Технологические и методологические аспекты минералогической материалогии Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

-------------------------------- © А.Д. Верхотуров, Б.А. Воронов,

2009

УДК 620

А.Д. Верхотуров, Б.А. Воронов

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МИНЕРАЛОГИЧЕСКОЙ МАТЕРИАЛОГИИ

Минералогическая материалогия - один из основных разделов интеграционной науки о материалах - материало-гии (рис. 1) [1-7], основной целью которой является получение материалов из минерального сырья с соблюдением условий устойчивого развития общества.

Материалогия не возникла внезапно, она - результат последовательного и последнего этапа развития науки о материалах: инкубационный период ^ металлография ^ металловедение ^ материаловедение ^ материалогия. Каждый из перечисленных этапов имел или имеет свои цели, задачи, предмет исследования, технологические, методологические и концептуальные основы. При этом инкубационный период (а также некоторые другие) имел их не в явной форме (в необобщённом виде).

Принципиальное отличие материалогии от материаловедения заключается не только в изучении материалов, а в их создании и получении в условиях устойчивого развития общества.

При развитии науки о материалах цели, задачи, предметы исследования, технология, методы исследования, а также концептуальные основы непрерывно усложнялись и расширялись. Так материалогия по сравнению с материаловедением имеет уже три дополнительных раздела:

1. Циклический круговорот вещества и материалов;

2. Минералогическая материалогия;

3. Технология материалов.

Появление новых разделов связано не столько с расширением предмета исследований, сколько с необходимостью учета современных требований в науке и, прежде всего, к науке о материалах, обеспечения устойчивого развития человеческого общества. Тенденции использования минерального сырья, а также оценка объема

их ресурсов в мире вызывают опасения, что в недалеком будущем человечество останется без минерального

Циклический кругооборот веществ и материалов в природе и производстве (ЦКВМ)

Минерало-

гическая

материа-

логия

(ММ)

Рис. 1. Основные разделы материалогии

сырья, а также то, что потенциальные пределы возможностей окружающей среды не смогут противостоять все возрастающим объемам отходов (их сбросов и выбросов в землю, воду и воздух) производств. Все это требует тщательного изучения и анализа движения вещества и материала от добычи минерального сырья до изготовления вещи и движения ее к своей «гибели», то есть ЦКВМ. Кроме того, важнейшим вопросом в этом плане является использование технологий, обеспечивающих минимальный «сток» загрязняющих веществ и экономию энергии.

На основании этого исследования круговорота вещества и материалов открывают возможности рационального и комплексного использования минерального сырья, а также создания перспективных для этого технологий.

Круговорот вещества и материалов (рис. 2) начинается с добычи и переработки минерального сырья, что раньше не являлось предметом исследования материаловедения.

Современное материаловедение рассматривает только небольшой участок общего ЦКВМ: изучает взаимосвязь состава, структуры и свойств материалов после металлургического (химического) передела (рис. 3), то есть «чистых» веществ и материалов (элементов, соединений и смесей). По заключению [8,9] существует три основные схемы получения материалов. Как видно из рис. 3, первая схема (левая) основана на классическом подходе, включающем плавление и затвердевание материалов с последующими обработками. Вопрос об использовании минерального сырья в качестве материала без его восстановления, либо с его восстановлением без пиро-гидрометаллургического и химического передела в материаловедении не рассматривался, так же как и круговорот вещества и материалов, хотя исследование этих вопросов должно способствовать решению трех взаимосвязанных проблем: экономических, энергоресурсных и экологических.

В связи с выше изложенным, представляет значительный интерес начало круговорота вещества и материалов, так как на этом этапе наблюдаются наибольшие отходы, а рациональное и комплексное использование минерального сырья, экономия энергоресурсов наиболее эффективны. Эмпирическое правило гласит: на каждую тонну мусора, образуемого у конечного потребителя, приходится 5 т отходов на стадии производства и еще 20 т на месте добычи ресурса [10].

Рис. 2. Циклический круговорот вещества и материалов в природе и производстве: 3 - земля; О - отходы; От - отходы твердые; Ож - жидкие отходы; Ог - отходы газовой фазы.

® -Земля (информация о ресурсах, подготовка к добыче мин. ресурсов)

-добыча сырья

-подготовка сырья (дробление, измельчение, обогащение и т.д.)

- получение материалов (металлургическая и химическая обра-ботка с получением элементов и соединений)

-получение изделий -использование изделий -поломка изделий, выход из строя -демонтаж, разборка изделий -переработка отходов -повторное использование материалов

Следовательно, минералогическая материалогия изучает не только возможность создание материалов непосредственно из минерального сырья, минуя пиро-гидрометаллургический передел, но и возможность рационального, комплексного его использования, в том числе использования отходов горного производства для получения материалов. На рис. 4 приведена общая схема начала круговорота вещества и материалов и области исследований минералоги-

ческой материалогии и материаловедения. На каждом этапе образуются отходы. Важнейшая роль

Добыча руды, обогащение

Металлургия чистых веществ

СИНТЕЗ

МАТЕРИАЛОВ

I Плав:

іешє компонентов

Смешение компонентой

Затвердение Силовое воздействие

Многократная механотер-мическая обработка Термическое вие возденет-

Моди финн рован ие (поверхности) Модифицирование (поверхности)

Конструирование материалов

Покрытия, пленки

Композиты

Рис. 3. Схема возможных путей создания нового материала

Рис. 5. Последовательность определения методологической формулы ММ

в получении материалов принадлежит технологии получения вещества Т и материала Та.

Для решения основных целей и задач минералогической мате-риалогии необходима разработка ее методологии, то есть учения о принципах построения, формах и способах создания и получения материалов с заданными свойствами непосредственно из минерального сырья.

Основой разработки методологии ММ является методология материалогии с учетом особенностей предмета исследования, цели и задач, технологии и особенно, концептуальных основ ММ (рис.

5).

Как известно, методология МЛ разрабатывается на основе её концептуальных основ - уточненной парадигмы Самсонова [6]: состав - структура - технология - форма - свойства. В схему парадигмы Самсонова был внесен новый элемент - форма, так как материал представляет единство вещества и формы, что является одним из важнейших достижений еще Аристотеля, отраженным в его 4-х звенной схеме получения вещи. Для разработки методологии учитывались также цель, задачи, предмет исследования, технология и предельно общие и общенаучные методы (таблица). На рис. 6 приведена методологическая формула МЛ.

26

Цель, задача, предмет исследования, технология и концептуальные основы материалогии, минералогической материалогии

Элементы методологии Материаловедение Материалогии Минералогическая материалогия

1 2 3 4

Цель Выбор материала с заданными свойствами Разработка и получение материалов с заданными свойствами в условиях устойчивого развития производства Разработка и получение материалов из минерального сырья в условиях комплексного и рационального его использования

Задача Определение взаимосвязи состав - структура - свойства Определение круговорота вещества и материалов, исследование взаимосвязи состав-структура -технология - форма - свойства Определение взаимосвязи состав - структура - технология - форма -свойства минерального сырья и её влияния на структуру, состав, свойства - технологию готового материала

Предмет исследования Металлические сплавы, керамика, высокополимерные, соединенные материалы Минеральное сырье, металлические сплавы, керамика, высокополимерные, соединенные материалы, отходы, лом Минеральное сырье

Концептуальные основы Состав - структура - свойства Состав - структура -технология - форма -свойства Комплексное и рациональное использование минерального сырья

Технология Термическая обработка Пиро-гидрометаллургические химические методы извлечения элементов и соединений из минерального сырья Воздействие на минсырье концентрированных потоков энергии (дуги, плазмы искрового разряда, лазерного излучения)

На основании таблицы можно обозначить методологическую формулу:

I Назначение материала Н идея материала Н технология Ъ М состав, структура I

Рис. 6. Методологическая формула МЛ. Т - технология получения материалов; Т2 - технология обработки материалов

На основании методологической схемы МЛ с использованием дедуктивно-аналитического метода разрабатывалась методологии ММ, то есть от общего к частному. Как видно из рис.4 и таблицы, при разработке методологии ММ происходит конкретизация цели, задач, предмета исследования, концептуальных основ МЛ. Таким образом, методология ММ должна базироваться на методологии МЛ с соблюдением двух принципов:

1. Конкретизации;

2. Дополнительности.

Кроме того, необходимо учитывать концептуальные основы ММ [6], приведенные на рис.7.

Концептуальные основы ММ накладывают определенные ограничения на парадигму МЛ и, прежде всего, на один из ее элементов - технологию Ть Это связано с тем, что только использование новейших технологий на данном этапе развития науки о материалах позволяет осуществить комплексное использование сырья с сохранением окружающей среды.

В этом направлении представляет интерес использование для обработки минерального сырья концентрированных потоков энергии (дугового, искрового разрядов, плазменных потоков, электронных, фотонных потоков и т.д.) 5 а также методов порошковой металлургии.

С учетом выше изложенного, методология может быть представлена следующей схемой (рис. 8).

Как видно из рис. 8, методология ММ представляет собой методологическую схему МЛ с конкретизацией и дополнением некоторых ее элементов по идее материала (предмета исследования) и технологии Ть

Создание ма- Комплексное Отходы од- Замкнутое Устойчивое

териалов на использование них произ- производство развитие

основе рас- сырья в мес- водств- сы- материалов с производства

пространен- тах добычи. рье для дру- целью рацио- материалов

ности элементов в природе. Парадигма Вернадского Парадигма Ферсмана гих при сохранении окружающей среды. Парадигма Брицке. нального использования сырья. Парадигма Резни-ченко

Рис. 7. Концептуальные основы ММ

Назначение Идея мате- Технология "Г" Состав,

—* риала —► І1 —> структура.

материала форма

I т

Состав, Концентрированные

сгрукгура, потоки энергии, по-

свойства рошковая металлур-

(См) мине- гия

рального

сырья

Свойства Технология Форма — Свойства Материал

(С.) (Т2) (С2) (вещь)

Рис. 8. Методологическая формула ММ: См- свойства минерального сырья; С1 - свойства полученного материала после Т1; С2 - свойства после окончательной обработки материала (после Т2)

Назначение материала и его необходимые свойства

Принципы создания материалов Идея материала -

1 1

Банк данных по концентратам, критерии выбора Выбор концентрата (РУДЫ) ■е—*

I

Исследование состава, структуры, формы, свойств сырья Выбор технологии Т|

1

Предварительная обработка сырья

1 і

Исследование возможности и условий восстановления и изменения фазового состава сырья

і 1

Метод ММ Метод КПЭ

1 I

Термодинамический анализ возможных реакций к системе сырье-углерод (хлор, фтор и др.) Действие концентрированных потоков энергии на сырье

і 1

Исследование кинетики восстановления в изотермических условиях - Исследование состава, структуры, полученных спеков и их предварительная обработка

1

Выбор режимов обработки □

I

Выбор состава и получения шихты

1

Получение композита

Банк данных по материалам

Банк данных по технологиям

Исследование состава, структуры и свойств композита

а.

Окончательная обработка (’14)

X-

\ Материал

Рис. 9. Методологическая установка создания и получения материала из минерального сырья

После определения методологической схемы МЛ осуществляется дальнейшая ее конкретизация, заключающаяся в учете использования минерального сырья для получения материала (вещи). Особенность использования минерального сырья заключается в необходимости в большинстве случаев в его восстановлении в процессе T1 либо предварительном восстановлении.

В связи с особенностями требований к минеральному сырью разрабатываются на основе методологии ММ методологические установки, в качестве примера представлена методологическая установка ММ для случая необходимости восстановления минерального сырья (рис. 9).

Выводы

1. Показано, что методология ММ должна базироваться на методологии МЛ с учетом концептуальных основ ММ (устойчивого развития минерально-сырьевой базы), предмета исследования, цели, задач и технологии.

2. Предложена общая схема разработки методологии ММ, основанная на конкретизации и дополнении элементов методологии МЛ, а именно предмета исследования (минерального сырья) и технологии T1 (использование концентрированных потоков энергии, методов порошковой металлургии).

3. Разработана методология ММ и методологическая установка для минерального сырья, требующего восстановления.

----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Верхотуров А.Д. Материалогия // Вестник ДВО РАН. 2004. № 5 С. 8086.

2. Верхотуров А.Д., Шпилев A.M., Коневцов Л.А. Предмет исследования, концептуальные и методологические основы становления и развития материалогии // Химическая технология. 2008. № 5. С. 197-204.

3. Верхотуров А.Д. Материалогия - наука о принципах выбора и создания науки о материалах с заданными свойствами // Химическая технология. 2004. № 11. С. 11-15.

4. Верхотуров А.Д., Шпилев A.M. Концепция Г.В. Самсонова о прогнозировании свойств вещества - основа новой интеграционной науки о материалах // Материаловедение тугоплавких соединений: достижения и проблемы: Материалы Междунар. конф. Киев: Ин-т проблем материаловедения НАН Украины, 2008. С. 5-6.

5. Верхотуров А.Д., Шпилев A.M. Начала материалогии: Учебное пособие. Комсомольск-на-Амуре: Изд-во Комсомольского-на-Амуре техн. ун-та, 2008. 438 с.

6. Верхотуров А.Д., Фадеев B.C. Некоторые вопросы современного состояния и перспективы развития материаловедения. Владивосток: Дальнаука, 2004, 320 с.

7. Верхотуров А.Д., Шпилев A.M., Коневцов Л.А. К вопросу становления и развития материалогии // Труды IV Евразийского симпозиума EURASTREN-COLD. Якутск, 2008.

8. Калин Б.А. Перспективы развития технологии в материаловедении XXI в // Сб. науч. тр. МИФИ. 1998. Ч. 4. С. 232-234.

9. Калин Б.А. Перспективные радиационно-пучковые технологии получения и обработки материалов // Известия Томского политехн. ун-та. 2000. Т. 303. Вып. 2. С. 46-58.

10. Медоуз Д., Раднерс Й.Р. Пределы роста. М.: ИКЦ, Академкнига, 2007.

342 с.

— Коротко об авторах -------------------------------------------------

Верхотуров А.Д. - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник,

Воронов Б.А. - член корреспондент РАН, доктор биологических наук, директор,

Институт водных и экологических проблем ДВО РАН, г. Хабаровск. E-mail: mvm_tm@festu.khv.ru E-mail: ivep@ivep.as.khb.ru