Технические науки / 10. Горное дело

К.т.н. Лукьянов Г.Д.

Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г. Шухова, Россия

Разрушение и обработка железистых кварцитов электромагнитным полем

Дробление и измельчение горных пород относятся к наиболее трудоёмким и энергоёмким процессам при разработке железорудных месторождений. Одним из направлений, позволяющих улучшить показатели этих технологических операций, является освоение различных технологий с использованием электромагнитного поля. Наиболее эффективным для разрушения полупроводящих горных пород считается высокочастотный контактный метод теплового пробоя, основанный на выделении энергии в токопроводящем канале, возникающем в породе при подключении к электродам высокочастотного напряжения.

При возникновении теплового электрического пробоя и токопроводящего канала (диаметром 1-3 см по глубине образца) происходит неравномерное поглощение энергии породообразующими минералами и разрушение породы вследствие неравномерного нагрева и возникающих термоупругих напряжений. Данный способ под руководством автора прошёл промышленные испытания при дроблении негабарита на колосниковом грохоте подземной дробилки и совместно с виброустановкой при вибровыпуске руды из камер шахты им. Губкина, а также на кварцитах Лебединского месторождения. Источником тока высокой частоты являлась установка мощностью 40кВт при частоте 180 кГц. Разрушению подвергалась крупнокусковая магнетитовая руда с содержанием железа 34 – 42%. Производительность высокочастотной установки по результатам промышленных испытаний на колосниковом грохоте составила 10 – 11 м³/ч.

Проблема механического доразрушения растрескивавшихся кусков руды успешно решается при использовании динамических усилий, возникающих при работе машин вибрационного действия. Применение высокочастотного контактного способа дробления железистых кварцитов при вибровыпуске руды повышает производительность вибровыпуска в 1,5 раза, улучшает технологию, организацию работ и условия труда горняков.

Для разрушения неокисленных железистых кварцитов карьера Лебединского ГОКа использовалась высокочастотная установка мощностью 80 кВт на частоте 440 кГц. Производительность её при дроблении негабарита составила 30 м³/ч при энергоёмкости 3,5 кВт. ч/м³, а при подготовке крупнокусковой руды к транспортировке ленточными конвейерами (фракция – 400мм) 9,2 м³/ч при энергоёмкости 13,3 кВт. ч/м³. Результаты проведенных испытаний позволили обосновать основные параметры высокочастотной установки для электротермического разрушения крупнокусковой руды (от + 400 до – 1500мм) при дроблении горной массы до класса – 400 мм применительно к схеме циклично-поточной технологии добычи железистых кварцитов КМА: мощность ВЧ установки 440 кВт на частоте 440 кГц.

Под воздействием высокочастотного электрического поля температурное поле, а, следовательно, и поле термоупругих напряжений образуются на всю глубину проникновения электрического поля, параметрами которого можно влиять на процессы, происходящие в горных породах и зависящие от их электрических свойств. Эффективность разрушения существенно зависит от согласования параметров колебательного контура генератора с нагрузкой, так как при нагревании горной породы её электрофизические свойства сильно меняются.

Нами проведены исследования диэлектрических свойств основных типов неокисленных железистых кварцитов Лебединского месторождения. Установлено, что диэлектрическая проницаемость (e) всех типов кварцитов колеблется в пределах от 19 до 43, тангенс угла диэлектрических потерь(tgd) – от 0,13 до 0,43, фактор потерь (произведение e tgd) – от 2,47 до 18,5 (табл.).

Таблица

Диэлектрические свойства неокисленных железистых кварцитов

Лебединского месторождения КМА

Тип кварцита	tgδ			ε			Фактор потерь, (ε tg)
	от	до	сред	от	до	сред
Магнетито-силикатовый маложелезистый	0,03	0,22	0,14	17	39	28	3,92
Магнетитовый	0,1	0,62	0,43	19	72	43	18,5
Силикато-магнетитовый	0,14	0,48	0,17	26	37	32	5,44
Железнослюдко-магнетитовый	0,11	0,3	0,13	16	25	19	2,47

Наибольшие значения этих величин у магнетитовых кварцитов. В соответствии с фактором потерь неокисленные железистые кварциты Лебединского месторождения по возрастающей способности поглощать энергию высокочастотного электромагнитного поля располагаются в следующем порядке: железнослюдково-магнетитовые, магнетито-силикатовые маложелезистые, силикото-магнетитовые и магнетитовые. Чем выше фактор потерь, тем более легко разрушаются породы электротермическим способом.

Исследования электрических свойств неокисленных железистых кварцитов позволили установить зависимость их активной проводимости от частоты и определить рациональную частоту высокочастотного генератора для их разрушения. Такой частотой является 440 кГц, когда диэлектрические потери в горной породе преобладают над омическими. На данной частоте колебательная мощность генератора может быть доведена до нескольких сот киловатт с рабочим напряжением до 10-15 кВ.

Железистые кварциты, перерабатываемые на обогатительных фабриках, представляют собой многокомпонентные системы различных по прочности и измельчаемости минералов. Проблема переработки минерального сырья обусловлена не только его химическим и минеральным составами, но и характером срастаний рудных и нерудных минералов. Для минимизации потерь используют два способа: 1) механический – измельчание с достижением эффекта раскрытия тонких минеральных срастаний, 2) немеханический – энергетическое воздействие на руды, позволяющее преодолеть энергию связи атомов на границах и достичь селективной дезинтеграции без излишнего переизмельчения.

При термической обработке термонапряжения, обусловленные разностью коэффициентов теплового расширения минералов и температурными градиентами, начинают превышать прочность связи между минеральными зёрнами при температурах 900-1200К. Эффективность температурного воздействия можно повысить при избирательном нагреве рудных минералов в условиях высокочастотного электромагнитного поля. В этом случае быстрый нагрев рудных минералов приводит к возникновению термонапряжений, превышающих прочность минеральных срастаний, уже при температуре 470-520К. Развивающаяся при этом по границам зёрен интенсивная микротрещиноватость способствует вскрытию минералов при измельчении.

Проводящие полупроводниковые минералы значительно нагреваются под воздействием высокочастотного электромагнитного поля. На границах раздела минералов развиваются термомеханические напряжения, в результате прочность пород с ростом температуры уменьшается в несколько раз, что облегчит и удешевит последующий помол и сепарацию, которые являются наиболее энергоёмкими и дорогостоящими. Капитальные и эксплуатационные затраты на них могут достигать до 70% всех затрат на обогащение.

Проведенные исследования по нагреву электромагнитным полем железной руды позволили сделать вывод о возможности использования электромагнитной энергии для разрушения пород перед их механическим разрушением. Выявленные преимущества нагрева связаны с селективностью воздействия электромагнитного поля на минералы и раскрытием зёрен по плоскостям спайности.