Разупрочнение межфазных границ железистых кварцитов под влиянием магнитно-импульсной обработки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 539.3; 622.02; 622.236.9

РАЗУПРОЧНЕНИЕ МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ ПОД ВЛИЯНИЕМ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ

© А.И. Тюрин, А.М. Купряшкин, П.П. Ананьев, С.В. Ермаков, А.В. Плотникова

Ключевые слова: горные породы; межфазные границы; железистые кварциты; магнитно-импульсная обработка; повышение измельчаемости; коэффициент вязкозти разрушения.

Исследованы процессы разупрочнения межфазных границ срастания рудных и нерудных фаз под действием магнитно-импульсной обработки.

Исследование эффекта разупрочнения межфазных границ в железистых кварцитах под действием магнитно-импульсной обработки (МИО) приобретает все большую популярность [1]. Это вызвано стремлением повысить качественно-количественные показатели (повышение измельчаемости и обогащаемости) производства железорудного сырья (ЖРС) за счет создания дополнительных условий по ослаблению связей на границах раздела рудных и нерудных фаз и увеличению селективности разрушения по этим границам на этапе рудоподготовки [1-5]. При этом, несмотря на доказанный положительный эффект от применения МИО, физические механизмы ее действия остаются во многом неясными [1]. Это не позволяет сознательно управлять процессами разупрочнения межфазных границ, контролировать результаты МИО, управлять и оптимизировать режимы обработки в каждом конкретном случае.

Поэтому цель работы заключалась в исследовании влияния магнитно-импульсной обработки железистых кварцитов на прочность границ межфазных срастания рудных и нерудных фаз методами прицельного микро-индентирования.

В работе исследовали образцы железистых кварцитов Михайловского месторождения (табл. 1). Анализ микроструктуры исследованных образцов показывает, что характерный размер рудных фаз составляет от единиц до нескольких десятков микрон. Это требует проведения исследований прочности и характера разрушения отдельных фаз и особенно их границ срастания на микро- и наноуровне. Это не позволяет применять для исследования стандартные методы определения прочности и вязкозти разрушения. Поэтому исследования проводили методами микро- и наноиндентирования, которые позволяют определить прочностные свойства материала (твердость - Н, модуль Юнга - Е, коэффициент вязкозти разрушения - Кс и др.) в очень локализованной области [6-11].

Для исследования влияния магнитно-импульсной обработки на коэффициент вязкости разрушения на границах срастания рудных и нерудных фаз железистых кварцитов была выбрана граница срастания магнетита и кварцита.

Для оценки влияния МИО на изменение прочностных свойств отдельных фаз и исследуемых границ сра-

стания проводилось индентирование образцов ЖРС до и после воздействия импульсного магнитного поля. В качестве индентора применялась трехгранная алмазная пирамидка Берковича. Нагрузка, прикладываемая к индентору - Р, варьировалась от 100 мкН до 2 Н.

Таблица 1

Массовая доля железа в минеральных фазах

Название фазы Формула соедине- ния Массовая доля железа Характер фазы

Гематит ГЄ20з 0,700 рудный, слабомагнитный

Кварцит Si02 - нерудный, немагнитный

Магнетит Ге304 0,724 рудный, магнитный

В случае исследования однотипных межфазных границ при постоянной нагрузке прочностные свойства определяются только длиной трещины - С. Поэтому относительное изменение коэффициента вязкости разрушения Кс на границе срастания фаз оценивали по изменению длины трещины С по формуле:

а =

СІП _ С

смио Со

3/2

С,

3/2

(1)

исходя из того, что Кс зависит от С следующим образом [6, 9-11]:

Кс = Р,- (Е/Н)1/2(Р/С3/2),

(2)

где р,- - безразмерный коэффициент, зависящий от геометрии индентора; Е - эффективный модуль Юнга; Н -эффективная твердость; Р - величина нагрузки, приложенной к индентору.

В результате магнито-импульсной обработки при трех частотах следования импульсов магнитного поля (/ - МИО 1,/2 = 2/0 - МИО 2 и/3 = 10/0 - МИО 3) наблюдалось разупрочнение исследуемой границы срастания (увеличение размеров трещин) по сравнению с

1699

контрольными образцами, не обработанными MHD. Изменения а составили при этом от 2 до 19 % (табл. 2).

Таким образом, величина а позволяет оценивать влияние MTO на прочностные свойства границы срастания магнетита и кварцита железистых кварцитов и использовать эти данные для прогнозирования измель-чаемости и обогащаемости рудного материала в процессе механической обработки на этапе последующей рудоподготовки.

Таблица 2

Изменение трещиностойкости границ срастания магнетита и кварцита в результате MHD образцов ЖРС Mихайловского месторождения

№ образца Вид обработки Длина трещины С, мкм Смиo / Оз а

1 Без обработки (контрольный образец) 29,48 ± 3,0 1 1

МИО 1 33,1 ± 4,2 1,12 1,19

2 Без обработки (контрольный образец) 32,0 ± 4,б 1 1

МИО 2 32,4 ± 2,7 1,01 1,02

3 Без обработки (контрольный образец) 3б,8 ± 5,5 1 1

МИО 3 39,5 ± б,0 1,07 1,11

Рис. 1. Зависимость относительного прироста класса (-74 мкм +0) в измельченном материале (А) от относительного нрирос-та коэффициента вязкости разрушения (а)

Для оценки эффективности влияния MTO на из-мельчаемость ЖРС были проведены специальные исследования. Образцы рудного материала с исходной крупностью (-2 мм +0) подвергались измельчению в лабораторной мельнице в течение фиксированного времени до крупности, соответствующей содержанию класса (-74 мкм +0) - 85-88 %. Содержание класса (-74 мкм +0) характеризовало измельчаемость рудного материала. Рудный материал предварительно подвергался усреднению и разделению на идентичные пробы. Часть проб перед измельчением подвергалась воздействию импульсного электромагнитного поля, а оставшейся измельчали без предварительной магнитно -импульсной обработки (контрольная группа). Сравнительный анализ параметров измельчаемости руды на этапе рудоподготовки и трещиностойкости границ срастания показывает, что MTO влияет на относительный прирост класса (-74 мкм +0) в измельченном материале, а также величины С и а на границе срастания фаз. При этом между зависимостями относительного прироста класса (-74 мкм +0) в измельченном материале и а наблюдалась линейная зависимость (рис. 1). Это позволяет сделать предположение о сходных микроме-

ханизмах разрушения руды при ее механическом измельчении на этапе рудоподготовки и в процессах трещинообразования на границах срастания при ин-дентировании.

Таким образом, методами микро- и наноинденти-рования и механического измельчения руды в лабораторной мельнице показано влияние МИО на параметры разрушения ЖРС. Установлено, что изменение коэффициента вязкости разрушения на границах срастания рудных и нерудных фаз железистых кварцитов, в частности, магнетита и кварцита, зависит от параметров МИО. Линейная зависимость между параметрами измельчаемости и трещиностойкости позволяет разрабатывать экспресс-методы анализа измельчаемости руды по данным микро- и наноиндентирования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гончаров С.А., Ананьев П.П., Иванов В.Ю. Разупрочнение горных пород под действием импульсных электромагнитных полей. М. : Изд-во МГГУ, 2006. 91 с.

2. Каркашадзе Г.Г. Механическое разрушение горных пород. М.: Изд-во МГГУ, 2004. 222 с.

3. Мороз А.И. Самонапряженное состояние горных пород. М.: Изд-во МГГУ, 2004. 288 с.

4. Кузьмин Ю.О., Жуков В.С. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. М.: Изд-во МГГУ, 2004. 262 с.

5. Богомолов Л.М. О механизме электромагнитного влияния на кинетику микротрещин и электростимулированных вариациях акустической эмиссии породных образцов // Физическая мезоме-ханика. 2010. Т. 13. № 3. С. 39-56.

6. Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. М.: Машиностроение, 2009. 312 с.

7. Golovin Yu.I., Tyurin A.I., Farber B.Ya. Time-dependent characteristics of materials and micromechanisms of plastic deformation on a submicron scale by new pulse indentation technique // Philosophical Magazine A: Physics of Condensed Matter, Structure, Defects and Mechanical Properties. 2002. V. 82. № 10 SPEC. P. 1857-1864.

8. Головин Ю.И., Дуб С.Н., Иволгин В.И., Коренков В.В., Тюрин А.И. Кинетические особенности деформации твердых тел в нано- и микрообъемах // Физика твердого тела. 2005. Т. 47. № 6. С. 961 -973.

9. Новиков Н.В., Дуб С.Н., Булычов С.И. // Методы микроиспытаний на трещиностойкость. Заводская лаборатория. 1988. № 7. С. 60-67.

10. Ponton C.B., Rawlings R.D. // Vickers indentation fracture toughness test. P. 1. Review of literature and formulation toughness equations. Mater. Sci. and Technology. 1989. V. 5. P. 861-864.

11. Ponton C.B., Rawlings R.D. // Vickers indentation fracture toughness test. Part 2. Application and critical evaluation of standardised indentation toughness equations. Mater. Sci. and Technology. 1989. V. 5. P. 865-876.

БЛАГОДАРНОСТИ:

1. Все исследования выполнены с использованием оборудования НОЦ «Нанотехнологии и наноматериалы» ТГУ им. Г.Р. Державина.

2. Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы и финансовой поддержки программы У.М.Н.И.К.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Tyurin A.I., Kupryashkin A.M., Ananyev P.P., Ermakov S.V., Plotnikova A.V. WEAKENING OF INTERPHASE BOUNDARIES OF FERRUGINOUS QUARTZITES UNDER THE INFLUENCE OF MAGNETIC-PULSE PROCESSING

The processes of weakening interface boundaries of metallic and non-metallic phases, under the influence of magnetic-pulse treatment are researched.

Key words: rocks; phase boundaries; ferruginous quartzites; magnetic pulse treatment; improving grind ability; coefficient viscosity destruction.

1700