Влияние СВЧ-воздействия на магнитные свойства окисленных железистых кварцитов

ЗИЛЬБЕРШМИДГ М. Г., ШВЕДОВ И Ж, БЕДЕНКО В.Е. Московский государственный горный

университет

Влияние СВЧ-воздействия на магнитные свойства окисленных железистых кварцитов

Аннотация

Исследовалось влияние СВЧ-воздействия на изменение магнитных свойств окисленных железистых кварцитов МГОКа. Показано, что СВЧ-нагрев в условиях ограниченного доступа кислорода интенсифицирует процессы дегидратации гидроксидов железа,приводящие к образованию нестабильной фазы у-гематита при температуре около 500°С, с последующим переходом ее в магнетит. При этом наблюдалось возрастание намагниченности образцов более чем в три раза по сравнению с первоначальной. Установлено, что новообразованная сильномагнитная фаза обладает термомагнитной стабильностью.

* * *

Одним из основных источников расширения сырьевой базы черной металлургии являются попутно добываемые окисленные железные руды, годовая добыча которых в целом по России составляет 30-40 млн. тонн (из них около 10 млн.тонн добываются на Михайловском ГОКе КМА). В настоящее время, в связи с отсутствием экономичной технологии обогащения, окисленные железистые кварциты практически не используются и временно складируются в отвалы, что приводит к удорожанию добычи неокисленных кварцитов и увеличению затрат на содержание отвалов.

Окисленные железные руды представляют собой полиминеральные образования, в которых железосодержащие минералы (гематит, магнетит, гетит, гидрогетит и др.) находятся в тесной ассоциации и в различных количественных соотношениях

с нерудными минералами (кварцем, силикатами алюминия, натрия; карбонатами и др.).

Обогащение окисленных железистых кварцитов связано с целым рядом трудностей, вызванных тонкозернистостью и ’’слабыми” магнитными свойствами содержащихся в них оксидов и гидроксидов железа. По этим причинам применение традиционных технологий обогащения железных руд для этого случая оказывается малоэффективным. Одним из перспективных направлений в данной области является использование предварительной физической обработки руды, позволяющей добиться целенаправленного изменения ее физико-технических параметров, приспосабливая их к требованиям существующего обогатительного оборудования [1].

Из нетрадиционных видов воздействия на железные руды для повышения эффективности их ооогащения опробовались интенсивная ультразвуковая,тепловая, ВЧ- и СВЧ-электромагнитная обработка [1]. Из рассмотренных видов воздействия особый интерес представляет СВЧ-обработка благодаря большему КПД, безинерционному объемному и избирательному характеру воздействия на породообразующие минералы, отвечающему экологическим критериям горного производства.

Оценка влияния СВЧ-воздействия на физико-технические свойства железных руд проводилась уже не раз (2, 3]. В этих работах затрагивались вопросы изменения структурного состояния руды и было отмечено положительное влияние определенных режимов СВЧ-воздействия на селективное раскрытие минералов и снижение

энергозатрат при измельчении, однако вопросы изменения магнитных свойств рулы не рассматривались.

Поскольку нагрев железосодержащих минералов, инициируемый СВЧ-воздейст-зием, способен вызвать изменения минерального состава окисленных железистых кварцитов в результате термической диссоциации гидроксидов железа, то исследование происходящих при этом изменений магнитных свойств руды представляется, на наш взгляд, весьма интересным.

В окисленных железистых кварцитах шдроксиды железа (гетит, лепидокрокит, шдрогематит и др.) широко распространены, но при обогащении всеми существующими методами практически не извлекаются [4]. Поэтому с практической точки зрения реализация процесса дегидратации гидроксидов железа не лишена актуальности, так как новообразуемые минералы (магнетит, маггемит) извлекаются в железный концентрат гораздо эффективнее.

Целью настоящего исследования явилось изучение изменений магнитных свойств окисленных железистых кварцитов, происходящих вследствие температурного превращения гидроксидов железа в его оксиды, инициированного СВЧ-воз-действием.

Для изучения влияния СВЧ-воздейст-вия на окисленные железные руды использовались образцы окисленных железистых кварцитов Михайловского месторождения КМА, минеральный состав которых приведен в табл.1.

Таблица 1

Изменение минерального состава окисленных железистых кварцитов МГОКа в зависимости от времени СВЧ-воздействия

Минерал Исх. 2 МИН. Змин. 4 мин. 5 мин.

Кварц 59,50 60,64 59,35 59,58 58,83

Гематит 24,72 24,87 29,03 26,13 25,73

Гетит 10,23 9,93 - * -

jj Магнетит 5,55 4,56 11,62 14,29 15,44

Измерение магнитных свойств образцов осуществлялось на вибрационном магнитометре, позволяющем измерять маг-

12

10

в

7

6

5

нитныехарактеристики вещества в однородном магнитном поле с напряженностью #=71,62kA/mcзаписью термомагнитных кривых в диапазоне температур от 20° до 800°С. В качестве эталона при измерении намагниченности использовался образец электролитического никеля фирмы PAR (США), предназначенный для градуировки вибрационных магнитометров. Значение его магнитного момента в поле с #=71,62 кА/м составляет М =1,9 Гс/см3 при комнатной температуре. Масса эталона соизмерима с массой измеряемых навесок, отбираемых из образцов, и составляет 51,4-10"3 г [5].

Термомагнитная кривая исходной пробы представлена на рис. 1. Для снятия этой зависимости измеряемый образец массой 50 ’10'3 г помещался в нагреватель. Температура измерялась термопарой хромель-копель, спай которой находился в непосредственной близости от изучаемого образца, что позволяло производить измерения температуры с большой точностью.

/, у/у еЗ.

—

С? YA 0 2& У 300 «X? яя о т 0 700

ГС

Рис.1 Термомзгнитная кривая исходной пробы окисленных железистых кварцитов Михайловского ГОКа

Анализ термомагнитной кривой показал, что при температуре порядка 400°С наблюдается начало процесса диссоциации гидроксидов железа, что и приводит к росту первоначальной намагниченности образца.

Известно, что диффузионное удаление образующихся молекул Н2О из кристаллической решетки гетита и перераспределение ионов Ре 3+ в октаэдрических пустотах приводит к образованию у— гематита [6].

Условия проведения эксперимента предполагали ход реакции дегидратации при ограниченном доступе кислорода, что способствовало частичному преобразованию образующегося у- гематита до магнетита.

По термомагнитной кривой области формирования неустойчивой структуры гематита соответствует диапазон температур 400°-560°С. Наблюдаемый магнитный фазовый переход имеет температуру Кюри 576°С, что соответствует точке Кюри магнетита. При дальнейшем нагреве образца до 700°С и последующем охлаждении наблюдается значительный рост намагниченности - почти на порядок превосходящий первоначальную. Дальнейшие термомагнитные исследования показали термическую устойчивость полученной магнитной фазы во времени.

Проведенное СВЧ-воздействие на образцы в режиме дискретного нагрева с последующим рентгеновским фазовым анализом позволило проследить вариацию минерального состава от времени СВЧ-воздейтвия (табл.1.).

Образцы крупностью -10+0 мм, подвергаясь СВЧ-воздействию в течение 2, 3, 4 и 5 минут при ограниченном доступе кислорода, разогревались до средних температур 360 , 500 , 590° и 630 С соответственно.

Воздействие на образцы осуществлялось в СВЧ печи при мощности излучения 500 Вт и длине волны 12 см. После воздействия образцы подвергались резкому охлаждению в воде с целью предотвращения последующего протекания окислительных процессов.

Минеральный состав образцов окисленных железистых кварцитов определялся с помощью рентгеновского фазового анализа порошка (аналитическая крупность -100 мкм). Съемка производилась на дифрактометре ДРОН-2 в ка Ре-излуче-

нии при скорости вращения счетчика 1/8 град/мин и регистрации интегральной интенсивности через 0,02° с записью на ЭВМ. Расчет дифрактограмм осуществлялся на компьютере с использованием метода Кальмана.

Анализ результатов показывает, что при температуре порядка 500°С произошла полная диссоциация гетита приводящая в конечном итоге к образованию магнетита и росту содержания гематита (порядка 5%). СВЧ-нагрев образцов до температур выше точки фазового перехода (590-630°С) привел к стабилизации минерального состава основных железосодержащих минералов: среднее содержание гематита -25,9%, магнетита - 14,8%.

Рентгенограммы этих образцов (рис.2) наглядно демонстрируют постепенный переход гетита в магнетит через нестабильную фазу у—гематита в интервале температур от 360° до 630°С. Это проявляется в постепенном уменьшении интенсивности | гетитовых пиков и увеличении пиков маг-нетита при увеличении времени СВЧ-воз- ! действия. При трехминутном воздействии (500°С) наблюдается также рост интенсивности пиков гематита.

Рис.2 Рентгенограмма образцов окисленных железистых кварцитов Михайловского ГОКа: И * исходный-3 - после трехминутного СВЧ-воадействия Г500°С}; 5 - после пятиминутного воздействия (630 С); Г - штрих-диаграмма гематита; М - штрих-диаграмма магнетита; Гет- штрих-диаграмма гетита

Изменение минерального состава образцов окисленных железисых кварцитов

эгзультате СВЧ-воздействия приводит к .тичению их удельной намагниченности ?гаол.2.). Повторное измерение намагниченности произведенное через 10 дней после СВЧ-воздействия дало аналогичные результаты.

Таблица 2

> уменение удельной намагниченности окислен-* -яЛ железистых кварцитов МГОКа в зависимости от времени СВЧ-воздействия

| -ежим СВЧ-воздействия Удельная намагниченность | образцов/5 обр, А ‘м /кг 1

Г г. мин.

I 0 20 5.0

2 360 5,6

з г : 500 7.0

! 4 590 15,2

; 5 630 15.8

Таким образом, в ходе проведенных исследований установлено, что СВЧ-воздействие на окисленные железистые кварциты вызывает дегидратацию содержащегося в них гетита, что приводит к образованию нестабильной фазы у-гематита с последующей перестройкой его в магнетит. В результате этих превращений удельная намагниченность окисленной руды возрастает более чем в три раза. Приобретенные рудой магнитные свойства остаются неизменными во времени. Указанный эффект может быть использован при обогащении окисленных железных руд магнитным способом.

Список литературы

1. Новик Г.Я., Зильбершмидт М.Г. Управление свойствами горных пород в процессах горного производства.-М.: Недра, 1994. - 224 с.

2. Зильбершмидт М.Г., Заворыкина Т.К. Исследование вариации структурной нарушенности при высокочастотной электромагнитной обработке // Сб. Проблемы физических процессов в горном деле.- М.: МГИ, 1988.-С. 73-75.

3. Москалев А.Н., Коробской В.К,, Челышкина В.В. Влияние обработки магнетитовых руд энергией СВЧ на селективное раскрытие минералов при измельчении // Изв. вузов. Горный журнал, 1988 N6. -

С. 113-118.

4. Пирогов Б.И., Поротов Г.С., Холошин И.В., Тарасенко В.Н. Технологическая минералогия железных руд. - Л.: Наука, 1988. - 304 с.

5. Шведов И.М. Метод высокотемпературной магнитометрии в исследовании горных пород // Сб. Проблемы физических процессов в горном деле.-М.: МГИ, 1988. - С. 166-169.

6. Кудрявцева Г.П. Ферримагнетизм природных оксидов. - М.: Недра, 1988. - 232 с.

© М.Г.Зильбершмидт, И.М.Шведов, В. Е. Беденко

Из истории университетов

В России одним из первых обладателей ученой степени был Петр Васильевич Посников: он учился за границей в первые годы царствования Петра Великого и в 1692 году стал доктором медицины в Падуанском университете. Сам Петр I, будучи,избран членом Парижской Академии наук, писал Французским ученым: "Мы ничего более не желаем, как чтобы через прилежность... науки в лучшей цвет привесть себя, яко достойного вашей компании члена показать". Петр не упускал малейшей возможности усилить в тогдашнем обществе интерес к знаниям. Когда была открыта знаменитая кунсткамера, то один из приближенных Петра - Ягужинский - советовал брать плату за вход. Однако император не только сделал вход бесплатным, но еще приказал Шумахеру, опекавшему кунсткамеру, отпускать специальные деньги для угощения посетителей.