CC BY
345
УДК 622
Д. Л. Рахманкулов, С. Ю. Шавшукова, И. Н. Вихарева, Р. Р. Чанышев
Опыт применения энергии микроволн в горном деле
НИИ малотоннажных химических продуктов и реактивов Уфимского государственного нефтяного технического университета 450029, г. Уфа, ул. Ульяновых, 75; тел. (347)2431712
В развитие работ по возможностям интенсификации процессов в различных отраслях науки и промышленности под воздействием микроволнового излучения проанализированы технологии с использованием микроволн в горном деле. Рассмотрены результаты исследований российских ученых в области применения микроволн для оттаивания мерзлых грунтов и разупрочнения горных пород, проведенных в 1970—2000 гг.
Ключевые слова: микроволновая технология, СВЧ генератор, оттаивание мерзлых грунтов, разупрочнение горных пород.
В настоящее время микроволновое излучение (МВИ, СВЧ) представляет большие возможности для применения в горном деле. Основные направления использования энергии сверхвысоких частот:
— оттаивание мерзлых грунтов,
— разупрочнение и дробление пород, разделение руды на составляющие,
— полное извлечение металлов из отходов и шламов.
Рассмотрим каждое из направлений. Большие объемы разведочных поисковых и добыча полезных ископаемых в нашей стране производятся в основном на северо-востоке, где в условиях вечной мерзлоты разработка пород обычной землеройной техникой требует предварительного оттаивания.
В Якутском научном центре СО РАН (Институт физико-технических проблем Севера, Институт горного дела Севера) под руководством Н. И. Рябеца проводились обширные исследования диэлектрических свойств мерзлых пород в диапазоне микроволн, теоретические и экспериментальные исследования оттаивания мерзлых грунтов под воздействием МВИ 1.
Исследовались частоты 915 и 430 МГц. Исследования показали, что при частоте генератора 430 МГц глубина оттаивания составляет 0.8 м при плотности потока мощности 10 Вт/см2 и времени облучения 10 мин (порода — песок и легкая супесь влажностью 10—15 % с начальной температурой минус 5 оС). При этом необходимые затраты СВЧ энергии соста-
Дата поступления 23.04.08
вили 30—35 кВт • ч/м3. При частоте генератора 915 МГц и плотности потока мощности 23 Вт/см2 (время облучения 3—5 мин) глубина оттаивания составила 0.25—0.35 м. Таким образом излучение с большей длиной волны оказалось более эффективным для оттаивания
1
грунта 1.
В Якутске была разработана СВЧ установка для послойной проходки котлованов в мерзлых грунтах глубиной до 1 м на основе магнетрона М-93 производительностью 0.85 м3/ч с энергозатратами 30 кВт • ч/м3. Затем была создана и прошла приемочные испытания в 1985 г. установка для экстренного вскрытия подземных коммуникаций с более мощным магнетроном М-116. Использование этой установки позволило в 2—3 раза снизить себестоимость работ и сокращает время ликвидации аварий. В интервале температур от минус 5 оС до минус 30 оС производительность при ручной выемке оттаявшей породы составила 0.86— 1.57 м3/ч, энергозатраты 12—30 кВт • ч/м3.
В Ленинградском горном институте под руководством Ю. М. Мисника в 1978—1982 гг. была разработана СВЧ установка (магнетрон М-111 частотой 915 МГц) для разупрочнения мерзлого грунта при рытье траншей в условиях сезонного промерзания грунта. Эта установка, состоящая из землеройной машины и СВЧ установки, позволяет за один проход достичь глубины разработки 0.3—0.5 м при энергозатратах в 5—6 кВт • ч/м3 2 3.
В этом же институте был создан первый рабочий орган для расширения скважин в мерзлых породах с магнетроном М-81 частотой 2.45 ГГц и мощностью 5 кВт, воздействующий на породу в стенке скважины направленным потоком СВЧ поля 4. Несмотря на увеличение скорости прохождения скважины (на порядок выше обычных установок — 4—10 м/ч) из-за ограниченной мощности выпускаемых в тот период генераторов установка не была внедрена в промышленность.
При анализе эффективности СВЧ установок для оттаивания мерзлых грунтов с целью их экскавации по сравнению с известными
установками, СВЧ оттаивание оказалось более эффективно при скоростном проведении таких работ, как проходка шурфов, забивка свай, экстренное вскрытие при авариях. Из-за высокой энергоемкости сплошное оттаивание породы в забое выгодно применять для ограниченного объема выемки, а также при разведке месторождений 5.
Использование энергии микроволн при разработке и применении новых методов разрушения горных пород избавляет от ряда проблем — дает возможность снизить опасность горных работ, загрязнение окружающей среды, улучшить условия труда горняков.
Известно, что при подготовке руд и минералов к обогащению основные капитальные и эксплуатационные затраты (70%) приходятся на процессы их раскрытия: дробление, измельчение, классификация. Поэтому усовершенствование процессов рудоподготовки является очень важной задачей при разработке месторождений.
Снижение прочности или разрушение горных пород под воздействием микроволновой энергии обусловлено в первую очередь нагревом пород. Вследствие диэлектрических потерь излучение поглощается породой и превращается в тепловую энергию.
Величина увеличения температуры определяется по формуле (1).
DТ=рt/cd, (1)
где р — мощность СВЧ, поглощаемая единицей объема породы;
£ — время воздействия поля; с — теплоемкость; й — плотность породы.
Если поле частотой 2.45 ГГц и напряженностью 1 МВ/м прикладывать в течение времени £ = 100 мкс, то величина нагрева минералов разных классов в зависимости от их диэлектрических характеристик будет следующим (табл. 1) 5.
Таблица 1
Величина нагрева различных минералов
Диэлектрическая характеристика Минералы DT, К
Неполярные кварц, галит 0.005
Полярные полевые шпаты, асбест 0.5
Полупроводящие гетит, лимонит, шеелит более 5
Проводящие пирит, гематит, магнетит более 500 К
Максимальной разрешенной частотой, используемой в СВЧ энергетике, является величина 2.45 ГГц. Для нагрева диэлектриков можно использовать и более высокие частоты, но при этом будет уменьшена глубину проникновения излучения в породу.
При нагревании воздействием СВЧ излучения в породе происходит множество физико-химических и механических преобразований: развиваются термомеханические напряжения, идет процесс испарения влаги, декрипитация, релаксация остаточных напряжений, происходят полиморфные и фазовые превращения, выгорание органических соединений 6. В результате прочность пород с ростом температуры уменьшается в несколько раз. При нагреве до красного каления наблюдается взрывное разрушение — от образцов отделяются кусочки, граница которых, как правило, проходит по рудным слоям, что обусловлено испарением в породе большого количества связанной воды. Эти явления подтверждены структурными исследованиями обработанной руды 7 8. При охлаждении раскаленных образцов в воде трещинообразование идет быстрее и часто приводит к их разрушению.
Технология СВЧ разрушения энергетически выгодна для пород, содержащих небольшое количество (10%) рудных минералов, когда нагревается один минерал без нагрева пустой породы и затрачивается небольшое количество энергии, в том числе и на последующих операциях измельчения и обогащения 9.
Резкое и неоднородное повышение температуры, возникающее при импульсном СВЧ нагреве, вызывает перепады температуры на границе раздела фаз «минерал — пустая порода». Различное тепловое расширение фаз приводит к возникновению разрушающих термомеханических напряжений, к растрескиванию пустой породы вокруг минерала. Это значительно облегчает и удешевляет последующие операции — помол и сепарацию.
Использование очень коротких импульсов СВЧ поля длительностью 10 нс — 1 мкс с мощностями в 10 МВт — 10 ГВт нецелесообразно. Энергия поля тратится впустую на нагрев плазмы СВЧ разряда из-за пробоя воздушных промежутков между электродами и кусочками породы. Образующиеся ударные волны, возможно, и приведут к разрушению кусочков породы. Однако более эффективно разрушение твердых тел искровым СВЧ разрядом проводить в жидкости. Описаны случаи 10 11, когда разрядный механизм разрушения энергетически оказался более выгоден, чем тепловой.
Отбойка горных пород полем СВЧ, направляемым излучателем, рассмотрена в работе 6. Обнаружено, что производительность отбойки растет пропорционально квадрату излучаемой мощности, а энергоемкость уменьшается пропорционально мощности. Отбойка СВЧ воздействием наиболее эффективна при работе с породами высокой прочности.
В Институте геотехнической механики (ИГТМ) АН УССР (г. Днепропетровск) совместно с Днепропетровским горным институтом и Днепропетровским университетом велись интенсивные работе по разработке технологии и аппаратуры для разупрочнения горных пород СВЧ полем 12-18, активно проводились экспериментальные исследования в этом направлении 19-23. Испытаниям подвергалась руда Криворожского бассейна.
Авторами указанных работ выявлены преимущества СВЧ нагрева по сравнению с печным, которые являются определяются принципом действия СВЧ поля на составляющие минералы и раскрытием зерен по плоскостям спайности. Обнаружено, что в режиме медленного нагрева обработка руды полем СВЧ перед измельчением повышает производительность промышленных шаровых мельниц на 10—15% 23.
Сотрудниками ИГТМ предложен оригинальный способ разрушения горных пород путем облучения двумя генераторами СВЧ 12. Сначала массив породы облучают волнами меньшей энергетической плотности (150— 300 Вт/см2) от генератора 1 до образования теплового следа, а затем — волнами большей плотности (300—5000 Вт/см2) от генератора 2, идущими в перпендикулярном направлении (рис. 1). Первое фаза облучения создает в породе 3 нагретую зону 4 с повышенным значением мнимой составляющей диэлектрической проницаемости. Для излучения генератора 2 эта зона является сильно поглощающей, в то время как ненагретая порода — радиопрозрачной. В результате мощность генератора 2 поглощается в основном в зоне пересечения облучений 5. Резкий нагрев зоны 5 приводит к тепловому расширению, фазовым превращениям, образованию газовой фазы и т.д. в этой области, результатом чего является разрушение породы. Перемещая антенну генератора 2 над поверхностью массива вдоль теплового следа 4, можно создавать канал разрушенной породы или резать ее. Этим способом были подвергнуты разупрочнению кристаллические сланцы, амфибролиты, габбро-диабазы, граниты, песчаники и другие породы. Использовалась частота 2.4 ГГц. Объем разрушаемой по-
роды составлял 180—250 см3 в секунду. Авторы 12 подчеркивают, что разработанный способ отличается экономичностью.
W
Рис. 1. Разупрочнение каналов в горных породах воздействием двух генераторов СВЧ12
В Институте горного дела им. А. А. Ско-чинского (г. Люберцы, Московская обл.) проводились теоретические 24' 25 и экспериментальные исследования 26-32 взрывных разрушений различных песчаников при воздействии СВЧ поля.
Исследователи обнаружили, что на энергоемкость взрывного разрушения и на критическую плотность потока СВЧ существенно влияет влага, содержащаяся в породе, которая поглощает около 100 кВт мощности на 1 г своей массы 26. В работе 27 описан эксперимент, когда луч генератора мощностью 50 кВт с плотностью СВЧ поля 500 Вт/см2 при перемещении в блоке песчаника образовывал щель глубиной 5—20 см. Энергоемкость процесса составила 80—200 кВт • ч/м3. Адиабатический режим нагрева при плотности СВЧ поля в 20— 40 кВт/см2 создает у поверхности облучаемой породы электрический пробой, предотвращая дальнейшее повышение мощности, и значительно уменьшает энергоемкость СВЧ разру-
28
шения .
В работе 29 описана возможность практического использования комбинированного плазменно-волнового разрушения, комбинированного механического и СВЧ разрушения горной породы путем вдавливания индентора, на который подавалось СВЧ напряжение раз-
30
личной мощности .
Авторами 31, 32 разработан резец для термомеханического разрушения горных пород при бурении скважин со встроенным СВЧ резонатором, открытый конец которого направлен в породу. Он создает в породе нагрев и разупрочнение перед режущей кромкой. Отмечается хорошее согласование генератора с породой.
Работы по разрушению горных пород действие СВЧ поля впервые были предложены советскими учеными 33. Позднее к методу разупрочнения горных пород под воздействием
микроволн проявили интерес специалисты Австралии 34, США и Канады. Патенты 35' 36 повторяют известные в России способы обработки твердых пород. Так, в патенте 36 фирмы EMR Microwave Technology Corporation предложен уже известный в нашей стране способ обработки руды или концентрата путем просыпания через прямоугольный СВЧ резонатор в области пучности его электрического поля 33.
В работах 37-39 изучалось изменение микроструктуры образцов железных руд после их обработки в СВЧ поле мощностью 3 кВт и частотой 2450 МГц при нагреве до 940 оС, проводился помол и ситовой анализ. Авторы указанных работ отмечают уменьшение энергозатрат на помол и облегчение дальнейшей сепарации. Однако при этом увеличиваются суммарные затраты на нагрев, которые возможно компенсировать использованием более мощного генератора СВЧ.
В радиотехническом институте им. академика А. Л. Минца 40 начаты эксперименты по СВЧ обработке горных пород с использованием мощных генераторов метрового диапазона волн на основе триодных усилителей (лампы ГИ-66А) с КПД около 50%. В непрерывном режиме мощность достигает 14 кВт, а в импульсном 200 кВт при регулируемой длительности импульсов до десятков миллисекунд.
В заключении отметим, что применение микроволн для разупрочнения горных пород для достижения оптимальных результатов необходимо для каждого вида конкретной горной породы подбирать свой режим СВЧ облучения. В процессе нагрева СВЧ горной породы в ней происходит масса физико-химических превращений и изменения диэлектрических параметров, не учитывая которые можно не получить положительного эффекта микроволнового воздействия.
Особенности применения энергии микроволн для извлечения металлов из отходов горнорудного производства рассмотрены в работе 41.
Литература
1. Рябец Н. И. Основы разупрочнения и оттаивания мерзлых пород СВЧ энергией.— Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1991.
2. Некрасов Л. Б. Основы электротермомехани-ческого разрушения мерзлых пород.— Новосибирск: Наука, 1979.
3. Мисник Ю. М. Основы разупрочнения мерзлых пород СВЧ полями.— Л.: ЛГУ, 1982.
4. Мисник Ю. М. и др. Машины электротермоме-ханического действия.— Колыма, 1973.
5. Петров В. М. Новые применения радиоэлектроники: разупрочнение горных пород мощным
электромагнитным полем СВЧ // Радиоэлектроника и Телекоммуникации.— 2002.— № 3.
6. Емелин М. А. и др. Новые методы разрушения горных пород.— М.: Недра, 1990.
7. Новик Г. Я., Зильбершмидт М. Г. Управление свойствами пород в процессах горного производства.— М.: Недра, 1994.
8. Зецер Ю. И. и др. Применение СВЧ нагрева для рудоподготовки железистых кварцитов Михайловского горно-обогатительного комбината перед их обогащением / Тезисы докладов Всесоюзной VI научно-практич. конф. «Применение СВЧ энергии в технологических процессах и научных исследованиях».— Саратов, 1991.— С. 98.
9. Диденко А. Н., Зверев Б. В. СВЧ энергетика.-М.: Наука, 2000.
10. Диденко А. Н. О возможности использования мощных СВЧ колебаний для технологических целей // Доклады РАН.- 1993.- Т. 331, № 5.-С. 571.
11. Курец В. И., Рудашевский Н. С. Электроимпульсная дезинтеграция - оптимальная технология высвобождения зерен акцессорных минералов // Доклады АН СССР.- 1991.- Т. 322, № 6.- С. 1086.
12. Москалев А. Н. и др. Способ разрушения горных пород электромагнитными волнами. Авт. св. СССР № 724731, кл. Е21С 37/18, 1977.
13. Москалев А.Н. и др. Устройство для СВЧ обработки сыпучих материалов. Авт. св. СССР № 1592958, кл. Н05В 6/64, 1988.
14. Явтушенко О. В., Коробской В. К., Прудкий В. П. Сверхвысокочастотное электротермомеханичес-кое буровое устройство // Сб. «Механика и разрушение горных пород», вып. 3.- Киев, 1975.- С. 209.
15. Москалев А. Н. и др. Породоразрушающее ЭТМ-устройство с СВЧ экраном на основе заграждающих структур. // Сб. «Термомеханические методы разрушения горных пород»-Киев: Наукова думка, 1976.- С. 103.
16. Челышкина В. В., Коробской В. К. Разработка технологии разупрочнения композиционных материалов в электромагнитных полях СВЧ. // Тезисы докладов Всесоюзной VI научно-прак-тич. конф. «Применение СВЧ энергии в технологических процессах и научных исследованиях».- Саратов, 1991.- С. 51.
17. Явтушенко О. В. и др. Экспериментальный буровой стенд с электротермомеханическим исполнительным органом. // Сб. «Термомеханические методы разрушения горных пород».-Киев, 1972.- Ч. 5.- С. 92.
18. Коробской В. К. СВЧ установка для исследования воздействия электромагнитной энергии на материалы. // Труды 2-й научно-технич. конф. по применению СВЧ энергетики в народном хозяйстве, для исследовательских целей и интенсификации технологических процессов.- Саратов, 1977.- С. 11.
19. Кондрашов В. А., Москалев А. Н. Исследование прочности крепких горных пород при облучении их энергией СВЧ. // Сб. «Физика горных пород и процессов».- М., 1971.- С. 179.
20. Явтушенко О. В., Коробской В. К. Исследование воздействия СВЧ энергии на некоторые горные породы // Сб. «Механика и разрушение горных пород».— Киев, 1976.— Ч. 4.- С. 142.
21. Коробской В. К., Абкин Е. Б., Челышкина В. В. Исследование электромагнитных характеристик магнетитовых руд в СВЧ диапазоне радиоволн. // Изв. вузов. Горный журнал.— 1988. — № 8.- С. 113.
22. Абкин Е. Б. и др. Измельчение руд с применением электромагнитной энергии СВЧ. // Обогащение руд (Ленинград).- 1986.- № 6.- С. 2.
23. Челышкина В. В., Коробской В. К. Влияние обработки руды в электромагнитном поле на результаты ее измельчения. // Изв. вузов. Горный журнал.- 1988.- № 3.- С. 115.
24. Образцов А. П., Красновский С. С. К определению эффективного режима воздействия плоской электромагнитной волны СВЧ на горную породу. // Сб. «Термомеханические методы разрушения горных пород».- Днепропетровск, 1972.- Ч. 2.- С. 69.
25. Сельдищев А. М. К вопросу выбора рациональных ВЧ электрических полей в технологии обработки слоистых диэлектрических горных пород и минералов. // Сб. «Физика горных пород и процессов».- М., 1971.- С. 181.
26. Образцов А. П., Уваров А. П., Максименко А. Г. Исследование эффекта объемного разрушения горных пород в сильных СВЧ полях. // Сб. «Термомеханические методы разрушения горных пород».- Киев: Наукова думка, 1976.-С. 149.
27. Образцов А. П., Блинов Л. М., Красновский С. С. Экспериментальное исследование «взрывного» разрушения горных пород в электромагнитном поле СВЧ. // Сб. «Термомеханические методы разрушения горных пород».- Днепропетровск, 1972.- Ч. 5.- С. 49.
28. Красновский С. С., Уваров А. П. Исследование возможности снижения энергоемкости разрушения горных пород при воздействии мощных потоков СВЧ энергии миллиметрового диапазона. // Всес. VI научно-практич. конф. «Применение СВЧ энергии в технологических процессах и научных исследованиях».- Саратов, 1991.- С. 49, 139.
29. Блинов Л. М., Ковальчук В. М. О возможности комбинированного плазменно-волнового воздействия на горные породы. // Сб. «Термомеханические методы разрушения горных пород».- Днепропетровск, 1972.- Ч. 5.- С. 55.
30. Максименко А. Г., Уваров А. П. Исследование комбинированного СВЧ механического воздействия на горные породы // Всес. VI научно-практич. конф. «Применение СВЧ энергии в технологических процессах и научных исследованиях».— Саратов, 1991.— С. 71.
31. Цыганенко С. М., Ваганов Л. И. СВЧ устройство для термомеханического разрушения горных пород. // Сб. «Термомеханические методы разрушения горных пород».— Днепропетровск, 1972.- Ч. 5.- С. 53.
32. Цыганенко С. М. Передача энергии СВЧ в горные породы при электротермомеханическом разрушении в режиме резонанса электромагнитных волн // Сб. «Комплексные исследования физических свойств горных пород».- М.: МГИ, 1977.- С. 76.
33. Петров В. М. Разупрочнение горных пород мощным электромагнитным полем СВЧ // Радиоэлектроника и телекоммуникации.- 2002. — № 4(22).
34. Badhurst D.H. et al. The applications of microwave energy in mineral processing and pyrometallurgy in Australia // SPRECHSAAL.- 1990.- V. 123, № 2.- Р. 194.
35. US Pat. № 5003144. Microwave assisted hard rock cutting / Lindroth D. P., Morell R. J., Blair J. R. cl. 219/10.55A (H05B 6/80), 1991.
36. US Pat. № 5824133. Microwave treatment of metal bearing ores and concentrates / Tranquilla J. M. cl. 75/10.13 (H05B 6/80), 1998.
37. Walkiewicz J. W., Clark A. E., McGill S. L. Microwave-assisted grinding // IEEE Trans. on Industry Appl.- 1991.- V. 27, № 2.- Р. 239.
38. Bond F.C. Crushing and grinding calculations // Brit. Chem. Eng.- 1960.- V. 6.- Р. 378, 543.
39. McGill S. L., Walkiewicz J. W., Smyres G. A. The effects of power level on the microwave heating of selected chemicals and minerals // Proc. Materials Res. Soc. Symp. Microwave Processing Materials.- Reno, 1988.- Р. 247.
40. Соловьев В. И. Взаимодействие мощных СВЧ полей метрового диапазона с рудными породами различного состава // Обогащение руд.-2001.- № 2.- С. 13.
41. Рахманкулов Д. Л., Шавшукова С. Ю., Вихаре-ва И. Н., Чанышев Р. Р. Применение микроволнового излучения для извлечения металлов из промышленных отходов // Баш. хим. ж.-2008.- Т. 15, № .- С.
