CC BY
27
- © А.П. Кузьменко, H.A. Леоненко, И.В. Силютин,
H.A. Кузьменко, И.В. Храпов, Г.Г. Капустина, 2012
УДК 622.7.016.3:535.2
А.П. Кузьменко, H.A. Леоненко, И.В. Силютин, H.A. Кузьменко, Н.В. Храпов, Г.Г. Капустина
ЛАЗЕРНАЯ ДЕФРАГМЕНТАЦИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ПРОДУКТОВ И МИНЕРАЛЬНОГО СЫ1РЬЯ И ТЕРМОКАПИЛЛЯРНОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО ЗОЛОТА
Представлено качественное описание процессов дефрагментации и термокапиллярных извлечения ультрадисперсного золота из искусственные продуктов и минералов при лазерной обработке. Результаты и выводы подтверждены исследованиями методами рентгеновского фазового, микроскопических атомно-силовых и электронных, включая элементные анализы модельных и естественных образцов, как до, так и после обработки. Показано, что параметры и режимы лазерной обработки существенно зависят как от минералогического, так и элементного состава исходных материалов. Полученные данные подтверждают, что извлечение ультрадисперсного золота обусловлено действием термокапиллярных явлений, возникающих в процессе лазерного воздействия.
Ключевыю слова: лазерная обработка, ультрадисперсного золота, техногенные продукты, минеральное сырье, термокапиллярный механизм извлечения, лазерная агломерация.
Сокращение ресурсной базы запасов благородных металлов в географически доступных зонах, диктует необходимость введения в промышленный оборот месторождений, содержащих тонкое, сульфидное и входящее в структурно-сложные сростки золото, даже при существующем уровне извлечения не превышающем 50 %. В ряду причин сложности выделения такого золота выделяются кристаллографические особенности, изоморфность минералов, вторичная минерализация, невозможность существующими способами раскрытия сросток минералов [1]. Известно, что самой затратной операцией является дезинтеграция исходного минерального сырья (около 70%). Увеличение долевого объема сросток
(30 - 45 %), уменьшение размеров полезных включений (менее 40 мкм для золота) требуют повышение уровня дезинтеграции. Оправдан интерес к применению для золотодобычи технологий основанных на его растворении специальными реагентами кустовое и бактериальном выщелачивании, освоению подводных шельфовых и морских иловых месторождений. Второй по остроте проблемой становится разработка технологий повышающих уровень извлечения ультрадисперсного золота. Для этих целей используют СВЧ-, электроимпульсную, магнитно-импульсную, электрохимическую обработку, электродинамическое и ударно-волновое воздействие [2]. Исследуются возможности использования электромагнитного из-
Таблица 1
Силикатный анализ образцов Гайфонского месторождения (Прииск №23),%
п/п Фракции, мм SÍO2 AI2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Прочие Z
1 -1,0+0,071 82,41 9,58 2,56 1,29 0,7 0,137 1,8 98,48
2 -0,071+0,04 80,72 11,52 1,44 0,76 2,28 0,103 1,8 98,62
3 -0,04+0,02 76,69 14,37 1,82 0,56 0,98 0,137 2,5 97,08
4 -0,02+0,01 72,13 15,60 3,29 0,98 1,96 0,24 3,6 97,8
5 -0,01+0,005 66,02 19,38 5,40 1,26 0,7 0,103 4,78 97,74
6 -0,005 58,12 22,8 7,42 0,48 1,41 0,309 8,0 98,54
лучения, включая лазерное, как для повышения эффективности обогащения, так и для углубления анализа состава и содержания дисперсного золота [3]. Лазерная агломерация ультрадисперсного золота, как при импульсной, так и при непрерывной обработке минеральных ассоциаций и техногенных наблюдалась и исследована при облучении расфокусированным лучом (диаметр 2 - 5 мм) [4 - 6].
В настоящей работе опытно обосновывается применимость лазерного излучения для комплексного решения задач, как по дефрагментации минеральных и техногенных ассоциаций, так и по выделению ультрадисперсного золота при лазерном воздействии, за счет инициируемого термокапиллярного механизма [7].
Исследованы процессы и продукты лазерного воздействия на нескольких десятках золотосодержащих проб разных золотоносных проявлений в виде: коренного (гидротермальное Аи), мелкочешуйчатого хорошо отшлифованного россыпного Аи, шлихового и тонкого Аи, тонкодисперсных включений в сульфидах, ультрадисперсного Аи в глинистом сырье, а также техногенного Аи происхождения из отвалов. Образцы исследовались, как в исходном состоянии, так и после лазерной обработки методами атомно-силовой и электроной микроскопии. Проводился элементный,
рентгенофазовый анализ, изучалось микроспектральное (область с размерами ~ 50 нм) рамановское рассеяние света. Исследования структуры и состава, как до, так и после лазерной обработки выполнялись на растровом микроскопе «LEO EVO 40HV» с энергодисперсионным анализатором «INCA-ENERGY» (Карл Цейс, Германия) и атомно-силовом микроскопе (АСМ - Aist-NT SmartSPM, г. Зеленоград).
Многообразие минералогических включений в составе исследованных образцов проиллюстрировано на примере Гайфонского месторождения (Прииск №23), что подтверждено данными силикатного анализа, результаты которого представлены в табл. 1. Можно заключить, что с уменьшением фракционного состава (наименьший класс 6) возрастало содержание оксидов А120з и MgO, что по минералогическим данным обусловлено ростом содержания полевых шпатов, цеолитов и глинистого минерала - монтмориллонита. Представленные на рис. 1 и в табл. 1 данные свидетельствуют, что типичные объекты воздействия лазерного излучения обладают значительной неоднородностью, как минералогической, так и фракционной. Ультрадисперсное золото, входящее в исходные образцы подобной структуры и состава, является трудно извлекаемым, что под-
Рис. 1
черкивает сложность решаемой задачи по его вскрытию, всеми существующими методами, включая кустовое выщелачивание.
Для изучения столь сложных минералогических объектов был использован детектор вторичных электронов (ББ-детектор), что позволило детализировать топологию образцов (рис. 1). Помимо детектора вторичных электронов (ББ-детектор) был применен также детектор обратно рассеянных электронов (ОББ-детектор). ОББ-детектора позволяет провести минералогический анализ по контрастному различию отраженных электронов, когда более высокое среднее атомное число создает более контрастное изображение по сравнению с фазами с меньшим атомным числом. Существенное различие атомных весов золота и минералов, содержащихся в исследуемых минералогических объектах, вызывает формирование более контрастных изображений, что используется для непосредственной визуализации золота. Такой способ визуализации применен на всех стадиях, как до, так и после лазерной обработки. Это же детектор позволял выявлять
особенности рельефа на агломерированных поверхностях золота при импульсных или непрерывных лазерных воздействиях. Принятые минералогические обозначения для исследуемых составов, определенные таким образом, представлены в табл. 2 и 3.
С помощью энергодисперсионного спектрометра (БЭХ) "¡НСЛ-БНЕБвУ с высоким уровнем пространственной локализации электронного пучка (ширина ~ 20 - 30 нм, глубина проникновения ~ 1 мкм) был проведен качественный и количественный химический анализ минералогических объектов с чувствительностью ~ 0.1%. В качестве иллюстрации, применяемой методики исследований, на рис. 1 представлено растровое изображение тяжелого концентрата в исходном состоянии с обозначенными цифрами минеральными включениями. Результаты относительного элементного состава в весовом и атомном процентном соотношении в каждом из отмеченных минералов, полученные с помощью энергодисперсионного анализатора, до и после лазерного воздействия приведены в табл. 2 и 3.
Таблица 2
Данные спектрального исходного состава по минералам
№
Назва-
Элементный состав: весовой, %/ атомный, %
п / п ние минерала Нд Аи О Мд А1 Са Ре гг С1 Мо Б
1 Са-Мд-Ре 59.72 1.69 2.59 31.47 2.04 2.50
72.99 1.36 1.87 21.91 1.00 0.88
2 Циркон 49.28 11.57 39.15
78.55 10.51 10.94
3 Аи-Нд 9.46 90.54
9.31 90.69
4 Золоти-на игольчатая 64.87 30.12 5.01
13.78 78.76 7.46
5 циркон 2 36.15 13.54 50.31
68.62 14.64 16.75
6 Золото ажурное 100
100
7 Ре-Мо-Нд 52.91 11.77 5.29 1.19 28.84
18.46 51.52 6.63 2.34 21.04
8 Ре-Б 42.46 57.54
29.76 70.24
Для лазерной обработки использовались, либо импульсный (лазер УАв+Ш3+), либо непрерывный (волоконный лазер ЛС-06, активированный УЬ3+). Длина волны излучения этих источников была близкой ~ 1060 нм. Детальное описание способа и режимов лазерной обработки представлено в [4]. Наглядное представление о лазерном воздействии, на примере представленных в табл. 1 образцов минерального сырья Гайфон-ского месторождения, дает их фотография после обработки (рис. 2, а). Слева (для наглядности) сохранена исходная часть песчаного продукта. Сферической формы продукты лазерной агломерации имели диаметр от 1 мм и до 6 - 8 мм. Как видно из фотографии, агломераты представлены преимущественно большими размерами. Анализ показал, что сферические агломераты внутри были полыми. Изучена внутренняя структура и содержание сферических агло-
мератов (рис. 2, б). Спектральный анализ показал, что лазерная обработка сопровождалась агломерацией ультрадисперсного золота с образованием сферических форм, как внутри оболочки агломерата, так и на его внешней поверхности (табл. 3). Выявлено количественное изменение проявлений золота в продуктах агломерации в зависимости от мощности излучения, что было использовано для определения рациональных режимов и параметров лазерной обработки.
Высокоинтенсивное электромагнитное воздействие на минеральные и техногенные среды, содержащие включения ультрадисперсного золота, сопровождается, как их дефрагмен-тацией в результате высокоскоростного плавления, так и последующей кристаллизацией при охлаждении. Плавление сопровождаются переходом материала в новое фазовое состояние. Градиент температуры в расплаве направлен вниз. При этом
Таблица 3
Данные спектрального состава по минералам после лазерной обработки
№ Название об- Элементный состав: весовой, %/ атомный, %
п/п разования С Ад Аи О А1 К Ре
1 Золотины 4.45 5.58 89.97
сферические 42.14 5.89 51.97
2 Алюмосиликат 16.30 1.73 55.28 17.63 0.84 6.42 0.69 1.11
Аи и Ад 1 44.45 0.73 9.19 36.10 1.01 7.49 0.58 0.65
3 Аи и Ад 2 8.46 3.39 46.52 29.81 0.92 10.69 1.21
21.58 0.68 7.24 57.12 1.04 11.67 0.67
4 Алюмосиликат 13.37 2.64 29.05 13.73
С и Ад 30.48 0.64 49.73 13.39
Рис. 2. Образцы Гайфонского месторождения после лазерной обработки
следует учесть, что процесс плавления и испарения материала неразрывно связаны, что вызывает искажения формы зоны расплава вследствие эффекта отдачи. В зоне расплава, в той или иной мере, действуют конвекционный, диффузионный, капиллярный и термокапиллярный механизмы, которые вызывают структурные и фазовые изменения свойств обрабатываемого материала.
Для упрощения анализа примем, что лазерное излучение выступает в качестве высокоэффективного нагревателя. Тогда для процесса его нагрева, плавления и испарения может быть записано простое уравнение теплового баланса: /оА = ^плр(!и + !пл + СТт - 7Ъ)).
Для оценки характерных параметров обработки все значения можно усреднить с учетом долевого вклада состава. Здесь р - плотность, С - теплоемкость, .пл, .и и теплота плавления и испарения, Т0и 7пл -температура среды и плавления, /0 -плотность мощности падающего излучения, А - темплопроводность среды. Исходя из уравнения теплового баланса может быть рассчитана скорость распространения волны плавления - Vпл и время протекания всех процессов - t. Стационарная скорость волны плавления вглубь материала:
Vпл = /оА/р(.и + .пл + С(7пл - То)).
Реально величина этой скорости в стационарном режиме плавления дос-
тигает нескольких сотен м/с, что соответствует составу обрабатываемой среды с сильной дисперсностью. Однако с ростом плотности мощности величина Vím может существенно возрасти, а при достижении Vзв процесс превращается в нестационарный, что и наблюдалось опытно при использовании излучения с мощностью свыше сотни ватт. Учитывая толщину насыпного слоя, подвергаемого лазерной обработке, можно рассчитать время его проплавления: t = ак((р1пп€(Тпп - Го)/(2/о!пл))2 ~ ~10-8-10б с.
Здесь а - также усредненная температуропроводность, а 1пл - толщина насыпного слоя материала для обработки. Столь малая величина этого времени обусловлена большой интенсивностью и концентрацией на одной длине волны излучения.
Из представленного анализа следует, что исследуемые процессы деф-рагментации и термокапиллярного извлечения ультрадисперсного золота протекают наиболее эффективно при использовании импульсного лазерного излучения (с длительностями до сотни мкс). В этих условиях снижается доля энергии излучения идущего на испарение. Толщина слоя для обработки должна быть недостаточной для развития нестационарности процесса плавления материала, что реально соответствует нескольким мм. Оптимальным является совпадение времени проплавления с длительностью импульса излучения. При этих условиях процесс плавления, с одной стороны, дефрагментирует исходные фазовые включения, а с другой, создает условия, при которых термокапиллярный механизм выделения ультрадисперсных включений золота, становится доминирующим, как это было ранее обосновано [6]. Это объясняется тем, что решающая роль во взаи-
модействиях разных фаз в расплаве принадлежит силе поверхностного натяжения. Она определяет краевые углы на границе раздела разных фаз в расплаве: 012 = 01 - о2. Когда поверхностное натяжение для жидко-фазного тяжелого концентрата - 01 лишь незначительно меньше о2 для расплава агломерированного золота, имеет место частичное смачивание (краевой угол несколько меньше я/2). Для алюмосиликатов, наиболее часто встречающихся в природе, поверхностное натяжение существенно меньше, чем у благородных металлов: имеет место явно выраженное несмачивание [4,5] (краевой угол превышает я/2). Измеренные углы смачивания для тяжелого концентрата и высокоглинистых песков отличаются почти в 2 раза.
Величина отношения числа Релея к числу Марангони, так называемое число Бонда: рдаИ4/о [7] оказывается значительно меньше 1. Это вытекает из того, что при характерных размерах агломератов (не более сотни мкм) число Бонда определяется в основном величиной 0, которая для благородных металлов является рекордно высокой (Р - 1.82 и Аи - 1.1 Дж/м2). Здесь д - ускорение свободного падения, И - характерный размер агломерата (толщина фольги или размер сфероподобного образования) золотосодержащей среды. Именно условие, когда рдрИ4/о<1 соответствует, согласно [7], доминирующей роли термокапиллярного механизма лазерной агломерации ультрадисперсного золота (и других благородных металлов).
Таким образом, воздействие лазерного излучения на минеральные ассоциации и техногенные продукты, содержащие ультрадисперсные и коллоидно-ионные включения золота со-
провождается последовательно процессами дефрагментации, вследствие плавления, и агломерации за счет термокапиллярного механизма. Импульсная обработка вызывает образование сферических гранул с субмиллиметровыми размерами, а непрерывная - сверхтонких золотых фольг, что, на наш взгляд, может вполне
иметь практическое значение. Его применение отличается от существующих технологий высоким уровнем извлечения (оценочно свыше 90% против существующем не более 50 %) и экологической безопасностью, и позволит вовлечь в промышленный оборот неразрабатываемые месторождения и техногенные новообразования.
Статья подготовлена в ходе выполнения работ по государственному контракту на выполнение научно-исследовательских работ от 29 апреля 2011 г. № 16.552.11.7027 с Министерством образования и науки России.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Чантурия В. А. Современные проблемы обогащения минерального сырья в России // Горн. журн. - 2005. - №12.
2. Чантурия В.А., Бунин И.Ж. Нетрадиционные высокоэнергетические методы дезинтеграции и вскрытия тонкодисперсных минеральных комплексов // ФТПРПИ. -
2007. - №3.
3. Летфуллин P.P., Игошин В.Н. Способ лазерной обработки дисперсных материалов и устройство для его реализации // Патент РФ № 2196023. - В 22 F 1/00. - 2003.
4. Шевкун Е.Б., Кузьменко А.П., Лео-ненко Н.А и др. Способ лазерного формообразования и обогащения благородными металлами мине-ральных ассоциаций. Па-
тент РФ №2255995 от 04.12.03. Опубликован 10.07.05 Бюл. № 19.
5. Леоненко H.A., Кузьменко А.П., Силютин И. В., Капустина Г. Г., Швец Н.Л. Особенности агломерирования ультрадисперсного золота при импульсном и непрерывном лазерном воздействии // ГИАБ. 2009. Отд. Выпуск 4. С.328 - 337.
6. Кузьменко А.П., Леоненко H.A., Харченко В.И., Кузьменко H.A., Силютин И.В., Храпов И.В. Термокапиллярный механизм лазерной агломерации ультрадисперсного и коллоидно-ионного золота // Письма в ЖТФ. - 2009. - 35(18).
7. Зуев А.Л., Костарев К.Г. Особенности концентрационно-капиллярной конвекции // УФН. 2008. Т.178. №10. С. 1065-1085. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Кузьменко Александр Павлович - доктор физико-математических наук, профессор, директор ЦКП «Наукоемкие технологии», г. Курск, [email protected],
Леоненко Нина Александровна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории «Проблем освоения месторождений открытым способом», Институт горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск, [email protected],
Силютин И.В. - директор ЦКП Дазерные и оптические технологии при Тихоокеанском государственном университете, [email protected].
Кузьменко Наталья Александровна - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Теоретическая и экспериментальная физика», Юго-Западного государственного университета, г. Курск, [email protected]
Капустина Г. Г. - преподаватель кафедры «Физика» Тихоокеанского государственный университет, аспирантка ИГД ДВО РАН, [email protected]
Храпов И.В. - старший преподаватель кафедры «Горное дело и обогащение полезных ископаемых», аспирант Юго-Западного государственного университета, г. Курск, [email protected]
