CC BY
37
- © И.Ж. Бунин, А.В. Зубенко,
Е.В. Копорулина, 2006
УДК 622.765+621.385.6+533.1
И.Ж. Бунин, А.В. Зубенко, Е.В. Копорулина
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ С РАЗЛИЧНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ НА ПРОЦЕССЫ ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ СУЛЬФИДНЫХ МИНЕРАЛОВ И КВАРЦА *
Семинар № 19
~П ИПКОН РАН проводятся систе-
-Я-Э матические исследования, направленные на интенсификацию процессов рудоподготовки и основных операций первичной переработки минерального сырья за счет использования принципиально нового, экологически безопасного и энергосберегающего способа обработки материалов мощными электромагнитными импульсами (МЭМИ) [1-3]. Основная идея применения МЭМИ с целью селективной дезинтеграции тонковкрапленных минеральных комплексов, раскрытия сростков минералов и обеспечения доступа выщелачивающего раствора к тонкодисперсным частицам благородных металлов состоит в создании условий для максимально возможной концентрации механических напряжений или энергии, способствующей разрушению вмещающей породы, и достаточной для эффективного раскрытия полезных компонентов [4].
При высокой напряженности электромагнитного поля (~107 В/м) в минеральной матрице в местах локализации неоднородностей развивается электрический пробой, сопровождающийся возникновением электрического тока в узком ка-
нале (токовой нити). Использование импульсов с коротким (~1 нс) фронтом и амплитудой, создающей напряженность поля Еа, существенно превосходящую электрическую прочность вещества в статическом поле, позволяет избежать пробоя в воздушном пространстве между электродами и минеральными частицами. Энерговыделение в канале разряда приводит к испарению вещества, резкому повышению давления и, в конечном итоге, к разрушению частицы.
Неоднородность среды, особенно наличие электропроводящих вклю-чений, существенно облегчает развитие пробоя из-за повышения напряженности электрического поля в областях локализации не-однородностей. Поэтому образующиеся каналы будут преимущественно связывать примеси благородных металлов между собой и с поверхностью.
Для подтверждения развиваемых модельных представлений исследовали влияние высокоимпульсных воздействий на структуру и свойства плоскополированных аншлифов минералов месторождений кварц-сульфидного геолого-
технологического типа. Обработка мощ-
*Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ "Научная школа акад. В.А. Чантурия" -№ НШ-472.2005.5 и Программы фундаментальных исследований Отделения наук о Земле РАН "Наночастицы в природе: условия образования, экологические и технологические аспекты их изучения "
а
ными электромагнитными импульсами производилась на модульной опытно-экспериментальной установке непрерывного действия со следующими параметрами импульсов: амплитуда 40-50 кВ, длительность фронта 5 нс, частота следования импульсов 200 Гц. Исследование поверхности образцов проводилось с применением оптической и электронной зондовой микроскопии.
При повторяющемся импульсном воздействии, вызывающем образование незавершенных каналов пробоя минеральной матрицы, вследствие развития диссипа-тивных процессов, на поверхности ан-шлифов наблюдались дендритовидные фрактальные структуры (рис. 1, а), ветви которых представляют собой области нарушения сплошности материала. Размеры зон трещиноватости, зависят от плотности энергии в канале пробоя, электрофизических и упругих свойств вещества.
Воздействие на образец пирита серией биполярных МЭМИ в течение 60 сек вы-
б
Рис. 1. Микрофотографии поверхности сульфидных минералов после обработки МЭМИ: незавершенные каналы пробоя и микротрещины на поверхности арсенопирита (а) и следы выходов каналов пробоя на поверхность аншлифа пирита (б); внутренняя структура деструктивных зон арсенопирита
зывало образование на его поверхности характерных локальных областей шириной 200 мкм, содержащих множественные микродефекты правильной округлой формы размером 1-20 мкм, частично заполненные обломочным материалом (рис. 1, б). Такого рода дефекты могут образовываться за счет действия фронтальной (на-носекундной) компоненты импульса, как вследствие развития поверхностного пробоя, так и в связи с выходом на поверхность микроканалов электрического пробоя минеральной матрицы.
Действие энергетической ("медленной") составляющей импульса приводило к возникновению на границах дефектных областей переходных деструктивных зон со сложной внутренней структурой повреждаемости поверхности (рис. 1, в). При этом наблюдались элементы дезинтеграции сульфидных минералов в виде протяженных трещин, разделяющих фрагменты материала. Обнаруженные особенности свидетельствуют о большей эффективности высоко-
Рис. 2. Особенности микроструктуры поверхности арсенопирита до (а) и после (б) воздействия МЭМИ
энергетических воздействий МЭМИ биполярной формы по сравнению с воздействиями однополярными наносекундными импульсами. По данным рентгеноспектрально-го анализа при обработке МЭМИ пирита и арсенопирита на периферийной зоне области дезинтеграции образуется рыхлый сульфат железа Fe(SO4)xnH2O и углеродные пленки.
На рис. 2, а представлена микрофотография участка аншлифа арсенопирита месторождения Нерчинское (Забайкалье). Помимо арсенопирита в образце присутствуют крупные включения пирита, кальцита и хлорита. После воздействия биполярными МЭМИ на поверхности арсено-пирита, также как и в случае пирита, образовывались множественные микродефекты, объединенные между собой каналами пробоя. Самоорганизация структур дефектов в виде упорядоченной сетки микрократеров локальных незавершенных пробоев, обусловленная характером кристаллографической ориентации плоскостей спайности образца, предшествовала лавинообразному сквозному пробою. Очевидно, места выхода элементов кристаллических структур микровключений на поверхность аншлифа мономинерального образца
существенно отличались по своим электрофизическим свойствам от средних значений, что приводило к локализации пробоя на не-однородностях и к его развитию по траектории наименьшего сопротивления.
При исследовании измельченных продуктов различных классов крупности, подвергнутых обработке МЭМИ, на плоских гранях зерен отмечались аналогичные изменения поверхности, что и на макрообразцах.
На поверхности аншлифов поликристаллического кварца с микровключениями пирита, арсенопирита и самородного золота, подвергнутых обработке наносе-кундными импульсами, наблюдалось образование каналов пробоя вблизи межфазных границ. Высокоимпульсное воздействие серией биполярных импульсов вызывало заметное расширение межзеренных границ золото-пиритных включений в кварцевых трещинах. Таким образом, воздействие биполярных МЭМИ приводило к дезинтеграции матрицы кварца за счет роста генетических трещин, которые фиксировались в виде заметных нарушений структуры поверхности. С ростом общего числа импульсов или с увеличением напряженности поля происходило интенсивное образование дефектов поверхности вблизи металлических включений и последующий лавинообразный электрический пробой в телах включений.
50 £ 40
8"зо
я 20 с * 10
I 0 .0 т
до
1
□ Исходный
□ Обработанный
ОД
0,06 0,12 0,18 Крупность, мм
50
40
л
с с 30
п 20
т 10
о 0
X
.0
т
□ Исходный
□ Обработанный
0,08 0,12 0,16 0,2 Крупность, мм
а)
б)
б
а
в)
На рис. 3 представлены результаты исследований изменения грануло-мет-рического состава арсенопирита (класс крупности -0,2 мм), пирита (-0,2 мм) и железистых кварцитов (-0,5 мм) после обработки мощными электромагнитными нано-секундными импульсами. На гистограммах отчетливо прослеживается увеличение относительной доли мелких классов крупности, однако общая степень дезинтеграции минералов незначительна. Так для железистых кварцитов воздействие МЭМИ (всего ~103 имп.) привело к уменьшению процентного содержания классов (-0,2+0,1) мм с 37,04 % до 32,17 % и (-0,08+0,063) мм с 30,09 % до 25,7 %, увеличению доли промежуточного класса крупности (-0,1+0,08) мм с 31,08 % до 36,92 %, а также к выходу мелких частиц нового класса (3,5 %). Отмеченные особенности говорят о несущественном изменении гранулометрических характери-
Рис. 3 Изменение гранулометрического состава арсенопирита (а), пирита (б) и железистых кварцитов (в) после обработки МЭМИ
стик минералов с различными прочностными и физико-химическими свойствами, вызванном высокоимпульным воздействием.
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что изменение ситовых характеристик различных минеральных продуктов сводится, как правило, к снижению выходов наиболее крупных классов и, соответственно, к увеличению средних и мелких классов. Однако эти изменения не являются главным фактором для последующего повышения извлечения благородных металлов при цианировании.
На примере гравитационного концентрата показано [1], что после воздействия МЭМИ ситовая характеристика класса -500 мкм изменилась незначительно (выход класса -100 мкм возрос на 6,03 % с 32,69 до 38,71 %), при этом извлечение золота из частиц данного класса (82,3 %) приближалось к показателю для частиц
40
. п
<я 30
с
с
га
с 20
*
о
X 10
.0
т
□ Исходный
□ Обработанный
Л
0,63 0,8 0,1 0,2 0,4 0,5
Крупность, мм
класса -50 мкм (83,4 %). Этот факт свидетельствует об эффективности вскрытия упорного промпродукта за счет разрушения минеральных комплексов, о создании каналов электрического пробоя и множественных микротрещин из-за термомеханических напряжений на границах раздела минеральных компонентов с различными термоупругими и электрофизическими свойствами, а также о возможности резкого снижения энергозатрат на процесс до-измельчения крупнодисперсных продуктов. Так в случае обработки гравитационного концентрата МЭМИ высокий прирост извлечения благородных металлов получен при минимальных энергозатратах - 2 кВт-ч в расчете на тонну перерабатываемого концентрата и 0,064 кВт-ч/г на грамм дополнительно извлекаемого золо-
1. Чантурия В.А., Гуляев Ю.В., Лунин В.Д., Бунин И.Ж. и др. Вскрытие упорных золотосодержащих руд при воздействии мощных электромагнитных импульсов // Докл. РАН, 1999, Т.366, № 5, С.680-683.
2. Чантурия В.А., Бунин И.Ж., Лунин В.Д., Гуляев Ю.В. и др. Использование мощных электромагнитных импульсов в процессах дезинтеграции и вскрытия упорного золотосодержащего сырья // ФТПРПИ, 2001, № 4, С.955-106.
3. Chanturiya V.A., Gulyaev Yu.V., Bunin I.J., Lunin V.D., Sedelnikova G.V. Non-traditional Higly Effective Breaking-up Technology for Resis-
та, в то время как затраты электроэнергии при механическом измельчении материала класса -500 мкм до -50 мкм составляют порядка 20-25 кВт-ч/т руды и 0,9 кВт-ч/г дополнительно извлекаемого золота.
Использование мощных электромагнитных импульсов обеспечивают высокую эффективность и селективность дезинтеграции тонковкрапленных минеральных комплексов при существенном снижении расхода электроэнергии, что открывает широкие перспективы для использования данного вида воздействия в процессах первичной переработки, гидрометаллургии, гравитационном и флотационном обогащении, направленном изменении физико-химических и технологических свойств минералов при вовлечении в переработку нетрадиционных видов сырья.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
tant Gold-Containing Ores and Benefication Products // Proceedings: XXII International Mineral Processing Congress, Chief Editors: L.Lorenzen and D.J.Bradshaw, Cape Town, South Africa, 29 September - 3 October 2003. Cape Town: Document Tras-formation Technologies, 2003, V.1, PP.232-241.
4. Чантурия В.А., Бунин И.Ж., Ковалев А. Т. Механизмы дезинтеграции минеральных сред при воздействии мощных электромагнитных импульсов // Изв. АН. Серия. "Физическая", 2004, Т. 68, № 5, С.629-631.
— Коротко об авторах -
Бунин И.Ж. - кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ИПКОН РАН, старший научный сотрудник,
Зубенко А.В. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИПКОН РАН, Копорулина Е.В. - кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, ИГЕМ РАН.
Институт проблем комплексного освоения недр РАН, лаборатория "Теории разделения минеральных компонентов"
