Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и анализ практических и теоретических исследований в области образования и распространения трещин 12
1.1. Виды связей в твердых телах и их теоретическая прочность 12
1.2. Энергетический критерий к решению задач о трещинах 17
1.3. Силовой критерий к решению задач о трещине 25
1.4. Анализ разрушения в электрическом и механическом полях, по Гриффитсу 29
1.5. Устье трещины и его геометрические характеристики 32
Глава 2. Теоретические исследования 37
2.1. Анализ возможных механизмов разупрочнения магнитных и немагнитных руд, подверженных магнитно-импульсной обработке (МИО) 37
2.2. Влияние заряженных дислокаций на образование и распространение трещин. Поверхностный заряд. Развитие хрупкой трещины под действием электрического поля 41
2.3. Критерий чувствительности минералов к магнитно-импульсному воздействию 48
2.4. Классификатор минералов по чувствительности к магнитно-импульсному воздействию 56
2.5. Коэффициент чувствительности горной породы к магнитно-импульсному воздействию 60
Глава 3. Экспериментальные лабораторные исследования влияния магнитно-импульсной оработки на минералы и горные породы 63
3.1. Структурное состояние горных пород 63
3.2. Подготовка образцов. Получение дифрактограмм и их расшифровка, с целью получения информации о структурно-напряженном состоянии горных пород 68
3.3. Результаты экспериментального исследования образцов горных пород и минералов методом рентгеноструктурного анализа 72
Глава 4. Разротка методики для оценки снижения удельных энергозатрат на механическое разрушение горных пород с предварительной магнитно-импульсной обработкой 82
4.1. Методы определения физико-механических свойств минералов и горных пород 82
4.1.1. Методы определения диэлектрической проницаемости минералов 83
4.1.2. Методы определения упругих свойств минералов 86
4.1.3. Метод определения предела прочности при растяжении горных пород и минералов 89
4.1.4. Метод определения коэффициента интенсивности напряжений (вязкости разрушения) горных пород и минералов 91
4.1.5. Метод определения коэффициента (индекса) Бонда 94
4.2. Методика оценки прогнозируемой величины снижения удельных энергозатрат на механическое разрушение различных типов горных пород, подверженных магнитно-импульсной обработке 95
4.3. Учет времени импульсного электромагнитного воздействия 103
Глава 5. Лабораторные и опытно-промышленные испытания по магнитно-импульсному разупрочнению различных типов горных пород 105
5.1. Взаимосвязь снижения удельных энергозатрат на механическое разрушение руд с коэффициентом чувствительности горных пород к МИО 105
5.2. Коэффициент чувствительности распространенных горных пород к МИО 109
5.3. Экономический эффект от внедрения методики оценки прогнозируемой величины снижения удельных энергозатрат на механическое разрушение различных типов горных пород, подверженных магнитно-импульсной обработке 121
Заключение 125
Список литературы 128
- Энергетический критерий к решению задач о трещинах
- Влияние заряженных дислокаций на образование и распространение трещин. Поверхностный заряд. Развитие хрупкой трещины под действием электрического поля
- Подготовка образцов. Получение дифрактограмм и их расшифровка, с целью получения информации о структурно-напряженном состоянии горных пород
- Методика оценки прогнозируемой величины снижения удельных энергозатрат на механическое разрушение различных типов горных пород, подверженных магнитно-импульсной обработке
Введение к работе
Актуальность
50-60-е годы стало ясно, что возможности совершенствования традиционных механических методов разрушения горных пород и руд с целью снижения энергетических затрат и улучшения технологических показателей процессов, основанных на разрушении, ограничены [114]. В эти годы в СССР было выполнено много оригинальных работ по исследованию принципиально новых, основанных на различных физических принципах методов разрушения горных пород. Поиски новых нетрадиционных методов разрушения материалов объективно отражали потребности технического прогресса в различных отраслях промышленности, и основными требованиями к разработке новых способов были достижение более высокой технологической эффективности, снижение энергоемкости разрушения, обеспечение более простого управления процессом, более высокой экологической чистоты техники и технологии и т.п. Как отмечал акад. Н.В. Мельников, поиск новых методов необходимо было вести на базе достижений физико-математических наук. Академик В.И. Попков более определенно указывал на особые возможности электрофизики, где еще не были затронуты глубокой научной проработкой процессы, связанные с проявлением сильных электрических полей и их взаимодействием с веществом, с электроразрядными процессами в различных средах и взаимодействием плазменного канала с твердым телом.
Чл.-корр. АН СССР В.И. Ревнивцев [97, 98, 99] был одним из первых кто разрабатывал ряд новых научных направлений в технологии переработки полезных ископаемых и занимался вопросами рудоподготовки с позиции селективного раскрытия минералов, и считал, что направленное изменение технологических свойств минерального сырья за счёт воздействия на руду. различных физических полей, позволит более комплексно использовать минеральные ресурсы. Владимир Иванович создал научную школу по разработке процессов разделения минералов с близкими свойствами на основе дефектов их кристаллической структуры. Он настаивал на важности воздействия различного рода полей в процессах рудоподготовки с целью обеспечения комплексного использования полезных ископаемых.
За последние десятилетия разработано и внедрено большое количество технологий связанных є процессами предразрушения на этапе рудоподготовки, с целью снижения энегрозатрат на переработку руд, а так же обеспечения максимальной степени извлечения полезного компонента, на основе электрофизических воздействий, которые призваны произвести разупрочнение руды перед ее дальнейшей обработкой. К таким методам электрофизического воздействия относятся [13]:
Электрохимическая обработка;
Поток ускоренных электронов;
Сверхвысокочастотная (СВЧ) обработка [79];
Сверхмощные гиперударные волны;
Электроимпульсная обработка;
Электрогидродинамическое воздействие;
Мощные наносекундные электромагнитные импульсы;
Магнитно-импульсная обработка (МИО).
Среди данных видов электрофизических воздействий особое внимание уделяется электроимпульсным воздействиям, поскольку они характеризуются низкими затратами энергии, большой эффективностью (таб.1.).
Таблица. 1 Электроимпульсные технологии* *Таблица заимствована из литературы [13], с уточнением информации по МИО [48, 89].
Под руководством академика Чантурии В.А. проводятся исследования в области применения селективной дезинтеграции руд, с целью снижения потерь при переработке тонковкрапленных руд без образования сростков. Предложено в данном случае применять СВЧ-воздействие на упорный золотосодержащий концентрат.
Вопросам электрофизических воздействий на различные типы руд с целью направленного изменения свойств в процессах рудоподготовки посвящены научные работы Ревнивцева В.И., Мельникова Н.В., Чантурия В.А., Некрасова Л.Б., Новика Г.Я., Викторова С.Д., Казакова Н.Н., Кузьмина В.А., Лунина В.Д., Зильбершмидта М.Г., Мисника Ю.М., Нистратова В.Ф., Гончарова С .А., Бруева В .П., Иванова В.Ю. и др.
Одним из перспективных направлений по снижению энергоемкости измельчения руды является ее предварительное электромагнитное разупрочнение в процессах рудоподготовки за счет магнитно-импульсной обработки (МИО).
Использование МИО показало свою эффективность, как при обработке магнитных руд (железистых кварцитов), так и немагнитных (золотосодержащих кварцитов, сульфидных руд). Здесь в основу понимания процесса разупрочнения положены явления магнитострикции, обратного пьезоэффекта, магнито-пластического эффекта, а также теории динамики заряженных дислокаций, что довольно полно раскрыто в работах Гончарова С.А., Бруева В.П., Иванова В.Ю.
Однако не только горные породы, содержащие минералы с магнитострикционными и пьезострикционными свойствами, способны к разупрочнению при магнитно-импульсной обработке, что подтверждается данными, приведенными в работах, например Иванова В.Ю., Азимова О.А. До настоящего времени нет единого подхода к оценке влияния МИО на минералы и горные породы, включающего рассмотрение всех возможных механизмов воздействия, нет классификации восприимчивости основных породообразующих минералов к электрофизическому воздействию.
Вследствие этого затруднительно обосновать эффективность применения МИО в различных условиях.
Таким образом, задача повышения эффективности применения магнитно-импульсной обработки руд с целью их разупрочнения перед измельчением является актуальной.
Цель диссертации заключается в повышении эффективности применения магнитно-импульсной обработки при разупрочнении горных пород перед измельчением в мельницах в процессе рудоподготовки на основе разработанной классификации горных пород по их чувствительности к магнитно-импульсному воздействию.
Идея работы заключается в том, что при взаимодействии импульсного электромагнитного поля с заряженными дефектами минералов меняется их вязкость разрушения и увеличивается вновьобразованная поверхность, что обусловливает изменение величины энергоемкости последующего механического разрушения.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна
Предложен критерий чувствительности минерала к магнитно-импульсному воздействию, характеризующий возможность снижения удельной энергоемкости механического разрушения горных пород, подверженных магнитно-импульсной обработке, который представляет собой отношение работы, необходимой для разведения заряженных берегов устья трещины под действием сил внешнего поля с учетом их кулоновского взаимодействия, к энергии по созданию новой поверхности трещины,
Впервые установлено, что величина критерия чувствительности минерала к магнитно-импульсной обработке тем больше, чем выше его вязкость разрушения и величина поляризации минерала, и тем меньше, чем выше прочность минерала и выше его упругость.
Установлено, что величина чувствительности минерала к магнитно-импульсной обработке прямо пропорциональна значению среднего количества дислокаций по ширине трещины, умноженному на корень квадратный из отношения энергии электрического поля в окрестности дислокации к собственной энергии дислокации.
Установлено, что энергоемкость измельчения руды в мельницах после магнитно-импульсной обработки обратно пропорциональна величине чувствительности горной породы к магнитно-импульсной обработке. Обоснованность и достоверность результатов подтверждаются: - использованием классических законов механики разрушения горных пород, фундаментальных законов о строении кристаллической решетки минералов и законов электродинамики; использованием апробированных лабораторных методов и оборудования для исследования физико-механических свойств минералов; необходимым и достаточным числом проведенных экспериментов; сходимостью полученных результатов теоретических исследований с экспериментальными результатами.
Научное значение работы заключается: - в разработке классификации горных пород по их чувствительности к магнитно-импульсному воздействию с целью их разупрочнения на основе установленной зависимости развития микротрещин в основных породообразующих минералах от их физико-механических, упруго-пластических и диэлектрических свойств.
Практическое значение работы состоит: - в разработке методики расчета величины снижения удельных энергозатрат на механическое разрушение горных пород в зависимости от коэффициента чувствительности горной породы к магнитно-импульсному воздействию.
Реализация выводов и рекомендаций работы - разработана «Методика оценки прогнозируемой величины снижения удельных энергозатрат на механическое разрушение различных типов горных пород, подверженных магнитно-импульсной обработке», принятая к использованию в Научно-образовательном центре «Инновационные горные технологии», а так же ОАО «ВНИИХТ» при планировании и проведении лабораторных исследований влияния электрофизических воздействий на измельчаемость минерального сырья. - результаты работы реализованы в учебном процессе по курсу «Физические процессы горного производства».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка - 2007, 2008», на Всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности (ЮРГТУ НПИ, 2007); на XII международной экологической конференции студентов и молодых ученых «Горное дело и окружающая среда. Инновации и высокие технологии XXI века» (МГГУ, 2008); 6-й Международной научной школе молодых ученых и специалистов, посвященной году молодежи, 16-20 ноября 2009 г (ИПКОН РАН).
Публикации.
Основные положения диссертационного исследования опубликованы в 6 научных работах.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 37 рисунков, 27 таблиц, список литературы из 130 наименований.
Выражаю благодарность сотрудникам кафедры «Физика горных пород и процессов», а также Научно-образовательному центру «Инновационные горные технологии» за помощь при подготовке и написании диссертации.
Энергетический критерий к решению задач о трещинах
Современная теория трещин и хрупкого разрушения исходит из представлений о теле как о сплошной хрупкой среде, которая подчиняется закону Гука (линейность связи напряжений и деформаций) вплоть до разрушающих напряжений и которая описывается классической теорией упругости [8, 11, 61, 69, 78, 80, 92, 96, 118]. Первоначально рассматривалась задача теории упругости для тела, находящегося под действием растягивающих нагрузок и обладающего полостью эллиптического сечения, в частности, тонким разрезом, который может имитировать трещину. Рассмотрение упругого равновесия тела позволяет определить поля напряжений и деформаций, в том числе и профиль растянутого разреза, но решение оказывается возможным при любых размерах разреза. Кроме того, профиль конца трещины оказывается закругленным, а напряжения и деформации тела вблизи края трещины — бесконечными при любых конечных нагрузках и размерах разреза. Но данное решение противоречило реальным процессам роста трещин, поскольку тело разрушалось при довольно малых нагрузках.
Выход из этого противоречия был указан Гриффитсом (1920 г.), работа которого была основополагающей для теории трещин. Гриффите первый понял, что нельзя построить адекватную теорию трещин с помощью одних лишь понятий теории упругости. Необходимо ввести в рассмотрение дополнительные величины, характеризующие молекулярные силы сцепления и сопротивляемость материала разрыву. В качестве такой величины он использовал энергетическую константу — удельную поверхностную энергию у, т. е. работу, необходимую для образования единицы новой поверхности.
Ирвин и Орован расширили класс материалов, к которым можно применять теорию трещин, заметив, что некоторые пластичные при обычных испытаниях вещества ведут себя как хрупкие при образовании трещин. Пластические деформации в таких материалах сосредоточиваются в тонком приповерхностном слое трещины, и вместо поверхностного натяжения у следует использовать некоторую эффективную величину уэфф, включающую в себя затраты энергии на пластические деформации. Теоретически величина Уэфф, которая оказывается на два-три порядка больше у, до сих пор не получена.
В механике разрушения трещину представляют в виде поверхности разрыва смещений, размеры которой изменяются под действием приложенных к телу внешних нагрузок. В хрупком теле радиус кривизны и точные размеры трещины измерить невозможно, поэтому нельзя определить величину максимального напряжения. Очевидно лишь одно утверждение: если максимальное напряжение в вершине дефекта достигнет теоретического предела прочности, произойдёт хрупкое разрушение и длина трещины увеличится.
Оценим критическое напряжение, при котором трещина начнёт неограниченно расти. Для этого рассмотрим бесконечное тело, находящееся в однородном поле растягивающих напряжений. Пусть в теле имеется прямолинейная трещина, которая представляет собой полосу шириной 21 (рис.1.3.). Идеальное тело, не обладающее трещиной, имеет упругую энергию (S/2E на единицу объема (а - растягивающее напряжение, Па, создаваемое постоянной нагрузкой; Е - модуль упругости материала, Па). Если в материале появится разрез, то под действием нагрузки на материал разрез «раскроется» и напряжения в его окрестности ослабеют (рис.1.3.). Следовательно, высвободится упругая энергия Wynp (а/2Е)-(21)2 (Дж) в расчете на единицу длины трещины / (м). С другой стороны, при раскрытии трещины затрачивается работа на преодоление сил сцепления, действующих между противоположными берегами разреза, и эта работа, или поверхностная энергия трещины, равна Ws = 2у21 на единицу длины тела (коэффициент 2 учитывает образование двух поверхностей) [96]. Гриффите сформулировал критерий роста трещин в хрупком теле в терминах баланса механической и поверхностной энергий: постулировал, что для образования единицы новой свободной поверхности под действием приложенной нагрузки уменьшение потенциальной энергии тела (вследствие подрастания трещины) должно быть равно поверхностной энергии затраченной на образование новой свободной границы тела (вследствие приращения длины трещины). Таким образом, согласно Гриффитсу, трещина растет, если освобождающейся потенциальной энергии достаточно для преодоления взаимодействия слоев атомов и образования новой свободной поверхности. Полное изменение энергии рассматриваемой системы: тело + трещина при образовании новой свободной поверхности есть сумма dWynp+8Ws, где SWynp — изменение потенциальной энергии тела при подрастании трещины (т.е. освободившаяся потенциальная энергия тела при образовании новой свободной поверхности трещины), SWs — поверхностная энергия, которую необходимо затратить на преодоление межатомных связей соседних атомных слоев для образования новой свободной поверхности трещины. Согласно Гриффитсу критическое условие для страгивания трещины и поддержания ее роста есть 5Wynp+dWs = 0, или [8] Путём точного расчёта, с использованием результатов Инглиса для величины Ws, Гриффите нашел точное значение критического напряжения для случая плоского деформированного состояния: Концепция Гриффитса может быть охарактеризована следующими постулатами [81]: - вводится поверхностная энергия разрушения и постулируется критерий хрупкого разрушения; - в качестве математической идеализации плоской трещины выбирается узкий эллиптический вырез и в предположении Ь/а«1; - предполагается, что разрушение происходит вдоль площадки, на которой нормальное растягивающее напряжение достигает критического значения (условие нормального отрыва). Идеализированный критерий хрупкого разрушения Гриффитса был предложен для острой трещины в линейно упругом теле. В большинстве материалов существенны процессы нелинейного деформирования в окрестности вершины трещины. Поэтому Орован обобщил концепцию Гриффитса на случай металлов и других пластичных материалов, где возникают необратимые деформации у вершины трещины, и ввел работу пластической деформации ур, так что плотность поверхностной энергии есть сумма у + ур. В этом случае формула (1.2.3), обобщенная на случай пластических деформаций принимает форму
Влияние заряженных дислокаций на образование и распространение трещин. Поверхностный заряд. Развитие хрупкой трещины под действием электрического поля
Как уже отмечалось ранее, определяющую роль в развитии трещины играет ее вершина (устье), здесь разыгрываются процессы нелинейного деформирования, обусловленные так называемыми силами сцепления (см. п. 1.3, 1.4.). Область действия этих сил незначительна, на протяжении всей длинны трещины, однако чрезвычайно существенна в близи ее конца.
Для описания развития трещины используется понятие зоны предразрушения, подробно описанное в [123]. Эта область напряженного состояния охватывает большую группу межатомных связей в объеме материала у вершины трещины. Такими областями при механических воздействиях на хрупкие вещества могут быть структурные неоднородности и участки деформированного состояния, в которых проявляются нелинейные особенности сил межатомного взаимодействия с высокой вероятностью распада напряженных связей. Согласно различным данным, линейный размер этой области оценивается величиной 1-Ю 0-10" см.
В первой главе были выдвинуты предположения, что силы сцепления имеют природу сил кулоновского взаимодействия. Исходя из этого возможно и предположение о заряженности берегов трещины, причем предполагается, что заряд этот обусловлен дефектной структурой материала. И действительно многие работы по изучению процессов происходящих при образовании трещин указывают на наличие электрического заряда в концевой части трещин. Так в работах [119, 120] установлено, что при образовании трещин их борта (берега) заряжаются, что вызывает появление в устье трещины электрического поля Е=( 104 - 106) В/м. Электрические силы притяжение берегов трещины могут быть сравнимы с силами поверхностного натяжения (уэф), которые необходимо преодолеть для раскрытия трещин [9, 21]. Отсюда следует, что динамика зарядов с берегов трещин может влиять на динамику разрушения образца.
Авторы ряда работ указывают, что заряд в устье трещины обусловлен заряженными дислокациями, а конкретно краевыми дислокациями. Наличие зарядов у краевых дислокаций доказано во многих исследованиях и работах [109, 111, 126]. Доказано, что у дислокации могут оседать с равной вероятностью как катионные, так и анионные вакансии, поскольку энергия их связи с ядром дислокации одинакова. Поэтому в чистых кристаллах на дислокациях должно быть одинаковое число положительно и отрицательно заряженных ступенек, и дислокации будут в целом электронейтральными. В реальных же кристаллах из-за присутствия примесей всегда имеются в избытке вакансии одного сорта. Оседание (захват при движении) этих вакансий на нейтральных ступеньках может быть наиболее вероятной причиной появления заряженной ступеньки на дислокации.
В ряде проведенных исследований установлено, что различного рода воздействия (магнитным полем [3, 22, 23, 26, 27, 43, 45-47, 107, 113], электрическим [4, 10, 54, 86], импульсным электромагнитным [2, 24, 25, 42, 46], электромагнитным и одновременным механическим нагружением [5, 28, 44 70, 87, 90, 112]) приводят к движению дислокаций, и как следствие, к изменению свойств материала [83, 84, 125, 129]. Имеются также данные и о том, что в щелочно-галоидных кристаллах (ЩГК) в высоких электрических полях наблюдается размножение дислокаций [53, 71]. Возрастание плотности дислокаций при статической деформации ЩКГ в условиях совместного действия достаточно слабых электрических полей (Е 10 В/м) и магнитных полей (В 0,4-Т) обнаружено в работе [112].
Швидковский [124] и Загоруйко наблюдали движение одиночных дислокаций под действием внешнего электрического поля. Загоруйко определил минимальное поле, способное сместить дислокации в LiF в среднем оно равняется около Еэл = 10 В/м, но может быть несколько больше или меньше в зависимости от жесткости кристалла. В кристаллах с меньшим пределом текучести дислокации двигались на большие расстояния в меньших электрических полях. Чем выше электрическое поле, тем большее число дислокаций находится в движении. Наблюдение за направлением движения дислокаций относительно направления поля позволило определить знак заряда на дислокациях. В одном и том же кристалле наблюдалось движение как положительно, так и отрицательно заряженных дислокаций [55, 56, 90].
Теории заряженных дислокаций изначально предшествовала теория заряда поверхности кристаллов. Важную роль в этих исследованиях сыграла работа о возникновении электрического заряда на поверхности кристалла каменной соли (NaCl) в результате пластической деформации при отсутствии внешнего электрического поля, впервые опубликованная Степановым в 1933 г. Он не только открыл это явление, но и изучил его основные закономерности.
Появление заряда у поверхности, обусловлено тем, что в тонком поверхностном слое, порядка нескольких межатомных расстояний, энергия взаимодействия ионов иная, чем в объеме кристалла. И, как следствие, равновесная концентрация вакансий каждого сорта у поверхности будет отличаться от концентрации в объеме твёрдого тела. Это приводит к образованию электрического заряда на поверхности. Проведенные расчёты показывают [76], что вблизи поверхности кристалла образуется двойной электрический слой (ДЭС). Причем, заряд собственно поверхностного слоя компенсируется зарядом у поверхности. Таким образом, из теории следует, что заряд и потенциал поверхности кристаллов определяется не только объемными свойствами, но и свойствами поверхности. Следует так же отметить, что теорией двойного электрического поля на поверхности частиц активным образом используется в обогащении полезных ископаемых во флотации.
Подготовка образцов. Получение дифрактограмм и их расшифровка, с целью получения информации о структурно-напряженном состоянии горных пород
Исходя из способа регистрации дифрагированного излучения, различают аппараты двух типов [37]: 1) для фотометода - аппараты типа УРС-2,0 (установка рентгеновская для структурного анализа); 2) для ионизационной регистрации - аппараты типа ДРОН (дифрактометры рентгеновские общего назначения) Для исследования структурного состояния образцов горной породы и минералов в данной работе использован аппарат типа ДРОН. Подробнее об устройстве и подготовки аппарата типа ДРОН описано в [37]. Порошковые образцы.
Порошок может быть смешан со слабо поглощающей и слабо рассеивающей связкой (например, вазелин); эту смесь помещают в стандартные кюветы; если частицы порошка равноосны и порошок не склонен к образованию текстуры, поверхность образца можно выровнять на плоском стекле, на которое нанесен слой сухого исследуемого порошка. Если частицы не равноосны (пластины, волокна, иглы) и при изготовлении образца возможно образование текстуры (это неизбежно приведет к изменению интенсивности линий), излишки материала из кюветы следует убирать не уплотнением, а снимать их при помощи лезвия. Размеры кристаллов при этом должны быть возможно меньшими, а глубина кюветы — большей. Поскольку текстура возникает главным образом в тонком поверхностном слое, для увеличения глубины материала, участвующего в дифракции (а значит, относительного уменьшения ошибки, связанной со структурой поверхностного слоя), сильно поглощающий образец рационально разбавлять слабо поглощающей средой. Монолитные образцы. Тщательно полируют химически, электролитически или механически. Наклеивают на пластилин в кюветы или стандартные кольца-держатели. Необходимо следить, чтобы пучок рентгеновских лучей не попадал на пластилин, который дает собственную дифракционную картину, особенно интенсивную в области малых углов. В данной работе предполагалось судить об изменениях структурного состояния минералов и горных пород, подверженных МИО, по изменению микродеформаций и плотности дислокаций. Согласно основным принципам рентгеновской дифрактометрии [14] форма профиля дифракционных пиков зависит от величины размеров блоков мозаичного строения минерального вещества и величины структурных напряжений. Дефекты кристаллического строения, проявляющиеся в эффектах уширения линий, могут возникать в процессе пластической деформации [14]. Ширина и форма линий определяется следующими факторами: 1) размером кристаллитов или их разбиением на малые разориентированные относительно друг друга блоки; 2) микронапряжениями кристаллитов; 3) наличием в кристаллах дефектов упаковки.
Анализ структурного состояния материала в этом случае помогает выяснить механизм процесса уширения линии и понять влияние фактора. Уширение линий дифрактограммы (физическое уширение) обусловлено так называемыми дефектами кристаллического строения 2-го рода, о которых уже шла речь выше. И как было сказано ранее, эти дефекты характеризуются дальнодействующими, т.е. простирающимися на весь кристалл (зерно поликристалла), полями смещений атомов из узлов кристаллической решетки. Такими дефектами являются дислокации и их скопления. Поля смещений вызывают вариацию межплоскостного расстояния совокупности плоскостей {hkl} по сравнению с номинальным значением d0, на величину от do - Ad до do + Ad. Такое изменение do, называется микродеформацией рещетки Ad/do, вызывает уширение линий HKL дифрактограммы: где є — значение микродеформации, т.е. среднее по облучаемому объему образца и среднее по величине относительное изменение d0 для «отражающих» плоскостей {hkl}\ 0п - угол, соответствующий максимуму интенсивности отражения HKL бездефектного кристалла (брэговский угол). Если изменение d0 вызвано хаотически распределенными дислокациями плотностью, то уширение: где Ъ — вектор Бюргерса дислокации, м [37]. Практически удается заметить уширение р 10 4 рад. Этому уширению отвечает плотность дислокацийp 5-l(f см 2 или размер частиц блока мозаики D 0,15...0,2 мкм. Другая граница применения метода анализа уширения для определения р и D связанна с трудностью отделения линии от фона при слишком большом уширении; например, при ffc 10 рад, такому уширению соответствует р=1013 см 2 или D=0,002 мкм. Таким образом, пределы применимости метода следующие: 1014 см 2 р 5-109 см 2; 0,002мкм D 0,2 мкм [37]. Некоторые исследователи определяли истинную ширину интерференционной линии Р как разность между шириной линии исследуемого образца В и эталона b [101]: В нашем эксперименте эталонная ширина бралась для образца контрольной необработанной пробы (Ь), а истинная ширина - для образца с МИО (В). Расчет для (3.2.3) возможен лишь в случае, когда Ь«В. Точное соотношение между Д В и Ъ может быть выражено уравнением [101]
Методика оценки прогнозируемой величины снижения удельных энергозатрат на механическое разрушение различных типов горных пород, подверженных магнитно-импульсной обработке
При проведении лабораторных, а также опытно-промышленных испытаний магнитно-импульсной обработки возникает необходимость оценки её влияния на различные типы руд в процессах рудоподготовки, а также целесообразности проведения этой обработки. При этом необходимо учитывать различия в минеральном составе горных пород, который коренным образом влияет на чувствительность минерального сырья к МИО, а чувствительность в свою очередь влияет на снижение удельных энергозатрат при механическом разрушении. С этой целью была разработана методика оценки прогнозируемой величины снижения удельных энергозатрат на механическое разрушение различных типов горных пород, подверженных магнитно-импульсной обработке.
Назначение Методика предназначена для предварительной оценки снижения удельных энергозатрат на механическое разрушение различных типов горных пород с учетом их коэффициента чувствительности к магнитно-импульсной обработке. Область применения Методика может быть использована при лабораторных и опытно-промышленных исследованиях для установления целесообразности проведения магнитно-импульсной обработки (МИО) на горные породы различного минерального состава, а также позволяет определить оптимальный режим МИО. Исходные данные для расчета Исходные данные для расчёта а) Основные исходные данные 1. Свойства минерала (таб. 4.1). Постоянная кристаллической решетки минерала, а, м; Диэлектрическая проницаемость минерала, є; Модуль (Юнга) упругости минерала, Еупр, Па; Предел прочности на растяжение минерала, ор, Па; Коэффициент Пуассона, v; Коэффициент Бонда, кБ (кВт-ч/т)м0,5; Плотность минерала, р0-10 , кг/см . 2. Технические параметры Напряженность электрического поля, Еэл, В/м; Расход энергии на МИО не превышает WMMO=0,1 кВт-ч; Начальная крупность рудного материала, D, м; Конечная крупность или крупность помола рудного материала, d, 1. Удельная энергия образования новой поверхности у, Дж/м2 (формула 4.2.1); 2. Коэффициент интенсивности напряжения, К]с , 10 Н/м (формула 4.2.2); 3. Коэффициент чувствительности минералов к МИО, Хы (формула 4.2.3); 4. Средний коэффициент чувствительности горной породы к магнитно-импульсной обработке Яср (формула 4.2.4); 5. Энергозатраты на механическое разрушение горной породы (формула 4.2.6); 6. Энергозатраты на механическое разрушение горной породы с применением МИО (формула 4.2.8); 1.
Среднее значение чувствительности горной породы к магнитно-импульсному воздействию, Лмио, % (формула 4.2.5); 2. Величина снижения суммарных энергозатрат на механическое разрушение с учетом использования МИО, AW, кВт-ч/т (формула 4.2.9). - позволяет в первом приближении дать оценку возможного эффекта от проводимой МИО и сильно зависит от минерального состава горной породы и ее свойств, диапазон варьирования расчетных значений может быть достаточно широким; - необходимо использовать большое число параметров свойств минералов, зависящих от конкретного месторождения и особенностей формирования горной породы. Методика представлена в виде алгоритма на рис. 4.6. Задача: необходимо оценить влияние магнитно-импульсной обработки (МИО) на золотосодержащую руду текущего производства с целью установления возможности снижения удельных энергозатрат на измельчение РУДЫ. Условия: руда с известным минеральным составом (таб. 3). Параметры МИО — напряженность электрической составляющей поля Еэл=2,5 105 В/м. Начальная крупность D=0,5 мм, требуется измельчить руду до крупности d=50MKM, коэффициент Бонда золотосодержащей руды кБ=0,1483. Данные по свойствам минералов из таб. 4.1. Дополнительные исходные данные: - Вектор Бюргерса примем равным одной трети величины постоянной кристаллической решетки, (Ь=а0,3 м); - Плотность дислокаций в минерале, {а=1015 шт/м2) - Диэлектрическая проницаемость вакуума {єо=8,85-10 12 Ф/м) - Удельная энергия образования новой поверхности (у=31,8Дж/м ) 1. Для оценки средневзвешенного коэффициента чувствительности данной руды к МИО (Яср) необходимо оценить коэффициент чувствительности к МИО отдельно взятого минерала (Хім), входящего в состав породы. Для этого воспользуемся формулой 3 и табличными данными
С использование магнитно-импульсной обработки перед измельчением золотосодержащей руды можно получить эффект в снижении энергии на процесс измельчения примерно на 10%, при этом снижение удельных энергозатрат составят 1,33 кВт-ч/труды. Вывод. Магнитно-импульсную обработку целесообразно использовать в процессе рудоподготовки золотосодержащей руды соответствующего минерального состава. Время воздействия МИО на горную породу определяется временем воздействия импульса, поэтому существует необходимость оценки оптимального диапазона времени импульса. Расчёт времени производится по следующей формуле: где / — длина трещины, м; с — скорость роста трещины, м/с. Для разных материалов длина критической трещины варьируется от 10 2 При хрупком росте трещина развивается со скоростью звука равной: Если длина трещины составляет 1=10 уМ, то время воздействия одного импульса будет равно:
