Электрогидравлическая технология раскрытия минералов

• Аннотация на русском
• Annotation

Введение

Активное использование минеральных ресурсов Земли неизбежно ведет к их истощению. В связи с этим уже сегодня становится актуальным освоение месторождений, разработка которых до настоящего времени считалась нерентабельной [1,2]. В России имеется много месторождений сложных по составу тонковкрапленных руд, вовлечение которых в эксплуатацию невозможно из за слишком высоких энергетических затрат на рудоподготовку [3]. Это связано с тем, что раскрытие минералов традиционными механическими способами требует измельчения вмещающей породы до размеров, соизмеримых с размерами самых мелких включений полезных фракций. При этом и происходит энергозатратное неоправданное переизмельчение более крупных включений. В процессах реализации традиционных технологий обогащения минерального сырья около 70 % энергии тратится на дробление и измельчение руды. Затрата электроэнергии на процесс измельчения в зависимости от типа руд составляет от 20 до 60 кВт·ч/т, причем часто увеличение тонкости помола не приводит к повышению степени раскрытия минералов. Недостаточная степень раскрытия минералов приводит к появлению отходов в виде огромных отвалов, содержащих не извлечённое ценное сырье. Анализ основных потерь ценных компонентов в процессах первичной переработки показывает, что 35—40 % потерь связано со сростками и 30—35 % — с тонкими частицами размером меньше 40 мкм [4]. Снизить эти потери возможно путем применения управляемой селективной дезинтеграции руд. Разработка таких методов раскрытия минерального сырья является актуальной задачей [5,6,7]. Решение ее возможно путем реализации технологий электроразрядной дезинтеграции, основанной на использования электрогидравлического эффекта и обеспечивающей разрушение материала по межфазным границам за счет образования микротрещин вследствие действия управляемых импульсных нагрузок, возникающих при высоковольнных электрических разрядах в жидкости[4,8,9].

 

Задачи, объект и предмет исследования

В связи с поставленной целью исследования его задачами были: определение расчетных зависимостей для обоснования электрических параметров обработки руд; разработка и создание лабораторной установки; экспериментальная обработка руд сложного минерального сырья. В качестве объектов исследования использовались предварительно дробленные пробы различных руд. Предметом исследования был процесс раскрытия минералов от действия факторов электрогидравлического эффекта.

 

Методы и материалы

Сущность электрогидравлического эффекта заключается в том, что при осуществлении высоковольтного электрического разряда внутри жидкости возникает сверхвысокое гидравлическое давление, способное совершать полезную механическую работу. Это самый простой способ преобразования электрической энергии в механическую с высоким КПД. [10]. Селективность дезинтеграции достигается возможностью управления воздействующими силовыми параметрами процесса в соответствии с прочностью рудного сырья. Известно, что прочность межфазовых границ уступает прочности фаз. Поэтому давление волн сжатия и растяжения, возникающих в результате мгновенного расширения межэлектродного канала разряда, не должно превышать предела прочности обрабатываемого продукта на сжатие, но должно быть больше предела прочности на растяжение по межфазовым границам [11]: 

σ_раст < Р_всж < σ_сж                   (1)

где σ_раст — предел прочности рудного материала на растяжение, МПа; Р_всж — давление волны, МПа; σ_сж— предел прочности обрабатываемого материала на сжатие, МПа.

Величина давления волны определяется соотношением электрических параметров: напряжения разрядного контура, емкости конденсаторных батарей, индуктивности разрядного контура, длины разрядного промежутка, а также удаленности волны от эпицентра (радиуса разрушения).

Давление волн сжатия, генерируемых электрическим разрядом в жидкости, выражается зависимостью [12]:

 

(2)

где Рвсж —давление на фронте волны сжатия , МПа; U₀ — напряжение разрядного контура, кВ; С — емкость конденсаторных батарей, мкФ; r — радиус разрушения, м; L — индуктивность разрядного контура, мкГн;  l_рп — длина разрядного промежутка, м; σ_раст— предел прочности материала на растяжение, МПа.

В работе [4] предлагается эмпирический коэффициент пропорциональности k, равный 1,3 и учитывающий превышение давления на фронте волны сжатия Рвсж над пределом прочности рудных материалов на растяжение σ_раст.  При введении коэффициента пропорциональности k зависимость (2) преобразуется в выражение:

(3)

На основе выражения (3), зная значение  рудного материала и определив необходимое давление Р_всж, можно подобрать электрические параметры обработки U₀, C, l_рп при конструктивно заданных параметрах установки  rи L,обеспечивающие получение требуемого давления на фронте волны сжатия. Частота и количества подаваемых в обрабатываемую среду разрядных импульсов определяло степень и скорость дробления сырья.

Принципиальная схема функционирования созданной для исследования лабораторной электрогидравлической установки приведена на рисунке 1. Исходный материал поступает сверху в рабочую зону через загрузочное отверстие. В разрядной камере в зоне импульсного высоковольтного разряда в воде происходит дробление твердых материалов на фракции. Раздробленный до необходимой фракции материал проходит через щелевой классификатор и попадает в поддон установки. Щелевой классификатор задает размер фракций раскрытых минералов. Циркуляционный насос обеспечивает оборот рабочей жидкости (технической воды) в системе.

Обработке были подвергнуты предварительно дробленые пробы руд Аккаргинского, Диабазового, Кульдурского и Снежного месторождений путем их электрогидравлического измельчения до заданной крупности. Подготовленные к измельчению исходные и доведенные в результате обработки до требуемой крупности пробы исследовались в НПО «ВИМС» для определения раскрытия ценных компонентов материалов.

Рисунок 1. Лабораторная установка для электрогидравлического раскрытия минералов

 

Результаты и обсуждение

Предварительное определение предела прочности пород на сжатие [13,14] и экспериментальное уточнение электрических параметров позволяли настроить работу установки для измельчения каждой из проб дробленой руды до требуемой крупности. В частности, значения электрических параметров установки для измельчения пробы дробленой руды Кульдурского месторождения составили для крупностей -2+0 и -1+0: U₀=36кВ; С=2.7 кмФ; l_рп =20 мм; количество импульсов – 500. Энергия одного разряда составляет 1750 Дж в обоих случаях. Частота разрядов определяет производительность процесса и зависит от мощности высоковольтного источника питания. Чем больше мощность источника питания, тем выше частота разрядов на одном и том же режиме. Обычно частота разрядов не превышает 2 Гц. С учетом этого время обработки составило 250 сек, а необходимая мощность источника питания – 1750 ∙ 2 =3500 Вт или 3.5 кВт.

Ниже представлены результаты исследования раскрываемости целевых минералов в пробе Кульдурского месторождения. Исходный материал – дробленая проба руды крупностью -10+0 мм, представляющая собой смесь минералов (твердость по шкале Мооса): брусит – 65-70% (2.5); магнезит – 10-15% (3.5-4.5); доломит – 5-10% (3.5-4); серпентин – 5%(2.0-4.0); кальцит – 4 5% (3.0); девейлит – 1-3% (2.0-4.0). Полезный минерал – брусит.

Измельчение материала проводилось до заданной крупности 1мм и 2 мм. Исследование фракционного и минералогического состава проводилось на трех пробах: проба 1 – исходный материал, пробы 2 и 3 - после обработки до заданной крупности. Для оценки фракционного состава все пробы были рассеяны на классы крупности. Рассев проб показан в таблице 1. Изучение проводилось с применением оптического микроскопа ZeissAxio Imager.A2m с установленным анализатором изображения и программного обеспечения ThixometPro.  Из материала каждой пробы были изготовлены препараты для оптического анализа.

Таблица 1. Гранулометрическая характеристика проб

Проба	Исходная		-1+0		-2+0
Выход класса	Выход		Выход		Выход
	грамм	%	грамм	%	грамм	%
+2	125.8	62.0	0	0	15	14.8
-2+1	37.2	18.3	24.5	24.4	39.6	39.0
-1+0,5	18.1	8.9	35.2	35.0	16.8	16.5
-0,5+0,250	9.7	4.8	14.6	14.5	8.4	8.3
-0,250+0,125	6.5	3.2	11.3	11.2	7.3	7.2
-0,125+0,071	2.7	1.3	4.8	4.8	3.8	3.7
-0,071+0,045	2.0	1.0	3.2	3.2	4.6	4.5
-0,045	1.0	0.5	6.9	6.9	6.1	6.0
Итого	203.0	100.0	100.5	100.0	101.6	100.0

 

 

Гранулометрический анализ показал, что материал проб после электрогидравлической обработки до классов крупности -2+0 и -1+0 различен по характеру распределения по классам крупности. Так, по составу более крупнозернистая проба (-2+0) сохранила основную часть зерен в классах крупности более 0.5 мкм. При этом выход классов менее 0.125 мкм, где материал состоит из карбонатной мелкой массы, загрязняющий целевые минералы (берилл), в обеих пробах примерно одинаковый. В пробе крупностью -1+0 материал распределился в два основные класса -2+1 и -1+0,5, которые в сумме составили почти 60%. В обеих пробах все шламовые фракции отмечаются с класса крупности -0.125 мкм. Целевые минералы максимально загрязнены мелкими частицами карбонатных и отчасти глинистыми, создавая спресованные массы, которые переходят из класса в класс.

Минералогический анализ был проведен с помощью бинокуляра и оптического микроскопа по классам крупности. По итогам анализа составлена таблица раскрытия минеральных индивидов, в которой показана степень раскрытия по классам крупности (таблица 2).

Таблица 2. Раскрытие минеральных индивидов по классам крупности в исходной пробе и в пробах после обработки 

Проба	Класс крупности	+2	-2+1	-1 +0. 5	-0.5 +0.250	-0.250 +0.125	-0.125 +0.071	-0.071 +0.045	-0.045	Итого
Исходная	выход	62	18.3	8.9	4.8	3.2	1.3	1	0.5	100
	раскрытие	63.00	79.00	83.00	88.00	97.00	97.00	99.00	99.00	70.98
-1+0	выход	0	24.4	35	14.5	11.2	4.8	3.2	6.9	100
	раскрытие	0	81.00	85.00	88.00	92.00	98.00	98.00	99.00	87.25
-2+0	выход	14.8	39	16.5	8.3	7.2	3.7	4.5	6	100
	раскрытие	79.00	80.00	82.00	85.00	90.00	92.00	98.00	99.00	83.71

 

Из данных таблицы 2 следует, что в целом раскрытие минеральных составляющих в обеих пробах очень высокое по всем классам крупности и практически равномерно увеличивается с уменьшением класса.

 

Заключение

Анализ результатов обработки проб с остальных месторождений позволил сделать по ним идентичные выводы. Это дает основание полагать, что технология энергосберегающей селективной дезинтеграции тонковкрапленных руд сложного минерального сырья, основанная на использовании электрогидравлического эффекта, имеет перспективы промышленного освоения.

Список литературы

1. Capilla A. V., Delgado A. V.Thanatia: the Destiny of the Earth’s Mineral Resources. A Thermodynamic Cradle-to-Cradle Assessment. –Singapore : World Scientific Publishing, 2015. –672 p
2. Sayne A., Gillies A., Watkins A.Twelve Red Flags: Corruption Risks in the Award of Extractive Sector Licenses and Contracts. –New York : Natural Resource Governance Institute, 2017. –56 p.
3. ЧантурияВ.А., Козлов А.П. Современные проблемы комплексной переработки труднообоготимых руд и техногенного сырья //Материалы международной научной конференции «Современные проблемы комплексной переработки труднообоготимых руд и техногенного сырья (Плаксинские чтения -2017)». Красноярск: Издательство Сибирского федерального университета. 2017. С.3 – 6.
4. Ризун А.Р., Голень Ю.В., Денисюк Т.Д., РачковА.Н.,Кононов В.Ю. Разработка и внедрение электроразрядного процесса селективной дезинтеграции хвостов обогащения полиметаллических руд //Наука та інновації. 2013. Т. 9. №2. С. 5—9.
5. Чантурия В.А., Вайсберг Л.А., Козлов А.П. Приоритетные направления исследований в области переработки минерального сырья //Обогащение руд. 2014. №2. С.3 – 9.
6. Чантурия В. А. Научное обоснование и разработка инновационных процессов комплексной переработки минерального сырья // Горный журнал. 2017. № 11. С. 7–13. DOI: 10.17580/gzh.2017.11.01.
7. Шумская Е. Н., Поперечникова О. Ю., Купцова А. В. Особенности технологии переработки полиметаллических руд // Горный журнал. 2016. № 11. С. 39–48. DOI: 10.17580/gzh.2016.11.08.
8. Мартынов Н.В., Добромиров В.Н., Аврамов Д.В. Электрогидравлическая технология дезинтеграции алмазосодержащих пород //Обогащение руд. 2020. №1(385). С.8 – 14.
9. Саденова К. К., Шуюшбаева Н. Н., Танашева Н. К., Кутум Б. Б., Тлеубергенова А. Ж. Электрогидроимпульсный способ измельчения волластонитовый руды // Молодой ученый. — 2015. — №19. — С. 171-174. — URL https://moluch.ru/archive/99/22331/ (дата обращения:20.03.2020).
10. Юткин, Л.А.(1986). Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение, Ленинградское отд-ние, 263 с.
11. Ризун А.Р., Косенков В.М., Голень Ю.В., Денисюк Т.Д. Разработка и внедрение электроразрядного процесса дезинтеграции металлургического кремния // Наука та іновації. 2010. № 6. С. 25—30.6.
12. Шамко В.В., Кривицкий Е.В Исследование некоторых характеристик канала подводной искры в основной стадии развития разряда // Журнал технической физики. 1997. №47 (1). С. 93—101.
13. М.Б.Хаят, Д. Али, Ю.А. Рехман, А. Салим, Н. Мустафа. Разработка эмпирических зависимостей оценки предела прочности пород на одноосное сжатие с помощью неразрушающих методов контроля //Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2019. №6 С. 25-34. DOI: 10.15372/FTPRPI20190603
14. В.П.Ефимов. Особенности разрушения образцов хрупких горных пород при одноосном сжатии с учетом характеристик зерен //Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2018. №2. С. 18-25 DOI: 10.15372/FTPRPI20180203