CC BY
26
УДК 622.23.05:622.7
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННО-ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КЕРНОВЫХ ОБРАЗЦОВ ИЗВЕСТНЯКА, ОБРАБОТАННЫХ ПОТОКОМ УСКОРЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ
Сергей Александрович Кондратьев
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, зав. отделом комбинированных способов добычи и переработки горнорудного сырья, тел. (383)217-07-65, e-mail: kondr@misd.nsc.ru
Виктор Иванович Ростовцев
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории обогащения полезных ископаемых и технологической экологии, тел. (383)217-02-80, e-mail: benevikt@misd.nsc.ru
Олег Римович Кулагин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, ведущий конструктор, тел. (383)335-94-44, e-mail: kb41@mail.ru
Борис Борисович Сиволап
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, ведущий инженер, тел. (383)335-94-44, e-mail: bor.nsk.ru@mail.ru
Исследованы механические свойства известняка при обработке образцов его керна ускоренными электронами. Определены предельная прочность при одноосном нагружении, статические и динамические модули упругости и коэффициенты Пуассона в зависимости от величины поглощенной образцами дозы. Показано, что в результате обработки образцов керна известняка изменяются его деформационно-прочностные характеристики: уменьшаются прочность и модуль упругости, изменяется соотношение величин скоростей продольных и поперечных волн. Модификация механических свойств минерального сырья при обработке ускоренными электронами открывает перспективы для создания эффективных, энергосберегающих технологий рудоподготовки и переработки комплексных руд сложного состава.
Ключевые слова: минеральное сырье, прочность, деформация, акустика, упругие волны, обработка ускоренными электронами, рудоподготовка.
ANALYSIS OF STRENGTH AND DEFORMATION CHARACTERISTICS OF LIMESTONE CORE SAMPLES TREATED BY ACCELERATED ELECTRON FLOW
Sergei A. Kondrat'ev
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Doctor of Engineering Sciences, Head of Department for Combination Methods of Mineral Mining and Processing, tel. (383)217-07-65, e-mail: kondr@misd.nsc.ru
Victor I. Rostovtsev
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Doctor of Engineering Sciences, Principal Researcher, Mineral Dressing and Engineering Ecology Laboratory, tel. (383)217-02-80, e-mail: benevikt@misd.nsc.ru
Oleg R. Kulagin
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Principal Designer, tel. (383)335-94-44, e-mail: kb41@mail.ru
Boris B. Sivolap
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Principal Engineer, tel. (383)335-94-44, e-mail: bor.nsk.ru@mail.ru
The authors study mechanical properties of limestone cores treated by accelerated electrons. Uniaxial compression strength, static and dynamic elasticity moduli and Poisson's ratios are determined as functions of radiation dose absorbed by the samples. It is shown that after treatment, the strength and deformation characteristics of limestone cores change: the strength and elasticity modulus decrease, the ratio of longitudinal and transverse waves varies. Modification of the mechanical properties of minerals as a result of the accelerated electron flow treatment opens prospects for efficient energy-saving technologies of beneficiation and processing of complex ores.
Key words: mineral raw material, strength, deformation, acoustics, elastic waves, accelerated electron treatment, ore beneficiation.
Развитие минерально-сырьевой базы на современном этапе связано, главным образом, с масштабным вовлечением в разработку месторождений трудно-обогатимых руд, а также с освоением техногенных минеральных образований. Эта тенденция, в свою очередь обусловливает как значительные потери про-мышленно ценных компонентов на стадиях добычи и переработки минерального сырья, так и высокие эксплуатационные и капитальные затраты на производство конечной продукции.
По данным [1], указанные потери связаны с процессами первичной переработки твердых полезных ископаемых и, как правило, они составляют от 10 до 30%. Анализ энергозатрат показывает, что они сравнительно низкие на стадиях дробления (до 1.2 кВт.ч/т) и высокие на стадиях измельчения (50 кВт-ч/т и выше).
В ряде работ [2-5] показано, что предварительная - перед измельчением -обработка руд или продуктов их обогащения высокоэнергетическими электронами является эффективным средством направленного изменения механических и физико-химических свойств минералов и руд.
В настоящей работе приведены результаты выполненных в ИГД СО РАН исследований по комплексному изучению прочностных свойств керновых образцов известняка, обработанных пучком высокоэнергетических электронов.
Экспериментальные исследования механических свойств известняка осуществлялись с использованием комплекса оборудования ИГД СО РАН, включающего:
- гидравлическую установку с предельной осевой нагрузкой 1000 кН с измерительной камерой, обеспечивающую следующие режимы нагружения: осевое сжатие, трехосное сжатие, растяжение и автоматическую запись в память компьютера результатов эксперимента;
- разработанный и изготовленный в ИГД СО РАН комплект оборудования для измерения скоростей распространения упругих продольных и поперечных
волн с использованием сертифицированных датчиков S1802-0.05A0D4PU производства фирмы «Акустические Контрольные Системы, город Москва»;
- стенд для определения деформационных характеристик при одноосном и трехосном нагружении керновых образцов, позволяющий в процессе экспериментов проводить непрерывное измерение прямым методом деформации, а также осуществлять запись осевой нагрузки, продольной и поперечных деформаций между торцами образца и в средней его части. Для этого в состав стенда входит преобразователь линейных перемещений ЛИР - 940 - PCI - 9pin - GO фирмы ОАО «СКБ ИС».
Определение физико-механических свойств известняка осуществлялось на керновых образцах в виде цилиндров правильной формы. Диаметр (d) образцов составлял 29,5 мм; высота образцов (h) - 60,2 мм; отношение высоты (h) к диаметру (коэффициент формы h/d) в среднем для испытанных образцов составляло 2,04. Для подготовки и проведения исследований используется оборудование, инструменты и материалы, соответствующие требованиям ГОСТ 21153.2-84.
Обработка специально подготовленных керновых образцов известняка осуществлялась пучком ускоренных электронов на промышленном ускорителе ИЛУ-6 в Институте ядерной физики СО РАН в соответствии с заданными дозами при энергии электронов 2.4 МэВ.
Испытания на неограниченное сжатие (ГОСТ 21153.2-84) проводились на описанной выше установке, позволяющей нагружать образцы до разрушения. Определение деформационных характеристик проводилось согласно ГОСТ 28985-91 (Породы горные. Методы определения деформационных характеристик). Измерения и обработка экспериментальных данных с целью определения скоростей распространения упругих продольных и поперечных волн проводились по методике указанной в ГОСТ 21253.7-75.
Основные результаты исследования по изучению влияния обработки ускоренными электронами известняка на его механические и акустические свойства приведены в табл. 1, 2 и на рис. 1.
Таблица 1
Результаты механического и динамического тестирования кернов известняка, обработанных потоком ускоренных электронов
№ образца Величина поглощенной дозы, кГр Размер образца, 0xH, мм Механические свойства Динамические свойства
Предел прочности, МПа Упругие статические характеристики Атмосферные условия
Одноосное сжатие Модуль деформации, ГПа Коэффициент Пуассона Модуль упругости, ГПа Коэффициент Пуассона
0 0 29,5х60,2 49,11 13,20 0,17 49,30 0,31
5 5 29,5х60,5 76,61 13,32 0,22 29,50 0,38
10 10 29,5х60,5 38,24 7,44 0,26 29,21 0,37
15 15 29,5х60,4 35,24 10,43 0,38 28,62 0,38
Таблица 2
Результаты определения акустических свойств керновых образцов известняка, обработанных потоком ускоренных электронов
№ образца Величина поглощенной дозы, кГр Размер образца, 0хН, мм Название породы Атмосферные условия
Скорость продольных волн, м/с Скорость поперечных волн, м/с Модуль упругости, ГПа Коэффициент Пуассона
0 0 29,5х60,2 Известняк 5021 2657 49,30 0,31
5 5 29,5х60,5 Известняк 4605 1992 29,50 0,38
10 10 29,5х60,5 Известняк 4386 1992 29,21 0,37
15 15 29,5х60,4 Известняк 4485 1982 28,62 0,38
Рис.1 Фотографии образцов керна известняка после разрушения:
0 - исходный образец, 5,10 и 15 - образцы керна, обработанные потоком ускоренных электронов при дозах 5, 10 и 15 кГр
Изменения основных деформационно-прочностных характеристик известняка (табл. 1 и 2) свидетельствуют о модификации его структуры под действием обработки потоком ускоренных электронов. Об этом же можно сделать вывод с учетом анализа керновых образцов после разрушения, показанных на рис. 1.
Анализ данных табл. 1 показывает, что обработка потоком ускоренных электронов кернов известняка изменяет его механические и динамические свойства. Увеличение поглощенной дозы излучения, измеряемое в килогреях
(Кгр), приводит к снижению: предела прочности на сжатие, модулей деформации и упругости. Если без обработки предел прочности на сжатие составляет 49,11 МПа, то при поглощенной дозе 15 кГр - 35,24 МПа. Значения коэффициентов Пуассона при увеличении поглощенной дозы возрастают. Если без обработки его значение составляет 0,17, то при поглощенной дозе 15 кГр - 0,38.
Анализ данных табл. 2 показывает, что в результате воздействия ускоренными электронами изменяются и акустические свойства известняка. С увеличением величины поглощенной дозы уменьшаются скорости продольных и поперечных волн. Если для исходного образца керна известняка скорости продольных и поперечных волн равны 5021 и 2657 м/с, то для обработанного при дозе 15 кГр образца они соответственно равны 4485 и 1982 м/с. Соотношение величин продольной и поперечной скоростей в атмосферных условиях в среднем составляет 2,14. При этом необходимо отметить, что для обработанных потоком ускоренных электронов это соотношение составляет 2,2^2,3, против 1,88 для необработанного кернового образца известняка.
Установленная возможность радиационного разупрочнения минерального сырья на примере известняка может быть использована с целью снижения расхода электроэнергии при рудоподготовке и минимизации потерь полезных компонентов при обогащении.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Чантурия В.А., Вайсберг Л.А., Козлов А.П. Приоритетные направления исследований в области переработки минерального сырья // Обогащение руд. - 2014. - № 2.
2. Чантурия В.А., Вигдергауз В.Е. Научные основы и перспективы промышленного использования энергии ускоренных электронов в обогатительных процессах // Горн. журн. -1995. - № 7. - C. 53 - 57.
3. Bochkarev G.R., et. al. Prospects of electron accelerators used for realizing effective low-cost technologies of mineral processing // Proceedinds of the XX International Mineral Processing Congress: 21-26 September 1997, Aachen, Germany / Clausthal-Zellerfeld, GDMB, 1997, Vol.1, pp.231-243.
4. Ростовцев В.И. О технологической и экономической эффективности использования немеханических энергетических воздействий при переработке труднообогатимого минерального сырья // ФТПРПИ. - 2013. - № 4. - С. 145-155.
5. Кондратьев С.А., Ростовцев В.И., Бочкарев Г.Р., Пушкарева Г.И., Коваленко К.А. Научное обоснование и разработка инновационных технологий комплексной переработки труднообогатимых руд и техногенного сырья // ФТПРПИ. - 2014. - № 5.
© С. А. Кондратьев, В. И. Ростовцев, О. Р. Кулагин, Б. Б. Сиволап, 2016
