Изменение структурного состояния железистых кварцитов при механическом воздействии Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 622.271

© Т.Н. Гзогян, А.Н. Ряполов, С.Р. Гзогян, 2013

ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Приведены результаты изменения структурного состояния, микродеформаций и микронапряжений при механическом воздействии на железистые кварциты КМА. Механизм изменения оценен в зернах магнетита, гематита и кварца.

Ключевые слова: механическое воздействие, железистые кварциты, микродеформация, микронапряжения, структурное состояние.

Проблема селективного разрушения горных пород всегда актуальна, в особенности для тонковкрапленных руд, переизмельчение полезного компонента в которых приводит к существенному ухудшению показателей обогащения. Эффективность процессов обогащения тесным образом связана с процессами рудоподготовки (дробление-измельчение), обуславливающими раскрытие. Несомненно, на кинетику разрушения руд оказывает влияние каждый компонент рудной смеси: минеральный состав, структурно-текстурные особенности, состояние и особенности границ срастания. В первых стадиях рудоподготовки (дробление) основную роль играют текстурные особенности руд и макроструктурные характеристики, то в последующих стадиях (измельчение) все большее значение приобретают индивидуальные свойства породообразующих минералов смеси, состояние границ их срастания и микроструктурные характеристики раскрываемых при разрушении элементов структуры. Процесс раскрытия породообразующих минералов сопровождается механическими воздействиями различного рода и авторы раскрытие зерен рассмотрели как процесс роста разрушающих микротрещин в объеме сложнонапряженного агрегата зерен контактирующих минералов. Очевидно, что процесс изменения микроструктуры породообразующих минералов является следствием протекания в породе неупругих микродеформаций. Объектом исследований являлись тонковкрапленные железистые кварциты КМА, которые представляют собой весьма неоднород-

ную композицию, состоящую из кварца, магнетита и гематита. Для описания влияния механического воздействия на железистые кварциты авторы воспользовались подходом, учитывающим породную неоднородность их строения, которая приводит к неравномерному распределению и концентрации макро- и микронапряжений на границах зерен [1, 2]. Представим железистые кварциты на уровне структуры, как поликристаллические агрегаты, зерна которых хаотически распределены в пространстве и обладают анизотропией физических свойств, соответствующей симметрии кристаллической структуры породообразующих минералов. На текстурном уровне железистые кварциты представим случайной слоистой моделью, тогда для характеристики напряженного состояния в соответствии с масштабным принципом, они могут быть описаны с помощью статистического подхода. Величину макронапряжений Оу1 в этом случае можно получить усреднением значений микронапряжений а^11 по объему

оц:= | а^ёУ (1)

и, в соответствии с условием эргодичности, усреднением по реализациям с помощью функции плотности вероятности значений ф(ащП)

а, := | а, па (а, п) ёа. (2)

Неоднородность поля напряжений в железистых кварцитах обусловлена различием упругих параметров и анизотропией упругости основных породообразующих минералов. Среднее значение напряжений в их зернах оцениваем, представляя железистый кварцит статистической композицией минералов (кварца, магнетита и гематита). По [2] свертку корреляционного тензора поля напряжений =< с11 • скк > для случая объемного деформирования:

= 80<ц>2Д(т) / 5<Шц>2<82>, (3)

где <ц> = I У&; 1 = <К> - %<ц>; <К> = £ УК;

Дк(т) = < К12>(т) = (К(т) - <К>)2; сц =аи- <а11>,

где К,^ - модули объемного сжатия и сдвига «/»-го минерала; Уг- -объемное содержание «/ »-го минерала; (угловые скобки обозначают операцию усреднения).

Для магнетита: <1К> = 3(8п+2812); <1/ц> = 1/5[4(8п — 812) + 3844 (4)

Для кварца и гематита: <1/К> = 2 + 833 + 2(2£13 + £12); <1/ц > = 2/15 (78п + 2^ + 3^ - 5^2 - 4^3),,

(5)

где ^ _ значение тензора податливости минералов.

С учетом вариации минерального состава железистых кварцитов, а также значения упругих констант по [3], получим: при массовой доле в железистых кварцитах кварца — 36, магнетита-38, гематита-26 % средние значения тензора напряжений в магнетите на 32,0 больше, чем в кварце и на 7,0 % больше, чем в гематите. Это свидетельствуют о том, что при объемной механической деформации, зерна магнетита испытывают наибольшее влияние. Кроме приведенных выше различий напряжений в зернах породообразующих минералах будет наблюдаться неоднородность поля напряжений, связанная с анизотропией упругих параметров. В [2] показано, что дисперсия значений микроструктурных напряжений в поликристалле, вызванных анизотропией упругих параметров минералов, характеризуется величиной

щего материала. Сложность расчета Л^и™34 растет с переходом от высших классов симметрии к низшим. Принимая во внимание выражение для усреднения направляющих косинусов для кубической и гексагональной сингонии можно получить следующие выражения для сверток автокорреляционного тензора

Лчкги = 1/10Л1 Дуы;

Дряге- ЛИвдчрр =1/45 (ША^Зы + 3А2 ДцЫ),

(6) (7)

где Дун = 2 (5^ - 1/35^ 5И).

Для магнетита (кубическая сингония)

Л1к= 0; Л2к= 18/5 ^62.

Для кварца и гематита (гексагональная сингония):

Л12=2/3 (^ + 4 ^5)2 + 2/5(^3 + 3 + 8А/; Л22= =4/15(2^3 + 5^)2 + 12^52;

<52;

2=

(8)

1 = С33 + 2 С13 + 4 Сбб - С11 - 2 С13 - 4 С44;

1 = С44 - С66;

1б = Сц - С12 - 2 Сбб. (9)

В этом случае свертка корреляционного тензора напряжений принимает вид 511кк =30<к2>А1 / 225<1+2ц>2 <е>2, (10) величина А1 определяется из вышеприведенных выражений для магнетита, гематита и кварца. Отклонения значений микроструктурных напряжений, вызванных анизотропией упругих параметров минералов от их средней величины (уравнение 10), в гематите и кварце составило 16 и 13 %. В зернах магнетита при гидростатическом объемном нагружении сдвиговых деформаций быть не должно. Но, учитывая многокомпонентность железистых кварцитов, они имеются. Как показано в [4] сдвиговые деформации в зернах магнетита составляют в среднем 158,8'105, а в зернах кварца -76,8 105 Па.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что при механическом воздействии наибольшая величина локальных напряжений в железистых кварцитах должна наблюдаться в зернах магнетита, меньше в зернах гематита и еще меньше в кварце. Учитывая механизмы неупругой деформации основных породообразующих минералов железистых кварцитов, можно предположить, что наиболее вероятным процессом в зернах магнетита является дислокационное скольжение в кристаллической плоскости (111) [5]. Взаимодействие плоскостей скольжения в зернах магнетита друг с другом и с межзеренным пространством приводит к появлению микродефектов, которые расположены как в самом зерне, так и по границам срастания зерен магнетит-кварц, магнетит-гематит, что способствует процессу селективного их раскрытия.

Механизм изменения физических процессов, протекающих в элементах микроструктуры железистых кварцитов при механическом воздействии, авторы исследовали с применением оптической и растровой электронной микроскопии, рентгеноструктур-ного анализа. В настоящее время для исследования тонкой кристаллической структуры в основном применяют аппроксимирующий метод и метод гармонического анализа профиля рентге-

новской линии [2, 6]. В соответствии с представлениями рентгеновской дифрактометрии при наличии микронапряжений (II рода), каждая система атомных плоскостей с одинаковыми индексами (пЫ) имеет, вместо строго определенного межплоскостного расстояния d, межплоскостные расстояния, лежащие в пределах d+Admax.. Соответственно углы 9 для каждой из систем атомных плоскостей лежат в интервале значений 9+A9max.. Это приводит к расширению линий на рентгенограмме и тем большему, чем больше максимальные значения Ad и А9. Эффект различия линий на рентгенограмме вызывает также измельчение блоков мозаики до размеров 10-5см. На ширину интерференционного максимума, кроме этого, влияет расходимость первичного пучка, поглощение в образце, расположение и размеры диафрагм, наложение или неполное расщепление а1 и а2 дублета [6]. Под достаточно большими углами интерференционные линии начинают разделяться на дублеты. В этом случае можно производить графическое разделение на Ка1и Ка2 составляющие. Такое разделение удобно производить методом Ретингера [6]. При одновременном влиянии микродисперсности и микроискажений на уширение линий в изучаемом образце, после определения физического уширения учитывают, что

Р=тп /_|щ м )Сх, где Щх) - функция микроискажений решетки; М(х) - функция мелкодисперсности; п и т- уширения, обусловленные микроискажениями и мелкодисперсностью соответственно.

Установлено, что для минералов с кубической структурой функции Щ(х)и М(х) можно аппроксимировать следующим образом: М(х)=1/(1+ах2); Ы(х)=1/(1+ух2). Если на дифрактомере имеются две линии, то для них можно записать: р1=(т1+2п1)2 / (т1+4п1);

Р2=(т2+2щ)2 / (2+4п2);

т2/т1 =со891/сон92;

п2/п1^92^9Ь

В результате совместного решения системы этих уравнений, находим т1/р1 и п2/р2 и строим зависимости т1/р1=/(р1/р2) и п2/р2=/(р1/р2); р1 и р2 определяем методом аппроксимации. Используя найденные значения т1 и п2, вычисляем по [6]: Днк1=0,94 / т1 со80ь Ла/а=п2/41;-92.

Помимо традиционных факторов (химический и фазовый состав, текстурно-структурные признаки) существует ряд не менее важных параметров, позволяющих учесть возможные вариации состояния кристаллической решетки породообразующих минералов до и после механического воздействия. Эти параметры объединены под понятием структурное состояние. Именно такая информация позволит описать структурные изменения основных породообразующих минералов от микро- до макроуровня [7]. Съемка рентгеновских дифрактограм с образцов кварцитов кубической формы размером 15х15х15 мм выполнялась на автоматизированном дифрактометре АДП - 2. Использовалось Бе Ка излучение при напряжении на трубке 35 кВ и силе тока 15 мА. Дифракционная картина регистрировалась в интервале углов 29 от 10,1° до 128,1°, образцы вращались на специальной приставке. Информация о дифракционной картине рассеяния рентгеновского излучения на исследуемом образце поступала в память ЭВМ. Дальнейшая обработка дифракционных пиков и расчет параметров тонкой структуры породообразующих минералов выполнялась с использованием ЭВМ с помощью оригинального программного обеспечения, разработанного в МГГУ проф. М.Г.Зильбершмидтом. Анализ данных расчета величины блоков и микродеформаций, приведенных в табл. 1, показал, что в исследованном диапазоне механического воздействия, происходит увеличение микронапряжений и уменьшение блоков когерентного рассеяния в магнетите, которые обусловлены ростом дефектности кристаллической структуры его зерен. Согласно дислокационной теории, активация веществ при механическом воздействии происходит за счет дислокаций, выходящих на поверхность в результате деформации твердых тел [8].

Сколы поверхности образцов железистых кварцитов до и после механического воздействия изучались на растровом электронном микроскопе 18М-Т20 (фирма 1ЕОЬ, Япония). Перед исследованием на поверхности образцов в вакууме напыляли тонкий слой серебра. Анализ полученных результатов дает возможность выделить несколько основных стадий в процессе изменения микроструктуры железистых кварцитов (рисунок, табл. 1).

Изменение состояния микроструктуры железистых кварцитов при механическом воздействии: а - 1 стадия а < аплм ; б - 2 стадия а > аплм , а > аак; в - 3 стадия а > аплм , а > аплк; г - 4 стадия а > > аплм , а > > аплк. Примечание: М- магнетит, Г - гематит, К - кварц.

Таблица 1

Изменение величины блока мозаики и относительной микродеформации магнетита от величины механического воздействия

№ пробы Механическое нагружение, МПа Величина блока мозаики (Днк1), Ао Относительная микродеформация решетки (Да/а)

1 6000 350 6,010"3

2 4000 365 6,110-3

3 2500 390 6,2. 10-3

4 1500 395 5,9. 10"3

5 960 420 5,8. 10-3

6 740 460 5,Г 10-3

7 510 520 5,3. 10-3

8 210 620 4,8. 10-3

9 130 860 2,6. 10"3

10 90 1000 4,7. 10-4

11 20 995 4,9. 10-4

12 - 1020 4,8. 10-4

На первой стадии, когда микронапряжения не превышают порога неупругой деформации, микроструктура не изменяется. Под действием напряжений зерна породообразующих минералов изменяют свои линейные размеры и ориентацию в пространстве. Однако, после снятия воздействия, остаточные напряжения в породе не наблюдаем.

Вторая стадия характеризуется тем, что напряжения в отдельных зернах могут достигать значений, превышающих начало процессов пластической микродеформации породообразующих минералов. Это свидетельствуют о том, что процесс пластической микродеформации должен в первую очередь протекать в зернах магнетита. Для железистых кварцитов, согласно данным рентгеновской дифрактометрии (табл. 2), уширение линий магнетита, обусловленное уменьшением блоков когерентного рассеяния и увеличением относительной микродеформации решетки, начинает происходить при механическом воздействии свыше 100 МПа. Для второй стадии изменения микроструктуры характерно то, что процесс пластической микродеформации зерен породообразующих минералов не приводит к зарождению микротрещин, как по границам зерен, так и внутри их.

Таблица 2

Изменение параметров структурного состояния основных породообразующих минералов железистых кварцитов до и после механического воздействия

Параметр До воздействия После воздействия

Магнетит Гематит Кварц Магнетит Гематит Кварц

58 , ГПа -2,82 -1,86 1,37 -1,78 -1,36 0,79

58 бл, ГПа 0,17 8,34 1,6 0,49 0,41 1,14

58 гр, ГПа 5,36 54,9 0,69 4,42 4,96 7,58

Б м, нм 86,1 36,0 51,1 45,4 64,7 136,3

рС'10_11,нм_2 5,15 6,18 5,76 15,1 6,71 1,7

рср-10_11,нм_2 1,36 33,8 0,45 5,73 1,75 12,42

ре'10_п,нм_2 0,80 4,1 0,52 2,83 1,18 1,43

С ду 0,02 0,53 7,44 0,21 1,42 0,65

С дв 0,16 0,54 10,72 1,1 2,56 5,97

Ф 0,89 17,2 5,3 0,67 11,4 8,4

Примечание. 5в -остаточные структурные напряжения; 5в бл, 5в гр - максимальные локальные напряжения в блоке и на границе зерна; Б м - размер блока мозаики; рс ,ре, рср -плотность дислокаций на границе блока, в блоке и средняя; С ду, С дв - плотность деформационных и двойниковых дефектов упаковки, Ф - фактор раскрытия трещины.

На третьей стадии в кварците изменения микроструктуры начинают происходить при механическом воздействии свыше 500 МПа, сопровождающиеся пластическим микродеформированием поверхностных слоев и образованием микродефектов. Оптической микроскопией установлено, что взаимодействие дислокационных полос скольжения в зернах магнетита друг с другом и с межзеренным пространством вызывает появление межзеренных трещин на границе кварц-магнетит, а также внутри зерен магнетита. Кроме того, появляются микротрещины в зернах кварца, причем они преимущественно инициируются в межзеренном пространстве, переходя затем в зерно.

На четвертой стадии при механическом воздействии свыше 1000 МПа в кварците происходит переход микротрещин из одного зерна в другое и их слияние, что можно рассматривать как процесс макроразрушения.

Поверхность скола зерен магнетита до и после механического воздействия свыше 4000 МПа показывает, что плотность линий сдвига на единицу длины после воздействия возрастает в три раза, что является результатом увеличения плотности дефектов кристаллической структуры в магнетите. Как следствие, это приводит к ухудшению магнитных свойств кварцитов и снижает селективность процесса мокрой магнитной сепарации. Так как, дефекты кристаллической структуры являются своего рода закрепляющими точками при движении границ доменов, что затрудняет намагниченность кварцитов. При измельчении увеличение плотности дефектов кристаллической структуры породообразующих минералов способствует увеличению селективности раскрытия за счет увеличения хрупкости зерен кварца.

Таким образом, установлено:

— величина средних значений тензора напряжений в магнетите на 32 % больше, чем в кварце и на 7 % больше, чем в гематите. Относительная величина микроструктурных напряжений, характеризующая отклонение их значений от средней величины, составляет в гематите 16 %, в кварце 13 %;

— процесс пластической деформации, связанный с ростом и движением дефектов кристаллической структуры зерен минералов начинается в магнетите при механическом воздействии свыше 100 МПа;

— развитие процессов пластической микродеформации в зернах магнетита при механическом воздействии способствует появлению межзеренных микротрещин на границе кварц-магнетит.

При сравнении параметров структурного состояния породообразующих минералов железистых кварцитов видно, что наиболее прочными оказались гематит и кварц, наименее — магнетит (табл.2). Следовательно, в процессах рудоподготовки в первую очередь повреждается магнетит, что вызывает его переизмельчение и потери со шламами при обогащении. Сравнение значений плотности дислокаций на границе блока мозаики и внутри показывает, что для приведенных минералов наиболее вероятным является зарождение трещины в объеме зерна, однако, величина фактора раскрытия трещины свидетельствуют о том, что вероятность разрушения внутри зерна гематита и кварца гораздо выше, чем магнетита.

Особенности механического воздействия на основные породообразующие минералы нашли свое отражение и в их микротвердости (МТ). Сравнительная оценка МТ приведена в табл. 3, определение МТ выполнялось на микротвердомере ПМТ-3М, методика выполнения подробно изложена в [9]. Для выполнения анализа отобраны образцы, отражающие наиболее представительные структурно-текстурные и минералогические особенности минералов, а также использованы результаты работ [9, 10].

Таблица 3

Изменение микротвердости основных породообразующих минералов железистых кварцитов до и после механического воздействия

Минерал Микротвердость, кгс/мм2

До воздействия После воздействия

Пределы Среднее Пределы Среднее

Магнетит 510-763 589 475-571 513

Гематит 990-1701 1200 662-1109 903

Кварц в про- 1120-2511 1601 1468-1913 1501

слоях:

рудных 1321-2010 1410 997-1611 1313

безрудных 1250-2511 1584 1118-1913 1390

Для магнетита отмечается некоторое снижение МТ: от 589 до воздействия, до 513 кгс/мм2 после механического воздействия, отчетливо МТ снижается и у гематита от 1200 до 903 кгс/мм соответственно. В целом МТ магнетита уменьшается на 13, а у гематита — 25 %.

Доминирующим минералом железистых кварцитов является кварц, самый прочный в рассматриваемой минеральной ассоциации. Кварц играет роль матрицы, его особенности сказываются и на физико-механических характеристиках рудной массы в целом. Например, кварц внутри рудных и безрудных прослоев ведет себя по-разному: МТ кварца в безрудных прослоях изменяется в пределах 1250—2511, составляя в среднем 1584 кгс/мм , в рудных: 1321 - 2010, в среднем 1410 кгс/мм2. После механического воздействия МТ кварца в безрудных прослоях варьировала от 1118 до 1913, в среднем составила 1390 кгс/мм ; в рудных — от 997-1611, в среднем 1313кгс/мм2.

Таким образом, отмеченные в результате механического воздействия структурные преобразования, изменение напряженного состояния и дефектности минералов приводит к невелированию их свойств, что снижает эффективность переработки железистых кварцитов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гзогян С. Р. Использование информации о генетическом структурном состоянии железистых кварцитов для прогнозирования их технологических свойств//Горный информационно-аналитический бюллетень, №1, 2010.

2. Новик Г.Я, Зильбершмидт М.Г. Управление свойствами горных пород в процессах горного производства, М: Недра, 1994.

3. Справочник физических констант горных пород. Под ред. Кларка С., М., Мир,1969.

4. Гридин О.М., Гончаров С.А. Электромагнитные процессы, М., Горная книга, 2009.

5. Ряполов А.Н. Управление магнитными свойствами железных руд путем изменения их микроструктуры при взрывном воздействии// Автореф. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук, М., 1982.

6. Русаков А.А. Рентгенография металлов. М.: Атомиздат, 1977.

7. Т. Nagata, Н. Kinoschita Phys. Earth and Planet, v.l., №1, 1967.

8. Гутман Э.М. Механохимия металлов и защита от коррозии, М., Металлургия, 1981.

9. Гзогян Т.Н., Мельникова Н.Д Структурное состояние породы -дополнительная возможность оценки технологических свойств железистых кварцитов// Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, № 6,2000.

10. Гзогян Т.Н., Мельникова Н.Д Влияние микротвердости основных минералов железистых кварцитов на технологическое свойства// Там же, № 3, 2001.