Изучение теплофизических характеристик асбестовых руд с целью создания разделительных аппаратов

В.Я. Потапов, В.В. Потапов, С.В. Ситдикова

ИЗУЧЕНИЕ

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК

АСБЕСТОВЫХ РУД

С ЦЕЛЬЮ СОЗДАНИЯ

РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ

АППАРАТОВ

В работах по исследованию теплофизических характеристик асбестовых руд и использованию их в целях предварительного разделения приведено недостаточно данных для разработки методов и средств контроля содержания асбеста. Это вызвало необходимость детального изучения теплофизических характеристиках асбеста и вмещающих пород. Методика измерения теплопроводности асбеста и вмещающих пород практически отсутствует, но характер распространения тепловых волн аналогичен распространению звуковых волн. Поэтому для измерения и прогноза теплопроводности использовался метод звуковой локации с использованием стандартная измерительная аппаратура, с помощью которой определяли время прохождения упругих волн через образец. Для измерения удельной теплоемкости асбеста и вмещающих пород использовался калориметрический метод. Установлено, что удельная теплоемкость может служить разделительным фактором при предварительном обогащении асбеста. Измерение объемного коэффициента температуропроводности основано на измерение температуры образца с помощью термопары. На основе выполненных экспериментов установлено, что теплофизические характеристики можно использовать для непрерывного контроля продуктов обогащения с целью оперативного управления процессом обогащения в разделительных аппаратах.

Ключевые слова: асбест, вмещающие породы, теплофизические характеристики, теплопроводности, удельной теплоемкости и температуропроводности, методики, измерительная работа.

УДК 622.75. 622.367. 6.622.273

В последнее время природное содержание асбеста в исходной руде снижается, в связи с чем возрастает актуальность проблемы предварительного разделения, так как оно позволит вывести на первых этапах обогащения большую массу пустой породы. Операции дробления в процессе подготовки ас-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 5. С. 155-163. © 2017. В.Я. Потапов, В.В. Потапов, С.В. Ситдикова.

беста к разделению наиболее дорогие и энергоемкие, и поэтому целесообразно выделять обедненную фракцию руды в дробиль-но-сортировочном комплексе в крупнокусковом виде [1, 2, 3].

В результате анализа технических решений и априорной информации установлено несколько прогрессивных методов, позволяющих решить ряд задач контроля асбеста с целью совершенствования методов обогащения, использующих электрические, оптические, фрикционные и теплофизические характеристики [1].

Предварительное обогащение асбестовых руд, с учетом их теплофизических свойств, можно рассматривать в настоящее время в двух вариантах: термоадгезионная сепарация (к радиометрическим методам не относится) [3] и термометрическая сортировка [4].

Термометрический сепаратор использовался в Канаде для разделения асбестосодержащих руд, метод основан на разной температуропроводности асбеста и вмещающих пород [4]. После нагрева куски асбеста медленнее отдают тепло, а порода за 0,7 с — в два раза быстрее теряет свою температуру. Регистрация осуществляется детектором, чувствительным к ИК-излучению.

В рассмотренных работах не содержатся сведения о тепло-физических характеристиках асбеста и вмещающих пород, что является актуальным при создании средств контроля для задач предварительного обогащения для конкретных месторождений.

Температурные константы имеют большое значение для обогащения асбестовых руд, так как для асбеста и вмещающих пород коэффициент теплопроводности отличается в 8...9 раз, а коэффициент температуропроводности в 10...15 раз [5].

В известных работах по исследованию теплофизических характеристик асбеста и серпентинита [7] и использованию их в целях разделения асбестовых руд [4] приведено недостаточно данных для разработки методов и средств контроля содержания асбеста для целей предварительного обогащения. Это вызвало необходимость детального изучения теплофизических свойств асбеста и вмещающих пород.

Методика измерения теплопроводности асбеста и вмещающих пород практически отсутствует, но характер распространения тепловых волн аналогичен распространению звуковых волн. В физике горных пород принята закономерность, что звуковые волны имеют такую же природу распространения в образце, что и тепловые. Поэтому для измерения и прогноза теплопроводности использовался метод звуковой локации [6].

Метод звуковой локации заключается в измерении скорости упругих волн. Измерения проводились «теневым» методом, в котором с одной стороны образца помещен излучатель, а с другой — приемник. Акустический контакт между ультразвуковыми преобразователями и используемым образцом обеспечивают нанесением на поверхность соприкосновения образца с преобразователем тонкого слоя какой-либо плотной вязкой массы, в нашем случае — пластилина.

При измерении скорости упругих волн использовалась стандартная измерительная аппаратура, с помощью которой определяли время прохождения упругих волн через образец. Скорость упругих волн вычисляют по формуле:

^ = ——, (1) * - К

где I — длина испытываемого образца, м; t — время прохождения упругой волны через образец, с; tn — время задержки прибора, с.

Результаты измерений приведены в табл. 1. В результате проведенного эксперимента видно, что асбест по разному проводит звуковые волны. Так как структура асбеста

Таблица 1

Определение скорости прохождения упругой волны через различные виды образцов асбеста и вмещающих пород

Образцы Длина образца, м Время прохождения упругой волны, -10-6 с Скорость упругой волны, м/с

Серпентинит 0,036 8,65 4161,84

Серпентинит с мелко вкрапленным асбестом 0,0387 7,7 5025,97

Дунит 0,0362 7,9 4582,28

Серпентинит с дунитом 0,0395 7,8 5064,1

Серпентинит с перидотитом 0,0372 8,45 4402,37

Асбест ожелезненный вдоль волокон 0,051 10,6 4811,32

Асбест ожелезненный поперек волокон 0,0418 58,3 716,98

Асбест без железа вдоль волокон 0,0474 10,9 4348,62

Асбест без железа поперек волокон 0,0377 60,5 623,14

волокнистая, то скорость распространения упругих волн вдоль волокон значительно больше скорости распространения волн поперек волокон. Из этого следует, что теплопроводность асбеста вдоль волокон больше, чем поперек. В тоже время теплопроводность вмещающих пород незначительно отличается от теплопроводности асбеста вдоль волокон. Эта закономерность затрудняет применение такого теплофизического свойства как теплопроводность в предварительном обогащении асбестосо-держащих руд.

Для измерения удельной теплоемкости асбеста и вмещающих пород воспользуемся калориметрическим методом. Для этого образцы подвергались нагреву в термопечи до температуры 200 °С. Затем проводилось охлаждение каждого образца в сосуде с водой, где была известна масса и температура воды до погружения нагретого образца.

После полного охлаждения образца измерялись новые значения температуры воды. По снятым показаниям температуры проводились расчеты удельной теплоемкости образца по формуле: с • ше •

тмзт • (200 - Ьж )'

где сВ — теплоемкость воды, Дж/(кг-К); тВ — масса воды, кг; tК — конечная температура воды, °С; tН — начальная температура воды, °С; тОБР — масса образца, кг.

Результаты исследования приведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты эксперимента по определению удельной теплоемкости асбеста и вмещающих пород

Образцы Масса образца, кг Температура воды начальная, °С Температура воды конечная, °С Удельная теплоемкость, Дж/кгК

Серпентинит 0,04 13,2 29,1 1950

Серпентинит с мелко вкрапленным асбестом 0,05 11,5 30,0 1820

Серпентинит с дунитом 0,055 13,8 32,1 1660

Дунит 0,058 13,1 32,9 1710

Серпентинит с перидотитом 0,051 26,6 41,2 1610

Асбест ожелезненный 0,132 10,2 32,0 820

Асбест 0,086 20,2 38,0 1070

Из результатов определения удельной теплоемкости минералов видно, что асбест по своим параметрам отличается от вмещающих пород. Среднее значение удельной теплоемкости вмещающих пород составляет 1750 Дж/(кгК), а асбеста — 940 Дж/(кг-К) показывает, что такой параметр как удельная теплоемкость может служить разделительным фактором при предварительном обогащении асбеста, но при условии технической реализации измерения теплоемкости в условиях действующих фабрик.

Температуропроводность а характеризует изменение температуры тела в единицу времени и фигурирует в уравнении теплопроводности [9, 10]:

йТ ,д2Г д2Г д2Г. —— = а

аЬ дх ду дг

где Т — температура, К; t — время, с; х, у, г — координаты пространства, м; а — коэффициент температуропроводности, м2/с.

Измерение объемного коэффициента температуропроводности основано на том, что при нестационарном тепловом режиме наиболее равномерное распределение тепла в теле наблюдается в момент перехода его от нагрева к охлаждению и в момент, когда температура тела близка к температуре среды.

Температуру образца проще всего измерять с помощью термопары.

Для измерения температуропроводности образцы асбеста и вмещающих пород были подготовлены в виде параллелепипедов и цилиндров правильной формы, внутрь которых впаяна термопара. Термопара размещена в середине образца. Такое расположение обеспечивает максимальное усреднение значения температур для тел в форме параллелепипеда или цилиндра.

Испытание образцов осуществлялось в термостате с нагреванием образца в течение часа до температуры выше 30°. Затем поочередно образцы подвергались охлаждению в пульсирующей водной среде с температурой 15—20°.

Показания кинетики охлаждения образца регистрировались с помощью милливольтметра, подключенного к термопаре, за определенные промежутки времени до полного охлаждения образца.

Результаты экспериментов были обработаны на ЭВМ и сведены в табл. 3.

На рисунке представлена кинетика охлаждения исследуемых образцов. Эти экспериментальные данные позволили опреде-

Таблица 3

Коэффициенты температуропроводности асбестосодержащих пород

Образцы Коэффициент температуропроводности, м2/с

Серпентинит 6,22-10-7

Серпентинит с мелко вкрапленным асбестом 6,4310-7

Дунит 6,6610-7

Серпентинит с дунитом 6,0610-7

Серпентинит с перидотитом 8,3-10-7

Асбест ожелезненный 5,47-10-7

Асбест 4,29-10-7

лить коэффициент температуропроводности асбестосодержащих пород (табл. 3).

По данным опыта установлено, что коэффициенты температуропроводности асбеста и вмещающих пород отличаются незначительно. Поэтому коэффициент температуропроводности не может быть использован в качестве разделительного признака для задач предварительной концентрации руд. В то же время из данных эксперимента видно, что образцы, изготовленные из вмещающих пород, по темпу охлаждения значительно отличаются от образцов из чистого асбеста.

Имея волокнистую структуру, асбест существенно медленнее охлаждается; вмещающие породы, имея монолитную структуру, отдают свое тепло значительно быстрее.

Кинетика охлаждения асбеста и вмещающих пород: 1 — серпентинит; 2 — серпентинит с мелко вкрапленным асбестом; 3 — дунит; 4 — серпентинит с дунитом; 5 — серпентинит с перидотитом; 6 — асбест ожелезнен-ный; 7 — асбест без железа

Наибольшее различия в температуре асбеста и пород при охлаждении имеется в интервале времени охлаждения от 60 до 180 с.

Таким образом, одним из способов идентификации асбесто-содержащих пород может служить измерение кинетики нагрева и охлаждения образцов. Однако, этот метод имеет недостаток. Он не позволяет идентифицировать асбест ожелезненный, что приведет к потере асбеста с хвостами предварительного обогащения. Кроме того, этот метод из-за необходимости относительно длительного нагрева и охлаждения кусков представляется малотехнологичным при сепарации.

Исследования теплофизических характеристик позволили установить, что есть существенное различие в этих свойствах у асбеста и вмещающих пород. Полученные теплофизические характеристики не могут быть использованы для задач предварительной концентрации руды, как недостаточно эффективные, но их можно использовать для непрерывного контроля продуктов обогащения с целью оперативного управления процессом обогащения в разделительных аппаратах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Цыпин Е. Ф., Пелевин А. Е., Потапов В. Я. Исследование физико-механических свойств руд хризотил-асбеста для разработки способов и устройств для предварительного обогащения в дробильно-сортиро-вочном комплексе: Отчет. № гос. регистрации 018527675. — Свердловск, 1987. - 142 с.

2. Ковин Г. Я. Исследование комплекса физических свойств пород Баженовского месторождения: Отчет о НИР, № гос. регистрации 73082128. - М., 1974. - 12 с.

3. Комлев С.Г., Цыпин Е.Ф., Потапов В.Я. Термоагдезионный сепаратор. Инф. лист о научно-техническом достижении № 189-82, ЦНТИ. — Свердловск, 1982. - 4 с.

4. Owyer F. B., Thompson R. L. Ore sorting. / Develop and Innosot. Aust. Process Ind/, Aust. Chen. Eg. Conf., Newcestle, 1972, Pop. Sudney, S.A. pp. 81-88.

5. Ревнивцев В. И. Фотоэлектронная сортировка, новый перспективный метод обогащения неметаллорудных полезных ископаемых. Обзор. - М.: ЦНИИЭТСтром., 1968. - 26 с.

6. Турченинов И. А., Медведев Р. В., Понин В. И. Современные методы комплексного определения физических свойств горных пород. - Л.: Недра, 1967. - 200 с.

7. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. - М.: Недра, 1984. - 359 с.

8. Кравец Б. Н. Специальные и комбинированные методы обогащения. - М.: Недра, 1986. - 340 с.

9. Карслоу Г, Егер А. Теплопроводность твердых тел. - М.: Наука, 1964. - 487 с.

10. Потапов В. Я. Комбинированная технология предварительного обогащения асбестовых руд: дисс. ...канд. техн. наук. — Екатеринбург, 1999. - 208 с.

11. Потапов В. Я., Цыпин Е. Ф., Латышев О. Г., Медведев Е. И. Исследование теплофизических характеристик асбестосодержащих руд // Известия УГГГА. Серия «Горная электромеханика». — 2000. -вып. 9. —С. 193—196.

12. Цыпин Е. Ф., Пелевин А. Е, Лавник В. Я., Балабаева Л. М. Выбор признаков разделения для предварительного обогащения асбестовой Баженовскогоместорождения / Совершенствование технологии обогащения асбестовых руд. Сборник научных трудов ВНИИпроектас-бест. — Асбест, 1986. — C. 45—58. [¡233

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Потапов Валентин Яковлевич1 — доктор технических наук, профессор, доцент, e-mail: 2c1@inbox.ru,

Потапов Владимир Валентинович1 — кандидат технических наук, доцент,

Ситдникова Светлана Валерьевна1 — старший преподаватель, 1 Уральский государственный горный университет.

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 5, pp. 155-163. V.Ya. Potapov, V.V. Potapov, S.V. Sitdnikova STUDYING THERMAL CHARACTERISTICS OF ASBESTOS ORE WITH A VIEW TO DESIGNING SEPARATION MACHINES

The well-known works on the study of thermal characteristics (thermal conductivity, thermal diffusivity and specific heat) of asbestos ore and use them for the purpose of the pre-separation is given insufficient data to develop methods and tools for monitoring asbestos. This has necessitated a detailed study of thermal characteristics of asbestos and host rocks: serpentinite; finely interspersed with serpentine asbestos; dunite; serpentinite with dunite; serpentinite with peridotite; asbestos ferruginous; asbestos without iron.

The procedure for measuring the thermal conductivity of asbestos and host rocks is virtually absent, but the propagation of heat waves is similar to the propagation of sound waves. Therefore, sonar method was used to measure the thermal conductivity and forecast using a standard measuring apparatus, which measures the time of the elastic waves through the sample.

To measure the specific heat of asbestos and host rocks used colorimetric method. It is found that the specific heat may be in the preliminary separation factor enrichment of asbestos. Measurement of thermal diffusivity of the bulk sample is based on the temperature measurement using a thermocouple. On the basis of the experiments found that the thermal characteristics can be used for continuous monitoring of the enrichment products in order to enrich the process of operational management in the separation apparatus.

Key words: asbestos, host rocks, thermal characteristics, thermal conductivity, specific heat and thermal diffusivity, techniques, measuring work.

UDC 622.75 622.367. 6.622.273

AUTHORS

Potapov KTa.1, Doctor of Technical Sciences, Professor,

Assistant Professor, e-mail: 2c1@inbox.ru,

Potapov V.V.1, Candidate of Technical Sciences,

Assistant Professor,

Sitdnikova S.V.1, Senior Lecturer,

1 Ural State Mining University,

620144, Ekaterinburg, Russia.

REFERENCES

1. Tsypin E. F., Pelevin A. E., Potapov V. Ya. Issledovanie fiziko-mekhanicheskikh svoystv rud khrizotil-asbesta dlya razrabotki sposobov i ustroystv dlya predvaritel'nogo obogashcheni-ya v drobil'no-sortirovochnom komplekse: Otchet (Analysis of physico—mechanical properties of chrysotile asbestos ore for development of pre-treatment methods for grinding-and-sorting plant. Review), Sverdlovsk, 1987, 142 p.

2. Kovin G. Ya. Issledovanie kompleksa fizicheskikh svoystv porod Bazhenovskogo mestorozhdeniya: Otchet o NIR (Studies of physical properties of Bazhenov formation rocks. Research report), Moscow, 1974, 12 p.

3. Komlev S. G., Tsypin E. F., Potapov V. Ya. Termoagdezionnyy separator. Informat-sionnyy list o nauchno-tekhnicheskom dostizhenii № 189-82 (Thermo-adhesion separator. Technological achievement information sheet no. 18982), Sverdlovsk, 1982, 4 p.

4. Owyer F. B., Thompson R. L. Ore sorting. Develop and Innosot. Aust. Process Ind, Aust. Chen. Eg. Conf., Newcestle, 1972, Pop. Sudney, S.A. pp. 81-88.

5. Revnivtsev V. I. Fotoelektronnaya sortirovka, novyy perspektivnyy metod obogashche-niya nemetallorudnykh poleznykh iskopaemykh. Obzor (Photoelectronic sorting, new promising method of processing of non-metal minerals. Review), Moscow, TsNIIETStrom, 1968, 26 p.

6. Turcheninov I. A., Medvedev R. V., Ponin V. I. Sovremennye metody kompleksnogo opredeleniya fizicheskikh svoystvgornykh porod (Modern techniques of integrated determination of physical properties of rocks), Leningrad, Nedra, 1967, 200 p.

7. Rzhevskiy V. V., Novik G. Ya. Osnovy fiziki gornykh porod (Basic physics of rocks), Moscow, Nedra, 1984, 359 p.

8. Kravets B. N. Spetsial'nye i kombinirovannye metody obogashcheniya (Special and combination methods of processing), Moscow, Nedra, 1986, 340 p.

9. Karslou G., Eger A. Teploprovodnost' tverdykh tel (Thermal conduction of solids), Moscow, Nauka, 1964, 487 p.

10. Potapov V. Ya. Kombinirovannaya tekhnologiya predvaritel'nogo obogashcheniya asbestovykh rud (Combination technology of pre-treatment of asbestos ore), Candidate's thesis, Ekaterinburg, 1999, 208 p.

11. Potapov V. Ya., Tsypin E. F., Latyshev O. G., Medvedev E. I. Izvestiya UGGGA. Seriya «Gornaya elektromekhanika». 2000, issue 9, pp. 193-196.

12. Tsypin E. F., Pelevin A. E., Lavnik V. Ya., Balabaeva L. M. Sovershenstvovanie tekhnologii obogashcheniya asbestovykh rud. Sbornik nauchnykh trudov VNIIproektasbest (Improvement of asbestos ore processing technology. Collected works of VNIIproektasbest Institute), Asbest, 1986, pp. 45-58.