WEB-ресурс научно-практических конференций

ИЗМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СТРУЙНОМ ИЗМЕЛЬЧЕНИИ

Д.т.н. Горобец Л.Ж. ^* , к.т.н. Прядко Н.С. ^** , д.т.н. Стрельников Г.А. ^**

^* Национальная горная академия Украины, ^** Институт технической механики НАН и НКА Украины

При тонком измельчении полезных ископаемых достигается значительное изменение свободной энергии измельченных частиц за счет увеличения их дефектности и удельной поверхности, избирательной аморфизации минералов, что обусловливает дифференциацию физической и химической активности минералов, изменяя их технологические свойства в процессах дальнейшей переработки. Технологические свойства измельченного продукта оценивают следующими параметрами: степень раскрытия минералов, эффективность обогащения, вяжущие свойства, прочность изделий, скорость растворения, температура реакции, расход реагентов и др. В данной работе проведен теоретический анализ факторов измельчения, влияющих на изменение технологических свойств измельчаемых частиц, с целью изучения возможностей прогнозной оценки и управления качеством тонкодисперсных порошков.

Прирост D S/V удельной поверхности S/V измельченного продукта, называется параметром дисперсности и пропорционально связан с содержанием активных функциональных групп атомов А поверхности относительно общего количества В структурных единиц остова вещества: А/В » S/V » d ^-1 ( d – характерный размер тонкодисперсных частиц, V – объем образца) [1; 2]. На основе этой связи по параметру D S/V дисперсности возможен прогноз потенциальной способности материала к изменениям технологических свойств материалов в процессе измельчения.

Изменения энергетического состояния вещества в процессе измельчения принято называть эффектами механоактивации [3]. Как показали исследования, к числу факторов, задающих эти эффекты, в первую очередь относится уровень энергетических параметров процесса измельчения, а именно: средней W _V (в объеме образца) и локальной W _{D V} (в очагах разрушения) плотности энергии при разрушении нагружаемого образца. Согласно развивающейся теории измельчения образование тонкодисперсных частиц (диспергирование) реализуется в локальных зонах по достижении локальной плотности энергии W _{D V} [1].

В аспекте механоактивации диспергируемых частиц концентрация напряжений в нагружаемом материале является положительным фактором. В режимах с повышенной концентрацией напряжений возрастает уровень критической плотности энергии при разрушении W _V , растет деформация e _Д диспергирования и величина образованной поверхности частиц.

Величина параметра дисперсности D S/V, оценивающая вклад механоактивации , пропорциональна отношению W D V/ g локальной плотности энергии W D V к удельной поверхностной энергии g материала. Однако, природные энергетические свойства материала, в частности, удельная поверхностная энергия g , к.п.д. диспергирования h Д и предельная локальная плотность энергии при диспергировании W D V, накладывают ограничения на предельно возможную степень диспергирования и механоактивации материала в процессе его измельчения согласно соотношениям: D S/V » (WV h Д)/ g , D S/V » (W D V e Д h Д)/ g .

Для повышения уровня W _V и W _{D V} и, как следствие, эффективности процесса измельчения необходимо приближать скорость нагружения объекта к критической скорости авторезонанса , реализующей предельную скорость перестройки кристаллической решетки вещества, а это возможно при высоких давлениях и высокочастотном импульсном нагружении . Импульсное нагружение частиц с высокой скоростью и частотой соударений ускоряет накопление энергии в активированных структурных дефектах и запуск авторезонансного механизма разрывов межатомных связей [1; 3].

Другим фундаментальным фактором изменения физико-химических свойств измельченных материалов в результате развития фазовых переходов и химических реакций в процессе измельчения, являются естественные различия структурных элементов минералов в термодинамических свойствах вещества : критической температуры T _пл , T _исп , удельной энергии фазовых переходов - плавления D Н _пл и испарения-сублимации D Н _исп . Величина последней по физическому смыслу и теоретической величине сопоставима с локальной плотностью энергии W _{D V} на стадии диспергирования: D Н ^исп _кр @ W _{D V} [1].

Выбор уровня критической плотности энергии W _V в процессе измельчения проводится на основе связей параметров разрушения и измельчения конкретного материала в зависимости от технологических задач измельчения. При выборе скорости деформации должны учитываться реальные возможности применяемого измельчительного аппарата относительно предельной скорости нагружающих импульсов и исходных размеров D измельчаемых частиц. В области обработки частиц малых размеров (тонкое и сверхтонкое измельчение) предпочтителен режим, создающий высокую скорость деформации ( ? 10 ⁵ с ^-1 ) и высокую частоту соударений ( ~ 10 ⁶ с ¹ ).При этом условие соблюдения минимума энергозатрат достигается на основе динамического размерного эффекта W _V (D) , а требование максимума дисперсности D S/V продукта обеспечивается согласованием уровня W _V с учетом зависимости D S/V(W _V ) [1; 4].

При струйном способе измельчения [1; 5] обеспечивается динамическая обработка частиц высокоскоростными струями с использованием энергии сжатого рабочего газа: холодного воздуха ( пневмоструйное измельчение) и нагретого воздуха с температурой 400-600 ^о С (газоструйное измельчение). Как показали исследования, циклическое воздействие нагретой струи на измельчаемые частицы обеспечивает в наибольшей степени смену деформаций сжатия и растяжения на уровне единиц и десятков процентов при скорости соударений порядка сотен м /сек, что способствует разуплотнению гетерогенного материала преимущественно по межзеренным границам с преимущественным сохранением целостности полезных минералов. Таким способом достигается раскрытие ценных минералов без их избыточного переизмельчения , и этот фактор реализует повышение качества концентрата в процессе обогащения измельченного продукта.

Исследования струйного измельчения минерального сырья и концентратов [1; 4; 5] (рудное и огнеупорное сырье, каолин, кварцевый песок, редкометальные концентраты, абразивные и алмазные порошки, технический глинозем, муллито-корундовый шамот, цемент, шлак, формовочный гипс) показали, что энергоемкость технологического передела уменьшается, достигается повышение показателей обогащения и гидрометаллургической переработки минералов, а также улучшение свойств измельченных вяжущих материалов. Для изделий, изготовленных на основе тонкодисперсных порошков струйного помола цемента и гипса, наблюдается повышение прочности на 40% по сравнению с измельчением в барабанной мельнице. Измельченный в струях гранулированный доменный шлак ОАО «Мариупольский металлургический комбинат» способен частично заменить цемент при удельной поверхности продукта S _уд =0,6…0,9 м ² /г, в результате чего рекомендуется использование продуктов струйного измельчения шлака в качестве самостоятельного вяжущего вещества в строительных растворах и изделиях с возможным сокращением расхода клинкера в производстве цемента в 4-5 раз [1; 4-6].

Список использованных источников:

1. Горобец Л.Ж. Развитие научных основ измельчения твердых полезных ископаемых: Автореф . дисс . … докт . техн . наук/ НГУ. – Днепропетровск, 2004. - 35 с .

2. Горобец Л.Ж., Юрьевская И.М., Корсаков В.Г., Вдовина Т.Л. Исследование реакционной способности механически активированного кварцевого песка // Журн. прикл . химии. - 1986. - № 1. - С. 187-190.

3. Бовенко В.Н., Горобец Л.Ж . Влияние плотности энергии разрушения на механоактивационную способность диспергированных продуктов // Физ.-техн . пробл . разраб . полезн . ископ . – 1988. - № 1. - С. 44-49.

4. Пилов П.И., Горобец Л.Ж., Прядко Н.С. Новые подходы к решению проблем обработки и переработки полезных ископаемых. – Матер іали Міжнародної конференції «Проблемы комплексного освоения недр. Форум г ірників -2006». 11-13 октября 2006 г .– м. Дніпропетровськ .- С.105-109.

5. Горобец Л.Ж. Микропорошки: технология и оборудование // Збагачення корисних копалин : Наук .- техн . зб . – К.: Техніка , 1999. - Вип . 4(45). - С. 33 -41.

6. Кравченко В.П., П ілов П.І., Горобець Л.Ж., Климанчук В.В., Струтинський В.А., Трубніков В.І. Деклараційний патент на корисну модель №18575 « Спосіб підготовки гранульованого доменного шлаку», 15 листопада 2006 р.