CC BY
28
СЕМИНАР 5
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -
2000"
МОСКВА, МГГУ, 31 января - 4 февраля 2000 года
отішроіюртмишіБіх. ' ' зіагшітгшіх ..^і^іслс' и па: : сгшж^цш ■ ■ пр'очншти.'■из-
полей на магнетитовые руды рассмотрены тенденции снижения энергоемкости при разупрочнении железистых кварцитов с ростом объемной плотности поглощаемой энергии. Рассмотрены особенности поглощения рудой энергии в электромагнитном поле высокой интенсивности. Теоретически оценена возможность низкоэнергоемкого энергетического воздействия на многофазную породу приводящего к ослаблению прочности на различных структурных уровнях: минеральное зерно, агрегат, слой. Дано описание устройств для обработки руды интенсивными полями.
Известно, что на обработку и разрушение горных пород и руд затрачивается огромное количество электрической энергии. Используемые в настоящее время методы, оборудование и технологии разрушения и обработки весьма энергоемки и не экологичны. Решение фундаментальной проблемы низкоэнергоемкого и эффективного разделения содержащихся в полезном ископаемом минеральных компонент может оказать существенное влияние на рациональное использование добываемого сырья, снижению энергетических затрат. Перспективным представляется использование электрофизических методов воздействия
меняя параметры электромагнитного воздействия, можно достичь управляемого снижения прочности но границам структурных элементов при нагреве небольшого (в процентном отношении) объема, при этом вмещающая матрица не подвергается воздействию и нагревается незначительно.
Основой успешного решения практических вопросов электрофизической обработки горных пород является исследование механизмов поглощения и рассеивания энергии минеральной средой на различных структурных уровнях (минеральные зерна, агрегаты, слои).
Значительный объем исследований изменения прочностных свойств горных пород в сильных электромагнитных полях высокой и сверхвысокой частоты, выполненных авторами ранее позволил установить тенденцию снижения прочности породы с увеличением объемной плотности поглощаемой энергии и снижением времени воздействия. В многофазных породах (рудах) эффективность процесса дезинтеграции существенно зависит от уровня ввода энергии в цемент, минеральное зерно или структурную неоднородность. Важными факторами является избирательность (селективность) поглощения минералами энергии и время обработки, обеспечивающее минимальный сброс тепловой
магнитных полях проводятся более 40 лет, они были начаты в ИГД АН СССР и продолжены исследовательскими лабораториями ЮГОКа Московского Горного Института и другими. В качестве объекта исследований были выбраны различные многокомпонентные породы, в том числе лопа-риты, нефелины, вольфрамовые руды, фосфориты, кимберлиты.
Однако наибольшее количество исследований посвящено разупрочнению в электромагнитном поле железистых кварцитов, в которых привлекала очевидная селективность поглощения энергии полезной компонентой и контрастность термических свойств. Экспериментально было установлено существенное влияние параметров электромагнитного воздействия на структурные изменения в руде. Исследованы различные физические механизмы разупрочнения в электромагнитных полях, такие как термоупругие напряжения в многокомпонентной руде при ее равномерном и неравномерном нагреве, магнитострик-ционные напряжения на границе кварц-магнетит и др.
Можно сделать следующие обобщения по результатам проведенных различными авторами исследований:
• в результате воздействия электромагнитным полем достигается разупрочнение руды, однако, энергетическая полезность такого способа обработки железистых кварцитов не является очевидной;
• важнейшими параметрами, определяющими эффективность процесса электромагнитной обработки являются удельная поглощаемая мощность и время электромагнитной обработки;
• разупрочнение достигнуто при
следующих параметрах ВЧ и СВЧ электромагнитного поля: удельная
поглощаемая мощность 50-80 Вт/см3, времена воздействия от 1 до 600 сек и не отличаются существенно для магнитной и электромагнитной обработки.
Нашими работами на примере песчаников различной влажности и зернистости убедительно показано, что с ростом удельной поглощенной мощности (Ро), выделяемой в породе
*Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант 98-05-64403
на горные породы. Поглощение горной породой энергии электромагнитного поля высокой или сверхвысокой частот существенно влияет на изме-
энергии из минерала в матрицу до момента ослабления связей.
Исследования в области разупрочнения горных пород и руд в электро-
энергоемкость процесса разрушения (Эуд) снижается (рисунок).
Очевидно, что и энергетически выгодные процессы разупрочнения железистых кварцитов могут быть достигнуты при существенном увеличении удельной поглощаемой мощности.
Наиболее эффективным путем увеличения удельной поглощаемой мощности является создание магнитных полей высокой напряженности. Исследования, выполненные в ИГД им А.А. Скочинского показали, что различные типы железистых кварцитов обладают хорошо выраженным гистерезисным циклом, при высоких частотах начинают оказывать влияние и токи Фуко. В магнитных полях в области 10-2000 эрстед потери на гистерезис хорошо оцениваются линейной формулой
Р= С+d*H эрг/цикл, (1)
(для Н от 110 до 500 э: С= 500 эрг/цикл, d= 6,2 эрг/цикл. эрст)
Теоретически были исследованы параметры магнитного поля, обеспечивающие квазиадиабатический нагрев зерен магнетита различного диаметра. Расчеты показали, что времена нагрева должны быть в пределах 10-1—10-4 секунды.
Экспериментальные исследования разупрочнения железистых кварцитов при высоких уровнях удельной поглощаемой мощности проводились на специальном стенде, разработан-ном на базе генератора высокочастотных колебаний ВЧГ-60-5,28, нагруженном на специальный магнитный индуктор, позволяющий обрабатывать до 100 грамм руды. Максимальная напряженность магнитного поля достигнутая нами составила 200 эрстед, что при частоте 5,28 МГц обеспечивало обработку с удельной поглощаемой мощностью (расчетной по формуле 1) до 950 Вт/см3. Экспериментальное
определение удельной поглощенной мощности (методом калориметриро-вания) показало, что в зависимости от содержания магнетита эта величина составляет 1000-1500 Вт/см3. Таким образом, созданный стенд позволил повысить. интенсивность нагрева по сравнению с ранее достигнутой величиной более чем в 20-30 раз. Экспериментальный стенд позволял задавать и фиксировать времена воздействия магнитного поля от 0,1 сек и неограниченно больше. Фактическая температура обработанной пробы фиксировалась пирометром, либо при обработке пробы в водной среде по температуре воды. Эффективность обработки железистых кварцитов оценивалась методом толчения, результатами ситового анализа продуктов измельчения, измерением магнитной восприимчивости классов до обработки и после, а также анализом аншлифов на микроскопе МИМ-7 и по визуальным наблюдением за структурой.
Объектами воздействия были два типа агрегации рудных минералов: с зернистой вкрапленностью и с размером зерен и сростков 0,01-0,1 мм и крупнозернистые с размерами зерен и сростков 0,1-0,2 мм. Пробы весом 50 г отобраны из различных по содержанию магнетита групп железистых кварцитов. Группы отобраны по эффективности взаимодействия кусочков железистых кварцитов с сильным постоянным магнитом.
Было обработано более 300 проб железистых кварцитов с разными временами воздействия 0,2-0,5-0,91,5-3,0 сек. Методом толчения и ситовым анализом было установлено, что практически во всех случаях выход класса -0,05 превышает таковой из необработанной пробы на10-15 %, что аналогично результатам полученным
ранее нами и другими авторами. Следовательно повышение удельной поглощаемой мощности до 1500 вт/см3, то есть в 20 раз не привело к существенному влиянию адиабатичности процесса ввиду малых размеров зерен магнетита. Однако на бедных рудах при временах воздействия 0,2 сек отмечено снижение температур образцов с 250 до 180 градусов при той же эффективности обработки, что подтверждает тенденцию снижения энергоемкости. При временах воздействия более 1 секунды температура образцов достигала 750 градусов и отмечалось уменьшение магнитной восприимчивости.
Экспериментально была установлен факт послойного разрушения образца. За время 0,2-0,5 сек при максимальной мощности обработки толщина разделившихся слоев составила 1-3 мм. Именно для структуры такого размера при достигнутой плотности мощности и возможен ее квазиадиа-батический нагрев. Зоны ослабления прочности прослеживались по наблюдениям на микроскопе, кроме того образец разделялся на слои вручную. Температура образца после обработки не превышала 130 градусов, ситовый анализ не показывал существенного превышения выхода мелких классов.
В отличие от нагрева железистых кварцитов в электромагнитном поле сверхвысокой частоты селективный нагрев магнитных компонент магнитными полями возможен в любых немагнитных средах в воде, растворах и т.д. Была проведена серия опытов по магнитной обработке кварцитов в водной среде. Нами отмечено, что эффект послойного разделения кварцитов усиливается, а температура образца при разрушении по результатам калориметрирования не превышала 100 градусов.
Результаты проведенных экспериментальных и теоретических исследований позволяют сделать следующие выводы:
• достижение низкоэнергоемких режимов селективной обработки руд различного состава возможно с увеличением удельной поглощаемой мощности. Для железистых кварцитов необходимо дальнейшее повышение удельной поглощаемой мощности до 5-10 кВт/см 3 (по рас-
Рис. 1 -мелкозернистый песчаник; 2-среднезернисиый песчаник; 3-
крупнозернистый песчаник
четам) и сокращение времени воздействия до 0,001 сек;
• более целесообразно осуществлять селективную обработку бедных руд с
•
Долголаптев А.В. — доктор технических наук. Вороновский Ю.Д. —доктор технических наук. Красновский С. (С. —кандидат технических наук. Нистратов В. Ф. - кандидат технических наук. Образцов А.П. —кандидат технических наук. Институт горного дела им. А.А. Скочииского
вкрапленными минералами средней и крупной зернистости;
• на результаты обработки существенное влияние оказывает среда в ко-
торую помещен образец. Обработка железистых кварцитов магнитным полем в водной среде повышает эффективность процесса.
