Изменение свойств минеральных ассоциаций в условиях объемного сжатия Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

------------------------------------------ © Г.Д. Краснов, С.М. Никитин,

А.В. Подгаецкий, В.В. Чихладзе,

2008

УДК 621.926/927

Г.Д. Краснов, С.М. Никитин, А.В. Подгаецкий,

В.В. Чихладзе

ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МИНЕРАЛЬНЫХ АССОЦИАЦИЙ В УСЛОВИЯХ ОБЪЕМНОГО СЖАТИЯ

Семинар № 25

Реферат

^рассмотрена возможность модели-яГ рования с помощью прессовых испытательных машин процесса дробления рудных материалов методом объемного сжатия в роллер-прессе. Для исследования исходных и подвергнутых объемному сжатию образцов применены методы рентгенофазового анализа, дерива-тографии, электронной оптики, анализа гранулометрического состава, что позволило описать структуру минерального материала, фазовый и гранулометрический состав продуктов на разных стадиях разрушения.

Ключевые слова: руда, пирит, хлорит, нагружение, дериватография, рентгенофазовый анализ, классы крупности.

Условием успешного разделения компонентов при обогащении является дезинтеграция полезного ископаемого, раскрытие минералов таким образом, чтобы в измельченном материале содержалось минимальное количество сростков и максимальное - свободных зерен без переизмельчения. В идеале измельчение должно происходить по поверхностям срастания минералов, селективно. Степень селективности раскрытия это одна из важнейших характеристик качества измельчения. Существующие измельчительные аппараты в

разной степени обеспечивают селективность дезинтеграции, однако во всех случаях она не высока [1].

В последние годы во всем мире и в России начали широко применять дробильное оборудование нового типа -валковые дробилки высокого давления -роллер-прессы. Процесс дробления в них основан на раздавливании материала между вращающимися навстречу друг другу валками (метод объемного сжатия). В настоящее время применение роллер-измельчения является основой эффективных способов обогащения высокоценных руд. Оно реализовано во многих странах мира. Область применения роллер-технологии охватывает широкий ряд полезных ископаемых и в России. Среди них золото (Сухой Лог), кимберлиты (м-ния «АЛРОССА») железные руды, известняки, а в перспективе: фосфориты, гипс, медные руды и уголь. Высокая производительность и низкие энергозатраты делают использование этого способа дробления весьма привлекательным. Его применение в комплексе с гравитационными и другими методами обогащения позволяет получить высокое извлечение полезного компонента при малых энергетических затратах. Повышается производительность по готовому классу крупности, улучшается избирательность измельче-

ния. Согласно предварительным сведениям, положительный эффект технологии и её эффективность связаны с реализацией механизмов межзеренного дробления, требующего небольших затрат энергии [2].

Наряду с положительными факторами внедрения роллер-технологии, отмечается ряд нерешенных проблем, вызывающих определенные затруднения в использовании валковых дробилок высокого давления. Особенно это касается взаимодействия рабочих органов пресса с частицами горной породы. Высокое объемное сжатие, дос-тигающее в сумме 20 тыс. кН возникает в зазоре между валками диаметром 1,0-2,8 м, вращающимися со скоростью 1,0—2,0 м/с. Как показывает практика, процессы дробления в роллер-прессах в значительной степени оказываются зависимыми от твердости и абразивности горных пород.

Предварительный анализ практических данных указывает на необходимость дальнейшего исследования механизмов деформирования и разрушения геоматериалов, предварительно раздробленных до крупности менее 80 мм и подвергаемых объемному сжатию с усилием свыше 300 МПа. Можно предположить, что при этом происходит предварительное межзеренное дробление исходного сырья с последующим уплотнением в зоне объемного сжатия и додрабливанием по внутризеренному механизму. В зависимости от типа руды процесс разрушения может охватывать либо только матрицу, вмещающую достаточно прочные зерна-включения (типа алмазных зерен), либо способствует развитию трещин в селективно выбранных зернах (полиметаллические руды).

Физическая картина измельчения дробленого минерального материала в роллер-прессе может быть воспроизведена с помощью прессовых испы-

тательных машин, которые используются при исследованиях свойств горных пород и других твердых материалов. Определенное количество испытуемого материала, помещенное в толстостенный металлический сосуд круглого сечения, сдавливается в зам-кнутом объеме. Полученный брикет затем освобождается, дезинтегриру-ется и подвергается исследованию для оценки изменения различных свойств минералов. Наличие пресса с доста-точной нагрузкой позволяет в широ-ком диапазоне времени проследить кинетические закономерности нагру-жения и деформации, оценить изме-нение свойств минеральных материа-лов в зависимости от величины и ско-рости нагружения и, в конечном сче-те, предложить критерии выбора из-мельчительной установки и оптимального режима ее работы.

Опыты проводились на прессовой испытательной машине CD-100, оснащенной камерами одноосного объемного сжатия с возможностью регистрации полной нагрузочно-деформа-ционной характеристики. Для предварительных экспериментов был выбран материал из проб медноколчеданных руд Учалинского и Узельгинского месторождений. Проба №1 высокой прочности представлена хорошо раскристаллизованной вкрапленной крупнозернистой рудой, содержащей зерна преимущественно пирита, связанного хлоритом, частично разложенным до серицита алюмо-силикатным цементом. Пробу №2 составляет массивная медно-цинково-пиритная руда с неравномерной зернистой текстурой, имеющая невысокую прочность. Проба №3, также крупнокристаллическая, по прочности занимает промежуточное положение.

Для определения связи фазового состава с параметрами объемного сжатия полиминеральных агрегатов использо-

ван метод рентгеновской ди-фрактометрии. Основной объем рентге-но-фазового анализа (РФА) выполнен на дифрактометрах ДРОН-3,0 и ДРОН-УМ-1. Количественный анализ минералов проводился по программе "X-ray" (МГУ). Для подсчета содержания минералов по указанной программе была создана внутрилабораторная эталонная коллекция рентгеновских спектров.

По результатам РФА исходных материалов установлено, что образцы первой пробы состоят из включений крупных кристаллов пирита в хлорит-слюда-кварцевой матрице (рис. 1, а). Порода второй пробы на 93-97 % сложена мелкокристаллическими сульфидами - в основном пиритом, с примесью халькопирита (рис. 1, б). Основными породообразующими минералами пробы № 3 также являются сульфиды (пирит - около 60 %, халькопирита - 10 %) с примесью карбонатов (доломит - около 25 %) и кварца (рис. 1, в).

Из каждой пробы после предварительного дробления был выделен класс крупностью -25 +10 мм. Навеска около 900 г помещалась в камеру объемного сжатия круглого сечения диаметром 70 мм и подвергалась нагружению в диапазонах 10, 20, 40 и 100 т. с заданной постоянной скоростью.

При испытании контролировались следующие параметры: скорость нагружения, усилие в пределах выбранного диапазона и абсолютная осевая деформация, представленные в виде нагрузочно-деформационных характеристик, записанных на диаграммах сжатия. Продукт сжатия, брикет, принимающий и сохраняющий после извлечения из ка-

меры форму цилиндра, дезинтегрировался и подвергался исследованию для определения гранулометрического состава, а также минерального состава по классам крупности.

На рис. 2 показана кинетика нагружения материала пробы № 2 до 250 МПа и постепенного снятия нагрузки, а на рис. 3 — деформация сжатия при этом. Видно, что при нагружении происходит разрушение частиц материала, которое носит скачкообразный характер. Переупаковка минеральных зерен различной крупности приводит к тому, что наряду с дезинтеграцией происходит уплотнение материала. Чередование этапов разрушения-уплотнения про-является в виде локальных аномалий, наложенных на плавную нагрузочную характеристику. При малых нагрузках чередование разрушения и уплотнения выражено более ярко (рис. 4).

Таким образом, процесс разрушения геоматериала при нагружении можно представить в виде следующей схемы:

- краевое или объемное разрушение крупных частей в зависимости от внутренней дефектности зерен исходного класса;

- накопление мелкой фракции, вплоть до образования некоей критической массы при преобладающем сопротивлении кусков крупных фракций;

- включение в «работу» мелкой фракции, её уплотнение вплоть до предельного значения, сопровождаю-щееся внутрикристаллическим разрушением.

Под микроскопом наблюдались изменения структуры зерен, происходящие под нагрузкой во вкрапленных рудах и обломках сплошной руды, начиная от исходного состояния, как

Условные обозначения: Хл — хлорит, П — пирит

а

б

в

Изменение во времени осевой нагрузки при объемном сжаПро «мвдноаоляедаиясмврудыдно родной пробы №2 массивной медноколчедан

проба №2 диапазоне до 10т.

Рис 2. Изменение во времени осевой нагрузки при объемном сжатии медно-колчеданной руды Проба № 2

Деформационно-нагрузочная характеристика медноколчеданной руды при объемном

сжатии, проба №2

Деформация, %

Рис 3. Деформационно-нагрузочная характеристика руды при объемном сжатии Проба № 2

следствия тектонических процессов, и заканчивая стадией предельного уплот-

Рис 5. Вкрапленная медноколчеданная руда. Исходная проба

Рис. 4. Процесс нагружения квазиоднородной диапазоне до 10 т

нения в процессе дробления при объемном сжатии на прессе (рис. 5 и 6). Подвергаясь динамическому воздействию на стадии образования и последующих изменений термодинамической обстановки, рудные зерна, преимущественно пиритного состава, приобретают слабо развитую трещиноватую структуру (рис. 5).

Сравнение рис. 5 и 6 показывает, что при объемном сжатии дефектная структура зерен резко меняется. Сеть трещин становится гуще, однако зерно, разламываясь на части, размеры которых незначительно отличаются от исходных, иногда не теряет связности. Очевидно, при сжатии, а затем при последующей разгрузке, происходит релаксация внутренних напряжений в зернах, которая и проявляется в виде неполной фрагментации. При этом, большая часть зерен оказывается интенсивно раздробленной, причем полости трещин оказываются залеченными выдавленным кварц-хлорит-серицито-вым цементом.

Рис 6. Вкрапленная медноколчеданная руда после объемного сжатия

пробы № 2 массивной медноколчеданной руды в

Наблюдения показали, что вкрапленная руда, обладающая в исходном состоянии достаточной связностью при зернистом строении, с характерным размером зерна до 1,5—2,0 мм, при сжатии с малыми и средними нагрузками подвергается преимущественно меж-кристаллитному разрушению, а затем, при больших нагрузках начинают разрушаться и сами зерна, причем степень разрушения оказывается зависимой от ориентировки зерен относительно направления главных осей внутренних напряжений.

Дезинтеграция-консолидация сплошной руды происходит несколько иным образом. В процессе объемного сжатия разрушение сплошного полиагрегата приводит к разрушению агрегатов и заполнению обломками промежутков между ними. В дальнейшем, по мере роста нагрузки, формируется система трансформных магистральных трещин, а ведущим механизмом разрушения становится их рост.

Таблица 2

Содержание пирита в классах при разном усилии сжатия

Классы крупности мм Содержание пирита в классах, % при разной нагрузке

336,3 МПа 359,2 МПа 407,6 МПа

-1 + 0,63 61,6 83,2 93,3

-0,4 + 0,16 35,1 49,32 45,18

-0,071 + 0 30,57 33,28 39,48

Изменение минерального состава класса -0,5 мм, выделенного из пробы крупнокристаллической руды после объемного сжатия, показано в табл. 1.

Из полученных данных следует, что содержание хлорита с ростом давления в мелкой фракции повышается, так как это глинистый легкоизмельчаемый минерал. Заметно снижение содержания в мелкой фракции пирита. Зерна пирита мало разрушаются и остаются в крупной фракции в освобожденном состоянии. Рост нагружения приводит также к снижению содержания слюды в пробе до

0,5 %.

Результаты количественного анализа исходных и подвергнутых сжатию с различным усилием образцов пробы № 2 показали, что изучение количественных и фазовых изменений минерального состава в данном случае малоинформативно, поскольку в исходном образце содержание пирита составляет 95-97 %, а изменения состава после обработки не превышают порога чувствительности метода. Близкий состав имеет проба № 3, в которой пирит и другие сульфиды Fe и Си в сумме занимают ~ 90-95 %, а остальное составляют примеси квар-ца и алюмосиликатов.

Две различных пробы сульфидных

руд Учалинского месторождения были проанализированы методом деривато-графии до и после объемного сжатия. Анализ проведен при нагреве образцов со скоростью 20 градусов в минуту до 1000 0С.

Данные анализа показали, что качественный состав всех изученных образцов идентичен, а отличия носят количественный характер. Согласно эталонным термограммам [3] основным минералом проб является пирит FeS2. В интервале 380-700 0С идет его окисление с образованием гематита, сопровождающееся сложными реакциями диссоциации и взаимодействия пирита со вновь образующимися соединениями. Рассчитанный для этого температурного интервала термический эффект 926 кДж/моль, позволяет рассчитать содержание пирита в пробе по величине экзотермического пика и изменению массы в ходе анализа.

Содержание пирита в некоторых классах, определенное методом дерива-тографии для разных усилий сжатия, представлено в табл. 2.

Содержание пирита в исходном (класс —25+10) 62,1 %

Данные таблицы показывают значительный рост содержания сульфидов

Таблица 1

Влияние усилия сжатия на фазовый состав класса - 0,5 мм

Минералы Исходная проба (+ 10мм) 336,3 МПа 359,2 МПа 407,6 МПа

слюда 2,5 1,3 2,4 0,5

хлорит 7,2 22,7 25,4 24,6

пирит 78,0 65,1 64,7 67,8

кварц 12,1 10,8 7,5 7,6

прежде всего в крупном классе. Это происходит, так как измельчающиеся при объемном сжатии крупные частицы в большей степени пополняют средние фракции и в меньшей степени — самые мелкие. Эти данные подтверждаются результатами рентгено-фазового анализа (рис. 7), которые указывают на уменьшение количества пирита с одновременным повышением содержания хлорита и кварца в мелких фракциях раздробленных пород по сравнению с крупными классами.

Вторая проба представляет собой практически сплошные сульфиды. Дериватографический анализ показал, что исходная проба крупностью +10 мм содержит около 90 % пирита. Обработанная проба содержит пирита во фракции —1+0,63 мм 87,3 %, а во фракции — 0,071 мм — 86 %. Таким образом, можно считать, что обработка приводит к более равномерному распределению пирита по классам крупности.

Проведенная работа показала возможность использования прессового оборудования для моделирования процесса измельчения методом объемного

сжатия. Установка позволяет следить за процессом на всех его стадиях, изменяя величину и скорость нагружения материала с фиксацией динамических и кинетических параметров опыта. Попутно может быть оценена прочность полученных в результате сдавливания брикетов, что позволяет прогнозировать величину усилия, необходимого для дезинтеграции раздробленного материала. Сжатие с различным временем нагружения позволит выбрать оптимальную скорость вращения валков.

Применение для исследования исходных и подвергнутых объемному сжатию образцов методов рентгенофазового анализа, дериватографии, электронной оптки, анализа гранулометрического состава, позволяет с достаточной полнотой описать кристаллическую структуру минерального материала на всех этапах воздействия, фазовый и гранулометрический состав продуктов, а в дальнейшем их физические свойства и, таким образом, прогнозировать результаты применения валковых дробилок высокого давления.

Условные обозначения: Х - хлорит, П - пирит Рис 7. Перераспределение пирита и хлорита после объемного сжатия при усилии 359,2 МПа

В результате предварительных экс- рудных материалов, имеющих крупно-периментов подтверждается целесооб- кристаллическую вкрапленность и раз-разность применения в схеме рудопод- личную прочность элементов. готовки дробления на роллер-прессах

------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ревнивцев В.И., Гапонов Г.В., Зарогат-ский Л.П. Селективное разрушение минералов. - М.: Недра, 1988, 286 с.

2. Федотов П.К. Разрушение руды в роллер-прессе. - М.: Геоинформмарк, 2006., 126 с.

3. Термический анализ минералов и горных пород. В.Л. Иванова, М.К. Касатов, Т.Н. Красавин, Е.Л. Розинова-Л., Недра, 1974. \ЕШ

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------

Краснов Г.Д. - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, Никитин С.М. - инженер, научный сотрудник,

Подгаецкий А.В. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник,

Чихладзе В.В. - кандидат химических наук, старший научный сотрудник,

ИПКОН РАН.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 25 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. А.А. Абрамов.

-------------------------------------------------------- ТРЕБОВАНИЯ

К РУКОПИСЯМ, ПРЕДСТАВЛЯЕМЫМ ДЛЯ ОПУБЛИКОВАНИЯ В ГОРНОМ ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОМ БЮЛЛЕТЕНЕ

1. Статья должна содержать следующие сведения:

• аннотацию (не более 300 знаков) на русском и английском языках;

• ключевые слова;

• рецензию с указанием данных рецензента;

• фамилию, имя, отчество автора (авторов), полное название места работы с указанием почтового адреса, ученую степень и звание, телефон, факс, электронный адрес).

3. Рукопись статьи представляется в одном экземпляре в напечатанном виде с приложением копии (включая рисунки, подрисуночные подписи и таблицы) на любом носителе информации (дискете, CD, DVD) в редакторе Word.

4. Иллюстрации к рукописям принимаются в виде черно-белых рисунков с перечнем подрису-ночных подписей.

5. На первой странице рукописи проставляется индекс УДК.

6. Статья должна быть подписана авторами.

7. За рукописи и дискеты, не востребованные автором в течение одного месяца со дня опубликования статьи, Издательство ответственности не несет.