CC BY
37
СЕМИНАР 6
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98» МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98_________
Проф. С.А. Гончаров, д.т.н, А.А. Чернов, студент,
Московский государственный горный университет
МЕХАНИЗМ РАЗУПРОЧНЕНИЯ МЕЖЗЕРНОВЫХ СВЯЗЕЙ В РУДАХ, СОДЕРЖАЩИХ МИНЕРАЛЫ ОБЛАДАЮЩИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ, ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ
В настоящее время, как известно, горнодобывающая рудная промышленность России переживает глубокий спад производства и тяжелое финансовое положение. Для преодоления этих факторов необходимо проведение ряда мероприятий, позволяющих снизить себестоимость продукции и повысить эффективность технологических процессов. Снижение материально-технических затрат является одной из главных задач стоящих перед горнорудной отраслью.
Известно, что окупаемость нового технологического оборудования в горной промышленности составляет в среднем 5 - 10 лет. В связи с нехваткой оборотных средств в настоящее время необходимо применять способы повышения эффективности производства путем внедрения техники и технологии способных приносить экономический эффект за более короткие временные промежутки.
Необходимо отметить, что операции дробления и измельчения железистых кварцитов, при подготовке руды к обогащению, являются одними из наиболее трудоемких и дорогостоящих процессов в общей схеме обогащения. Капитальные затраты на рудоподготов-ку (дробление и измельчение) достигают 50%, эксплутационные 6085% от суммы всех затрат по операциям обогащения (до 60% приходится на измельчение). Например, энергоемкость по АО ’’Карельский окатыш” составляет 40% от общего потребления электроэнергии по процессам обогащения.
Для снижения энергоемкости разрушения горных пород, железистых квар-цитов в частности, необходимо создавать такие технику и технологию разрушения,
при которых дезинтеграция породы происходила за счет растягивающих, а не сжимающих сил, поскольку прочность породы на сжатие (сеж) примерно в 10 раз выше, чем прочность породы на растяжение (Срает) и на сдвиг (СедВ).
Проведенные кафедрой ФГП исследования по магнитной импульсной обработке (МИО) железистых кварцитов показали, что снижение энергоемкости процесса измельчения для руд АО “ Карельский окатыш “ составило 20%, а прирост производительности мельницы составил 25% .
Также дезинтеграция является менее энергоемкой за счет сдвигающих сил, особенно на стадии взрыва при разработке железистых кварцитов.
Руководящая идея дезинтеграции горных пород применительно к проблеме обогащения руд состоит в том, чтобы разрушать объект по поверхностям раздела фаз, причем с минимальными энергозатратами. Горная порода должна быть разделена на составляющие ее кристаллы минералов таким образом, чтобы полностью высвободить их, иначе говоря, раскрыть, разъединить сростки для того, чтобы затем разделить освобожденные зерна минералов, пользуясь различиями в их физико-химических свойствах. При этом горная порода непременно должна рассматриваться как неоднородный, многофазный материал, каждая фаза которого имеет свои, присущие ей свойства и состав.
С целью разрушения или разупрочнения руды перед ее измельчением (как наиболее энергоемким технологическим процессом) достичь условий чистого растяжения иди чистого сдвига возможно за счет селективного формоизменения отдельных минералов, сла-
гающих руду. Обеспечить изменение формы некоторых минералов возможно благодаря таким явлениям, как электрострикция и маг-нитострикция, возникающим в минералах, относящихся соответственно к пьезоэлектрикам и ферромагнетикам, при обработке их электромагнитными полями.
К ферромагнетикам относятся железистые кварциты, содержащие такие ценные компоненты как магнетит и гематит. Магнетит обладает ярко выраженными ферромагнитными свойствами.
Разупрочнению должен подвергаться не только поверхностный слой, а весь объем куска руды, пронизанный границами зерен слагающих минералов. В этом случае при последующем разрушении кусок руды будет распадаться на составляющие его зерна минералов по межзерновым связям (поверхностям), а процесс разрушения исходного материала приобретет объемный характер, что в пределе может привести к разрушению в одну стадию при высокой удельной производительности измельчающего агрегата.
Необходимые начальные условия для разупрочнения в большинстве случаев уже созданы природой. На межзерновых поверхностях наблюдается наиболее высокая концентрация дислокаций и иного рода дефектов, с которыми дислокации могут взаимодействовать. Угловые несоответствия между зернами минералов создают энергетическую напряженность на границах их раздела, которая в свою очередь, обуславливает усиленную сегрегацию примесей на границах раздела (атомам примесей "легче" входить в искаженные участки границ, чем в объем кристалла). В результате в большинстве случаев границы зерен в по-
ликристаллическом куске руды являются именно теми дефектными зонами, которые "подготовлены" природой для образования зародышевых трещин. Нужно лишь создать соответствующие условия для их возникновения во всем объеме куска руды подвергающегося обработке.
Для железистых кварцитов ценным компонентом является магнетит, как минерал извлекаемый в процессе обогащения путем магнитной сепарации. По своим магнитным свойствам магнетит является ферромагнетиком с магнитной восприимчивостью 6,8. Следовательно, возможно рассматривать, как один из путей процесса разупрочнения железистых кварцитов, воздействие переменным магнитным полем на кусок руды. Рассмотрим явления, возникающие при воздействии на ферромагнитный материал, каким являются железистые кварциты, переменным магнитным полем.
Магнитострикционный эффект
Явлением магнитострикции называется изменение формы и объема тела ферромагнетика при воздействии магнитного поля. Простейшей мерой магнитострик-ционного эффекта является линейная магнитострикция А/1, где Л1 - изменение размеров образца под действием магнитного поля, I - его первоначальная длина. Воздействие переменного магнитного поля на ферромагнетик приводит к появлению поперечных деформаций, характеризующихся коэффициентами поперечной магнито-стрикции, а также продольных деформаций, характеризующихся коэффициентами продольной маг-нитострикции. Под действием продольных и поперечных деформаций магнитострикционные силы вызывают напряжения непосредственно на границе срастания магнетита с нерудной фазой.
Наиболее справедливые расчеты для стрикционных сил необходимо вести через показатели маг-нитострикции и изменение линейного размера зерна по кристаллографическим осям:
зх =ах/Е+1ЛСг/Е-1ЛСу/Е;
8у =Су/Е-/исх/Е+/ис2/Е; е2 =-аг/Е-1ЛСх/Е-1ЛСу/Е.
Растягивающие напряжения с на границе зерна, при решении данной системы, достигают 30% предела прочности на растяжение магнетика.
Пондеромоторная сила
Термин "пондеромоторная" означает силу, действующую на весомые тела. В отличие от стрик-циоиных сил, а также других внутренних сил, вызывающих только напряжения в теле, понде-ромоторные силы - это силы тяги, способные вызвать направленное движение тела. Соответственно ферромагнитному материалу (магнетиту) будет придаваться некоторый импульс пондеромотор-ной силы, что, возможно, будет причиной возникновения растягивающих и сдвигающих напряжений на границе магнетит-кварц, способных некоторым образом ра-зупрочнить породу.
Величина достигнутой напряженности переменного магнитного поля на лабораторных установках имеет диапазон от 106до107 А/м, что, кстати, соответствует магни-тострикции насыщения. Производя расчет, получим для Не =106 А/м, F пондер=1.88 105 Па
для Не=107 А/м, F пондер. = 18,8 106 Па
Необходимо учитывать также тот факт, что данные результаты имеют высокую погрешность в виду неоднородности горных пород и наличия сложной зависимости между Не и магнитной проницаемостью вещества горной породы.
Изменение магнитного момента
Переходя от сред к реальным физическим телам с конкретной стереометрией и свойствами, можно проанализировать условия и закономерности проявления магнитных сил, а также закономерности распределения их в объеме пространства. На элементарный магнитный момент (например, атомный) в неоднородном магнитном поле действует не только пондеромоторная магнитная сила, но и пара сил (крутящий момент), стремящиеся совместить
собственный магнитный момент с направлением внешнего поля Не. Поэтому, независимо от условий и принципов "суммирования" атомных магнитных моментов внутри частицы, последние устанавливаются таким образом, что эффективный магнитный момент каждой из них становится параллельным напряженности внешнего поля. При воздействии переменного магнитного поля происходит изменение вектора магнитного момента, что влечет за собой стремление зерна магнетита "повернуться" относительно окружающего материала. Рассматривая данный факт можно предположить, что при изменении магнитного момента зерна магнетита возникают некоторые сдвиговые напряжения способные повлиять на разупрочнение железистых кварцитов.
Электростатические силы
Как известно, при изменении магнитного поля появляется переменное электрическое поле. Соответственно на зерно магнетита помимо магнитных сил действует также и электрические силы. На поверхности зерна магнетита имеется некоторый нескомпенсиро-ванный отрицательный заряд. Этот факт дает основание предположить, что возникающая при воздействии переменного магнитного поля, кулоновская сила способна влиять на разупрочнение железистых кварцитов за счет возникновения растягивающих и сдвиговых напряжений на границах срастания зерен магнетита и кварца.
Подводя итоги, необходимо отме-тить, что теоретические расчеты показывают:
1. Механизм разупрочнения ферромагнитных материалов состоит из совокупности факторов.
2. Магнитное поле воздействует на ферромагнетик в основном за счет растягивающих и сдвиговых напряжений.
3. Основное разупрочняющее воздействие на ферромагнитные материалы оказывают и магнито-стрикционные силы.
4. Воздействие пондеромоторных сил прямо пропорционально квадрату напряженности внешнего магнитного поля, а магнитострикционные силы действуют в полной мере по достижении напряженности поля равной магнитострикции насыщения для данного вещества.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кармазин В.И., Кармазин В.В. Магнитные методы обогащения. -М.: Недра,1984.
2. Отчет. Создание экологически чистых ресурсосберегающих техники и технологии магнитно-импульсного
разупрочнения руды при ее рудопод-готовке. Гончаров С.А., Морит Р.Е. -М.: МГГУ. 1995.
3. Отчет. Изучение характера связи магнетита и кварца в железистых кварцитов. Хопунов Э.А. Свердловск: Уралмеханобр, 1975.
© С.А. Гончаров, А.А. Чернов
