Интенсификация процессов извлечения редких металлов при электро-гидроимпульсной дезинтеграции

Интенсификация процессов извлечения редких металлов при электро-гидроимпульсной дезинтеграции

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫЙ СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

.1 Физический принцип способа и его технологические возможности

.2 Бурение скважин

.3 Дробление и измельчение материалов

.4 Разрушение железобетонных изделий

.5 Избирательная дезинтеграция геологических проб

.6 Обработка природного камня электрическими разрядами

.7 ЭИ-резание и размерная обработка поверхности массива

. УСТАНОВКА ПО ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНОЙ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ И МАТЕРИАЛЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

.1 Установка по электрогидроимпульсной дезинтеграции материалов

.2 Отбор проб рудных материалов и анализ их основных технологических свойств

.2.1 Сульфидные руды

.2.2 Анализ основных вещественных и энергетических характеристик объектов исследования

. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНОЙ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ

.1 Краткая характеристика исходной пробы сульфидной медной руды

.2 Краткая характеристика исходной пробы Рубцовской крупнодробленой сульфидной руды

.3 Электронно-микроскопические исследования структуры материалов, подвергшихся электроимпульсному воздействию

.4 Эффект расплава

.4.1 Спектральный анализ участков расплава

. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНОЙ УСТАНОВКИ В ЛАБОРАТОРИИ «IРГЕТАС»

.1 Основные опасные факторы при работе с установкой по электрогидроимпульсной дезинтеграции

.1.1 Поражение электрическим током

.1.2 Защита от вредных веществ в воздухе рабочей зоны

.1.2.1 Основные вредные вещества. Классификация

.1.2.2 Требования безопасности

.1.2.3 Требования к санитарному ограничению содержания вредных веществ в воздухе рабочей зоны

.1.2.4 Оздоровление воздушной среды

.1.3 Создание требуемых параметров микроклимата в производственных помещениях

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Для современного этапа интенсификации процессов ресурсосбережения и охраны окружающей среды в Казахстане новое явление представляет собой концепция формирования безотходного экологически чистого производства цветных и благородных металлов при комплексном освоении недр и необходимости вовлечения в переработку полиметаллического сырья сложного вещественного состава.

Проблема комплексного освоения труднообогатимых руд (списанных и поступающих на переработку) и техногенных отложений горно-обогатительных и металлургических предприятий Республики Казахстан и восточной его части, насыщенных такими предприятиями, актуальна. Ее актуальность связана с необходимостью освоения нетрадиционного сырья при обеспечении рентабельности предприятий за счет внедрения новых конкурентоспособных наукоемких комбинированных малоотходных или безотходных технологий.

Извлечение самородных драгоценных металлов (золота, платины) из руд коренных месторождений требует их измельчения, которое приводит к размазыванию пластичных металлов по поверхности частиц измельченного материала. Это существенно ограничивает возможность использования более дешевого гравитационного обогащения для выделения металла и вынуждает использовать более дорогое и экологически опасное химическое обогащение.

При создании комбинированных технологий переработки полиметаллического рудного сырья наиболее значимыми и наиболее сложными являются операции вскрытия и выщелачивания руд и коллективных сульфидных продуктов обогащения. Для труднообогатимой части такого сырья эта проблема особенно сложна из-за специфики проявления индивидуальных технологических свойств. В этом случае перспективно использование метода электроимпульсной дезинтеграции, так как именно он в сравнении с традиционными способами существенно снижает выход тонких классов, а вскрытый металл не переизмельчается и концентрируется в более высоком классе крупности, соответствующем исходной крупности включений. Этим создается возможность использования более прогрессивного гравитационного способа обогащения. Поскольку часто крупность зерен полезных ископаемых находится в достаточно узком интервале размеров, их раскрытие без разрушения создает дополнительную возможность поднять эффективность обогащения таких типов руд[4].

Цель работы - исследование процессов разрушения, характера дезинтеграции материалов и выделения металлов при электрогидроимпульсном воздействии.

Объекты исследования - основные типы полиметаллического сырья сложного химико-минералогического состава, содержащие медь, цинк, свинец, благородные металлы, а также углеродсодержащие нерудные породы.

Задачи:

-        провести испытания установки по электрогидроимпульсной дезинтеграции

-        исследовать процесс электрогидроимпульсной дезинтеграции сульфидных руд

         исследовать образцы руд и структуру кристаллов до и после испытаний

         определить характер раскрытия зерен минералов и полезных ископаемых

1. ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫЙ СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

.1 Физический принцип способа и его технологические возможности

электроимпульсный руда кристалл

Появление электроимпульсного метода разрушения материалов, и прежде всего горных пород и руд, объективно отражало потребность в развитии новой техники, новых высокоэффективных технологических процессов и оборудования, средств механизации и автоматизации, без которых стал немыслим технический прогресс в горной промышленности. В 50-60-е годы, отмеченные заметными успехами в совершенствовании традиционных механических методов разрушения и значительным прогрессом в использовании взрывчатых веществ, в результате «мозгового штурма» проблемы был предложен целый ряд новых методов разрушения твердых тел, основанных на различных физических принципах: электроэрозионный метод; электротермические методы, в том числе на основе электротеплового пробоя, индукционного (индукторного и конденсаторного) и волнового нагрева; лазерный метод; электрогидравлический; электровзрывные методы, в том числе электродинамический, на основе высоковольтного пробоя и электроимпульсный. Классификация способов будет дана ниже. Как отмечал Н.В.Мельников, поиск новых методов необходимо вести на базе достижений физико-математических наук. В.И.Попков 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 электро-разрядными процессами в различных средах, включая взаимодействие плазменного канала с твердым телом. Небезынтересно отметить, что разработка отдельных способов при наличии существенных отличительных признаков их по принципу действия происходила в условиях взаимопроникновения отдельных идей, способствовавших достижению в каждом способе максимальной эффективности процесса, наилучшему проявлению его специфических свойств и возможностей[1].

Исторически электроимпульсный способ разрушения прошел два этапа и по физическим особенностям имеет две разновидности. С появлением интереса к новым методам разрушения материалов быстро и естественно в конце 40-х годов А.А.Воробьевым и Е.К.Завадовской (Томский политехнический институт) был предложен способ, основанный на электрическом пробое материала с использованием импульсного высокого (сотни киловольт) напряжения. К открытию нового метода ученые были подготовлены также большим объемом работ по физике пробоя диэлектриков и изучению их электрической прочности, выполнявшихся в интересах электро-аппарато-строения. Исследователи сталкивались с разрушением твердых диэлектриков при их электрическом пробое и соответственно изучали его характер. Кроме того, в научной литературе имелись многочисленные сведении о наблюдавшихся в природе случаях разрушения естественных объектов (деревья, скалы) и сооружений (башни, железобетонные опоры и т.п.) при ударе в них молнии. Уже в 1950 г. И.И.Каляцкий выполнил исследования, позволившие предложить способ отбойки углей электрическим пробоем с использованием генераторов импульсного напряжении (ГИН)[2].

Б.Х.Бродская, С.Т.Бондаренко исследовали отбойку горючих сланцев. Позднее работами А.В.Астафурова была расширена гамма пород и материалов, склонных к такому разрушению. Технологической особенностью практического применения предложенного способа разрушения в горном деле является требование особого (существенно более 1,0) соотношения расстояния между электродами по поверхности и на сквозной пробой для того, чтобы имел место электрический пробой в массиве, а не перекрытие по поверхности, не сопровождающееся разрушением. При разрушении кускового материала это достаточно просто достигается, если куски имеют лещадную форму. Отбойка породы от массива возможна лишь при ступенчатой форме забоя или при расположении электродов в специально выбуренных шпурах. Так как создание технологии разрушения массива с непрерывным процессом разрушения на таком принципе представлялось весьма затруднительным, дальнейшие исследования были направлены на то, чтобы снять ограничения на пробой породы при наложении электродов с одной свободной поверхности[3]. Половина решения состояла в том, чтобы поместить разрушаемый материал в электрически прочную среду, например трансформаторное масло. Это решение было естественным, так как данный прием уже использовался в практике исследований электрической прочности материалов на образцах. Вторая половина решения состояла в использовании импульсов напряжения вполне определенных параметров.

Рисунок 1. Вольт-секундные характеристики некоторых горных пород и жидких сред на косоугольных импульсах напряжения.

- кварц; 2 - фельзит-порфир; 3 - трансформаторное масло; 4 - мрамор; 5- глинистый сланец; 6 - песчаник; 7 - вода при ρ= 6*103 Ом*см

Данная идея возникла на базе исследований, выполненных Г.А.Воробьевым. В исследованиях электрической прочности жидких и твердых диэлектриков на косоугольной волне импульсного напряжения было установлено, что их вольт- амперные (вольт-секундные) характеристики характеризуются различным коэффициентом импульса β=Uимп/Uст.

С уменьшением времени экспозиции импульсного напряжения прочность жидких диэлектриков растет быстрее, чем для твердых диэлектриков, и имеет место инверсия соотношения электрической прочности сред. Если на статическом напряжении (Uст ) электрическая прочность твердых диэлектриков, как правило, превышает прочность жидких диэлектриков, то на импульсном напряжении (Uимп) при экспозиции напряжения менее 10-6с электрическая прочность диэлектрических жидкостей и даже технической воды возрастает настолько, что становится выше прочности твердых диэлектриков и горных пород. Сопоставление вольт-секундных характеристик пробоя на фронте косоугольного импульса напряжения для ряда горных пород, трансформаторного масла и технической воды представлено на рисунке 1. Крутизна фронта импульса напряжения, соответствующая точке пересечения вольт-секундных характеристик (Акр), т.е. условию равпопрочности сред, и получившая название критической крутизны импульсного напряжения, стала первым важным критерием для характеристики условий электроимпульсного разрушения.[6]

Действительно, если рассматривать систему находящуюся в жидкости, с наложенными на поверхность твердого тела (горной породы) электродами (Рисунок 2), то при подаче на электроды импульсного напряжения с крутизной фронта, соответствующей критической и выше, вероятность пробоя твердого тела (внедрения разряда в твердое тело) будет более чем 50% энергии, то произойдет микроэлектровзрыв твердого тела в промежутке между электродами с образованием откольной воронки.

Рисунок 2. Принцип электроимпульсного разрушения

Рисунок 3. Принципиальные схемы технологических применений электроимпульсного разрушения твердых тел. а- бурение; б- резание; в- дробление; г- разрушение ЖБИ;

-высоковольтный электрод;2- заземленный электрод;3- разрушаемая порода; 4- искровой канал; 5- источник импульсного напряжения

Первые экспериментальные исследования описанного выше явления были выполнены А.Т.Непиковым, и они позволили осуществить электроимпульсный (ЭИ) способ разрушения твердых непроводящих тел с широкой гаммой технологического применения - бурение скважин, дробление и измельчение материалов, резание (Рисунок 3).

В ходе разработки этих основных технологических процессов были предложены многочисленные варианты их реализации в соответствии со специфическими условиями и требованиями технологий. Значительный вклад в разработку ЭИ-технологий на разных этапах внесли А.М.Адам, В.И.Брылин, Б.С.Блазнин, А.А.Будников, А.А.Воробьев, Г.А.Воробьев, А.А.Дульзон, А.Х.Ерухимов, Н.Т.Зиновьев, Л.Л.Игнатенко, В.М.Зыков, А.Т.Кленин, А.В.Кривоносенко, Н.Е.Коваленко, И.И.Каляцкий, В.И.Курец, В.С.Кононенко, Б.С.Левченко, Т.Ю.Могилевская, Н.Ф.Побежимов, Л.Л.Редутинский, С.Я.Рябчиков, Л.Л.Савчук, В.Н.Сафронов, Б.В.Семюш, В.Я.Симонов, А.Г.Синебрюхов, М.П.Тошсоногов, Н.П.Тузов, Ю.Б.Фортес, А.Ф.Усов, Г.А.Финкельштейн, В.А.Цукерман, А.Т.Чепиков, И.А.Щеголев и другие.

.2 Бурение скважин

Упрощенная технологическая схема ЭИ проходки скважин с обратной циркуляцией промывочной жидкости нагнетанием приведена схеме. Схема включает источник импульсного напряжения, буровой снаряд с направляющими и спускоподъемными механизмами и систему промывки скважин. Главными элементами бурового снаряда являются буровой наконечник (буровая коронка), колонна буровых штанг и высоковольтный ввод. Буровые штанги кроме функций, присущих механическим способам бурения, выполняют также функцию передачи импульсов напряжения от генератора импульсов к буровому наконечнику, для чего они снабжаются центральным тоководом, а обратным тоководом служит наружная труба штанги. По всей длине штанги центральный токовод зафиксирован относительно наружной трубы с помощью изоляторов, при промывке скважины водой один из тоководов покрывается твердой изоляцией или предусматривается трубчатое исполнение центрального токовода с подачей по нему промывочной жидкости. Буровой наконечник представляет собой систему объединенных в единую конструкцию высоковольтных и низковольтных электродов, равномерно распределенных по забою с примерно одинаковой величиной промежутков между разнополярными электродами.

.3 Дробление и измельчение материалов

Технологическая схема дробления и измельчения материала (Рисунок 4) включает источник разрядов, разрядную камеру, системы подачи исходного материала и удаления продукта дробления.

Рисунок 4. Принципиальные схемы электроимпульсного дробления и измельчения материалов, разрушения блоков и слитков

Тип и конструктивные особенности камеры главным образом определяются исходной крупностью материала и требуемой крупностью продукта. Исходная крупность определяет тип электродной системы камеры, а крупность дробления - способ удаления продукта. Форма электродов должна способствовать эффективному пробою кусков руды, а это обеспечивается в том случае, если имеется определенное соответствие между размером куска и величиной межэлектродного расстояния. Так как последнее определяет уровень рабочего напряжения (с увеличением разрядного промежутка напряжение пробоя повышается), которое из эксплуатационных соображений ограничено величиной 300-400 кВ, то следует, что предельно допустимая величина разрядного промежутка может быть определена в 30-50мм. Соответственно этому в камере с электродами типа «стержень-плоскость» (Рисунок 4а,б) возможен эффективный пробой кусков руды крупностью не более 40-60мм. Если конечная крупность дробления соответствует нескольким миллиметрам, то удаление готового продукта в накопитель производится через классифицирующие отверстия в электроде- «плоскости» (Рисунок 4а), а если материал измельчается до долей миллиметра, то готовый продукт удаляется восходящим потоком жидкости, подаваемой снизу в рабочую зону камеры (Рисунок 4б).

Дробление кусков материала крупностью 50-300 мм производится в камерах с электродами, образующими щелевой зазор (Рисунок 4в). Последовательное (стадиальное) дробление материала в секциях камеры с уменьшающейся величиной щелевого зазора позволяет реализовать условия энергетической (соответствие энергетического режима разряда крупности разрушаемых кусков материала) и технологической (своевременный вывод из процесса полезного минерала по мере его раскрытия во избежание переизмельчения) оптимизации процесса.

Разрушение крупных блоков естественных и искусственных (например, синтетическая слюда) материалов размером до 1000 мм и более осуществляется в устройствах типа (Рисунок 4г), в которых идет процесс последовательного уменьшения объема куска за счет отделения отдельных его частей при внедрении разряда с поверхности.[5]

Важнейшей особенностью электроимпульсного дробления и измельчения руд, главным образом определяющей перспективность его использования, является высокая селективность разрушения материала, проявляющаяся в лучшем раскрытии зерен полезных минералов и лучшей их сохранности от разрушения. Можно выделить следующие механизмы, обеспечивающие высокую селективность электроимпульсного разрушения- избирательная направленность канала пробоя на рудные включения, создающие в куске руды неоднородности электрического поля; избирательный электрический пробой менее электрически прочных компонентов руды, какими чаще всего являются минералы пустой породы; избирательное разрушение более хрупкой вмещающей породы, например в слюдяных и асбестовых рудах. Лучшее раскрытие зерен полезного минерала, их меньшее ошламование создают возможность более полного извлечения полезного минерала в концентрат при обогащении руды. Технологический эффект улучшения раскрытия полезного минерала в различной степени проявляется практически на всех типах руд, включая сильношламующиеся и тонковкрапленные. Технологическая и экономическая эффективность применения электроимпульсного измельчения будет наибольшей для труднообогатимых руд с относительно невысоким извлечением существующими способами. Важно, что при электроимпульсном измельчении раскрытие полезных минералов происходит на более ранних стадиях измельчения, т.е. процесс обогащения может быть существенно упрощен. Высокая сохранность полезных компонентов от разрушения делает электроимпульсное разрушение особо эффективным для извлечения ограночного кристаллосырья, слюд, асбеста, пьезосырья.

Так как рабочим инструментом при электроимпульсном разрушении является искра, не возникает проблемы с загрязнением продукта измельчения аппаратурным железом, материалом мелющих тел, свойственным механическим способам измельчения материалов. И в этом отношении электроимпульсное измельчение высокоабразивных, особо чистых материалов предпочтительнее механического измельчения.

Особых предпосылок для достижения при электроимпульсном измельчении более низких затрат энергии в сравнении с механическим измельчением нет. В отличие от процесса бурения при механическом дроблении кускового материала раздавливанием, раскалыванием погружение и разрушение материала происходят с преобладанием напряжений разрыва и сдвига, т.е. близко к тому, что реализуется при разрушении электровзрывом. Однако возможность электровзрыва просто и в широких пределах изменять характер динамического нагружения позволяет регулировать гранулометрический состав продукта измельчения, получать более узкий класс крупности продукта, чем это возможно при механическом измельчении, и это также может представлять интерес для отдельных отраслей промышленности. Продукту электроимпульсного измельчения свойственна меньшая окатанность, большая удельная поверхность зерен, большее соответствие вскрытых частиц минеральных включений их исходному природному состоянию в породе. Эти свойства измельченного материала могут решающим образом определять качество продукта, например светимость люминофоров, реакционную способность в гидрометаллургическом процессе, в бетонной смеси и т.п. Достоверность интерпретации геологического процесса будет выше, так как продукт электроимпульсного измельчения лучше передает минералогические и петрографические особенности породы.[8]

Электроимпульсное измельчение материалов, как правило, проводят в воде. Применение диэлектрических жидкостей (органических масел) часто бывает просто исключено из-за их воздействия на поверхностные свойства измельченных минеральных частиц (например, изменяется флотируемость минералов). А с другой стороны, геометрия электродов такова, что формирование импульсов напряжения с требуемыми параметрами (амплитудой и длительностью фронта) не представляет особых затруднений, даже если используется техническая вода. Для повышения сопротивления нагрузки имеется возможность максимально изолировать электроды, разделить конструкцию на параллельно работающие секции.

.4 Разрушение железобетонных изделий

Данное технологическое применение электроимпульсного способа разрушения осуществляется по схеме, представленной на Рисунке 3. Объектом разрушения служат некондиционные железобетонные изделия (ЖБИ) - брак производства или выбывающие из эксплуатации панели. Целью разрушения ЖБИ является утилизация арматурного металла и бетона. Особенностью ЭИ- процесса в данном технологическом применении является то, что одним из электродов системы является арматура ЖБИ. В тех случаях, когда арматура не обнажена, процесс электрического пробоя облегчен, так как разряд на арматуру может быть осуществлен только путем пробоя слоя бетона. Однако таков облегченный случай пробоя, скорее всего, исключение, чем правило. Реальный процесс разрушения ЖБИ означает постепенное обнажение арматуры и может осуществляться только в режиме электроимпульсного пробоя - с внедрением разряда в бетон при наличии и альтернативной возможности перекрытия по поверхности на обнаженную арматуру. При этом необязательно, чтобы в каждом акте пробоя электрод касался бетона, пробой может быть и комбинированным с частичным прохождением через водную среду.

1- загрузочное устройство; 2- ЖБИ; 3- технологическая ванна; 4- электродная система; 5- источник импульсов; 6- разгрузочное устройство;7 - шламосборник.

Рисунок 5. Технологическая схема ЭИ- установки для утилизации некондиционных железобетонных изделий.

Технологическая схема разрушения ЖБИ представлена на рисунке 5. Панель 2 загружается в ванну с водой 3; рабочий электрод 4 с помощью манипулятора постепенно перемещается по ячейкам изделия, при этом система контроля выдает команду для перемещения в новое положение лишь после полного разрушения ячейки; освободившиеся после разрушения ЖБИ арматура и бетонный шлам по отдельности удаляются из ванны. Как показали опытные работы по разрушению ЖБИ, состояние арматуры позволяет ее повторное использование, так же как и бетона после дополнительного его доизмельчения.

Преимущества способа

)        отсутствие диспергирования породы во всех видах технического
разрушения, кроме измельчения, т.е. обеспечение дискретного регулируемого разрушения, устраняющего затраты энергии на излишнее
обнажение поверхностей в продуктах разрушения;

2)      нагружение горной породы с преобладанием напряжений разрыва и сдвига, а не сжатия, так как прочность на разрыв и сдвиг существенно ( на породах) ниже прочности на сжатие;

3)      хорошая управляемость характером и направленностью нагружения.[7]

Из бездолотных способов разрушения прежде всего можем выделить группу способов, в которых воздействие на породу осуществляется через или непосредственно жидкой средой: гидромониторный, гидро-импульсный, гидровакуумный, электрогидравлический и ампульный с ВВ. Область применения гидромониторного и гидроимпульсного способов разрушения ограничена размывом сравнительно слабых горных пород. Наличие звеньев преобразования энергии не способствует снижению энергетических затрат на разрушение, и применение способов чаще всего диктуется технологическими преимуществами.

Ряду сформулированных выше требований к эффективному способу разрушения твердых тел отвечает электрогидравлическое разрушение. Воздействие на твердое тело осуществляется через промежуточную жидкую среду, в которой при ее электрическом пробое непосредственно или электрическом взрыве проволочки формируются волны сжатия. Существует аналогия действия электровзрыва в жидкости и действия ВВ на горные породы, особенно если сравнивать с ампульным взрывом ВВ в жидкости. По результатам сопоставительных исследований определен тротиловый эквивалент электровзрыва в жидкости: 1г тротила соответствует 4-5,5 кДж энергии электровзрыва. Различие состоит лишь в количественном соотношении бризантного и фугасного действий взрыва, в распределении энергии между ударной волной и парогазовой полостью. При взрыве ВВ переход энергии в ударную волну более значителен (до 70%), и благодаря большому количеству газообразных продуктов фугасное действие взрыва более продолжительное и более эффективное. С другой стороны, электровзрыв выгодно отличается от взрыва ВВ возможностью в широких пределах регулировать характер и направленность воздействия. Следует иметь в виду, что сопоставление с ВВ носит методический характер. Способы разрушения с помощью ВВ и другие методы в практическом плане не являются альтернативными. Как затруднительно использовать ВВ в процессах бурения и измельчения материалов, так же затруднительно найти более эффективный, чем с помощью ВВ, способ массовой отбойки руды при их добыче, массового разрушения и перемещения скальных массивов при строительстве гидротехнических и других сооружений.[9]

Электровзрыв в жидкости отличает импульсный характер и высокая интенсивность воздействия, соответственно высокоскоростное нагружение и механизм хрупкого разрушения материалов, однако заметного энергетическою выигрыша на разрушении не получено. При бесконтактном (через промежуточный носитель) способе передачи энергии важным фактором становится способность твердого тела воспринимать направленную к нему энергию, и в этом отношении электровзрыв в жидкости не является идеальным. Немаловажным оказался и тот факт, что волна сжатия, опередив фронт распространения трещин в материале, «проносит» энергию через разрушаемое тело с последующим бесполезным рассеиванием ее в окружающей среде. В ближней зоне действия прямого фронта ударной волны (по сути основного энергетического фактора) разрушающий эффект оказывается незначительным, так как несмотря на высокую интенсивность нагружения, разрушение происходит под действием напряжений сжатия. Основной разрушающий эффект обусловлен вторичными факторами - созданием растягивающих напряжений при отражении волн от свободных поверхностей, гидравлическим давлением рабочей жидкости, соударениями частиц в гидропотоке. Наиболее благоприятным с энергетической точки зрения является способ разрушения негабаритов, бетонных фундаментов и блоков с помощью взрывателей в предварительно выбуренных шпурах. В этом случае в максимальной степени используется поршневое действие газопаровой полости, поддерживающее рост трещин в массиве, инициированных при прохождении ударной волны.[10] При направленном расколе монолитов на блоки и их пассировке с использованием опытных образцов установок «Импульс» и «Базальт» энергетические затраты на единичную площадь раскола составили 12-93 кДж/м2, в том числе по известняку 13-17 кДж/м2, по крупнозернистому граниту 27-33 Дж/м2. В сравнении с существующим буроклиновым способом на треть повышается выход кондиционного сырья, в 2-3 раза снижаются затраты времени на получение одного кубометра блоков. Показатели электрогидравлического дробления различных материалов приведены в таблице 1.

Из-за значительных энергетических затрат и неудовлетворительных массогабаритных параметров установок электрогидравлическое дробление и измельчение не нашли сколько-нибудь широкого применения в горном деле, за исключением отдельных специфических случаев, когда решающими факторами явились технологические особенности дробления - чистота продукта дробления, регулируемость грансостава и другие. Из других технологических процессов на основе электровзрыва в жидкости перспективными являются очистка литья, развальцовка трубок, фасонное формообразование металлического листа.

Критериям эффективного разрушения отвечают электротермические способы, в основе которых лежит разрушение материала под действием термонапряжений при формировании перегретого участка материала внутри разрушаемого тела. Нагрев тела может осуществляться электромагнитным полем высокой и сверхвысокой частоты, токами промышленной и высокой частоты, в том числе при дуговом разряде в твердом теле. Разрушающий эффект за счет термонапряжений свойствен и, может быть, является решающим для отдельных видом и термического разрушении («кислородное копье», лазерное разрушение). Благоприятным с энергетической точки зрения фактором процесса является разрывающий характер действия «температурного клина». Однако в силу незначительности коэффициентов температурного расширения способу присуще «ближнедействие» и для разрушения крупных агрегатов породы требуется значительное время его нагрева (до десятков минут). Все это соответственно сопровождается значительными тепловыми потерями. При нагреве ВЧ- и СВЧ- полями проявляется высокая избирательность материала к поглощению электромагнитного поля, а потому область эффективного применения способа ограничена породами с повышенными диэлектрическими потерями (например, железистые кварциты).

Таблица 1

Показатели электрогидравлического дробления

При электротермическом разрушении определенную роль играют и другие разрушающие факторы, обусловленные процессами испарения влаги, декриптацией, релаксацией остаточных напряжений, полиморфными и фазовыми превращениями, спеканием и выгоранием органических соединений в породах осадочного комплекса. Например, эффективное расслоение кристаллов слюды при нагреве в ВЧ- поле обусловлено испарением межкристаллической влаги, вспучиванием гидратизированной слюды. Применительно к разрушению мерзлых грунтов показана высокая эффективность электротермомеханического способа разрушения, представляющего комбинацию разупрочнения грунта термомеханическими напряжениями при ВЧ- нагреве с механическим разрушением и эскавацией. Этот же фактор (разупрочнение породы термомеханическими напряжениями) в сочетании с более «тонкими» процессами, приводящими к снижению прочности пород при нагревании, используется и при электротермомеханическом разрушении горных пород. По данным, приводимым в таблице 1, термическая обработка забоя скважины при шарошечном бурении повышает скорость бурения от 1.5 до 5 раз.

Электродинамический (разряд конденсатора на электротепловой канал пробоя) и электроимпульсный способы разрушения имеют принципиальное отличие от электротермического способа разрушения с использованием теплового пробоя. В них реализуются практически все критерии эффективного способа разрушения. Рабочее тело (канал разряда) внедрено в разрушаемый объект, сверхвысокая концентрация импульса энергии (10 Дж/см3 ) позволяет создавать твердом теле высокие разрывные напряжения с его хрупким разрушением. Характер воздействия на твердое тело легко управляем, т.е. для оптимизации он может быть поставлен в зависимость от физико-механических свойств разрушаемого тела. Взрывное разрушение материала с крупным шламом обеспечивает способам хорошие энергетические показатели для различных технологических процессов. Например, показана высокая эффективность электродинамической отбойки калийных солей. Вместе с тем следует считаться с фактором выноса энергии из зоны разрушения акустической волной, что, безусловно, устанавливает определенные границы области эффективного применения способов.

Таблица 2

Результаты термошарошечного бурения

Рисунок 6. Установка для вскрытия кристаллосырья в продуктивных породах

Установка была опробована на трех разновидностях камнесамоцветного сырья- рубин, шпинель- и гранатсодержащих рудах. Следует отметить, что все кристаллы рубина имели природную слоистую
трещиноватость, перпендикулярную оси кристалла.        Однако даже такие ослабленные зерна выделялись в основном без нарушений. В процессе опробования установки было переработано более 10 т продуктивных пород, а также оценена работоспособность используемых в ней узлов и агрегатов. По результатам работы следует сделать вывод, что электроимпульсный способ может эффективно использоваться для выделения драгоценных кристаллов и зерен, обеспечивая их морфологическую сохранность.

.5 Избирательная дезинтеграция геологических проб

Электроимпульсная установка дезинтеграции геологических проб создана для удовлетворения потребностей геологических организаций в оборудовании, которое обеспечивает выделение по возможности чистых мономинеральньгх фракций из геологических проб и гарантирует их от взаимного загрязнения в процессе дезинтеграции. При этом обеспечивается сокращение числа стадий дезинтеграции по сравнению с традиционным механическим способом и механизируется обслуживание установки.

Рисунок 7. Установка для дезинтеграции геологических проб

Установка, изображенная на рисунке 7, состоит из системы электроимпульсного питания, рабочей камеры с приемником готового продукта, установленного на специальной тележке, гидродомкрата, маслонасоса и рамы с двумя укосинами.

Рабочая камера включает в себя изоляционный корпус, в верхней части которого закреплены высоковольтный электрод и система промывки внутренней поверхности, а в нижней части размещены водомерное стекло, заземленный электрод- классификатор, опирающийся на верхний фланец приемника готового продукта. Приемник готового продукта состоит из двух находящихся один в другом сосудов. Внутренний сосуд своим фланцем опирается на две опорные трубки, жестко закрепленные на днище внешнего сосуда, установленного с возможностью вертикального перемещения по направляющим штырям, нижние концы которых крепятся к раме тележки. Тележка может перемещаться по направляющим. Установка укомплектована двумя тележками с установленными на них приемниками готового продукта, электродами-классификаторами, размеры отверстий которых соответствуют необходимой крупности готового продукта. Тележки сцеплены жесткой тягой так, что при совпадении вертикальных осей камеры и приемника готового продукта и фиксации одной тележки вторая (с приемником готового продукта) выводится за пределы ограждения установки для проведения разгрузочных работ. После стопорения и фиксации приемника под камерой ручным приводом плунжерного маслонасоса с пульта управления создается давление порядка 30-40 кг/см2 в маслосистеме гидродомкрата, что обеспечивает прижатие и герметизацию
рабочей камеры с внутренним сосудом приемника. Подлежащий разрушению материал скипом загружается в рабочую камеру.

Техническая характеристика установки

Опыт эксплуатации описанных установок на различных рудах и материалах показал их высокую надежность и хорошую избирательность дезинтеграции, а также удобство обслуживания. В частности, при дроблении серицитолита, представленного на 99% кварцем и на 1% серицитом, требовалось обеспечить сохранность зерен серицита при минимальном ошламовании. При механическом дроблении пробы происходило истирание полезного компонента более твердым и прочным кварцем. Электроимпульсное дробление позволило получить серицит в виде неповрежденных чешуек и агрегатов. По заключению специалистов это делает данный метод весьма перспективным (и, возможно, единственным) для дробления пород с низкой массовой долей (10% и менее) полезного компонента без нарушения его кристаллической структуры.

В целом установка избирательной дезинтеграции геологических проб имеет следующие преимущества:

·  обеспечивает дезинтеграцию проб от 80 до 1 мм в один прием с производительностью 50-100 кг/ч, заменяя две щеконые и одну валковую
дробилки с операциями промежуточной классификации материала;

·  исключает механические потери проб, «заражение» проб материалом
предыдущей пробы и аппаратурным железом, а также пылеобразование;

обеспечивает высокую избирательность и сохранность природной формы кристаллов и зерен, слагающих породу.

Установка экспонировалась на ВДНХ СССР и- внедрена в ряде геологических организаций, где успешно эксплуатируется. Имеется перспектива ее дальнейшего внедрения.

.6 Обработка природного камня электрическими разрядами

В КНЦ разработана технология поверхностной обработки природного камня. Известно, что при эксплуатации гранитных карьеров 63-83% массы добываемого природного камня уходит на крупнокусковой окол. Из 5-10% этих отходов может быть изготовлен бортовой камень. Возможна также попутная добыча камня из негабаритов вскрыши месторождений полезных ископаемых, как это делается на Ждановском месторождении медно-никелевых руд, а также из отходов в виде валунов на песчаных карьерах.

Использование отходов основного производства, хотя и требует дополнительных трудозатрат, в целом благодаря высокомеханизированной переработке во многих случаях способствует росту производства дополнительной товарной продукции на камнедобывающих предприятиях, повышению уровня их рентабельности, экономии капиталовложений на добычу каменного сырья. Утилизация отходов способствует также более полному удовлетворению потребности в тесаных и облицовочных изделиях, обеспечивает рациональное использование запасов природного камня.

Тесаные изделия из гранита (бортовой камень, парапеты, ступени, накрывные плиты и другие) в настоящее время составляют 35-40% от общего объема облицовочной продукции из камнеобрабатываемого сырья в виде блоков. Объем этой продукции предполагается увеличить.

В связи с этим, а также ввиду необходимости исключить ручной труд во вредных условиях разработка средств механизации и широкое использование электроэнергии при добыче и обработке блоков камня являются важными задачами, поскольку известные способы обработки либо не обеспечивают необходимого уровня механизации и имеют низкую производительность, либо весьма энергоемки.

На современном этапе, аспекты теоретической технологии электроимпульсного получения заполнителей бетонов различного назначения наиболее полно разработаны в нижеследующих направлениях:

-        химическая активность поверхности продукта электроимпульстного дробления;

-        особенности формирования и свойства контактной зоны в бетонах на продукте электроимпульсного дробления.

         межфазные взаимодействия поверхности продукта электроимпульсного дробления с органическими вяжущими;

         качество заполнителя при электроимпульсной технологии дробления нерудного сырья.

.7 ЭИ-резание и размерная обработка поверхности массива

Исследования технологии начаты в НИИВН под руководством И.И.Каляцкого. Синебрюховым А.Г. исследованы средства и режимы резания горных пород в диэлектрических средах. С использованием простых конструкций электродных устройств - с пластинчатыми (гребенчатыми) электродами и стержневыми электродами при резании в диэлектрической среде получены результаты, свидетельствующие о высокой технологической эффективности процесса. Энергоемкость ЭИ-резания горных пород и строительных материалов (от динасового кирпича до гранита) составляет 1,2-3,9 кВтЧч/м2, что на порядок ниже энергоемкости распиливания их механическими станками.

Автором исследованы (работы начаты в НИИВН и продолжены в КНЦ) устройства для ЭИ-резания горных пород в воде, в том числе применительно к целям зачистки скальных оснований под водой при строительстве гидротехнических объектов. При разработке средств ЭИ-резания учитывались требованиям по обеспечению минимальных энергозатрат на резание, максимальной электрической прочности конструкции, минимального уровня рабочего напряжения и минимальной вариации его в пределах цикла разрушения при безусловном удовлетворении параметров щели и качества поверхности технологическим требованиям по обеспечению эффективного выноса шлама с забоя разрушения.

По аналогии с классификацией ЭИ буровых коронок электродные устройства с пластинчатыми электродами (пластина-пластина, пластина-гребенка) отнесены к радиальному типу, а электродные устройства со стержневыми электродами - к тангенциальному. Определенным достоинством систем радиального типа является стабильность уровня рабочего напряжения и равномерность разработки забоя щели. Но по другим критериям они уступают системам тангенциального типа. Спецификой ЭИ-резания является то, что технологические показатели процесса определяются не объемными показателями разрушения, а относятся на единицу обнаженной поверхности. Это приводит к существенному различию способов оптимизации процесса при ЭИ-бурении и ЭИ-резании. Возможности оптимизации процесса за счет применения увеличенных разрядных промежутков при ЭИ-резании значительно сужены. В конструкции радиального типа увеличение разрядного промежутка означает увеличение ширины щели, а то-есть и рост объема разрушения на единицу обнаженной поверхности. Поэтому оптимум в зависимости энергоемкости разрушения (на единицу поверхности) от величины разрядного промежутка смещен в область меньших значений разрядного промежутка и соответствует 10-15 мм. Для конструкции тангенциального типа ограничения проявляются в меньшей степени и оптимальные значения разрядного промежутка смещены в сторону их увеличения (20-25 мм). В результате, энергоемкость резания устройствами тангенциального типа почти в 2 раза ниже, чем для устройств радиального типа.[12]

Устройства тангенциального типа благодаря тому, что ширина щели и величина разрядного промежутка не находятся в прямой зависимости друг от друга, отличаются большей универсальностью, допускают возможность более широко варьировать параметрами электродного устройства, координируя достижение поставленных целей по повышению технической надежности работы устройства (прежде всего, изоляции) и улучшению технологических показателей (производительности разрушения, крупность шлама).

Повышению эффективности работы устройств со стержневыми электродами способствовало дополнение электродов башмачными наконечниками. Это техническое решение заимствовано из технологии ЭИ-бурения и преследует те же цели - снизить пробивные градиенты напряжения и повысить равномерность проработки забоя. Для лучшего контакта с породой башмачные наконечники выполняются подпружиненными. Полые заземленные электроды, используемые для подачи на забой разрушения промывочной жидкости, в верхней части изоляционного става объединяются коллектором, подсоединяемым к системе промывки. Для обеспечения эффективного удаления шлама за счет создания необходимого зазора между стенками щели и изоляционного става поперечный размер основания электродного устройства должен превышать толщину изоляционного става на 5-7 мм.

Универсальность данной конструкции проявляется и в возможности использования ее в качестве инструмента для поверхностной обработки массива. Данная операция осуществляется путем фронтального перемещения инструмента по поверхности массива.

Вместе с тем испытания стержневых конструкций выявили их основной недостаток - достаточно сложно обеспечивать технически приемлемый ресурс работы изоляции, разрушающейся вследствие возникновения разрядов перекрытия по поверхности между электродами в торцевой части изоляционного става. Более перспективным вариантом устройства тангенциального типа следует признать устройство с лапчатыми электродами, объединяемых закрепляемыми на боковых поверхностях изоляционного става пластинами. Такое конструктивное исполнение позволяет существенно повысить электрическую прочность конструкции за счет разнесения по высоте на изоляционном ставе точек крепления пластинчатых оснований электродов, увеличения расстояния между стойками лапок (при их диагональном расположении по разным сторонам изоляционного става) и дополнительной возможности использования барьерного эффекта при определенной форме изоляционного става.

Для устройств ЭИ-резания решение многих проблем по обеспечению надежности и технологической эффективности находится в зависимости от величины омического сопротивления конструкции R. Сопротивление электродной конструкции определяет условия генерирования импульсов напряжения и чем ниже оно, тем более сложные схемы генерирования необходимо использовать для получения импульсов требуемых параметров, тем ниже КПД генератора импульсов. Обусловленное этим ограничение минимально допустимой величины R является и ограничением линейного размера устройства l, определяющего длину щели.[11]

Для повышения сопротивления прежде всего снижают металлоемкостью электродной системы при сохранении достаточной ее механической прочности, повышают степень изолирования электродов. В устройствах радиального типа сокращение поверхности пластинчатых электродов приводит к конструкции с узкими пластинчатыми электродами (высотой 5-10 мм), не касающимися в рабочей части края изоляционного става.

Для сопоставления пластинчатых и стержневых конструкций электроимпульсных режущих устройств по пригодности их использования при работе в воде выполнены измерения и предложены методы расчетной оценки омического сопротивления электродной конструкции.

= r • F = r • F01 / l (1),

где r - удельное сопротивление жидкости,- геометрический фактор системы,- его удельное (на единицу длины) значение,- длина электродной конструкции.

Для пластинчатых электродов сечением 2,5х5 мм и при расстоянии между электродами 30 мм геометрический фактор системы с изменением длины электродов изменяется следующим образом:

Для стержневых электродов с башмачными наконечниками шириной 10 мм при расстоянии между электродами "в свету" 20 мм и длине неизолированной части 40 мм геометрический фактор системы с изменением числа электродов, а то есть и общей длины устройства, изменяется следующим образом:

Из приведенных данных следует, что стержневые электродные устройства имеют омическое сопротивление более высокое, чем пластинчатые, т.е. при одинаковых условиях формирования импульсов напряжения они могут рассчитываться на соответственно большую длину щели. Значение F0l для пластинчатых электродов не превышает 0.4, для стержневых - достигает 0.54. Ориентируясь на величину R порядка 100 Ом, допускающей возможность создать условия для ЭИ-процесса в воде простыми типами генераторов импульсов с коррекцией фронта импульсов /2/, и принимая r = 6•103 Ом•см, оцениваем возможную длину электродного устройства как 0,25 и 0,33 м соответственно.

В оценках электрических параметров электродных конструкций стержневого типа можно воспользоваться следующим соотношением:

= F0n / n -1 (2),

где F0n - значение геометрического фактора, отнесенного на одну пару электродов,- число электродов.

Зависимость F0n двухэлектродной конструкции от межэлектродного расстояния S0 в диапазоне изменения 5-30 мм выражена незначительно:

При разрядных промежутках 20-30 мм, длине неизолированной части электродов 30-40 мм значение F0n может быть принято порядка 0.15-0.17 см-1. Для расчетной оценки F0n системы параллельных стержней можно воспользоваться соотношением.

Этим же соотношением можно воспользоваться для электродов отличного от круглого сечения, приведя его к эквивалентному круглому по критерию равенства боковой поверхности.

При опытном резании в технической воде с удельным сопротивлением 60-90 Ом•м устройством стержневого типа с 13 электродами длина щели достигала 0.35 м. Удельные энергозатраты ЭИ-резания составили 4-6 кВт•ч/м2 по песчанику и 3.5-4.5 кВт•ч/м2 по известняку. Потенциальная скорость резания (при частоте следования импульсов 20-25 в секунду) оценивается в 2-2.5 м2/ч.

Технология ЭИ-резания с использованием описанных выше типов устройств является циклической; длина щели, проходимой за один цикл ограничена указанной выше величиной 0.3-0.35 м. Секционирование инструмента с подключением каждой секции к отдельному источнику импульсного напряжения позволяет увеличить размер щели, но это приводит к усложнению устройства генерирования импульсов. В КНЦ был разработан новый тип устройства резания блоков пород и массива в режиме непрерывной бесцикличной проходки щелей изменяемой конфигурации. В новом типе устройства рабочая поверхность электродов размещается по двум, взаимно перпендикулярным поверхностям изоляционного става, что дает инструменту две и даже три степени свободы перемещения (вглубь массива и по контуру щели). Данный тип конструкции позволяет совместить оба используемые в ЭИ-технологии принципа распределения разрядов по площади забоя: автоматического распределения разрядов с полной цикличным разрушением породы по площади забоя под электродами и принудительного распределения разрядов с избирательным разрушением массива при перемещении электродной конструкции по забою разрушения. Это позволяет осуществлять разрушение на большой площади забоя электродными конструкциями ограниченной рабочей поверхности, выбранной исходя из оптимальных условий генерирования импульсов. Перспективные области использования - добыча блоков декоративного камня (проходкой отрезных щелей), проходка оконтуриваюших щелей при сооружении в скальном массиве траншей, котлованов, при сооружении подземных горных выработок, размерная художественная обработка камня.

2. УСТАНОВКА ПО ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНОЙ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ И МАТЕРИАЛЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Электроимпульсная установка дезинтеграции геологических проб создана для удовлетворения потребностей геологических организаций в оборудовании, которое обеспечивает выделение по возможности чистых мономинеральных фракций из геологических проб и гарантирует их от взаимного загрязнения в процессе дезинтеграции. При этом обеспечивается сокращение числа стадий дезинтеграции по сравнению с традиционным механическим способом и механизируется обслуживание установки.

Установка состоит из системы электроимпульсного питания (рисунок 9), трёх конденсаторов (рисунок 8), накапливающих напряжение, и рабочей камеры (рисунок 10), наполненной механической водой, к которой подходят два электрода(катод и анод), проводящие высоковольтный импульсный заряд сквозь диэлектрическую среду. Подлежащий разрушению материал загружается в рабочую камеру.

Техническая характеристика установки:

Рисунок 8. Конденсаторы (4 мкФ)

Рисунок 9. Система электроимпульсного питания (слева), рабочая камера (справа)

Электроимпульсное измельчение материалов, как правило, проводят в воде. Применение диэлектрических жидкостей (органических масел) часто бывает просто исключено из-за их воздействия на поверхностные свойства измельченных минеральных частиц (например, изменяется флотируемость материалов). А с другой стороны, геометрия электродов такова, что формирование импульсов напряжения с требуемыми параметрами (амплитудой и длительностью фронта) не представляет особых затруднений, даже если используется техническая вода.

Рисунок 10. Принципиальная электрическая схема установки для дезинтеграции геологических проб

Рисунок 11. Рабочая камера

В целом установка избирательной дезинтеграции геологических проб имеет следующие преимущества:

·  обеспечивает дезинтеграцию проб от 40 до 1 мм в один прием с производительностью 5-10 кг/ч;

·  исключает механические потери проб, «заражение» проб материалом
предыдущей пробы и аппаратурным железом, а также пылеобразование;

- обеспечивает высокую избирательность и сохранность природной формы кристаллов и зерен, слагающих породу.

Опыт эксплуатации описанной установки на различных рудах и материалах показал их высокую надежность и хорошую избирательность дезинтеграции, а также удобство обслуживания. В частности, при дроблении серицитолита, представленного на 99% кварцем и на 1% серицитом, требовалось обеспечить сохранность зерен серицита при минимальном ошламовании. При механическом дроблении пробы происходило истирание полезного компонента более твердым и прочным кварцем. Электроимпульсное дробление позволило получить серицит в виде неповрежденных чешуек и агрегатов. По заключению специалистов это делает данный метод весьма перспективным (и, возможно, единственным) для дробления пород с низкой массовой долей (10% и менее) полезного компонента без нарушения его кристаллической структуры.

.2 Отбор проб рудных материалов и анализ их основных технологических свойств

Пробы объектов исследования - основных типов рудного сырья сложного химико-минералогического состава (сульфидных и свинцово-цинковых) отбирались в благоприятное летнее время. Дополнительно набирались образцы сульфидных мономинералов. Месторождения, на которых отбирались исходные материалы расположены на территории одной промышленной зоны, объединяющей соответствующие горно-обогатительные комплексы на Алтае, в Восточном Казахстане и в России.[13]

Материалы рубцовской крупнодробленой сульфидной руды и сульфидной медной руды сложного химико-минералогического состава обычно являются трудными объектами для обогащения и металлургии, а значит источниками огромных потерь. Высокие потери связываются с особенностями технологических свойств сырья. Проявление и соотношение их на различных месторождениях в большей или меньшей мере отличны друг от друга из-за индивидуальных отклонений в термобарохимических режимах первичного или вторичного минералообразования, свойственного для каждого конкретного случая формирования месторождений.

Результаты исследований, направленные на изучение индивидуальных особенностей проявления технологических свойств труднообогатимых материалов различного вещественного состава составляющих сульфидных минералов, особенностей их взаимодействия, позволят интенсифицировать основные технологические процессы вскрытия и окислительного выщелачивания - наиболее важный и сложный процесс, обеспечить глубокую переработку и освоение нетрадиционного сырья.

При разработке технологии переработки сложного сырья выбор реагентов, основных процессов и оборудования для исследований основывается на результатах анализа основных технологических свойств объектов исследования - вещественных (химический, фазовый, минералогический, гранулометрический состав) и энергетических (электрические и электрохимические свойства). Для получения необходимых данных и подготовки предварительных исследований по изучению физико-химических закономерностей процессов вскрытия и окислительного выщелачивания сульфидного сырья сложного химико-минералогического состава проведен анализ основных вещественных и энергетических характеристик исходных материалов.

.2.1 Сульфидные руды

Сульфидные руды - природные минеральные образования, состоящие из сернистых соединений металлов (сульфидов); к ним относятся также селенистые, теллуристые, мышьяковистые и сурьмянистые соединения металлов. Сульфидные руды - важный источник для получения Ni, Со, Cu, Zn, Pb, Мо, Bi, Sb и Hg. В состав сульфидных руд, кроме сульфидов, входят др. минералы, в том числе и не содержащие металлы (кварц, кальцит, иногда барит, слюдистые минералы и др.). В зависимости от соотношения сульфидов и др. минералов выделяют сплошные, или массивные, с преобладанием сульфидов, и прожилковые, или вкрапленные, с преобладанием несульфидных минералов. Сульфидные руды бывают простые, или монометаллические, и комплексные, или полиметаллические. Особенно распространены полиметаллические Сульфидные руды, в состав которых входят сульфиды меди, цинка и свинца, а также комплексные медные руды, никелевые руды, кобальтовые руды, сурьмяные руды и ртутные руды. Во многих сульфидных рудах в качестве примесей присутствуют Pt, Au, Ag, Cd, In, Se, Те. Большинство месторождений сульфидных руд относится к эндогенным месторождениям с преобладанием среди них гидротермальных месторождений. Рудные тела чаще всего представлены жилами, а также пластами, линзами, штоками и трубообразными залежами. Такие тела протягиваются в длину и на глубину на сотни метров- несколько километров. Запасы сульфидных руд в них достигают сотен миллионов и даже миллиардов тонн, а запасы металлов - десятков, сотен тысяч и даже нескольких миллионов тонн, при содержании металлов в руде от десятых долей до нескольких десятков процента.

В опытах были использованы два типа сульфидных руд: сульфидная медная руда (рисунок 11) и Рубцовская крупнодробленая сульфидная руда (рисунок 12).

Рисунок 11. Сульфидная медная руда

Рисунок 12. Рубцовская крупнодробленая сульфидная руда

Рисунок 13. Фотография участка исходного образца сульфидной медной руды на растровом электронном микроскопе

Рисунок 14. Фотография участка исходного образца рубцовской сульфидной руды на растровом электронном микроскопе

2.2.2 Анализ основных вещественных и энергетических характеристик объектов исследования

Проведен анализ химического, минералогического и фазового состава исходных материалов, для рудных образцов - анализ электрических характеристик.[14]

В результате анализа вещественных характеристик было установлено следующее:по технологическим свойствам рудный материал указанных объектов относят в основном к переходному и/или метаколлоидному типам руд. Они характеризуются наличием продуктов распада твердых растворов, изменением содержаний полезных элементов в различных модификациях минералов и широким диапазоном изменения свойств одноименных минералов.

Отобранные пробы рудных материалов представляют собой различного химико-минералогического состава (химический состав приведен в таблице 3).

Таблица 3

Химический состав исходных материалов

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНОЙ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ

.1 Краткая характеристика исходной пробы сульфидной медной руды

Результаты химического анализа исследуемой пробы руды приведены в таблице 3. Они свидетельствуют о том, что руда богата цветными и благородными металлами. Промышленно значимыми являются медь, железо и сера.

Материал исследуемой пробы представлен сульфидной полиметаллической рудой смешанного типа (по содержанию вторичных сульфидов меди) от средне- до тонкозернистой структуры.

Было установлено, что основными рудными минералами являются (в порядке их количественного убывания: сфалерит, халькопирит, пирит, галенит. В качестве второстепенных - ковеллин, халькозин, англезит, смитсонит, блеклая руда, борнит.

По сфалериту развивается в виде тонких оторочек смитсонит, по галениту каемки англезита. Заметно наличие в руде вторичных минералов меди: чаще ковеллин, реже - халькозин и редко - борнит.

Ковеллин развивается чаще по халькопириту, реже сфалериту, пириту, иногда - галениту в виде тонких примазок, оторочек, тонких прожилков и прожилковых выделений, размеры которых не превышают сотых долей миллиметра.

Минералогический состав представлен на рисунке 15.

Таблица 4

Химический состав сульфидной медной руды

Основные рудные минералы находятся или в виде сплошных зернистых скоплений, измеряемых десятыми долями миллиметра или в тесных взаимных прорастаниях. Сфалерит очень тесно (3¸7 mk) ассоциирует с галенитом и халькопиритом. А последние среди сфалерита образуют субграфические структуры со сложно-извилистыми границами срастания. Среди сфалерита наблюдаются тонкие (около 3 mk) вростки и неправильной формы выделения галенита и халькопирита, сеть тонких нитевидных прожилков галенита, эмульсионная вкрапленность халькопирита. Местами встречаются колломорфные образования сфалерита, по которым развивается галенит в виде тонких (2¸7 mk) вростков и каемок.[15]

В отдельных участках халькопирит сечется сетью тонких прожилков сфалерита и галенита, по которым развиваются ковеллин и халькозин.

а                                   б

а - включения халькопирита, галенита, пирита в сфалерите; б - включения мелкого пирита в халькопирите, прожилок галенита в сфалерите

Рисунок 15. Сульфидная медная руда

Среди почковидных стяжений пирита наблюдаются тонкие (3¸20 mk) вростки и прожилки халькопирита и галенита, а местами и сфалерита. Халькопирит заполняет в пирите тонкие трещинные (3¸7 mk) и межзерновые промежутки (до 50 mk).

Среди халькопирита пирит находится в виде изометричных и неправильных выделений размером 3¸70 mk.

Степень раскрытия рудообразующих минералов при измельчении руды до 90% - 44 mk приведена в таблице 5.

Из приведенных данных видно, что при таком тонком измельчении руды около 60% сфалерита и 35% халькопирита и галенита находятся в сростках друг с другом. Причем галенит и халькопирит, образующие часто вростки и приростки к сфалериту, имеют преобладающие размеры выделений в сростках в интервале 7¸20 mk.

Предварительные исследования показали, что изыскивать методы раскрытия зерен крупностью порядка 5 mk нецелесообразно, поскольку вскрытие всего лишь 2/3 зерен потребовало бы измельчения руды до 1 mk, что значительно превышает возможности существующих методов измельчения. Кроме того, осуществлять тончайший помол этого материала не имело бы смысла, так как разделить подобные частицы флотацией почти невозможно.

Руда содержит флотоактивные тонкодисперсные вязкие глины (до 20%) и сажистые минералы - компоненты, присутствие которых крайне неблагоприятно при проведении процессов флотации и выщелачивания.

Таблица 5

Степень раскрытия рудообразующих минералов при измельчении

Из данных таблицы 6 очевидно, что по фазовому составу исследуемая проба представлена в основном сульфидными формами, в том числе на 18,7% вторичными минералами меди.

Таблица 6

Фазовый состав сульфидной медной руды

3.2 Краткая характеристика исходной пробы Рубцовской крупнодробленой сульфидной руды

Результаты химического анализа исследуемой пробы руды приведены в таблице 7. Основные металлы, преобладающие в составе руды: железо, свинец и медь.

Материал исследуемой пробы представлен свинцово-цинковой рудой смешанного типа.

Основные рудные минералы: пирит, сфалерит, смитсонит, галенит. Незначительную долю занимают: халькозин, англезит, плюмбоярозит.

Рисунок 16. Рубцовская крупнодробленая сульфидная руда. Сфалерит в сростках с галенитом (белого цвета).

Таблица 7

Химический состав Рубцовской крупнодробленой сульфидной руды

Нерудный субстрат представлен углерод- карбонат- кремнистым, кремнисто-карбонатным и карбонат- кремнистыми агрегатами. По составу рудных минералов и особенностям их распределения выделяются три разновидности руд, из которых преобладающей является третья.

. Серно-колчеданные руды

Углерод- кремнисто- карбонатные породы, кремнисто- карбонатные породы, несущие вкрапления пиритов преимущественно глобулярной формы размером 1-50 мкм, образующих иногда линзочки размером 50´150 мкм. В отдельных случаях отмечена перекристаллизация глобулярного пирита с образованием кристаллов кубической и додекаэдрической формы. Для этой группы характерно развитие тонких субпараллельных, косо секущих друг друга трещин мощностью от 0,1 до 1,5 мм, выполненных кварцем и карбонатами.

. Цинковистые и цинковые руды

Нерудная составляющая представлена углеродисто- кремнисто-карбонатным и углеродисто- карбонат- кремнистым субстратом. Рудные минералы представлены пиритом и сфалеритом.

Пирит представлен глобулярными зернами размером от 0,05 до 10 мкм. На 10% пирит представлен вростками в зерна сфалерита, а около 15% пирита представлено зернами зонального строения, в которых пирит занимает центральное место, а сфалерит расположен в виде каемок.[16]

В большей части отмечается перекристаллизация глобулярных пиритов с образованием кристаллов кубической додекаэдрической формы. Вокруг некоторых из них развиваются каемки из сфалерита толщиной от 1 до 6 мкм.

Сфалерит. Содержание сфалерита колеблется в широких пределах. Размер зерен от 5 до 50 мкм. Сфалерит в сростках с глобулярным пиритом образует зерна зонального строения. Форма зерен сфалерита от неправильной с заливообразными контурами до округлой. Размер зерен от 5 до 25 мкм. По сфалериту развивается в небольшом объеме округлой, червеобразной формы смитсонит.

Смитсонит отмечается в виде единичных зерен размером 25-120 мкм, а большей частью образует сростки и вростки со сфалеритом размером 2-10 мкм.

. Прожилковые свинцово-цинковые руды

Нерудные образования имеют углерод-карбонатно-кремнистый и кремний-карбонатный составы. В некоторых кусках улавливается брекчиевая текстура. Обломки остроугольные, в некоторыхкусках изометрической формы. Отмечаются прожилки кварц-карбонатного, карбонатного, кварцевого состава, к которым наиболее приурочены зерна рудных минералов размером до 500-1200 мкм, большей частью в сростках. Отмечается сеть тонких разнонаправленных трещин мощностью до 1-2 мм, выполненных минеральными образованиями кварц-карбонатного и карбонатного состава.

Пирит на 50% представлен зернами глобулярной, кубической, додекаэдрической формы размером 1-10 мкм. Пирит образует сростки со сфалеритом и реже галенитом в виде эмульсионной вкрапленности в них.

Сфалерит на 30-40% представлен зернами неправильной формы размером до 80 мкм. В некоторых образцах с брекчиевой текстурой, вмещающих минерализацию пород, сфалерит образует петельчатую структуру, локализуясь вокруг обломков породы в виде прерывистых серпообразных зерен со сложными изъеденными контурами. Толщина таких выделений колеблется от 1,5 до 10-12 мкм.

Образует сростки с галенитом, пиритом, смитсонитом. Границы в сростках с галенитом чаще прямолинейные. Отмечаются как вростки зерен галенита в сфалерит, так и сфалерита в галенит.

Смитсонит развивается на сфалерите, образуя оспины округлой формы и червеобразные скопления размером до 12 мкм.

Галенит образует сростки со сфалеритом, пиритом. По отдельным зернам галенита развивается церуссит.

Основная масса рудных минералов представлена сульфидами при широком распространении и окисленных минералов свинца и цинка.

Следует отметить также, что общее содержание железа в руде невысокое - 2,4-3,9%, но оно на 97% представлено сульфидами, и количество пирита составляет 5-8%, что больше, чем галенита в руде и практически столько же, как сфалерита. При больших расходах собирателя, характерного для рассматриваемых руд, пирит будет флотироваться и снижать качество свинцового и цинкового концентратов.

.3 Электронно-микроскопические исследования структуры материалов, подвергшихся электроимпульсному воздействию

Были исследованы образцы сульфидной руды до и после обработки импульсными пробоями. Проведен анализ участков отборных образцов с ярко выраженными раскрытиями включений металла (рисунок 17-19).

Рисунок 17. Растровая электронная микрофотография участка образца обработанной сульфидной медной руды

Рисунок 18. Участок сульфидной медной руды после электроимпульсного воздействия

Рисунок 19. Сульфидная медная руда. Участок высвободившегося минерала.

Дезинтеграция проходит, главным образом, по границам минеральных зерен, поэтому минеральные индивиды, в том числе сложной формы, максимально высвобождаются от сопутствующих минералов, достигается высокая степень раскрытия сростков.

Дезинтеграция обеспечивает высокую селективность электроимпульсного разрушения многокомпонентных сред, проявляющуюся в улучшении раскрытия зерен полезных минералов с минимальным их разрушением.

Ниже приведены еще несколько фотографий участков рубцовской сульфидной руды.

Рисунок 21. Рубцовская сульфидная руда

Рисунок 22. Раскрытое включение металла

Способ электроимпульсной дезинтеграции металлических руд за счет эффекта избирательного электрического пробоя по металлическим включениям обеспечивает высокую селективность разрушения руды с высокой степенью раскрытия включений металла и его сохранностью от размазывания по поверхности частиц вмещающей породы.

Рисунок 23. Участок сульфидной медной руды

.4 Эффект расплава

После 15-20 импульсов при пробое на некоторых образцах, как сульфидной медной руды, так и рубцовской крупнодробленой, был замечен эффект плавления “белых” участков образцов (пирит, халькопирит -FeS2, CuFeS2):

Рисунок 24. Участки образцов с расплавленным металлом

.4.1 Спектральный анализ участков расплава

Рисунок 25. Спектральный анализ расплава минералов

Рисунок 26. Анализ расплавленных участков сульфидной медной руды.

В соответствии с рисунком 25 можно утверждать, что расплаву подвергаются участки с высоким содержанием серы, железа и меди.

На рисунках 24 и 25 отчетливо видно, что в местах расплава минерала преобладают такие металлы, как железо, сера и медь.

Таким образом, исследования показали, что температуры в местах пробоя материала достигают температур плавления медного колчедана и железного колчедана (халькопирита и пирита).

4. Безопасность и экологичность эксплуатации электрогидроимпульсной установки в лаборатории «Iргетас»

4.1 Основные опасные факторы при работе с установкой по электрогидроимпульсной дезинтеграции

Основные опасные факторы при работе с установкой по ЭГИ дезинтеграции это:

.        Поражение электрическим током,

.        Действие вредных веществ в воздухе рабочей зоны;

Ниже подробно рассмотрены опасные факторы и их воздействие на человека, и описаны действия, предпринятые для защиты от этих факторов.

4.1.1 Поражение электрическим током

Поражение человека электрическим током может быть вызвано:

.        С однофазным прикосновением человека к неизолированным токоведущим частям прибора, находящегося под напряжением;

.        С одновременным прикосновением человека к двум токоведущим частям (фазам, полюсам) прибора, находящегося под напряжением;

.        С приближением на опасное расстояние человека, не изолированного от земли, к неизолированным токоведущим частям прибора, находящегося под напряжением;

.        С прикосновением человека не изолированного от земли к металлическим частям прибора (корпус, детали отделки) нормально не находящимися под напряжением, но, оказавшимися под действием последнего в результате замыкания или обрыва питающей линии;

.        С включением человека, находящегося в зоне растекания тока замыкания на землю, на «напряжение шага»;

.        С действием электрической дуги, которая может образоваться при использовании высокого напряжения в результате пробоя изоляции;

.        С освобождением человека, находящегося под напряжением.[17]

Проходя через организм человека, электрический ток оказывает разное действие. В данном случае различают термическое, электрическое, механическое и биологическое действие.

Термическое действие тока проявляется в ожогах отдельных участков тела, нагреве до высокой температуры кровеносных сосудов, нервов, сердца, мозга и других органов, находящихся на пути тока, что вызывает в них серьезные функциональные расстройства.

Электролитическое действие тока выражается в разложении органической жидкости, в том числе и крови, что сопровождается значительными нарушениями их физико-химического состава.

Механическое действие тока выражается в расслоении, разрыве и других повреждений различных тканей организма (мышечной ткани, стенок кровеносных сосудов, сосудов легочной ткани и др.) в результате электродинамического эффекта, а также мгновенного взрывоподобного образования пара от перегретой током тканевой жидкости и крови.

Биологическое действие тока проявляется в раздражении и возбуждении живых тканей организма, а также в нарушении внутренних биоэлектрических процессов, протекающих в нормально действующем организме.

В связи со всем вышеперечисленным были приняты следующие меры по предотвращению возникновения несчастных случаев, связанных с поражением электрическим током.

Изоляция токоведущих частей. Для обеспечения нормальной работы прибора и защиты от поражения электрическим током применена рабочая изоляция - электрическая изоляция токоведущих частей.

Блокировка. Блокировка - это устройство, предотвращающее попадание работающих под напряжение (и под действие ионизирующего излучения) в результате ошибочных действий. В данном приборе применена электрическая блокировка, которая коммутирует блокировочные контакты в цепи управления пускового аппарата.

Защитное заземление. Защитным заземлением называется преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Защитное заземление предназначено для устранения опасности поражения электрическим током в случае прикосновения к корпусу и другим нетоковедущим металлическим частям, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам.

Устройство заземления. Соединение металлических нетоковедущих частей оборудования с землей осуществляется с помощью заземляющих проводников и заземлителя.

Заземлитель - это проводник или совокупность металлически соединенных проводников, находящихся в соприкосновении с землей, или ее эквивалентом.

Для заземления прибора могут быть применены искусственные (предназначенные исключительно для целей заземления), и естественные (находящиеся в земле металлические предметы иного назначения) заземлители.

Заземляющие проводники - это проводники, соединяющие заземляемые части с заземлителем.

Совокупность конструктивно объединенных заземляющих проводников и заземлителя называется заземляющим устройством.

По расположению заземлителя относительно заземляемого оборудования заземляющие устройства (заземления) подразделяются на выносные и контурные.

При выносном заземлении заземлители располагаются на некотором удалении от заземленного оборудования. Заземленные корпуса оборудования могут находиться вне поля растекания - на земле, а напряжение прикосновения при замыкании на корпус будет, максимальным.

При контурном заземлении заземлители располагаются по контуру вокруг заземленного оборудования, поэтому корпуса оборудования, как правило, находятся в зоне растекания тока. В этом случае при замыкании на корпус напряжение прикосновения будет меньше, чем при выносном заземлении. Для заземления прибора могут быть применены оба вида заземления. В лаборатории ГСМ, где производились измерения, прибор заземлен с помощью выносного зеземления. [18]

4.1.2 Защита от вредных веществ в воздухе рабочей зоны

4.1.2.1 Основные вредные вещества. Классификация.

По степени воздействия на организм вредные вещества подразделяют на четыре класса опасности:

-й - вещества чрезвычайно опасные;

-й - вещества умеренно опасные;

-й - вещества малоопасные.

Класс опасности вредных веществ устанавливают в зависимости от норм и показателей, указанных в таблице.

Таблица 8

Нормы и показатели опасных вредных веществ

В лаборатории «Іргетас» используются вещества всех четырех классов опасности, однако при работе с ними принимаются все меры безопасности

.1.2.2 Требования безопасности

На предприятиях, производственная деятельность которых связана с вредными веществами:

разработаны нормативно-технические документы по безопасности труда при производстве, применении и хранении вредных веществ;

выполнены комплексы организационно-технических, санитарно-гигиенических и медико-биологических мероприятий.

Мероприятия по обеспечению безопасности труда при контакте с вредными веществами предусматривають:

замену вредных веществ в производстве наименее вредными, сухих способов переработки пылящих материалов - мокрыми;

выпуск конечных продуктов в непылящих формах;

замену пламенного нагрева электрическим, твердого и жидкого топлива газообразным;

ограничение содержания примесей вредных веществ в исходных и конечных продуктах;

применение прогрессивной технологии производства (замкнутый цикл, автоматизация, комплексная механизация, дистанционное управление, непрерывность процессов производства, автоматический контроль процессов и операций), исключающей контакт человека с вредными веществами;

выбор соответствующего производственного оборудования и коммуникаций, не допускающих выделения вредных веществ в воздух рабочей зоны в количествах, превышающих предельно допустимые концентрации при нормальном ведении технологического процесса, а также правильную эксплуатацию санитарно-технического оборудования и устройств (отопления, вентиляции, водопровода, канализации);

рациональную планировку промышленных площадок, зданий и помещений;

применение специальных систем по улавливанию и утилизации абгазов, рекуперацию вредных веществ и очистку от них технологических выбросов, нейтрализацию отходов производства, промывных и сточных вод;

применение средств дегазации, активных и пассивных средств взрывозащиты и взрывоподавления;

включение в стандарты или технические условия на сырье, продукты и материалы токсикологических характеристик вредных веществ;

включение данных токсикологических характеристик вредных веществ в технологические регламенты;

применение средств индивидуальной защиты работающих;

специальную подготовку и инструктаж обслуживающего персонала;

проведение предварительных и периодических медицинских осмотров лиц, имеющих контакт с вредными веществами;

разработку медицинских противопоказаний для работы с конкретными вредными веществами, инструкций по оказанию доврачебной и неотложной медицинской помощи пострадавшим при отравлении.

4.1.2.3 Требования к санитарному ограничению содержания вредных веществ в воздухе рабочей зоны

Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны - обязательные санитарные нормативы для использования при проектировании производственных зданий, технологических процессов, оборудования и вентиляции, а также для предупредительного и текущего санитарного надзора.

Содержание в организме вредных веществ, поступающих в него различными путями (при вдыхании, через кожу, через рот), не должно превышать биологических предельно допустимых концентраций (ПДК).

В соответствии с устанавливаемыми ПДК вредных веществ разработаны методы контроля концентрации загрязняющих веществ в воздухе рабочей зоны.[19]

.1.2.4 Оздоровление воздушной среды

Оздоровление воздушной среды достигается снижением содержания в ней вредных веществ до безопасных значений (не превышающих величины ПДК на данное вещество), а также поддержанием требуемых параметров микроклимата в производственном помещении.

Снизить содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны можно, используя технологические процессы и оборудование, при которых вредные вещества либо не образуются, либо. не попадают в воздух рабочей зоны. Например, перевод различных термических установок и печей с жидкого топлива, при сжигании которого образуется значительное количество вредных веществ, на более чистое - газообразное топливо, а еще лучше - использование электрического нагрева.

Большое значение имеет надежная герметизация оборудования, которая исключает попадание различных вредных веществ в воздух рабочей зоны или значительно снижает в нем концентрацию их. Для поддержания в воздухе безопасной концентрации вредных веществ используют различные системы вентиляции. Если перечисленные мероприятия не дают ожидаемых результатов, рекомендуется автоматизировать производство или перейти к дистанционному управлению технологическими процессами. В ряде случаев для защиты от воздействия вредных веществ, находящихся в воздухе рабочей зоны, рекомендуется использовать индивидуальные средства защиты работающих (респираторы, противогазы), однако следует учитывать, что при этом существенно снижается производительность труда персонала.

Движение воздуха достигается за счет использования специальных воздуходувных машин - вентиляторов. Такая система общеобменной вентиляции носит название механической. В ряде случаев, особенно в горячих цехах и помещениях со значительным избытком явной теплоты, может быть использован и другой тип общеобменной вентиляции - естественная. Перемещение воздуха при естественной вентиляции достигается за счет разности температур в производственном помещении и наружного воздуха (холодный воздух вытесняет из помещения теплый), а также в результате действия ветра (ветрового давления). Простейшим способом естественной вентиляции является проветривание помещений через окна, форточки или фрамуги. Кроме того, воздух может поступать в помещение и удаляться из него через различные щели и неплотности стен, окон и т.д. (инфильтрация воздуха). Кроме того, естественная вентиляция производственных помещений может осуществляться с помощью специальных технических приемов: аэрацией и с использованием дефлекторов. Наиболее часто для снижения содержания вредных веществ в воздухе рабочей зоны используется механическая вентиляция, иногда возможно использование вентиляции, состоящей из естественной и механической систем.

Необходимое количество воздуха, подаваемого в помещение для снижения содержания в нем вредных веществ до нормы, может быть определено из выражения:

 (4),

где  - требуемое количество поступающего (приточного) воздуха, м3/ч;  - требуемое количество удаляемого (вытяжного) воздуха, м3/ч;  - концентрация вредного вещества в поступающем воздухе, мг/м3;  - концентрация вредного вещества в удаляемом воздухе, мг/м3; G - выделяющиеся в помещении с внутренним объемом V(м3) вредные пары или газы, мг/ч.

Для удаления вредных веществ у источников их образования служит местная вытяжная вентиляция. Использование устройств местной вытяжной вентиляции практически полностью позволяет удалить пыль и другие вредные вещества из производственного помещения. Устройства местной вентиляции изготавливают в виде отсосов открытого типа и отсосов от полных укрытий.

Отсосы открытого типа находятся за пределами источников выделения вредных веществ. Это вытяжные зонты, вытяжные панели, бортовые отсосы и другие устройства.

Отсосы от полных укрытий - это вытяжные шкафы, кожухи и вытяжные камеры, а также ряд других устройств, внутри которых находятся источники выделения вредных веществ.

Для более эффективного удаления из помещений вредных веществ система общеобменной вентиляции обычно комбинируется с местной.

В производственном помещении ведётся постоянный контроль за содержанием вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Отбор проб на определение этих веществ обычно проводят на рабочем месте на уровне дыхания работающего.

Для контроля запыленности воздуха рабочей зоны могут быть использованы различные методы (фильтрационные, седиментационные, электрические) и др. Весьма перспективны новые методы измерения концентрации пыли в воздухе рабочей зоны с использованием лазерной техники. Наиболее распространен прямой весовой (гравиметрический) метод измерения концентрации пыли в воздухе рабочей зоны. Он заключается в отборе всей находящейся в зоне дыхания пыли на специальные аэрозольные фильтры типа АФА ВП. Отбор проб осуществляется с помощью различных аспираторов.

Определение концентрации вредных веществ, присутствующих в воздухе в виде паров и газов, может также осуществляться различными методами, например с использованием переносных газоанализаторов типа УГ-1 или УГ-2.

Ниже Рассмотрены основные индивидуальные средства защиты, предназначенные для защиты органов дыхания человека от вредных веществ, находящихся в воздухе рабочей зоны. Указанные средства защиты делятся на фильтрующие и изолирующие.

В фильтрующих устройствах вдыхаемый человеком загрязненный воздух предварительно фильтруется, а в изолирующих - чистый воздух подается по специальным шлангам к органам дыхания человека от автономных источников. Фильтрующими приборами (респираторами и противогазами) пользуются при невысоком содержании вредных веществ в воздухе рабочей зоны (не более 0,5% по объему) и при содержании кислорода в воздухе не менее 18%. Респираторы предназначены для защиты человека от пыли и делятся на фильтр-маски, в которых закрывающая лицо человека маска является одновременно фильтром, и патронные, в которых лицевая маска и фильтрующий элемент разделены.

Один из наиболее распространенных отечественных респираторов - бесклапанный респиратор ШБ-1 «Лепесток» - предназначен для защиты от воздействия мелкодисперсной и среднедисперсной пыли. Различные модификации «Лепестка» применяются для защиты от пыли, если ее концентрация в воздухе рабочей зоны в 5-200 раз превышает величину ПДК.

Промышленные фильтрующие противогазы предназначены для защиты органов дыхания от различных газов и паров. Они состоят из полумаски, к которой подведен шланг с загубником, присоединенный к фильтрующим коробкам, наполненным поглотителями вредных газов или паров. Каждая коробка в зависимости от поглощаемого вещества окрашена в определенный цвет.

Таблица 9

Характеристика фильтрующих коробок промышленных противогазов

Изолирующие противогазы применяются в тех случаях, когда содержание кислорода в воздухе менее 18%, а содержание вредных веществ более 2%. Различают автономные и шланговые противогазы. Автономный противогаз состоит из ранца, наполненного воздухом или кислородом, шланг от которого соединен с лицевой маской. В шланговых изолирующих противогазах чистый воздух подается по шлангу в лицевую маску от вентилятора, причем длина шланга может достигать нескольких десятков метров.

.1.3 Создание требуемых параметров микроклимата в производственных помещениях

Для создания требуемых параметров микроклимата в производственном помещении применяют системы вентиляции и кондиционирования воздуха, а также различные отопительные устройства. Вентиляция представляет собой смену воздуха в помещении, предназначенную поддерживать в нем соответствующие метеорологические условия и чистоту воздушной среды.

Вентиляция помещений достигается удалением из них нагретого или загрязненного воздуха и подачей чистого наружного воздуха. Поскольку в данной главе рассматриваем системы вентиляции, предназначенные для обеспечения заданных метеорологических условий, рассмотрим общеобменную вентиляцию, которая осуществляет смену воздуха во всем помещении. Другие типы вентиляции рассмотрены далее.

Общеобменная вентиляция предназначена для поддержания требуемых параметров воздушной среды во всем объеме помещения. Схема такой системы вентиляции представлена на рис.

Для эффективной работы системы общеобменной вентиляции при поддержании требуемых параметров микроклимата количество воздуха, поступающего в помещение (Lпр), должно быть практически равно количеству воздуха, удаляемого из него (Lвыт).

Рисунок 27. Схема общеобменной вентиляции (стрелками показано направленние движения воздуха).

Количество приточного воздуха, требуемого для удаления избытков явной теплоты из помещения (Qизб> кДж/ч), определяется выражением:

 (5),

где:  - требуемое количество приточного воздуха, м3/ч; С - удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, равная 1 кДж/(кг·град);  - плотность приточного воздуха, кг/м3; tвыт - температура удаляемого воздуха, ˚С;  - температура приточного воздуха, °С.

Для эффективного удаления избытков явной теплоты температура приточного воздуха должна быть на 5-8°С ниже температуры воздуха в рабочей зоне.

Количество приточного воздуха, необходимого для удаления влаги, выделившейся в помещении, рассчитывают по формуле:

 (6),

где  - масса водяных паров, выделяющихся в помещении, г/ч;  - содержание влаги в удаляемом из помещения воздухе, г/кг;  - содержание влаги в наружном воздухе, г/кг;  - плотность приточного воздуха, кг/м3.

При одновременном выделении в производственном помещении паров влаги и избыточной теплоты последовательно проводят расчет по формулам и в качестве искомого результата используют большее из полученных значений.

По способу перемещения воздуха вентиляция может быть как естественной, так и с механическим побуждением, возможно также сочетание этих двух способов. При естественной вентиляции воздух перемещается за счет разности температур в помещении и наружного воздуха, а также в результате ветрового давления (действия ветра). Способы естественной вентиляции: инфильтрация, проветривание, аэрация, с использованием дефлекторов.

При механической вентиляции воздух перемещается с помощью специальных воздуходувных машин-вентиляторов, создающих определенное давление и служащих для перемещения воздуха в вентиляционной сети. Чаще всего на практике используют осевые и радиальные вентиляторы.

По месту действия вентиляция бывает общеобменной и местной. Общеобменная вентиляция обеспечивает поддержание требуемых параметров воздушной среды во всем объеме помещения, а местная - в определенной его части.

Воздух, всасываемый вентиляторами из атмосферы, после очистки и подогрева поступает в специальные каналы, называемые воздуховодами, и разводится по производственному помещению. Такая вентиляция называется приточной. Нагретый воздух из помещения, содержащий водяные пары, отводится из помещения с помощью системы вытяжной вентиляции.

Приточная и вытяжная ветвь вентиляции могут быть объединены, в этом случае система вентиляции называется приточно-вытяжной. Большое распространение на практике получила приточно-вытяжная вентиляция с рециркуляцией воздуха. Для нее характерно использование части воздуха, удаляемого из помещения и прошедшего очистку в системе приточной вентиляции. При этом рециркулирующий воздух разбавляется частью свежего воздуха, поступающего из атмосферы. Использование такой системы вентиляции позволяет снизить расходы на очистку воздуха, поступающего из атмосферы, и на его нагрев в холодное время года.

Как уже сказано выше, для создания требуемых параметров микроклимата на определенном участке производственного помещения служит местная приточная вентиляция. В отличие от общеобменной приточной вентиляции она подает воздух не во все помещения, а лишь в ограниченную часть.

В настоящее время для поддержания требуемых параметров микроклимата широко применяются установки для кондиционирования воздуха (кондиционеры). Кондиционированием воздуха называется создание и автоматическое поддержание в производственных или бытовых помещениях независимо от внешних метеорологических условий постоянных или изменяющихся по определенной программе температуры, влажности, чистоты и скорости движения воздуха, сочетание которых создает комфортные условия труда или требуется для нормального протекания технологического процесса. Кондиционер - это автоматизированная вентиляционная установка, которая поддерживает в помещении заданные параметры микроклимата. Эксплуатация установок для кондиционирования воздуха обычно дороже, чем вентиляционных систем.

Для поддержания заданной температуры воздуха в помещениях лаборатории в холодное время года используют водяную систему отопления.

В системах водяного отопления в качестве теплоносителя используется вода, нагретая либо до 100°С либо перегретая выше этой температуры. Эти системы отопления наиболее эффективны в санитарно-гигиеническом отношении.

Параметры микроклимата в производственных помещениях контролируются различными контрольно-измерительными приборами. Для измерения температуры воздуха в производственных помещениях применяют ртутные (для измерения температуры выше 0°С) и спиртовые (для измерения температуры ниже 0°С) термометры. Если требуется постоянная регистрация изменения температуры во времени, используют приборы, называемые термографами. Например, отечественный прибор - термограф типа М-16 - регистрирует изменение температуры за определенный период (сутки или неделю). Существуют и другие устройства для измерения температуры воздуха, например, термопары.

Для измерения относительной влажности воздуха используются приборы, называемые психрометрами и гигрометрами, а для регистрации изменения этого параметра во времени служит гигрограф.

Простейший психрометр - это устройство, состоящее из сухого и влажного термометров. У влажного термометра резервуар обернут гигроскопической тканью, конец которой опущен в стаканчик с дистиллированной водой. Сухой термометр показывает температуру воздуха в производственном помещении, а влажный - более низкую температуру, так как испаряющаяся с поверхности влажной ткани вода отнимает тепло у резервуара термометра. Существуют специальные переводные психрометрические таблицы, позволяющие по температурам сухого и влажного термометров определять относительную влажность воздуха в помещении.

Более сложным по конструкции, но и более точным является так называемый аспирационный психрометр, который также состоит из сухого и влажного термометров, помещенных в металлические трубки и обдуваемых воздухом со скоростью 3-4 м/с, в результате чего повышается стабильность показаний термометров и практически устраняется влияние теплового излучения. Определение относительной влажности осуществляется также с использованием психрометрических таблиц. Аспирационные психрометры, например МВ-4М или М-34, могут быть использованы для одновременного измерения в помещении температуры воздуха и относительной влажности.

Другим устройством для определения относительной влажности служит гигрометр, действие которого основано на свойстве некоторых органических веществ (органических мембран, человеческого волоса) удлиняться во влажном воздухе и укорачиваться в сухом. Измеряя деформацию чувствительного элемента (мембраны или волоса), можно судить о величине относительной влажности в производственном помещении. Гигрографы записывают изменения величины относительной влажности как функцию времени. Примером такого гигрографа может служить прибор типа М-21, который осуществляет суточную или недельную запись регистрируемого параметра.

Скорость движения воздуха в производственном помещении измеряется приборами - анемометрами.

Работа крыльчатого анемометра основана на изменении скорости вращения специального колеса, оснащенного алюминиевыми крыльями, расположенными под углом 45° к плоскости, перпендикулярной оси вращения колеса. Ось колеса соединена со счетчиком оборотов. При изменении скорости воздушного потока изменяется и скорость вращения колеса, т. е. увеличивается (уменьшается) число оборотов за определенный промежуток времени. По этой информации можно определить скорость воздушного потока.

Крыльчатые анемометры рекомендуется применять для измерения скорости воздушного потока в интервале 0,4-10 м/с, при скоростях 1-35 м/с применяются чашечные анемометры, в которых крылья заменены чашечками. Примером крыльчатого анемометра служит прибор АСО-3 тип Б, чашечного - тип МС-13.

Существуют и другие приборы для измерения скорости движения воздуха: шаровые или цилиндрические кататермометры и термоанемометры.

Интенсивность теплового излучения в отечественной практике измеряют актинометрами, действие которых основано на поглощении теплового излучения и регистрации выделившейся тепловой энергии. Простейший тепловой приемник - термопара. Она представляет собой электрический контур из двух проволок, изготовленных из различных материалов (как металлов, так и полупроводников), например медь-константан, серебро-палладий, серебро-висмут, висмут-сурьма, вольфрам-рений и др. Две проволоки из различных материалов сваривают или спаивают между собой. Тепловое излучение нагревает один из спаев двух проволок, в то время как другой спай служит для сравнения и поддерживается при постоянной температуре (Т0). Электрическая схема термопары представлена на рисунке 27.

Рисунок 28. Термопара, состоящая из материала А и В

Две проволоки из материалов А и В составляют электрический контур. При нагреве одного из спаев тепловым излучением до температуры Т возникает термоЭДС VAB, величина которой измеряется вольтметром. ТермоЭДС в большом интервале температур прямо пропорциональна разности Т- Т0 (где, Т0 - температура холодного слоя термопары):

 (7),

Величина  носит название коэффициента Зеебека для веществ А и В. Этот эффект называют термоэлектрическим или эффектом Зеебека в честь его открывателя (1821 г.). Иногда п термопар соединяют между собой последовательно, получая при этом термоэлектрическую батарею. ТермоЭДС и соответственно чувствительность этого прибора в п раз выше, чем у обычной термопары, что позволяет измерять тепловое излучение малой интенсивности.

В основу промышленных приборов для измерения интенсивности теплового излучения - актинометров - положен принцип термоэлектрической батареи. Чувствительный элемент актинометра состоит из алюминиевой пластинки, на которой в шахматном порядке расположены зачерненные и блестящие секции. Зачерненные полоски интенсивно поглощают тепловое излучение, а блестящие отражают его, поэтому первые из них нагреваются значительно сильнее, чем вторые. Положительные спаи термопар, соединенные между собой последовательно присоединены к зачерненным полоскам алюминиевой фольги и нагреваются под воздействием теплового излучения значительно сильнее, чем отрицательные спаи, присоединенные к блестящим полоскам. Под воздействием разности температур возникает термоЭДС, которая измеряется чувствительным прибором, отградуированным в единицах тепловой радиации (Вт/м2).

При отклонении параметров микроклимата от величин, создающих комфортные условия, большое значение имеет правильный выбор спецодежды. При работе в помещениях с пониженной температурой воздуха необходимо использовать утепленную спецодежду. Для персонала, занятого в горячих цехах, используют спецодежду, изготовленную из материалов с низкой теплопроводностью. [20]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

-        способ электроимпульсной дезинтеграции металлических руд за счет эффекта избирательного электрического пробоя по металлическим включениям обеспечивает высокую селективность разрушения руды с высокой степенью раскрытия включений металла и его сохранностью от размазывания по поверхности частиц вмещающей породы

         обеспечивает высокую селективность электроимпульсного разрушения многокомпонентных сред, проявляющуюся в улучшении раскрытия зерен полезных минералов с минимальным их разрушением

         раскрытие включений металла происходит на более ранних стадиях измельчения руды, что снижает затраты на измельчение, а главное, позволяет использовать для выделения металла гравитационный способ обогащения

         дезинтеграция проходит, главным образом, по границам минеральных зерен, поэтому минеральные индивиды, в том числе сложной формы, максимально высвобождаются от сопутствующих минералов

         раскрытие зерен минералов без разрушения, ошламования и размазывания отличающихся особой пластичностью минералов по зернам пустой породы приводит к обогащению полезными компонентами определенных узких фракций продукта, создавая в том числе и возможность обогащать продукт операцией выделения определенного класса крупности продукта

         в сравнении с традиционными способами электроимпульсная дезинтеграция существенно снижает выход тонких классов, а вскрытый металл не переизмельчается и концентрируется в более высоком классе крупности, соответствующем исходной крупности включений. Этим создается возможность использования более прогрессивного гравитационного способа обогащения. Поскольку часто крупность зерен полезных ископаемых находится в достаточно узком интервале размеров, их раскрытие без разрушения создает дополнительную возможность поднять эффективность обогащения таких типов руд.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.   Сулакшин С.С. «Основы теории разрушения горных пород и удаления продуктов разрушения при бурении скважин». - Томск: Изд-во Томск. Ун-та, 1964. - 264 с.

2.      Суханов А.Ф., Кутузов Б.Н. «Разрушение горных пород». - М.: Недра, 1967. - 340 с.

.        Ржевский В.В., Потапов Ю.И. «Электрические разрушения горных пород». - М.: Недра, 1972. - 206 с.

.        Емелин М.А., Морозов В.Н., Новиков Н.П., Протасов Ю.И. «Новые методы разрушения горных пород». - М.: Недра, 1990. - 240с.

.        Сёмкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. «Основы электроимпульсного разрушения материалов». - Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1995. - 276 с.

.        Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А. «Электроимпульсная дезинтеграция материалов». - Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2002. - 324 с.

.        Зайцева М.Л. и др. Исследование сорбционных свойств углистых веществ при цианировании золотых руд / Зайцева М.Л., Ивановский М.Д., Ларина Н.К. //Цветные металлы. - 1973. - № 1. - С. 77-79.

.        Сыртланова Т.С. Исследование процессов вскрытия и выщелачивания золота из упорных арсенопиритных концентратов: Автореф. дис. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. М., 1980. - 25 с.

9.      Шуй Р.Т. Полупроводниковые рудные минералы. Р.Т. Шуй. Л.: Недра, 1979. - 228 с.

.        Сафронов В.Н. Электроимпульсное разрушение и обработка твердых тел - эффективный путь реализации вторичных ресурсов в технологии производства строительных материалов и изделий», Чимкент, 1986. - С.288-289.

.        В.И. Курец, А.Ф. Усов, В.А. Цукерман, 2008 УДК 622. 026.01 Семинар №3/ Перспективы Электроимпульсной Дезинтеграции В Технологии Добычи Драгоценных Металлов Из Руд Коренных Месторождений 53-59c.

.        Усов А.Ф., Цукерман В.А. Энергетические аспекты электроимпульсной дезинтеграции для раскрытия тонкой вкрапленности /VI Конгресс обогатителей стран СНГ, 28-30 марта 2007 г. Сборник материалов, том 1. - М.: Альтекс, 2007. - С. 235-236.

.        Усов.А.Ф., Ракаев А.И. Электроимпульсное дробление и разупрочнение руд и материалов // Обогащение руд. 1989. № 4. С. 42-43.

.        Усов А.Ф., Цукерман В.А УДК 622.026.01 Семинар №25. Научно-инновационный потенциал электроимпульсного способо дезинтеграции для переработки минерального сырья 378с.

.        Методы минералогических исследований Справочник. М.: Недра. 1985. - С. 149.

.        Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. Химия непереходных элементов. Часть 3. -М.: Мир, 1969. - 496 с.

.        Охрана труда и техника безопасности в практической деятельности субъектов Республики Казахстан/Сост. В. И. Скала. - Алматы.: «LЕМ», 2002.- 276 с.

.        Охрана труда: Справочник. Э.А. Арустамов - Москва.: 2008. - 53с.

.        ГОСТ 12.1.007-76 ССБТ "Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности"

.        Экология и безопасность жизнедеятельности. Л.А. Муравей - Москва.: ООО "ИЗДАТЕЛЬСТВО ЮНИТИ-ДАНА", 2000. - Глава 15, 93-126с.