• Выпуски
  • Основные выпуски
  • Приложения
• Авторам
  • Правила публикации статей
  • Технические требования
  • Оплата
  • Лицензионный договор
  • График публикаций
• Редакционный совет
• Публикационная этика
• О журнале
  • Общая информация
  • Список авторов
  • Контакты
• Издательство МЦИТО

Редакционно-издательские услуги Международные публикации Бесплатные вебинары

Александрова Татьяна Николаевна,доктор технических наук, заведующая кафедрой ОПИ, Национальный минеральносырьевой университет Горный», г. СанктПетербург.

igd@rambler.ru

Николаева Надежда Валерьевна,кандидат технических наук, доцент кафедры ОПИ, Национальный минеральносырьевой университет Горный», г. СанктПетербург.nadegdaspb@mail.ru

Ромашев Артем Олегович,кандидат технических наук, ассистент кафедры ОПИ, Национальный минеральносырьевой университет Горный», г. СанктПетербург.art3m@mail.ru

Исследование изменения удельной поверхности апатитонефелиновой руды в процессе ее измельчения

Аннотация. В статье представлены результаты исследования удельной поверхности апатито –нефелиновой руды. На основании рассмотрения апатитонефелиновой руды как бинарной смеси получено удовлетворительное соответствие между значениями измеренной удельной поверхности материала и его гранулометрическим составом содержанием класса –0,04  0 мм.По содержанию класса –0,04  0 мм, определенному ситовым анализом, можно предложенным способом рассчитывать удельную поверхность апатитонефелиновой руды различных типов. Знание удельной поверхности позволяет более обоснованно корректировать технологические процессы например, флотационные.Ключевые слова: удельная поверхность, измельчение, апатитонефелиновая руда, гранулометрическая характеристика.

Получение высокосортных апатитовых концентратов сопряжено с необходимостью применения развитых стадиальных технологических схем, что для большинства месторождений и рудопроявлений представляет значительные трудности, связанные с географическим положением сырьевых источников и перерабатывающих предприятий.При переработке апатитсодержащих руд основным технологическим процессом является флотация. Поиск новых технологических решений при переработке и использованию данного вида сырья позволяет вводить в оборот объекты с достаточно низким содержанием P2O5[1].

Измельчение материала, как подготовительный процесс для последующей технологии обогащения руды,должно обеспечить оптимальные условия контакта с флотореагентами. Частично сорбция реагентов может проходить при образовании трещин, по которым раствор реагентов достигнет поверхности частицы.

Измельчение не есть просто изменение размеров частиц: это сложный физикохимический процесс увеличениястепени дисперсности, которое приводит к увеличениюпотенциальной энергии вещества, повышения его химической активности.Измельченные минералы представляют собой свободнодисперсные системы, обладающие огромными удельными поверхностями, при этом энергию единицы поверхности принято характеризовать коэффициентом поверхностного натяжения , а изменение удельной поверхностной энергии описывать уравнением термодинамики Гиббса [2].Знание удельной поверхности измельченной руды позволяет корректировать и прогнозировать технологические режимыфлотации, основного метода обогащения данного типа руд.При закреплении флотореагентов происходит гетерогенный процесс химической сорбции и адсорбции собирателей, реагентов регуляторов и пенообразователей.Стадии гетерогенного процесса флотации можно разделить на макростадии массоперенос и микростадии адсорбция и собственно химическая реакция. Макростадии описываются физическими законами переноса вещества например, закон Фика, микростадии подчиняются законам адсорбции и уравнениям химической кинетики, адаптированным к условиям гетерогенных реакций. В частности, скорость хемосорбции флотореагентов обычно выражают через поверхностных концентраций число молей реагентов, отнесенных к поверхности минерала:,



(1)где А и В –исходное вещество и продукт хемосорбции соответственно; NAи NB− число молей этих веществ; А, В− стехиометрические коэффициенты, S− площадь поверхности на единицу массы удельная поверхность. Если перенос вещества осуществляется по закону Фика, то



(2)где FA–мольный поток вещества А, моль/с через поверхность S, м2; –градиент концентрации вещества А по направлению нормали к реакционной поверхности, моль/м4; Dэ–эффективный коэффициент молекулярной диффузии, м2/с[36].Таким образом, оценка крупности продукта измельчения через величинувновь образованной поверхности является важным показателем, позволяющим прогнозировать процессы обогащения, причем для продуктов тонкого и сверхтонкого помола этот показатель вообще являетсяединственно возможным.Крометого, величина удельной поверхности обогащаемой руды или отдельных ее компонентов оказывает существенное, а в ряде случаев определяющее влияние на протекание технологических процессов сгущения, фильтрации и др.[7].При определении расчетной удельной поверхности какоголибо продукта в первом приближении принимают, что все частицы, входящие в данный узкий его класс, имеют правильную геометрическую форму ихарактеризуются некоторым средним размером. Тогда для частиц кубической или сферической формы





(3)где S

удельная поверхность, м2/г ; 6 коэффициент формы; dсредний размер частиц, мкм; δ –плотность материала, г/см3. Подобный расчет справедлив для узкоклассифицированного материала. В случае широкого диапазона крупности отдельно определяется доля удельной поверхности Si, приходящейся на узкий класс с выходом γiв долях единицы и средним размером di. Тогда общая расчетная удельная поверхность находится суммированием по классам (4)При описанном расчете удельной поверхности по данным ситового анализа не учитывается действительная форма частиц, обычно отличающихся от кубической или сферической, шероховатость поверхности, наличие трещин и пор.

Поэтому для более глубокого анализа гранулометрического состава исследуемых материалов и уточненного расчета удельной поверхности частиц, с учетом коэффициента формы, проводилась обработка полученных данных с использованием методикирасчета удельной поверхности частиц на основе интерпретации данных гранулометрических характеристик, описанной авторами Бойко В.Ф. и Мельниковой Т.Н.[6 ].Сущность методики заключалась в следующем: обобщали размеры частиц –выбирали единую горизонтальную ось координат и переводили гистограммы исследуемых проб в функции плотностей распределения путем деления значения ординат на безразмерный шаг класса частиц. В свою очередь шаг класса частиц определяется исходя из того, что за максимальный размер частиц для любой гистограммы принимается число 11. Размер частиц вычисляется по формуле

(5)где dразмер частиц; d maxразмер наибольшей частицы;11число классов частиц.Соответственно безразмерный шаг класса частиц в общем случае можно найти по формуле



(6)где i –номер класса.В случае когда шаг класса оказывается на порядок меньше единицы, проводится обьединение классов частиц, а их максимальный размер принимается таким образом, чтобы функция плотности распределения в правой крайней точке была близка к нулю.В процессе регресионной обработки в качестве функции преобразования использовано универсальное выражение:



(7)где f(x)–нормированная функция плотности распределения объема частиц; a, b, c, d –постоянные, определяемые в результате статистической обработки экспериментального массива данных банка гистограмм.Зная выражение для функции плотности распределения свобододисперсных частиц, можно с точностью до постоянного коэффициента получить выражение плотности вероятности частиц



(8)где x3безразмерный объем отдельной частицыДалее можно записать выражение удельной поверхности, например для гладких частиц круглой и кубической формы:



(9)гдеx2

безразмерная площадь поверхности отдельной частицы; шаг класса; F(x) –функция распределения дисперсного материала; x[0,11].Если в верхнем пределе x заменить на 11, то можно перейти к выражению полной удельной поверхности свободнодисперсного материала



(10)Наконец, обозначая собственный интеграл в выражении 10 как некоторый постоянный для данного закона распределения коэффициент удельной поверхности Куд, получим

(11)где dсрсреднеарифметическое значение диаметра, dcp= 5,5;6/dcpудельная поверхность монодисперсных материалов.Для частиц, по форме близких к пластинам, выражение 11 перепишется в виде





(12)где φотношение наименьшего размера пластины к наибольшему.В общем случаебудем иметь







(13)где Кфкоэффициент формы.Таким образом, если будет известен закон распределения частиц с достаточной для инженерной практики точностью, то удельная поверхность полидисперсных материалов может быть рассчитана по приведенной методике.Измерения удельной поверхности продуктов измельчения апатитонефелиновой рудыпроводились адсорбционным методом. Значения удельной поверхности различных классов крупности текущей и бедной апатитонефелиновой руды, подвергнутой дроблению на валках до крупности –6  0 мм приведены в табл. 1и 2. рассчитывались значения коэффициента формы выхода классов определялись по характеристикам крупности соответствующих продуктов. Таблица 1Удельная поверхность различных классов крупности текущей апатитонефелиновой руды после дробления на валках, крупность материала 60 ммКласс крупности, ммУдельная поверхность, м2/гКоэффициент формы Кфизмереннаярассчитанная3+11+0,50,5+0,20,2+0,0710,071+0,040,040,4720,5430,4810,4920,6741,820,00100,00270,00570,01480,03600,100047220184,533,218,720,8

Таблица 2Удельная поверхность различных классов крупности бедной апатитонефелиновой руды после дробления на валках, крупность материала 60 ммКласс крупности, ммУдельная поверхность, м2/гКоэффициент формы Кфизмереннаярассчитанная3+11+0,50,5+0,20,2+0,0710,071+0,040,040,1800,1780,1620,1940,2730,7420,00100,00270,00570,01480,03600,100018066,028,413,17,67,4Анализ результатов позволяет установить следующие особенности руды:1.Высокие значения удельной поверхности суммарного продукта дробления (6  0 мм и крупных фракций, особенно для текущей руды.2.Высокие значения коэффициента формы Кф.3.Уменьшение величины Кфс уменьшением крупности руды.4.Практическое постоянство значений измеренной удельной поверхности для крупных классов возрастают значения поверхности для классов –0,071  0,04 мм и –0,04 мм.5.Существенные отличия в величине удельной поверхности текущей и бедной апатитонефелиновой руды.Для проверки возможного влияния загрязнения поверхности руды глинистыми или пылевидными частицами были проведеныпараллельные определения образцов исходной руды и аналогичных, но подвергнутых тщательнойпредварительной промывке водой на сите 140 мкм табл. 3и 4). Таблица 3Влияние промывки на удельную поверхность текущей апатито нефелиновой руды Класс крупности, ммМатериалУдельная поверхность, м2/г3+13+10,5+0,20,5+0,2непромытыйпромытыйнепромытыйпромытый0,4720,4570,4810,465

Таблица 4Влияние промывки на удельную поверхность бедной апатито нефелиновой руды Класс крупности, ммМатериалУдельная поверхность, м2/г3+13+10,5+0,20,5+0,2непромытыйпромытыйнепромытыйпромытый0,1800,1890,1620,152

Разница значений удельной поверхности находится в пределах ошибки определения около 5%, что свидетельствует об отсутствии загрязнения руды тонкими посторонними частицами, которые могли бы вносить искажения в величины измеренной удельной поверхности.Измеренные нами величины удельной поверхности 0,085 –0,091 м2/г чистых минералов, аналогичных по истинной плотности исследуемой руде кварц –104 + 80 мкм, апатит Забайкалье –100  80 мкм, примерно в 5 раз ниже, чем для бедной руды. Очевидно, исследуемая апатитонефелиновая рудаимеет некоторое количество микротрещин и пор, что и приводит к значительному повышению коэффициента формы Кф  до 201 –472 и 66 –180 соответственно для крупных фракций текущей и бедной руды. Это подтверждается данными минералогического анализа, по которым основная масса руды представлена нефелином и апатитом плотные минералы, однако по трещинам нефелина выявлено наличие цеолитизации и шпреуштейнизации поверхностного разрушения основных минералов. Природные цеолиты имеют поры размером порядка 5 –10 мкм и огромную удельную поверхность порядка нескольких сотен м2/г. Поэтому даже незначительная поверхностная цеолитизация может существенно повысить величину удельной поверхности, что и происходит в нашем случае.Постоянство значений удельной поверхности более крупных фракций, видимо, связано с одинаковой цеолитизацией этих классов. Повышение удельной поверхности тонких фракций, в основном, связано с увеличением в них содержания цеолитов, поскольку измеренная удельная поверхность сильно возрастает, а с увеличением рассчитанной поверхности сравнительно невелико см. табл. 1 и 2). Ввиду отсутствия данных распределения материала по крупности внутри класса –40  0 мкм, полностью обоснованный вывод сделать невозможно. Однако расчет по формуле 1 показывает, что средний размер частицы этого класса составляет для текущей руды около 1 мкм, а для бедной руды около 3 мкм. Очевидно, что эти данные отражают не крупность самих частиц, а размер зерен в пористых агрегатах, либо являются некоторыми средневзвешенными значениями.В таблицах5и 6приведены данные, характеризующие изменение удельной поверхности тонкого класса руды 0,04  0 мм в процессе измельчения.

Таблица 5Удельная поверхность класса 0,04 мм текущей апатито нефелиновой руды из различных продуктов ее измельченияСодержание класса 0,04 мм в измельченном материале, %Удельная поверхность, м2/г1,211,823,439,0550,11,821,921,621,421,35

Таблица 6Удельная поверхность класса 0,04 мм бедной апатито нефелиновой руды из различных продуктов ее измельченияСодержание класса 0,04 мм в измельченном материале, %Удельная поверхность, м2/г1,8510,822,849,30,7421,0300,9651,050

Для бедной руды значения удельной поверхности мало изменяются, что свидетельствует о постоянстве перехода различных структурных элементов материала в мелкую фракцию. Для текущей руды характерно постепенное уменьшение поверхности тонкого класса. Однако значение исходной поверхности не слишком велико, и более обоснованным выглядит следующий механизм. Разрушение зерен при измельчении происходит по наиболее слабым сечениям, где имеются трещины и поры, по которым развивается цеолитизация. Таким образом, в начальный период измельчения тонкий класс обогащается цеолитами, что и вызывает рост удельной поверхности. В дальнейшем тонкий класс разубоживается более крупным материалом, содержащим меньше микротрещин и пор, труднее измельчаемым и имеющим меньшую поверхность, что и приводит к общему снижению удельной поверхности.Уменьшение коэффициента формы с уменьшением класса крупности соответствует данным, согласно которым в соответствии с теорией мозаичного строения кристаллов следует ожидать, что большинство реальных кристаллов должны иметь мелкоблоковую структуру, либо сочетание мелкои крупноблоковых структур. В этом случае величина коэффициента Кф будет зависеть от размера частиц и должна уменьшаться по мере измельчения и приближения размера частицы к размерам мелкого блока. В пределе для очень тонких частиц коэффициент Кф станет постоянными не зависящим от размера частиц.Следует отметить, что тонкий класс 0,04  0 мм текущей руды, измельченной до 10 –12 % 0,04 мм, вследствие относительно высоких значений удельной поверхности может обладать несколько аномальными технологическими свойствами например, сорбировать значительную часть флотореагентов. Целесообразно исследовать поведение этого материала при флотации апатитонефелиновой руды, что может привести к определенным рекомендациями по совершенствованию технологии процесса. Существенная разница в значениях удельной поверхности текущей и бедной руды может сказаться на технологических флотационных свойствах последней. Таким образом, технологический режим для бедной руды может подвернуться корректировке.Данные, приведенные в табл. 1и 2показывают, что удельная поверхностькласса –0,04  0 мм заметно отличается от значений удельной поверхности остальных классов, которые близки между собой. Таким образом, апатитонефелиновую руду текущую и бедную можно представить как бинарную смесь материала –0,04  0 мм и материала  0,04 мм с существенно различными значениями поверхности. Для таких смесей разработана методика оценки состава по значениям удельной поверхности. Указанную методику можно применить и для определения удельной поверхности по известному составу смеси.С целью исследования возможности подобной оценки нами были составлены для текущей и бедной апатитонефелиновой руды синтетической смеси различного состава, и измерена их удельная поверхность. Материал –0,04  0 мм рассматривался нами как первый компонент, материал 0,04 мм как второй компонент. Соотношение удельных поверхностей компонентов для текущей руды составляет 2,8, а для бедной руды 5,8, что обеспечивает определение состава смеси при вариации содержания тонкого класса 2,9 92,3 % в текущей руде и1,1–93,8 % в бедной руде.Экспериментальные данные были представлены в виде графиков:удельная поверхность –состав смеси содержание класса –0,04 мм”, рис. 1 и 2, и состав смеси –удельная поверхность”, см. рис. 3и 4. Если задаваться известными значениями состава бинарной смеси β1содержание класса –0,04 мм, то удельную поверхность смеси можно рассчитать, зная удельные поверхности компонентов S1и S2 (S1� S2 по формуле: (14)Зависимость будет линейной, причем при β1=0 Sсм = S2, а при β1=1 (100%) Sсм = S1.Состав смеси по измеренным значениям поверхности можно рассчитать по формуле: (15)Эта зависимость также будет линейной. На всех рис. 1–4 заштрихована некоторая область, в которую могут попадать экспериментально точки вследствии допустимых ошибок метода измерения удельной поверхности 5 %, а также допустимая область ошибок определения состава смеси, при которых максимальная ошибка определения поверхности соответствует точности метода.

Рисунок 1. Зависимость удельной поверхности Sудизмельченной руды от содержания в ней класса 0,04 мм текущая апатитонефелиновая руда

1 –теоретическая кривая,

2 –границы возможных отклонений значений Sудот теоретической кривой, экспериментальные значения удельной поверхности для синтетической смеси, то же для продукта измельчения.

Рисунок 2. Зависимость удельной поверхности Sудизмельченной руды от содержания в ней класса 0,04 мм бедная апатитонефелиновая руда

1 –теоретическая кривая,

2 –границы возможных отклонений значений Sудот теоретической кривой, экспериментальные значения удельной поверхности для синтетической смеси, то же для продукта измельчения.

Рисунок 3. Зависимость содержания класса 0,04 мм β  в руде от ее удельной поверхности текущая апатитонефелиновая руда

1 –теоретическая кривая,

2 –границы допустимых вариаций значений β, экспериментальные значения βдля синтетической смеси, то же для продукта измельчения.

Рисунок 4. Зависимость содержания класса 0,04 мм β ) в руде от ее удельной поверхности бедная апатитонефелиновая руда

1 –теоретическая кривая,

2 –границы допустимых вариаций значений β, экспериментальные значения βдля синтетической смеси, то же для продукта измельчения.

На рисунках все точки, соответствующие синтетическим смесям, лежат внутри области допустимых погрешностей измерения.Для проверки описанной методики расчета были проведены измерения удельной поверхности продуктов измельчения текущей и бедной апатитонефелиновой рудыс известным содержанием класса –0,04 мм. На основании приведенных данных можно сделать заключение об удовлетворительном соответствии значений удельной поверхности и гранулометрического состава содержания класса –0,040 мм текущей и бедной апатитонефелиновой руды. Таким образом, для определенных типов апатитонефелиновой руды по известному содержанию фракции –0,04  0 мм возможно расчетным путем определить значение полной удельной поверхности измельченного материала. Значение удельной поверхности измельченной руды позволяет более полно оценить ее технологические свойства и корректировать технологические режимы например, расход флотореагентов.

Ссылки на источники1.Александрова Т.Н., Литвинова Н.М., М.А. Гурман М.А., Александров А.В. Проблемы комплексного использования апатитсодержащего сырья// ФТРПРПИ, 2012,№6,с.126134.2.Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1982.3.W. J. Trahar. A Rational Interpretation of Role of Partical Size in Flotation, International Journal of Mineral Processing, 1981, No.8, pp. 289327.4.J.Rubio, F. Capponi, E. Matiolo. Flotation of sulphides ore fines and ultrafines particles. , IMPC 2006 Proceedings of 23rd International Mineral Processing Congress. Istanbul; Turkey, 2006, pp. 587592.5.K. W. Stockelhuber, B. Radoev, A. Wenger and H. J. Schueze. Rupture of Wetting Films Caused by Nanobubbles. Langmuir. Volume20, Issue1, 6 January2004, pp. 164168.6.Мельникова Александрова Т.Н., Ятлукова Н.Г., Литвинова Н.М. Механоактивация в процессах рудоподготовки. Горный журнал. 2006. № 6. с. 95.7.Бойко В.Ф., МельниковаАлександрова Т.Н. Природнотехногенные свободнодисперсные системы. Происхождение. Эволюция. Федер. агентство по образованию, Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования "Хабар. гос. техн. унт". Хабаровск. Издво ХГТУ. 2005, стр. 179.

Tatyana Aleksandrova,Head of mieral proceig departmet, Natioal Uiverity of mieral reource Miig», SaitPetersburg. igd@rambler.ruNadezda Nikolaeva,Associate Profeor of mieral proceig departmet, Natioal Uiverity of mieral reource Miig», SaintPetersburg.

nadegdaspb@mail.ruArtyom Romashev,Assistant of mineral processing department, National University of mieral reource Miig», SaitPetersburg. art3m@mail.ruStudy of changes in the specific surface of apatitenepheline ore during its grindingAbstract. The paper presents the results of a study of the specificsurface apatite nepheline ore. Based on consideration of apatitenepheline ore as a binary mixture was obtained satisfactory agreement between the measured values of the specific surface of the material and its particle size distribution (class content 0.04 + 0 mm). According to the content class 0.04 + 0 mm defined by sieve analysis, the proposed method can calculate the specific surface apatitenepheline ore types. Knowledge of the specific surface area allows more reasonably correct processes (eg, flotation).Keywords: specific surface, grinding, apatitenepheline ore, grading characteristics.