Технические науки / 10. Горное дело

 

К.т.н. Лукьянов Г.Д.

 

Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г. Шухова, Россия

 

Обоснование рациональной частоты для дробления неокисленных железистых кварцитов КМА

 

Электрофизические способы воздействия на материалы нашли применение в различных отраслях производства. Использование их является актуальным и в горном деле.

Основной сырьевой базой развития горнометаллургической промышленности в бассейне КМА являются огромные запасы железистых кварцитов. Окисленные кварциты, в виду отсутствия надёжной схемы обогащения, в настоящее время складируются во временный отвал. Неокисленные кварциты поступают на обогатительные фабрики, где получают высококачественный концентрат.

Отсутствие достаточных знаний об электрофизических свойствах железистых кварцитов и явлениях, происходящих в них при воздействии внешних физических факторов (температуры, частоты, напряжённости поля), не позволяют выбрать рациональные параметры электротермических установок, определить область их применения.

По величине и характеру электропроводности горные породы и минералы, слагающие их, могут принадлежать к проводникам, полупроводникам и диэлектрикам. Диапазон значений электрического сопротивления пород около двадцати порядков. В переменных электрических полях горную породу удобней характеризовать не удельной электропроводностью, а диэлектрическими потерями, связанными с переходом части электрической энергии в тепло, который обусловлен двумя процессами: проводимостью и медленно устанавливающейся поляризацией.

Эффективность нагрева горной породы определяется, с одной стороны, параметрами электрического поля (напряжённость и частота), его характером распределения в породе, а с другой стороны, электрофизическими характеристиками породы: диэлектрической проницаемостью (e), тангенсом угла диэлектрических потерь (tgd) и удельной проводимостью (s).

Нами экспериментально установлено, что с повышением температуры e и tgd неокисленных железистых кварцитов увеличиваются (табл.1). С ростом частоты их численные значения уменьшаются, а характер зависимости сохраняется. Увеличение потерь с ростом температуры в первую очередь обусловлено потерями проводимости. Однако, некоторую роль играют поляризационные процессы типа ионно-релаксационных, обусловленных слабосвязанными ионами, поскольку для железистых кварцитов наблюдается закономерное смещение кривых tgd = ¦(T) с увеличением частоты

Таблица 1

Зависимость диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь магнетитовых железистых кварцитов от температуры и частоты

Частота МГц

Диэлектрическая проницаемость

Тангенс угла диэлектрических потерь

Температура, оС

20

100

150

200

20

100

150

200

0,05

43

67

100

297

0,43

0,79

0,99

1,66

0,1

39,5

59

90

197

0,33

0,69

0,9

1,49

0,5

33,8

45

67

77

0,2

0,45

0,63

1,12

0,8

31,1

42

61

68

0,15

0,39

0,56

0,93

2

30,8

38

55

66

0,13

0,31

0,46

0,74

5

30,2

35

50

65

0,12

0,26

0,38

0,71

10

30

34

46

64

0,1

0,23

0,35

0,66

20

30

33

45

64

0,1

0,21

0,32

0,61

 

Диэлектрическая проницаемость с ростом температуры для всех типов кварцитов, кроме магнетитовых изменяется по линейному закону. Значения e больше квадрата показателя преломления минералов, слагающих кварцит. Это указывает на то, что поляризация происходит не только за счёт электронного смещения, но и других поляризационных процессов, прежде всего за счёт ионного смещения. Подтверждением является и частотная зависимость диэлектрической проницаемости. В случае потерь проводимости e остаётся постоянной при изменении частоты. Для всех исследованных типов неокисленных железистых кварцитов наблюдается частотная дисперсия e.

Характер изменения tgd указывает, что диэлектрические потери, прежде всего, обусловлены потерями проводимости, которые в большей мере проявляются при низких частотах и высоких температурах. С увеличением температуры наблюдается характерное для потерь проводимости изменение тангенса угла диэлектрических потерь в области низких частот. Считается, что основную роль при этом играет увеличение электропроводности пород с повышением температуры.

При передаче электрической энергии, необходимой для разрушения горных пород высокочастотным контактным способом, большое значение имеет правильный выбор частоты источника высокочастотного напряжения, так как с ней связаны такие вопросы, как согласование генератора с нагрузкой, устойчивый режим работы, максимальный коэффициент полезного действия электротермической установки. Выбор частоты зависит от технологических требований, технических возможностей, техники безопасности, а также изменений электрофизических свойств горных пород в процессе разрушения.

Проведенные исследования электрических параметров неокисленных железистых кварцитов КМА позволяют по значениям проводимостей, обусловленных сквозным током и диэлектрическими потерями, определить зависимость их активной проводимости от частоты (табл.2) и оценить граничную частоту, выше которой диэлектрические потери преобладают над омическими. Такой методический подход может быть использован для обоснования рациональной частоты при обработке различных крепких диэлектрических и полупроводниковых материалов высокочастотным электромагнитным полем с целью интенсификации поглощения ими энергии.

По данным экспериментальных исследований процесс интенсификации поглощения энергии в зависимости от типа кварцитов начинается при частотах выше 80-770кГц. Данный диапазон частот, исходя из электрических свойств неокисленных железистых кварцитов, можно считать нижним пределом при их обработке токами высокой частоты. Верхний предел частот ограничен приемлемой длиной рабочей линии (кабеля), трудностью согласования генератора с нагрузкой – горной породой, наличием высоковольтных радиочастотных кабелей для передачи большой мощности, а также скин-эффектом.

Таблица 2

Зависимость активной проводимости s акт. магнетитовых железистых кварцитов от температуры и частоты

Частота МГц

Активная проводимость, Ом м

Температура

20оС

100оС

150оС

200оС

0,05

2,1 10-4

3,7 10-4

9,5 10-4

2,6 10-3

0,1

2,2 10-4

4,1 10-4

1, 10-3

2,7 10-3

0,5

2,7 10-4

6,6 10-4

1,5 10-3

3,2 10-3

0,8

2,9 10-4

810-4

1,8 10-3

3,5 10-3

2

4,8 10-4

1,4 10-3

3 10-3

6 10-3

5

1 10-3

2,6 10-3

5,4 10-3

1,3 10-2

10

2,1 10-3

4,5 10-3

9 10-3

2,6 10-2

15

2,8 10-3

6 10-3

1,3 10-2

3,5 10-2

20

3,4 10-3

7,7 10-3

1,6 10-2

4,3 10-2

 

При образовании токопроводящего канала основная мощность выделяется в канале. При низкой частоте энергия источника расходуется на нагрев горной породы на оси канала теплового пробоя и её выплавление. Слишком высокая частота сопряжена с непроизводительным расходом энергии на нагрев поверхности образца. Правильный выбор частоты способствует образованию расширяющейся области высокой постоянной температуры и созданию термоупругих напряжений в разрушаемой породе. Рациональной частотой генератора для разрушения неокисленных железистых кварцитов КМА высокочастотным контактным способом является 440кГц. При такой частоте мощность генератора может быть доведена до нескольких сот киловатт при рабочем напряжении 10 – 15 кВ.