СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ КУСКОВ РУДЫ СКРЫТОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ГРАФИТА
METHOD OF CRYPTOCRYSTALLINE GRAPHITE ORE PIECES CRASHING

Изобретение относится к горнорудной промышленности, к переработке углеродсодержащих минералов и может быть использовано для дробления и измельчения руды скрытокристаллического графита, в частности для получения порошков с пластинчатой формой зерен.
Скрытокристаллические графиты образуют большие залежи сланцеватой руды на Урале и в Сибири. Графитовая залежь образована в результате длительного прогрева. Температура прогрева оценивается в диапазоне от 1250 до 700°С (Еремин Н.И. Неметаллические полезные ископаемые. - М.: Изд. МГУ, 2004).
При механическом измельчении получают требуемые размеры частиц руды скрытокристаллического графита при помощи разрушения на щековых или молотковых дробилках или на шаровых или вибрационных мельницах. При измельчении на молотковых дробилках образуются вытянутые частицы с анизометрией от 3 до 6 (Дмитриева Г.В., Рысс М.А. Опыт применения естественного графита при производстве электродных масс для самоспекающихся электродов. - Сборник трудов ЧЭМК, вып.4. - М.: Металлургия. - 1975. - с.203-212). Способ наиболее близок к заявляемому изобретению (прототип).
Недостатком способа механического измельчения является произвольная ориентация кусков при внешнем силовом воздействии, разрушение осуществляется вдоль и поперек направлений сланцеватости, что не позволяет использовать возможности материала, связанные со слоистой структурой. Кроме того, в процессе механического разрушения частицы графита расслаиваются от деформаций смятия при истирающих и раскалывающих воздействиях мелющих тел.
Известен способ измельчения рудного скрытокристаллического графита в результате термической обработки при 900-2500°С. Измельчение происходит естественным путем, от исходных размеров в интервале 300 мм до 0,5 мм до менее 40 мм. Способ использован для получения крупной фракции наполнителя при производстве электродных материалов (Дмитриева Г.В., Рысс М.А. Опыт применения естественного графита при производстве электродных масс для самоспекающихся электродов. - Сборник трудов ЧЭМК, вып.4. - М.: Металлургия. - 1975. - с.203-212) (аналог).
Недостатком данного способа разрушения рудного графита является использование высокотемпературного нагрева при температурах, сравнимых или выше температуры прогрева при породообразовании. Это вызывает неравномерные усадки и растрескивания от изменения параметров кристаллической решетки графита и его химического взаимодействия с минеральными включениями. Растрескивание вдоль сланцеватости приводит к снижению прочности и самоизмельчению под действием незначительных внешних воздействий, но полного разрушения на анизометричные чешуйчатые частицы не происходит.
Известен способ разрушения горных пород методом разрыва в результате резкого сброса давления в водной среде (метод Снайдера). Метод применяется при переработке руд, содержащих изумруды (Цыганов A.M., Елисеев Н.И., Гришин И.А. Дробление, измельчение и подготовка сырья к обогащению. Изд. Магнитогорского государственного университета. Магнитогорск, 2006 г., с.45) (аналог).
Недостатком этого метода является использование сложного дорогостоящего оборудования для создания давления воды, в источниках литературы о его применении для разрушения скрытокристаллического графита сведений не обнаружено.
Способ разрушения скрытокристаллических графитов разрывом под действием давления водяного пара в порах неизвестен.
Технической задачей настоящего изобретения является разработка способа разрушения кусков руды скрытокристаллического графита преимущественно вдоль направления сланцеватости по механизму расщепления с получением мелких чешуеобразных частиц сильноанизометричной пластинчатой формы, а также исключение при разрушении изменения микроструктуры материала и образования механических деформаций смятия.
Указанная задача, согласно изобретению, решается следующим способом. Куски руды скрытокристаллического графита увлажняют и обрабатывают теплом. В результате нагрева, согласно законам термодинамики, при температуре выше температуры парообразования вода в порах из жидкой фазы переходит в газообразную (переходит в водяной пар). Объем водяного пара превышает его количество, выходящее через поры. После перехода воды в пар увеличение температуры окружающего поры графита вызывает перегрев пара и возрастание его давления. Под действием давления перегретого пара происходит разрушение кусков графитовой руды.
Изобретение реализуется следующим образом.
Куски руды скрытокристаллического графита увлажняют до влажности %: 1-7,5. Для обработки теплом руду помещают в устройство для нагрева (печь) с температурой рабочего пространства от 250 до 1200°С. При нагреве куски руды разрушаются, полученный материал извлекают из печи и охлаждают.
Задание технологических параметров способа обусловлено следующими причинами.
Максимальную крупность исходной руды 120 мм выбрали исходя из соображений меньших затрат энергии при использовании механических способов дробления до этой величины кусков большего размера, что снижает время выдержки в печи для проведения разрушения по заявляемому способу. Наименьший размер кусков исходной графитовой руды в 2 мм выбран из соображений, что такие частицы соизмеримы по размерам с получаемыми по заявляемому способу. Кроме того, уменьшение размера менее 2 мм не обеспечивает давление водяного пара для разрушения, так как размеры частиц сокращают пути его выхода на поверхность.
Минимальная температура рабочего пространства печи 250°С определена экспериментально как предельная для создания необходимого давления водяного пара в порах для полного разрушения кусков. При более низких температурах рабочего пространства печи полного разрушения кусков не происходит и графит высыхает. Верхний предел температуры 1200°С рабочего пространства печи обусловлен потерями графита от окисления кислородом воздуха. При температурах выше 1200°С мелкие пластинки графита вследствие большой поверхности под воздействием высокой температуры активно окисляются, что вызывает значительные потери материала.
Время термической обработки определяется окончанием процесса разрушения кусков руды. Окончание процесса определяют по ряду признаков. При окончании измельчения прекращаются звуковые эффекты от разрушения графита. Полное разрушение кусков загруженного в печь графита устанавливается визуально по прекращению отделения частиц графита и полному разрушению кусков.
Величина влажности графитовой руды 7,5% выбрана как максимальная, так как более высокая влажность приводит к излишним затратам тепла на разогрев и испарение воды при большем ее содержании в руде. При влажности менее 1% превращение воды в пар не обеспечивает необходимое давление паров воды в порах для полного разрушения кусков.
Исследования, проведенные по источникам патентной и научно-технической информации, показали, что заявленные способ и получаемый продукт разрушения кусков скрытокристаллического графита неизвестны и не следуют явным образом из изучаемого уровня техники, то есть они соответствуют критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Способ разрушения скрытокристаллического графита согласно заявляемому изобретению может быть осуществим на рудниках, обогатительных фабриках и углеродперерабатывающих предприятиях, в частности на предприятиях электродной и электроугольной отраслей промышленности.
При нагреве температура внутри поверхностного слоя кусков скрытокристаллического графита повышается до температуры кипения воды, что вызывает фазовый переход воды в пар. Дальнейшее повышение температуры вызывает перегрев пара и повышение его давления. Объем водяного пара превышает его количество, выходящее через поры, с ростом температуры давление пара повышается до критического, вызывающего разрушение материала под действием напряжений разрыва. Увеличение давления в приповерхностных порах передается в объем материала и выдавливает воду в более глубокие слои, что содействует сохранению влаги во внутренних объемах кусков графита. При этом повышение давления воды увеличивает температуру ее фазового перехода в пар и давление паров после его осуществления. Более глубокие от поверхности куска слои графита имеют температуру ниже температуры кипения воды, в их объеме парообразование не происходит, и разрушение кусков осуществляется в поверхностном слое.
Сланцеватость графита выравнивает температуру и давление водяного пара в порах, расположенных вдоль слоев графита и связанных между собой. При превышении величины давления выше критического значения для прочности на разрыв механических связей между слоями сланцеватости происходит разрушение с распространением трещины расщепления вдоль слоев. Распространение трещины происходит до образования значительного участка под поверхностью куска графита, и участок подвергается распределенному давлению паров воды. Скрепление этого участка с куском графита осуществляется по продолжению слоев до соседних участков, не отделенных от куска внутренней трещиной. При выходе трещины на поверхность или при сдвиговых напряжениях на границах участка выше предельной для графита величины происходит локальное разрушение материала с образованием частицы графита, которая отделяется от приповерхностной части куска. Давление паров воды отбрасывает частицу от куска графита, что сопровождается хлопком. Пары воды создают защитную атмосферу, препятствующую окислению кислородом воздуха разрушаемого куска графита и продуктов его разрушения. Новообразованная поверхность куска подвергается нагреву и процесс разрушения продолжается с образованием новых частиц.
Температура, при которой происходит разрушение, не на много превышает 100°С, что является значительно ниже температуры прогрева руды в процессе породообразования и не вызывает изменений микроструктуры графита и химического взаимодействия углерода с минеральными включениями. При разрушении перепады температур невелики и не вызывают деформации структурных элементов графита вследствие различия коэффициентов термического расширения. Сохранение микроструктуры скрытокристаллического графита после разрушения кусков по заявляемому способу является его преимуществом.
Другим преимуществом является то, что крупные минеральные включения не разрушаются под действием давления паров воды в порах. Минеральные включения образованы в основном силикатами сложного оксидного состава. Для обогащения используют механические способы разрушения (см.: Чалых Е.Ф. Технология углеграфитовых материалов. - М.: Металлургиздат, 1963, 79 с.). При этом крупные минеральные включения также переизмельчают. По заявляемому способу это исключается и является его преимуществом.
Примеры конкретного осуществления способа
3
3
Для опытов использовался рудный скрытокристаллический графит Курейского месторождения. Плотность графита в пределах 1,9-2 г/см. Удельный вес руды в пределах 1,65-1,8 г/см. Форма кусков неправильная, с выраженной пластинчатостью, характерной для разлома сланцеватого материала. На поверхности имеются плоские участки. Цвет графита серо-черный, поверхность матовая, при приглаживании блестящая. Среднее содержание углерода в графите находилось в пределах 86-94%.
Нагрев осуществлялся с использованием муфельной печи, температуру рабочего пространства поддерживали постоянной при помощи терморегулирующего устройства и контролировали термопарой. Для обработки теплом использовался контейнер из жаростойкого металла в виде тонкостенной коробки с крышкой и отверстиями для наблюдения и для выхода паров воды. Контейнер входил в рабочее пространство печи с небольшими зазорами между стенками контейнера и стенками муфеля.
Влажность куска графита определялась как процентное содержание воды (несвязанной влаги) в увлажненном графите. Для вычисления влажности использовались величины веса образцов (увлажненного и обезвоженного) при длительной выдержке до постоянного веса в сушильном шкафу при температуре 110°С. Увлажнение образцов до заданной влажности проводилось с 48-часовой выдержкой в герметично закрытом сосуде с расчетным количеством воды при комнатной температуре. Максимальное насыщение образцов водой достигалось при выдержке в воде до постоянного веса. Параметры проведения опытов по примерам осуществления способа приведены в табл. 1.
После выдержки для подогрева от поверхности кусков графитовой руды отделяются пластинки различной величины, крупные пластинки также разрушаются с отделением более мелких пластинок. Цвет куска руды при нагреве и разрушении черный, у разрушенного графита такой же, как у высушенной руды, поверхность пластинок в основном ровная, плоская, матовая и шероховатая. Края пластинок извилистые. Следы смятия частиц отсутствуют.
После разрушения образцов скрытокристаллического графита определялся фракционный состав продуктов разрушения с использованием стандартных методик. Использовался стандартный набор проволочных сит с квадратными ячейками. Анизометрия частиц определялась как отношение среднего от двух размеров между краями в плоскости пластинок, измеренных в двух взаимоперпендикулярных направлениях, одно из которых является максимальным размером в плоскости пластинок, к толщине в средней части пластинок. Определение размеров между краями пластинок в плоскости пластинок и их толщины производилось с использованием бинокулярной лупы с мерной линейкой, а также штангенциркуля и микрометра. Измерения производились на выборке в пределах от 50 до 100 частиц выделенного класса крупности. Результаты анализа продуктов разрушения кусков руды по примерам способа, включая гранульный состав и анизометрию частиц по классам, приведены в табл. 2 и 3 соответственно.
Пример 1. Для исследования используют кусок руды неправильной формы с габаритными размерами 120×120×120 мм, что обеспечивает проход через ячейку сита этого размера, с весом в обезвоженном состоянии 1960 г. Кусок увлажняют до влажности 3,6%. Кусок в контейнере помещают в муфельную печь с температурой 650°С.
После окончания разрушения контейнер извлекают из печи и охлаждают.
Пример 2. Производят аналогично примеру 1. Использовали пробу руды в виде кусков класса -120+2 общим весом в обезвоженном состоянии 2272 г, при увлажнении количество воды задавали для получения требуемой влажности 1%. Температуру печи поддерживали при 250°С.
Пример 3. Производят аналогично примеру 1, использовали крупку в виде кубиков с ребром 2 мм с весом в обезвоженном состоянии 3 г, специально нарезанную из кускового рудного скрытокристаллического графита. Крупку увлажняли до полного насыщения водой. Влажность графита составила 7,5%, температуру печи поддерживали при 450°С. Разрушенный графит в основном сохранял размеры крупки в плоскости слоев.
Пример 4. Производят аналогично примеру 1, использовали кусок с габаритными размерами 120×120×120 мм с весом в обезвоженном состоянии 1783 г. Графит увлажнили до влажности 7,5%, температуру печи поддерживали при 1200°С.
Соответствие по величине анизометрии частиц - продуктов разрушения при вариации размеров в плоскости слоев частиц от 40 мм до 0,5 мм (табл. 3) свидетельствует об идентичности механизма разрушения при образовании разрывом частиц различной крупности. Образование при разрушении разрывом руды скрытокристаллического графита частиц пластинчатой формы происходит при расщеплении вдоль слоев сланцеватости. Разрушение разрывом приводит к образованию пластинчатых частиц с усредненной анизометрией от 13 до 22. Эта величина соответствует анизометрии чешуек природного графита и частиц, образующихся при размоле слоистого вакуумного пирографита, что составляет соответственно 23 и 16 (Дмитриев А.В. Научные основы разработки способов снижения удельного электрического сопротивления графитированных электродов. - Челябинск, ЧГПУ, 2005 г., с.62-63). При размоле вакуумного пирографита образование частиц происходит в результате расщепления вдоль слоев, что соответствует механизму разрушения разрывом кусков руды скрытокристаллического графита по заявляемому способу. Крупность продуктов разрушения по настоящему изобретению определяется размерами начальных кусков, влажностью и условиями термической обработки, задание этих параметров регулирует протекание процесса измельчения и определяет характеристики дисперсности конечного продукта. Полученная в результате разрушения разрывом измельченная руда скрытокристаллического графита по крупности и форме частиц соответствует порошкам, используемым для изготовления композиционных материалов, в том числе углеграфитовых материалов. Использование анизометричных пластинчатых частиц разрушенной руды скрытокристаллического графита перспективно для улучшения потребительских характеристик при производстве композиционных материалов, в частности для снижения удельного электрического сопротивления при производстве графитированных электродов.
Таблица 1
Параметры проведения опытов по примерам осуществления способа
Пример
Характер образцов руды
Габаритный размер кусков, мм
Общий вес, г
Влажность, %
Температура рабочего пространства печи, °С
Потери веса после обработки теплом, %
1
Кусок
120×120×120
2033
3,6
650
6,2
2
Куски
-120+10
2272
1,0
250
2,5
3
Крупка
2×2×2
3,24
7,5
450
10,8
4
Кусок
120×120×120
1928
7,5
1200
12,7
Таблица 2
Распределение частиц после разрушения по крупности
Классы
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Вес, г
Процентное содержание, %
Вес, г
Процентное содержание, %
Вес, г
Процентное содержание, %
Вес, г
Процентное содержание, %
+40
-
-
-
-
-
-
-
-
-40+10
290
15,2
443
20
-
-
-
-
-10+2
942
49,4
1662
75
-
-
269
16
-2+0,5
362
19
102
4,6
2,72
93
1296
77
-0,5
313
16,4
9
0,4
0,205
7
118
7
∑
1907
100
2215
100
2,925
100
1683
100
Таблица 3
Усредненная анизометрия разрушения
Классы
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Среднее значение
Стандартное отклонение
Среднее значение
Стандартное отклонение
Среднее значение
Стандартное отклонение
Среднее значение
Стандартное отклонение
+40
-
-
-
-
-
-
-
-
-40+10
12,9
3,3
18,9
7,7
-
-
-
-
-10+2
16,6
4,8
15,2
3,9
-
-
17,9
6,1
-2+0,5
18,4
10,6
15,3
6,6
21,8
4,4
16,4
8,3
-0,5
-
-
-
-
-
-
-
-