CC BY
76
© М.Г. Менжулин, Н.В. Размер Грансостав СВЧ-нагрев,
материала, исходной
Соколова, 2002 мм породы, % %
УДК 622.236.722:622.02
+10 0.3 18.5
М.Г. Менжулин, Н.В. Соколова
+5 9.3 9.0
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ
+2 47.0 31.1
СВЧ-ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ
+1 27.6 19.0
МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ +0.8 8.0 7.3
+0.63 4.1 4.3
] | +0.5 0.9 3.6
Д -0.4+0.315 0.9 -
+0.25 0.2 -
+0.2 0.15 4.8
ля добычи и переработки минерального СВЧ-метод обеспечивает
сырья необходима разработка новых, получение крупнокусковатых +0.16 0.1 1.3
нетрадиционных методов. Одним из продуктов разрушения с
перспективных направлений является помощью многомодовых СВЧ- +0.1 0.14 0.62
воздействие на породу СВЧ- излучателей. В зависимости от 0-0.1 0.35 0.47
электромагнитным полем. Метод параметров и систем ввода
является экологически чистым и СВЧ-энергии разупрочнение и
характеризуется высокой
селективностью разделения минералов.
СВЧ-технология основана на различном поглощении минералами электромагнитной энергии и создании регулируемых локальных зон нагрева и зон термоупругих напряжений, которая может быть представлена при дроблении как одна из наиболее перспективных при создании современной высокорентабельной технологии. Подавляющее
большинство видов минерального сырья на стадии дробления обладает значительной природной
неоднородностью. Если
первоначально СВЧ-метод
рассматривался на стадии обогащения [1, 2], то современная технология СВЧ-нагрева может выполнять и роль основного процесса для многих видов обедненных полезных ископаемых, в котором реализуется основной принцип обогащения - не дробить лишнего, извлекать компонент по мере его раскрытия, что значительно сокращает его потери при разделении минерального сырья на чистые мономинеральные фракции. Для некоторых пород наиболее ценными являются именно кусковатые концентраты.
разрушение происходит под действием термических напряжений, которые возникают в результате термического расширения породы при её неравномерном нагреве. Неоднородность нагрева может быть вызвана неоднородностью
физических свойств как минеральных компонентов, так и породы в целом в результате неравномерного
распределения электромагнитного поля, создаваемого системой ввода СВЧ-энергии в породу. Таблица 2
Разработаны СВЧ-излучатели, основанные на возбуждении в СИТОВАЯ них многомодовой структуры ПОСЛЕ электромагнитного поля [3].
Формирование зон нагрева
осуществляется тем или иным
конструктивным решением, имеющим элементы регулирования, тем самым обеспечивается управление
температурным полем и полем термоупругих напряжений в породе (рис. 1).
Получены локальные зоны
температуры и термоупругих
напряжений при различных способах
возбуждения объемных СВЧ-
ХАРАКТЕРИСТИКА МИНЕРАЛОВ
СВЧ-НАГРЕВА
Таблица 1
№ Т, 0С Ґ, мин. п* п=п3/2 Е=і2/іі п =1/к313 ^ сж, МПа ^ раст, МПа Структура трещин
0 < 100 2 0,36 0,130 3.0 2,4 195 30 частичное закрытие
1 100-225 2-3 1,99-1,35 2,8-1,57 2,7-4,1 1,2-4,3 180-110 26-13 межзерновые трещины
2 225-285 4-6 1,35-0,67 1,57-0,54 4,1-3.7 4,3-1,3 110-112 12-12,4 субблоки
3 > 285 6-10 2,76 4,58 3,2-3,7 1.27-0,09 112-82 12-7 все виды трещин
резонаторов, на основании которых выбраны оптимальные способы
возбуждения и типы СВЧ-излучателей, соответствующие
заданной технологии. В случае, когда отработка ведется по двум поверхностям породы, целесообразно использовать СВЧ-излучатели с большой площадью раскрыва,
возбуждаемые волноводно-щелевыми решетками, когда плотность потока электромагнитной энергии затухает по длине раскрыва. При этом
целесообразно вводить энергию через эти поверхности таким образом, чтобы захватывалась вся
отрабатываемая поверхность (рис. 2а) [4]. В этом случае затухание электромагнитного поля в одном направлении компенсируется
соответствующим потоком СВЧ-энергии в перпендикулярном
направлении. Распределение
мощности объемных источников
тепла, а следовательно, и снижение прочности породы становится практически равномерным.
Уменьшить размер кусков возможно, увеличив количество зон термоупругих напряжений, которое достигается за счет возбуждения объемного резонатора несколькими антенными решетками (рис. 2б).
При организации рациональной системы подготовки сырья с применением СВЧ-нагрева или ее сочетания с сортировкой кусков достигается перевод месторождения из категории убыточных в категорию рентабельных. Существенное
повышение экономической
эффективности обогащения сырья обусловлено, как правило, удалением значительного количества пустой породы на стадии крупного дробления
при высокой её неоднородности,
повышением качества сырья и
снижением затрат на последующую переработку. Способность СВЧ-электромагнитного метода выполнять роль основного обогатительного процесса с получением
крупнокусковатых продуктов, а также рациональное перераспределение кускового потока и усреднение сырья по качеству определяют
целесообразность и экономическую эффективность применения СВЧ-технологии для многих видов минерального сырья.
На стадии получения чистых мономинеральных фракций требуется создание равномерного температурного поля по всей отрабатываемой
поверхности породы, которое может быть достигнуто за счет дополнительных регулировочных элементов, вводимых в объемный резонатор, а также за счет использования СВЧ-излучателей,
возбуждаемых несколькими системами антенных решеток. В этом случае интенсивность зон нагрева по всей
отрабатываемой поверхности
симметрична.
Каждая из минеральных
компонент обладает своими
индивидуальными электрическими свойствами, которые обуславливают поглощение электромагнитной
энергии и неоднородный нагрев минералов. Благодаря разнице в температурах и коэффициентах
термического расширения наблюдаются Рис. 1. Формирование локальных зон нагрева: а) коробчатым и рупорным СВЧ-излучателями, возбуждаемыми
решётками наклонных щелей; б) коробчатым СВЧ-излучателем,
возбуждаемым решёткой продольных щелей с регулируемыми пластинами
существенно различные по параметрам напряженные состояния, что усугубляется наличием структурной неоднородности и естественной трещиноватости, приводящих к появлению концентраций напряжений, и при превышении предела прочности на растяжение происходит
разупрочнение и раскрытие минералов. Управление процессами раскрытия минералов можно осуществить за счет выбора параметров и режимов СВЧ-нагрева с учетом структуры развития микротрещиноватости и снижения прочности породы.
Получены распределения
наведенной концентрации
микротрещин по размерам, и
определены изменения
концентрационного параметра
слияния трещин и критической концентрации разрушения, на
основании которых сделана
прогнозная оценка снижения
прочности гранита при
электромагнитном нагреве в
технологических процессах отработки минерального сырья. На основании расчёта прочности кварцсодержащих горных пород и температурных
характеристик микроструктурных параметров выделены основные стадии разупрочнения гранита, представленные в табл. 1.
Изучение механизма разупрочнения и разрушения кварцсодержащих горных пород на основе учета естественной и наведенной трещиноватости,
прочностных характеристик, стадий и зон разупрочнения и разрушения
позволит обеспечить необходимые режимы электромагнитного
воздействия на различных
технологических стадиях отработки и снизить их энергозатраты.
Рис. 2. Схемы разупрочнения горных пород с помощью открытых объемных СВЧ-излучателей, возбуждаемых: а) одной антенной решеткой; б) двумя антенными решетками
Для определения возможностей и оптимальных режимов дезинтеграции минерального сырья были проведены эксперименты по воздействию СВЧ-энергии на граниты в проблемной лаборатории РГП СПГГИ совместно с Институтом геологии КНЦ РАН. Потребности промышленности в чистых минеральных фракциях размером 0,1-0,4 мм с каждым годом увеличиваются. Чисто механическое разрушение приводит к
переизмельчению материала, который в промышленности не используется. К тому же, только механическое разрушение не приводит к разделению полиминеральных пород на чистые минеральные фракции.
Задача эксперимента заключалась в определении возможностей получения продукта разрушения, оптимального по размерам и чистоте фракций при СВЧ-нагреве. Хотя гранит и не является минеральным сырьем для получения чистых мономинеральных фрак-ций, он является хорошим материалом для испытания этого метода в силу того, что минералы, входящие в его состав, обладают достаточным набором необходимых свойств. При обработке гранита в течение 3-4 мин. в поле стоячих электромагнитных волн с
помощью СВЧ-установки мощностью 1,5 кВт наблюдалось разрушение образцов без какого либо внешнего механического воздействия.
Энергоемкость разупрочнения гранита составила 90-120 кВт ч/м3.
Ситовая характеристика
полученного материала представлена в табл. 2, где для сравнения приведены данные размеров полезных фракций исходной породы. При СВЧ-разрушении минеральные частицы сохраняются в основном в целости, переизмельчение за предел +0,1 мм при этом незначительно. В продуктах СВЧ-разрушения уже на размере 1,4 мм имеем дезинтеграцию на минеральные составляющие 98%, в отличие от механического дробления, в продуктах которого чистота минеральных фракций приближается к 80% только во фракции размера 0-0,1 мм, идущей в отход. Пик ситовой характеристики на размере 2-5 мм объясняется совпадением этого размера с эффективным размером
минеральных включений в граните. Во фракциях крупнее 5 мм, где наблюдается недостаточная
дезинтеграция, минеральные сростки ослаблены наведенной
трещиноватостью по границам минеральных зерен и при дополнительном дроблении, разумеется, будет наблюдаться дополнительная дезинтеграция.
Из вышесказанного можно сделать вывод о перспективности
дезинтеграции минерального сырья мощным СВЧ-воздейс-твием, так как при этом обеспечиваются сохранность исходных размеров минеральных частиц и достаточно хорошее разделение на минеральные составляющие. Дальнейшие
исследования на горных породах, являющихся полезными ископаемыми минерального сырья, позволят оптимизировать конкретные режимы их дезинтеграции.
------------------------------------------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зильбершмидт М.Г., Заворыкина Т.К. Исследование вариации структурной нарушенности при высокочастотной обработке: сб. Проблемы физических процессов в горном деле. -М.:, МГИ, 1988. - С. 34-36.
2. Москалев А.Н., Абкин Е.Н., Коробской В.К., Челышкина В.В.
Измельчение руд с применением электромагнитной энергии СВЧ //
Обогащение руд. - 1986. - №6. - С. 1-3.
3. Соколова Н.В. Открытые резонаторные системы, возбуждаемые щелевыми антеннами // Третий международный симпозиум "Горное дело в Арктике" - СПб.: СПГГИ, 1994. - С. 89.
4. Мисник Ю.М., Хоминский В.А. Разрушение горных пород
электрофизическими методами. Л.: ЛГИ, 1984. - С. 65-85
«НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2002» СЕМИНАР № 5
