Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование параметров магнитно-импульсного способа разупрочнения коренных золотосодержащих руд при их рудоподготовке

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров магнитно-импульсного способа разупрочнения коренных золотосодержащих руд при их рудоподготовке"

На правах рукописи

УДК 622.236.9

Иванов Виталий Юрьевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОГО СПОСОБА РАЗУПРОЧНЕНИЯ КОРЕННЫХ ЗОЛОТОСОДЕРЖАЩИХ РУДПРИ ИХ РУДОПОДГОТОВКЕ

Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат диссертации на соискание учено: кандидата технических н;

иа3473432

Москва 2009

003473432

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный горный

университет» на кафедре Физики горных пород и процессов

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор, Лауреат Государственной премии РФ, Заслуженный деятель науки и техники РФ Гончаров Степан Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Викторов Сергей Дмитриевич кандидат технических наук Нистратов Вячеслав Федорович

Ведущая организация - ООО «ЕвразХолдинг» (г. Москва)

Защита состоится «23» июня 2009 г. в 11-00 часов на заседании диссертационного совета Д-212.128.05 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан « 21 » мая 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета докт. техн. наук МЕЛЬНИК В.В.

Общая характеристика работы

Актуальность исследования. Процесс рудоподготовки в технологии обогащения руд преследует цель создания условий, обеспечивающих максимальную степень извлечения полезного компонента. Как правило, этот процесс связан с измельчением руды до крупности, соизмеримой с размером зерен полезного компонента, и с последующим их извлечением тем или иным физическим или химическим способом.

Самым энергоемким и дорогостоящим процессом при добыче и обогащении минерального сырья является их разрушение. Так, например, на железорудных ГОКах России на долю этого процесса приходится 70% всех энергозатрат (~30 кВгч/т руды). Из всех технологических процессов разрушения, а это бурение, взрывание, дробление и измельчение, наиболее энергозатратным является измельчение (—26 кВт-ч/т руды). В горной промышленности США на долю дробления и измельчения приходится 29,3 млрд. кВт-ч в год, что составляет 45% от всей потребляемой горной промышленностью США электроэнергии.

В золотодобывающей отрасли, а также при добыче полиметаллических руд измельчение является одним из важнейших технологических процессов, это связано прежде всего с тем, что в настоящее время около 50% золота в России добывается в коренных месторождениях (в мире 98 %), при этом руды коренных месторождений чаще всего характеризуются как прочные, устойчивые к тонкому измельчению, абразивные.

Решение задачи ресурсосбережения чл.-корр. АН СССР Ревнивцев В.И. видел главным образом в разработке способов и технических средств направленного воздействия на руду при рудоподготовке различными полями с целью снижения ее прочности, избирательности измельчения и полноты раскрытия зерен извлекаемых минералов.

Известно, что основным сырьем для получения железа в России являются железистые кварциты, объем добычи которых составляет порядка 360 млн. т в год. Задача их разупрочнения очевидна и рассматривается в первую очередь. Вместе с тем для обоснования актуальности разупрочнения коренных золотосодержащих руд, к которым относятся золотосодержащие руды коренных месторождений, проведен анализ годовых объемов переработки золотосодержащих руд и железистых кварцитов, а также удельной стоимости продукции с 1 т руды на предприятиях России. Анализ показал, что хотя объемы добычи золотосодержащих руд на порядок меньше, чем объем добычи железистых кварцитов, удельная стоимость продукции с 1 т руды в 10 раз выше, и поэтому можно сказать, что повышение эффективности предприятия по продукции на 10% в золотодобывающей отрасли (с 5000 р/т до 5500 р/т) аналогично примерно двукратному повышению в железодобывающей (с 570 р/т до 1070 р/т).

Основные минералы в коренных золотосодержащих рудах (кварц, пирит, арсенопирит, карбонаты, окислы) являются диамагнитными в отличие от ферримагнитного основного минерала в железистых кварцитах - магнетита,

поэтому золотосодержащие руды являются по своим свойствам слабомагнитными.

Академик Чантурия В.А. предлагает для снижения потерь при переработке тонковкрапленных руд без образования сростков и одновременно без излишнего переизмельчения неселективные традиционные процессы дробления и измельчения в щековых, конусных дробилках и шаровых мельницах заменять на процессы селективной дезинтеграции. Физический смысл перехода к селективной дезинтеграции заключается в организации процесса таким образом, чтобы разрушение происходило не по случайным направлениям сжимающих усилий, а преимущественно по границам минеральных зерен в результате развития на их границах сдвиговых и растягивающих нагрузок.

Одним из перспективных направлений по снижению энергоемкости измельчения руды является ее предварительное электромагнитное разупрочнение в процессах рудоподготовки за счет магнитно-импульсной обработки (МИО).

Использование электромагнитного разупрочнения показало свою эффективность как при обработке магнитных руд (железистых кварцитов), так и немагнитных (золотосодержащих кварцитов, сульфидных руд). Применение данной технологии для магнитных руд является закономерным процессом в силу наличия высокой магнитной восприимчивости руды и протекания при этом известных эффектов преобразования магнитной энергии в механическую (эффект магнитострикции). Механизм преобразования энергии электромагнитных полей в механическую работу для немагнитных поликристаллов (например кварца) недостаточно изучен. Кроме того, при разработке технологии МИО горных пород не определен подход к выбору частотных режимов обработки.

Вопросам ресурсосбережения при рудоподготовке посвящены научные публикации Ревнивцева В.И., Чантурия В.А., Новика Т.Я., Викторова С.Д., Зильбершмидта М.Г., Кузьмина В.А., Бунина И.Ж., Лунина В.Д., Котова Ю.А., Нистратова В.Ф., Гончарова С.А, Бруева В.П. и др.

Изложенное выше свидетельствует о том, что проблема снижения энергозатрат при разрушении минерального сырья и особенно при его измельчении является важной народнохозяйственной задачей и тема диссертации «Обоснование параметров магнитно-импульсного способа разупрочнения коренных золотосодержащих руд при их рудоподготовке» актуальна.

Цель диссертационного исследования заключается в обосновании параметров магнитно-импульсного способа разупрочнения коренных золотосодержащих руд на основе закономерностей поведения микродефектов кристаллической решетки, обеспечивающих снижение удельной энергоемкости их помола.

Идея работы заключается в разупрочнении межзерновых связей в коренных золотосодержащих рудах за счет направленного резонансного воздействия электромагнитного поля на заряженные микродефекты и дислокации в породообразующих минералах.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна

1. Впервые установлено, что в минералах с ковалентной связью, под действием импульсного электромагнитного поля возникают силы Кулона и Лоренца, действующие на электрические заряды в области ядер дислокаций, что вызывает снижение удельной энергии образования единицы новой поверхности при разрушении таких минералов и обеспечивает уменьшение энергоемкости их измельчения.

2. Впервые установлено, что при магнитно-импульсной обработке горных пород имеет место их максимальное разупрочнение при длительности импульсов в диапазоне 10'3 - Ю"7 с. Наиболее интенсивное перемещение заряженных дефектов в породообразующих минералах наблюдается при близости значений обратной величины длительности импульсов поля и собственной частоты дефектов, величина которой прямо пропорциональна корню квадратному от плотности дислокаций и обратно пропорциональна корню квадратному от произведения плотности минерала, его диэлектрической проницаемости и постоянной его кристаллической решетки.

3. Впервые установлено, что длительность электромагнитного импульса, обеспечивающего наиболее эффективное разупрочнение на этапе подготовки золотосодержащего минерального сырья к обогащению прямо пропорциональна величине среднего геометрического постоянной решетки основного минерала в руде и размеру зерна.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждаются:

- использованием основ механики разрушения горных пород, фундаментальных законов о строении кристаллической решетки минералов и законов электродинамики;

- использованием апробированных лабораторных методов и оборудования исследований физико-механических свойств минералов;

- необходимым и достаточным числом проведенных экспериментов;

- сходимостью полученных результатов теоретических исследований с экспериментальными результатами.

Научное значение работы заключается:

- в теоретическом обосновании процесса разупрочнения коренных золотосодержащих руд электромагнитным полем;

- в выявлении закономерностей изменения механических напряжений, действующих на дислокации в кристаллической решетке минералов под действием электромагнитного поля.

Практическое значение работы состоит:

- в обосновании параметров магнитно-импульсной обработки (МИО) коренных золотосодержащих руд, обеспечивающих их разупрочнение перед измельчением.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Разработанная «Методика оценки параметров установок для магнитно-импульсной обработки (МИО) золотосодержащих слабомагнитных рудных материалов» принята ФГУП ЦНИГРИ к использованию при проведении

предварительных лабораторных испытаний по интенсификации извлечения золота из упорных золотосодержащих материалов на этапе цианирования.

На ЗАО «Руда» прошла опытно-промышленная апробация техники и технологии магнитно-импульсной обработки золотосодержащих руд перед их измельчением в мельнице, которая показала, что выход готового класса -0,074 мм в сливе мельницы увеличивается на 11 %.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка - 2006» и «Неделя горняка - 2007», на Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (НТТМ-2006) Москва, ВВЦ (получена премия I степени для поддержки талантливой молодежи), на Всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности (ЮРГТУ НПИ, 2007), на XII международной экологической конференции студентов и молодых ученых «Горное дело и окружающая среда. Инновации и высокие технологии XXI века» (МГГУ, 2008).

Публикации.

Основные положения диссертационного исследования опубликованы в 7 научных работах, в том числе 2 статьях в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 14 рисунков, 35 таблиц, список литературы из 105 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дан обзор исследований по применению энергосберегающих и экологически безопасных методов переработки сложных (упорных, труднообогатимых) руд с использованием воздействия на них направленных физических и вещественных полей. Рассмотрены такие способы воздействия, как: разупрочнение горных пород под действием жидкостной среды (поверхностно-активных веществ), под действием упругих колебаний, под действием тепла и под действием электромагнитных шлей. В результате анализа сделан выбор в пользу электромагнитных воздействий.

Подробно рассмотрены следующие виды электромагнитных воздействий:

1) высокочастотная (ВЧ) и сверхвысокочастотная (СВЧ) обработка;

2) короткими мощными электромагнитными импульсами;

3) потоками элементарных частиц;

4) магнитно-импульсной обработкой (МИО).

При ВЧ и СВЧ обработке горных пород происходит избирательное поглощение энергии минералами. Минералы, поглощающие энергию, нагреваются, возникают термонапряжения и, как следствие этого - трещины на стыках минеральных зерен.

Исследования ВЧ обработкой (25 МГц) проводились на фосфоритных рудах - снижается их прочность при нагреве до 200-300°С на 15-20 %. П^и СВЧ нагреве (2,45 ГГц) железистых кварцитов и железных руд до 300 С

обеспечивается прирост выхода готового класса при измельчении в 10%, а нагрев на 940°С снижает затраты на помол на 3 кВт-ч/т руды, но делается вывод, что экономия энергии на помоле не компенсирует ее затрат на нагрев. Применение СВЧ обработки для повышения извлечения золота из упорных руд показало, что нагрев до 300-360°С приводит к росту извлечения золота на 8-30%.

Можно сделать вывод, что использование ВЧ и СВЧ электромагнитного поля для снижения прочности горных пород и повышения показателей извлечения упорного золота наиболее эффективно для пород, содержащих минералы с контрастными электрическими свойствами - диэлектрической проницаемостью, углом диэлектрических потерь.

При использовании мощных электромагнитных импульсов для дезинтеграции горных пород сущность заключается в том, что при напряженности электромагнитного поля, превышающего электрическую прочность материала, в твердом теле диэлектрика развивается электрический пробой, сопровождающийся возникновением электрического тока в узком канале. При протекании тока по этой токовой нити происходит выделение энергии. Энерговыделение в нити приводит к испарению вещества, резкому повышению давления и в конечном итоге к разупрочнению вещества с образованием сквозного канала пробоя. Для предотвращения пробоя по воздушным зазорам между частицами используют импульсы с коротким (~1 не) фронтом и амплитудой, существенно превосходящей электрическую прочность вещества в статическом поле. Эксперименты показали хорошее извлечение металлов из обработанной руды с размерами частиц -500 мкм, близкое к показателям класса -50 мкм, что позволяет снизить энергозатраты на помол с класса -500 до -50 мкм, составляющие более 20 кВт-ч/т.

Исследования на железистых кварцитах, полиметаллических и золотосодержащих рудах при воздействии на них потоком элементарных частиц показали, что возможно увеличение производительности измельчения в 1,2 -1,8 раза и повышение технологических показателей последующих процессов (флотации, магнитной сепарации и выщелачивания), при этом расход электроэнергии составил 10 кВт ч в расчете на 1 т перерабатываемого концентрата или 0,54 кВт-ч на 1 г дополнительно извлекаемого золота, что в 1,7 - 2,5 раза меньше, чем при механическом измельчении материала до крупности -50 мкм.

Использование магнитно-импульсной обработки (МИО) для разупрочнения горных пород показало свою эффективность на железистых кварцитах. При воздействии на ферромагнитные минералы электромагнитным полем в них возникают такие явления, как магнитострикция, изменения магнитного момента, пандеромоторные и электростатические силы. Расчет напряжений, вызванных магнитострикцией в зернах магнетита, находящихся в кварцевой матрице, показал, что максимальное разупрочняющее действие будут оказывать сдвиговые напряжения в зернах магнетита в непосредственной близости от контакта с кварцем, напряжения составляют ~47 % от предела прочности магнетита на сдвиг (~17 МПа). Результаты, полученные в анализируемых ра-

ботах, следующие: прирост производительности измельчения железистых кварцитов в мельнице после электромагнитной обработки - 8-10%, прирост массовой доли железа общего в концентрате - 0,5%, при напряженности электромагнитного поля ~105 А/и, частоте поля 3-5 кГц, затратах энергии на обработку не более 0,1кВт-ч/труды.

Произведена оценка напряженности электрического поля, при которой вследствие явления электрострикции возникнут критические напряжения в кварце. Для достижения 50% и более от предела прочности кварца на сжатие необходимо электрическое поле напряженностью >1Д-106 В/м, такая напряженность является труднодостижимой с технической точки зрения. При величине напряженности электрического поля в пределах 103-104 В/м, механические напряжения явно недостаточны для разрушения (и даже разупрочнения) кварца, поэтому механизм электрострикции не может в полной мере определять эффект разупрочнения пород, содержащих минералы электро-стрикторы при полях невысокой напряженности.

В связи с изложенным для достижения поставленной в диссертации цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ теоретических и экспериментальных исследований в области взаимодействия кристаллов с электрическими и магнипными полями. Проанализировать область применения и эффективность электрофизических способов воздействия на минеральное сырье в процессах рудо-подготовки.

2. Разработать модель для оценки рациональных режимов электромагнитного воздействия на слабомагаитные коренные золотосодержащие. руды, включая длительность импульса поля.

3. Провести экспериментальную оценку возможности снижения энергии образования единицы поверхности коренных золотосодержащих руд путем их магнитно-импульсной обработки перед механическим измельчением.

4. Разработать научно обоснованный алгоритм оценки параметров магнитно-импульсной обработки коренных золотосодержащих руд, включая напряженность поля, длительность импульса поля, класс оборудования по вы-соковольтности.

Во второй главе приведены известные ранее сведения о наличии в кристаллических решетках ионных и ковалентных кристаллов (ЫаС1, ZnS и др.) дислокаций с электрическим зарядом в области ядра дислокации (Далее используется общепринятый термин «заряженная дислокация»). Рядом исследователей дислокация рассматривается как бесконечная заряженная нить, окруженная непрерывно распределенным зарядовым облаком, состоящим из подвижных катионных и анионных вакансий и атомов примесей. При движе* нии дислокации происходит и перемещение зарядового облака. Заряд дислокации составляет по оценкам исследователей, 10'12 - 10"' К/м для полупроводниковых и тцелочно-галоидных кристаллов и кристаллов с выраженными пьезоэлектрическими свойствами. Оценка заряда дислокации через строение кристаллической решетки (отношение катионов к анионам) показала, что заряд дислокации для кварца составляет 4,6-10'и К/м.

С использованием таких фундаментальных понятий в описании поведения дислокаций, как инерция дислокации, определяемая величиной эквивалентной массы (/П]\ вектор Бюргерса (6), электрический заряд дислокации, силы, действующие на дислокацию, предложена модель, представляющая собой дислокацию с массой (т;) и зарядом (д), закрепленную с коэффициентом жесткости закрепления к, в кристалле. Дислокация окружена некоторым зарядовым облаком. Жесткость связи дислокации и зарядового облака (заряда) характеризуется коэффициентом кг. К заряду приложена сила Кулона ^ соьш, вызванная переменным электромагнитным полем с напряженностью Е0 и частотой а. Данная модель представлена схематически на рис.1.

(1)

Рис.1. Модель дислокации Дифференциальные уравнения движения такой системы имеет вид

{т{ -Дг, = -к, -х, +к2 -хг т2-х2=-к1(х1-х,) + Р,' При решении системы уравнений относительно х, (перемещение дислокации под действием силы Кулона) и при допущениях, что х2»х! (то есть колебания дислокации много меньше колебаний зарядового облака), а также, что частота системы, обусловленная жесткостью закрепления дислокации в кристалле, много больше частоты электромагнитного поля, и при рассмотрении только вынужденных колебаний системы получено следующее выражение:

_ д-Еъ-1 со"

ъ1 - б (<4-ш2)

СОЗ(У/,

(2)

где / - длина дислокации, м; гг>щ - частота системы, обусловленная жесткостью связи заряда и дислокации (А3), рад/с; СТу - модуль упругости минерала, Па.

С использованием известных зависимостей для оценки работы упругого деформирования №у=кгх2 ¡/2 и энергии упругого взаимодействия (<г - механические напряжения, Па; V - объем, м-) получено выражение для оценки механических напряжений <тэ, обусловленных электрической составляющей переменного электромагнитного поля, создаваемого индуктором с радиусом Я, и напряженностью магнитной составляющей поля Но

,Па,

(3)

/ Ь* {й)п-со2) Ъ'

где - магнитная проницаемость вакуума (/¿0 = 4я--1(гТн/м).

Из решения системы уравнений, аналогичной системе (1), но под действием силы Лоренца ( = - Я0 • д ■ х2), действующей на движущуюся заряженную дислокацию, было получено выражение для оценки механических напряжений ат обусловленных магнитной составляющей поля

р-1-ъ4- "" 1 ;

где Н0 - напряженность машитной составляющей поля, А/м; /> - плотность минерала, кг/м3, К&м— коэффициент динамичности,

(5)

• (1 - 7а>])

о

<»т

(6)

- относительная частота.

По формулам (3) и (4) построены трафики зависимости механических напряжений а3 и ом от относительной частоты электромагнитного поля (рис.2 иЗ).

350

я 300 с:

Е 250

«Г

я 200

1 150 С 100

X 50 О

Ц|1||111111Ж

.............

0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

Относительная частота электромагнитного поля

Рис.2. График зависимости механических напряжений, действующих на дислокации в минералах и вызванных электрической составляющей электромагнитного поля, от относительной частоты поля

1 ♦

-

0,2

0,4

0,6 0,8 1 1.2 Относительная частота электромагнитного лоля

1,4

Рис.3. График зависимости механических напряжений, действующих на дислокации в минералах и вызванных магнитной составляющей электромагнитного поля, от относительной частоты поля

Разработанная теоретическая модель воздействия электромагнитного поля на минералы учитывает дефектную структуру минералов (наличие заряженных дислокаций) и позволяет оценить механические напряжения, возникающие в минерале от сил Кулона и Лоренца, показывает зависимость механических напряжений от частота поля.

Для того чтобы численно оценить механические напряжения при резонансных режимах необходимо знать собственную частоту системы (£). Для этого, воспользовавшись формулой оценки жесткости связи дислокации и зарядового облака, предложенной Тяпуниной H.A. и исходя из предположения, что облака соседних дислокаций не перекрывают друг друга получено выражение:

(7)

\2я- -с,-/ Це-р-Ь где Ко - безразмерный параметр, (К0=(1,8 - 4));

qt - заряд на единицу длины дислокационной линии, К/м;

s„ - диэлектрическая проницаемость вакуума (е0 =8,85-Ю"12, Ф/м);

Nd - плотность дислокаций в минерале, шт/м2;

s - относительная диэлектрическая проницаемость минерала;

р - плотность минерала, кг/м3;

b - вектор Бюргерса дислокации, м.

Для кварца оценка частоты по формуле (7) дает значение ~ 250 кГц.

В третьей главе приведены методики и результаты лабораторных экспериментов по оценке влшшия магнитно-импульсной обработки на разупрочнение кварцсодержащих коренных золотоносных руд.

С целью определения точности методик проведены экспериментальные исследования по оценке их доверительного интервала. Оценивались следующие методики:

- определения коэффициента крепости горных пород методом толчения (ГОСТ 21153.1-75);

- измельчения в лабораторной шаровой мельнице;

- измельчения на ударном копре с последующим ситовым анализом;

- оценки вновь образованной поверхности при ударном разрушении по количеству физически связанной воды.

Получены следующие результаты (габл.1).

Таблица 1. Сравнительная таблица методик измельчения горных пород

Метод СКО при 5 измерениях Доверительный интервал (в %) при 5 измерениях Необходимое количество экспериментов для обнаружения эффекта разупрочнения в 5 %.

ГОСТ21153.1-75 1,65 21 56

Измельчение в лабораторной мельнице 1,99 9,5 7

Ударное измельчение + рассев на ситах 0,3 4,6 3

Ударное измельчение + оценка удельной поверхности 0,94 5 3

Анализ табл. 1 показывает, что наиболее приемлемы 2 метода: ударное разрушение проб в копре и рассев продуктов измельчения, а также ударное измельчение и оценка вновь образованной поверхности по количеству физически связанной воды. Малоприемлемым (с точки зрения требуемой точности) является метод определения крепости по ГОСТ. Методика измельчения в мельнице - приемлема, но по сравнению с другими более трудозатратна.

В качестве основной методики использовалась методика разрушения руды крупностью -10+7 мм на ударном копре. Измельченный продукт подвергался ситовому анализу, производилось сравнение выхода класса -0,5 мм у проб, подвергавшихся магнитно-импульсной обработке относительно контрольных проб (см. табл. 2).

Таблица 2. Результаты экспериментальных исследований влияния магнитно-импульсной обработки на ударное измельчение в копре кварцевых золотосодержащих руд

Режим МИО Частота электромагнитного поля, кГц Напряженность маг-нитпой составляющей поля, кА/м Содержание готового класса (-0,5 мм) после измельчения, % Прирост содержания готового класса в экспериментальных пробах (подвергавшихся МИО) относительно контрольных, %

- - - 6,7±0,1 -

1 5 100 7,0 ± 0,1 4,5

2 6000 10 7,1 ±0,1 6,0

Измельчению в лабораторной мельнице подергалась кварцевая золотосодержащая руда. Последовательность операций следующая: исходная руда с известным грансоставом, крупностью -10 мм в количестве -250 г помещается в лабораторную шаровую мельницу, объем мелышцы 7 л, объем шаров -40% от объема мельницы, размер шаров 12-30 мм; измельчается в течение 10 минут; рассеивается на ситах с размером ячеек 2; 0,5; 0,16; 0,071 и 0,045 мм в течение 7 минут на лабораторном просеивающем сепараторе; рассчитывается прирост готового класса (-0,071 мм) при измельчении проб, подвергавшихся МИО относительно контрольных проб. Результаты испытаний представлены в табл. 3.

Таблица 3. Результаты экспериментальных исследовапий влияния магнитно-импульсной обработки па измельчение в лабораторной мельнице золотосодержащих руд Бшшбинского ГОКа _

Результат Контрольная партия Партия III (МИО режим 1) Партия IV (МИО режим 2)

Содержание готового класса -0,071 мм, % 25,3±2,4 32,1±1,6 29,6±1,6

Прирост готового класса (-0,071 мм) в партиях, подвергавшихся МИО относительно контрольной партии, % - 27 17

Исследование вновь образованной поверхности после ударного разрушения в копре проводилось на пробах безрудного кварцита. Последовательность операций при этом была следующая: подготавливались навески кварцита крупностью -10+7 мм по 40 г каждая (всего 5 навесок в каждой партии),

каждую навеску помещали в воду, потом вынимали из воды и давали стечь свободной воде, после этого взвешивали каждую смоченную водой навеску. После высушивания навески измельчались в копре двумя ударами, измельченные пробы снова намачивались и взвешивались. По результатам рассчитывался прирост удельной вновь образованной поверхности партий, подвергавшихся МИО, по сравнению с контрольной партией. Результаты представлены в табл. 4.

Дополнительно были проведены лабораторные исследования и на других типах горных пород, таких как железистые кварциты, граниты, флюори-товые и доломитовые руды. Таблица с результатами испытаний представлена ниже (табл. 5).

Таблица 4 Результаты экспериментальных исследований влияния магштю-импульсной обработки на прирост удельной вновь образованной поверхности после ударного измельчения безрудного кварцита__

Материал Прирост удельной вновь образованной поверхности, % Режим МИО Степень разупрочнения, %

Частота поля, Гц н, А/м Энергоемкость одного импульса, кВт ч/т

Безрудный кварцит Контроль 18,1 ±0,9 0 0 0 0

МИОНЧ 20,3 ± 1,0 5-Ю3 105 0,03 13

МИО ВЧ 22,6 ± 1,0 &106 ю4 0,0003 25

Таблица 5. Перечень испытанных пород на разупрочняемость магнитно-импульсной обработкой____

Тин породы (минерала) Основные минералы Характеристика Разупрочнение при МИО

полупроводник щеяочпо-галоидный пьезо-электрик магнито-стриктор

Золотосодержащая руда Кварц - - + - Да

Золотосодержащая сульфидная руда Пирит, гематит. + + - - - Да

Каменная соль Галит - + - - Да

Железистые кварциты Магнетит, гематит, кварц + + - + + Да

Флюоритовая руда Флюорит - - - - Нет

Доломитовая руда Доломит - - - - Нет

Анализ табл. 5 показывает, что магнитно-импульсное разупрочнение имеет место только на породах, в состав которых входят либо минералы полупроводники, либо пьезоэлектрики, либо щелочно-галоидпые. Это косвенно подтверждает, что изменение дефектной структуры (разупрочнение) под действием МИО происходит только в минералах, дефекты в которых имеют электрический заряд и, следовательно, силовой характер взаимодействия с электромагнитным полем определяется силами взаимодействия заряда с электрической и магнитной составляющей поля. Поскольку при частотах электромагнитного поля ~104 Гц величина электрической составляющей поля

мала (поле создается индуктором, поэтому Е = 103 В/м), а эффект разупрочнения имеет место, то можно утверждать, что силовой характер взаимодействия обусловлен не только силами Кулона (/; =?-£<,-совея), но и силами Лоренца ( Гм = ц, • Н0 ■ д ■ х2).

В четвертой главе приведены методика и результаты опытно-промышленных испытаний по определению в промышленных условиях возможности повышения эффективности помола золотосодержащей руды в шаровых мельницах при ее предварительной магнитно-импульсной обработке.

Во время испытаний технологический блок (индуктор) размещался на питающем бункере шаровой мельницы. Особенностью данной мельницы являлась ее технологическая обособленность от второй стадии помола (т.е. она выполняла функции головной мельницы и частично мельницы второй стадии при средней производительности 8,5 т/ч и подаче руды после дробления -25 мм). При этом контролировался гранулометрический состав питания мельницы, а также гранулометрический состав пульпы на сливе мельницы при включенной и выключенной установке для магнитно-импульсной обработки по методикам, принятым в лаборатории ЗАО «Руда». Критерием повышения эффективности работы шаровой мельницы являлся прирост мелких фракций в ее сливе. Средние результаты грансостава представлены в табл. 6. Кривые грансостава слива мельницы представлены на рис. 4, на рис. 5 представлено распределение содержания частиц по крупности в сливе мельницы.

Таблица 6 Грансостав слива мельницы во время контрольных испытаний и при работе МИО

Класс крупности, мм -25+5 -5+2 -2+ 1 -1+0,3 -0,3 + ОД -0,1+0,074 -0,074

Содержание класса, % Контроль 5,0±0,5 3,0±0,25 17,0±1,6 23,1 ±2,2 18,6+1,9 4,3 ± 0,4 29,0 + 2,1

МИО 1,0+0,1 1,8+0 Л 6,2±0,5 22,5*2,1 22,6±2Д 5,9 ±0,6 40,0 + 3,9

Размер ячейки сита, мм

Рис. 4. Кривые грансостава слива мельницы при работе МИО (—-) и без

нее(--)

12

Рис. 5. Распределение содержания частиц по крупности в сливе мельницы при работе МИО (-—-) и без нее(--)

В пятой главе представлена разработанная методика оценки параметров установки для магнитно-импульсной обработки (МИО) золотосодержащих слабомагнитных рудных материалов в виде алгоритма, а также проведена оценка экономической целесообразности внедрения технологии МИО на золотоизвлекательные фабрики с целью повышения производительности по руде.

Разработанная методика , предназначена для предварительного оценочного определения области режимов магнитно-импульсной обработки, включая частоту (длительность) одного импульса и величину амплитуды напряженности импульсного электромагнитного поля при МИО золотосодержащих слабомагшшшх рудных материалов, а также для определения класса техники для МИО по высоковольтности.

Область применения методики - лабораторные исследования по магнитно-импульсному разупрочнению золотосодержащих рудных материалов коренных месторождений на стадии рудоподготовки и магнитно-импульсной интенсификации процессов выщелачивания при реагентном извлечении золота.

Краткое описание методики.

При проектировании технологии рудоподготовки или обогащения золотосодержащих руд с использованием установок для магнитно-импульсной обработки руд требуется оценка технических параметров этих установок.

Под параметрами установки понимаются следующие величины:

- частота электромагнитного поля Гц;

- диаметр индуктора Д м;

- индуктивность катушки I, генерирующей поле, Гн;

- емкость конденсаторных батарей С, Ф;

- напряжение зарядки конденсаторов ¿7, В;

- напряженность магнитной составляющей поля Но, А/м.

Частоту одного импульса (частоту поля)/? можно оценивать по формуле

Г = М

2 \2жъ-Е-Ей-р VА-6

где

Д = 2Д.

-1 + 3

яр,

иначе А =

с1-2В.

при ¿<~ + 2Я, (9)

(10)

Д - расстояние между границами разделов фаз в руде (размер зерна), м;

К - радиус частицы золота, м;

р3 - плотность золота, кг/м3 (р,-19000 кг/м3);

С, - весовое содержание золота в руде, доли ед.;

р - плотность минерала, кг/м3;

с/ - крупность помола руды, м.

По формуле (8) построен график зависимости частоты от крупности помола руды (рис. 6).

Крупность помола, мкм

--Размер золотин 1 мкм--Размер золотин 10 мкм

Рис. 6. Зависимость собственной частоты дислокационной системы от крупности помола руды при содержании золота в руде 1 г/т и при размере частиц золота 1 и 10 мкм

Диаметр индуктора (О) можно определить исходя из скорости рудопо-тока (и) и площади поперечного сечения (5) индуктора, обеспечивающей требуемую пропускную способность (£?„)

5 = (11)

о

Так как 5 =-, то диаметр индуктора, используя (11), можно оце-

4

нить по формуле

V л-и

Объемный расход пульпы (£?„), поступающей в индуктор, определяется выражением:

/

Р РЖ Р

, М3/с, (13)

Й. Рж/

где £>, - объемный расход пульпы, м3/с;

<2„ - массовый расход поступающей руды (твердого материала), кг/с; £)„ - массовый расход воды (жидкого), кг/с; р - плотность поступающей руды, кг/м3; рж - плотность воды, кг/м3. Подставляя (13) в (12), получим

4.а

/

В = ]1 " 4-вт Рж/,ы. (14)

( 71-V

Индуктивность катушки, генерирующей поле, оценим по формуле как индуктивность соленоида:

К 4 ■/„

где к - коэффициент, зависящий от отношения длины катушки (1К) к диаметру (О) его витков (к=0,2^1)\

Иъ - магнитная постоянная (щ = 4л • 10"7, Гн/м);

/л - относительная магнитная проницаемость руды (если руда слабомагнитная, то ^ = 1);

И— количество витков, пгг (задаем, что N=1)-, 1К - длина катушки, м;

Б - диаметр витков (для простоты принимаем, что диаметр витков равен диаметру индуктора), м.

Емкость конденсаторных батарей оценивается по формуле

С=Р~,Ф, (16)

\Ь-а

где т = 2л- /2 - круговая частота переменного электромагнитного поля, рад/с.

Для оценки напряженности магнитной составляющей поля (Но) воспользуемся следующим выражением

(17)

2 2 4 "

где т] - КПД разряда;

11- напряжение зарядки конденсаторных батарей, В.

Формула (17) получена исходя из того, что энергия заряженного кон-

,с-и\

денсатора (—-—) переходит в энергию магнитного поля в индукторе

( ), выделяющуюся в объеме индуктора (--/,).

2 4

Из (17) получим

08)

(19)

Лт]-С-Ц-/я-Л^-Г»2-/,

Для оценки нагфяженности поля по формуле (18) необходимо задаваться напряжением зарядки конденсаторных батарей ([/). Величину II необходимо подбирать начиная с 1000 В.

После оценки всех параметров установки для МИО необходимо рассчитать механические напряжения, которые возникают в руде при электромагнитном разупрочнении (схэ и ам), и сравнить эти напряжения с пределом Пайерлса либо с пределом прочности породы на сдвиг т.

Для расчета возникающих напряжений, обусловленных электрической составляющей поля (о,), воспользуемся формулой

а -р-ж-У2-1

3 ъ

где Кд - коэффициент динамичности (Кд=1,4-20).

Для расчета возникающих напряжений, обусловленных магнитной составляющей поля (ам) воспользуемся выражением

¿^Щв (20)

2-р -о

Полученные по формулам (19) и (20) значения а, и ам сравнивают с пределом прочности минерала на сдвиг, если предел прочности на сдвиг т больше и стэ и ам, то, повышая напряжение зарядки конденсаторных батарей и, рассчитывают новые значения аэ и ам, и так до тех пор, пока хотя бы одно из них не превысит т.

Ограничения в использовании методики:

- методика позволяет оценить только нижний диапазон частоты электромагнитного поля

- методика не дает возможности спрогнозировать влияние МИО на раскрытие золота.

Методика сведена в алгоритм оценки параметров установки для магнитно-импульсной обработки коренных золотосодержащих рудных материалов.

Алгоритм представлен на рис. 7. Порядок расчета по нему следующий:

1. Ввод основных (крупность измельчения руды, средний размер зерен полезного компонента и содержание полезного компонента в руде, плотность вмещающего минерала, требуемый объем переработки (т/ч), соотношение жидкого к твердому в пульпе) и дополнительных (постоянная решетки, предел прочности на сдвиг, относительные диэлектрическая и магнитная прони-

цаемости вмещающего минерала, плотность минерала, содержащего полезный компонент, удельный заряд дислокаций и их плотность во вмещающем минерале, скорость потока пульпы) исходных данных;

2. Расчет расстояния между границами разделов фаз в руде Д по формуле (9);

3. Проверка по условию с/ < + 27?, в случае если условие выполнятся, с! — 27?

то Д = —-—, иначе значение Д остается рассчитанным по формуле (9);

4. Расчет собственной (резонансной) частоты/2 по формуле (8);

5. Расчет диаметра индуктора установки О для МИО исходя из требуемой производительности и скорости рудопотока по формуле (14);

6. Проверка диаметра индуктора, то есть диаметр индуктора В должен быть больше троекратного размера кусков руды Зс1, иначе руда не пройдет через индуктор;

7. Ввод длины индуктора (для оценочного расчета можно брать длину индуктора равной его диаметру);

8. Расчет индуктивности индуктора Ь и емкости конденсаторных батарей С по формулам (15) и (16) соответственно;

9. Ввод напряжения зарядки конденсаторных батарей £/;

10. Расчет напряженности магнитной составляющей электромагнитного поля, создаваемого индуктором Но, по формуле (18);

11. Расчет механических напряжений, возникающих во вмещающем минерале при воздействии электромагнитного поля аэ и аи, по формулам (19) и (20);

12. Сравнение а3 и ам с пределом прочности вмещающего минерала на сдвиг т, если хотя бы одно из напряжений превышает г, то рассчитанные значения параметров установки для МИО (/?, и, С, О) выводятся как окончательные, иначе, повышая напряжение зарядки конденсаторов [/, пересчитываем новые параметры, начиная с п. 10, пока сгэ или ам не превысят г.

Расчет параметров установок для МИО золотосодержащих упорных руд по разработанной методике показал, что, в отличие от имеющихся установок для МИО железистых кварцитов, установки для золотосодержащих руд должны быть более высокочастотными (105 - 107 Гц). Была собрана лабораторная установка с частотой поля 6-106 Гц.

Сравнительные характеристики установок для МИО железистых кварцитов и для МИО золотосодержащих руд представлены в табл. 7.

Для оценки экономической целесообразности внедрения технологии МИО на золотоизвлекательных фабриках был проведен укрупненный расчет, который показал, что при установке МИО в голове процесса на золотоизвлекательных фабриках (для повышения производительности) окупаемость технологии составит немногим более 2 месяцев при повышении производительности по руде на 1 %.

Ввод основных

исходных данных *

Ввод дополнительных исходных данных

1

Расчет А по ф.(9)

Рис. 7. Алгоритм оценки параметров установки для магнитно-импульсной обработки золотосодержащих рудных материалов

Рис. 7 (продолжение). Алгоритм оценки параметров установки для магнитно-импульсной обработки золотосодержащих рудных материалов

Таблица 7. Сравнительная характеристика технологического оборудования для МИО железистых кварцитов и золотосодержащих руд

Параметр Для МИО желези- Ддя МИО золотосо-

стых кварцитов держащих руд

Напряженность магнитной состав- 2,5-Ю5 104

ляющей поля, А/м

Частота электромагнитного поля, Гц 5-103 6-106

Затраты электроэнергии в технологии, кВт-ч/т 0,1 0,03

Производительность по руде, т/ч 400 100

Потребляемая мощность, кВт 40 3

Импульсная мощность при частоте следования 1 Гц, МВт 40 18000

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по обоснованшо оптимальных параметров магнитно-импульсного разупрочнения коренных золотосодержащих руд на основе закономерностей поведения микродефектов кристаллической решетки, что в совокупности обеспечивает снижение удельной энергоемкости помола руд, а также вносит вклад в развитие физических способов интенсификации технологических процессов при переработке полезных ископаемых.

Основные научные выводы и практические результаты, полученные автором, заключаются в следующем:

1. Анализ результатов исследований в области электрофизических воздействий на минеральное сырье в процессах рудоподготовки показал возможность их использования для разупрочнения коренных золотосодержащих руд перед их измельчением в мельницах.

Анализ механизмов взаимодействия кристаллов с электрическими и магнитными полями показал, что воздействие полей происходит на заряженные дефекты кристаллической решетки кристаллов (дислокации) и приводит к изменению вязко-пластических свойств, измененшо дефектной структуры кристаллов.

2. Разработана модель и по ней произведена оценка рациональных режимов электромагнитного воздействия на заряженные дефекты кристаллической решетки коренных золотосодержащих минералов. Оценка показала, что для наибольшего разупрочнения руд частота электромагнитного поля должна лежать в пределах 10 кГц - 10 МГц.

3. Проведены экспериментальные исследования, которые показали, что при магнитно-импульсной обработке в области рациональных частотных режимов (6 МГц) относительный прирост удельной вновь образованной поверхности при разрушении безрудного кварцита составил 25%, тогда как в области 6 кГц не превышал 13%.

Прирост содержания готового класса в пробах коренных золотосодержащих руд подвергавшихся магнитно-импульсной обработке по сравнению с контрольными пробами составил 4,5-6 % при измельчении в копре и 17-27% при измельчении в лабораторной мельнице.

4. Разработана методика (в виде алгоритма), позволяющая оценить область режимов, класс оборудования и возможность аппаратной реализации технологии магнитно-импульсной обработки в зависимости от свойств минерального сырья и технологических характеристик его переработки.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Издания, рекомендованные ВАК Минобрнауки России:

1. Гончаров С.А., Крылова Г.С., Седельникова Г.В., Ананьев П.П., Мартынов Ю.А., Иванов В.Ю. Применение магнитно-импульсной обработки золотосодержащих руд и концентратов при их цианировании // Горный журнал 2006.-№10.-С. 58-60.

2. Иванов В.Ю. Дислокационный механизм разупрочнения немагнитных руд под действием переменных электромагнитных полей // Горный информационно-аналитический бюллетень 2009. - №2. - С. 119-123.

Прочие издания:

3. Иванов В.Ю. Особенности возможных механизмов разупрочнения руд при их импульсной электромагнитной обработке // Сборшк научных трудов студентов магистратуры Московского государственного горного университета. Выпуск 6. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2006. - С. 283-287.

4. Иванов В.Ю. Расчет энергетических параметров импульсной электромагнитной обработки руд // Сборник научных трудов студентов магистратуры Московского государственного горного университета. Выпуск 7. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2007. - С. 101-105.

5. Гончаров СЛ., Ананьев П.П., Иванов В.Ю. Разупрочнение горных пород под действием импульсных электромагнитных полей // М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2006. - 91 е.: ил.

6. Гончаров С.А. Физико-технические основы ресурсосбережения при разрушении горных пород - М.: Издательство Московского государстве!того горного университета, 2007. Глава 6, с. 169-205. (В соавторстве с Ананьевым ГШ, Ивановым В.Ю.)

7. Иванов В.Ю. Теоретические и экспериментальные предпосылки определения резонансных режимов магнитно-импульсного разупрочнения руд // Материалы 5 Международной научной школы молодых ученых и специалистов, 11-14 ноября, 2008 г. - М.: УРАН ИПКОН РАН, 2008. - С. 83-87.

Подписано в печать 14.05.09 Формат 60X90/16

Объем 1 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № ^^

Отдел печати Московского государственного горного университета Москва, Ленинский проспект,6

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Иванов, Виталий Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ПРАКТИЧЕСКИХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО НЕМЕХАНИЧЕСКИМ МЕТОДАМ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ.

1.1 Возможные способы разупрочнения рудных материалов.

1.2 Влияние переменного электромагнитного поля.

1.3 Высокочастотная (ВЧ) и сверхвысокочастотная (СВЧ) обработка.

1.4 Использование мощных электромагнитных импульсов для дезинтеграции горных пород.

1.5 Воздействие разогнанных элементарных частиц на горные породы.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 Анализ возможных механизмов разупрочнения магнитных руд магнитно-импульсной обработке.

2.2 Основные положения модели заряженной дислокации.

2.3 Анализ механизма разупрочнения поликристаллов магнитно-импульсной обработкой с позиции теории дислокаций.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО РАЗУПРОЧНЕНИЮ НЕМАГНИТНЫХ КВАРЦСОДЕРЖАЩИХ ГОРНЫХ ПОРОД МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКОЙ.

3.1 Выбор метода.

3.1.1 Методика определения коэффициента крепости горных пород методом толчения (ГОСТ 21153.1-75).

3.1.2 Методика измельчения в лабораторной шаровой мельнице.

3.1.3 Методика измельчения в копре.

3.1.4 Методика оценки вновь образованной поверхности при ударном разрушении.

3.1.5 Обработка результатов измерений коэффициента крепости методом толчения на копре.

3.1.6 Обработка результатов измельчения кварцсодержащей руды в копре.

3.1.7 Обработка результатов ударного измельчения кварцсодержащей руды с оценкой адсорбированной воды на вновь образованной поверхности.

3.2 Лабораторные исследования разупрочнения кварцсодержащих горных пород магнитно-импульсной обработкой.

3.2.1 Экспериментальные исследований влияния магнитно-импульсной обработки на измельчение в лабораторной мельнице золотосодержащих руд Билибинского ГОКа.

3.2.2 Экспериментальные исследований влияния магнитно-импульсной обработки на ударное измельчение в копре золотосодержащих руд Кумторского месторождения.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4 ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ПО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМУ РАЗУПРОЧНЕНИЮ ЗОЛОТОСОДЕРЖАЩИХ НЕМАГНИТНЫХ РУД.

4.1 Опытно-промышленные испытания технологии электромагнитного разупрочнения золотосодержащих руд ЗАО «Руда».

4.2 Результаты опытно-промышленных экспериментов по повышению производительности мельницы при использовании магнитно-импульсной обработки

4.3 Расчет энергетических параметров промышленной установки для магнитно-импульсной обработки руд.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ ДЛЯ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ ЗОЛОТОСОДЕРЖАЩИХ

СЛАБОМАГНИТНЫХ РУДНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

5.1. Методика оценки параметров установки для магнитно-импульсной обработки золотосодержащих слабомагнитных рудных материалов.

5.2 Пример оценки параметров установки для магнитно-импульсной обработки (МИО) золотосодержащих слабомагнитных рудных материалов.

5.3 Расчет экономического эффекта от внедрения методики оценки параметров установки для магнитно-импульсной обработки (МИО) золотосодержащих слабомагнитных рудных материалов.

5.4 Оценка экономической целесообразности внедрения технологии МИО на золотоизвлекательных фабриках.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование параметров магнитно-импульсного способа разупрочнения коренных золотосодержащих руд при их рудоподготовке"

Процесс рудоподготовки в технологии обогащения различных руд преследует цель создания условий, обеспечивающих максимальную степень извлечения полезного компонента при минимально возможных ресурсозатратах. Как правило, этот процесс связан с измельчением руды до крупности меньше меньшего размера зерна полезного компонента с последующим его извлечением тем или иным физическим или химическим способом.

Самым энергоемким и дорогостоящим процессом при добыче и обогащении минерального сырья является их разрушение. Так, например, на железорудных ГОКах России на долю этого процесса приходится 70% всех энергозатрат (~30 кВт-ч/т руды) [1]. Из всех технологических процессов разрушения, а это бурение, взрывание, дробление и измельчение, наиболее энергозатратным является измельчение (-26 кВт*ч/т руды) [1]. В горной промышленности США на долю дробления и измельчения приходится 29,3 млрд. кВт-ч в год [2], что составляет 45% от всей потребляемой горной промышленностью США электроэнергии.

В золотодобывающей отрасли, а так же при добыче полиметаллических руд измельчение является одним из затратных технологических процессов. Это связано, прежде всего, с тем, что в настоящее время около 50% золота в России добывается из коренных месторождений (в мире 98 %) [3], при этом руды коренных месторождений чаще всего характеризуются как прочные, устойчивые к тонкому измельчению, абразивные.

Решение задачи ресурсосбережения чл.-корр. АН СССР В.И. Ревнивцев [4, 5, 6] видел, главным образом, в разработке способов и технических средств направленного воздействия на руду при рудоподготовке различными полями с целью снижения ее прочности, избирательности измельчения и полноты раскрытия зерен извлекаемых минералов.

Известно, что основным сырьем для получения железа в России являются железистые кварциты объем добычи которых составляет порядка 360 млн. т в год. Задача их разупрочнения очевидна и рассматривается в первую очередь. Вместе с тем, для обоснования актуальности разупрочнения слабомагнитных руд, к которым относятся золотосодержащие руды коренных месторождений, проведен анализ годовых объемов переработки золотосодержащих руд и железистых кварцитов, а также удельной стоимости продукции с 1 т руды на предприятиях России (таблица 1.).

Таблица 1. Годовые объемы добычи и удельные стоимости продукции на предприятиях в России, добывающих железистые кварциты и золотосодержащие руды коренных месторождений

Показатель Железные руды Золотосодержащие руды

Объем производства продукции в год(в России) 120 млн.т. (концентрат + окатыши) 85 т (золото из коренных месторождений)

Цена единицы продукции -1700 руб/т -1000 руб/г

Годовой объем перерабатываемой руды —360 млн. т -17 млн. т

Стоимость продукции 120-106т х 1700 р/т=204 млрд.руб. 85 -ЮбгхЮОО руб/г = 85 млрд. руб.

Стоимость продукции с 1 т перерабатываемой РУДЫ 204-109 руб 360-106m ~570руб/т 85-109 руб 17-106ш «5000руб/т

Анализ показал, что хотя объемы добычи золотосодержащих руд на порядок меньше чем объем добычи железистых кварцитов, удельная стоимость продукции с 1 т руды в 10 раз выше и поэтому можно сказать, что повышение эффективности предприятия по продукции на 10 % в золотодобывающей отрасли (с 5000 р/т до 5500 р/т) аналогично примерно двукратному повышению в железодобывающей (с 570 р/т до 1070 р/т).

Основные минералы в коренных золотосодержащих рудах (кварц, пирит, арсенопирит, карбонаты, окислы) являются диамагнитными в отличие от ферримагнитного основного минерала в железистых кварцитах — магнетита, поэтому золотосодержащие руды являются по своим свойствам слабомагнитными.

Академик Чантурия В.А. предлагает [7] для снижения потерь при переработке тонковкрапленных руд без образования сростков и одновременно без излишнего переизмельчения заменять неселективные традиционные процессы дробления и измельчения в щековых, конусных дробилках и шаровых мельницах на процессы селективной дезинтеграции. Физический смысл перехода к селективной дезинтеграции руды при измельчении заключается в организации процесса таким образом, чтобы разрушение происходило не по случайным направлениям сжимающих усилий, а преимущественно по границам минеральных зерен в результате развития на их границах сдвиговых и растягивающих напряжений.

Одним из перспективных направлений по снижению энергоемкости измельчения руды и повышению извлечения полезного компонента является ее разупрочнение путем магнитно-импульсной обработки (МИО) [8].

Использование электромагнитного разупрочнения показало свою эффективность как при обработке магнитных руд (железистых кварцитов), так и немагнитных (золотосодержащих кварцитов, сульфидных и карбонатных руд). Применение данной технологии для магнитных руд является закономерным процессом в силу наличия высокой магнитной восприимчивости руды и протекания при этом известных эффектов преобразования магнитной энергии в механическую (магнитострикция). Механизм преобразования энергии электромагнитных полей в механическую работу для немагнитных поликристаллов (например кварца) недостаточно изучен.

Вопросам ресурсосбережения при рудоподготовке посвящены научные публикации Ревнивцева В.И., Чантурия В.А., Новика Г.Я., Викторова С.Д., Зильбершмидта М.Г., Кузьмина В.А., Бунина И.Ж., Лунина В.Д., Котова Ю.А., Нистратова В.Ф., Гончарова С.А, Бруева В.П. и др.

Изложенное выше свидетельствует о том, что проблема снижения энергозатрат при разрушении минерального сырья и особенно при его измельчении является важной народнохозяйственной задачей и тема диссертации «Обоснование механизма электромагнитного разупрочнения немагнитных руд в процессах рудоподготовки» актуальна.

Цель: заключается в обосновании параметров магнитно-импульсного способа разупрочнения коренных золотосодержащих руд на основе закономерностей поведения микродефектов кристаллической решетки, обеспечивающих снижение удельной энергоемкости их помола.

Идея работы заключается в разупрочнении межзерновых связей в коренных золотосодержащих рудах за счет направленного резонансного воздействия электромагнитного поля на заряженные микродефекты и дислокации в.породообразующих минералах.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна

1. Впервые установлено, что в минералах с ковалентной связью, под действием импульсного электромагнитного поля возникают силы Кулона и Лоренца, действующие на электрические заряды в области ядер дислокаций, что вызывает снижение удельной энергии образования единицы новой поверхности при разрушении таких минералов и обеспечивает уменьшение энергоемкости их измельчения.

2. Впервые установлено, что при магнитно-импульсной обработке горных пород имеет место их максимальное разупрочнение при длительности импульсов в диапазоне 10" - 10" с. Наиболее интенсивное перемещение заряженных дефектов в породообразующих минералах наблюдается при близости значений обратной величины длительности импульсов поля и собственной частоты дефектов, величина которой прямо пропорциональна корню квадратному от плотности дислокаций и обратно пропорциональна корню квадратному от произведения плотности минерала, его диэлектрической проницаемости и постоянной его кристаллической решетки.

3. Впервые установлено, что длительность электромагнитного импульса, обеспечивающего наиболее эффективное разупрочнение на этапе подготовки золотосодержащего минерального сырья к обогащению прямо пропорциональна величине среднего геометрического постоянной решетки основного минерала в руде и размеру зерна.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждаются:

- использованием основ механики разрушения горных пород, I фундаментальных законов о строении кристаллической решетки минералов и законов электродинамики; использованием апробированных лабораторных методов и оборудования исследований физико-механических свойств минералов;

- необходимым и достаточным числом проведенных экспериментов;

- сходимостью полученных результатов теоретических исследований с экспериментальными результатами.

Научное значение работы заключается:

- в теоретическом обосновании процесса разупрочнения коренных золотосодержащих руд электромагнитным полем;

- в выявлении закономерностей изменения механических напряжений, действующих на дислокации в кристаллической решетке минералов под действием электромагнитного поля.

Практическое значение работы состоит:

- в обосновании параметров магнитно-импульсной обработки (МИО) коренных золотосодержащих руд, обеспечивающих их разупрочнение перед измельчением.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Разработанная «Методика оценки параметров установок для магнитно-импульсной обработки (МИО) золотосодержащих слабомагнитных рудных материалов» принята ФГУП ЦНИГРИ к использованию при проведении предварительных лабораторных испытаний по интенсификации извлечения золота из упорных золотосодержащих материалов на этапе цианирования.

На ЗАО «Руда» прошла опытно-промышленная апробация техники и технологии магнитно-импульсной обработки золотосодержащих руд перед их измельчением в мельнице, которая показала, что выход готового класса -0,074 мм в сливе мельницы увеличивается на 11 %.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка - 2006» и «Неделя горняка - 2007», на Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (НТТМ-2006) Москва, ВВЦ (получена премия I степени для поддержки талантливой молодежи), на Всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности (ЮРГТУ НПИ, 2007), на XII международной экологической конференции студентов и молодых ученых «Горное дело и окружающая среда. Инновации и высокие технологии XXI века» (МГГУ, 2008).

Публикации.

Основные положения диссертационного исследования опубликованы в 7 научных работах, в том числе 2 статьях в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 14 рисунков, 35 таблиц, список литературы из 105 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Иванов, Виталий Юрьевич

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5

1. Представлена методика оценки параметров установки для магнитно-импульсной обработки (МИО) золотосодержащих слабомагнитных рудных материалов в виде алгоритма.

Методика предназначена для предварительного оценочного определения области режимов магнитно-импульсной обработки, включая частоту (длительность) одного импульса и величину амплитуды напряженности импульсного электромагнитного поля при МИО золотосодержащих слабомагнитных рудных материалов, а также для определения класса техники для МИО по высоковольтности.

Исходными данными в методике являются: крупность измельчения руды, средний размер зерен полезного компонента и содержание полезного компонента в руде, плотность вмещающего минерала, требуемый объем переработки (т/ч), соотношение жидкого к твердому в пульпе, постоянная решетки, предел прочности на сдвиг, относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости вмещающего минерала, плотность минерала, содержащего полезный компонент, удельный заряд дислокаций и их плотность во вмещающем минерале, скорость потока пульпы.

Область применения методики - лабораторные исследования по магнитно-импульсному разупрочнению золотосодержащих рудных материалов коренных месторождений на стадии рудоподготовки и магнитно-импульсной интенсификации процессов выщелачивания при реагентном извлечении золота.

2. Приведена оценка экономической целесообразности внедрения технологии МИО на золотоизвлекательные фабрики с целью повышения производительности по руде. Окупаемость технологии составит немногим более 2 месяцев при повышении производительности по руде на 1 % (на практике необходимо минимально 5%). При размещении МИО перед операциями цианирования (для повышения извлечения) окупаемость i инвестиций в технологии — 2 месяца при обеспечении повышения извлечения золота на 1 % и цене оборудования ~ 5 млн. руб.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Иванов, Виталий Юрьевич, Москва

1. Гончаров С.А. Физико-технические основы ресурсосбережения при разрушении горных пород. М.: Изд-во Московского государственного горного университета - 2007. — 211 с.

2. Баранов В.Ф. Обзор мировых достижений и проектов рудоподготовки новейших зарубежных фабрик. — М.:

3. Лешков В.Г., Бельченко Е.Л., Гузман Б.В. Золото Российских недр. М.: АО «ЭКОС»,2000. - 628 с.

4. Ревнивцев В.И. Задачи научно-исследовательских и опытно-конструкторских организаций по совершенствованию рудоподготовки. — Обогащение руд, 1977, № 6 (134), с.4-7.

5. Ревнивцев В.И. Современные направления совершенствования развития рудоподготовки. — Совершенствование рудоподготовки, Ленинград, 1980, с. 3-7.

6. Ревнивцев В.И., Гапонов Г.В., Загорский Л.П. и др. Селективное разрушение минералов. -М: Недра, 1988, 256 с.

7. Чантурия В.А. Перспективы устойчивого развития горноперерабатывающей индустрии России. Москва, Горный журнал, №2, 2007, стр. 2-9

8. Евразийский патент № 003853, МПК В02С19/18 Способ разупрочнения материалов кристаллической структуры и устройство для его осуществления / Ананьев П.П., Гончаров С.А. и др.

9. Тангаев И.А. Энергоемкость процессов добычи и переработки полезных ископаемых. М.: Недра, 1986. - 231 с.

10. Викторов С.Д., Иофис М.А., Гочаров С.А. Сдвижение и разрушение горных пород. М.: Наука, 2005 277 с.

11. Вал.А. Дорошенко, М.М. Пикалев, В.А. Дорошенко В кн.: Прочность материалов и элементов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагружения. Докл. III Всесоюзн. сем. Наук, думка, Киев (1983). с. 181.

12. Отчет о НИР. Тема: «Разработка техники и технологии магнитно-импульсной обработки железной руды с целью ее разупрочнения перед измельчением». Морит Р.Е. МГТУ 1998 год.

13. Гончаров С.А., Ананьев П.П., Бруев В.П. «Математическое моделирование процесса разупрочнения железистых кварцитов при их магнитно-импульсной обработке (МИО)». Москва, Горный информационно-аналитический бюллетень, №10, 2005, стр.5-9.

14. Жога Л.В., Шильников А.В., Шпейзман В.В. Влияние электрического поля на разрушение сегнетокерамики. Физика твердого тела, 2005, том 47 вып. 4с.628-631.

15. Шпейзман В.В., Жога JI.B. Кинетика разрушения поликристаллической сегнетокерамики в механических и электрическом полях. Физика твердого тела, 2005, том 47 вып. 5 с.843-849.

16. К. Окадзаки Технология керамических диэлектриков. Энергия, М.: 1976. 336 с.

17. Бондаренко Е.И., Топалов В.Ю., Турик А.В. Кристаллография 1992. т. 37, вып. 6, с 1572.

18. Гончаров С.А., Крылова Г.С., Седельникова Г.В., Ананьев П.П., Мартынов Ю.А., Иванов В.Ю. «Применение магнитно-импульсной обработки золотосодержащих руд и концентратов при их цианировании» Горный журнал, 2006, №10, стр. 58-60.

19. Большая советская энциклопедия. Том 30. Стр.110. Статья «Электрострикция».

20. Гончаров С.А., Ананьев П.П., Дацко С.А., Бельченко Е.Л., Томаев В.К. «Применение электромагнитной обработки минерального сырья с цельюсоздания ресурсосберегающей технологии его измельчения». Москва, Горный журнал, №3, 2002, стр.21-24.

21. Гончаров С.А., Ананьев П.П., Дацко С.А., Мартынов Ю.А., Осташевский А.А. «Использование электромагнитной обработки золотосодержащих руд на этапе измельчения и цианирования». Москва, Горный информационно-аналитический бюллетень, №7, 2004, стр.5-7.

22. Нистратов В.Ф. Долголаптев А.В., Образцов А.П. Изменение прочностных свойств руд в переменных электромагнитных полях высокой интенсивности. М.: Горный информационно-аналитический бюллетень № 10, 2000, С 60-64.

23. Нистратов В.Ф. Долголаптев А.В., Образцов А.П. Перспективы создания новой технологии переработки углей. Научные сообщения Национального научного центра горного производства — Института горного дела им. А.А. Скочинского, 333. 2007. '

24. Нистратов В.Ф. Долголаптев А.В., Образцов А.П. Возможные технологии разрушения массива горных пород. Научные сообщения Национального научного центра горного производства Института горного дела им. А.А. Скочинского, 334, 2008.

25. Нистратов В.Ф., Будаев С.С„ Мартинцов С.М. Микроволновая обработка углей в технологиях их обогащения. Горный журнал №2 2009 С 77-80.

26. Новик Г.Я., Зильбершмидт М.Г. Управление свойствами пород в процессах горного производства. М., Недра, 1994., 224 с.

27. Дмитриев А.П., Зильбершмидт М.Г. Физические принципы управления технологическими параметрами горных пород. — М.: МГГУ, 1989.

28. Кузьмин- В.А. «Разработка способов разупрочнения фосфоритных руд тепловыми и электромагнитными полями с целью повышения эффективности их измельчения». Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва 1980 год.

29. Явтушенко О.В., Коробской В.К. .Исследование воздействия СВЧ-энергии на некоторые горные породы. Сб. "Механика и разрушение горных пород", ч. 4. Киев, 1976, 142 144

30. Коробской В.К., Абкин Е.Б., Челышкина В.В. Исследование электромагнитных характеристик магнетитовых руд в СВЧ-диапазоне радиоволн. Изв. вузов. Горный журнал, 1988, № 8, 113-116.

31. Абкин Е.Б. и др. Измельчение руд с применением электромагнитной энергии СВЧ. Обогащение руд (Ленинград), 1986, № 6, 2-5.

32. Walkiewicz J.W., Clark А.Е., McGill S.L. Microwave-assisted grinding. IEEE Trans, on Industry Appl., 1991, 27, № 2, 239-243.

33. Bond F.C. Crushing and grinding calculations. Brit. Chem. Eng., 1960, 6, 378-385, 543-548.

34. McGill S.L., Walkiewicz J.W., Smyres G.A. The effects of power level on the microwave heating of selected chemicals and minerals. Proc. Materials Res. Soc. Symp. Microwave Processing Materials, Reno, 1988, 124, 247-253.

35. Haque K.E. Microwave irradiation pretreatment of a refractory gold concentrate. Proc. of the Internet. Symposium on gold metallurgy. Winnipeg, Canada, 1987, 327-339.

36. Колесник В.Г. и др. Влияние СВЧ-обработки на извлечение золота из минерального сырья. Цветные металлы, 2000, № 8, 72-75.

37. Лунин В.Д. и др. Модель процесса микроволнового воздействия на упорный золотосодержащий концентрат. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых (Новосибирск), 1997, № 4, 89-94.

38. Чантурия В.А. и др. Вскрытие упорных золотосодержащих руд при воздействии мощных электромагнитных импульсов. Доклады РАН, 1999, 366, №5, 680-683.41