CC BY
36
- © А.Л. Самусев, В.Г. Миненко,
А.И. Каплин, 2015
УДК 622.73, 622.793.2
А.Л. Самусев, В.Г. Миненко, А.И. Каплин
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА РАЗУПРОЧНЕНИЕ ПОРОДООБРАЗУЮЩИХ МИНЕРАЛОВ КИМБЕРЛИТОВ*
Установлена возможность разупрочнения кимберлита продуктами электролиза воды, обеспечивающими комплексное снижение микротвердости связующей массы кимберлита на 20,3%и основных породных минералов (оливин, серпентин, кальцит) от 20,5 до 24,1% за счет целенаправленного изменения физико-химических свойств водных систем. Экспериментально установлено, что использование в качестве жидкой фазы продуктов электролиза минерализованной воды в процессе измельчения кимберлитов обеспечивает увеличение выхода мелких классов в сливе мельницы на 6,8%, что подтверждает целесообразность использования электрохимических воздействий в процессе измельчения для повышения сохранности алмазов за счет более быстрого высвобождения кристаллов, обусловленного сокращением времени пребывания кимберлитов в мельнице.
Ключевые слова: электрохимическая обработка, продукт электролиза воды, минерализованная водная система, кимберлит, оливин, серпентин, кальцит, разупрочнение, измельчение, микротвердость.
Крупнейшими мировыми производителями природных алмазов являются Россия, Ботсвана и Демократическая Республика Конго (ДРК), в совокупности, обеспечивающие около 59% их мировой добычи. Россия занимает первое место в мире по добыче алмазов в каратах, уступая по стоимостным объемам только Ботсване. При этом основная добыча алмазов в РФ осуществляется на горно-обогатительных предприятиях акционерной компании «АЛРОСА», являющейся одним из мировых лидеров в области разведки, добычи и реализации алмазов, ее доля в мировой добыче алмазов по данным на 2012 г. составила 27% (в 2002 г. - 18%).
Сохранность товарной продукции алмазных горно-обогатительных комбинатов является основным показателем эффективности производства ввиду высокой ценности кристаллов
и необратимости их повреждаемости. В связи с этим, в настоящее время разрабатывается и используется множество решений по применению физико-технических приемов направленного разрушения горных пород и физико-химических способов предварительного разупрочнения (например, обработка высокоминерализованными рассолами) в сочетании с механическим рыхлением ослабленных массивов, направленных на повышение сохранности алмазов [1].
Однако, до сих пор, при существующей в Мире технологии добычи алмазов из коренных месторождений и переработки кимберлитов, включающей рудоподготовку с последовательным извлечением алмазов в различных обогатительных процессах, происходит техногенное изменение качества от 14% алмазов; при этом максимальные повреждения наблю-
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект №14-05-00007-а).
даются у крупных кристаллов, а основными причинами их повреждения являются процессы добычи и измельчения кимберлитов [1-5].
В связи с вышеизложенным, актуальной задачей при переработке кимберлитов является научное обоснование и разработка новых методов, обеспечивающих сохранность алмазов в процессах подготовки сырья к обогащению, основным из которых является процесс мокрого самоизмельчения.
Решение проблемы повышения сохранности алмазов в процессе мокрого самоизмельчения может быть достигнуто на основе создания и использования принципиально новых методов подготовки сырья перед операцией измельчения, корректировки схем рудоподготовки, изменений в конструкции мельниц, условий и режимов их эксплуатации, обеспечивающих, как повышение сохранности алмазов, так и создание оптимальных условий селективной дезинтеграции кимберлитов [6-9].
Одним из таких методов интенсификации процесса мокрого самоизмельчения кимберлитов является использование в качестве жидкой фазы водных систем, обладающих высокой энергией смачивания по отношению к минералам кимберлитов.
В данной работе для обеспечения интенсификации процесса мокрого
самоизмельчения посредством направленного регулирования физико-химических характеристик жидкой фазы, находящейся в контакте с кимберлитом, использован электрохимический метод водоподготовки, разработанный в ИПКОН РАН и доказавший свою эффективность при переработке ряда руд [10-12].
При этом, изменяя состав, концентрацию, температуру электролита и подбирая условия, определяющие величину перенапряжения (прежде всего материал электродов), тип электролизеров, можно изменять протекание электродных процессов в желательном направлении, что обеспечит целенаправленное изменение кислотно-основных, окислительно-восстановительных свойств, ионного и газового состава водных растворов электролитов, обеспечивающих изменение прочностных свойств минералов при их взаимодействии [13, 14].
Для исследования влияния продуктов электролиза минерализованной модельной водной системы, характеристика которых приведена в табл. 1, на прочностные свойства породообразующих минералов кимберлита были проведены эксперименты по определению микротвердости минералов в условиях их взаимодействия с продуктами электролиза модельной воды, идентичной по ионному со-
Таблица 1
Характеристика исследуемых водных систем и условия их электрохимической обработки
№ п/п Водная система рН ЕЬ, мВ Условия электрохимической обработки
Анодная плотность тока I, А/м2 Продолжительность обработки, сек
1 Модельная водная система 6,0 150 - -
2 Продукт бездиафрагмен-ной обработки 6,5 600 150 30
3 Анолит № 1 3,0 800 150 30
4 Католит № 1 10,0 -200 150 30
Таблица 3
Изменение микротвердости минералов в условиях их взаимодействия с различными водными системами
Таблица 2
Характеристика технологической воды ОФ № 3 Мирнинского ГОКа
Продукт рН Концентрация, мг/дм3 Е минерализация, г/дм3
нсо3- Са2+ Мд2+ С1- БО/-
Технологическая вода ОФ № 3 МГОКа 8,4 73 1240 231 7374 10 544 2224 21,7
Минерал Микротвердость, МПа (%, от исх.)
Модельная водная система Продукт бездиафрагмен-ной обработки (п. № 2 табл.1) Анолит (п. № 3 табл.1) Католит (п. № 4 табл.1)
серпентин до обработки 249 290 295 339
после обработки 220 (88,4) 248 (85,5) 238 (80,6) 266 (78,5)
кальцит до обработки 474 482 491 441
после обработки 430 (90,8) 376 (78,1) 361 (73,5) 335 (75,9)
оливин до обработки 3358 3538 3247 3326
после обработки 2860 (85,2) 3054 (86,3) 2692 (82,9) 2645 (79,5)
ставу технологической (оборотной) воде обогатительной фабрики № 3 Мирнинского ГОКа (табл. 2). Выбор продуктов ее электролиза обусловлен контрастностью их физико-химических свойств.
В качестве материалов исследования были использованы мономинералы кальцита, серпентина и оливина -основные породообразующие минералы кимберлита.
Определение микротвердости минералов в условиях их взаимодействия с продуктами электролиза модельной воды проводилось на микротвердомере ПМТ-3М по методу Виккерса. Методика проведения экспериментов состояла в следующем: в исследуемых сухих аншлифах минералов измеряли микротвердость; после этого данные образцы минералов выдерживали в течение 15 минут в модельной водной системе или в продуктах ее электрохимической обработки, после чего повторно измеряли величину микротвердости исследуемых минералов.
Из данных, представленных в табл. 3, видно, что в условиях взаимодействия исследуемых минералов с продуктами электролиза модельной водной системы происходит снижение их механических свойств: так, например, значения микротвердости серпентина снижаются с 339-290 до 238-266 МПа; кальцита с 491-441 до 335-376; оливина с 3538-3247 до 2645-3054 в зависимости от типа водной системы.
Максимальное разупрочнение серпентина происходит при взаимодействии с католитом - величина значений микротвердости минерала снижается на 21,5% с 339 МПа до 266 МПа.
Максимальное разупрочнение оливина так же происходит при взаимодействии с католитом - величина значений микротвердости минерала снижается на 20,5% с 3326 МПа до 2645 МПа.
В отличие от серпентина и оливина максимальное снижение механических свойств кальцита происходит в процессе взаимодействия с анолитом,
Таблица 4
Минеральный состав связующей массы кимберлита трубки «Юбилейная»
Минералы Оливин Пироаурит Серпентин Кальцит Прочие
Содержание, % 12,0 28,0 28,0 25,0 7,0
в котором возможно происходит химическое разрушение карбонатов, -величина значений микротвердости снижается на 26,5% с 491 МПа до 361 МПа, при этом взаимодействие с католитом также приводит к значительному разупрочнению минерала -микротвердость снижается на 24,1%.
Также необходимо отметить положительное влияние минерализованной воды на разупрочнение минералов кимберлита: микротвердость оливина снижается на 14,8%, серпентина - на 11,6%, кальцита - на 9,2%.
Установлено, что использование продукта бездиафрагменной обработки, характеризующегося высокими окислительными свойствами (БЬ = 600 мВ) по сравнению с использованием католи-та и анолита, приводит к менее значительному снижению микротвердости породных минералов: оливина - на 13,7%, серпентина - на 14,5%, кальцита - на 22,0%.
Однако в промышленных условиях наиболее целесообразно получение продуктов бездиафрагменной обработки по следующим причинам: низкий удельный расход электроэнергии (до 0,15 кВт-ч/м3) на обработку воды, высокая производительность электрохимических аппаратов, простота их обслуживания и низкая стоимость.
В связи с этим, в последующих экспериментах было изучено влияние только продуктов бездиафрагменной обработки воды на микротвердость связующей массы кимберлита (трубка «Юбилейная»), состоящей более чем на 80% из серпентина, кальцита и пи-роаурита (табл. 4), и эффективность процесса измельчения кимберлитов.
В условиях взаимодействия исследуемой связующей массы кимберлита
с бездиафрагменным продуктом электролиза модельной водной системы происходит снижение ее механических свойств: так, например, значение микротвердости в сравнении с взаимодействием с модельной водной системой без обработки снижается на 20,3% с 579,2 до 461,5 МПа (микротвердость исходной сухой связующей массы 616, МПа).
Возможность интенсификации процесса измельчения кимберлитов использованием продукта бездиафраг-менной обработки воды была изучена на кимберлите трубки «Заполярная» класса крупности -20 мм, обладающего высокими прочностными свойствами. Измельчение кимберлита проводили в лабораторной мельнице объемом 3 дм3 при продолжительности измельчения - 25 мин, определенной по кинетике измельчения руды. В качестве измельчающей среды выбрана металлическая шаровая загрузка, так как при использовании керамической шаровой загрузки не происходило эффективного разрушения руды.
По результатам гранулометрического состава измельченных проб (5 экспериментов) для каждого класса крупности были рассчитаны следующие показатели: среднее значение, дисперсия, стандартное отклонение и коэффициент изменчивости, подтвердившие стабильность процесса измельчения - максимальное стандартное отклонение выхода класса -0,071 мм составляет 1,6%, для остальных классов крупности стандартное отклонение их выхода не превышало 1,3%.
На рис. 1 представлены результаты измельчения кимберлита трубки «Заполярная», из которых видно, что использование в качестве жидкой фазы
Рис. 1. Изменение гранулометрического состава слива мельницы при использовании в процессе измельчения продукта электрохимической обработки оборотной воды ОФ № 3
бездиафрагменного продукта электролиза технологической воды ОФ № 3 МГОКа приводит к снижению количества класса -20 +10 мм в сливах мельницы с 14,9 до 8,1%, т.е. на 6,8%.
Полученные данные так же подтверждаются значениями параметров к и А уравнения Андреева [15], величина к снижается с 0,128 до 0,108 при увеличении А с 58, 44 до 65,13. При этом коэффициент А характеризует выход класса мельче единицы измерения диаметра, параметр к опреде-
ляет соотношение между количеством отдельных классов крупности в продукте: чем ниже значение параметра к, тем меньше преобладание крупных классов в продукте.
Результаты минералогического анализа измельченных продуктов показали, что в классе крупности -5 +2 мм пробы кимберлита, измельченного с использованием электрохимически обработанной воды, возрастает (по массе) количество кальцита с пироаури-том - в 2,4 раза; серпентина с пироа-
Рис. 2. Выделение пузырьков электролизных газов на поверхности кимберлита (а) и алмаза (б)
уритом - в 1,95 раза, при неизменной массе серпентина с включениями оливина. В классе крупности -2 +1,2 мм пробы кимберлита, измельченного с использованием электрохимически обработанной воды, резко возрастает (по массе) количество кальцита с пи-роауритом - в 3,6 раза; серпентина с пироауритом - в 2,7 раза; количество серпентина с включениями оливина возрастает незначительно - в 1,4 раза. Т.е. наибольшее воздействие электрохимически обработанная вода оказывает на кальцит и пироаурит, количество которых в продуктивном классе (-5 +1,2 мм) возрастает в 2,4-3,6 раза; на серпентин с включениями оливина бездиафрагменный продукт электролиза технологической воды влияет незначительно, что подтверждает данные об изменении микротвердости минералов в условиях взаимодействия с бездиафрагменным продуктом электролиза модельной водной системы.
Кроме того, установлено, что электролизные газы, присутствующие в значительных объемах в электрохимически обработанных водах, сорбируются, в основном, на поверхности алмазов. Предполагается, что электролизные газы, интенсивно сорбиру-ясь на гидрофобной поверхности алмазов, образуя защитную «рубашку», повысят их сохранность в процессе измельчения кимберлитов (рис. 2).
Таким образом, установлена возможность разупрочнения породных минералов кимберлита продуктами электролиза минерализованных водных систем, обеспечивающими снижение микротвердости, в сравнении с исходными образцами: оливина на 20,5%, серпентина - на 21,5%, кальцита - на 24,1% и связующей массы кимберлита - на 20,4% за счет изменения физико-химических свойств водных систем, используемых в процессе измельчения (рН, БЬ и минерализация).
Экспериментально подтверждено, что при использовании в качестве жидкой фазы продукта электролиза технологической воды ОФ № 3 МГОКа в процессе измельчения кимберлита трубки «Заполярная» в сливах мельницы наблюдается увеличение выхода мелкого класса (-10мм) на 6,8%.
На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что использование в процессе мокрого самоизмельчения кимберлитов электрохимически обработанных вод позволит повысить сохранность алмазных кристаллов за счет разупрочнения породообразующих минералов кимберлита и более быстрого высвобождения алмазов в процессе измельчения, обусловленного сокращением времени пребывания кимберлитов в мельнице.
1. Власов В.М., Андросов А.Д., Бескро-ванов В. В. Уровень современных кристал-лосберегающих технологий добычи алмаза на Севере // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2001. - № 8. -С. 5-6.
2. Коноваленко В.А. Результаты натурных экспериментальных исследований техногенной повреждаемости кристаллов алмаза в процессах взрывной отбойки и механического дробления и измельчения // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2005. - № 1. - С. 63-71.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Шишкин А.А. Разработка эффективной технологии дезинтеграции кимберлитов с целью обеспечения сохранности алмазов. Автореферат диссертации канд. техн. наук. -Иркутск: ОАО «Иргиредмет», 2013. - 19 с.
4. Соловьев С. В. Разработка методов расчета и оптимизации технологических параметров мельниц мокрого самоизмельчения алмазосодержащих руд. Автореферат диссертации канд. техн. наук. - М.: МПТИ (ф) ЯГУ. 2006. - 18 с.
5. Каплин А.И. Интенсификация процесса мокрого самоизмельчения кимберлитов на
основе использования электрохимического кондиционирования водных систем. Автореферат диссертации канд. техн. наук. - М.: УРАН ИПКОН РАН. - 2010. - 20 с.
6. Соловьев С. В. Разработка методов расчета и оптимизации параметров мельниц мокрого самоизмельчения, эксплуатируемых в условиях горных предприятий алмазодобывающей промышленности. Автореферат диссертации канд. техн. наук. - М.: МГГУ, 2006.
7. Чантурия В.А., Бунин И.Ж., Лунин В.Д. Нетрадиционные методы дезинтеграции и вскрытия упорных золотосодержащих продуктов: теория и технологические результаты // Горный журнал - 2005. -№ 4. - С. 68-74.
8. Савицкий Л. В. Разработка многокритериального метода выбора рациональных схем рудоподготовки и обогащения алмазосодержащих кимберлитов. Автореферат диссертации. канд. техн. наук. - М.: МГГУ, 2010.
9. Гончаров С.А., Ананьев П.П., Бру-ев В.П. Разупрочнение железистых кварцитов методом импульсной электромагнитной
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
обработки // Горный журнал. - 2004. -№ 1. - С. 73-75.
10. Чантурия В.А., Лунин В.Д. Электрохимические методы интенсификации процессов флотации. - М.: Наука. - 1983. - 144 с.
11. Чантурия В.А., Вигдергауз В.Е. Электрохимия сульфидов. Теория и практика флотации - М.: Издательский дом «Руда и Металлы», 2008. - 272 с.
12. Чантурия Е.Л. Изучение влияния ка-толита на процессы окисления мелющих тел и раскрытия минералов при мокром измельчении редкометальных, оловянных и вольфрамовых руд // Обогащение руд. - 2004. -№ 4. - С. 23-27.
13. Якименко Л.М., Модылевская И.Д., Ткачек З.А. Электролиз воды - М.: Издательство «Химия», 1970. - 264 с.
14. Якименко Л.М. Электродные материалы в прикладной электрохимии. - М.: Издательство «Химия», 1970. - 264 с.
15. Андреев Е.Е., Тихонов О.Н. Дробление, измельчение и подготовка сырья к обогащению. Учебник. - СПб.: СПГГУ (ТУ), 2007. - 439 с. ЕШ
Самусев Андрей Леонидович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail: Andrey63vzm@mail.ru,
Миненко Владимир Геннадиевич - кандидат технических наук, доцент,
ведущий научный сотрудник, e-mail: Vladi200@mail.ru,
Институт проблем комплексного освоения недр РАН;
Каплин Алексей Иванович - кандидат технических наук, специалист,
e-mail: aikapl@yandex.ru, ЗАО «Тувинская энергетическая промышленная корпорация».
UDC 622.73, 622.793.2
THE INFLUENCE OF ELECTROCHEMICAL TREATMENT ON THE WEAKENING OF KIMBERLITES'ROCK FORMING MINERALS
Samusev A.L.1, Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, e-mail: Andrey63vzm@mail.ru, Minenko V.O.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Leading Researcher, e-mail: Vladi200@mail.ru,
Kapün A.I., Candidate of Technical Sciences, Specialist, e-mail: aikapl@yandex.ru, Tuva Energy Industrial Corporation TEIC, Russia,
1 Institute of Problems of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia.
The possibility of the kimberlites weakening by the water electrolysis products were determined. It was achieved though the overall decreasing of the kimberlite binder mass and main rock forming (olivine, serpentine, calcite) minerals'microhardness by 20,3 and 20,5-24,1% respectively due to the purposeful changing of water systems'physicochemical properties. It was found that the usage of the mineralized water electrolysis products for the kimberlites grinding provide the rising of the fine classes yield in the mill out put by 6,8%. That confirm the reasonability of the electrochemical treatment usage in the milling process to enhance the diamonds recovery due to more rapid opening of the crystals that provided by the decreasing of the kimber-lites mill duration time.
Key words: electrochemical treatment, water electrolysis products, mineralized water, kimberlite, olivine, serpentine, calcite, weakening, milling, microhardness.
ACKNOWLEDGEMENTS
The work has been supported by the Russian Foundation for Basic Research, Project No. 14-05-00007-a.
REFERENCES
1. Vlasov V.M., Androsov A.D., Beskrovanov V.V. Gornyi informatsionno-anaHticheskii byulleten'. 2001, no 8, pp. 5-6.
2. Konovalenko V.A. Fiziko-tekhnicheskie problemy razrabotki poleznykh iskopaemykh. 2005, no 1, pp. 63-71.
3. Shishkin A.A. Razrabotka effektivnoi tekhnologii dezintegratsii kimberlitov s tsel'yu obespecheniya sokhrannosti almazov (Development of kimberlite disintegration technology with preservation of diamond integrity), Candidate's thesis, Irkutsk,OAO «Irgiredmet», 2013, 19 p.
4. Solov'ev S.V. Razrabotka metodov rascheta i optimizatsii tekhnologicheskikh parametrov mel'nits mok-rogo samoizmel'cheniya almazosoderzhashchikh rud (Development of methods for design and optimization of performance of wet autogenous mills for diamond ore), Candidate's thesis, Moscow, MPTI (f) YaGU, 2006, 18 p.
5. Kaplin A.I. Intensifikatsiya protsessa mokrogo samoizmel'cheniya kimberlitov na osnove ispol'zovaniya elektrokhimicheskogo konditsionirovaniya vodnykh sistem (Intensification of wet autogenous milling of kim-berlites using electrochemical water system conditioning), Candidate's thesis, Moscow, URAN IPKON RAN, 2010, 20 p.
6. Solov'ev S.V. Razrabotka metodov rascheta i optimizatsii parametrov mel'nits mokrogo samoizmel'cheniya, ekspluatiruemykh v usloviyakh gornykh predpriyatii almazodobyvayushchei promyshlennosti (Development of methods for design and optimization of performance of wet autogenous mills at diamond mines), Candidate's thesis, Moscow, MGGU, 2006.
7. Chanturiya V.A., Bunin I.Zh., Lunin V.D. Gornyi zhurnal, 2005, no 4, pp. 68-74.
8. Savitskii L.V. Razrabotka mnogokriterial'nogo metoda vybora ratsional'nykh skhem rudopodgotovki i obogashcheniya almazosoderzhashchikh kimberlitov (Development of multi-attribute method of selecting rational pretreatment and beneficiation flow charts for kimberlites), Candidate's thesis, Moscow, MGGU, 2010.
9. Goncharov S.A., Anan'ev P.P., Bruev V.P. Gornyi zhurnal. 2004, no 1, pp. 73-75.
10. Chanturiya V.A., Lunin V.D. Elektrokhimicheskie metody intensifikatsii protsessov flotatsii (Electrochemical methods of flotation intensification), Moscow, Nauka, 1983, 144 p.
11. Chanturiya V.A., Vigdergauz V.E. Elektrokhimiya sul'fidov. Teoriya i praktika flotatsii (Electrochemistry of sulfides. Theory and practice of flotation), Moscow, Izdatel'skii dom «Ruda i Metally», 2008, 272 p.
12. Chanturiya E.L. Obogashchenie rud. 2004, no 4, pp. 23-27.
13. Yakimenko L.M., Modylevskaya I.D., Tkachek Z.A. Elektroliz vody (Electrolysis of water), Moscow, Khimiya, 1970, 264 p.
14. Yakimenko L.M. Elektrodnye materialy v prikladnoi elektrokhimii (Electrode materials in the applied electrochemistry), Moscow, Khimiya, 1970, 264 p.
15. Andreev E.E., Tikhonov O.N. Droblenie, izmelchenie i podgotovka syr'ya k obogashcheniyu. Ucheb-nik (Grinding, milling and preparation of raw materials for beneficiation. Textbook), Saint-Petersburg, SPGGU (TU), 2007, 439 p.
s
Опытный инженер не будет верить в то, что не может понять. Слепая вера инженера способна привести к катастрофе.
