CC BY
69
УДК 622.7
РАДИАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКИЙ МЕТОД ИЗМЕНЕНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ МИНЕРАЛОВ В ОБОГАЩЕНИИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ
Виктор Иванович Ростовцев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории обогащения полезных ископаемых и технологической экологии, тел. (383)217-02-80, e-mail: [email protected]
Приведены результаты экспериментальных исследований по радиационно-термической обработки минералов. Установлено, что указанный метод позволяет изменять магнитные свойства железосодержащих сульфидных минералов. Показано, что удельный магнитный момент минералов после их обработки пучком ускоренных электронов возрастает в десятки и сотни раз за счет образования магнитных фаз в виде Fe2O3, y-Fe2O3 и Fe3O4 в разных сочетаниях, тогда как при обычном нагревании фиксируется образование только одной фазы Fe3O4. Селективно-направленное изменение магнитных свойств железосодержащих минералов при их радиационно-термической обработке открывает перспективы для создания эффективных, экологически чистых технологий переработки комплексных руд сложного состава и продуктов их обогащения.
Ключевые слова: минеральное сырье, сульфидные минералы, радиационно-термическая обработка, магнитные свойства.
RADIATION-HIGH TEMPERATURE METHOD OF MODIFYING MAGNETIC PROPERTIES OF MINERALS IN PROCESSING
Victor I. Rostovtsev
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Eng, Principal Researcher, Mineral Processing and Process Ecology Laboratory, tel. (383)217 -02-80, e-mail: [email protected]
The paper describes experimental research into radiation-high temperature treatment of minerals. It has been found that this method enables modification of magnetic properties of iron-bearing sulfide minerals. The author shows that specific magnetic moment of minerals grows tens and hundreds of times after exposure to beam of accelerated electrons due to generation of magnetic phases in the form of Fe2O3, y-Fe2O3 and Fe3O4 in various combination, whereas regular heating only generates the phase of Fe3O4. The selective, targeted modification of magnetic properties of iron-bearing minerals under radiation-high temperature treatment opens new prospects for creating efficient and ecology-friendly processing technologies for complex ores and concentrates.
Key words: raw materials, sulfide minerals, radiation-high temperature treatment, magnetic properties.
Предметом теоретических и экспериментальных исследований в области обогащения полезных ископаемых является ориентация на интенсификацию действующих и создание новых методов и средств извлечения ценных компонентов из минерального и техногенного сырья. Особую актуальность приобрели экономико-экологические проблемы горнодобывающих и перерабатываю-
щих производств, обусловленные явными проявлениями негативной тенденции ухудшения качества добываемого сырья и состоянием техники, технологии и организации первичной его переработки.
Наибольшие потери ценных компонентов от добычи руды до получения металла связаны с процессами обогащения полезных ископаемых и составляют от 10 до 30% [1]. В этих условиях создание высокоэффективных, экологически безопасных технологий приобретает особенно важное значение. Следует отметить, что выдающийся российский ученый, член-корреспондент АН СССР И.Н. Плаксин считал, что одним из важнейших направлений при переработке руд является поиск таких энергетических воздействий, которые существенно повысят полноту и комплексность использования минерального сырья при его обогащении. Он обосновал эффективность применения внешних воздействий в процессах обогащения полезных ископаемых [2].
В [3-4] приведены результаты экспериментальных исследований по интенсификации процессов рудоподготовки и обогащения минерального сырья путем использования энергетических воздействий. Показаны роль и особенности электрохимических и радиационных воздействий. Установлено, что обработка ускоренными электронами разупрочняет минеральное сырье, изменяет его флотационные свойства, а при наличии железосодержащих сульфидов - усиливает магнитные свойства.
В настоящей работе рассмотрен радиационно-термический метод изменения магнитных свойств минералов при обогащении минерального сырья.
Магнитное обогащение - широко используемый способ для извлечения магнитных или слабомагнитных минералов из железосодержащих и других руд, основанный на различиях в магнитных свойствах составляющих компонентов. Этот технологический процесс характеризуется высокой эффективностью и его применение мало отражается на загрязнении окружающей среды.
Однако различия в магнитных свойствах большинства природных минералов недостаточно велики для их эффективного разделения, что в отдельных случаях снижает технологические показатели обогащения, особенно слабомагнитных железных руд. С целью повышения эффективности обогащения необходимо увеличение этих различий физическими, физико-химическими, и даже химическими способами. В промышленных и лабораторных условиях часто используются процессы изменения объемных и поверхностных магнитных свойств.
Одним из таких объемных процессов является обжиг, который основан на превращении слабомагнитных железосодержащих минералов в магнитные компоненты (магнетит или у-гематит) в определенных условиях (окислительная, нейтральная или восстановительная среда) при постоянной температуре. Этот процесс в промышленности является основным для изменения объемных магнитных свойств железосодержащих руд. При этом главные проблемы -большое энергопотребление, длительность процесса, высокая стоимость процесса обжига и загрязнение воздуха.
Обработка пучком электронов, как быстрый и эффективный метод нагревания для фазовых превращений, подробно изучался и широко используется в процессах тепловой обработки металлов. Установлено, что и магнитные свойства руд слабомагнитных минералов могут быть изменены с помощью обработки потоком высокоэнергетических электронов, что имеет большое значение для интенсификации обогащения слабомагнитных руд и разделения минералов со сходными свойствами [5-7].
В лабораторных экспериментах изучались некоторые железосодержащие сульфидные минералы - пирит, арсенопирит, халькопирит, марматит и др. Обработка минеральных порошков различной крупности производилась на промышленном ускорителе электронов ИЛУ-6 в Институте ядерной физики СО РАН. Температура облучаемого образца измерялась термопарой и регулировалась контрольной системой ее поддержки. Оценка магнитных свойств минералов по изменению удельного магнитного момента осуществлялась с помощью вибрационного магнитометра типа LDJ9600 (LDJ Electronic Inc., США). Фазовые превращения минералов после радиационно-термической обработки потоком высокоэнергетических электронов определялись с помощью рентгено-структурного анализа.
Установлено, что при достижении максимальной температуры 400°C под действием обработки пучком ускоренных электронов удельный магнитный момент минералов увеличивается: в 57 раз для пирита с размерами частиц 75-180 мкм, в 43 раза для пирита крупностью 53-75 мкм, в 291 раз для арсено-пирита крупностью 53-75 мкм, в 921 раз для арсенопирита с величиной зерен менее 53 мкм, в 9.7 раза для халькопирита с размерами частиц 75-180 мкм. При этом величина удельного магнитного момента минералов зависит как от температуры, так и от крупности обрабатываемых частиц сульфидов.
Так для необработанного пирита с размерами частиц 75-180 мкм удельный
о л
магнитный момент составлял 0.1846 10-8 А •м /г, а для обработанного до 400°C -
Я 9 Я Я
10.52•lO- А-м /г, т.е. магнитный момент увеличился в 10.52•lO- /0.1846-10- « « 57 раз; для пирита размерами частиц крупностью 53-75 мкм удельный маг-
Я о л
нитный момент изменился от 0.418-10- до 18.134-10- А-м /г, т.е. в 43 раза.
Результаты рентгеноструктурного анализа показали появление в обработанных пучком ускоренных сульфидных минералах магнитных фаз в виде Fe2O3, y-Fe2Ü3 и Fe3O4 в разных сочетаниях, тогда как при обычном нагревании фиксируется образование только одной фазы Fe3O4 (рисунок). Изменения магнитных свойств облученных минералов зависят как от содержания указанных магнитных фаз, так и от крупности образцов.
Эти данные согласуются и с результатами физико-химического моделирования процессов, происходящих в системе железо-сера-кислород. В табл. приведены результаты расчетов возможных реакций для этой системы, а на рис. показана диаграмма возможных соединений в ней. Анализ приведенных в таблице данных показывает, что скорость реакций (1), (3) и (4) с увеличением температуры возрастает. При радиационно-термической обработке пирита фазовый переход происходит значительно быстрее даже при более низких темпе-
ратурах, вероятно, вследствие дополнительного сопутствующего электронам действия образующегося озона (О3), для которого характерны более сильные окислительные свойства, чем для кислорода.
Рис. Рентгенограммы пирита (слева): исходного (а), обработанного в печи при температуре 300 °С (б) и обработанного ускоренными электронами в радиаци-онно-термическом режиме при той же температуре (в) и результаты физико-химического моделирования системы Fe-S-O при температуре 500 °С и 1 атм.
общего давления (справа)
Таблица
Результаты физико-химического моделирования системы Бе^-О при различных температурах и 1 атм. общего давления
ВОЗМОЖНЫЕ РЕАКЦИИ ТЕМПЕРАТУРА, ° С
25 300 500
А2р, Ккал № А2р, Ккал № А2р, Ккал №
3 Бе + 202 = Без04 (1) - 242.7 177.9 - 256.3 187.9 - 270.5 198.3
2Без04 + 1/202 = 3Бе20з (2) - 46.9 34.4 - 45.2 33.1 - 44.1 32.3
Бе + S2 = FeS2 (3) - 38.9 28.5 - 41.6 30.5 - 44.6 32.7
Без04 +3S2 = 3FeS2 +202 (4) 126.0 - 92.4 124.5 - 91.3 122.9 - 90.1
Fe20з+2S2 = 2FeS2 +3/202 (5) 99.6 - 73.1 98.1 - 71.9 96.7 - 70.9
Исследования поведения в аналогичных условиях галенита и сфалерита -основных компонентов полиметаллических и других упорных руд - показали отсутствие существенных изменений в их структуре.
Используя разницу в поведении различных сульфидных минералов в сложных по вещественному составу упорных рудах после их радиационно-термической обработки пучком ускоренных электронов можно управлять технологическим процессом их обогащения, добиваясь при этом высоких показателей разделения.
Одним из ярких примеров использования радиационно-термической обработки является возможность разделения оловянных продуктов, содержащих ар-сенопирит. Установлено, что обработка пучком ускоренных электронов сульфидно-мышьяковистых оловянных концентратов позволяет интенсифицировать процесс их последующей магнитной сепарации. При этом в магнитную фракцию извлекается более 70% железа и около 90% мышьяка.
Таким образом, использование радиационно-термической обработки позволяет направленного изменять магнитные свойства железосодержащих минералов, что создает предпосылки для создания эффективных, экологически чистых технологий переработки комплексных руд сложного состава и продуктов их обогащения с применением энергетических воздействий.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Чантурия В.А. Прогрессивные технологии комплексной и глубокой переработки природного и техногенного минерального сырья. / Материалы Международного совещания «Прогрессивные методы обогащения и комплексной переработки природного и техногенного минерального сырья (Плаксинские чтения - 2014)». - Алматы, 16-19 сентября. 2014 г. -С. 5 - 6.
2. Плаксин И.Н., Шафеев Р.Ш., Чантурия В.А., Якушкин В.П. О влиянии ионизирующих излучений на флотационные свойства некоторых минералов. / Обогащение полезных ископаемых. Избранные труды. - М.: Наука, 1970. - С. 292 - 300.
3. Ростовцев В.И. Об эффекте интенсифицирующих энергетических воздействий на процессы переработки труднообогатимого минерального сырья. // Сборник материалов Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология», Т.4. - Новосибирск: СГГА, 2014. - С. 163-168.
4. Бочкарев Г.Р., Ростовцев В.И. О роли энергетических воздействий при переработке минерального сырья. / Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. - 2014. - № 1. -Т. 2, С. 199-206.
5. Bochkarev G.R., et. al. Prospects of electron accelerators used for realizing effective low-cost technologies of mineral processing. // Proceedinds of the XX International Mineral Processing Congress: 21-26 September 1997, Aachen, Germany / Clausthal-Zellerfeld, GDMB. - 1997. -Vol.1, pp.231-243.
6. Ванг Х., Бочкарев Г.Р., Ростовцев В.И., Вейгельт Ю.П., Лу С.С. Повышение магнитных свойств железосодержащих минералов при радиационно-термической обработке // ФТПРПИ. - 2004. - № 4.
7. Ростовцев В.И. Научное обоснование и разработка интенсифицирующих методов энергетических воздействий на твердую и жидкую фазы труднообогатимого минерального сырья. / Авторефер. дис. ... д-ра техн. наук. - Чита. - 2012. - 40 с.
© В. И. Ростовцев, 2015
