CC BY
135
Г.И. Газалеева
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕЩЕСТВЕННОГО СОСТАВА,
РАЗМЕРОВ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АСБЕСТА И ТОНКОДИСПЕРСНЫХ ПОРОДНЫХ ЧАСТИЦ БАЖЕНОВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Изучен химический состав, размеры, адгезионные и физико-механические свойства асбеста и тонкодисперсных породных частиц, которыми насыщается асбестовое волокно в процессе переработки. Разработаны корреляционные зависимости показателей качества асбеста и асбестоцемента от физико-химических свойств руд, на основе которых составлена оптимальная шихта асбестовых руд различных прочностных разностей для поставки на асбестообогатительные фабрики.
Ключевые слова: асбест, асбестовое волокно, состав тонкодисперсной фракции.
Методика. Для проведения исследований был произведен отбор асбеста различных операций, товарных групп асбеста на асбестообогатительной фабрике, а также асбестового волокна из проб руды в карьере. Асбест выделялся из руды и продуктов обогащения горным способом [1]. Затем из асбестового волокна выделялась тонкодисперсная фракция путем обработки (продувки) множества навесок асбеста через сито с размером ячейки 0,075 мм на пневматическом классификаторе ПК-1А [2]. Для определения размеров волокон и микрочастиц породы подготавливались шлифы материала усредненных проб тонкодисперсной фракции готовых групп асбеста массой 0,2 г на площади 5 см2 с добавлением воды и разнесением отдельных частиц по предметному стеклу с помощью иглы.
Изучение вещественного состава асбеста и тонкодисперсной фракции производилось с целью выявления механизма их насыщения. Впервые был изучен химический и фазовый состав тонкодисперсной фракции асбестового волокна различных продуктов обогащения. Также по специально разработанной методике с использованием оптических приборов впервые было произведено измерение размеров тонкодисперсной фракции асбестового волокна из различных продуктов обогащения и проб руды и произведена его количественная обработка.
Измерительная система включала в себя микроскоп МБУ-3У42, работающий на просвет, видеокамеру AVC591A, управляющий компьютер AMD с встроенной в него платой видеозахвата Fly Video’98EZ, сканер и монитор для отображения видеоинформации.
При помощи описанной установки были получены изображения асбестового волокна и тонкодисперсной фракции.
Сканированные изображения подвергались расшифровке с помощью компьютерной программы «Rentg-2». Расшифровка изображений проводилась путем прямого измерения длины и толщины каждой частицы в поле зрения измерительной системы. По данным программы были построены графики распределения частиц по длинам (диаметрам) в относительных единицах (пикселях).
Для построения графика распределения микрочастиц по массе оптическим методом использовался следующий алгоритм:
- бинаризация изображения;
- итерационная процедура скелетизации изображения - выделения осевых линий:
- построение скелета с толщиной;
- анализ скелета с целью вычисления длин и объема частиц (асбестовое волокно принимается за цилиндр, тонкодисперсная фракция - за шар);
- по исходной плотности асбеста и породы вычисляется масса частиц:
В результате итерационной процедуры формируется массив, содержащий пары длин (диаметров) и объемов всех пройденных частиц.
По этим данным были построены графики распределения длины (диаметра) частиц представленных изображений. Распределения переводились в относительные единицы (пиксели). Для получения абсолютных значений длины необходимо умножить значения оси абсцисс на масштабный множитель (1,4 мкм). В данных исследованиях распределения длины (диаметра) приведены к процентному виду. Для снижения ошибки измерений расчет размеров и масс частиц производился по 10 пробам одноименных продуктов.
Вещественный состав. В табл. 1 дан сравнительный химический состав волокна хризотил-асбеста и тонкодисперсной фракции. Таблица 1
Химический состав асбестового волокна
№ п/п Массовая доля показателя, % Асбестовое волокно Тонкодисперсная фракция
1 Оксид кремния 42,0 36,7
2 Оксид магния 42,0 36,9
3 Оксид алюминия 0,55 0,73
4 Железо общее 2,54 6,86
5 Оксид кальция следы 1,76
6 Оксид натрия следы 0,10
7 Оксид калия следы 0,005
8 Оксид углерода следы 1,72
8 Вода гигроскопическая 1,42 0,5
9 Потери при прокаливании 11,49 14,72
Рис. 1. Тонкодисперсная фракция асбеста 4 груп-пы (увеличение 1:9)
Из табл. 1 следует, что по химическому составу тонкодисперсная фракция значительно отличается от асбестового волокна. В ней меньше основных компонентов асбеста - окиси магния и окиси кремния и значительно больше соединений железа (в 2,3 раза), углерода и алюминия. Также в тонкодисперсной фракции почти отсутствует гигроскопическая вода, но при этом в 1,2 раза больше слабосвязанной воды.
Размеры частиц. Автором были приготовлены и изучены под микроскопом шлифы тонкодисперсной фракции, выделенной из различных продуктов, в том числе и из асбестового волокна руд различных природных типов. На рис. 1 представлен вид тонкодисперсной фракции из готовой продукции - асбеста четвертой группы. Средний размер частиц 0,001 мм, вид частиц - тонкие мелкодисперсные.
Рис. 2 Тонкодисперсная фракция асбестового волокна отходов (увеличение 1:20)
Частицы тонкодисперсной фракции волокна отходов имеют другой характер (рис. 2). Они представляют собой довольно крупные зернистые агрегаты пустой породы, размеры которых колеблются от 0,002x0,0001 мм до 0,0085^0,001 мм.
На рисунках отчетливо видно, что частицы тонкодисперсной фракции имеют средний размер - 1,0-0,1 мкм и представлены в основном породными частицами шарообразной или кубической формы. Именно форма частиц позволяет сделать вывод о преобладании породных зерен в тонкодисперсной фракции, которой насыщено асбестовое волокно. На рис. 3-4 приведены распределения длины (диаметра) изучаемых частиц в относительных единицах (пикселях) и в мкм для тонкодисперсной фракции усредненной пробы, полученные при использовании измерительной установки с микроскопом, работающем на просвет, и компьютерной программы «ЯеП£ 2».
Адгезия. На рис. 5 приведены результаты определения адгезионных сил для асбеста и тонкодисперсной фракции в зависимости от расстояния удаления поверхностей в сравнении данными для железа и меди. Значение силы имеет отрицательное значение, так как определялось при отрыве поверхностей.
Из рис. 5 видно, что адгезионные силы между асбестом и тонкодисперсной фракцией существуют и объясняются не только слипанием поверхностей, но и в большей степени образованием двойного электрического слоя. Как показали предварительные исследования [3], наличие двойного электрического слоя на разделе фаз
- пленочная и слабосвязанная вода - асбест и пленочная вода и микрочастицы породы усиливает процесс адгезии именно потому, что в нем участвует жидкость
О зо -
си
У
О 03
Б ф
Длина,пикс
15
Рис. 3. Распределение размера частиц тонкодисперсной фракции усредненных проб в относительных единицах (пикселях)
Рис. 4. Распределение размера частиц тонкодисперсной фракции в мкм
Рис. 5. Зависимость силы адгезии асбеста и тонкодисперсной фракции от расстояния между поверхностями
Таблица 2
Средние значения % различных видов пустой породы и асбестового волокна_________________
Наименование породы, продуктов Волокно нормальной прочности Серпен- тинит Пери- до-тит Тальк- карбонатная порода
Зна че- Баженовское месторождение + 19,5 - 3,8 + 3,9 - 17,1
ние £ мВ Киембаевское месторождение + 24 - 4,6 + 3,2 -
- вода. Данные положения подтверждаются замерами электро-кинетического потенциала частиц.
В табл. 2 приведены средние результаты определения значений электрокинетического потенциала асбестового волокна и вмещающих пород характерных разностей по 20 пробам методом электроосмоса с погрешностью 0,5 мВ.
Результаты определения электрокинетического потенциала асбеста нормальной прочности подтверждают ранее полученные данные [4]. Результаты определения значений электрокинетическо-го потенциала основных вмещающих пород в активированном виде замерены и приведены впервые. Экспериментально установлено, что асбестовое волокно нормальной прочности Баженовского месторождения имеет значения £ плюс (18-20 мВ), Киембаевского месторождения плюс (22-26 мВ).
НІ І
]тонкодисп
фракция □ порода
□ расчет
Рис. 6. Результаты замеров и расчетов значений электрокинетического потенциала для перидотитовой руды Баженовского месторождения
Серпентинит, Киембай
]асбест
о порода
О тонкодиспе рсная фракция О расчет
Номер пробы
Рис. 7. Результаты замеров и расчетов значений электрокинетического потенциала для серпентинитовой руды руды Киембаевского месторождения
1 О
5
0
2
3
4
5 и, 6 « 7
Номер пробы
8
9
10
Значения электрокинетического потенциала активированных вмещающих пород, замеренные впервые, для серпентинитов имеют отрицательные значения и колеблются для Баженовского месторождения от минус 2,9 до минус 4,3 мВ, для Киембаевского месторождения - от минус 4,2 до минус 5 мВ.
Значения электрокинетического потенциала для перидотитов имеют положительные значения и составляют для Баженовского месторождения плюс (2,7-5 мВ), для Киембаевского месторождения - плюс (2,9-3,4 мВ). Замеры электрокинетического потенциала тальк-карбонатных пород показали, что он сильно-отрицателен и составляет минус (16,9-17,6) мВ. На рис 6-7 приведены примеры диаграмм определения фактического электрокинетического потенциала активированной вмещающей породы, асбеста и тонкодисперсной фракции дробленого продукта для разных вмещающих пород разных месторождений. Верхнее значение каждого столбика -
это электрокинетический потенциал асбеста, нижнее - вмещающей породы, а среднее-тонкодисперсной фракции.
Расчетные и фактические значения электрокинетического потенциала тонкодисперсной фракции изучаемых проб и продуктов близки по абсолютному значению. Максимальные отклонения составляют 5 % относительных.
Физико-химические свойства. По результатам исследований было проведено комплексное изучение зависимости предела прочности при изгибе асбестоцемента от физико-химических показателей асбестового волокна различных залежей хризотил-асбеста Баженовского месторождения.
Исследования проводились на 4-х основных типах руд хризотил-асбеста [5] нормальной прочности, продольно-волок-нистого асбеста, выветрелого асбеста и ломкого асбеста и три типа вмещающих пород - перидотиты, серпентиниты и габбро.
Из отобранных проб руды отбиралось асбестовое волокно крупностью +0,5 мм. У асбестового волокна определялись основные физико-химические показатели:
- высота экзоэффекта по результатам термического анализа,
мм;
- потери при прокаливании, %;
- массовая доля немалита, %;
- массовая доля слабосвязанной воды, %;
- электрокинетический потенциал, мВ;
- массовая доля магнетита,%.
Искусственно составлялись смески асбестового волокна нормальной прочности с остальными природными типами асбеста в различных соотношениях.
Из асбестового волокна чистых природных разностей и смесок изготавливались асбестоцементные образцы (по 10 от каждой пробы), у которых определялся предел прочности при изгибе - Rkî!- , кг/см2, который в дальнейшем коррелировался с массовой долей тонкодисперсной фракции в асбесте.
Целью данных исследований было определение оптимальных соотношений различных природных типов асбеста и различных вмещающих пород, а также исследование зависимости предела прочности при изгибе асбестоцементных образцов от наиболее значимых физико-химических показателей асбестового волокна (по
доле вклада). Исследования проводились с помощью изучения корреляционных зависимостей между показателями.
В табл. 3 приведены результаты определения физикохимических показателей у изучаемых проб.
Результаты исследований показывают, что при добавлении продольного и выветрелого асбеста к нормальному более 20 % потребительская функция качества асбеста - предел прочности при изгибе значительно снижается (ухудшается). Исключение составляет ломкий асбест. Его присутствие в асбесте нормальной прочности не только не ухудшает потребительскую функцию качества, как полагали все исследователи предыдущего периода [4], но повышает последнюю. Ломкий асбест [5], как показали исследования, снижает технологические показатели при его обогащении.
По результатам выполненных экспериментов были составлены уравнения парной корреляции вида:
Y= a+ Ь-хьх2,.. ..хп; при n= 4,
где Y - R^jj. - предел прочности асбестового образца при изгибе, кг/см2; x1 - Wн - массовая доля немалита, %; х2 - h - высота экзоэффекта кривой ДТА, мм; х3 - 2 - электрокинетический потенциал, мВ; х34 - П - массовая доля потерь при прокаливании, %;
В табл. 4 приведены уравнения парной корреляции показателей и коэффициент корреляции.
По результатам корреляционного анализа выявлена наибольшая теснота связи предела прочности при изгибе - R^ с показателем электрокинетического потенциала - 2 асбестового волокна различных природных типов. По результатам корреляционного анализа данная зависимость соответствует зависимости массовой доли тонкодисперсной фракции от электрокинетического потенциала, которая выражена уравнением [6] :
ß-0,075 = 0,751 2 + 32,65; (1)
Коэффициент корреляции уравнения 0,76.
На основании приведенных результатов исследований был составлен календарный план горных работ с учетом качества асбестового волокна изученных залежей и состава вмещающих пород.
441
Таблица 3
Результаты определения физико-химических показателей у асбеста различных природных типов__________________________________________
Массовая доля асбеста пониженной прочности к нормальному, % Физико-химические показатели
Массовая доля, % Высота экзоэффекта, мм Электрокине-тический потенциал, мВ Предел прочности при изгибе, кг/см2
Немалита, % Слабосвязанной воды, % П.П.П., % Магнетита, %
Смесь асбеста нормальной п] рочности с ломким асбестом для перидотитов
0 0,6 1,2 13,75 2,9 16 + 25,2 291
10 0,6 0,4 14,07 3,1 17 + 17,4 282
20 1,3 0,6 14,01 3,0 14 + 20,5 292
30 следы 0,4 13,61 3,1 15 + 12,3 285
40 следы 0,4 13,70 1,8 20 + 14,3 304
100 1,5 0,4 13,30 0,6 27 - 4,7 317
Смесь асбеста нормальной прочности с продольным асбестом для серпентинитов
0 0,6 1,2 13,75 2,9 16 + 25,2 291
10 1,2 0,8 14,10 3,2 18 + 24,4 293
20 1,3 1,2 13,95 3,7 18 + 20,4 288
30 1,5 0,4 14,25 3,6 17 + 17,2 280
40 1,4 0,8 14,03 4,0 16 + 15,9 289
100 2,6 1,25 14,40 3,0 20 + 14,0 252
Смесь асбеста нормальной прочности с выветрелым асбестом для тальк-карбонатных вмещающих пород
0 0,6 1,2 13,75 2,9 16 + 25,2 291
10 0,6 0,9 13,91 3,89 18 + 20,2 296
20 0,6 0,9 13,62 4,1 17 + 15,8 293
30 0,6 0,8 13,60 3,4 17 + 14,6 280
40 0 0,8 13,71 2,5 19 + 12,7 279
100 0 0,9 13,38 1,3 18 0 277
Таблица 4
Результаты корреляционного анализа
№ п/п Вид уравнения Коэффициент корреляции
С ломким асбестом
1 Rmr = - 3,57Wn + 108,27 - 0,39
2 Rmr = 0,78h + 92.25 0,88
3 Rml. = - 0,31 £ + 112,96 - 0,89
4 Rml. = - 11,46П + 264,0 - 0,75
С продольным асбестом
5 Rmr = - 6,97Wн + 112,19 - 0,92
6 RmF = - 2,57h + 147,24 - 0,69
7 Rml. = 0,77 £ + 89,66 0,94
8 Rml. = - 17,43П + 347,68 - 0,79
С выветрелым асбестом
9 Rml. = 7,8Wk + 100,22 0,74
10 Rml. = - 1,05h + 122,05 - 0,4
11 Rml. = 0,28 £ + 102,45 0,83
12 Rml. = 10,60П - 41,23 0,69
Также по результатам испытаний смесок асбеста различ-ных природных разностей: ломкого, выветрелого и продольного в смеси с асбестом нормальной прочности была определена максимальная доля (20 %) данных типов асбеста в шихте, поступающей на фабрику. Данные нормативы используются при месячном планировании поставок руды с рудника на фабрики в ОАО «Ураласбест» и ОАО «Оренбургские минералы».
-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Методика определения содержания хризотил-асбеста. НИИпроект-асбест.// Асбест.- 2002. - 72 с.
2. ГОСТ - 25984.6 - 99. АСБЕСТ ХРИЗОТИЛОВЫЙ. Метод определения фракционного состава на гидроклассификаторе типа Бауэр - Мак - Нетт. //Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертифика-ции./Минск.- 1999. - 18 с.
3. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. //М.:- Химия. -1974.-246с.
4. Огнев А.С., Чемякин В.И. Исследование физико-химических и механических свойств хризотил-асбеста глубоких горизонтов Баженовского месторождения.// Геология и разработка месторождений хризотил-асбеста. / ВНИИпроек-тасбест. Научные труды. Выпуск 26. Асбест.- 1982.- С.36-44.
5. Гурьев С.А., Кожемяко Н.А., Воронов И.Е., Дегидротация хризотил-асбеста. // Геология и разработка месторождений хризотил-асбеста. / ВНИИпро-ектасбест. Научные труды. Выпуск 26. Асбест.- 1982.- С. 60 - 66.
6. Газалеева Г.И. Методы улучшения качества асбеста. // Екатеринбург.-УГГУ.-2005.- 153 с.М
Gazaleeva G.I.
THE STUDIES ON MATERIAL COMPOSITION, PARTICLES GRADES AND PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES OF ASBESTOS AND FINEGRAINED MINERAL PARTICLES OF BAZHENOVSKOE DEPOSIT
The results of testing chemical, adgezions, physic-mechanical dates of micro corn asbestos fibers and minerals ores, are presented. Recommend mix of different asbestos ores and fibers for delivering on asbestos plants.
Key words: asbestos, asbestos fibre, composition offine-grained fraction.
— Коротко об авторе --------------------------------------------------
Газалеева Г.И. - кандидат технических наук, руководитель технологической группы дивизиона «Горное оборудование» ООО «Уралмаш-Инжиниринг» МК Уралмаш, е.таіі - g.gazaleeva@uralmash.ru
