Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Повышение эффективности процессов скважинного подземного выщелачивания урана в условиях освоения сложных гидрогенных месторождений России

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности процессов скважинного подземного выщелачивания урана в условиях освоения сложных гидрогенных месторождений России"

На праеахяукопуЬи ¿¡0

Басов Владимир Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ СКВАЖИННОГО ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ УРАНА В УСЛОВИЯХ ОСВОЕНИЯ СЛОЖНЫХ ГИДРОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ РОССИИ

Специальность - 25.00.22 «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2005

Работа выполнена в Московском государственном геологоразведочном университете имени Серго Орджоникидзе (МГГРУ) и Федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт химической технологии» (ФГУП «ВНИИХТ»)

Научный руководитель - профессор Лобанов Дмитрий Петрович

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Нестеров Юрий Васильевич

- кандидат технических наук Рудаков Виктор Матвеевич

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья имени Н.М. Федоровского» (ФГУП «ВИМС»)

Защита состоится 16 июня 2005 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д.212.121.08 в Московском государственном геологоразведочном университете имени Серго Орджоникидзе по адресу: 117485, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23, в аудитории 6-87

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного геологоразведочного университета имени Серго Орджоникидзе

Автореферат разослан «К/» мая 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного сов доктор технических наук, профессор

м±1

гьг^гг

Актуальность работы.

После распада СССР Россию в полной мере коснулась мировая проблема растущего дефицита урана, исчерпание его на складах и отсутствие достаточного количества разведанных запасов в недрах.

Стратегическая задача развития атомной промышленности и обеспечение безопасности России неразрывно связаны с освоением гидрогенных месторождений урана в Зауралье, Западной Сибири, Забайкалье и ряде других перспективных регионов. Реализация этих жизненно важных задач требует широкого внедрения физико-химических геотехнологий (ФХГ)> всестороннего совершенствования прогрессивного скважинного подземного выщелачивания (СПВ), повышения его эффективности на всех стадиях освоения месторождений урана.

Мировая и отечественная практика решения подобных сложных задач показывает, что в сложной физико-химической гетерогенной системе в условиях анизотропной изменчивости геолого-геотехнологических параметров продуктивных горизонтов гидрогенных месторождений урана требуется широкое привлечение геоинформационных технологий и, в частности, программного продукта на основе моделирования.

Органическое включение геоинформационных технологий на всех стадиях внедрения СПВ открывает возможность без дополнительных затрат на дорогостоящие и длительные опытно-промышленные работы эффективно осуществлять геотехнологические процессы в ходе освоения отечественных гидрогенных урановых месторождений.

Цель работы. Научно-геотехнологическое обоснование повышения эффективности процессов СПВ на различных стадиях освоения гидрогенных урановых месторождений России.

Идея работы заключается в широком применении комплексного моделирования для экспертного прогнозирования основных геотехнологических параметров, оптимизации, интенсификации и управления процессами СПВ с адаптированием к реальным условиям освоения гидрогенных урановых месторождений России.

Задачи исследований:

На основе выполненных теоретических обобщений, анализа литературных и фондовых материалов по разработке и перспективам развития метода СПВ, изучения опыта освоения отечественных и зарубежных гидрогенных урановых месторождений, а также современных тенденций совершенствования геотехнологии и геоинформатики, автором сформулированы следующие задачи исследований:

1. Оценка возможности и эффективности применения физико-математических моделей СПВ в условиях неравномерности распределения содержания полезного компонента (урана) в плане и разрезе продуктивного горизонта.

2. Экспертное прогнозирование геотехнологических параметров отработки промышленных блоков СПВ урана из руд с различным содержанием полезного компонента.

3. Изыскание параметров адаптации физико-математической модели к конкретным условиям осваиваемых методом СПВ гидрогенных месторождений урана.

4. Выбор оптимальных схем расположения геотехнологических скважин (ГТС) на горном отводе гидрогенного уранового месторождения на основе физико-математического моделирования СПВ.

5. Оценка ореола растекания выщелачивающих растворов (ВР) за контуры добычных участков СПВ при нарушении геометрии сети расположения ГТС.

6. Разработка комплексной методики управления процессами СПВ на различных стадиях освоения гидрогенного уранового месторождения.

7. Формулирование модернизированной физико-математической модели процессов СПВ, учитывающей присутствие в продуктивном горизонте основных кислотопоглощающих минералов.

8. Решение тестовых задач моделирования добычи урана методом СПВ в трехмерном продуктивном горизонте.

Методы исследований. Использован комплексный метод исследований, включающий: обобщение и анализ библиографических и патентных материалов мирового опыта СПВ урана, а также фондовых документов; анализ физико-химических процессов, сопутствующих разработке месторождений полезных ископаемых методом СПВ; моделирование гидродинамики процесса СПВ с оценкой ореола растекания ВР за контуры опытного полигона, а также кинетики процесса выщелачивания руд с различным содержанием урана; моделирование различных схем вскрытия месторождения и выбор оптимальной; аналитическое обоснование методов оптимизации процессов выщелачивания; сравнение полученных экспериментальных данных с результатами натурных исследований.

Основные защищаемые научные положения:

1. Оптимизация параметров геотехнологических процессов СПВ с учетом комплекса физико-геологических особенностей осваиваемых гидрогенных урановых месторождений, в условиях высокой природной неоднородности продуктивных горизонтов по мощности и содержанию урана, изменения геометрии сети геотехнологических скважин, достигается корректированием гидродинамических и кислотных режимов работы добычного участка с применением физического и численного моделирования, позволяющим определить оптимальную схему вскрытия месторождения, прогнозировать основные геотехнологические параметры, интенсифицировать гидродинамику растворов и кинетику выщелачивания полезного компонента.

2. Устойчивое управление количественно-качественными показателями СПВ урана гидрогенных месторождений в сложной физико-химической многофазной гетерогенной системе достигается методически обоснованным выбором схемы расположения закачных и откачных геотехнологических скважин (гексагональной, квадратичной, рядной и др.) с учетом пространственного ориентирования отрабатываемого продуктивного горизонта залежи, когда критерием оптимальности принятого решения является полнота извлечения урана из балансовых руд и себестоимость 1 кг закиси-окиси (и308).

3. Прогрессивное развитие метода СПВ урана требует экспертного прогнозирования принимаемых решений при освоении известных отечественных и разведуемых гидрогенных месторождений и предопределяет широкое использование физико-математического моделирования, при котором необходимо и достаточно учитывать только основные технико-экономические показатели геотехнологического процесса (содержание полезного компонента и концентрация серной кислоты в продуктивных растворах (ПР)) с глубоким изучением физико-химических процессов, протекающих в горной среде, влияющих на эти показатели.

4. Установлено, что моделирование процессов СПВ с использованием данных опытно-промышленных работ позволяет не только анализировать гидродинамику растворов и кинетику выщелачивания урана на различных этапах освоения месторождения, но и открывает возможность поиска путей оптимизации кислотности выщелачивающих растворов и режима подачи их в продуктивный горизонт.

Научная новизна работы.

1. Установлено, что для определения основных технико-экономических показателей (концентрация урана и остаточная концентрация серной кислоты в ПР) при освоении гидрогенных урановых месторождений методом СПВ, физико-математическая модель должна основываться только на основных параметрах и физико-геологических факторах.

2. Установлено, что моделирование гидродинамики выщелачивающих растворов и кинетики выхода полезного компонента с учетом сложившихся реальных природных характеристик месторождения позволяет выбрать оптимальную схему расположения геотехнологических скважин, режим кислотности и подачи в продуктивный горизонт ВР.

3. Определено, что оптимизировать процесс отработки добычного участка СПВ, с учетом неоднородности продуктивного горизонта по мощности и содержанию полезного компонента при нарушенной геометрии сети ГТС, возможно корректированием гидродинамического и кислотного режимов работы с применением комплексной физико-математической модели.

4. Предложен способ интенсификации СПВ урана в условиях растекания выщелачивающих растворов за контуры добычного полигона, заключающийся в анализе гидродинамики ВР, локализации зон пассивного закисления рудных залежей, проектировании и строительстве эксплуатационных блоков СПВ.

5. Доказано, что применение моделирования движения ВР и кинетики добычи урана позволяет существенно интенсифицировать процесс СПВ на различных стадиях освоения гидрогенных месторождений.

6. Сравнением различных схем вскрытия моделированием установлено, что при освоении Хиагдинского гидрогенного месторождения урана наилучшие результаты достигаются при использовании рядной схемы расположения геотехнологических скважин, ориентированных по падению рудной залежи.

7. Разработана методика создания геоинформационно-управляющей модели на различных стадиях освоения отечественных гидрогенных урановых месторождений методом СПВ.

Достоверность и обоснованность научных положений подтверждается изучением статистического материала, характеризующего руды Хиагдинского, Хохловского и Далматовского месторождений урана; выполненным объемом аналитических исследований физико-химических процессов добычи полезного компонента методом СПВ; результатами физико-математического моделирования гидродинамики выщелачивающих растворов и кинетики добычи урана; сходимостью результатов моделирования процесса СПВ с фактическими данными эксплуатационных работ; положительными результатами внедрения комплекса выполненных исследований в практику освоения Хиагдинского, Хохловского и Далматовского месторождений урана.

Личный вклад автора состоит в получении, обобщении и критическом анализе данных о состоянии научных основ и практики СПВ урана, тенденциях развития и вопросах его научно-технического обеспечения; проверке адекватности применяемой физико-математической модели СПВ урана при экспертном прогнозировании геотехнологических параметров и управлении процессом выщелачивания на российских участках и объектах; решении задач применения моделирования процессов СПВ при освоении российских гидрогенных месторождений урана на различных этапах разработки с целью повышения эффективности СПВ; разработке комплексной модели управления процессами СПВ урана на основе новейших геоинформационных технологий, включающую в себя цифровую трехмерную модель объектов СПВ, и физико-математические модели гидродинамики растворов и кинетики выщелачивания полезного компенента; модернизации физико-математической модели СПВ с учетом влияния основных кислотопоглощающих минералов на расход ВР.

Практическая ценность работы заключается в создании комплексной системы управления процессом СПВ урана из гидрогенных месторождений в условиях неравномерного распределения оруденения, сложных геолого-гидродинамических и геотехнологических условиях, при несовершенстве схем вскрытия месторождения с широким привлечением физико-математических моделей, адаптированных к реальным условиям деятельности геотехнологических уранодобывающих предприятий.

Реализация работы в промышленности.

Работа выполнена в рамках программы научно-исследовательских работ лаборатории ПВ-1 Всероссийского научно-исследовательского института химической технологии (ФГУП «ВНИИХТ»).

Результаты исследований внедрены в практику работы на Хиагдинском, Хохловском и Далматовском гидрогенных месторождениях урана, используются при экспертном прогнозировании, составлении исходных данных для проектирования и строительства на этих месторождениях промышленных предприятий по добыче урана методом СПВ.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в шести отчетах по научно-исследовательской работе (фонды ФГУП «ВНИИХТ»), опубликованы в двух научно-технических статьях и девяти тезисах докладов на Международных научно-практических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложеных на по страницах компьютерного текста, содержит

приложений.

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований.

В первой главе проанализированы проблемы развития СГТВ урана в России, отражены вопросы применения методов физико-математического моделирования для отечественных гидрогенных месторождений урана, дается обоснование задач исследований.

Во второй главе приведено краткое описание применяемой физико-математической модели, обоснована и подтверждена возможность выбора оптимальной схемы расположения ГТС на площади месторождения и прогнозирования основных геотехнологических параметров отработки руд комплексным моделированием на стадии проектирования предприятия СПВ, дана методика создания геоинформационной модели продуктивного горизонта участка гидрогенного уранового месторождения.

В третьей главе обоснована возможность управления процессами СПВ с использованием методов физико-математического моделирования на стадии активной отработки рудных залежей гидрогенных месторождений урана, приведена методика применения геоинформационно-управляющей модели на различных стадиях освоения отечественных гидрогенных урановых месторождений.

В четвертой главе приводится описание созданной модернизированной физико-математической модели СПВ, учитывающей влияние основных

кислотопоглощающих минералов, присутствующих во вмещающих породах продуктивного горизонта, на расход серной кислоты, дано решение тестовой задачи по прогнозированию геотехнологических параметров добычи урана участка гидрогенного месторождения методом СПВ и сопоставление результатов моделирования с фактическими данными с целью выявления адекватности модернизированной модели.

В заключении приведены основные выводы по работе и дано обоснование направлений совершенствования и развития моделирования СПВ.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность своему научному руководителю профессору Лобанову Дмитрию Петровичу за постоянную поддержку и помощь в работе, всему коллективу кафедры «Геотехнология руд редких и радиоактивных металлов» МГГРУ имени Серго Орджоникидзе, сотрудникам лаборатории ПВ-1 ФГУП «ВНИИХТ», отдельно профессорам, д.т.наук Малухину Н.Г., Маркелову C.B., Фазлуллину М.И., к.г.-м.наук Гордиенко O.E. и Ромашкевич Р.И. за полезные критические замечания.

Основное содержание работы.

Большой вклад в становление и развитие теории и практики СПВ, направленных на повышение эффективности добычи полезных ископаемых, внесли: Абдульманов И.Г., Арене В.Ж., Баташов Б.Г., Бахуров В.Г., Белецкий В.И., Бровин К.Г., Бубнов В.К., Веригин Н.И., Водолазов Л.И., Воробьев А.Е., Гайдин A.M., Голик В.И., Грабовников В.А., Зефиров А.Н., Каше М.Н., Кочетков В.И., Кротков В.В., Котенко Е.А., Культин Ю.В., Лаверов Н.П., Лобанов Д.П., Лунев Л.И., Луценко И.К., Малухин Н.Г., Мамилов В.А., Маркелов C.B., Мосев А.Ф., Нестеров Ю.В., Новосельцев В.В., Новик-Качан В.П., Носов В.Д., Осмоловский И.С., Петров Р.П., Сергиенко И.А., Солодов И.Н., Толстов Е.А., Фазлуллин М.И., Фарбер В .Я., Шмариович Е.М., Шумилин И.П., Щеголев Д.И., Щепетков А.П., Язиков В.Г.,

и ряд других исследователей.

Для уранодобывающих предприятий, занимающихся добычей урана методом СПВ увеличение степени извлечения металла из рудных залежей, снижение себестоимости конечной продукции и повышение экологической безопасности разработки и сегодня являются основными взаимосвязанными задачами. Решение поставленных задач требует прогноза изменения состояния системы «выщелачивающий раствор - подземные воды - вмещающая среда». Динамика такой системы зависит от структуры продуктивного горизонта и определяется совокупностью взаимосвязанных гидродинамических и физико-химических процессов.

Массоперенос в пористой среде осуществляется под действием градиента давления и гравитационных сип. Поле давления определяется фильтрационными условиями продуктивного горизонта, расположением и режимом работы Г ГС. Подземные водоносные горизонты состоят из весьма различных по своему составу и гидрогеологическим свойствам пород. Для водоносных горизонтов, к которым приурочена добыча урана методом СПВ, это, как правило, чередующиеся пропластки песчаных и глинистых пород. Коэффициент фильтрации таких порот различается в широких пределах - от десятков м/сут штя крупнозернистых, до величины порядка п*10"4-1(Г7 м/сут для глин и супинков. Таким образом, гпя прогнозирования процесса СПВ нужно рассматривать гидрогеологические я геохимические процессы с учетом вертикальных и горизонтальных неоднородное] ей строения продуктивного горизонта. Это трудоемкое и дорогостоящее исследование может быть выполнено на основе комплексного физико-математического моделирования процессов СПВ. происходящих я продуктивном горизонте.

Моделирование в современной науке как метод познания накопит применение в самых различных областях знаний физике, химии, биолоши, экономике, геологин, и г д. В эту область геоинформатики внесли вклад своими исследованиями многие ученые, среди которых Ащихмин A.A., Гави1' И.К., Глухой Б.П., Голубев B.C., Крашин ИИ., Кричевец Г.Н., Кошелов В.П., Нафгулин И.Г, Резниченко С.С., Романов ТП., Хчеян Г.Х , Юсупов VI.. Kabir МЛ., Bommer R,M , Schmidt R.D и многие другие.

Математические модели используют математическую аналогию, физические - физическое подобие исследуемого и моделируемого процессов. Физико-математические - объединяют то и другое Натурная модель может бьть найдена или создана в природе и представляет собой натурный г>нагог исследуемою об te ста При исследовании процессов СПВ в настоящее время широко исподьз> -о хя все виды моделей Наиболее универсальными являются физико-матемачиче! кие модечи. гак как натурные дорогостоящи и требуют больших '.атра! времени ляя исследований Универсальность физико-математические Moieieíí кореллируется с общим методологическим принципом «трехаспскт ro o елинстча», основанном на постулате, где ни одт явление, процесс, ге< гечн,>лопше:кпя схема добычи полезных ископаемых ФХГ не могут быть адекВЕШ) описаны и объяснены вне системы трех координат отралсаюшич физико-reojог теше ги»1рогеолсгические, физико-химические н ге\ншс-экономичес .ж ;:ioi;¡ я их протекания. Для реализации танис-iо принц шд необходимо Kai; \кашвнется в иСкпах , .г.н. профессора А ре не д В Ж, рассматривг ть пи <коордича1ьг> в качестве активно взаимодействующих факторов Ою об гоятезьство попюяяет нредпохi>».ить. 1 го физико-математическте vo' елирование буд:т одним из основных рилов исследовании

геотехнологических процессов СПВ.

Современное состояние моделирования СПВ показывает, что для решения проблем эффективного функционирования СПВ необходимо иметь совокупность моделей, включающую: физико-математическую модель физико-геологической среды; математические модели гидродинамики растворов и кинетики выщелачивания полезного компонента; средства адаптации к конкретным горногеологическим условиям и режимам функционирования объектов СПВ; средства графического отображения результатов физико-математического моделирования.

В основном, все существующие модели строятся на базе достаточно простой модели гидродинамики, не учитывающей объемности структуры потока ВР. Одной из основных задач при освоении гидрогенных урановых месторождений является разработка их объемных моделей, учитывающих пространственные особеннсти продуктивного горизонта.

Физико-математическое моделирование процессов сернокислотного СПВ совсем недавно (около 5 лет) начало применяться для интерпретации и прогнозирования геотехнологических параметров отработки российских месторождений урана. Накопленный опыт по моделированию процессов СПВ на Далматовском, Хиагдинском и Хохловском гидрогенных месторождениях на различных этапах работ требует глубокого анализа и обобщения с целью определения области его эффективного применения.

Описание применяемого программного комплекса.

Фильтрация растворов и сопровождающие ее физико-химические процессы, обуславливающие, в конечном итоге, процесс добычи урана и его концентрацию в продуктивных растворах происходит в сложных горногеологических условиях. При этом оценка и прогнозирование отработки промышленных блоков возможны только при создании постоянно действующих физико-математических моделей, описывающих механизм миграции в условиях функционирования объектов СПВ.

Пакет прикладных программ "Геотехнология полиэлементных руд", разрабатываемый специалистами ПО «Востокредмет» совместно с коллективом, в котором работает автор, реализует методику решения задач экспертного прогнозирования компонентного состава технологических растворов эксплуатационного блока на произвольный момент времени от начала его функционирования в трехмерном продуктивном горизонте.

Основой математической модели среды являются алгоритмы и программы, позволяющие по данным опробования скважин определить численные значения водно-физических свойств пород (коэффициент фильтрации, активная пористость и т.д.) в произвольной точке пространства моделируемого продуктивного горизонта.

Моделирование гидродинамики заключается в определении поля скоростей фильтрации потока в пространстве водоносного горизонта, расчета траектории движения частиц (элементарных объемов) растворов в зависимости от режимов работы скважин и гидрогеологических условий.

Модель обеспечивает решение как стационарных (постоянство режимов работы объекта), так и нестационарных задач фильтрации. Средства адаптации пакета к конкретным объектам обеспечивают высокую степень сходимости результатов моделирования с фактическими данными.

Средства графического отображения результатов моделирования обеспечивают формирование гидродинамических схем, показывающих структуру фильтрационных потоков с учетом макро- и микро- дисперсии, динамику

изменения во времени фронта растекания геотехнологических растворов в пространстве. Блок-схема работы комплекса приведена на рис. 1.

начало

Входные ппкументы (макегы>

Установка ЧРТИР Л ™ к

ч г информации

Корректировка исходной информации ФормирЖание базы данных, первичная обработка информации

9

Просмотр 4 |

Есть ошибки файла ошибок

Охх

Адаптация моделей ▼ -

Модель среды

Модель пространственного распределения полиэлементных РУД

Адаптация модели геофильтрации

Модель

гидродинамики *

^Рхх

XX

Охх

Адаптация модели ▼

Охх

> вхх

йхх

Модель миграции компонентов-загрязнителей

Модель кинетики выщелачивания

Выходная информация (таблицы, графики, карты)

^ Рхх

вхх

Рис.1. Блок-схема работы программного комплекса «Геотехнология полиэлементных руд»; Охх - выходные табличные документы, вхх - выходные графические документы.

Сопоставление результатов физико-математического моделирования эксплуатационных работ с фактическими данными для выявления адекватности применяемой модели при решении геотехнологических задач.

Проверка адекватности комплексной физико-математической модели при решении задач, связанных с гидродинамикой растворов и кинетикой выщелачивания урана, была проведена с участием автора на участке СПВ «Хиагда». При моделировании эксплуатационных работ в базу данных физико-математической модели СПВ были внесены сведения о кинетических параметрах адаптации модели к условиям Хиагдинского месторождения, данные о гранулометрии и фильтрационных свойствах руд, содержании урана, схеме вскрытия в плане и разрезе продуктивного горизонта с указанием координат устьев скважин, вершин блоков и интервалов установки фильтров, а также информация

о производительности ГТС и средней кислотности выщелачивающих растворов (Юг/л H2S04).

Таблица 1

Сравнительные основные геотехнологические показатели отработки руд на опытно-промышленном участке «Хиагда», полученные в результате физико-математического

моделирования и по фактическим данным отработки по состоянию на 01.01.02

Наименование геотех нологических показателей Ед. изм. Значение показателей

По данным физико-математического моделирования По фактич еским данны м

Суммарный (с начала опыта) объем откачки ПР тыс.м3 430 402

Извлечение урана в ПР т 45 42

Количество извлеченного урана т 40 39

Извлечение урана % 30 28,6

Расход серной кислоты на выщелачивание т 3500 3580

Съем продуктивных растворов с 1т горнорудной массы (ГРМ) (Ж:Т) м3/т 2,62 2,45

Удельный расход серной кислоты кг/кги кг/т 88 21 91 21,8

Среднее содержание урат в ПР: в 2001 году с начала опыта мг/л мг/л 118 105 120 105

Из сопоставления результатов физико-математического моделирования отработки опытного участка с фактическими данными (таб.1) видно, что результаты в целом хорошо согласуются с фактическими данными эксплуатационных работ на опытном участке. Некоторые отклонения по объему откачки ПР и извлечению урана могут быть вызваны нестабильностью работы откачных скважин NN 19 и 20 в 2001г.

Таким образом, сопоставление результатов математических расчетов и фактических данных подтверждают целесообразность использования физико-математической модели процессов СПВ при освоении российских гидрогенных месторождений урана.

Прогнозирование сроков и основных геотехнологических параметров отработки гидрогенного уранового месторождения в условиях широкого диапазона изменчивости содержания полезного компонента.

Группа задач по кинетике процесса СПВ руд с различным содержанием урана с целью экспертного прогнозирования сроков и основных геотехнологических параметров отработки решалась на примере Хиагдинского месторождения урана, руды которого характеризуются высокой изменчивостью содержания полезного компонента (рис.2).

Рис. 2. Распределение продуктивности (изолиниии цвета), кг/м2.

о - откачные скважины • - закачные скважины

Физико-математическая модель процесса СПВ предусматривала решение задач на примере одного и того же опытного блока. Переменной величиной в характеристике опытного блока в каждом конкретном случае являлось только содержание урана в руде, которое составляло: 0,02; 0,033; 0,052; 0,070 и 0,100%.

Из представленных данных (таб. 2) видно, что при правильном ведении процесса СПВ, то есть с соблюдением всех требований геотехнологического регламента, продолжительность отработки руд с содержанием урана 0,020 и 0,033% (без учета периода закисления) составит 2,5 и 3 года при Ж:Т~2 и среднем содержании урана в ПР 60 и 88 мг/л соответственно.

Продолжительность отработки руд с содержанием урана 0,052; 0,070 и 0,100% составит 4,4; 5,2 и 5,5 лет соответственно. Основные геотехнологические параметры отработки руд при этом будут изменяться в пределах: Ж:Т = 3-3,5; кислотоемкость руд 21-26 кг/т руды; средняя концентрация урана в ПР 94-144 мг/л.

Таблица 2.

Расчет основных геотехнологических параметров отработки руд с различным содержанием урана (применительно к рудам Хиагдинского месторождения)____

Содержание урана в руде, % Запасы урана в блоке, т Извлекаемые запасы, т Извлечено урана в ПР, т Продолжительность периода отработки руд, мес. Расход серной кислоты, т Основные геотехнологичские параметры

Ж: Т Кислотоемкость РУД, кг/т Среднее содержание урана в ПР мг/л

0,020 96 77 77 35 10864 1,7 14 60

0,033 158 126 128 39 12104 2,0 16 88

0,052 249 199 200 56 17387 2,9 23 94

0,070 335 268 270 65 20182 3,3 27 108

0,100 478 382 384 69 21421 3,5 29 144

По данным геологоразведочных работ среднее содержание урана в рудах Хиагдинского месторождения составляет 0,052%. Поэтому предварительно можно предположить, что продолжительность отработки руд данного месторождения до уровня 80% извлечения урана в ПР составит ~5 лет при Ж:Т~3, удельном расходе реагента 21 кг/т руды или 80 кг/кг урана и средней концентрации урана в ПР 94 мг/л.

Как следует из данных проведенных исследований, применение физико-математического моделирования на стадии проектирования предприятия СПВ позволяет прогнозировать сроки отработки рудных залежей и основные геотехнологические параметры с учетом широкого диапазона изменчивости содержания полезного компонента.

Выбор оптимальной схемы расположения геотехнологических скважин на площади гидрогенного месторождения урана с использованием физико-математического моделирования.

Моделирование процесса СПВ с целью изучения возможности выбора оптимальной схемы вскрытия рудных тел проводилось на примере участка V залежи Хиагдинского месторождения шириной > 120 м. При этом модель была адаптирована к подсчетному блоку Х5-6-С1, на площади которого разместилось 12 гексагональных ячеек с радиусом 35 м. Наличие геологоразведочных скважин, расположенных по трем профилям на этой-же площади позволило с помощью геоинформационного блока физико-математической модели построить серию геологических разрезов (рис. 3), по которым были определены: распространение и мощности рудных тел, содержание урана по рудным интервалам, интервалы верхнего и нижнего водоупоров, а также интервалы установки фильтров в ГТС.

Рис 3 Геологический разрез по линии разведочных скважин 1869 - 4068д с нанесением проектируемых геотехнологических скважин.

На гидродинамической схеме (рис. 4) движения растворов при различных рассмотренных режимах откачки и подачи их в пласт видно, что при незначительном растекании ВР за контуры участка практически во всех гексагональных ячейках наблюдаются участки не вовлекаемых в отработку руд. По-видимому это и послужило причиной довольно низкого извлечения урана из продуктивного горизонта (55-67 %) при гексагональной схеме вскрытия.

Исходя из того, что максимальное извлечение урана из недр при гексагональной схеме вскрытия рудной залежи не превышало 67 %, представлялось целесообразным изучение эффективности применения для отработки руд Хиагдинского месторождения рядной (поперечной) схемы вскрытия. По рассмотренной выше методике определения исходных геологических и геотехнологических характеристик с применением физико-математического моделирования была создана цифровая трехмерная модель блока, разбуренного по рядной (поперечной) схеме расположения скважин 50X25X20 м (50м - расстояние между рядами скважин, 25м - расстояние между откачными скважинами, 20м -расстояние между закачными скважинами) (рис. 5).

Расчетные данные по добыче урана при рядной (поперечной) схеме вскрытия рудной залежи с дебитом откачных скважин 4 м3/час и 5,5 м3/час показывают, что извлечение урана из недр при подобном ведении процесса достигает соответственно 75 и 78 %.

Гексагональные ячейки

Участки, не

вовлекаемые

^отработку

Интервалы времени (в днях):

Линии тока

растворов

«йГ

№

а: ю.о з: ао.о

4: ЭО.О

9: во.О

с: 90.0 7: 180.О

афв: 13D.O

- ао.о

-ЗО.О -во.о

- 90.0

з 120.0

130.0

аф9

- 18Q.O 9: 1вО.О - аю.о

Ю: аю.о отс! ovar.

Рис. 4. Гидродинамическая схема движения ВР при гексагональной схеме вскрытия

\

1' «л L 1S лз* íu „

, »> МТУ 4

Ряды откачных скважин

Интервалы времени Гв днях):

Ряды закачных скважин

a¡ ю.о - ао.о 3! ао.о - ао.о 4: эо.о - во.о

W s: во .о - эо.о

ГИИШ1 в: »о.о - iao.o

7: 120.0 - iso.о

в: 13Q.O - 18Q.O

9 : leo.о - аю.о

ЮЕ 2Ю.О and ovar..

Рис. 5. Гидродинамическая схема движения ВР при рядной схеме вскрытия

Сопоставление основных геотехнологических параметров отработки руд при гексагональной и рядной (поперечной) схемах вскрытия рудной залежи (таб. 3) с дебитами откачных скважин 4 и 5,5 м3/час показывает, что рядная (поперечная) схема вскрытия в опробованных режимах выщелачивания выгодно отличается от гексагональной схемы. Так, при дебите откачной скважины 4 м3/час извлечение уранг из недр достигает 75 % вместо 66 % при гексагональной схеме; при дебите 5,5 м /час - 78 % вместо 67%, с вполне приемлемыми расходными показателями.

Таблица3

Сопоставление основных геотехнологических параметров отработки руд при гексагональной и >ядной (поперечной) схеме вскрытия рудной залежи с дебитами откачки 4 и 5.5 м3/час_

NN п/п Основные геотехнологические параметры отработки руд Ед. изм. Схемы вскрытия и дебиты откачных скважин, м3/час

гексагональная рядная

4.0 5.5 4.0 5.5

1 Суммарный объем отканки ПР за весь период слежения (60 месяцев) тыс м3 2076 2851 4146 5702

2 Объем откачки ПР с учетом времени отключения откачных скважин тыс.м3 2033 2629 3806 5017

3 Продолжительность работы участка до максимального извлечения урана месяц 59 55 55 53

4 Извлечение урана т % 312 66 315 67 447 75 461 78

5 Ж:Т м3/т 23 3.0 34 45

6 Расход серной кислоты т 20330 26290 38060 50170

7 Удельный расход реагента, кг/т руды кг/кг урана 23 65 30 83 34 85 45 109

8 Средняя концентрация урана в ПР мг/л 117 92 153 120

Результаты физико-математического моделирования процесса СПВ позволили рекомендовать при отработке рудных залежей Хиагдинского месторождения рядную (поперечную) схему расположения ГТС и на стадии проектирования для выбора оптимальной схемы расположения ГТС предложить адаптированную к условиям рассматриваемого месторождения физико-математическую модель процессов СПВ.

Изучение влияния кислотности BP и режима их подачи в продуктивный горизонт на процесс СПВ

Задача по изучению влияния кислотности BP на процесс СПВ решалась на примере «Южного блока» Далматовского гидрогенного месторождения урана.

Сравнительные прогнозные расчеты добычи урана проведены на временном интервале в 300 суток эксплуатации участка с временным шагом 30 суток для общей производительности по растворам 100и150м3/ч на стадии активного выщелачивания при концентрациях серной кислоты в BP 8, 10, 12, 14 г/л. При производительности участка 100 м3/ч удельный съем ПР (Ж:Т) составил 0,38; при производительности 150м3/ч — 0,54. При практически одинаковой зависимости извлечения урана для разных величин концентраций серной кислоты в BP на стадии активного выщелачивания решающее положительное влияние на процесс СПВ оказывает производительность участка по растворам. Рекомендуемый режим

отработки на стадии активного выщелачивания:

производительность участка по растворам 150 м3/ч; концентрация кислоты в ВР 8 г/л.

Основными предварительными рекомендациями по интенсификации отработки руд Далматовского месторождения урана стали: максимально возможное увеличение общей производительности участка по ВР и пропорциональное распределение дебитов геотехнологических скважин в ячейках в соответствии с величинами их горнорудной массы. Увеличение концентрации серной кислоты в ВР на стадии активного выщелачивания нецелесообразно.

Таким образом, установлено, что моделирование процессов СПВ с использованием данных опытно-промышленных работ позволяет не только анализировать гидродинамику движения растворов и кинетику выщелачивания урана на различных этапах освоения месторождения, но и дает возможность поиска путей оптимизации кислотности ВР и режима подачи их в продуктивный горизонт.

Корректировка сроков освоения гидрогенного уранового месторождения на стадии активной отработки методом СПВ.

Возможность и эффективность применения моделирования для уточнения сроков отработки рудных залежей до уровня 80%-го извлечения урана из недр в ПР и принятия решений по оптимизации гидродинамического режима движения ВР с целью достижения проектных величин извлечения была проверена на участке СПВ «Хиагда». При этом моделирование было проведено не только по действующей схеме эксплуатации геотехнологических скважин (вариант 1), но и с переобвязкой их для использования в различных режимах откачки-закачки (вариант 2), а также с дополнительным бурением откачных скважин (варианты 3,4).

Наряду с исходными показателями, характеризующими руды и вмещающие породы (коэффициенты анизотропии, пористости, проницаемости, объемный вес), в физико-математическую модель было заложено остаточное содержание урана по состоянию на 01.04.2004г.

Краткий анализ вариантов отработки показал: Вариант 1. На 840 сутки с 01.04.2004г. (до времени достижения проектной величины извлечения) добыча урана составит 26,2т, что соответствует 74,5% извлечения урана из недр в растворы при производительности участка 24 м3/час. При этом выведены из эксплуатации закачные скважины №№4, 17 и 22 с целью снижения степени растекания выщелачивающих растворов за пределы полигона. Вариант 2. Отличие от действующей системы отработки - откачные скважины №№9 и 20 становятся закачными, а из действующих закачных выводятся три скважин (№№3, 6, 15). Преимущества в добыче металла соответственно 33 и 26 т, извлечение 79,3 и 74,5% при меньшем расходе кислоты.

Вариант 3. Отличие от действующей системы отработки - скважины №9 и №19 из откачных становятся закачными, отключаются шесть закачных скважин. Бурится новая откачная скважина №12" рядом с закачной скважиной №12 которая отключается. Необходимо в закачных скважинах №№10, 13, 16 обеспечить приемистость 4 м3/час, а в откачной скважине №12* - дебит 9 м3/час.

По сравнению с вариантом №2 добыча урана по количеству и степени извлечения близки, но по расходу кислоты больше.

Вариант 4. Отличие от действующей системы отработки - скважины №9 и №19 из откачных становятся закачными, отключаются пять закачных скважин. Бурится новая откачная скважина №5 Г (между скважинами №8 и №9) и работает в режиме 4 м3/час. По сравнению со вторым и третьим вариантами преимущество в степени извлечения и количестве добытого урана, соответственно 81.8, 79.3, 78.9% и 36.9, 33.2,32.7т. По расходу кислоты тоже, что и по варианту 2.

Все остальные предложенные варианты отработки участка СПВ, связанные с переобвязками скважин (изменением их назначения), бурением дополнительных откачных и закачных скважин, увеличением дебитов откачных скважин по рассмотренным выше показателям оказались хуже.

Таким образом, исходя из сроков отработки руд до проектного 80% извлечения урана из недр на участке СПВ, лучшим вариантом оптимизации гидродинамического режима движения ВР является вариант №4, а без бурения дополнительных скважин - вариант №2.

Важным является вывод, что применение физико-математического моделирования позволяет принимать управленческие решения по оптимизации гидродинамического режима отработки руд гидрогенного месторождения урана с целью интенсификации процесса СПВ.

Методика определения параметров адаптации физико-математической модели к условиям гидрогенного месторождения СПВ

Параметры адаптации физико-математической модели - численные значения, характеризующие уникальность каждого месторождения. Они подбираются путем поиска максимального совпадения результатов эксплуатационных работ и моделирования за один и тот же промежуток времени. Задача по поиску параметров адаптации является очень важной - поскольку в дальнейшем эти значения параметров принимаются для экспертных прогнозных расчетов освоения всех промышленных блоков и участков гидрогенного месторождения, отрабатываемого СПВ.

Адаптация физико-математической модели была проведена к условиям Хохловского месторождения урана по результатам моделирования двухскважинного опыта СПВ-2000. Расчет проведен с временным шагом 10 суток. Пошаговые производительности откачной и закачной скважин, режим подачи кислоты и количество добываемого урана определены на основании данных журнала проведения опыта. Путем подбора параметров адаптации модели достигнуто наиболее возможное совпадение расчетного и натурного графиков добычи урана (рис. 6).

Параметры адаптации физико-математической модели к условиям Хохловского месторождения имеют следующие значения: ¿1 лв =0,500; £7=0,025;

«=0,0025; Ах =2,000.

Рис. 6. Совмещение натурного и расчетного графиков добычи урана для изыскания параметров адаптации модели к условиям Хохловского

месторождения

Интенсификация процессов СПВ с учетом неоднородности продуктивного горизонта по мощности и содержанию полезного компонента (на примере опытного участка Хохловского месторождения)

Для моделирования процесса извлечения урана с учетом пространственной неоднородности по мощности и содержанию, фильтр каждой закачной скважины был разделен на три равных по длине отрезка, середины которых образуют горизонты "выхода" пучков трубок тока. Количество трубок тока в каждом пучке е плане — 30. Для каждой скважины все трубки тока имеют одинаковый расход. Общее количество трубок тока, по которым проводится расчет (для 22 закачных скважин), составит 22 х 30 х 3 = 1980

Горизонты трубок тока делят в разрезе продуктивный пласт соответственно на четыре уровня. По каждому уровню программно рассчитаны приведенные значения процентных содержаний урана. На рис. 9 изображена гидродинамическая схема движения геотехнологических растворов, полученная в режиме решения "прямой задачи". В режиме "прямой задачи" определяется дальность проникновения растворов по трубкам тока, "вышедшим" из закачных скважин. Графическое отображение линий представляет собой проекцию в плане, усредненную по трем горизонтам трубок тока. По совокупности линий, замыкающихся в откачных скважинах, определяется площадь отработки, включающая законтурные зоны. Линии, не "пришедшие" в откачные скважины, образуют ореол растекания за контуры опытного участка.

Время движения растворов по линиям тока показано цветом. Из визуального анализа схемы (рис. 7), можно сделать вывод, что неоднородность пласта по мощности вызывает отклонение структуры потока растворов от "идеальной" структуры. Неравномерность проработки ячеек — один из основных

факторов, влияющих на увеличение времени отработки участка в целом и ухудшающих геотехнологические показатели отработки.

НР*.:*1ЛМШМ1 ВМЯШШШШЯШ онтон

Рис 7 Гидродинамическая схема движения растворов в изозначениях времени на опытном участке Хохловского месторождения

Путем подсчета количества линий, не замыкающихся в закачных скважинах, определено, что растекание за пределы площади отработки полигона составляет примерно 7 % от общего количества рабочих растворов. В задаче "Баланс растворов участка СПВ" рассчитываются: средний дебит скважины; горнорудный объем, вовлекаемый в отработку; запасы урана на участке работ; среднее содержание урана по вовлекаемому в отработку объему.

Эти величины фактически являются характеристиками гидродинамического контура отработки каждой из элементарных ячеек, и могут быть использованы для количественного описания неравномерности проработки продуктивного горизонта и уточнения значений геотехнологических показателей эксплуатации участка.

Окончательным результатом моделирования является расчет добычи урана по скважинам по периодам.

При расчете суммарных концентраций урана в ПР по участку в целом установлено, что минимально допустимая промышленная концентрация 10 мг/л) достигается fia 720 суток эксплуатации. Эта величина принимается за время отработки опытного участка.

Динамика изменения геотехнологических показателей отработки опытного участка в целом и отдельных элементарных ячеек от начала эксплуатации показана на графиках (рис 8).

Очевидна неравномерность отработки отдельных ячеек, связанная с неоднородностью участка по мощности, содержанию урана и расположению в пространстве рудного тела. Высокое извлечение урана на момент окончания эксплуатации опытного участка объясняется тем, что его количество отнесено к запасам, подсчитанным в геометрических контурах ячеек, в то время как гидродинамический контур извлечения не соответствует геометрическому контуру. Для сравнения, на рис. 8 показаны графики процентного извлечения урана из гидродинамических контуров ячеек, запасы которых рассчитаны в задаче "Баланс растворов участка СПВ" на 720 суток эксплуатации участка. Несоответствие

гидродинамического и геометрического контуров наиболее заметно на графиках извлечения из ячейки 4-3. Это связано с захватом в отработку большой законтурной зоны. В то же время в ячейке 4-1 размеры геометрической области отработки даже превышают размеры гидродинамической области, за счет перехвата части ВР соседними ячейками и значительного законтурного растекания.

Рис 8 Изменение геотехнологических показателей по участку в целом и отдельным ячейкам во времени.

Исследованиями было установлено:

- неоднородность продуктивного горизонта по мощности и содержанию урана вызывает значительную неравномерность отработки отдельных ячеек опытного участка, что увеличивает время его эксплуатации;

отклонение от проектной сети при бурении геотехнологических скважин вызывает при их работе неравномерность потока растворов в продуктивном горизонте, что влечет за собой увеличение времени эксплуатации и ухудшение показателей отработки участка СПВ по сравнению с проектными расчетными значениями;

- возможно оптимизировать процесс отработки участка СПВ, с учетом неоднородности продуктивного горизонта по мощности и содержанию урана при нарушенной геометрии сети геотехнологических скважин, корректировкой гидродинамического и кислотного режимов работы участка с применением физико-математического моделирования.

Разработка модернизированной физико-математической модели СПВ, учитывающую влияние кислотопоглощающих минералов на расход серной кислоты

При попадании в подземный водоносный горизонт компоненты сернокислотного раствора мигрируют с потоком жидкой фазы под действием градиента давления и гравитационных сил. В процессе миграции серная кислота взаимодействует с минералами вмещающей породы, что сопровождается растворением минералов и переходом их компонентов в жидкую фазу. Растворенные компоненты мигрируют с потоком жидкой фазы, могут переосаждаться в виде минералов и адсорбироваться вмещающей породой. Растворение минералов, содержащих кальций, сопровождается выпадением гипса, уменьшением концентрации 5042' и снижает равновесное значение концентрации урана. Таким образом, концентрации урана и серной кислоты в ПР определяются следующими физико - химическими процессами: фильтрацией компонентов с потоком жидкой фазы, растворением минералов в результате взаимодействия с раствором серной кислоты, переотложением минералов, комплексообразованием урана с сульфат-ионом, адсорбцией компонентов и выпадением гипса. Движение жидкости по своему характеру может быть ламинарным и турбулентным. С увеличением скорости потока движение жидкости может стать турбулентным и сопровождаться перемешиванием отдельных слоев, формированием вихрей, пульсаций и т.д. Если движение подземных вод ламинарное, то скорость фильтрации и определяется законом Дарси:

и = - -1Цгас1 (Р - р ■ % ■ гУ (1)

И

где р - давление; ц - вязкость жидкости; к - коэффициент проницаемости

среды; g - ускорение свободного падения; г - координата вдоль вертикальной оси.

Плотность жидкости р зависит от концентрации растворенных компонентов. В

настоящей модели используется предположение, что масса единицы объема жидкости равняется сумме масс растворителя и растворенных компонентов. В этом случае зависимость плотности жидкости от концентраций растворенных компонентов имеет вид:

рДс"Ф)= Ре + £ с® м.' (2)

1

где р ( - плотность воды; м ~ молярная масса ьго компонента.

Использование закона Дарси для описания фильтрации жидкости применимо при скоростях движения подземных вод до 1000 м/сут. Скорости, превышающие 1000 м/сут, встречаются сравнительно редко и могут наблюдаться либо в трещинах, либо в непосредственной близости от нагнетательных или откачных скважин. Таким образом, можно полагать, что скорость фильтрации жидкости в продуктивном горизонте подчиняется закону Дарси во всей рассматриваемой области. Распределение давления рассчитывается с помощью закона неразрывности потока жидкости в приближении жесткого режима фильтрации:

(Ну (0 )= <} » (3)

где (} - плотность мощности источников и стоков жидкости. В качестве

источников и стоков жидкости выступают нагнетательные и откачные скважины.

Процессы растворения и отложения минералов в системе «сернокислотный раствор-вмещающая порода», в общем случае описываются уравнениями кинетики для параллельных и последовательных химических реакций. Однако в настоящее время характер взаимодействия серной кислоты с большинством минералов, составляющих вмещающую породу подземных водоносных горизонтов, недостаточно хорошо изучен. Также неизвестны многие кинетические и равновесные параметры уравнений, описывающих эти взаимодействия. В настоящей модели используется подход, основанный на выделении ограниченного числа минералов, компонентов и процессов, которых достаточно для описания взаимодействия вмещающей породы с серной кислотой. В модели рассматриваются восемь групп минералов, которые различаются по составу (содержащие шестивалентный или четырехвалентный уран, кальций и др.) и скорости взаимодействия с раствором серной кислоты. При описании жидкой фазы рассматривается поведение одиннадцати компонентов (иО^, и 4+ > Н+ > вО >

Са 2+ > сульфатные комплексы уранила, урана и др.). Динамика концентраций всех

компонентов в различных частях системы, за исключением иона водорода, описывается системой уравнений:

ЯГ" 8 01

ЯГ' 8

т 2 = Г - Г - У Г' >

111 2 д. 12 *,24 ¿а 24

О I 1=1

(4)

(5)

т см т о I

ДЪ_(1_ш)£С!_=1ч, (7)

т 4 ' д\ 13 т ' дг 24

где С ф - концентрация ¡-го компонента в жидкой фазе; N ф - концентрация I-

го компонента, сорбированного на поверхности; с £ - содержание ¡-го компонента в З-ом минерале в части Ф; ] - плотность потока 1-го компонента из мобильной части жидкой фазы в иммобильную; р (|1 ) - плотность потока ¡-го компонента из мобильной (иммобильной) части жидкой фазы на контактирующую с ней поверхность породы в результате сорбции (десорбции); 11) (; ■ > ) -плотность потока ¡-го компонента из мобильной (иммобильной) части жидкой фазы в минерал соответствующей части твердой фазы в результате процессов растворения О^+2<0) или осаждения (Д1^+2 > 0 )• Концентрация иона водорода определяется из условия электронейтральности раствора. Плотность потока J | между мобильной и иммобильной частями жидкой фазы принимается пропорциональной разнице концентраций компонентов:

Ги = а '(с; - с\), (8)

где а1 - постоянная скорости массообмена. Плотность потока 1-го компонента ^ фф +2 в ЖИДКУЮ Ф^У в результате растворения го минерала определяется

уравнением: = а> ■ (5уд)'ф ■ в(- др;)- АР; + а>_ • в^ )• АР;, (9)

где д р ^ - движущая сила массопотока ¡-го компонента; а'+ (а [ ) - постоянная скорости растворения (осаждения) ]-го минерала; у^ - удельная поверхность >го минерала; б(х) - ступенчатая функция (6> (х ) = 6 , если х < 0 и # (х ) = 1 , если х > 0 ). В модели предполагается, что движущая сила д р ' массопотока ¡-го компонента в результате растворения ( д р < 0 ) или осажденю^ Д Р > 0 ) минералов определяется отклонением активности этого компонента в жидкой фазе от равновесного значения. Плотность массопотока ¡-го компонента в часть Ф жидкой фазы из части Ф+2 твердой фазы в результате физической сорбции (десорбции) описывается в рамках линейной кинетики:

= -«¿(<сп, - с;> 0°)

где (С ф )р ~ равновесная концентрация ¡-го компонента в растворе для процесса сорбции (десорбции); а\ - константа скорости адсорбции (десорбции) ¡-го компонента. Равновесная концентрация (с ■ ) определяется изотермой Генри:

= К'Р ■(Сф)р/ 01)

где N 1 - концентрация компонента адсорбированного соответствующей частью твердой фазы; К 'Р - коэффициент распределения ¡-го компонента.

Таким образом, система уравнений, состоящая из 11 уравнений (4), 11 уравнений (5), 12 уравнений (6), 16 уравнений (7) и уравнений (1), (2), с учетом (8), (9), (10), (11), определяющих величины массопотоков, позволяет рассчитать распределение давления и поведение компонентов в продуктивном горизонте при разработке гидрогенных урановых месторождений методом СПВ.

Комплексная методика управления процессами СПВ на различных стадиях освоения гидрогенного уранового месторождения

Проанализировав материалы, полученные в ходе проведения работ по СПВ урана на Далматовском, Хохловском и Хиагдинском гидрогенных месторождениях, предложена методика управления процессами СПВ на различных стадиях освоения гидрогенных месторождений, включающая несколько взаимосвязанных этапов.

Этап первый. Сбор исходной геоинформации_об объекте моделирования:

- аккумулирование сведений по геологоразведочным скважинам (координаты, положение водоупоров, рудных интервалов, содержание полезного компонента по интрвалам;

- физико-геологические, гидрогеологические, геотехнологические условия и особенности рассматриваемого месторождения;

- формирование макетов исходных данных в зависимости от решаемых

задач.

Этап второй. Построение трехмерной цифровой модели продуктивного горизонта.

построение картины исходного распределения содержания полезного компонента, продуктивности, водно-физических свойств, кислотоемкости пород;

подсчет запасов полезного компонента в моделируемой области, вертикальный запас, мощность проницаемых пород, площадь участка, среднее содержание полезного компонента.

Этап третий. Адаптирование физико-математической модели к условиям рассматриваемого месторождения.

Подбор параметров адаптации проводится сопоставлением графикоя добычи урана за определенный период времени по результатам работы участка н математическим расчетам.

Этап четвертый. Решение задач по выбору оптимальных схем вскрытия месторождения и влияние различных схем на прогнозируемые геотехнологическис показатели отработки руд.

- построение необходимого количества геологических разрезов для определения параметров проектируемых ГТС (водоупоры, фильтры, рудные интервалы;

- моделирование работы проектируемого участка СПВ с различными режимами откачки и закачки растворов по одной из сопоставляемых схем вскрытия до момен га 80%-го извлечения урана из руд;

моделирование по второй сопоставляемой схеме (возможно и третьей, четвертой, и т.д.)

сравнение полученных геотехнологических показателей по анализируемым схемам;

- предварительный выбор схемы вскрытия.

Этап пятый. Выбор оптимального режима кислотности и подачи в пласт ВР на различных этапах освоения месторождения.

Этап шестой. Уточнение геоинформации об объекту моделирования пс результат дм оурения ITC (положение водоупоров, фильтров, рудных интервалов содержание урана, запасы урана)

Этап седьмой. Расчеты изплекаемого и оставшегося в продуктивном горизонте урана, его содержания на любой момент времени.

Этап восьмой. Корректировка прогнозируемых геотехнологических параметров по результатам бурения ГТС,

Этап девятый. Анализ гидродинамических схем движения растворов в ходе активного выщелачивания и кинетики добычи урана с целью экспертных заключений по интенсификации СПВ (реверсирование потока растворов псреобаяжа ГГС, иыянление неггоорабатываемых ВР участков, локализация зоь растекания paciBopcm, и др.) на любой период времени.

Этап десятый. Уточнение сроков отработки рудных залежей с учетом остаточного содержания урана по ГТС на момент моделирования.

Решение тестовой задачи по прогнозированию геотехнологнческщ параметров добычи урана методом СПВ

С целью пыявтения адекватности применения модернизированной физтко-мвтемлгической модети СПВ >раш и построенного на ее основе программной обеспечения при решении задач, связанных с прогнозированием reoTexHOiioi им ее к'их параметров отработки р>л гидрогенного месторождения, было провес ei и моделирование тооычи урана на блоке 8-9(12) Далматовскогс мес горо> .лени? и сравнение полученных данных с результатами эксперт енгадьлых р, бсч.

'">б ia< rt vio tí ^vpo sai ия h.i t xiioj огнчижом блоке (рис. 9) в горизонтальной плоско "V' треп^тавл'от > обо? прямоугольник размером 170x150 ветров Геометрическая плншин йло*. i <ос ai *<яет тыс. м , на ютором разметены ipi-откачные и восемь'акачны^ с: вяжи и.

Мрч модел трованич учишчллисэ с гедующие кис.тотопоглощакмгие минспапы: wvc.oriu -nztpocuoia 'ги ф. (мусковит), карбонаты, »аотинит уыефицрзоиалные органи1 et кие остатки Значения коэффициента фильтра) ии проюч ой и Ш1гсйной пористсстей, плотности, а также содержание киска« ш >riiui!(aKiau \ м, Ht^aioi плтиапи^ь ,iai.iic мерно распредетенными е;> исей облит и моле"иро щ ,чя fiocTpo< иное рас rip¿деления кислот« емкостл не рол про yi im moro ropt «МП ч. pe i 114') с .т здола с .чення ijc "¡p¡iB(.4tкы ни рис; ш.е 9 Исх Úhi»i>* запасы voa н в нргде ia;- rpa in« reo exuouoiпиескою блока ртняклхя 16.5 т.

кислотоемкость продуктивного горизонта составляет 11 кг^л^Тпороды

"В

6 3

- » Ч . Г * <

* * * ^ЧЦЩМг»' * ' ^ {с »< - *

Рис. 9. Распределение кислотоемкости (кгжхт^Тпфж) через 1440суток после начала эксплуатации блока (показано изолиниями и цветом) о - откачные скважины; • - закачные скважины

20001

О 300 600 900 Ш Ш ерем((у!)

Рис 10. Зависимость массы извлеченного урана от времени

_ - экспериментальные данные,--результаты

моделирования.

300 600 900 Ш Ш) Ч»я(<у|)

Рис. 11. Зависимость массы откачанной кислоты от времени.

п - экспериментальные данные,--результаты

моделирования

Определение параметров моделирования и проверка адекватности работы программного обеспечения осуществлялись по результатам сравнения показателей моделирования с имеющимся экспериментальными данными. Экспериментальные и расчетные зависимости массы извлеченного урана и откачанной кислоты в течение 1440 сут. с момента начала разработки блока (рис.10, 11) имеют хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных и подтверждают адекватность предложенной модернизированной физико-математической модели СПВ урана, точность проведенных расчетов, и позволяет сделать выводы:

созданная модернизированная физико-математическая модель процесса сернокислотного СП В урана отражает сложные процессы массообмена в продуктивном горизонте: конвективный массоперенос и гидродисперсию, растворение и переотложение минералов, гипсообразование, адсорбцию, кислотно-основные взаимодействия, комплексообразование и влияние основных кислотопоглспцающих минералов на расход серной кислоты;

на основе модернизированной физико-математической модели создано программное обеспечение, включающее в себя моделирующую и геоинформационную системы, позволяющие осуществлять расчет гидродинамики массопотоков при разработке месторождений урана методом СПВ и аккумулировать исходную информацию о распределении геологических, гидрогеологических, минералогических и геотехнологических параметрах месторождения;

проведенное тестовое моделирование отработки блока 8-9(12) месторождения «Далматово» и сравнение полученных данных с фактическими результатами работы блока показали хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных, что подтверждает адекватность предложенной модернизации применяемой физико-математической модели и точность проведенных расчетов;

результаты проведенных исследований показали необходимость продолжения работ в данном направлении по совершенствованию модели и апробации ее на большем количестве блоков и объектов СПВ.

Заключение.

В диссертационной работе на основе выполненных автором исследований разработан и внедрен научно-обоснованный комплекс геотехнологических и организационно-экономических решений на основе адаптированного в процессы СПВ физико-математического моделирования, обеспечивающих повышение эффективности освоения отечественных гидрогенных урановых месторождений в трудных горно-геологических и географических условиях Зауралья, Западной Сибири и Забайкалье.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Сформулированы тенденции развития физико-химической геотехнологии при освоении отечественных и зарубежных гидрогенных урановых месторождений скважинным подземным выщелачиванием.

Выявлены пути повышения эффективности прогрессивной технологии на основе физико-математического моделирования и его адаптацией с реальными процессами скважинного подземного выщелачивания на конкретных объектах освоения Хиагдинского, Далматовского и Хохловского гидрогенных урановых месторождений России.

2. Доказана возможность и эффективность применения физико-математических моделей процессов СПВ в условиях неравномерного распределения содержания полезного компонента в плане и разрезе продуктивного горизонта, дано прогнозирование геотехнологических параметров отработки промышленных блоков в этом случае, разработана методика выбора оптимальных схем расположения геотехнологических скважин, обеспечивающих повышение полноты извлечения урана из недр, как важнейший элемент ресурсосбережения.

3. Разработана методика определения параметров и дана эколого-экономическая оценка ореола растекания выщелачивающих растворов за контуры добычного полигона СПВ при нарушении геометрии сети расположения

геотехнологических скважин с корректировкой гидродинамического и кислотного регламента работы добычного участка.

4. Обоснованы принципы модернизированной физико-математической модели процессов СПВ, учитывающей присутствие в продуктивном горизонте основных кислотопоглощающих минералов и их влияние на общую эффективность геотехнологического процесса.

5. Определен комплексный метод непрерывного управления процессами СПВ на различных стадиях освоения гидрогенного уранового месторождения с использованием физико-математического моделирования.

6. Предложена методика и постановка решения тестовых задач физико-математического моделирования добычи урана скважинным подземным выщелачиванием в трехмерном продуктивном горизонте, направленных на повышение качества и надежности освоения гидрогенных урановых месторождений в России.

7. Дальнейшее направление в развитии информационно-управляющих систем при освоении российских гидрогенных месторождений урана заключается в следующем: по мере накопления исходной информации о взаимодействии минералов вмещающих пород с выщелачивающими растворами предлагается дополнять модернизированную физико-математическую модель СПВ урана полученными зависимостями и кинетическими коэффициентами с целью повышения точности прогнозных геотехнологических расчетов; апробация физико-математической модели на большем количестве блоков и объектов СПВ; совершенствование комплексной модели управления процессами СПВ с учетом максимального приближения к фактическим условиям работы добычных участков российских гидрогенных месторождений урана.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФГУП «ВНИИХТ», заказами уранодобывающих предприятий. Результаты выполненной работы использованы в практической деятельности предприятий, а также могут быть полезны при освоении урановых гидрогенных месторождений и в других регионах России.

Основные положения диссертации изложены в следующих фондовых и печатных работах автора:

1. Исследование и разработка способов оптимизации процесса СПВ урана на опытном участке месторождения Хиагда, в том числе с применением математической модели процесса СПВ. Отчет по НИР. Фонды ФГУП «ВНИИХТ». М. 2002 г. Соавторы: Гордиенко O.E., Ромашкевич Р.И., и др.

2. Результаты лабораторных и опытно-промышленных работ, проводимых с целью изучения возможности и эффективности вовлечения в разработку Хиагдинского месторождения урана методом СПВ. Отчет по НИР. Фонды ФГУП «ВНИИХТ». М. 2002 г. Соавторы: Гордиенко O.E., Ромашкевич Р.И.

3. Исследование и разработка способов оптимизации процесса СПВ урана из руд Хиагдинского месторождения. Отчет по НИР. Фонды ФГУП «ВНИИХТ». М. 2003 г. Соавторы: Гордиенко O.E., Тимошенко E.H., и др.

4. Предпроектное моделирование работы блоков Ю-6, 4-1 месторождения Далматово с расчетом режимов закисления и выщелачивания с целью повышения среднего содержания урана в продуктивных растворах. Отчет по НИР. Фонды ФГУП «ВНИИХТ». М. 2004 г. Соавторы: Гордиенко O.E., и др.

5. Анализ показателей отработки промышленных блоков, введенных в эксплуатацию после 2000 года, с применением физико-математического моделирования с целью

увеличения добычи урана. Отчет по НИР. Фонды ФГУП «ВНИИХТ». М. 2004 г. Соавторы: Гордиенко O.E., Коптелов В.П.

6. Научное сопровождение работ по СПВ на Далматовском и Хохловском месторождениях, предпроектное моделирование и геотехнологическое картирование. Отчет по НИР. Фонды ФГУП «ВНИИХТ». М. 2005. Соавторы: Гордиенко O.E., Тимошенко E.H.

7. Значение технологии скважинного подземного выщелачивания в осуществлении Федеральной целевой программы «Уран России». Материалы Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», Москва, MITA, 1999 г.

8. Эффективность СПВ при освоении Хиагдинского месторождения урановых руд. Материалы Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», Москва, МГГА, 2001 г

9. Особенности сооружения и эксплуатации скважин подземного выщелачивания (на примере Хиагдинского месторождения). Материалы конференции «Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых в начале 21 века», МГГРУ, 2001г.

10. Экологические аспекты освоения Хиагдинского уранового месторождения. Материалы Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», Москва, МГГРУ, 2003 г.

11. Интенсификация СПВ урана в условиях Хиагдинского месторождения. Материалы Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», Москва, МГГРУ, 2003 г.

12. Пути оптимизации сернокислотного процесса СПВ урана применительно к рудам Хиагдинского месторождения. Материалы конференции «Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых», МГГРУ, 2004 г.

13. Основные положения физико-математической модели сернокислотного скважинного подземного выщелачивания. Материалы Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», Москва, МГГРУ, 2005 г.

14. Влияние на параметры отработки уранового месторождения гексагональной и рядной схем расположения геотехнологических скважин. Материалы Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», Москва, М1ТРУ, 2005 г.

15. Особенности и эффективность применения физико-математического моделирования процессов сернокислотного СПВ (на примере российских месторождений урана). Материалы Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», Москва, МГГРУ, 2005 г.

16. Прогнозирование сроков отработки руд и изучение влияния кислотности выщелачивающих растворов на процесс СПВ методами физико-математического моделирования. Известия ВУЗоВ. Серия «Геология и разведка», № 3,2005.

17. Выбор оптимальной схемы вскрытия гидрогенного месторождения геотехнологическими скважинами методами физико-математического моделирования. Горный журнал, № 5, 2005.

/~) /л РНБ Русский фонд

2007-4 5777

'с* -Í

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Басов, Владимир Сергеевич

Введение

Глава 1. Обзор литературы по проблеме нагрева токопроводящих 8 материалов плазмой в электролите

1.1 Зажигание разряда в электролите

1.2 Проблема формирования магнитных свойств материалов 12 1-3 Диффузия элементов и формирование структуры материалов в 15 процессе их нагрева

1.4 Очистка поверхности методом нагрева плазмой в электролите.

1.5 Постановка задачи

Глава 2. Процессы нагрева плазмой в электролите и методики 30 эксперимента

2.1 Плазма в электролите и процессы нагрева в ней токопроводящих 30 материалов

2.1.1 Экспериментальная установка

2.1.2 Режим электролизных процессов 32 2.1.3. Теплофизическая модель

2.1.4 Режим пузырькового кипения.

2.1.5 Режим перехода к пленочному кипению 47 (ф, 2.1.6 Режим устойчивого пленочного кипения 56 ^ 2.1.7 Температура катода

2.2 Методики эксперимента

2.2.1 Методика нагрева токопроводящих материалов плазмой в 67 электролите

2.2.2 Методы исследования фазовых и структурных изменений 71 токопроводящих материалов

2.3 Выводы по главе

Глава 3. Исследования физических свойств ферромагнитных 88 материалов при нагреве их плазмой в электролите

3.1.1 Магнитные свойства ферромагнитных материалов

3.2 Структурные изменения ферромагнитных материалов

3.3 Изменения механических свойств ферромагнитных материалов

3.4 Результаты исследований по очистке деталей ЭВП 107 ф 3.5 Магнитоуправляемые контакты, созданные с использованием технологии нагрева плазмой в электролите

3.6 Выводы по главе

Глава 4. Исследования физических свойств титана при его 113 нагреве плазмой в электролите

4.1. Структурные изменения титана

4.2 Диффузионные процессы при нагреве титана плазмой в 118 электролите

4.3 Выводы по главе 4 131 Заключение 133 Литература

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Повышение эффективности процессов скважинного подземного выщелачивания урана в условиях освоения сложных гидрогенных месторождений России"

Актуальность исследования. Изделия электронной техники требуют использования в них токопроводящих материалов с необходимыми физико-технологическими свойствами. Так производство магнито- управляемых контактов невозможно без применения железоникелевых сплавов со строго определенными магнитными характеристиками. Получение токопроводящих материалов с набором требуемых физико-технологических параметров является одной из важных проблем науки и техники.

Физические свойства токопроводящих материалов определяются их структурой, для формирования которой используется отжиг деталей в вакууме и водороде. Данные методы отличаются длительностью (до 6 ч.), энергоемкостью и небезопасностью. Способом, значительно сокращающим время и упрощающим технологию отжига материалов, является обработка деталей плазмой в электролите.

Высокие скорости изменения и легкость в регулировании тепловых режимов, локализация зоны нагрева и достижения температуры плавления, низкое удельное энергопотребление и неагрессивность рабочей среды обуславливают возможности газового разряда в электролите. Данный метод успешно применяется для сварки, резки, плавки и термообработки (закалки) металлов. Недостаточность теоретических и экспериментальных исследований сдерживают, однако, его широкое использование в технологиях, позволяющих ускоренно формировать необходимые физические свойства металлов.

Исследования, направленные на изучение возможностей нагрева материалов газоразрядной плазмой в электролите, позволяющего формировать необходимые физические свойства токопроводящих материалов, обуславливают их актуальность.

Цель диссертационной работы. Исследование и формирование токопроводящих материалов с требуемыми физическими свойствами под воздействием на них газового разряда в электролите.

В работе решаются следующие задачи:

- исследование процессов формирования газового разряда в электролите, установление условий нагрева катода и критериев повторяемости технологических режимов;

- исследование влияния газоразрядной плазмы в электролите на токопроводящие материалы с различным электронным строением, и определение механизмов, обеспечивающих формирование у материалов (титан и железоникелевые сплавы) требуемых физико-технологических параметров;

- исследование влияния газового разряда в электролите, на магнитные свойства ферромагнитных материалов и установление факторов, обеспечивающих достижение необходимых магнитных свойств у изделий различной формы;

- создание экспериментальной установки по нагреву токопроводящих материалов газоразрядной плазмой в электролите и методик, позволяющих осуществлять контроль за параметрами нагреваемых материалов.

Методы исследований. Применялись теоретические и экспериментальные методы исследований, включая рентгеноструктурный, спектральный, масс-спектральный, металлографический и оже-электронный анализы.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. Проанализированы процессы, приводящие к образованию газового разряда в электролите, и определены условия, обеспечивающие устойчивый нагрев металлов. Пробой газовой оболочки в условиях пленочного кипения и пульсации тока смоделированы эквивалентной электрической цепью, включающей систему параллельно соединенных емкостей и сопротивлений.

Устойчивое пленочное кипение в электролите сопровождается дуговым разрядом.

2. Проанализировано изменение физических свойств материалов с различным электронным строением (на примере титановых и железоникелевых сплавов) после нагрева их плазмой в электролите. Доказана применимость электронной теории сплавов к образованию твердых растворов внедрения в этих условиях эксперимента.

3. Исследован характер изменения магнитных свойств железоникелевых сплавов после нагрева их газоразрядной плазмой в электролите. Показано, что варьируя параметрами газоразрядной плазмы можно обеспечить формирование необходимых магнитных свойств и осуществить очистку их поверхности от органических загрязнений. Изменения магнитных свойств ферромагнитных материалов в результате нагрева их плазмой в электролите происходят только вследствие изменения структуры материала.

4. Под действием газового разряда в электролите ионы водорода проникают в кристаллическую решетку титана в свободном состоянии, а ионы кислорода- в связанном, в виде химического соединения титана с кислородом.

5. Установлена роль теплового гистерезиса, возникающего в условиях нагрева плазмой в электролите, при переходе пузырькового кипения в пленочное, в формировании структуры пермаллоя, обеспечивая ему минимальную коэрцитивную силу.

6. Показано, что нагрев титана газовым разрядом в электролите вследствие градиента температуры по сечению катода- образца в режиме устойчивого пленочного кипения приводит к образованию в его структуре двух слоев: внешнего пористого и внутреннего альфированного. Наблюдаемое увеличение диаметра образца титана и толщины пористого слоя обусловлено ростом температуры его поверхности и процессом газового поглощения водорода этим слоем.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Достижение необходимых магнитных свойств ферромагнитных материалов под действием газового разряда в электролите определяется укрупнением, анизотропией по размерам и ориентацией (преимущественно к центру) кристаллических зерен микроструктуры без изменения фазового состава материала.

2. Под влиянием газоразрядной плазмы в электролите ионы водорода и кислорода адсорбируются на поверхности и проникают вглубь кристаллической структуры титана; водород остается при этом в свободном состоянии, а кислород в связанном, в виде химического соединения с титаном, образование которого сопровождается стабилизацией ГПУ-структуры СС - титана.

Достоверность выводов диссертации обусловлена:

- соответствием результатов, полученных с помощью дополняющих друг друга независимых методов экспериментального исследования; воспроизводимостью результатов экспериментов;

- соответствием между теоретическими и экспериментальными результатами.

Практическая ценность диссертационной работы:

1. Предложен метод магнитного отжига пермаллоя, заключающийся в его нагреве газовым разрядом в электролите, обеспечивающий одновременное протекание процессов магнитного отжига и очистки материала от загрязнений и позволяющий на порядок сократить время отжига.

2. Предложен метод получения порошка титана при его нагреве плазмой в электролите, который может быть использован при переработке титаносодержащих отходов в карбиды, бориды и нитриды титана.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 работах и докладывались на Всероссийской научной конференции молодых учёных (Красноярск, 2003 г.), XIII Российской научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург 2003 г.), XIII Международной конференции по Радиационной физике твёрдого тела (Севастополь 2003 г.), II Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза 2004 г.), Всероссийской научно- технической конференции «Новые материалы и технологии» (Москва 2004), 3-й Всероссийской научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (Москва 2004).

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Басов, Владимир Сергеевич

4.3 Выводы по главе 4.

1. В результате нагрева титана плазмой в электролите происходят процессы рекристаллизации. Возникающие в результате этого процесса структурные элементы в основном локализованы по краю катода-образца и ориентированы по направлению от поверхности к центру, вследствие более высокой температуры на поверхности образца по сравнению с температурой во внутреннем объёме.

2. Длительный свыше 3-х минут нагрев титана плазмой в электролите приводит к образованию в его структуре двух слоев-внешнего пористого и внутреннего альфированного, что свидетельствует о существовании существенного градиента температур по сечению катода в режиме устойчивого пленочного кипения. Получаемая структура титана является хрупкой, поскольку формируется путем проникновением в нее кислорода и водорода.

Кислород находится в связанном состоянии в виде химического соединения- рутила (TIO2). Водород находится в свободном состоянии в виде газа.

3. Увеличение диаметра образца титана и толщины пористого слоя при увеличении межэлектродного напряжения обусловлено ростом температуры внешнего пористого слоя и разности температур между центром катода и его поверхностью, что усиливает процесс газопоглощения этим слоем свободного водорода.

3. Существуют два фактора, интенсифицирующих процессы, приводящие к формированию хрупкой структуры титана, после нагрева его плазмой в электролите. Во-первых это величина мощности подводимой электрической энергии, которая определяется величиной межэлектродного напряжения, концентрацией электролита, как имеющего различную электропроводность, и температурой электролита, как фактора влияющего на образование парогазовой оболочки вокруг катода. Во- вторых это общее количество подводимой энергии, которое определяется длительностью процесса нагрева плазмой в электролите.

133

Заключение

При проведении комплексного исследования процессов, протекающих при нагреве токопроводящих материалов плазмой в электролите, приводящих к формированию материалов с требуемыми физическими свойствами получены следующие результаты:

1. Проанализированы процессы формирования плазмы в электролите. Показано что, зажигание разряда в электролите обусловлено процессом образования пленочной газовой оболочки, сопровождаемым дуговым разрядом, пробой и горение которого определяется автоэлектронной эмиссией с катода, и резким возрастанием (на несколько сот градусов) температуры его поверхности, приводящим к градиенту температур между центром катода и его поверхностью. Протекание процессов рекристаллизации в металле при его нагреве, обеспечивается дуговым режимом с устойчивым пленочным кипением на поверхности катода, моделируемым эквивалентной электрической цепью, параллельно соединенных емкостей и сопротивлений. Показана роль теплового гистерезиса, возникающего в условиях нагрева плазмой в электролите, при переходе пузырькового кипения в пленочное, в формировании структуры нагреваемых материалов. Установлены условия нагрева катода и критерий повторяемости технологических режимов.

2. Формирование необходимых физико- технологических свойств токопроводящих материалов под действием плазмы в электролите связано с изменением их структуры, происходящим в неравновесных условиях, определяемых неравномерностью распределения температуры по сечению катода и активным воздействием свободного водорода. Для нагреваемых материалов характерно наличие структурных составляющих, имеющих наибольшие размеры и локализуемых в основном по краям образца, с направленностью от поверхности к центру.

3. Показано влияние нагрева плазмой в электролите на токопроводящие материалы с различным электронным строением на примере титана и железоникелевых сплавов. На основе измерения фазового состава исследуемых материалов доказана применимость электронной теории образования твердых растворов внедрения в этих условиях эксперимента.

4. Установлено влияние нагрева плазмой в электролите на магнитные свойства ферромагнитных материалов. Показано что, при нагреве плазмой в электролите микроструктура характеризуется крупным размером зерна (до 200 мкм) и преимущественной ориентировкой зерен к центру образца. Выявлены факторы, обеспечивающие достижение необходимых магнитных свойств у изделий различной формы. Наименьшие значения коэрцитивной силы ферромагнитного материала, без нарушения его целостности, удается достигнуть для образцов имеющих цилиндрическую форму. Зависимость величины коэрцитивной силы от условий нагрева плазмой в электролите характеризуются следующим:

- значение коэрцитивной силы ферромагнитных материалов обратно пропорционально величине подводимой электрической мощности;

- с течением времени величина коэрцитивной силы достигает минимума в интервале продолжительности нагрева (отжига контакт-деталей) 3-5 секунд; дальнейшее увеличение времени нагрева приводит к увеличению коэрцитивной силы;

- с увеличение концентрации электролита используемого при нагреве в электролитной плазме происходит снижение получаемых значений коэрцитивной силы.

5. Показано, что нагрев титана плазмой в электролите, приводит к формирования у титана очень хрупкой структуры, характеризуемой наличием двух слоев- внешнего пористого и внутреннего альфированного. Установлены два основных фактора, интенсифицирующих процессы формирования этой хрупкой структуры у титана. Величина мощности подводимой электрической энергии, обусловленная величиной межэлектродного напряжения и свойствами электролита (концентрацией и температурой) и общее количество подводимой энергии, определяемое длительностью процесса нагрева в плазмой в электролите.

6. Результаты испытаний образцов магнитоуправляемых контактов (герконов) изготовленных в условиях серийного производства позволяют рекомендовать метод нагрева ферромагнитных материалов плазмой в электролите в качестве метода магнитного отжига этих материалов, который может упростить и значительно сократить (на порядок) технологический процесс производства контакт-деталей.

Возможность получения у титаносодержащих материалов хрупкой структуры после обработки их плазмой в электролите упрощает технологии по утилизации отходов из титана.

В заключении, хотелось поблагодарить научного руководителя диссертационной работы д.ф.-м.н, профессора Степанова В.А. за оказанную неоценимую помощь при проведении данного исследования.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Басов, Владимир Сергеевич, Москва

1. Миркин Л.И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов.- М.: Физматгиз,1961.

2. Миркин Л.И. Рентгеноструктурный анализ: Справочное руководство.- М.: Наука, 1976.

3. Уманский Я.С. Рентгенография металлов и полупроводников.-М.: Металлургия, 1969.

4. Панченко Е.В., Скаков Ю.А., Кример Б.И. Лаборатория металлографии. -М.: Металлургия, 1965.

5. Методы анализа поверхностей./ Под. ред. А.Зандерны.- М.: Наука, 1979.

6. Шульман А.Р., Фридрихов С.А. Вторично-эмиссионные методы исследования твёрдого тела.- М.: Наука, 1977

7. Yashat S., Sen P., Manganth S., Rao R. // J. Chem. Soc. Faraday Tans 1983. 79.-P. 1229-1236.

8. Дементьев А.П., Джибути T.M., Раховский В.И. // Поверхность. Физика, химия, механика.-1987.-№ 3.- С. 96-98.

9. В.И.Чечерников. Магнитные измерения.- М.:МГУ, 1969

10. В.Г.Антонов, Л.М.Петров, А.Г.Щелкин. Средства измерений магнитных параметров материалов Л.: Энергоатомиздат, 1986.

11. Конашевский Д. А. Частотные электрические фильтры.- М.: Госэнергоиздат, 1959.

12. Дураджи В.Н., Полотебнова Н.А., Товарков А.К. О регулировании распределения температуры анода при нагреве в электролитной плазме// Электронная обработка материалов.- 1981.- №4- С.40-42.

13. Зайдель А.Н., В.К. Прокофьев, С.М. Райский, В.А. Славный Е.Я. Шрейдер. Таблицы спетральных линий.- М.: Наука, 1969

14. Справочник по электрическим и ультразвуковым методам обработки материалов. / Под ред. Попилова Л.Я.- Ленинград.: Машиностроение, 1971-13715. Металлография титановых сплавов. / Под. ред. Аношкина Н.Ф. и др.- М.: Металлургия, 1980.

15. Гордиенко А.И, Шипко А.А. Структурные и фазовые превращения в титановых сплавах при быстром нагреве.- Минск.: Наука и техника, 1983

16. Мишин Д.Д. Магнитные материалы.- М.: Высш. шк.,1991.

17. Преображенский А.А. Магнитные материалы и элементы.- М.: Высш. шк.,1976

18. Исаченко В.П., Осипова В. А., Сукомел А.С. Теплопердача.-М.:Энергия,1975.

19. JI.3. Богуславский, С.А. Хайнацкий, А.Н. Щербак Оптические исследования перходного слоя плазма-жидкость при импульсном коронном разряде в сильных водных электролитах.// ЖТФ- 2001- Том 71., Вып.2.- С. 43-47.

20. Абалдуев Б.В. Физико-химичекие методы в электровакуумной технологии: Автореф. дис.- Саратов, 1963.

21. Царёв Б.М. Контактная разность потенциалов.-М.: Гостехиздат, 1955.

22. Федер Д.О., Кунц Д.Е., Очистка деталей электронных приборов- М: Энергия, 1964.

23. Черепнин Н.В. Вакуумные свойства материалов для электронных приборов.- М: Советское радио, 1966.

24. Райзер Ю.П. Физика газового разряда-М.: Наука,1987.

25. Сканави Г.И. Физика диэлектриков М.: Гостехтеориздат,1962.

26. Николаев А.В., Марков Г.А., Пензевицкий Б.И. // Изв. СО АН СССР. Сер. Техн. Наук.- 1977.-Вып. 2. №12-С. 145-154.

27. Снежко JI.A., Бескровный Ю.М., Невкрытый В.И. //Защита металлов.-1980.- Т.16. №3- С. 365-367.

28. Аверьянов Е.Е. Плазменное анодирование в радиоэлектронике.- М.: Радио и связь., 1983.-13830. Жуков М.Ф., Замбалаев Ж.Ж., Дандарон Г.Н.// Изв. СО АН СССР. Сер. Техн. Наук. 1984. -№1- С. 100-104.

29. Ясногородский И.З. Нагрев металлов и сплавов в электролите.- М.: Машгиз,1949.

30. Ясногородский И.З. //Электрохимическая и электромеханическая обработка металлов.- М.: Машиностроение, 1971, С. 117-121.

31. Гайсин Ф.М., Гизатуллина Ф.А.// Низкотемпературная плазма-Казанский авиацион. ин-т.-1983- С. 43-51.

32. Теория теплообмена. Сборник рекомендуемых терминов.- М.: Наука.-1971-Вып. 83.

33. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена.- М.: JL: Машгиз,1962.

34. В.Н. Дураджи.,А.С.Парсаданян. Нагрев металлов в электролитной плазме. -Кишинев.: Штиинца,1988.

35. Новое в электрофизической и электрохимической обработке материалов./ Под. ред. Л.Я. Попилова.—М.: Машиностроение, 1961

36. Вишницкий A.JI., Ясногородский И.З., Григорчук И.П. Электрохимическая и электромеханическая обработка материалов.- JI.: Машиностроение, 1971.

37. Фоминов А.Я. Некоторые закономерности электрохимического обезжиривания при повышенных напряжениях и плотностях тока // Новое в электрохимической размерной обработке металлов.— Кишинев.: Штиинца-1972.- С. 201-203.

38. Чулков В.В., Еретнов К.И., Евсеев И.П. Технология электролитного обезжиривания и очистки лент стали шириной 40 мм// Новое в электрохимической размерной обработке металлов.- Кишинев.: Штиинца-1972.- С. 215-216.

39. Занин А.Я, Коваленко М.П., Назаренко Ю.И. и др. Исследование в промышленных условиях биполярной обработки полосового проката в режиме электролитной кавитации. // Электронная обработка материалов.-1982.-№2.- С.29-32

40. Занин А.Я, Коваленко М.П., Назаренко Ю.И. и др. Электролитная очистка стальной проволоки от окалины в коммутационном режиме.// Электронная обработка материалов.- 1983- №4., С.85-87.

41. Де Бур. Динамический характер адсорбции.М.:ИЛ.-1962.

42. Трепнел Б. Хемосорбция. М.: ИЛ., 1958.

43. Лазаренко Б.Р., С.П.Фурсов, А.А.Факторович и др. Коммутация тока на границе металл электролит.- Кишинев, 1971.

44. Григорович В.К. Влияние электронного строения легирующих элементов на образование металлических растворов.// Теоретические и экспериментальные методы исследований диаграмм состояния металлических систем. М.: Наука, 1969. - С.7-24.

45. Григорович В.К. К электронной теории жаропрочных сплавов на основе ОЦК тугоплавких металлов.// Физико-химическое исследования жаропрочных сплавов.- М.: Наука, 1968- С.40-46.

46. Григорович В.К. Электронное строение и термодинамика сплавов железа М.: Наука, 1970.

47. Войтович Р.Ф., Головко Э.И. Высокотемпературное окисление титана и его сплавов.- Киев.: Наукова думка, 1984.

48. Левинский Ю.В. Диаграммы состояния металлов с газами. — М.: Металлургия, 1975.

49. Лазарев Э.М., Корнилова З.И., Федорчук Н.М. Окисление титановых сплавов. М.:Наука,1985-14053. Водород в металлах // Межвузовский сб. научн. тр. Пермь.: ПГУ,1984.

50. Галактионова Н.А. Водород в металлах . М.: Металлургия, 1967.

51. Гельд П.В., Рябов Р.А. Водород в металлах и сплавах. М.: Металлургия, 1974.

52. Гельд П.В., Рябов Р.А. Водород в металлах и несовершенство структуры металла. М.:Металлургия,1979.

53. Глебов Г. Д. Поглощение газов активными металлами. М.: Госэнергоиздат, 1961.

54. Водород в металлах / Под. ред. Г. Алефельда, И. Фелькля. -М.: Мир, 1981.

55. Гельд П.В., Рябова Р.А., Мохрачева Л.П. Водород и физические свойства металлов и сплавов. М.: Наука, 1985.

56. Шрейдер А.В. Водород в металлах. -М.: Знание, 1979.

57. Горынин И.В, Чечулин Б.Б. Титан в машиностроении. —М.: Машиностроение, 1990.

58. Зуйкова А.А., Нартова Т.Т. Титановые сплавы. М.: Металлургия, 1966.

59. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Буханова А.А. Механические свойства титана и его сплавов. М.: Металлургия, 1974.

60. Маквилэн М. Фазовые превращения в титане и его сплавах. -М.: Металлургия, 1967

61. Григорьев А.И., Григорьев О.А., Ширяева С.О.//ЖТФ. -1992-Т.62. Вып.9. -С. 12-21.

62. Григорович В.К. Периодический закон Менделеева и электронное строение металлов. -М.: Нака,1966.

63. Григорьев О.А., Ширяева С.О.//ЖТФ. -1996-Т.66. Вып.2. -С.23-34.

64. Материаловедение./Под. ред. Б.Н. Арзамасова. -М. Машиностроение, 1986.

65. Шеретов Э.П.,.Ширяев А.Г, Удалов В.Ф. Технология ускоренного формирования магнитомягких свойств железоникелевых сплавов //Каталог

66. Всероссийской выставки «Машиностроительная техника-87». Уфа, 1987.-С.59.

67. Эспе В. Технология электровакуумных материалов.-М.: Госэнергоиздат, 1962.

68. Черепнин Н.В. Вакуумные свойства материалов применяемых в электронной технике.-М.: Радио, 1966.

69. Чистяков П.Н.// ЖТФ- 1963, XXXIII,11, 1395,

70. Чистяков П.Н., Татаринова Н.В., ЖТФ, 7,1333,1965.

71. Степанов В.А., Ширяев А.Г. Исследование и разработка технологии формирования магнитных и механических свойств контакт-деталей герконов//Отчёт по НИР- Рязань- РГПИ- 1991.

72. Определение концентрации Ge в эпитаксиальных пленках SixGeix/Si методом Оже-спектроскопии.// Сост. Г.А.Максимов, Д.Е.Николичев, М.В.Канышина.— Н.Новгород.: изд-во Нижегородского государственного университета, 2002.

73. Zhukov S.A., Barelko V.V., Merzhanov A.G. // Int.J.Heat Mass Transfer-1980.- V.24.— P. 47-55.

74. Lutsen M. O. // Heat Transfer 1998. Proc. of 11-th IHTC- Kyongiu, Korea-1998.-V.2. P. 315-317.

75. Луцет M.O. //Письма ЖТФ.- 1998., T24. B.9.- С 21-27.

76. Луцет M.O. //Письма ЖТФ.- 1999., Т25. В.21- С 39-46.

77. Ширяева С.О.,Григорьев А.И., Морозов В.В.//ЖТФ- 2003- Т. 73. Вып.7.- С. 21-27

78. Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика.- М.: Связь, 1971

79. Кесаев Катодные процессы электрической дуги.-М.: Наука, 1968.

80. Добрецов Л.Н. Электронная и ионная эмиссия.- М.:ГосТехИздат,1950

81. Ванин В.С.//Электротермия. -1967. -Вып. 55-С.18-19-14285. Белкин П.Н., Пасинковский Е.А., Факторович А.А.//Изв. АН СССР. Сер. Физ.-техн. и мат. наук. -1977. -№1-С.82-84.

82. Белкин П.Н., Ганчар В.И., Петров Ю.Н.//ДАН СССР. -1986-Т.291. №5-С.1116-1119

83. Белкин П.Н., Ганчар В.И.//Электронная обработка материалов. -1988. -№5. -С.59-62

84. Белкин П.Н.,Белкин С.Н.//ИФЖ. -1989-Т.57»1. -С.159-164

85. Ганчар В.И.//ИФЖ. -1991.-Т.60. №1-С.92-95.

86. Шадрин С.Ю., Белкин П.Н.//Электронная обработка материалдов. —2002. -№3-С.24-30.

87. Григорьев А.И.//ПЖТФ. -2001. -Т.27. Вып.7. -С.89-94.

88. Григорьев А.И., Морозов В.В., Ширяева С.О.// ЖТФ. -2002. -Т.72 Вып. 10. -С.33-40/

89. Мюллер Э., Цонь Т. Автоионная микроскопия. -М.: Метал лургиз дат, 1972.

90. Басов В.А. Исследование структурных изменений титана при обработке в электролитной плазме// Девятая Всероссийская Научная Конференция Студентов-Физиков и молодых ученых: Сб. тез.-Красноярск.: изд-во АСФ России, 2003г.- С.439-441

91. Басов В.А. Исследование возможности растворения элементов внедрения в титане при нагреве в электролитной плазме.// XIII Российская научная конференция «Проблемы теоретической и экспериментальной химии: Сб. тез.- Екатеринбург, 2003г.— С. 154-155.

92. Басов В.А, Газакаев С.Р., Ширяев А.Г. Термообработка контакт-деталей герконов методом нагрева в электролитной плазме //Материалы и технологии XXI века. II Международная научно- техническая конференция: Сб. статей.- Пенза, 2004г.— С.38-40

93. Басов В.А., А.Г. Ширяев. Исследование процесса термообработки титана методом электролитического нагрева //Материалы и технологии XXI века. II Международная научно- техническая конференция: Сб. статей.- Пенза, 2004г.-С.36-38

94. Басов В.А., Степанов В.А., Ширяев А.Г. Модификация физических свойств материалов с помощью плазменной технологии в электролитах //Новые материалы и технологии. Всероссийская научно-техническая конференция: Тез. докл.- М: МАТИ, 2004г.- С.45-46

95. Басов В.А., Ширяев А.Г. Электролитно-плазменная обработка контакт-деталей герконов.// Электронный журнал "Исследовано в России".-2004г.,195.-стр.2083-2085. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/195.pdf

96. Басов В.А., Степанов В.А., Ширяев А.Г. Модифицирование поверхности титана методом нагрева в электролитной плазме //Быстрозакалённые материалы и покрытия. 3-я Всероссийская научно-техническая конференция: Сб. докл. М: МАТИ, 2004г.- С. 189-193.

97. Басов В.А., Степанов В.А., Ширяев А.Г. Термическая обработка титана методом нагрева в электролитной плазме.//Вестник Рязанского Педагогического Университета- 2005, Вып.1.— С. 146-153.

98. Басов В.А., Степанов В.А Влияние нагрева плазмой в электролите на физические свойства токопроводящих материалов //Электроника: Сб. научн. труд.- Рязань.: изд-во Ряз. гос. радитехн. акад., 2005, С. 2732