Міністерство освіти і науки України

Криворізький технічний університет

Орел Тетяна Віталіївна

УДК 681.5:622.7:622.333+004.89

Застосування електровпливу в процесі подрібнення

магнетитових кварцитів з метою підвищення

ступеня розкриття мінералів і якості концентрату

Спеціальність 05.15.08. - збагачення корисних копалин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кривий Ріг – 2006

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Криворізькому технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Губін Георгій Вікторович,

Криворізький технічний університет, завідувач кафедри “Металургії чорних металів і ливарного виробництва”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Бережний Микола Миколайович,

Криворізький технічний університет, завідувач кафедри “Обробка металів тиском і металургійного обладнання”, Міністерства освіти і науки України, м. Кривий Ріг

кандидат технічних наук, доцент

Гаєвий Владислав Валерійович,

Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри “Збагачення корисних копалин”, м. Дніпропетровськ

Провідна установа: Український науково-дослідний та проектно-конструкторський інститут по збагаченню і брикетуванню вугілля “УКРНДІВУГЛЕЗБАГАЧЕННЯ” Міністерства палива та енергетики України, м. Луганськ.

Захист відбудеться “30” червня 2006 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 09.052.03 у Криворізькому технічному університеті за адресою: ауд. 300, вул. Пушкіна, 37, м. Кривий Ріг, 50002, Україна.

Із дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Криворізького технічного університету за адресою: вул. Пушкіна, 37, м. Кривий Ріг, 50002, Україна.

Автореферат розісланий “29” травня 2006 р.

Учений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 09.052.03

кандидат технічних наук Тиханський М.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Україна займає провідне місце у світі по запасах залізної руди й має у своєму розпорядженні потужну гірничорудну галузь. У Програмі розвитку й реформування гірничо-металургійного комплексу України до 2010 року передбачається зростання виробництва залізорудної сировини в Україні з 55,9 млн. т/рік у 2000 р. до 61,0 млн. т/рік у 2010 р., відповідно на 9,2% при одночасному підвищенні якості концентрату на 0,94-1,37% та зниженні енергоємності виробництва.

Одним з напрямків поліпшення якості концентрату є підвищення ступеня розкриття мінералів у циклах подрібнення. Підготовка руди по крупності до збагачення здійснюється в барабанних млинах. Процес подрібнення в млинах є найбільш енергоємною операцією циклу підготовки руди до металургійного переділу, споживаючи до 30% енергоресурсів ГЗК, що становить 4,5-5% енергоспоживання всього гірничо-металургійного комплексу. Тому дослідження спрямовані на інтенсифікацію існуючого процесу подрібнення в кульових барабанних млинах є необхідними й актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в межах пріоритетного напрямку розвитку науки й техніки в галузі підвищення конкурентоспроможності продукції гірничо-металургійного комплексу України згідно планів науково-дослідних робіт Криворізького технічного університету й державної програми “Розвиток і реформування гірничо-металургійного комплексу України до 2010 року”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розроблення методу інтенсифікації процесу подрібнення залізних руд в барабанних кульових млинах з метою збільшення ступеня розкриття мінералів та підвищення якості концентрату.

Завдання досліджень. Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються такі завдання:

- дослідження закономірності подрібнення магнетитових кварцитів у барабанному млині із застосуванням електровпливу;

- дослідження закономірності впливу електричного струму в процесі подрібнення на фізичні, фізико-хімічні й технологічні властивості мінералів, що розкриваються;

- розроблення принципової конструкції пристрою для проведення електрооброблення пульпи в процесі подрібнення в барабанному млині.

Об'єкт дослідження. Технологія подрібнення магнетитових кварцитів у барабанних кульових млинах із застосуванням електровпливів.

Предмет дослідження. Закономірності електрохімічної інтенсифікації подрібнення залізних руд при застосуванні дій постійного струму.

Ідея роботи. Використання електровпливу в процесі подрібнення в барабанному млині для поліпшення технологічних властивостей мінералів, які розкриваються, та ефективності збагачення подрібнених залізних руд.

Методи досліджень. При виконанні роботи використаний комплекс методів досліджень, які включали: узагальнення наукової інформації; рН-метрія й потенціометрія рідкої фази пульпи; вимірювання електрокінетичного потенціалу поверхні мінералів; лабораторні дослідження й технологічні випробування; гранулометричний та мінералогічний аналізи; методи статистичного оброблення результатів досліджень; рентгеноструктурний аналіз; фізико-механічний спосіб визначення пружних характеристик дрібних часток; мікроскопічний аналіз; магнітний аналіз мономінеральних фракцій.

Наукові положення

1. Електричний струм у кристалічних матеріалах з одночасним механічним впливом на них сприяє зниженню потенційного бар'єра руху мікродефектів (дислокацій) та інтенсифікує руйнування по поверхням з найбільшою концентрацією мікродефектів.

2. Щільність мікродефектів (дислокацій) у магнетиті впливає на магнітні параметри мінералу та його технологічні властивості.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Вперше показано, що електричний струм, який проходить через полікристалічні матеріали (залізні руди) в барабанному млині з одночасним механічним впливом з боку мелючих тіл, прискорює процес руйнування рудних частинок по площинах з найбільшою щільністю мікродефектів (дислокацій). Зерна магнетиту, які розкриваються при подрібненні залізних руд у кульовому млині із застосуванням електровпливу вмістять щільність дислокацій у 3-4 рази менше, ніж після подрібнення в звичайному кульовому млині. Електровпливи при подрібненні в барабанному млині сприяють збільшенню ступеня розкриття рудних зерен на 0,5-4,1%, а якість концентрату та витяг Feзаг підвищується на 0,3-0,7 й 1,9-2,8% відповідно в залежності від крупності подрібнення. Питомі витрати електроенергії на подрібнення з урахуванням витрат на електровплив підвищуються на 0,57-1,39 кВт•год/т подрібненої руди при крупності подрібнення 70,3-95,1% класу -0,074 мм.

2. Вперше встановлено, що внаслідок застосування електровпливу в процесі подрібнення одержано зерна магнетиту з менш дефектною структурою, ніж після подрібнення в звичайному барабанному млині. Магнітні властивості зерен магнетиту поліпшуються. Питома магнітна сприйнятливість зерен магнетиту подрібненого із застосуванням електровпливу збільшується на 4,5–13% у залежності від класу крупності, а коерцитивна сила магнетитових частинок знижується на 0,12-1,85 кА/м. Максимальна питома сприйнятливість для магнетиту, подрібненого із застосуванням електровпливу, досягається при меншому значенні зовнішнього поля, що намагнічує.

Практичне значення роботи. На основі даних лабораторних досліджень і технологічних випробувань на безперервно діючій установці запропоноване застосування електровпливу для інтенсифікації процесу кульового подрібнення магнетитових кварцитів. Обґрунтована та розроблена принципова конструкція млина з електродами для інтенсифікації процесу подрібнення, що дозволяє підвищити ефективність кульового подрібнення й поліпшити технологічні властивості мінералів, що розкриваються.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, досліджень, висновків і рекомендацій підтверджуються: коректним використанням математичного апарату; застосуванням методів теоретичного аналізу з урахуванням загальноприйнятих і обґрунтованих допущень; статистичною обробкою і достатнім обсягом експериментальних даних; збігом результатів лабораторних і технологічних досліджень; використанням стандартних методик та апаратури.

Реалізація роботи. Удосконалювання технології подрібнення магнетитових кварцитів у млинах із застосуванням електровпливів дозволить підвищити якість концентрату ВАТ “ЦГЗК” на 0,3-0,5% та вилучення Feзаг на 1,5-2% без зменшення крупності подрібнення. Результати досліджень використані Науково-промисловим підприємством “Гірник” у розробленні технології подрібнення та збагачення магнетитових кварцитів з метою впровадження на ГЗК Кривбасу. Очікувана економічна ефективність запропонованого методу інтенсифікації процесу подрібнення в барабанному млині складе 0,559 грн/т подрібненої руди.

Особистий внесок здобувача в розроблення наукових результатів, винесених на захист, полягає: у формуванні мети, ідеї, наукових положень і завдань досліджень; теоретичному та експериментальному обґрунтуванні інтенсифікації процесу подрібнення при використанні електровпливів; у створенні експериментальних установок; перевірці результатів досліджень на безперервно діючій установці.

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні положення й результати дослідження обговорювалися на наукових семінарах кафедр “Збагачення корисних копалин” і “Металургії чорних металів і ливарного виробництва” Криворізького технічного університету, на Міжнародних науково-технічних конференціях: “Сталий розвиток гірничо-металургійного комплексу України” (Кривій Ріг 2004-2005 рр.), на V-му конгресі збагачувальників держав СНД (Москва, 2005 р.), на науково-технічної конференції “Якість мінеральної сировини” (Партенід, 2005 р.); конференціях молодих вчених ВАТ “Криворіжсталь” (Кривій Ріг, 2002-2004 рр.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковано в п'яти статтях, усі в фахових виданнях.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох глав, висновків, списку використаної літератури (124 найменувань) і 4 додатків. Повний обсяг дисертації - 145 сторінок, у число яких увійшло 36 рисунків і 16 таблиць, 4 додатка на 12 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність, розглянуто зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовані мета та ідея роботи, завдання досліджень, позначені об'єкт предмет і методи дослідження, викладені основні наукові положення, новизна наукових і практичних результатів та їхня вірогідність, особистий внесок здобувача, апробація результатів, структура роботи.

У першому розділі “Аналіз сучасного стану технології подрібнення залізних руд в барабанних млинах” характеризується сучасний стан технології та устаткування для подрібнення залізистих кварцитів, нові напрямки їх розвитку.

Показано, що на сьогоднішній день конкурентний тиск на вітчизняні гірничорудні підприємства на Європейському та інших ринках залізорудної продукції підсилюється з боку світових виробників залізної руди (Швеція, Росія, Бразилія, Австралія, Індія), які пропонують залізорудну сировину з якістю 68-69% Feзаг. Енергоємність продукції вітчизняного гірничо-металургійного комплексу в 1,8-2 рази більше закордонних аналогів, а якість виготовляємої огрудкованої продукції не перевищує 54,58-59,82% Feзаг. Повний енергобаланс ГЗК показав, що найбільшими енерговитратними технологічними циклами є цикл огрудкування концентрату та цикл збагачення. Цикл збагачення споживає 19,07% всіх енергоресурсів ГЗК і є основним споживачем електроенергії - одного з дорогих видів енергоресурсів (44,08% загальнокомбінатських витрат). На подрібнення витрачається до 30% загальнокомбінатських витрат електроенергії. Отже, одним із важливих завдань в удосконаленні технології збагачення магнетитових кварцитів є розроблення ефективних методів інтенсифікації подрібнення в барабанних млинах, які є основними апаратами для подрібнення на залізорудних фабриках і мають к.к.д. не більше 1-2%.

Удосконалення подрібнення проводиться в таких напрямках:

- оптимізація техніко-технологічних параметрів подрібнення, удосконалення конструкції млина, застосування фізико-технологічних способів поліпшення якості підготовки руди до подрібнення;

- розроблення способів інтенсифікації процесу подрібнення на основі досягнень фізики твердого тіла та урахуванні фізико-хімічних властивостей рідкої та твердої фаз пульпи й створення пристроїв з високими технологічними і техніко-економічними показниками роботи.

У наш час накопичено значний досвід по застосуванню різних способів інтенсифікації процесу подрібнення руд з метою підвищення ступеня розкриття корисних мінералів за рахунок:

- проникнення в мікротріщини розширювального середовища (пара, газ, плазма) і створення додаткових дефектів і тріщин;

- попереднього підривного навантаження;

- інфрачервоного або іншого виду нагрівання;

- використання поверхнево-активних речовин (ПАР);

- ультразвукових, електроімпульсних та інших впливів;

- електрохімічної, надвисокочастотної або електромагнітної обробки матеріалу, застосування енергії прискорених електронів.

Широко в процесах перероблення руд різного речовинного складу застосовуються впливи електричного струму. Питанню створення теоретичних основ механізму дії електричного струму на мінерали і розробці апаратів для оброблення пульпи присвячені роботи В.О.Чантурія, Р.Ш.Шафеєва, В.П.Небери, Р.І.Стуруа, В.С.Харламова та ін. Застосування електрохімічних методів інтенсифікації має ряд переваг у порівнянні з іншими методами, тому що дозволяє змінювати в необхідних межах електрокінетичні параметри мінералів і рідини, реологічні властивості пульпи без використання хімічних реагентів.

В останні роки накопичився значний досвід з використання електричного струму з метою інтенсифікації різних процесів збагачення корисних копалин. Перспективним є використання електричного струму для інтенсифікації процесу подрібнення руд, особливо які складаються з мінералів із провідниковими й напівпровідниковими властивостями. Цей спосіб інтенсифікації пройшов промислову апробацію на рудах кольорових металів, але не має глибокого теоретичного обґрунтування, що стримує його практичне застосування. Продуктивність млинів підвищується на 10-12% і поліпшується якість кінцевого продукту збагачення на 1,1-4,0% без зниження вилучення.

Руйнування твердих тіл - це результат процесів, які здійснюються на різних ієрархічних рівнях: від міжатомних зв'язків до макророзривів суцільності. Особлива роль приділяється вивченню мікродефектності мінералів руд і пошуку способів керування процесом спрямованого використання їхньої енергетики. Один з найпоширеніших механізмів утворення зародкових тріщин є дислокаційний механізм. Зростання кількості мікротріщин зумовлений щільністю й рухливістю дислокацій, що стікаються у вершину тріщини.

Урахування, аналіз і спрямоване використання особливостей руйнування твердих часток з урахуванням дислокаційної структури мінералів дозволяє розробити енергоефективний спосіб інтенсифікації процесу подрібнення руд у барабанних млинах.

Другий розділ роботи “Наукові передумови застосування електровпливів у процесі подрібнення в барабанних млинах” присвячений теоретичним дослідженням можливості застосування електровпливів для інтенсифікації процесу подрібнення в барабанному млині.

У розділі докладно вивчені наступні питання:

- текстурно-структурні особливості різновидів магнетитових кварцитів, обраних для дослідження. Визначені міцнісні характеристики мінералів руд та їх поверхонь зрощення;

- визначені основні механізми дії електричного струму в процесі подрібнення магнетитових кварцитів на характер руху дислокацій, механізм їхньої взаємодії із границями зерен і мікротріщинами руйнування, на пружно-пластичні характеристики матеріалів, на релаксаційні процеси в навантажених кристалічних тілах, на електрохімічне модифікування поверхонь мінералів, на зміну електрокінетичних параметрів поверхонь частинок мінералів і рідкої фази пульпи, на механізм взаємодії частинок між собою, на зміну магнітних властивостей мінералів, що розкриваються.

При вивченні текстурно-структурних особливостей досліджуваних руд і фізико-механічних властивостей мінералів зроблено висновок про те, що межа зрощення мінералів у досліджуваних рудах має проміжне значення мікротвердості між магнетитом та кварцом цих руд. Для магнетитових кварцитів ВАТ “ЦГЗК” межа зрощення мінералів по мікротвердості наближається до магнетиту, а для магнетитових кварцитів ВАТ “ПівнГЗК” посідає проміжне значення між кварцом і магнетитом. Показано, що мікротвердість поверхонь безпосередньо пов'язана зі щільністю дислокацій у мінералі. Магнетит характеризується значно меншою концентрацією дислокацій (45,4ч64,1·1014 м-2), ніж кварц (705,2ч717,9·1014 м-2), що визначає механізм руйнування як окремих мінералів, так и рудних частинок.

Дислокації, які є основними мікродефектами кристалічної структури мінералів, переміщуються під дією зовнішнього навантаження. Дислокації, маючи певний рівень енергії, здатні взаємодіяти з зовнішніми енергетичними полями. Енергію, необхідну для зриву дислокації з місця закріплення й забезпечення руху її через мінерал до границі зрощення, можна представити:

, Дж, (1)

де - висота потенційного бар'єра в місці закріплення дислокації (величина енергетичного бар'єра активації руйнування);

- величина зовнішнього енергетичного впливу в місці закріплення дислокації спрямованого на зниження .

Дія електричного струму виявляється в підвищенні енергії поляризованих коливань дислокаційної ділянки (у межах об'єму, що активується), величина якої прямо пропорційна квадратові щільності електричного струму. Таким чином

, (2)

де - структурний параметр, см3;

- щільність електричного струму, А/м2;

- електропровідність, Ом-1•м-1;

- частота коливань вузла решітки (або групи вузлів, наприклад, дислокаційної лінії між вузлами закріплення), с-1;

- механічне напруження, Па.

Рух дислокації може відбуватися або за рахунок механічного навантаження, або шляхом створення поля напруг потоком рухомих електронів. Співвідношення цих величин визначатиме ефективність електродій в процесі руйнування твердих тіл.

Величину щільності електричного струму, що приводить до початку руху дислокацій, можна визначити із формули (2) при умові і по залежності:

. (3)

Таким чином, одночасна дія на мінеральні частки механічного навантаження і електричного струму сприятиме прискоренню переміщення дислокацій до меж зерен. Розглядаючи дію електричного струму на основні мінерали залізних руд необхідно враховувати, що електровпливи в процесі подрібнення найбільш ефективні на провідникові матеріали (магнетит), сприяючи виведенню дислокацій із внутрішніх об'ємів кристалічних решіток до поверхонь зрощення зерен.

У процесі подрібнення руд у точках контакту тіл, що мелють, із подрібнюваними частками утворюється сітка мікротріщин, які залежно від виникаючих у матеріалі напружень можуть розвинутися в тріщини руйнування або закритися в подальших періодах подрібнення. Закриття мікротріщин може відбуватися і в період між циклами навантаження унаслідок явищ релаксацій у руді. Це спричиняє зниження коефіцієнта використовування енергії, що підводиться.

Електровплив при одночасному електрохімічному обробленні, змінюючи енергетичний стан поверхні мінеральних частинок у пульпі та іонний склад рідкої фази, приводить до зміни енергетичної обстановки в мікротріщинах. У процесі мокрого подрібнення в мікротріщини проникає вода та на їх поверхнях утворюються подвійні електричні шари (ПЕШ). Товщина ПЕШ на мінералах заліза у воді залежить від концентрації в ній потенціалвизначаючих іонів та дорівнює --, що перевищує середній радіус пір (0,33ч0,99•10-8 м), тому електростатична взаємодія граней мікротріщин відбувається внутрішніми шарами ПЕШ. Отже, при розрахунку сили електростатичного тиску розпору необхідно враховувати повний потенціал поверхні мінералів. Підвищення потенціалу поверхонь до –0,9-1,0 В сприяє збільшенню розклинюючого тиску в мікротріщинах до 420-600 кПа (збільшується у 30-40 разів), що якщо й не приводить до розвитку мікротріщин у тріщини руйнування (=4-14 МПа), то фіксує їх і зберігає для наступних циклів навантаження і руйнування. Це сприяє підвищенню ефективності подрібнення в барабанному млині.

Максимальний ефект від електрообробки пульп досягається внаслідок контактного заряджання мінералів, які мають помітну електропровідність, тому що в цьому випадку відбувається електронний механізм зарядження часток з поверхнею електроду. До рівноважного потенціалу мінералу додається потенціал електроду. При відході частки від поверхні електроду відбуваються процеси релаксацій у поверхневих шарах мінеральної частки і потенціал поверхні мінеральних часток набуває свого первинного значення.

Тонке подрібнення твердих часток, що особливо проводиться в кульових млинах у водному середовищі із інтенсивним механічним навантаженням, приводить до швидкого накопичення часток мінералів із термодинамічно нестійкою поверхнею, унаслідок порушення стабільного розташування структурних елементів (іонів, атомів, молекул), що складають тверде тіло. Це сприяє зміні хімічного стану поверхні мінералів та їх поверхневих властивостей, роль яких посилюється в процесах розділення із зменшенням крупності подрібнення. У млині існують умови, що сприяють мимовільному проходженню реакцій окислення на поверхнях мінералів, котрі оголяються в процесі подрібнення у воді, які інтенсифікуються механічною дією. При вивченні електрохімічної дії електричного струму визначено, що електрохімічне відновлення сприяє гальмуванню процесу окислення металевих поверхонь млина, тіл, що мелють і магнетиту з наступним відновленням виникаючих окисних і гідроокисних плівок.

Магнітні властивості мінералів обумовлені змістом певних крісталографічних площин і залежать від змін, які відбуваються у внутрішньому об'ємі мінералу в процесі подрібнення. Основними характеристиками мікроструктури мінералів є: щільність дислокацій, розмір блоків крісталітов, мікродеформація і параметр кристалічних решіток. Вивчення впливу мікроструктурних параметрів магнетиту на магнітні властивості мінералів показало, що намагніченість магнетиту залежить від щільності дислокацій. Зміна намагніченості мінералів у залежності від щільності дислокацій у ньому розраховується за формулою:

, (4)

де К - коефіцієнт, що залежить від структурних і фізико-механічних параметрів мінералу, та напруженості намагнічувального поля;

- щільність дислокацій, м-2.

Кількість мікродефектів кристалічної структури та їх фізичні властивості впливають на величину коерцитивної сили. У полях високої напруженості поворот і рух доменів супроводжується відривом їх від точок закріплення на дислокаціях. Відрив від точок закріплення переводить домени в нове, відмінне від первинного, положення. Однак в цьому випадку після зняття зовнішнього поля, що намагнічує, повернення доменів у первинне положення буде неможливе унаслідок утворення на шляху руху доменів потенційного бар'єру скупчень дислокацій. Таким чином, електровпливи в процесі подрібнення, сприяючі зменьшенню щільності діслокацій за рахунок реалізації їх скупчень у вільну поверхню повинні поліпшити магнітні властивості мінеральних часток, а саме – знизити величини коерцитивної сили і енергію перемагнічування.

У третьому розділі роботи “Методика експериментальних досліджень” наведені основні методики, які застосовувалися при проведенні експериментальних досліджень. Факторами, що визначають ефективність електровпливу та надійність роботи вузлів уведення електричного струму в млин, є: площа робочого електроду, який контактує з тілами, що мелють і пульпою; величина електричного потенціалу на подрібнюваних частках; стабільність споживання електричного струму в ланцюзі електрооброблення. На підставі проведеного аналізу розподілення потенціалу робочого електроду на тілах, що мелють розроблена оптимальна принципова конструкція млина з пристроєм для проведення електрооброблення пульпи в процесі подрібнення.

Проведений аналіз показав, що оптимальною принциповою конструкцією млина можна вважати млин з робочим електродом, розташованим на внутрішній циліндровій поверхні барабана млина, а допоміжний електрод - на внутрішніх бічних стінках за діелектричною перфорованою перегородкою (рис. 1).

Рис. 1. Схема млина (а), зміна відносного потенціалу на тілах, що мелють (б);

1 – корпус - робочий електрод; 2 - діелектричне футерування; 3 - допоміжний електрод; 4 – струмопідвідні кільця; 5 – щітки; 6 – тіла, що мелють.

Зниження потенціалу робочого електроду на тілах, що мелють у такому млині, становить 10-12%.

У четвертому розділі “Експериментальні дослідження засоба інтенсіфікації кульового подрібнення електровпливами постійногоструму” на підставі встановлених у розділі 2 закономірностей і в млині, розробленому за методикою (розділі 3), наведені результати лабораторних досліджень впливу електричного струму на показники подрібнення й магнітного поділу подрібненого продукту.

Показано, що при збільшенні напруги на електродах млина до 15 В масова доля класу -0,074 мм у подрібненому продукті крупновкраплених магнетитових кварцитів зростає на 3,8-8,2% у залежності від крупності подрібнення. У відносних відсотках цей приріст становить 5,2-15,9% (рис. 2).

Рис. 2. Зміна відносного приросту готового класу -0,074мм у подрібненому продукті в залежності від напруги на електродах

1, 2, 3 - подрібнення крупновкраплених магнетитових кварцитів (крупність подрібнення при U=0 В 51,5, 63,4 та 75,1% відповідно);

4, 5 - подрібнення тонковкраплених магнетитових кварцитів (крупність подрібнення при U=0 В 54,6 та 65,0% відповідно).

Електровплив при подрібненні тонковкраплених магнетитових кварцитів сприяє збільшенню масової долі класу -0,074 мм у подрібненому продукті на 2-3%. Питома продуктивність млина по готовому класу -0,074 мм підвищується з електровпливами на 8,2-16%.

Експериментальні дані показали, що масова доля Feзаг в магнітній фракції після розділення в магнітному сепараторі подрібненого матеріалу в млині без застосування електровпливів, у цілому нижче, ніж після магнітного розділення продукту, подрібненого в млині із застосуванням електровпливів (рис. 3).

Рис. 3. Залежність основних технологічних показників магнітного розділення від крупності подрібнення (напруга на електродах: 1 (^)- ; 2 (?) - ; 3(?) - ).

Так, при досягненні крупності подрібнення 97-98% класу -0,074 мм отримана якість концентрату збільшується на 1,5-2% Feзаг при розподілу продукту подрібнення із застосуванням у млині електровпливів. Одночасно з підвищенням масової долі Feзаг у концентраті після подрібнення із застосуванням електровпливів знижуються втрати корисного мінералу з немагнітною фракцією. Масова доля Feзаг у немагнітній фракції знижується на 2,5-4% при грубому подрібненні й на 1-1,5% при тонкому подрібненні. Подрібнення із застосуванням електровпливів сприяє підвищенню ступеня розкриття рудної фази на 5-7% і вилучення корисного мінералу в магнітну фракцію на 2,2-3,5%. Мінералогічні дослідження продуктів подрібнення встановили, що електровпливи підвищують ступінь розкриття рудних зерен у всіх класах крупності. Найбільш розкритими є класи -0,074+0,044 мм і -0,044+0. У цих класах досягнутий ступінь розкриття рудних зерен досягає 92,3 і 98,4% після подрібнення з електровпливом проти 90,8 і 96,0%, відповідно, після подрібнення без електровпливу. Ступінь розкриття нерудних мінералів збільшується на 1-4,8%.

Механічні дії середовища, що перемелює в млині рудні частки, спричиняє зміни структурних параметрів мінералів, мікродефектності внутрішніх об'ємів, форми поверхні. Електровпливи інтенсифікують руйнування кристалічних тіл по площинах з найбільшою щільністю впакування атомів на поверхні, про що свідчить підвищення в кількісному відношенні площин {111}, {222} і {400}. Електровпливи сприяють одержанню структури мінералів з величиною блоків кристалітів у 1,8-2,0 рази більше, ніж при звичайному подрібненні (рис. 4). До збільшення блочності структури магнетиту приводить інтенсифікація електровпливами руйнування матеріалу по площинах концентрації дислокацій. Щільність дислокацій після подрібнення з електровпливами становить (2,5ч13)•1014 м-2, а без електровпливу (7ч50)•1014 м-2. Після подрібнення з електровпливами зменшуються мікродеформації кристалічної решітки магнетиту в 1,3-1,8 рази.

До аналогічних висновків приводять результати вимірювання коефіцієнта пружності багатих зростків магнетиту з кварцом крупностю –1,0+0,5 мм після подрібнення рудних часток в досліджуваних млинах і при різних режимах подрібнення. Статистична обробка експериментальних даних показала, що коефіцієнт пружності багатих зростків магнетиту крупностю –1,0+0,5 мм, виділених із продуктів подрібнення залізних руд в млині з електровпливом складає 0,37-0,39, а із продуктів подрібнення в млині без електровпливу - 0,44 (достовірність Р=95%). Отже, спостерігається відмінність модуля Юнга для подрібнених часток, який складає 113 і 94-98 ГПа для часток після подрібнення в звичному млині і в млині з електровпливом, відповідно. Зниження на 15-16% коефіцієнта пружності і модуля Юнга багатих зростків свідчить про збільшення концентрації мікродефектів в зростках із застосуванням електровпливів, що сприяє зниженню енергетичних затрат на їх подальше руйнування в процесі подрібнення в барабанному млині. Коефіцієнт пружності і модуль Юнга кварцових зерен не значно відрізняється один від одного і складає 0,43 і 116 ГПа для кварцових зерен після подрібнення в млині без застосування електровпливів та 0,41 і 110-113 ГПа для кварцових зерен після подрібнення в млині із застосуванням електровпливів.

Рис. 4. Зміна періоду кристалічної решітки, величини блоків кристалітів, щільності дислокацій (с•10-14, м-2) і мікродеформацій (Да•10-3, од) зерен магнетиту різної крупності подрібнених в кульовому млині без електровпливів та з електровпливами.

Питома магнітна сприйнятливість магнетиту на 4,5–13% вище відносно магнетиту, подрібненого в кульовому млині без електровпливів. Електровпливи сприяють одержанню зерен магнетиту з нижчим значенням коерцитивної сили. Так, для крупності зерен –0,25+0,1 мм коерцитивна сила магнетитових часток знижується на 0,12 кА/м, а для зерен крупностю –0,44 мм - на 1,85 кА/м. Випробування на безперервній подрібнювальній установці підтвердили результати лабораторних досліджень. Якість концентрату з матеріалу подрібненого в млину з електровпливом підвищується на 0,3-0,7%, витяг Feзаг на 1,8-2,8% та продуктивність млина по класу -0,074 мм - на 7,4-12,5%.

ЗАГАЛЬНИЙ ВИСНОВОК

У висновках узагальнено результати дослідження.

Основні результати виконаних автором досліджень дозволили отримати нові науково технічні рішення для підвищення ефективність подрібнення магнетитових кварцитів у барабанному млині.

1. Теоретичні дослідження показали, що дія електричного струму в процесі подрібнення здійснюється в підвищенні енергії поляризованих коливань дислокаційної ділянки (у межах об'єму, що активується) впливаючи на швидкість переміщення дислокацій і зміни ефективного опору кристалічних решіток. Показано, що вплив електричного струму на матеріал у процесі подрібнення його в барабанному млині сприяє концентрації дислокацій по межах зрощення мінералів, та інтенсифікує руйнування по цим площинам. Концентрація дислокацій у магнетиті, виділеному із продукту подрібнення в млині із застосуванням електровпливів, нижче в 3-4 рази, ніж у магнетиті, виділеному із продукту подрібнення звичайного млина.

2. Аналітично доведено, що зниження коефіцієнта релаксації мікротріщин приводить до підвищення ефективності подрібнення. Електровпливи сприяють підвищенню розклинюючого тиску у відкритих мікротріщинах в 30-40 разів.

3. Електрохімічне оброблення пульпи у млині сприяє зниженню налипання шламистих часток на поверхнях крупних зерен за рахунок підвищення дзета-потенціалу поверхонь часток і збільшення значення енергетичного бар'єра відштовхування між частками. Масова доля SiO2 на поверхнях магнетитових зерен знижується в 2,64 рази. Міцність закріплення кварцу після подрібнення в млині з електровпливом нижче, ніж після подрібнення в звичайному кульовому млині. Електровплив у процесі подрібнення (електрохімічне відновлення) сприяє гальмуванню процесу окислення поверхонь магнетиту.

4. Питома магнітна сприйнятливість зерен магнетиту подрібненого із застосуванням електровпливу збільшується на 4,5–13% у залежності від класу крупності, а коерцитивна сила магнетитових частинок знижується на 0,12-1,85 кА/м. Максимальна питома сприйнятливість для магнетиту, подрібненного із застосуванням електровпливу, досягається при меншому значенні зовнішнього магнітного поля, що намагнічує.

5. Технологічні випробування подрібнення в барабанному млині на безперервнодіючій установці із застосуванням електровпливу показали, що продуктивність млина по класу -0,074 мм підвищується на 7,4-12,5%, якість концентрату при однаковій крупності подрібнення на 0,3-0,7%, а витяг Feзаг на 1,8-2,8%.

6. Загальні питомі витрати електроенергії на подрібнення з урахуванням витрат електроенергії на електровпливи в процесі подрібнення підвищуються на 0,37-1,39 кВт•год/т при крупності подрібнення 70,3-94,8% класу -0,074мм. З урахуванням збільшення ступеня розкриття рудних зерен на 1,3%, якості концентрату на 0,7% та витягу Feзаг на 1,8% при крупності подрібнення в млині з електровпливом 95,1% класу -0,074 мм очікувана економічна ефективність запропонованого методу інтенсифікації процесу подрібнення в барабанному млині складе 0,559 грн/т подрібненної руди.

Основні положення дисертації викладено в публікаціях:

1. Губин Г.В., Орел Т.В., Ткач В.В. Электрохимическое модифицирование поверхности минералов при измельчении железных руд // Вісник Криворізького технічного університету. – Кривий Ріг: КТУ. – 2004. - №3. – С. 91-92.

2. Губин Г.В., Орел Т.В., Ткач В.В. Особенности загрязнения поверхностей минералов в процессе измельчения // Вісник Криворізького технічного університету. – Кривий Ріг: КТУ. – 2005. - №7. – С. 77-82.

3. Губин Г.В., Орел Т.В., Ткач В.В. Электрохимическая интенсификация процесса раскрытия минералов в барабанных мельницах // Качество минерального сырья: Сб. научных трудов “Качество минерального сырья”. Кривой Рог, 2005. – С. 261-265.

4. Губин Г.В., Ткач В.В., Орел Т.В. Современная технология получения товарной продукции высокой добавленной стоимости в условиях горно-обогатительного комбината // Разработка рудных месторождений: Наук.-техн. сб. – Кривой Рог: КТУ. Вып. 88. – 2005. – С. 88-92.

5. Орел Т.В. Структурные изменения в минералах при измельчении в барабанной мельнице // Вісник Криворізького технічного університету. – Кривий Ріг: КТУ. – 2006. - №11. – С. 31-34.

Особистий внесок автора в роботи, опубліковані в співавторстві, полягає в наступному: розроблення концепції і виконання аналітичних досліджень [1, 4]; виконання натурних спостережень, їх обробка і аналіз [2, 3].

АНОТАЦІЯ

Орел Т.В. Застосування електровпливу в процесі подрібнення магнетитових кварцитів з метою підвищення ступеня розкриття мінералів і якості концентрату. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.15.08 - збагачення корисних копалин - Криворізький технічний університет, Кривий Ріг, 2006.

Дисертація присвячена питанню підвищення якості й зниження енергоємності концентратів залізних руд за рахунок збільшення ступеня розкриття мінералів шляхом інтенсифікації процесу подрібнення впливами постійного струму. У роботі досліджено вплив електричного струму на механізм руйнування полікристалічних матеріалів. Показано, що одним з методів підвищення ступеня розкриття рудних мінералів є вплив на їхню дислокаційну структуру. Електричний струм, що проходить через мінеральні утворення, інтенсифікує рух дислокацій до поверхонь зрощення мінералів і приводить до підвищення ступеня розкриття рудних зерен при здрібненні в барабанному млині. Електрокінетична фіксація тріщин у матеріалі сприяє зниженню енергетичних витрат на процес здрібнення руд. Мінерали, що розкриваються в млині з електровпливом, характеризуються кращими технологічними й фізико-хімічними властивостями. Розроблено принципову конструкцію млина для подрібнення руд із застосуванням електричних впливів. Результати лабораторних досліджень підтверджені технологічними випробуваннями на непреривнодіючій установці.

Ключові слова: подрібнення, барабанний млин, дислокація, електрокінетичний потенціал, розкриття мінералів.

Орел Т.В. Применение электровоздействий в процессе измельчения магнетитовых кварцитов с целью повышения степени раскрытия минералов и качества концентрата. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.08 – обогащение полезных ископаемых – Криворожский технический университет, Кривой Рог, 2006.

Диссертация посвящена вопросу повышения качества и снижения энергоемкости концентратов железных руд за счет увеличения степени раскрытия минералов путем интенсификации процесса измельчения воздействиями постоянного тока. Обогатительная фабрика является самым энергоемким цехом на ГОКе, потребляющая 38,8-56,5% всей электроэнергии комбината. В течение многих десятилетий в качестве основного измельчительного аппарата применяется шаровая барабанная мельница. Достоинствами шаровой барабанной мельницы являются: универсальность применения при размоле самых разных по физико-механическим свойствам материалов, высокая надежность в эксплуатации, простота в техническом обслуживании и ремонте. Практика эксплуатации и применяемые методики оценки энергоэффективности работы шаровой мельницы показывают, что их коэффициент полезного действия не превышает 1-2%.

Повышение селективность измельчения руд в барабанных мельницах осуществляется за счёт: проникновения в микротрещины расширяющей среды (пар, газ, плазма) и создания дополнительных дефектов и трещин; предварительного взрывного нагружения; инфракрасного или другого вида нагрева; применения энергии ускоренных электронов; использования поверхностно-активных веществ (ПАВ); ультразвуковых, электроимпульсных или других воздействий; электрохимической, сверхвысокочастотной (СВЧ) или электромагнитной обработки материала, применения энергии ускоренных электронов. Электрохимическая обработка пульпы перед измельчением способствует повышению степени раскрытия минералов. Массовая доля Feобщ в магнитной фракции повышается на 0,2-0,3 % при одновременном повышении извлечения на 2,2-7,4%.

В работе исследовано влияние электровоздействий на механизм разрушения поликристаллических материалов. Показано, что одним из методов повышения степени раскрытия рудных минералов является воздействие на дислокационную структуру минералов. Лабораторные исследования показали, что электровоздействия при измельчении способствуют: повышению степени раскрытия рудных зёрен на 5-7%; увеличению удельной производительности мельницы по классу -0,074 мм на 8,2-16%; получению концентрата с массовой долей Feобщ выше на 1,5-2,0% с одновременным снижением потерь с отходами обогащения на 1-4% в зависимости от крупности измельчения; раскрытию минералов с плотностью дислокаций ниже в 3-4 раза; величиной блоков кристаллитов выше в 1,8-2,0 раза.

Электрический ток, проходящий через минеральные образования, интенсифицирует движение дислокаций к поверхностям срастания минералов и приводит к повышению степени раскрытия рудных зерен при измельчении в барабанной мельнице. Экспериментальные исследования показали, концентрация дислокаций в магнетите выделенном из продукта измельчения в мельнице с применением электровоздействий ниже в 3-4 раза, чем в магнетите, выделенном из продукта обычной мельницы. Электрокинетическая фиксация трещин в измельчаемом материале способствует снижению энергетических затрат на процесс разрушения кристаллических тел. Электровоздействия способствуют повышению расклинивающего давления в открытых микротрещинах в 30-40 раз.

Раскрываемые минералы характеризуются лучшими технологическими и физико–химическими свойствами. Удельная магнитная восприимчивость зерен магнетита измельченного с применением электровоздействий увеличивается на 4,5 – 13% в зависимости от класса крупности, а коэрцитивная сила частиц магнетита снижается на 0,12-1,85 кА/м. Максимальная удельная восприимчивость для магнетита, измельченного с применением электровоздействий достигается при меньшем значении внешнего намагничивающего поля. Разработана принципиальная конструкция мельницы для измельчения руд с применением интенсифицирующих воздействий постоянного тока. Результаты лабораторных исследований подтверждены технологическими испытаниями на укрупненной непрерывно действующей установке.

Технологические испытания измельчения в барабанной мельнице на непрерывно действующей установке с применением электровоздействий показали, что производительность мельницы по классу -0,074 мм повышается на 7,4-12,5%, качество концентрата при одинаковой крупности измельчение на 0,3-0,7%, извлечение Feобщ на 1,8-2,8%. Общие затраты электроэнергии на измельчение с учетов затрат электроэнергии на электровоздействие в процессе измельчения увеличиваются на 0,37-1,39 кВт•ч/т при крупности измельчения 70,3-94,8% класса -0,074 мм. С учетом увеличения степени раскрытия рудных зерен на 1,3%, качества концентрата на 0,7% и извлечения Feобщ на 1,8% при крупности измельчения в мельнице с электровоздействием 95,1% класса -0,074 мм расчетный экономический эффект предложенного метода интенсификации процесса измельчения в барабанной мельнице составит 0,559 грн/т измельченной руды.

Ключевые слова: измельчение, барабанная мельница, дислокация, электрокинетический потенциал, электровосстановление, раскрытие минералов.

Orel T.V. Application of electro-influences in the process of magnetite quartzite grinding with the purpose to increase the degree of minerals opening and concentrate quality. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of candidate of engineering science on a speciality 05.15.08 – mineral dressing – Krivoy Rog technical university, Krivoу Rog, 2006.

The dissertation is devoted to a question of improving and decline of power-consuming of iron-ore concentrates due to increase of a degree of minerals opening by intensification of grinding with the way of direct current influences. In work influence of electrical exposure on the mechanism of polycrystalline material destruction is investigated. It is shown, that one of methods of increasing of the degree of ore mineral opening is the influence on mineral dislocation arrangement. The electric current passing through mineral formations intensifies movement of dispositions to surfaces of minerals accretion and results to increase of degree of ore grains opening at grinding in ball mill. Electrokinetic fixing of cracks in grined material promotes reduction of power inputs on the process of crystalline solids destruction. Opened minerals are characterized by the best technological and physical-chemical properties. The fundamental design of mill for ore reduction with application of intensifying influences of a direct current is developed. Laboratory research results are confirmed with technological tests on the aggregated continuously working installation.

Key words: grinding, ball mill, dislocation, electrokinetic potential, electroreduction, opening of minerals.