CC BY
65
© А.В. Подгаецкий, И.Ж. Бунин, С.А. Эпштейн, 2009
УДК 622.7+537.52
А.В. Подгаецкий, И.Ж. Бунин, С.А. Эпштейн
ВЛИЯНИЕ КОМБИНИРОВАННОЙ (КРИОГЕННОЙ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ)
ОБРАБОТКИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАМЕННЫХ УГЛЕЙ
Семинар № 3
~П ИПКОН РАН в течение последил-# них лет проводятся систематические исследования по селективной дезинтеграции тонкодисперсных минеральных комплексов благородных металлов за счет использования немеханических видов энергетического воздействия [1], в том числе электоимпульсных технологий [2]. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований дано научное обоснование и показаны перспективы и преимущества применения мощных нано-секундных электромагнитных импульсов (МЭМИ) с амплитудой напряженности электрической компоненты поля ~107 В/м, позволяющих при обогащении упорных благороднометальных руд и продуктов обогащения получить стабильный прирост извлечения ценных компонентов при уменьшении энергозатрат. Так, например, предварительная обработка МЭМИ упорных золотосодержащих руд и продуктов их обогащения позволила получить прирост извлечения золота при цианировании на 412 %, из концентратов (гравитационных и флотационных) - на 5-45 %, из хвостов обогатительных фабрик - на 3080 % [1-6].
В ходе исследований были рассмотрены возможности использования нано-секундных импульсных воздействий для получения широкого спектра геомате-
риалов повышенного качества: железосодержащих сульфидов [7], микроклина [1], цеолитсодержащих [8] и шунгито-вых пород [1, 9].
Для тонкодисперсных минеральных комплексов, в которых металлическая частица благородных металлов размером менее 10 мкм заключена во вмещающей матрице минерала-диэлектри-ка (кварц) или минерала-полупровод-ника (пирит, арсенопирит), основными механизмами процесса селективной дезинтеграции при нетепловом воздействии наносекундных высоковольтных электрических полей являются [10-13]: I - разупрочнение минералов вследствие электрических пробоев матрицы, вмещающей тонкодисперсные металлические частицы; II -
дезинтеграция минеральных агрегатов при локальном импульсном нагреве вследствие возникновения термомеханических напряжений на границе сростков компонентов с различными электро- и теплофизическими свойствами; III - поглощение электромагнитной энергии нано-размерными частицами благородных металлов, заключенными в диэлектрическую и полупроводящую среду, вследствие скин-эффекта; IV - поглощение энергии наносекундных МЭМИ в процессе электрических разрядов между частицами ми-нералов-полупро-водников вследствие автоэмиссии электронов с их поверхности.
16G
в)
а
Рис. 3
Рис. 2. Изменение состояния поверхности угля (а) в результате криогенной (б) и комбинированной (КР - А1ЭА1И) (в) обработки; поверхность угля в исходном состоянии (а
в
Рис. 3. Поверхность частицы угля до (а) и после (б) МЭМИ обработки; отраженные электроны (а), (б) и рентгеновские спектры от нее (в), (г) - спектры соответствуют (б)
г
В случае пород с высоким процентом органической составляющей возможно снижение эффективности воздействия МЭМИ из-за экранирующего влияния ископаемой органики, электрофизические свойства которой (для угля - электропроводность и диэлектрическая проницаемость [14]) зависят от состава минеральных включений, влажности, пористости и других факторов. Известно, что для облегчения развития каналов электрического пробоя в органическом веществе ТГИ возможно проведение предварительной обработки материала (например, механоактивации - МА [15]), приводящей к образованию дефектности структуры, дополнительных адсорбционных центров и повышающей реакционную способность вещества. Так, по данным анализа спектров термостимулированной экзоэлектронной эмиссии угля типа ФАС-2 [16] в результате МА-обработки происходило возрастание концентрации изначально существующих дефектов и появление дефектов другого типа.
Ранее [9] нами была проведена обработка серией МЭМИ образцов шунгито-вой породы одного из месторождений Карелии в условиях непрерывной подачи материала в зону облучения при амплитуде импульсов 40 кВ и частоте их следования 500 Гц. Материал породы состоял из двух основных компонентов: аморфного шунгитового углерода и кристаллической минеральной части, представленной кварцем. На поверхности частиц породы обнаружены многочисленные разновеликие (15x2 мкм и 8x0,5 мкм) углеродистые образования правильной вытянутой формы (рис. 1, а), полевой шпат и глинистые минералы, из рудных минералов - незначительно пирит.
Полученные результаты МЭМИ обработки ШП имели противоречивый
характер. С одной стороны, по данным электронной микроскопии, электроим-пульсное воздействие вызывало дезинтеграцию минеральных комплексов типа «микровключения пирита в кварце» и сульфидных минералов. На поверхности частиц после импульсной обработки обнаружены характерные области, заполненные мелкодисперсными фрагментами разрушенных сульфидов (рис. 1, б). Скорость окисления углерода по данным дериватографического анализа после обработки повышалась, что могло быть связано либо с увеличением дефектности структуры органического вещества ШП, либо его дисперсности. Также отмечалось увеличение адсорбционной активности по йоду с 11,4 до 12,2 мг/г и истинной (пикнометриче-ской) плотности с 2204 до 2380 г/дм3.
С другой стороны, эксперименты по низкотемпературной сорбции азота (метод БЭТ) не выявили существенных изменений удельной поверхности образцов после воздействия МЭМИ, однако по данным АСИЦ ВИМС, после импульсной обработки величина удельной поверхности уменьшилась с 6,13 до 4,8 м2/г. Ситовая характеристика материала изменялась незначительно: всего на
0,7 % увеличился суммарный выход классов -2,5 +2,0 мм и -1,6 +1,0 мм. Анализ рентгеновских спектров исходных и обработанных МЭМИ проб не выявил существенных изменений в фазовом составе и структуре кристаллической части шунгитовых пород.
Учитывая высокую перспективность разработки ряда месторождений золота содержащих органическое вещество, появилась необходимость более подробного изучения особенностей нетеплового воздействия наносекундных электромагнитных импульсов на структуру и свойства углеродсодержащих минеральных сред, в том числе камен-
ных углей и других твердых горючих ископаемых (ТГИ).
Образцы и методики исследований.
В данной работе были проведены эксперименты по использованию криогенного воздействия жидким азотом в качестве предварительной активирующей обработки каменного угля. Для опытов был отобран уголь шахты Кировская ПО «Донецкуголь» (пласт Ь8 «Прасковиевский», горизонт 810 м). Проба была разделена по крупности на две фракции: крупная + 1,0 мм и мелкая -0,1 +0,04 мм. Замораживание проводилось погружением навески в жидкий азот (-196 °С) при атмосферном давлении на 5-10 мин с последующим оттаиванием до комнатной температуры. Электроимпульсная обработка проводилась на установке УЭИРМ - 1 (ИПКОН РАН); навески угля помещались в межэ-лектродную область генератора наносе-кундных электромагнитных импульсов с напряженностью электрической компоненты поля Е ~ 5 МВ/м; частота следования импульсов 100 Гц, максимальное время обработки не превышало 2 мин. Применялись различные комбинации криогенной (КР) и электроимпульсной (МЭМИ) обработок.
Влияние обработки на фазовый состав и технологические свойства углей контролировалось методами рентгеновской дифрактометрии (аппарат ДРОН-3,0; СиКа излучение) и технического анализа углей. Микроструктуру поверхности частиц угля изучали методами оптической и растровой электронной микроскопии с применением рентгеновского микроанализа (микроскоп ЬБО-1420УР, оснащенный энергодисперсионным мик-роанализатором ШСА-0xford-350). Микротвердость образцов измеряли на микротвердомере ПМТ-3М при нагрузке 20 г по стандартной методике, а микрохрупкость угля оределяли
по количеству отпечатков с трещинами. (ГОСТ 21206-75. Угли каменные и антрацит. Метод определения микротвердости и микрохрупкости).
Результаты экспериментов и их обсуждение.
В результате комбинированной обработки отмечено общее увеличение выхода мелких фракций на 17-23%. В табл. 1 приведены результаты, характеризующие влияние различных обработок и их комбинаций на процесс трещи-нообразования в угле. Параметр М характеризует число участков, затронутых трещинами. Из таблицы видно, что криогенная обработка существенно увеличивает трещиноватость угля по сравнению с углями исходными и после электроимпульсного воздействия. Однако максимальная трещиноватость частиц угля наблюдалась после комбинированной криогенной и наносекундной импульсной обработки и составила 43%. В этом случае практически все зерна угля были затронуты тонкими трещинами, распространяющимися по всей поверхности зерен (рис. 2, в).
На рис. 2 представлены микрофотографии аншлифов, а на рис. 3 - поверхности частиц исходных и обработанных углей, на которых виден процесс развития трещин в органическом веществе углей в зависимости от типа проведенной обработки. В результате электроим-пульсного воздействия наблюдались характерные элементы дезинтеграции минерала в местах неоднородностей (рис. 3, б) и соответствующие им локальные области изменения химического состава поверхности (рис. 3, в, г).
В результате комбинированного воздействия наблюдалось увеличение микротвердости (локальной прочности) угля при одновременном уменьшении микрохрупкости (увеличении пластичности), что характерно для комбинирован-
Таблица 1 Таблица 3
Влияние обработки на трещиноватость углей Влияние КР обработки на зольность
Вид обработки М, % Х^Й^РиСТИ^Мигротрещин
Уголь исходный 17 микМаркщины на ( »тделЪм.вбверяяхи Зольность, %
МЭМИ 20 - 25 так же исходный 7,7
КР 30 - 43 так же КР в ШаОН 3,2
МЭМИ - КР 40 большая часть зер нами; тип трещит тонкие микротрещ! ен затрййугймккротр еттіи- 2,2
: измеКЗРевсрдетоявля отся 3,1
иы КР на воздухе 3,9
КР - МЭМИ 43 практически все зе по всей поверхнос кйе1 Трещины >на затронудньщЬещиш ми; 3,8
ти зерКР прЙоОНдают тон- 3,0
КР в НС1 3,5
КР - МЭМИ - КР 32 как в исходном угл трещины на отдель е, КР в воде 2,9
ных КРШйв оздухе 3,8
Таблица 2
Микротвердость и микрохрупкость углей после обработки
Вид обработки Микротвердость, МПа Микрохрупкость, %
Уголь исходный 296,7 70 - 80
МЭМИ - КР 357,2
КР - МЭМИ - КР 357,2 30 - 40
КР - МЭМИ 383,1
ной обработки по схемам КР - МЭМИ и КР - МЭМИ - КР (табл. 2).
Отмечено, что после проведения цикла замораживания - размораживания изменяется вид рентгендифракционного спектра угольного вещества: происходит смещение и уменьшение интенсивности первого дифракционного максимума, увеличивается интенсивность фона рассеяния (рис. 4).
Криогенная обработка приводит к трансформации структуры органической массы углей вследствие возникновения механических сил, вызванных, по-видимому, ростом кристаллов льда из содержащейся в них физической и связанной влаги. Отмеченные изменения рентгендифракционных спектров исходного и обработанного угля объясняются тем, что напряжения, возникшие в результате прохождения ледяного фронта, деформируют углеродные слои, поворачивая их на определенный угол, что приводит к увеличению когерентного
рассеяния между слоями в пакете. При этом уменьшается размер слоя ароматического углерода и увеличивается расстояние между слоями [15]. Этим, в определенной степени, можно объяснить увеличение пластичности углей после обработки. Глубина распространения и скорость протекания указанных процессов обуславливает интенсивность и характер трещинообразования.
Воздействие криогенной обработки не ограничивается только органической частью ТГИ. В табл. 3 приводятся экспериментальные данные [17], свидетельствующие о снижении зольности некоторых марок углей Кузнецкого бассейна после их обработки в азоте. Из приведенных результатов видно, что максимальное снижение зольности достигало 50 % для угля Г6. Однако изучение этого явления не являлось задачей данной работы и требует более подробных исследований.
Таким образом, установлено, что криогенная обработка углей вызывает существенные изменения их физикохимических и механических свойств, приводящих к развитию трещиноватости. Образующиеся микротрещины облегчают прохождение каналов электри-
1. Чантурия В.А., Трубецкой К.Н., Викторов С.Д., Бунин И.Ж. Наночастицы в процессах разрушения и вскрытия геоматериалов. -М.: ИПКОН РАН, 2006. - 216 с.
2. Чантурия В.А., Бунин И.Ж. Нетрадиционные высокоэнергетические методы дезинтеграции и вскрытия тонкодисперсных минеральных комплексов // ФТПРПИ, 2007, № 3, C.107-128.
3. Чантурия В.А., Гуляев Ю.В. и др. Вскрытие упорных золотосодержащих руд при воздействии мощных электромагнитных импульсов // Доклады Академии наук, 1999, Том, 366, № 5, С.680-683.
4. Чантурия В.А., Бунин И.Ж., Лунин В.Д. и др. Использование мощных электромагнитных импульсов в процессах дезинтеграции и вскрытия упорного золотосодержащего сырья // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 2001, № 4, С.95-106.
5. Чантурия В.А., Бунин И.Ж., Лунин В.Д. Нетрадиционные методы дезинтеграции и вскрытия упорных золотосодержащих продуктов: теория и технологические результаты // Горный журнал, № 4, 2005, С.68-74.
6. Chanturiya V.A., Gulyaev Yu.V., Bunin I.J.,
Lunin V.D., Sedelnikova G.V. Non-traditional Hig-ly Effective Breaking-up Technology for Résistant Gold-Containing Ores and Benefication Products // Proceedings: XXII International Mineral
Processing Congress, Chief Editors: L.Lorenzen and D.J.Bradshaw, Cape Town, South Africa, 29 September - 3 October 2003. Cape Town: Document Trasformation Technologies, 2003, Vol.1, PP.232-241.
7. Чантурия В.А., Бунин И.Ж., Иванова Т.А. Влияние мощных электромагнитных импульсов на процесс растворения и физикохимические свойства поверхности сульфидных минералов // Материаловедение, 2005, № 11, C. 21-26.
8. Чантурия В.А., Бунин И.Ж., Иванова Т.А., Хатькова А.Н. Влияние мощных электро-
ческого пробоя в органическом веществе ТГИ, что повышает эффективность процесса селективной дезинтеграции минеральных комплексов при наносе-кундном электромагнитном импульсном воздействии.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
магнитных импульсных воздействий на технологические свойства цеолитсодержащих пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. МГГУ, 2004, № 10, C.311-314.
9. Чантурия В.А., Бунин И.Ж., Зубенко А.В., Подгаецкий А.В. Влияние мощных электромагнитных импульсов на структуру и состояние поверхности шунгитовых пород // Труды II Российского совещания по органической минералогии. - Петрозаводск: ИГ КарНЦ РАН,
2005, С.164-166.
10. Чантурия В.А., Бунин И.Ж., Ковалев А.Т. Механизмы дезинтеграции минеральных сред при воздействии мощных электромагнитных импульсов // Известия АН. Серия. «Физическая», 2004, Т. 68, № 5, С.629-631.
11. Чантурия В.А., Бунин И.Ж., Ковалев А.Т. Селективная дезинтеграция тонковкрап-ленных минеральных комплексов при высокоимпульсном воздействии // Известия АН. Серия «Физическая», 2005, Т. 69, № 7, С.1058-1061.
12. Чантурия В.А., Бунин И.Ж., Ковалев А.Т. О пинч-эффекте в сульфидных минералах при импульсном наносекундном воздействии // Известия АН. Серия. «Физическая»,
2006, Т. 70, № 7, С. 1061-1064.
13. Чантурия В.А., Бунин И.Ж., Ковалев А.Т. Об автоэмиссионных свойствах сульфидных минералов при воздействии мощных нано-секундных импульсов // Известия РАН. Серия. «Физическая», 2007, Т. 71, № 5, С.570-573.
14. Потапов В.В. Технология разработки месторождений угля с предварительным его обогащением в подземных условиях // Авт-т дисс. на соиск. уч. ст. канд. технич. наук. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2007, 22 с.
15 Хренкова Т.М. Механохимическая активация углей. - М.: Недра, 1993 - 175 с.
16. Клюев В.А., Кутузова О.А., Ревина Е.С., Топоров Ю.П. Влияние механоактивации на эк-зоэмиссионные свойства активированного угля // Письма в ЖТФ, 2001, Т. 27, Вып. 5, С.32-35.
17. Structural transformation in coals at the and all. Prospects for coal science in the 21st cen-
temperature below 0°C. S.A.Aipshtein, I.V.Zverev tury. Taiyuan, P. R. China, 1999. P. 53-56. 5333
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------
Подгаецкий А. В. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник УРАН ИП-КОН РАН;
Бунин И.Ж. - кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник УРАН ИПКОН РАН, старший научный сотрудник;
Эпштейн С.А. - кандидат химических наук, доцент кафедры физики;
Московский государственный горный университет.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 3 симпозиума «Неделя горняка-2008». Рецензент д-р техн. наук, проф. С.А. Гончаров.
--------------------------------------------- РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
1. Дмитриева В.В. Способы повышения эффективности использования конвейерного транспорта (279/02-09 — 22.12.08) 9 с.
Файл:
Каталог:
Шаблон:
1т
Заголовок:
Содержание:
Автор:
Ключевые слова:
Заметки:
Дата создания:
Число сохранений:
Дата сохранения:
Сохранил:
Полное время правки: 4 мин.
Дата печати: 23.03.2009 23:54:00
При последней печати страниц: 10
слов: 2 452 (прибл.)
знаков: 13 977 (прибл.)
10_Подгаецкий3
Н:\Новое по работе в универе\ГИАБ-2009\ГИАБ-3\08 С:\и8ег8\Таня\АррВа1а\Коатіп§\Місго80й\Шаблоньі\Когта1.до
© А
123
14.01.2009 12:36:00 3
21.01.2009 10:25:00 Пользователь
