CC BY
80
УДК 622; 504; 622.882
Н. Жалгасулы, М.Ж. Битимбаев, Г.М. Черний, В.А Тумаков
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Семинар № 15
0пыт применения подземного и кучного выщелачивания металлов из крепких руд в их естественном залегании или зама-газинированых в блоках показывает, что независимо от структуры руды в начальной стадии процесса выщелачивания содержание металла в продуктивных растворах резко возрастает и на 20-30-е сутки ведения процесса достигает максимальной величины, а затем на 140-160-е сутки от начала процесса выщелачивания экспоненциально снижается до минимального значения, хотя остаточное содержание металла в руде еще достаточно высокое. Поэтому требуется еще длительное время на доизвлечение оставшегося в руде металла с соответствующими дополнительными затратами на ведение процесса выщелачивания.
Главными причинами снижения скорости выщелачивания являются недостаточное дробление руды при подготовке ее к выщелачиванию, кольматация пор и поверхности кусков руды продуктами ее разложения, каналирование потоков выщелачивающих растворов.
Интенсификация добычи металла выщелачиванием - это проведение комплекса организационно-технических мероприятий, направленных на достижение наиболее быстрого и полного извлечения металла из руды.
Мероприятия по интенсификации выщелачивания направлены на полную или частичную нейтрализацию причин, вызывающих снижение скорости выщелачивания. Известны следующие способы интенсификации процесса выщелачивания: физические способы, предусматривающие изменение состояния гетерогенной среды, в том числе агрегатного (твердого, жидкого, газообразного); химические, связанные с изменением состава веществ, составляющих гетерогенную среду, но без изменения ее состояния; механические, предусматривающие изменение напряженно-деформируемого
состояния и дисперсного состава гетерогенной среды на основе нарушения равновесия действующих в массиве сил сцепления; комбинированные способы, при которых имеет место совместное действие физических, химических и механических факторов интенсификации подземного выщелачивания металлов.
В научно-технической литературе имеются сведения об использовании для интенсификации выщелачивания физических полей - постоянного тока, тока высокой частоты, ультразвука [1-4].
Анализ данных по воздействию физических полей на интенсификацию выщелачивания позволяет сделать следующие выводы:
1. Электрические поля и ультразвук интенсифицируют процесс растворения рудных минералов (для некоторых типов руд в 2-3 раза, табл. 1).
2. Наибольшая интенсификация достигается для тех типов руд, которые достаточно хорошо выщелачиваются и при обычном перемешивании (например, хризоколловая руды).
3. Наиболее упорные минералы плохо выщелачиваются и в электрических и ультразвуковых полях (например, халькопирит).
4. Интенсифицирующее действие электрических полей и ультразвука лучше проявляется при достаточно хорошем измельчении руды (до 0,5-0,25 мм).
5. Электрические поля и ультразвук можно применять для интенсификации процесса растворения минералов при чановом выщелачивании.
Использование рассмотренных выше физических полей не позволяет нейтрализовать действие указанных выше причин снижения скорости выщелачивания - гранулометрического состава руды, кольматирования поверхности кусков и порового пространства и каналирования потоков растворов.
Таблица 1
Интенсифицирующее воздействие внешних физических полей на выщелачивание меди из руды
Тип руды Тип внешнего
—»-ДострпппыйТоК— ^ Ток высокой иасГотЫГ^— Ультразвук
меди в растворе за времп твор, % —-р 1——*■ ■ извлечение меди в раствор, %
без полп в поле без полп в поле без полп в поле
Окисленная руда (хризоколла) 385,5 962,9 21,0 51,8 29,0 77,0
Сульфидная руда (халькопирит) 16,89 10,5 17,3 2% за 43 дня при крупности - 100+200 меш 0,50
Параметры воздействия поля Сила тока - 20 а, время воздействия - 30 мин, растворитель 5% Бе2 (804) 3 + 2% Н28О4 Продолжительность выщелачивания - 12 суток, продолжительность обработки полем -10 часов, частота -13,6 мГц, крупность - 1-2 мм Время обработки - 30 мин, частота -18,8 кгц, интенсивность - 2,8 вт/см крупность -1-2 мм
Растворитель - 100 г/л Н28О4 при Т:Ж=1:2 -1:3 Растворитель 5% Бе2 (804) 3 + 2% Н28О4
Дополнительное дробление выщелачиваемой руды, декольматацию поверхности кусков и пор, ликвидацию образовавшихся каналов движения растворов может обеспечить воздействие на выщелачиваемую среду импульсов высокого давления, возбуждаемых в среде с определенной периодичностью.
Представляют интерес три способа возбуждения импульсов высокого давления: взрывной, электрический разряд в жидкости, гидравлический импульсатор [5-9].
Масса ВВ при взрыве быстро превращается в газы. Огромное давление газов взрыва, приложенное к стенкам зарядной камеры, передается в другие точки среды в форме ударной волны, возникающей на границе раздела двух сред: заряд ВВ - среда. Практически область распространения ударной волны ограничена объемом, радиус которого составляет три -семь радиусов заряда.
В дальнейшем в среде наблюдается переход ударной волны в волну сжатия, т.е. неупругое возмущение среды, параметры состояния вещества на фронте которого меняются достаточно плавно. Скорость распространения возмущения равна скорости звука в данной среде, а время изменения состояния вещества всегда меньше времени возвращения его к состоянию покоя. В области распространения волн сжатия среда ведет себя не упруго, в ней возникают остаточные деформации, ведущие к нарушению сплошности строения среды. Зона распространения этих деформаций ограничена практически 120-150 радиусами заряда.
По мере дальнейшего распространения в среде волны сжатия наблюдается ее переход в сейсмическую волну - упругое возмущение среды, скорость распространения которого равна скорости звука в данной среде, а продолжительность нарастания возмущения -времени его возвращения состоянию покоя. Область распространения таких колебаний определяется общей массой заряда и упругопластическими свойствами среды и составляет более 150 радиусов заряда (рисунок).
Начальное давление продуктов взрыва в зарядной камере равно 2
р = рв°— ю-5 ,
Ро (к+1)8 10
где р - плотность заряда ВВ, г/см3; о - ско-
Г В
рость детонации ВВ, м/с; g -ускорение свободного падения, м/с2; К - показатель изэнтропы (на начальных стадиях процесса расширения продуктов взрыва к = 3).
Электрический разряд в жидкости — это импульсный процесс ( 1 <10 -4с), характеризующийся мгновенным выделением большого количества энергии в первоначальном малом объеме канала электрического разряда. Образование канала происходит под действием высокого электрического потенциала между положительным и отрицательным электродами.
Плотность энергии в канале достигает 1012-1013 Дж/см3, что повышает его температуру и давление. Давление достигает величины (3—10) 102 МПа, что приводит к сжатию и
Распространение ударных волн, волн напряжения и сейсмических волн при взрыве: 1н - время нарастания напряжений от 0 до тах; 1* - время спада напряжений от тах до 0; г = г/Я - относительный радиус заряда
движению жидкости, к мгновенному расширению канала со скоростью ик = 280 ^ 1410 м/с.
Таким образом, электрическая энергия, введенная в канал, преобразуется в тепловую и внутреннюю энергию вещества канала, расходуется на его расширение, теряется в виде теплового излучения. Примерный баланс энергии при осуществлении электрического разряда в жидкости следующий: энергия ударной волны
— 63 %, парогазовой полости — 31 %, световых и звуковых излучений----6 %.
При электрическом разряде в жидкости на окружающую горную среду воздействуют: волновое поле; высокоскоростные жидкостные струи; акустические и термические излучения; электромагнитное поле.
Электрический разряд в жидкости и взрыв ВВ в жидкой среде можно сопоставить по энергетическому критерию - тротиловому эквиваленту:
Еэ = ЕВВ пт,
где Еэ - величина энергии при электрическом разряде; ЕВВ - величина энергии при взрыве ВВ; пт - тротиловый эквивалент (0,18-0,3 в зависимости от вида взрыва).
Действие гидроимпульсатора основано на использовании явления гидравлического удара, возникающего при мгновенном перекрытии потока жидкости по трубопроводу. Гидроудар сопровождается повышением давления (10-12 атм. На каждый 1 м/сек скорости движения жидкости в трубопроводе). Гидроимпульсатор
- механическое устройство, обеспечивающее возбуждение гидравлических ударов с определенной периодичностью.
Приращение давления при гидравлическом ударе согласно Н.Е. Жуковскому равно
Y 2
А р = — v с, кг/см2, g
где у - плотность жидкости, г/см3; g - ускорение силы тяжести; v - скорость движения жидкости в трубопроводе, м/сек; с - скорость рас-
пространения ударной волны, м/сек.
Длительность гидравлического удара
21
1 = — , сек, с
где I - длина разгонного трубопровода.
Сравнительная характеристика способов возбуждения импульсов высокого давления приведена в табл. 2.
Как видно из таблицы, взрывной способ может обеспечить очень большую энергию единичного импульса (определяется величиной заряда ВВ), однако не может обеспечить высокой частоты импульсов. Промежуток между отдельными импульсами может составлять несколько суток.
Электрогидравлический эффект может обеспечить достаточно высокую энергию единичного импульса (до нескольких сотен килоджоулей) и достаточно высокую частоту импульса (до 30 в час). Этот способ требует большого расхода электроэнергии.
Гидроимпульсаторы могут обеспечить высокую частоту импульсов (до 20 в сек), но сравнительно небольшую энергию единичного импульса (до 50 кДж). Можно предположить следующие пути использования способов возбуждения импульсов высокого давления в практике подземного выщелачивания.
Взрывной способ может быть использован при снижении технологических показателей выщелачивания для оптимизации гранулометрического состава руды и устранения других причин снижения интенсивности выще-лачивания. Однако для использования этого способа требуется длительные перерывы в технологическом процессе выщелачивания для подготовки и проведения взрывов.
Электрогидравлический эффект может использоваться для интенсификации процесса выщелачивания без перерывов в его осуществлении. При размещении электроразрядников по определенной сетке в выщелачиваемом блоке,
Таблица 2
Сравнительная характеристика способов возбуждения импульсов высокого давления
Показатели Способ возбуждения импульсов
взрыв ВВ Электрический разряд в жидкости Гидравлический им-пульсатор
Мощность единичного импульса Определяется величиной заряда ВВ сотни кДж до 50 кДж
Частота импульсов время между отдельными импульсами до нескольких суток до 30в час до 20 в сек
он весь может быть охвачен воздействием возбуждаемых импульсов. Однако высокий расход электроэнергии вряд ли позволит использовать этот способ постоянно. Видимо, использовать электрогидравлический эффект следует периодически, в течение некоторого времени с целью нейтрализации факторов, снижающих интенсивность выщелачивания.
Гидроимпульсаторы могут использоваться непрерывно при закачке выщелачивающих растворов в блок. Их воздействие будет более
1. Аренс В.Ж., Перов Н.В., Лунев Л.И. Интенсификация процесса подземного выщелачивания в электромагнитных полях. М., МГРИ им. С. Орджоникидзе, 1978.
2. Русихина Л.П. Влияние постоянного тока на кинетику гетерогенных реакций. / Совершенствование техники и технологии разработки месторождений полезных ископаемых. МГИ, 1968.
3. Озолин Л.Т., Русихина Л.П. Выщелачивание меди из медьсодержащих руд под воздействием внешних полей. МГИ, 1968.
4. Халезов Б.Д., Перов Н.В., Руденко Н.К. и др. Исследования интенсификации процесса выщелачивания меди из руд в электрических полях высокой частоты. /
ощутимым, если гидроимпульсаторы размещать не на устье закачных скважин, а в их забое. Постоянное воздействие гидроимпульса-торов, возможно, будет препятствовать коль-матации и каналированию растворов. Представляется, что импульсы высокого давления будут влиять на кинетику выщелачивания -скорость диффузии и массопередачу на границе твердой и жидкой фаз.
Однако это влияние требует детального изучения.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Тр. Института «Унипромедь». Свердловск, 1973, вып. 16.
5. Мосинец В.Н., Абрамов А.В. Разрушение трещиноватых и нарушенных горных пород. М.: Недра, 1982.
6. Ракишев Б.Р. и др. Ослабление трудно-разрушаемых пород взрывом. Алма-Ата, Наука, 1974.
7. Юткин Л А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л., Машиностроение, 1986.
8. Емелин МА., Морозов В.Н. и др. Новые методы разрушения горных пород. - М.: Недра, 1990, - 240 с.
9. Потоцкий В.Б. Основы теории и проектирования гидроударных буровых машин пульсационно-прессового действия. Алма-Ата, Изд. АН КазССР, 1964.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------------------------
Жалгасулы Н - доктор технических наук, зав. лаб. физико-химических процессов переработки минерального сырья,
Битимбаев МЖ. - доктор технических наук, профессор, гл. научный сотрудник лаб. физико-хим. процессов переработки минерального сырья,
Черний Г.М. - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник,
Тумаков В.А - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник лаб. физико-химических процессов переработки минерального сырья,
Республика Казахстан, г. Алматы.
----------------------------------- © В.Г. Литвиненко, В.М Лизункин,
А. А. Морозов, 2005
УДК 622.234/42
В.Г. Литвиненко, В.М. Лизункин, А.А. Морозов
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА КУЧНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ УРАНА ИЗ КАРБОНАТНЫХ РУД
Семинар № 15
Современный этап развития производственной деятельности ОАО ППГХО характеризуется истощением сырьевой базы, представленной в основном алюмосиликатны-
ми рудами. Данное обстоятельство повлекло за собой необходимость вовлечения в отработку более бедного по урану и реагентоемкого упорного сырья. При этом соотношение пере-
