирующим экономику и денежную систему, несмотря на то что само золото утратило функцию мировых денег. В условиях стабильно низких цен на нефть, сохранявшихся на протяжении большей части XX века, для нашей страны золото являлось основным источником получения иностранной валюты. Только за период с 1971 по 1991 гг. СССР продал западным странам около 5,5 тыс. т золота [2].
В России необходимо наладить добычу золота в больших количествах хотя бы для того, чтобы привести в порядок расстроенную демократическими преобразованиями экономику и стабилизировать денежную систему. Сырьевая база позволяет в течение нескольких десятилетий добывать не менее 300 т металла в год [3], но для этого необходимо перевооружить золотодобывающую промышленность так, чтобы добыча из любых российских месторождений стала рентабельной, независимо от цен на мировом рынке. Основой перевооружения должны стать принципиально новые технологии и аппараты первичного обогащения. Сейчас в России наиболее распространенными являются технологии и аппараты гравитационного обогащения, в которых разделение минералов происходит за счет силы тяжести - самой слабой из фундаментальных сил природы. Сама сила тяжести в процессе разделения участвует лишь косвенно. Разделяют силы трения, которые еще меньше веса разделяемых частиц, поэтому для аппаратов гравитационного обогащения характерны потери мелких и тонких фракций металла. Пройдя длительный путь эволюции, аппараты гравитационного обогащения достигли высокой степени совершенства и находятся на вершине своего развития, но их эпоха заканчивается вместе с крупным золотом. Потери мелкого золота были всегда, но на них раньше не обращали внимания, т. к. было достаточно крупных фракций металла. Сейчас, когда большинство россыпей, содержащих крупное золото, отработано, заметили (!), что при гравитационном обогащении практически все золото меньше 0,1
мм уходит в отвалы, и потери часто достигают 60 % от добытого металла [4]. В последние годы для первичного обогащения песков все больше используются центробежно-гравитационные аппараты, которые имеют более высокую производительность и извлекают мелкое золото лучше, чем концентрационные столы. Но эти аппараты лишь передвигают основную массу потерь в более мелкий класс частиц [5-7].
За рубежом наиболее распространенными технологиями первичного обогащения в настоящее время являются технологии цианирования, в частности кучное выщелачивание (КВ). Для КВ характерны низкие капитальные затраты и эксплуатационные расходы, малое энерго- и водопотребление, высокая производительность и, как результат, низкая себестоимость добытого металла. КВ позволяет извлекать золото микронных и субмикронных размеров. Именно КВ позволило в условиях исчерпания наиболее богатых и удобных для разработки месторождений достичь в первой половине 90-х годов увеличения производства в ведущих золотодобывающих странах.
В России были проведены опытно-промышленные испытания КВ, которые дали техникоэкономические результаты ниже зарубежных. Это связано с объективными причинами, такими как низкие температуры зимой и технологические свойства руд. Процесс КВ происходит на открытых площадках и сильно зависит от сезонных колебаний температуры. Для интенсификации процесса приходится применять дополнительное дробление, рыхление, агломерацию горной массы, вводить дополнительные окислители, увеличивать расход реагентов, применять подогрев рабочих растворов и т. д. Время отработки штабеля увеличивается до нескольких месяцев, а извлечение металла составляет лишь 50-70 % [8].
В условиях многолетней мерзлоты концентрированные выщелачивающие растворы по границам спаев льда и минеральной фазы активно просачиваются в грунтовые воды [8]. В районах с высокой сейсмической активностью (Камчатка, Прибайкалье, зона БАМа, Приморье, Сахалин, Якутия) для предотвращения просачивания площадки кучного выщелачивания и отстойники выщелачивающих растворов необходимо строить непроницаемыми и сейсмостойкими, что значительно удорожает и затягивает сроки ввода месторождений в эксплуатацию, а себестоимость золота, добытого из бедных месторождений, оказывается выше мировых цен. На многих российских месторождениях технологии цианирования могут оказаться неприемлемыми из-за низких техникоэкономических показателей. Необходима технология первичного обогащения, которая позволяла бы эффективно и безопасно добывать золото, независимо от погодных, горно-геологических условий и технологических свойств руд.
Конечно, наивно надеяться, что удастся быстро разработать какую-то новую, универсальную, удовлетворяющую всем перечисленным требованиям технологию извлечения. Но, по крайней мере, двум из перечисленных требований вполне удовлетворяет технология электродинамического разделения, в основе которой лежат фундаментальные законы природы: закон сохранения электрического заряда, закон электромагнитной индукции, закон сохранения энергии.
Частицы самородных металлов являются хорошими проводниками электрического тока, в то время как вмещающие их породы являются хорошими изоляторами. Согласно закону электромагнитной индукции в контуре, помещенном в изменяющееся магнитное поле, возникает вихревой ток. Возникающие в частицах металла вихревые токи проводимости на много порядков больше токов в частицах вмещающих пород, и с внешним магнитным полем реагируют только они. Подбирая закон, амплитуду и скорость изменения индуцирующего магнитного поля, можно добиться разделения металла и вмещающих пород. При этом в окружающую среду не попадет ничего постороннего, а частицы металла будут извлекаться независимо от технологических свойств горной массы. Золото в сростках, трудно извлекаемое гравитационными способами, золото «в рубашке», плохо поддающееся выщелачиванию, электродинамическим способом будет извлекаться без каких-либо дополнительных технологических переходов. Аппараты электродинамического разделения, благодаря конвейерному режиму работы, будут компактными, иметь высокую производительность и потреблять мало энергии. Они могут быть очень удобными при отработке малых россыпных месторождений с мелким золотом.
Электродинамическое разделение может стать основой технологий добычи не только золота, но и других минералов. Электромагнитные взаимодействия являются такими же универсальными, как и гравитация (достаточно вспомнить, что все вещество состоит из заряженных, находящихся в непрерывном движении элементарных частиц). Но электромагнитные взаимодействия во много раз сильнее гравитационного. Чтобы показать разницу в силах взаимодействия, находят величину отношения сил электрического отталкивания и гравитационного притяжения двух электронов:
р ^-----------= 1043, (1)
Рп 4пее0От2
где ¥к - сила Кулона (сила электрического отталкивания);
¥п - сила Ньютона (сила гравитационного притяжения); д - заряд электрона;
£ - диэлектрическая постоянная вещества;
£0 - диэлектрическая постоянная вакуума;
G - гравитационная постоянная; т -масса электрона.
Просто невозможно отказаться от соблазна воспользоваться хоть малой частью таких сил! Причем электродинамические силы для конструирования предоставляют больше оперативного простора, чем гравитация, хотя бы потому, что появляются еще и силы отталкивания, которых в гравитации нет.
Вычислим силу взаимодействия частицы металла с внешним магнитным полем. В частице металла переменное магнитное поле индуцирует эдс индукции:
_ -4' (2)
где Е - эдс индукции в частице металла;
Ф - поток вектора магнитной индукции, пронизывающий контур частицы металла.
Поделив обе части уравнения (2) на сопротивление контура и вынося постоянную величину площади контура частицы, получим интегральное значение вихревого тока в частице:
КО - - (3)
Я М
Здесь 1(1) - мгновенное значение вихревого тока в частице металла;
^ - площадь проводящего контура, пронизываемого магнитным полем;
Я - омическое сопротивление проводящего контура;
Б(0 - мгновенное значение индукции магнитного поля.
Вихревой ток всегда имеет такое направление, что его собственное магнитное поле препятствует изменению потока магнитной индукции через контур частицы. Об этом говорит знак минус.
Ток будет взаимодействовать с внешним магнитным полем с силой:
^ = -Б(1) 1(1)! = - ^Б(Г) ^ I, (4)
Я м
где ! - длина контура тока.
Полагая, что частица металла имеет форму сильно уплощенного цилиндра, и учитывая,
Я Р1
что Я = —, где р - удельное сопротивление проводника; 5 - площадь поперечного сечения
5
вихревого тока, можно записать:
р, .-П-б^А (5)
4 р м
Здесь В - диаметр цилиндрической частицы. В общем случае площадь поперечного сечения
вихревого тока является функцией, зависящей от индукции магнитного поля и скорости ее
йБ(г)'
м
Максвелла для индуцированного в металлической частице тока. В работе [9] получено решение системы уравнений и выражение для площади тока, которое оказалось довольно громоздким и сложным для анализа. Проанализировать, от чего зависит сила взаимодействия частицы металла с магнитным полем, по этому выражению сложно. Проще воспользоваться приближением, которое можно получить, обратив внимание на то, что даже при больших скоростях изменения магнитного
изменения: 5 = /
Б(0,-
Чтобы ее вычислить, необходимо решить систему уравнений
поля толщина скин-слоя и размер частиц металла являются величинами одного порядка. Следовательно, вихревой ток заполняет практически весь объем частицы. Для нас это значит, что
площадь вихревого тока практически равна сечению частицы: 5 « . Толщину частицы И можно
выразить через диаметр. (Например, если частица представляет собой пластинку диаметром В и
толщиной И = 10 , чт0 является достаточно распространенной формой частиц среди россыпного
золота). Тогда
рл „ -п£1 б(1) МБт. (6)
л 40 р Л
Напомним еще раз, что уравнение (6) является лишь приближением, которым мы можем пользоваться благодаря тому, что размер частиц металла и толщина скин-слоя являются величинами одного порядка. И еще одно обстоятельство необходимо отметить. Как известно, сила взаимодействия двух контуров с токами определяется выражением:
р = 11 М^1 + ] ] АМ1,2 + ^ 2 &^2
2 2 где Ь1,Ь2 - коэффициенты самоиндукции;
М12 - коэффициент взаимоиндукции.
Частицы металла малы и представляют собой жесткие контуры, значит, р « ]1]2, т. е. мы вполне законно воспользовались простой «школьной» формулой для оценки величины силы взаимодействия частицы с полем.
Чтобы проверить, насколько хорошо принятое приближение соответствует действительности, была проведена серия экспериментов. В магнитное поле соленоида вносились медные пластинки одинаковой толщины и разного диаметра. С помощью электронных весов ВЛКТ-160 измерялась сила, с которой пластинки выталкивались из магнитного поля. Магнитное поле и скорость его изменения были фиксированы, поэтому сила зависела только от размера пластинок.
Такую же серию экспериментов проделали с пластинками из алюминия, бронзы, латуни и титана. Затем по значениям измеренных сил были построены графики, из которых сразу стало видно, что кривые зависимостей сил от размера пластинок лучше всего апроксимируются полиномами четвертой степени, т. е. принятую модель и приближение вполне можно использовать для оценки величины индукции магнитного поля и скорости ее изменения.
Оценим, каким требованиям должно удовлетворять магнитное поле, чтобы на частицу металла размером 0,1 мм действовала сила, в десять раз большая ее собственного веса:
10Р = ^ . (7)
4
В формуле (7) & - плотность частицы, g - ускорение свободного падения, В - диаметр. Учитывая уравнение (7), можно записать:
, пВ3 пВ4 дБ(г)
= ^Т~ Б(0 —Г-,
4 40 р А
или
10^ р = . (8) В аг
Отсюда видно, что для извлечения частиц золота размером 0,1 мм, которое при промывке практически все уходит в отвалы, необходимо, чтобы произведение Б(г) &Б(г было бы равно ~ 4,5-
аг
5-108. Такое значение произведения можно получить, если создать магнитное поле индукцией В ~ 10 Тл и скоростью изменения аБ(г ~ 107-108 Тл/сек. В физике и технике мощных импульсных
аг
магнитных полей такие величины индукции и скорости ее изменения вполне достижимы.
Для реализации предлагаемого метода прежде всего необходимо разработать источник питания и магнитную систему, индуцирующую поле в достаточно большом объеме порядка 1-3 дм3. В условиях г. Петропавловска-Камчатского в настоящее время построить такой источник и магнитную систему трудно, но можно. Этим необходимо заниматься сейчас, как бы трудно ни было. Будущие технологии разделения минералов, несомненно, станут электродинамическими. Рано или поздно это поймут все, и здесь лучше быть первыми, чтобы не пришлось догонять.
Литература
1. Трубецкой К.П. Проблемы горных наук в связи с научно-техническим развитием освоения недр Земли // Юбилейная научная сессия по развитию новых направлений и технологий освоения недр Земли: Тезисы докладов (Москва, 24 - 26 ноября). - Москва, 1999.
2. Аверичев Д. Момент истины для золотодобытчиков // Директор-инфо. - 2001. - № 10.
3. Россыпные месторождения России и других стран СНГ / Под ред. Н.П. Лаверова. - М.: Научный мир, 1997.
4. Богданович А.В., Зарогатский Л.П., Коровников А.Н. Современное оборудование и технологии высокоэффективного извлечения тонкозернистого золота из рудных и техногенных видов сырья // Обогащение руд. - 1999. - № 4. - С. 33-37.
5. Маньков В.М., Тарасова Т.Б. Применение центробежно-гравитационного метода для извлечения мелкого золота из россыпей // Обогащение руд. - 1999. - № 6. - С. 3-8.
6. Алгебраистова Н.К., Рюмин А.Н., Сазонов А.И. Переработка золотосодержащих продуктов с использованием концентраторов Knelson // Цветные металлы. - 2000. - № 2. - С. 15-20.
7. Бочаров В.А., Гуриков А.В., Гуриков В.В. Анализ процессов разделения золотосодержащих продуктов в концентраторах Knelson и Falkon SB // Обогащение руд. - 2002. - № 2. - С. 17-21.
8. Птицин А.Б. Добыча золота методом геотехнологии. Ч. II. Практический опыт кучного и подземного выщелачивания золота // ФТПРПИ. - 2001. - № 2. - С. 73-77.
9. Дядин В.И., Латкин А.С., Синявин Д.С. О возможности электродинамической сепарации // Проблемы современного естествознания. Материалы научно-технической конференции (25 - 28 марта 2002 г.) / Под ред. А.Я. Исакова. - Петропавловск-Камчатский: Камчат ГТУ, 2002. - С. 53-60.
