WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 

Pages:     | 1 ||

«УНИВЕРСИТЕТЕ «ГОРНЫЙ» САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2016 н ациональный минерально-сырьевой университет «Горный» сегодня — это сеть специализированных аудиторий, оснащенных современными отечественными и ...»

-- [ Страница 2 ] --

Санкт-Петербург. 2016 Установлено, что в ходе термообработки происходят превращения в минеральной части горючих сланцев, приводящие к изменению ее химического состава. Образуются новые минералы: ранкинит Ca3Si2O7 – 17 %, ангидрит CaSO3 – 10 %, магнезит MgCO3, периклаз MgO и известь СаО. За счет кислородсодержащих соединений, таких как иллит и хлорит, происходит окисление пирита FeS2 до гематита Fe2O3, а между основными и кислотными оксидами – реакции с образованием новых минералов, таких как ларнит Ca2SiO4 и ранкинит Ca3Si2O7 (табл.3) .

Заключение. Проанализированы физико-химические свойства горючих сланцев. Ситовой анализ проводили на гранулометрическом классификаторе. Элементный и компонентный составы минеральной части горючего сланца, водного раствора осуществляли на энергодисперсионном рентгенофлуоресцентном спектрометре. Определено, что основными минералами, которые содержатся в горючих сланцах, являются: кальцит – 28 %, кварц – 25 %, иллит – 17 % и микроклин – 11 %. Изучено изменение пористости горючего сланца от температуры в атмосферах азота и воздуха в температурном интервале 25-900 С. Установлено, что изменение пористости происходит в четыре этапа: I этап – 25-200 С; II – 200С; III – 400-600 С; IV – 600-900 С. Составлен материальный баланс пиролиза горючего сланца в трубчатой печи ПТК-1,2-40 в атмосфере азота при температурах опыта 200, 400, 600, 800 и 1000 °С. В работе определен фазовый состав горючего сланца до и после термической обработки при температуре 800 С в атмосфере азота. Установлено, что в исходном горючем сланце преобладают такие минералы, как кальцит (CaCO3) – 28 %, кварц (SiO2) – 25 %, иллит ((K0,75(H3O)0,25)Al2(Si3Al)O10((H2O)0,75(OH)0,25)2) – 17 % и микроклин (K[AlSi3O3]) – 11 % .

В ходе термообработки происходят превращения в минеральной части горючих сланцев, приводящие к изменению ее химического состава. Образуются новые минералы: ранкинит (Ca3Si2O7 ) – 17 %, ангидрит (CaSO3) – 10 %, магнезит (MgCO3), периклаз (MgO), известь (СаО). За счет кислородсодержащих соединений, таких как иллит и хлорит, пирит (FeS2 ) окисляется до гематита (Fe2O3), между основными и кислотными оксидами происходят реакции с образованием новых минералов, таких как ларнит (Ca2SiO4) и ранкинит (Ca3 Si2O7 ). Преобразование минерального состава горючего сланца при термообработке сопровождается выделением СО, СО2, O2, Н2О и Н2S. При увеличении температуры выход летучих веществ из полупродуктов термической деструкции горючих сланцев уменьшается. В температурном интервале 800-1000 С выход летучих веществ незначительный, так как для данных полупродуктов процесс разложения карбонатных минералов частично закончился .

Проведенные физико-химические исследования процесса пиролиза горючего сланца определили степень превращения в минеральной составляющей горючих сланцев, установлена зависимость между соотношением конечных продуктов и температурой процесса .

Обнаружено, что дополнительное количество газообразных веществ получается в ходе фазовых превращений в минеральной составляющей сланцев. Превращения, происходящие в горючих сланцах при термическом воздействии, позволяют использовать этот материал не только в энергетической промышленности, но также и в химической, и металлургической промышленностях .

ЛИТЕРАТУРА

1. Изучение физико-химических свойств горючих сланцев / М.Ю.Назаренко, В.Ю.Бажин, С.Н.Салтыкова, Г.В.Коновалов // Кокс и химия. 2014. № 3. С.44-50 .

2. Мирошина В.В. Направления использования твердых горючих углеродсодержащих отходов горного производства // Записки Горного института. 2002. Т.150. Ч.2. С.120-125 .





3. Рудина М.Г. Справочник сланцепереработчика / М.Г.Рудина, Н.Д.Серебрянникова. Л.: Химия, 1988. 256 с .

________________________________________________________________________________________________

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217

4. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт): [Электронный ресурс] .

URL: http://www.gost.ru/wps/portal/pages/ main .

5. Юдович Я.Э. Горючие сланцы Республики Коми. Проблемы освоения. Сыктывкар: Геопринт, 2013. 90 с .

6. Change in composition and properties of fuel shales during heat treatment / M.Yu.Nazarenko, V.Yu.Bazhin, S.N.Saltykova, F.Yu.Sharikov // Coke and Chemistry. 2014. Vol.57. N 10. P.129-134 .

7. Product of fuel shale pyrolysis / M.Yu.Nazarenko, N.K.Kondrasheva, S.N.Saltykova // Coke and Chemistry. 2015 .

Vol.58. N 4. P.143-146 .

REFERENCES

1. Nazarenko M.Ju., Bazhin V.Ju., Saltykova S.N., Konovalov G.V. Izuchenie fiziko-himicheskih svojstv gorjuchih slancev (Study of physical and chemical properties of combustible shales). Koks i himija. 2014. N 3, p.44-50 .

2. Miroshina V.V. Napravlenija ispol'zovanija tverdyh gorjuchih uglerodsoderzhashhih othodov gornogo proizvodstva (The uses of solid combustible carbon-containing wastes of the mining operatons). Zapiski Gornogo instituta. 2002. Vol.150 .

Part.2, p.120-125 .

3. Rudina M.G., Serebrjannikova N.D. Spravochnik slancepererabotchika (Reference book of a shale-processer). Leningrad: Himija, 1988, p.256 .

4. Federal'noe agentstvo po tehnicheskomu regulirovaniju i metrologii (Rosstandart) (Federal Agency on Technical Regulating and Metrology): [Jelektronnyj resurs]. URL: http://www.gost.ru/wps/portal/pages/ main .

5. Judovich Ja.Je. Gorjuchie slancy Respubliki Komi (Combustible shales of the Komi Republic.). Problemy osvoenija .

Syktyvkar: Geoprint, 2013, p.90 .

6. Nazarenko M.Yu., Bazhin V.Yu., Saltykova S.N., Sharikov F.Yu. Change in composition and properties of fuel shales during heat treatment. Coke and Chemistry. 2014. Vol.57, N 10, p.129-134 .

7. Nazarenko M.Yu., Kondrasheva N.K., Saltykova S.N. Product of fuel shale pyrolysis. Coke and Chemistry. 2015 .

Vol.58. N 4, p.143-146 .

EXAMINATION OF THE RAW MATERIALS AND THE PRODUCTS

OF THE COMBUSTIBLE SHALES PROCESSING

N.K.KONDRASHEVA, Dr. of Engineering Sciences, Professor, natalia_kondrasheva@mail.ru S.N.SALTYKOVA, PhD in Engineering Sciences, Associate Professor, ssn_58@ mail.ru National Mineral Resources University (Mining University), St Petersburg, Russia The reserves of combustible slates of Russia in shale oil and gas equivalent are more than the reserves of oil and natural gas .
The formation of a large volume of ash is a major problem connected to the processing and the usage of the combustible slates. It is possible to look at this problem from a different angle of vision if a mineral part of slates is considered as a complex organomineral raw material where a mineral substance of the slates is the same raw material as the organic one. For this purpose, it is required to study in detail the physicochemical characteristics of the combustible slates and the behavior of the organic and the mineral parts of the slates during the heat treatment .

This research focuses on the phase composition of Leningrad fuel shale and its changes on pyrolysis. They were studying the phase composition, the gas phase outlet, pyrolysis mass balance of combustible slates in the nitrogen atmosphere in the temperature range of 200-1000 С, the porosity changes of combustible slate in the nitrogen atmosphere in the temperature range of 25-900 С. It is determined that the main minerals of combustible slates are calcite (28 %), quartz (25 %), illite (17 %), and microcline (11 %). The temperature dependence of the shale porosity is studied in a nitrogen atmosphere and in air. The porosity changes in four stages: (I) 25-200 °C; (II) 200-400 °C; (III) 400-600 °C;

(IV) 600-900 °C. The mass balance pyrolysis of combustible slates in a PTK_1.2_40 tube furnace is made up, in the nitrogen atmosphere of 200, 400, 600, 800 and 1000 °C .

Key words: combustible slate, bricks, solid characteristics, blend composition, pyrolysis .

–  –  –

АКТИВАЦИОННОЕ КУЧНОЕ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ

ДИСПЕРСНОГО ЗОЛОТА ИЗ МАЛОСУЛЬФИДНЫХ РУД

А.Г.СЕКИСОВ, д-р техн. наук, директор, sekisovag@mail.ru Ю.И.РУБЦОВ, д-р техн. наук, заведующий лабораторией, rubtsov.jri@yandex.ru А.Ю.ЛАВРОВ, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, lavrov_2002@mail.ru Читинский филиал института горного дела СО РАН, Россия Предложена физико-химическая модель процессов кучного выщелачивания (КВ), позволяющая обосновать новые технологические подходы к извлечению дисперсных форм золота из руд, песков россыпей и техногенного минерального сырья. Ключевым процессом модели является диффузия в кристаллическую решетку минералов высокоэнергетичных ионов водорода и гидроксил-радикалов, образующихся в результате фотохимической и электрохимической обработки водных растворов исходных реагентов. Активные компоненты водно-газовых эмульсий, полученных при обработке исходных растворов реагентов, обеспечивают структурно-вещественную трансформацию кристаллических решеток минералов, концентрирующих кластеры дисперсного золота, создавая условия для его взаимодействия с комплексообразователями рабочих растворов. Рассмотрены технологические процессы активационного кучного выщелачивания дисперсного золота из руд месторождения «Погромное» и результаты экспериментов в перколяторах с их загрузкой массой от 3 до 100 кг, подтвердившие эффективность использования подготовленных в фотоэлектрохимическом реакторе водно-газовых эмульсий с активными ион-радикальными окислителями .

Ключевые слова: активационное кучное выщелачивание, малосульфидные руды, дисперсное золото, фотоэлектрохимическая подготовка растворов, водно-газовые эмульсии .

Введение. В рудах месторождений большинства формационных типов золото находится преимущественно в рассеянном состоянии, причем не только атомарного уровня (в виде структур внедрения в междоузлиях кристаллических решеток ряда минералов и изоморфных примесей), но и, как показывают исследования многих авторов, в форме полиэлементных или моноэлементных кластеров [1, 3]. Учитывая высокую степень геохимической связи кремния и золота, установление факта кластерообразования кремния со щелочными металлами, являющимися в определенной степени аналогами золота, можно предположить существование в рудах золото-кварцевой и золото-сульфидно-кварцевой формаций, полиэлементных кластеров золота и кремния (AunSim) .

Известно, что полиэлементные кластеры могут иметь структуру типа металл-лиганды (например, Mo3S7Cl4), металл-неметалл (например, Ti8C12) или металл 1-металл 2 (например, Au18-Ag20). Поскольку кремний является аналогом углерода и также проявляет способность к образованию химических связей комбинированного типа, то наиболее вероятной формой золото-кремниевых кластеров могут быть группы атомов с общей формулой (AunSim). По гипотезе профессора МГРИ-РГГРУ П.А.Игнатова, в рудах некоторых месторождений золото может присутствовать и в остаточных поровых растворах, а не только в наноразмерных структурных компонентах твердых тел .

В этом случае золото (и серебро) может содержаться в растворах не только в форме комплексных ионов, но и моноэлементных металлических кластеров – коллоидных частиц, например, соответственно Au55, Ag8. Такой тип кластеров может также являться субструктурой природных сплавов и амальгам в твердых минералах. Природное минеральное вещество, по крайней мере в пределах земной коры, взаимосвязано с водной средой, причем непосредственно с адсорбционной составляющей пленочной субфазы на поверхности внутрикристаллических нанотрещин (с расстоянием между их «стенками» 0,001-0,01 мкм) и 96 ________________________________________________________________________________________________

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217 пор [2]. Адсорбционная вода мономолекулярного слоя имеет относительно высокую энергию связи с атомами поверхностного слоя кристаллической решетки минерала (40-120 кДж/моль) и поэтому при получении «извне» дополнительной энергии может активно участвовать во внутрикристаллических процессах. При этом ее воздействие на атомы (ионы) глубинных слоев кристаллической решетки может быть как опосредованным (путем последовательной передачи импульсов от атомов поверхностного слоя атомам внутренних слоев), так и непосредственным: активные молекулы воды и продукты их диссоциации (протоны, гидроксил-ионы, гидроксил-радикалы и т.д.) диффундируют внутрь решетки через междоузлия до столкновения с узлами внутренних слоев .

Внутрикристаллические вторичные процессы, обусловленные взаимодействием ионизированных молекул воды, протонов, гидроксил-ионов и гидроксил-радикалов с атомами кристаллической решетки, могут иметь как деструктивный (образование вакансий и структур внедрения), так и кластерообразующий характер .

Для извлечения из кристаллической решетки условно неокисляемых кислородом минералов требуется использование растворов, содержащих компоненты, обеспечивающие гидратационную трансформацию при взаимодействии с кремнием и кислородом кристаллической решетки. При этом в отдельных ее участках образуются поликремниевые кислоты nSiO2·mH2O. Соответственно, будучи представлены аморфными образованиями, такие участки становятся более проницаемыми для компонентов выщелачивающих растворов, что обеспечивает в свою очередь возможность протекания с их участием реакций комплексообразования с атомами дисперсного золота .

Методика работ.

Образование поликремниевых кислот возможно в водной среде, содержащей гидроксид натрия и углекислый газ, причем этот процесс интенсифицируется присутствием активных форм кислорода:

SiO2 + nH2O·O + 2NaOH + H2O·CO2 = H2O·SiO3·Na2CO3·2OH·nH2O .

Для формирования такой активной среды в фотоэлектрохимическом реакторе готовится водно-газовая эмульсия. Растворение исходных компонентов в воде на первом этапе осуществляется путем барботажа их смеси воздухом с последующим электролизом, после завершения которого в полученную водно-газовую эмульсию вводят перекись водорода и облучают УФ-светом в диапазоне длин электромагнитных волн 180-250 нм, получая в газовой фазе активный кислород – O, а также сложные окиси углерода: CO2, C2О4. Полученную активную водно-газовую эмульсию используют для подготовки золотосодержащей минеральной массы к выщелачиванию. При этом минеральную массу укладывают в штабели или помещают в емкости, в том числе в кюветы, орошают активной водно-газовой эмульсией и выдерживают паузу для повышения проницаемости частиц золотосодержащего кварца-халцедона, а также интенсивного выщелачивания железа и меди гидрокарбонатами и окисления серы активными формами кислорода .

После этого минеральную массу обрабатывают выщелачивающим раствором, содержащим комплексообразователи для золота, например цианид натрия. Продуктивные золотосодержащие растворы собираются в дренажной канаве или откачиваются из емкости и подаются насосом в накопительную емкость или (в зависимости от содержания золота в растворе) на сорбцию в сорбционные колонны. Далее циклы орошения активной водногазовой эмульсией и раствором, содержащим комплексообразователи для золота, продолжаются до достижения экономически оправданного уровня его извлечения .

Предлагаемая технология активационного кучного выщелачивания прошла экспериментальную проверку на рудах месторождения «Погромное» (ООО «Рудник Апрелково»), представленных малосульфидными золотосодержащими метасоматитами переменного минерального состава. Доля высвобождаемого при измельчении этой руды золота (условно свободного) составляет 60-70 %, золота в сростках 15-20 %, дисперсного и инкапсулироСанкт-Петербург. 2016 Степень извлечения, доли ед .

ванного золота в алюмосиликатных, силикатных и в меньшей степени в сульфидных минералах – до 15 % (остальное золото покрыто пленками) .

Результаты исследований. Испытания малых Продолжительность выщелачивания, сут технологических проб проРис.1. Кинетика выщелачивания золота из руд месторождения «Погромное» водились на предоставленконтрольная схема КВ с предварительной агломерацией; 2 – контрольная ном предприятием материасхема КВ с предварительной агломерацией и насыщением выщелачивающих ле, из которого было взято растворов х.ч. кислородом; 3 – активационная схема КВ с использованием три навески по 3 кг. Агломегазовой эмульсии, приготовленной в фотоэлектрохимическом реакторе рация дробленой руды до класса –10 мм осуществлялась по различным схемам. Агломерированная масса загружалась в лабораторные перколяторы и выдерживалась в них для реализации процесса диффузионного окисления минералов, содержащих дисперсное золото и укрепления окатышей .

По 1-й контрольной схеме цианидный раствор, используемый на стадии агломерации, готовился на основе водопроводной воды. По 2-й контрольной схеме цианидный раствор не использовался на стадии агломерации .

В дальнейшем выщелачивающий раствор подавался капельно на агломерированную руду (после ее выстаивания) из расчета удельного расхода 0,3 г NaCN на 1 кг руды (по предварительному согласованию с руководством предприятия), что равно удельному расходу цианида, принятому в соответствии с техническим регламентом .

Орошение контрольных проб руды осуществлялось после их выстаивания в колоннах выщелачивающими растворами: 1-я схема – водным цианидным раствором; 2-я – накислороженным водным цианидным раствором. Для орошения экспериментальной навески руды, после агломерации и выстаивания, использовался активный цианидный раствор, который готовился на базе активной водно-газовой эмульсии, подготовленной в фотоэлектрохимическом реакторе .

Результаты исследований приведены на рис.1 .

Далее эксперименты были продолжены непосредственно на предприятии ООО «Рудник Апрелково». Отобранная проба руды была усреднена и отквартована (разделена) на навески весом по 70 кг. В одну из колонн загружалась агломерированная (с добавкой цемента, окиси кальция и водного раствора цианида натрия) контрольная навеска, во вторую – навеска, агломерированная с добавкой цемента и активной газовой эмульсии из фотоэлектрохимического реактора, подготовленного в лаборатории Читинского филиала ИГД СО РАН .

После окомкования в механическом агломераторе навески выдерживались в колоннах в течение трех суток. Далее в колонны в капельном режиме подавался раствор цианида натрия. В экспериментальный перколятор подавался раствор цианида натрия, подготовленный на базе активной водно-газовой эмульсии (пероксидно-карбонатного раствора из фотоэлектрохимического реактора) .

Продуктивные растворы собирались в приемной емкости и передавались на анализ .

Результаты испытаний, представленные на рис.2, показывают, что итоговое извлечение золота в раствор по экспериментальной схеме (кривая 1) существенно выше, чем по контрольной (кривая 2) .

По данным анализов твердой фазы извлечение по экспериментальной схеме составило 83 %, а по контрольной – 43 % .

Исследования второго этапа на предприятии с оборотными реактивируемыми растворами были проведены на ООО «Рудник Апрелково» в период 02.07.2014-10.08.2014. Для 98 ________________________________________________________________________________________________

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217 Извлечение золота в раствор, % 10.04.2014 12.04.2014 14.04.2014 16.04.2014 18.04.2014 20.04.2014 22.04.2014 24.04.2014 26.04.2014 28.04.2014 30.04.2014 02.05.2014 04.05.2014 06.05.2014 08.05.2014 10.05.2014 12.05.2014 14.05.2014 16.05.2014 18.05.2014

–  –  –

проведения эксперимента в перколяторы, изготовленные на предприятии, были загружены четыре навески по 100 кг, выделенные из усредненной крупнообъемной пробы руды текущей добычи. Все навески перед загрузкой были агломерированы с использованием цианидных растворов, причем 1-й и 4-й перколяторы использовались как контрольные. При этом во второй контрольной схеме (4-й перколятор) применяли дополнительный окислитель – перекись водорода .

Руда, загружаемая в экспериментальные колонны, делилась на две части, одна из которых обрабатывалась цианидным раствором концентрацией 1 г/л (как и контрольные навески), вторая – активной водно-газовой эмульсией, подготовленной в фотоэлектрохимическом реакторе, переданном во временное пользование предприятию. После этого окомкованные части руды перемешивались в агломераторе и усредненная масса засыпалась в колонны № 2, 3 .

После выстаивания навесок в перколяторы (для формирования окатышей и реализации диффузионного режима выщелачивания и окисления) подавались цианидные растворы равной концентрации, причем в экспериментальные – приготовленные на базе активной водно-газовой эмульсии из фотоэлектрохимического реактора .

Выпускаемые из экспериментальных перколяторов продуктивные растворы пропускались через емкости с активированным углем и после сорбции из них золота полученные маточные растворы направлялись на реактивацию. Маточные растворы перколяторов № 2 и 3 насыщались кислородом с помощью компрессора и поступали в реактор на электрохимическую обработку (для формирования в растворе активных гидратированных комплексов) без облучения УФ-лампой. При этом во 2-й перколятор помимо реактивированного оборотного раствора капельно добавлялся свежий активный раствор (активная водно-газовая эмульсия), прошедший фотоэлектрохимическую обработку (соотношение подачи этих растворов 10 :1). Растворы доукреплялись цианидом натрия и кондиционировались щелочью до рН = 10,5 .

Результаты экспериментов по выщелачиванию дисперсного золота показали (по данным анализов, выполненных лабораторией ООО «Рудник Апрелково»), что за 40 сут выщелачивания активными растворами извлечено из упорных руд 69 и 67 % (соответственно экспериментальные перколяторы № 2 и 3) металла, в то время как по контрольным схемам

– 50 и 62 % (соответственно контрольные перколяторы № 1 и 4). Динамика извлечения золота в раствор по всем схемам приведена на рис.3 .

________________________________________________________________________________________________ 99 Санкт-Петербург. 2016 Извлечение золота в раствор, % 02.07.2014 04.07.2014 06.07.2014 08.07.2014 10.07.2014 12.07.2014 14.07.2014 16.07.2014 18.07.2014 20.07.2014 22.07.2014 24.07.2014 26.07.2014 28.07.2014 30.07.2014 01.08.2014 03.08.2014 05.08.2014 07.08.2014

–  –  –

Выводы. По всем трем технологическим параметрам наилучшие показатели достигнуты по 2-й схеме (см. таблицу), поэтому она может быть рекомендована для проведения опытно-промышленных испытаний. В настоящее время на руднике «Апрелково» принято решение о подготовке к опытно-промышленным испытаниям технологии активационного кучного выщелачивания дисперсного золота и нами совместно со специалистами ЗАО «Нордголд» ведется соответствующая работа .

ЛИТЕРАТУРА

1. Бойцов В.Е. Месторождения благородных, радиоактивных и редких металлов / В.Е.Бойцов, Г.Н.Пилипенко, Н.А.Солодов. М.: НИА-Природа, 1999. 220 с .

2. Королев В.А. Связанная вода в горных породах: новые факты и проблемы // Соросовский образовательный журнал. 1996. № 9. С.79-85 .

3. Лавров А.Ю. Использование фотоэлектрохимических и электросорбционных процессов при геологотехнологическом тестировании упорных руд / А.Ю.Лавров, Д.В.Манзырев // Вестник Читинского государственного университета. 2013. № 3. С.24-29 .

________________________________________________________________________________________________

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217

REFERENCES

1. Bojcov V.E., Pilipenko G.N., Solodov N.A. Mestorozhdenija blagorodnyh, radioaktivnyh i redkih metallov (Deposits of precious, radioactive and rare metals). Мoscow: NIA-Priroda, 1999, p.220 .

2. Korolev V.A. Svjazannaja voda v gornyh porodah: novye fakty i problemy (Bound water in rocks: new facts and challenges). Sorosovskij obrazovatel'nyj zhurnal. 1996. N 9, p.79-85 .

3. Lavrov A.Ju., Manzyrev D.V. Ispol'zovanie fotojelektrohimicheskih i jelektrosorbcionnyh processov pri geologotehnologicheskom testirovanii upornyh rud (Using of photoelectrochemical and electrosorption processes in the geological and technological testing of refractory ores). Vestnik Chitinskogo gosudarstvennogo universiteta. 2013. N 3, p.24-29 .

ACTIVATION OF HEAP LEACHING OF LOW-SULFIDE ORES THE INVISIBLE GOLD

A.G.SEKISOV, Dr. of Engineering Sciences, Director, sekisovag@mail.ru Y.I.RUBZOV, Dr. of Engineering Sciences, Head of Laboratory, rubtsov.jri@yandex.ru A.Y.LAVROV, PhD in Engineering Sciences, Senior Researcher, lavrov_2002@mail.ru Chita branch of Mining Institute SB RAS, Russia This article deals with a physical-chemical model of heap leaching processes justifying new technological approaches to recovering dispersed forms of gold from ores, placer sands and deuterogene mineral raw materials. The key process of this model includes lattice diffusion of highenergy hydrion minerals and hydroxyl-radicals formed as a result of photochemical and electrochemical processing of initial reagent aqueous solutions. Active components of gas-water emulsions obtained while processing initial reagent solutions provide a structural and material transformation of a mineral lattice which concentrates clusters of dispersed gold creating conditions for its interacting with complexing compounds of process solutions. The article also considers the technological processes of activation heap leaching of dispersed gold from the Pogromnoe ore field and the results of the experiments conducted in percolators with their charge ranged from 3 to 100 kg. The results have proved the efficiency of using gas-water suspensions prepared in the photoelectrochemical reactor with active ion-radical oxidizing agents .

Key words: activation heap leaching, low-sulphide ore, dispersed gold, photoelectrochemical preparation of solutions, water-gas emulsion .

–  –  –

ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ

ПРОЦЕССОВ СПЕКАНИЯ ЩЕЛОЧНЫХ АЛЮМОСИЛИКАТОВ

И ГИДРОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ СПЕКОВ

В.М.СИЗЯКОВ, д-р техн. наук, профессор, kafmetall@mail.ru Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург, Россия Щелочные алюмосиликаты как комплексное минеральное сырье представляют значительный интерес для алюминиевой, химической промышленности и производства строительных материалов. Они широко распространены в земной коре, характеризуются сложностью вещественного состава и переменным содержанием основных компонентов – глинозема, щелочей и кремнезема; часто залегают там, где в силу геологических условий отсутствуют бокситы, например в США, Канаде, Венесуэле, Мексике, Иране, Египте, Португалии, Испании, Болгарии и других странах .

В настоящее время экономический интерес для России представляют нефелины, которые играют большую роль в сырьевом балансе отечественной алюминиевой промышленности. Из-за ограниченных запасов бокситов доля глинозема, производимого из нефелинов, составляет 40 % и со временем будет только возрастать за счет вовлечения в производство новых месторождений щелочных алюмосиликатов. Многие зарубежные компании также проявляют интерес к комплексной переработке этого типа руд .

В основе технологии лежит способ спекания руды с известняком. В результате получают спеки, состоящие из алюминатов щелочных металлов и двухкальциевого силиката;

спеки выщелачивают оборотными щелочно-алюминатными растворами, из растворов выделяют глинозем, соду и поташ. Двухкальциевый силикат (нефелиновый шлам) перерабатывают на портландцемент. Для исследованных спеков проявляется тенденция к повышению оптимальной температуры спекания со снижением в них содержания Al2O3. С увеличением силикатного модуля (м.о. SiO2/ Al3O3) в исходных щелочных алюмосиликатных шихтах температура спекообразования возрастает. Спеки на основе различных щелочных алюмосиликатов имеют отличающуюся микроструктуру, степень кристаллизации в них С2S и алюмината натрия улучшается с уменьшением количества алюминатной фазы .

Результаты исследований свидетельствуют о весьма ограниченной растворимости алюминатной фазы в двухкальциевом силикате, что теоретически обосновывает достаточно высокий уровень химического извлечения полезных компонентов при переработке различных типов щелочных алюмосиликатов методом спекания .

Ключевые слова: щелочные алюмосиликаты, известняк, спекание, выщелачивание, глинозем, цемент, комплексная переработка .

–  –  –

Санкт-Петербург. 2016 _________________________________________________________________________________________________

В основе комплексной переработки нефелинов лежит мокрый способ производства [8]. Суть его заключается в термической высокотемпературной обработке (1300 С) нефелино-известняковой шихты с влажностью 30 % в длинных вращающихся печах диаметром АМ 4-5150 – 180 м .

В результате разложения нефелина известняком получают алюминаты щелочных металлов и двухкальциевый силикат в виде спека:

(Na,K)2OAl2O32SiO2 +4CaCO3 (Na,K)2OAl2O3 + 2(2СaOSiO2) + 4СО2 .

Алюминаты щелочных металлов перерабатываются гидрохимическим щелочным способом на глинозем, соду, поташ. Двухкальциевый силикат (нефелиновый шлам) с добавкой известняка используют для производства портландцемента .

В принципе перспективы развития отечественной минерально-сырьевой базы производства глинозема в значительной степени связаны с освоением ресурсов низкосортного алюминиевого сырья природного и техногенного происхождения. Имеются еще важные обстоятельства, которые повышают актуальность выбранной тематики, делают ее привлекательной и для зарубежных алюминиевых и химико-металлургических компаний .

Щелочные алюмосиликатные руды широко распространены не только в России, но и в других регионах мира. Они часто залегают там, где в силу геологических условий отсутствуют бокситы, например в США, Канаде, Венесуэле, Мексике, Аргентине, Иране, Пакистане, Египте, Испании, Португалии, Болгарии и других странах. Практически всем массивам этих видов сырья свойственны большие запасы, а также благоприятные горно-технические условия, позволяющие вести открытую разработку месторождений .

Большой опыт, накопленный нами в ходе выполнения работ по изучению пригодности различных типов щелочных алюмосиликатов отечественных и зарубежных месторождений к промышленному использованию, позволяет выявить общие химико-технологические закономерности комплексной переработки, что повышает надежность полученных результатов и расширяет возможности вовлечения в сферу производства бедного алюминийсодержащего сырья с получением продуктов высокого качества [6] .

Конкурентоспособность комплексной технологии щелочных алюмосиликатов может быть существенно повышена на основе разработок Горного университета, где предусмотрен переход на «сухой» способ спекания с полной диверсификацией производства, что при прочих равных условиях обеспечивает снижение расхода топлива на 30 %, увеличение производительности печных агрегатов примерно в 3 раза и выпуск новой продукции с высокой добавленной стоимостью [8] .

Методика исследований. Исследования по спеканию шихт на основе различных типов щелочных алюмосиликатов проводили в печи с программным управлением в широком температурном интервале 1200-1350°С с варьированием щелочных модулей (м.о .

R2O/(Al2O3+Fe2O3)) и постоянном известковом модуле (м.о.СаО/SiO2), равном 20,02. В качестве карбонатной составляющей шихт во всех опытах использовали пикалевский известняк с содержанием SiO2 1,8-2,0 % .

Корректировку щелочного модуля осуществляли с учетом возгона щелочных соединений в процесс спекания [10] .

Статистическая обработка химических анализов промышленных шихт и спеков на содержание Na2 O и K2 O показывает, что в процессе спекания происходит снижение суммарного количества щелочей в шихтах на 1,5-4 %, т.е. щелочной модуль шихты всегда выше щелочного модуля спека на 0,015-0,04 ед., причем значительное количество возгонов приходится на соединения калия, что связано со структурой щелочных алюмосиликатов [1]. Корректировку щелочного модуля в лабораторных условиях достаточно осуществлять с учетом дефицита щелочи только в отношении Al2 O3 и Fe2O3 в составе алюминатов R2OAl2 O3 и ферритов R2OFe2O3, исключая поправку на малые примеси сульфатов и хлоридов .

Дисперсность алюмосиликатных руд, по нашим данным [10], меньше влияет на улет щелочей при спекании шихт, чем тонина помола карбонатной составляющей. Для получения необходимой дисперсности шихты с целью уменьшения улета щелочей наилучшим образом подходит раздельная технология измельчения руды и известняка с получением заданной крупности: по руде остаток на сите 0,08 мм составляет 6-7 %; по известняку – 13-14 % .

________________________________________________________________________________________________

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217 Для определения оптимальной температуры спекания полученные спеки подвергали стандартному выщелачиванию. Условия стандартного выщелачивания: процесс осуществляется в мешалке, тонина измельчения спека 100 %, крупность фракции – 40 мкм; температура 70 оС, продолжительность 5 мин, Ж:Т = 5:1; концентрация исходного щелочного раствора 25 г/дм3 Na2Oу, 5 г/дм3 Na2Oк .

Одновременно определяли пористость спека методом парафинирования, принятом на производстве [2, 3]. Опыты по технологическому выщелачиванию проводили при параметрах, близких к промышленным: спек размалывали в шаровой мельнице при Ж:Т = 3:1 и температуре 80 С в течение 10 мин, полученную пульпу сгущали и промывали в специальных цилиндрах, число степеней промывки в противотоке соответствовало 5, для интенсификации процесса в пульпу добавляли флокулянт (~20 г/т твердого) .

В работе широко использовали следующие методы анализа: химический, рентгенофлуоресцентный, петрографический, ДТА, ИКС .

Результаты исследований и их обсуждение. В результате экспериментов было установлено, что обычная ненасыщенная шихта R2O/Al2O3 = 1 0,01 и СаО/SiO2 = 20,02, применяемая в России в промышленном масштабе для переработки богатых нефелиновых руд и концентратов (27-29 % А12О3), в случае использования низкокачественного алюмосиликатного сырья не является оптимальной и требует корректировки .

Для анализа полученных результатов удобно провести деление всех изученных спеков условно на железистые (м.о. Fe2O3/А12О3 = 0,08 – 0,15) и низкожелезистые (м.о .

Fe2O3/А12О3 = 0,01 – 0,04). В соответствии с этим к первой группе будут относиться спеки на основе следующих руд и концентратов: кольского нефелинового концентрата, кияшалтырской руды, мексиканских нефелиновых сиенитов, португальских пород и болгаритов. Во вторую группу войдут спеки на основе концентратов от обогащения нефелиновых руд Сибири, а также сынныритов, итальянских лейцитов, венесуэльских полевошпатовых концентратов .

В табл.2 приведен химический состав некоторых типичных спеков I и II групп в сравнении с хорошо изученным промышленным спеком Пикалевского глиноземного завода .

Таблица 2 Химический состав спеков на основе различных щелочных алюмосиликатов

–  –  –

Для выяснения природы потерь Al2O3 и R2O с различными шламами в составе твердого раствора на основе двухкальциевого силиката была сделана попытка выделения его из шламов в мономинеральном виде. Получение мономинеральной фазы достаточной степени чистоты было затруднено в силу ряда причин: малого размера зерен С2S ( 12-15 мкм) и наличия между зернами тонких прослоек (1-2 мкм) новообразований, отделить которые от зерен С2S не удается даже при очень тонком измельчении шламов .

Для исследования были выбраны два шлама: венесуэльский и кия-шалтырский. Тщательно растертые пробы отстаивались в тяжелых жидкостях с переменным удельным весом .

Исходя из значений удельного веса разделяемых фаз (C2S = 3,28 г/см3, CaCO3 = 2,7 г/см3, гидросиликаты кальция и стекловата частицы 2,8 г/см3), на основе йодистого ( = 3,32 г/см3) и бромистого ( = 2,49 г/см3) метилена были составлены смеси тяжелых жидкостей с удельным весом от 2,85 до 3,10 г/см3. Небольшое количество шлама (0,5-1 г) засыпалось в пробирки и заливалось тяжелой жидкостью. После перемешивания пробы отстаивались в течение 1-1,5 ч, затем верхняя, более легкая фракция, сливалась на фильтр, нижняя снова заливалась жидкостью и вновь отстаивалась .

Операцию декантации повторяли многократно, и это позволило получить двухкальциевый силикат с меньшим количеством примесей. Все операции проходили при постоянном петрографическом контроле. Для венесуэльского шлама была получена проба с наименьшим количеством примесей – 6-7 %, представленных прослойками гидросиликатов кальция ~ 3 % и стекла с низким (Ng ~ 1,530-1,540) показателем светопреломления ~2 %, предположительно калиево-кальциевого состава (60 % SiO2, 19 % K2O, 21 % СаО), а также железосодержащими фазами (феррит натрия и алюмоферрит кальция), доля которых не превышает 1 %. На основании данных химического анализа выделенной фракции C2S и фазового состава, определенного петрографическим методом, рассчитывали состав твердого раствора на основе -C2S, принимая долю SiO2 за 1 .

Обогащение кия-шалтырской пробы потребовало большего времени из-за более мелкозернистой структуры и наличия бо льшего количества примесных компонентов, степень чистоты выделенной фазы составила 89-90 %. Расчетное количество примесей в ней равнялось: стекло – 1,32 %, NF ~1 %; С4AF ~ 1,5; CSH – 5 %, СаСО3 – 1 % .

Сводные данные по составу твердых растворов на основе двухкальциевых силикатов венесуэльского и кия-шалтырского шламов представлены в табл.4. Как следует из таблицы, доля Al2O3 в составе твердых растворов двухкальциевых силикатов, выделенных из венесуэльского и кия-шалтырского шламов, одинакова, но щелочи в двухкальциевом силикате венесуэльского шлама значительно меньше, что может служить подтверждением более активной термической диссоциации алюминатов щелочных металлов в бедных спеках .

–  –  –

Состав твердых растворов на основе двухкальциевого силиката, полученного при спекании природных минеральных образцов различных щелочных алюмосиликатов с известняком, т.е. в условиях глиноземной технологии, изучен нами впервые .

Результаты исследований свидетельствуют о весьма ограниченной растворимости алюминатной фазы в двухкальциевом силикате, что теоретически обосновывает достаточно высокий уровень химического извлечения полезных компонентов при переработке различных типов щелочных алюмосиликатов методом спекания .

С целью дальнейшего повышения качества шламов – сырья для производства портландцемента – нами предложен способ доизвлечения из них щелочи методом карбонизации в слабой промводе, например, между 4-й и 5-й ступенями промывки [9]. Такая технология обеспечивает снижение содержания R2O в глиноземсодержащих шламах на 40 %, что позволяет использовать их для получения портландцемента высших марок (600-700) .

Заключение. В работе изложены обобщенные результаты исследований по переработке щелочных алюмосиликатов различного типа способом спекания с известняком. В качестве исходного минерального сырья природного и техногенного происхождения представлено все многообразие щелочных алюмосиликатов, известных в мире, начиная от отечественных богатых руд и концентратов с содержанием 27-29 % Al2 O3 (кияшалтырские нефелины и кольские нефелиновые концентраты) и заканчивая зарубежными ультрабедными образцами 17,4-17,8 % Al2 O3 (болгаритами и полевошпатовыми концентратами) .

Все опыты по спеканию проводили в расчете на получение алюминатов щелочных металлов R2OAl2O3 и двухкальциевого силиката 2CaOSiO2. В зависимости от типа щелочных алюмосиликатов дозировку щелочи вели для низкожелезистого сырья (м.о .

Fe2O3/А12О3 = 0,010,04) на получение насыщенных шихт R2O/(Al2O3+Fe2O3) = 1,00,02, для высокожелезистого (м.о. Fe2O3/А12О3 = 0,080,15) часть щелочи (~50 %) заменена на СаО для предотвращения плавней, в этом случае щелочной модуль имел вид (0,5R2O + 0,5СаО)/(Al2O3+Fe2O3) = 1,00,02. Во всех опытах щелочь дозировали с учетом ее высокотемпературных возгонов .

В результате исследований доказано, что вне зависимости от содержания Al2O3 в щелочных алюмосиликатах полученные спеки на их основе кристаллизуются в области устойчивости двухкальциевого силиката (система R2OAl2O3 – Na2OFe2O3 – 2CaOSiO2) вдали от легкоплавких смесей, что обеспечивает достаточно высокое первичное извлечение из спеков глинозема и щелочи .

Исследование твердых растворов в системах R2O – 2CaOSiO2, Al2O3 – 2CaOSiO2 свидетельствует о весьма ограниченной растворимости алюминатной фазы в двухкальциевом силикате, что теоретически обосновывает низкий уровень вторичных потерь в сфере выщелачивания спеков .

Таким образом, установлены общие закономерности основных процессов комплексной переработки практически всех типов щелочного алюмосиликатного сырья и доказана технологичность такой переработки независимо от качества исходной руды .

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках Государственного задания в сфере научной деятельности на 2016 год .

________________________________________________________________________________________________

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217

ЛИТЕРАТУРА

1. Арлюк Б.И. Выщелачивание алюминатных спеков. М.: Металлургия, 1979. 180 с .

2. Абрамов В.Я. Выщелачивание алюминатных спеков / В.Я.Абрамов, Н.И.Еремин. М.: Металлургия, 1976. 208 с .

3. Нефелиновые породы – комплексное алюминиевое сырье / С.Я.Данциг, Е.Д.Андреев, В.В.Пивоваров и др .

М.: Недра, 1988. 190 с .

4. Оптимизация технологии производства цемента // Zement-Kalk-Gips. 2004. № 6. Вып.57. 267 с .

5. Рассел Джесси. Силикаты (минералы). М.: Изд-во VSD, 2013. 104 с .

6. Сизяков В.М. Повышение качества глинозема в попутной продукции при переработке нефелинов / В.М.Сизяков, В.И.Корнеев, В.В.Андреев. М., Металлургия, 1986. 115 с .

7. Сизяков В.М. Проблемы развития производства глинозема в России // Сб. докладов I Международного конгресса «Цветные металлы Сибири-2009». Красноярск, 8-10 сентября 2009. С.120-134 .

8. Сизяков В.М. Модернизация технологии комплексной переработки нефелиновых концентратов на Пикалевском глиноземом комбинате // II Международный конгресс «Цветные металлы-2010», Красноярск. 2010. С.219-230 .

9. Сизяков В.М. Содо-известковое выщелачивание нефелиновых шламов в технологии сухого способа производства портландцемента / В.М.Сизяков, Е.В.Сизякова // III Международный конгресс «Цветные металлы-2011» .

Красноярск. 2011. С.136-141 .

10. Сизяков В.М. Поведение щелочей при сухом спекании нефелино-известняковой шихты / В.М.Сизяков, В.Ю.Бажин, Е.В.Сизякова // Металлург. 2015. № 11. С.28-35 .

11. Сизяков В.М. Современное состояние и проблемы развития алюминиевой промышленности России // Записки Горного института. 2005. Т.165. С.163-169 .

REFERENCES

1. Arlyuk B.I. Vyshchelachivanie alyuminatnykh spekov (Leaching of aluminate cakes). Moscow: Metallurgiya, 1979, р.180 .

2. Abramov V.Ya., Eremin N.I. Vyshchelachivanie alyuminatnykh spekov (Leaching of aluminate cakes). Moscow:

Metallurgiya, 1976, р.208 .

3. Dantsig S.Ya., Andreev E.D., Pivovarov V.V. et al. Nefelinovye porody – kompleksnoe alyuminievoe syr'e (Nepheline rocks – a complex aluminum raw material). Moscow: Nedra, 1988, p.190 .

4. Optimizatsiya tekhnologii proizvodstva tsementa (Optimization of cement production technology). Zement-KalkGips. 2004. N 6. Iss.57, p.267 .

5. Rassel Dzhessi. Silikaty (mineraly) (Silicates (minerals)). Moscow: Izd-vo VSD, 2013, p.104 .

6. Sizyakov V.M., Korneev V.I., Andreev V.V. Povyshenie kachestva glinozema v poputnoi produktsii pri pererabot-ke nefelinov (Improving the quality of alumina-products in the processing of nepheline ). Moscow: Metallurgiya, 1986, p.115 .

7. Sizyakov V.M. Problemy razvitiya proizvodstva glinozema v Rossii (Problems of alumina production development in Russia). Sb. dokladov I Mezhdunarodnogo Kongressa «Tsvetnye metally Sibiri – 2009». Krasnoyarsk, 8-10 sentyabrya 2009, p.120-134 .

8. Sizyakov V.M. Modernizatsiya tekhnologii kompleksnoi pererabotki nefelinovykh kontsentratov na Pikalevskom glinozemom kombinate (Modernization of Technoligy of Complex Processing of Kola Nepheline Concentrates at Pikalevo Aluminous Combine). II Mezhdunarodnyi kongress «Tsvetnye metally-2010», Krasnoyarsk. 2010, p.219-230 .

9. Sizyakov V.M., Sizyakova E.V. Sodo-izvestkovoe vyshchelachivanie nefelinovykh shlamov v tekhnologii sukhogo sposoba proizvodstva portlandtsementa (Soda-lime leaching of nepheline sludges in technology of dry process production of Portland cement). III Mezhdunarodnyi kongress «Tsvetnye metally-2011». Krasnoyarsk. 2011, p.136-141 .

10. Sizyakov V.M., Bazhin V.Yu., Sizyakova E.V. Povedenie shchelochei pri sukhom spekanii nefelino-izvestnyakovoi shikhty (The behavior of alkalis in the dry sintering of nepheline-lime mixture). Metallurg. 2015. N 11, p.28-35 .

11. Sizyakov V.M. Sovremennoe sostoyanie i problemy razvitiya alyuminievoi promysh-lennosti Rossii (Current status and problems of the Russian aluminum industry). Zapiski Gornogo instituta. 2005. Vol.165, р.163-169 .

CHEMICAL AND TECHNOLOGICAL MECHANISMS OF A ALKALINE ALUMINUM

SILICATES SINTERING AND A HYDROCHEMICAL SINTER PROCESSING

V.M.SIZYAKOV, Dr. of Engineering Sciences, Professor, kafmetall@mail.ru National Mineral Resources University (Mining University), St Petersburg, Russia Complex mineral raw material, as alkali aluminum silicates, is an interest for aluminum industry, chemical industry and for the production of constructional materials. They are well represented in the earth's crust, characterized by the complexity of material composition and variable content of the main components such as alumina, silica and alkalies. They often occur where due to the geological conditions there is no bauxite, for instance, in the United States, Canada, Venezuela, Mexico, Iran, Egypt, Portugal, Spain, Bulgaria and other countries .

_________________________________________________________________________________________________

Санкт-Петербург. 2016 At the present time for the Russian economy the nephelines from this list are the most valuable and have the great concern for the raw materials balance of the national aluminum industry. Because of limited reserves the bauxites proportion of alumina produced from nephelines by sintering is 40 % and in time this proportion will increase due to the involvement in the production of new deposits of alkali aluminum silicates. Many of foreign companies have also shown interest to the complex processing of ores .

The investigation of technology is based on the method of sintering ore with limestone. As a result, the after-sintering mixture consists of alkali metal aluminates and dicalcium silicate; after-sintering mixture is leached by circulating alkaline aluminate solution, alumina, soda and potash are thrown out from the solution. Dicalcium silicate (nepheline sludge) is processed to Portland. For the investigated after-sintering mixture the tendency shows the increasing of optimum sintering temperature with the lowering Al2 O3 content. With the increasing of silicate module (SiO2/ Al3O3 ) of the initial alkali aluminum silicates charges the temperature of aftersintering mixture formation increases. After-sintering mixtures that are on base of alkali aluminum silicates have different microstructure and the degree of crystallization in which -С2S and sodium aluminate is improved with a decrease of the aluminate phase amount .

Results of investigations show a very limited solubility of aluminate phase in dicalcium silicate, which theoretically justifies a sufficiently high level of useful components chemical extraction in the processing of different types of alkali aluminum silicates by sintering .

Key words: alkaline aluminum silicates, limestone, sintering, digestion, alumina, cement, complex processing .

________________________________________________________________________________________________

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217 УДК 669.053: 631.46: 622.7

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ БИОТЕХНОЛОГИЙ

В МЕТАЛЛУРГИИ И ОБОГАЩЕНИИ

Н.М.ТЕЛЯКОВ, д-р техн. наук, профессор, 9418960@mail.ru А.А.ДАРЬИН, канд. техн. наук, ассистент, darinbox@mail.ru Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург, Россия В.А.ЛУГАНОВ, д-р техн. наук, профессор, v_luganov@hotmail.com Казахский национальный технический университет, Алма-Ата, Казахстан В течение последних лет широкое развитие получило применение биотехнологий в процессах обогащения и переработки металлсодержащих руд ввиду существенных преимуществ данных технологий с точки зрения экономической эффективности и экологической безопасности. Большой интерес представляют процессы с применением хемолитотрофных ацидофильных микроорганизмов Acidithiobacillus ferrooxidans, At. thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans и др. Статья посвящена проблеме применения биокультур для улучшения эффективности технологии рудоподготовки и извлечения ценных компонентов из металлсодержащего рудного сырья. Приведены анализ применяемых биотехнологий и микроорганизмов на отечественных и зарубежных предприятиях, теоретические основы процессов биообработки руд, результаты исследований по разработке технологии переработки оксидных и сульфидных металлсодержащих руд с применением микроорганизмов и исследований механизма деструктивного воздействия бактерий определенного типа на кремнийсодержащие руды .

Ключевые слова: выщелачивание, микроорганизмы, тионовые бактерии, силикатные бактерии, цветные металлы, сульфидная руда, гидрометаллургия, обогащение, биовыщелачивание, биодеструкция, биотехнологии .

Возрастающая стоимость извлечения и переработки металлов из руд, наряду с истощением запасов высококачественного минерального сырья и усилением природоохранных мер, способствовала развитию новых технологий в горно-добывающей и металлургической промышленностях. Биовыщелачивание является привлекательной альтернативой традиционным физическим и химическим методам обогащения руд благодаря снижению ресурсоемкости технологии и менее пагубному воздействию на окружающую среду .

За последние десятилетия промышленное применение микроорганизмов с целью извлечения ценных компонентов из руд достигло широких масштабов в разных странах мира .

Одним из направлений научно-технического прогресса в области переработки минерального сырья является применение комбинированных технологий, позволяющих значительно повысить комплексность использования руд, снизить стоимость переработки и обеспечить эффективную защиту окружающей среды. Примером таких технологий может быть сочетание процессов обогащения с последующим бактериальным выщелачиванием .

Выяснение роли микроорганизмов в процессе изменения и превращения полезных ископаемых является одной из основных задач геологической микробиологии. Многие ценные металлы, такие как медь, цинк, никель, молибден и др., встречаются в природе в форме сульфидов. В окислительных условиях земной коры сульфиды под воздействием различных окислительных агентов превращаются в сульфаты. Большинство сульфатов хорошо растворимы в воде. Поэтому окисление сульфидов в месторождениях сопровождается их выщелачиванием [6] .

Бактериальные процессы, протекающие в сульфидных месторождениях, могут быть использованы для интенсификации гидрометаллургической переработки сульфидных руд .

________________________________________________________________________________________________ 113 Санкт-Петербург. 2016 Первые указания о роли бактериального фактора в окислении и выщелачивании сульфидов были получены в 1947 г. Колмером и Хинклом, которые установили, что интенсивное окисление ионов двухвалентного железа в трехвалентное состояние, наблюдаемое в кислых дренажных водах пиритоносных угольных месторождений, обусловлено участием бактерий Acidithiobacillus ferrooxidans (Thiоbacillus Ferrooxidans). Трехвалентное железо является одним из наиболее сильных окислителей сульфидов, при взаимодействии с которыми оно восстанавливается в двухвалентное состояние, поэтому бактериальная регенерация трехвалентного железа из двухвалентной формы имеет, несомненно, большое значение в общем процессе окисления и выщелачивания сульфидных минералов [7] .

Несмотря на то, что роль бактерий в круговороте веществ давно известна, многие десятилетия деятельность микроорганизмов сводилась только к разрушению и преобразованию различных органических соединений. В настоящее время известно более 5000 видов микроорганизмов, среди которых бактерии, принимающие участие в деструкции и синтезе неорганических веществ, в геохимических процессах. Начало исследований геохимической деятельности микроорганизмов было положено открытием С.Н.Виноградским явления хемосинтеза – автотрофного усвоения углекислоты микроорганизмами. Первые установки по выщелачиванию металлов из руд и горных пород появились еще в ХV в. (Венгрия, Германия, Испания). Но началом биогидрометаллургии считается 1947 г., когда Хинкелем и Колмером из дренажных кислых вод угольной шахты штата Западная Вирджиния были выделены микроорганизмы, способные принимать участие в окислении двухвалентного железа до трехвалетного. В настоящее время в промышленных масштабах бактериальные методы выщелачивания применяются примерно в 20 странах мира, на 40 предприятиях при подземном и кучном выщелачивании меди, урана из бедных и забалансовых руд, при переработке отвалов обогатительных фабрик и горно-рудных предприятий. В настоящее время бактериально-химическими методами добывается около 20 % меди и значительная часть урана (США, Канада, Мексика, Перу, Испания, Австралия и др.). Построены и действуют около 15 промышленных установок бактериального выщелачивания в восьми странах (ЮАР, Австралия, Бразилия, США, Канада, Замбия, Гана, Россия), большое количество опытно-промышленных установок в целом ряде стран [12] .

В России освоена и развивается в промышленных масштабах биотехнологическая переработка золотомышьяковистых концентратов руд Олимпиадинского месторождения ЗАО «Полюс», мощность которого в настоящий момент составляет 3 млн т первичной руды в год, а средняя производительность биоцеха – 300 т/сут. Время процесса 100-120 ч, плотность пульпы 120-150 г/л, рабочая температура 38-39 С, концентрация клеток в пульпе 3-5 г/л .

По оценкам специалистов, объемы переработки руд с использованием биотехнологий с каждым годом будут возрастать вместе с расширением перечня извлекаемых металлов .

Интеграция наукоемких и энергоэффективных технологий в металлургическую промышленность России является стратегической задачей как для роста экономики в целом, так и для развития регионов. Например, высоким минерально-сырьевым потенциалом обладает Камчатский регион, способный стать базой для развития горно-добывающей промышленности на полуострове. Благоприятной является внутрироссийская и экспортная конъюнктура относительно никеля и кобальта. На территории России Камчатка является третьей по значимости никель-кобальтовой провинцией, причем, первые две – Кольский полуостров и Норильский район – уже подходят к черте истощения запасов руд этого типа .

Однако разработка месторождений Камчатки традиционными способами представляет экологическую опасность вследствие непосредственной близости к ним нерестовых рек .

Применение инновационных, малоотходных биогеотехнологических методов представляется наиболее рациональным путем развития горно-добывающей промышленности Камчатского края [1] .

________________________________________________________________________________________________

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217 Многие из описанных к настоящему времени микроорганизмов, применяемых в биогеотехнологии, были обнаружены как в природных, так и в промышленных условиях, например, вблизи серных геотермальных источников и в рудничных водах [14] .

Таблица 1

–  –  –

________________________________________________________________________________________________ 115 Санкт-Петербург. 2016 Гетерогенные условия таких районов с перепадами температур и кислотности поддерживают широкое разнообразие ацидофильной микрофлоры. Детальное понимание и исследование физиологии и биоэнергетики отдельных видов микроорганизмов являются решающими для внедрения и успешного развития биотехнологии (табл.1) .

Биогеотехнология подразумевает использование хемолитотрофных бактерий, источником энергии для которых служат неорганические соединения (в том числе, сульфидные минералы). Отечественными и зарубежными микробиологами выявлено множество потенциально полезных микроорганизмов, способствующих окислению сульфидных минералов, однако характеристика большинства наиболее активных штаммов остается неполной. Развитие и оптимизация технологий биовыщелачивания требует знаний механизмов и кинетики взаимодействия бактерий с сульфидными рудами [15] .

Обычно использование микроорганизмов при извлечении металлов преследует одну из двух целей: превращение (или окисление) нерастворимых сульфидов металлов в растворимые сульфаты или создание условий для лучшего взаимодействия химических веществ с поверхностью минерала и растворения необходимого металла. Примером первого процесса является превращение таких нерастворимых соединений меди, как ковеллин (CuS) или халькозин (Cu2S), в растворимые сульфаты. Примером второго процесса служит извлечение железа, мышьяка и серы из золотоносного арсенопирита (FeAsS), в результате чего оставшееся в минерале золото легче выделяется при помощи цианирования. Оба этих процесса являются окислительными. Если добываемый металл переводится в раствор, речь идет о биовыщелачивании. Когда же металл остается в руде – о биоокислении. Тем не менее термин «биовыщелачивание» часто используется в обоих случаях [7] .

Биологическое выщелачивание может быть применено к рудам, содержащим железо или восстановленные формы серы. Роль микроорганизмов в биовыщелачивании до сих пор не выяснена до конца. Сильверман и Эрлих в 1964 г. сделали первую попытку объяснить механизм биовыщелачивания, предложив «прямой» и «непрямой» пути .

Прямое бактериальное выщелачивание происходит при физическом контакте бактериальных клеток с поверхностью минерала в несколько стадий, которые катализируются ферментами:

4FeS2 + 14O2 + 4H2O (бактерии) 4FeSO4 + 4H2SO4;

4FeSO4 + O2 + 2H2SO4 (бактерии) 2Fe2(SO4)3 + 2H2O .

В сумме:

4FeS2 + 15O2 + 2H2O (бактерии) 2Fe2(SO4)3 + 2H2SO4 .

При прямом взаимодействии Acidithiobacillus ferrooxidans могут быть окислены следующие сульфиды металлов, не содержащие железа: ковеллин (CuS), халькозин (Cu2S), сфалерит (ZnS), галенит (PbS), молибденит (MoS 2), стибнит (Sb2S3), кобальтин (CoS), миллерит (NiS) .

Таким образом, прямое бактериальное выщелачивание может быть описано следующей реакцией:

MeS + 2O2 (бактерии) MeSO4, где MeS – сульфид металла .

При этом бактерии должны находиться в тесном контакте с поверхностью минерала .

Механизм бактериального прикрепления и инициации растворения металлов пока не ясен .

Предположительно бактерии прикрепляются не ко всей поверхности минерала, а предпочитают специфические участки дефектов кристаллической решетки .

При непрямом биовыщелачивании бактерии генерируют «окислитель», который химически взаимодействует с сульфидным минералом. В кислых растворах таким окислителем служит Fe3+. Растворение металла может быть описано следующей реакцией:

MeS + Fe2(SO4)3 MeSO4 + 2FeSO4 + S0 .

________________________________________________________________________________________________

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217 Для поддержания достаточного количества железа в растворе химическое окисление сульфидов металлов должно проводиться в кислых условиях при рН 5,0. Двухвалентное железо, выделяющееся в данной реакции, может быть заново окислено до трехвалентного железоокисляющими бактериями (At. ferrooxidans или L. ferrooxidans). При непрямом выщелачивании бактерии не нуждаются в контакте с поверхностью руды. Они выполняют только каталитическую функцию, ускоряя окисление Fe2+ до Fe3+. При рН = 2,0-3,0 бактериальное окисление Fe2+ примерно в 105-106 раз быстрее, чем химическое [7] .

Выделяющаяся в процессе сера может быть окислена до серной кислоты бактериями At. ferrooxidans. Но окисление серы бактериями At. thiooxidans, которые часто встречаются вместе с At.

ferrooxidans, происходит гораздо быстрее:

2SO + 3O2 + 2H2O (бактерии) 2H2SO4 .

Роль At. thiooxidans, вероятно, заключается в создании благоприятных условий для роста железоокисляющих бактерий, таких как At. ferrooxidans или L. ferrooxidans .

Таким образом, биовыщелачивание основано на взаимодействии биологических и химических окислительных процессов .

Несмотря на большое количество исследований особенностей прикрепления микроорганизмов к поверхности пирита и прямого микробиологического окисления на ранних стадиях выщелачивания, существуют сомнения в оценке «степени важности» прямого механизма биовыщелачивания. В последнее время некоторые исследователи отвергают существование прямого биовыщелачивания и признают непрямое окисление единственным механизмом данного процесса. Результаты исследований натолкнули ученых на создание новой гипотезы. Одна из последних теорий о непрямом механизме через тиосульфат предложена Шипперсом и Сэндом. Согласно ей, как только клетка микроорганизма прикрепляется к поверхности не растворимого в кислоте сульфида металла (пирита FeS2, молибденита MoS2, тангстенита WS2), ион трехвалентного железа (Fe3+), содержащийся во внеклеточном экзополимерном слое, начинает непрямое действие на сульфид металла по реакции FeS2 + 6Fe3+ + 3H2O 7Fe2+ + S 2 O 2 + 6H+ .

Тиосульфат является начальным промежуточным продуктом, который далее превращается в последующие промежуточные продукты (тетратионат, тритионат) с формированием сульфата в качестве конечного продукта общей реакции

–  –  –

Полисульфидный механизм характерен для сульфидов, растворимых в кислотах (электронная структура позволяет им вступать в реакцию как с Fe3+, так и с кислотами), таких как сфалерит (ZnS), халькопирит (CuFeS2) или галенит (PbS). В данном случае растворение сульфида происходит вследствие комбинированного действия Fe3+ и протонов. Основным промежуточным продуктом становится элементная сера, которая может окисляться до сульфата сероокисляющими бактериями At. thiooxidans и At.

caldus:

MS + Fe3+ + H+ M2+ + 0,5H2Sn + + Fe2+ (n 2);

0,5H2Sn + Fe3+ 0,125S8 + Fe2+ + H+;

0,125S8 + 1,5O2 + H2O (микроорганизмы) SO42- + 2H+ .

Образующееся Fe2+ может быть вновь преобразовано в Fe3+ благодаря активности железоокисляющих бактерий At. ferrooxidans или Leptospirillum и Sulfobacillus:

2Fe2+ + 0,5O2 + 2H+ (микроорганизмы) 2Fe3+ + H2O .

Таким образом, роль микроорганизмов заключается в образовании серной кислоты и Fe3+ .

________________________________________________________________________________________________ 117 Санкт-Петербург. 2016 Открытие внеклеточных полимерных соединений (ВПС), выделяемых микроорганизмами, прикрепляющимися к поверхности минерала, также способствовало выяснению механизма микробного воздействия и поддержке новой гипотезы [17]. Согласно исследованиям, формирование экзополимерного материала является важным условием прикрепления клеток к минералу и его последующего растворения. Железо, содержащееся в ВПС, придает клетке положительный заряд, обеспечивая электростатическое притяжение между микробной клеткой и отрицательно заряженной поверхностью пирита. Более того, Fe3+ участвует в первой стадии разрушения пирита, что обусловливает необходимость присутствия определенного количества Fe3+ в среде бактерий в начале процесса биовыщелачивания ( 0,2 г/л). Таким образом, ВПС могут считаться местом начала процесса выщелачивания, где концентрированный во внеклеточном материале микробной клетки Fe3+ реагирует с сульфидом металла .

Существует гипотеза о трех «стратегиях» биовыщелачивания [18]:

1) непрямое биовыщелачивание: микроорганизмы не прикрепляются к поверхности минерала, и их действие ограничено возобновлением выщелачивающего агента Fe3+;

2) контактное биовыщелачивание: микроорганизмы прикрепляются к поверхности минерала, способствуя его электрохимическому растворению с помощью Fe3+, содержащегося в ВПС; экзополимеры производятся клеткой для прикрепления ее к твердой поверхности минерала;

3) кооперативное биовыщелачивание: микроорганизмы, прикрепленные к минеральной поверхности, кооперируют со свободными клетками из раствора; прикрепленные бактерии высвобождают окисляемые металлы, которые служат источником энергии для микроорганизмов в растворе .

На основе результатов экспериментов и данных других исследователей, испанские ученые установили, что бактериальное выщелачивание пирита является двухстадийным .

На первой стадии окисление происходит с помощью микроорганизмов, прикрепившихся к твердой поверхности минерала посредством контактного механизма. На второй стадии основным фактором растворения пирита является непрямой механизм с помощью Fe3+, регенерируемого микроорганизмами в растворе. Следовательно, изначальное прикрепление микроорганизмов к поверхности сульфида играет важную роль в достижении высокой скорости растворения минерала на второй стадии, т.е. биовыщелачивание включает непрямой и контактный механизмы, и их эффективность зависит от степени прикрепления клеток и концентрации железоокисляющих бактерий в растворе [16] .

В процессах биохимического выщелачивания сульфидных руд участвуют автотрофные бактерии, способные окислять серу, тиосульфат, а также двухвалентное железо. К таким бактериям относятся тионовые бактерии Acidithiobacillus ferrooxidans [5] .

Также существуют бактерии, способные разлагать оксидную составляющую, в частности силикатную (Bacillus mucilagenosus). Литературных данных по бактериальному выщелачиванию кремнезема и разрушению различных групп силикатов и алюмосиликатов с использованием силикатных бактерий крайне мало .

Исследования по изучению и применению биотехнологии и разработке комплексных технологий переработки металлсодержащих руд различного состава проводятся до настоящего времени на кафедре металлургии Горного университета .

Цикл исследований по изучению вскрываемости оксидных и сульфидных руд, содержащих золото и другие ценные металлы, проводился с применением силикатных и тионовых бактерий .

Исследования по разработке технологии извлечения ценных металлов с применением предварительной обработки силикатными бактериями вида Bacillus mucilagenosus проводились со следующими образцами руд: кварцсодержащая руда (до 80 % кремния), содержащая алюминий, железо, магний, кальций; золотосодержащая руда (до 60 % кварца), окисленно-никелевая руда с содержанием алюминия, железа, магния, кальция; сульфидный ________________________________________________________________________________________________

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217 медно-никелевый концентрат (до 10 % кремния), содержащий железо, магний, серу, никель, медь, алюминий, кальций; медно-никелевая руда (до 70 % кремния), содержащая медь, молибден и железо. Обработка проводилась в оптимальной для культивирования бактерий среде при температуре 28-32 С, рН = 5-8 [2, 3] .

В ходе исследований проводился анализ химического состава образцов до и после обработки, а также изучена динамика изменений истинной плотности и пористости проб. Во всех пробах после обработки бактериальным раствором увеличилось содержание кремния наряду с уменьшением содержания кальция и железа. Плотность образцов уменьшилась при увеличении пористости. При этом скорость измельчения образцов медно-молибденовой руды увеличилась в 2 раза .

Полученные результаты исследований деструктивного воздействия бактериального раствора свидетельствовали о схожем механизме разрушения структуры как кварцевых образцов, так и сульфидного материала .

Следующий этап исследований был посвящен разработке технологии извлечения золота, железа и других металлов с применением предварительной биообработки руд силикатными бактериями .

Пробы материалов, описанные ранее, подвергались бактериальной обработке в течение 28 сут с контролем параметров среды и дифференциальным анализом химического состава проб. Из данных материального баланса материалов следует, что при выщелачивании железа из твердой фазы происходит его переход в жидкую фазу в виде Fe3+ с ростом скорости процесса выщелачивания при биообработке образцов. Магнитная фракция была определена в кварцсодержащей и золотосодержащей рудах со значительным увеличением количественных показателей: в 19 и 15,5 раз соответственно. Также наблюдалось изменение структуры и пористости образцов, в частности золотосодержащей руды .

Исследования, направленные на разработку способа извлечения золота из кварцсодержащих руд, позволили определить оптимальные параметры выщелачивания после предварительного обогащения биообработкой. Предложенный способ, включающий выщелачивание царской водкой предварительно обработанную силикатными бактериями руду, позволил обеспечить извлечение золота до 99 % [10] .

Исследования по биообработке сульфидных руд были продолжены с образцами медно-молибденовых руд и золотосодержащих концентратов .

Основными минералами, входящими в состав медно-молибденовых руд, являются халькозин, ковеллин, молибденит, пирит и халькопирит. Халькозин и ковеллин выщелачиваются серно-кислотным раствором значительно быстрее, чем халькопирит, что приводит к росту устойчивости руды по мере выщелачивания. Растворимость медных минералов определяется энергией кристаллической решетки, наибольшей у первичных минералов. Данный факт приводит к тому, что для выщелачивания борнита, энергита, халькопирита требуются высокие температуры и давление, что делает технологию более опасной и затратной. Исследования по применению биотехнологии для данного типа сырья были направлены на решение указанной проблемы .

Эксперименты проводились с пробами руд месторождения «Эрдэнэтийн Овоо» с содержанием меди в окисленной руде 2,53 %, первичных сульфидов – 54,5 %. Медь в основном представлена халькопиритом. Биообработка силикатными бактериями проводилась при оптимальных условиях: 28-32 С и pH = 5-8 %. По завершении эксперимента были выполнены исследования по измельчению образцов. Обработка руды осуществлялась от 2 до 36 сут. Проведенный эксперимент показал возможность перехода меди из халькопирита в раствор. В ходе исследований была определена истинная плотность после обработки, которая уменьшилась с 2,05 до 1,41. Скорость измельчения увеличилась в 2 раза .

________________________________________________________________________________________________ 119 Санкт-Петербург. 2016 Исследования по изучению механизма воздействия биокультур на сульфидные и окисленные руды проводились с пробами руд и горных пород с различным содержанием ценных металлов и кварцевых включений .

Исследования по разработке технологии извлечения золота из сульфидных концентратов проводились с применением бактерий Acidithiobacillus ferrooxidans [9, 13]. Пробу сульфидной золотосодержащей руды измельчали до класса 0,74 мм, после чего она подвергалась флотации. Полученный концентрат подвергался биоокислению тионовыми бактериями при pH = 1,7-2,0 с барботированием газовоздушной смесью, нагретой до 40 С .

Определение режима энергонасыщения смеси базируется на исследованиях по осаждению из растворов труднорастворимых соединений при различных температурных режимах, в ходе которых были установлены закономерности влияния нагретой газовоздушной смеси на механизм процесса и свойства получаемых осадков [8, 10] .

Согласно результатам моделирования и экспериментальным данным, необходимость нагрева смеси обуславливается следующим. При подаче воздуха в реактор и низкой температуре атмосферной среды (например, 20 С) создаются условия, вызывающие снижение активности бактерий, влияющих на кинетику окисления сульфидов. В реакторе образуется большая охлаждающая поверхность из пузырьков и вероятность их прогрева за время нахождения в реакторе крайне мала. Нагрев газовоздушной смеси до 40 С позволяет обеспечить оптимальный температурный режим в реакторе (около 28-30 С), при котором создаются наилучшие условия для жизнедеятельности бактерий .

Механизм бактериального выщелачивания для пирита описывается следующим уравнением:

2FeS2 + 7O2 + 2H2O 2FeSO4 + 2H2SO4 .

Образующееся при деструкции сульфидов двухвалентное железо окисляется в основном в растворе, причем при повышении температуры газовой фазы до 40 С скорость реакции возрастает в 2 раза, что обеспечивает высокую скорость всего процесса:

2FeS2 + 0,5O2 + H2SO4 Fe2(SO4)3 + 2H2O .

Сульфат окиси железа, получающийся при окислении Fe2+ бактериями, выступает как сильный окислитель металлов, поэтому с увеличением его концентраций растет скорость бактериального выщелачивания .

После бактериального выщелачивания полученный окисленный флотоконцентрат подвергают цианированию. В процессе цианирования золото переходит в раствор в виде цианистого комплекса [Au(CN)2] –, после чего раствор направляется на осаждение золота, а твердая фаза после промывки – в отвал .

Предложенный способ позволяет достичь высоких показателей извлечения золота при оптимальном режиме биообработки концентрата .

Исследования по извлечению металлов из полиметаллических сульфидных руд Норильского месторождения проводились с бактериями Acidithiobacillus ferrooxidans (табл.2) .

Количественный учет микроорганизмов проводился на среде Ваксмана с элементарной серой. О развитии популяции судят по подкислению среды и появлению специфического опалесцирующего помутнения. В сомнительных случаях проводят микроскопию среды и повторные пересевы на свежую питательную среду .

Химический состав образцов Норильского месторождения по основным элементам (расчетное содержание элементов к исследуемому участку образца) следующий:

Ni, % Cu, % Fe, % S, % Образец 1 3,3 16,68 37,53 33,05 Образец 2 4,84 6,41 44,4 34,47 ________________________________________________________________________________________________

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217 Таблица 2 Распространенность микроорганизма Acidithiobacillus ferrooxidans в рудах некоторых месторождений

–  –  –

жение и других сульфидов, что позволяет провести селективное комплексное извлечение. При этом соблюдение кинетических условий процесса и поддержание необходимого режиПродолжительность обработки, дни ма культивирования микГрафик зависимости твердости образца от времени биообработки роорганизмов обеспечивает окисление даже наиболее стабильных с термодинамической точки зрения сульфидов. Процесс разрушения минералов тионовыми бактериями интенсифицируется ферментативно, по аналогии с силикатными бактериями, и является жизнеобеспечивающим. Анализ образцов в ходе исследований показал, что существенное значение при выщелачивании сульфидных минералов имеет их химическая и структурная неоднородность, наличие в них примесей и характер сульфидных комплексов .

Цикл исследований механизма деструктивного воздействия микроорганизмов различного типа на структурные элементы горных пород и полиметаллических руд, содержащих кварц, был продолжен с использованием силикатных бактерий [4] .

Экспериментальные результаты исследований прочностных свойств образцов были получены методом измерительного индентирования (наноиндентирования) с использованием стандартной методики измерения твердости по Виккерсу (HV). Данный способ является наиболее универсальным и простым для исследования механических свойств различных материалов, покрытий, тонких пленок и т.д. (см. рисунок). Оценку упругопластичных свойств, а также микротвердости проводили на динамическом ультратвердомере (наноиндикаторе) Shimadzu DUH-211 .

Динамика снижения твердости образца указывает на интенсификацию процесса дезинтегрирования кварца и развития бактерии внутри образца после начального периода ее поверхностного воздействия (два дня), соответствующего первому горизонтальному участку .

Снижение активности микроорганизмов наблюдалось после восьми дней обработки ввиду отмирания культуры и прекращения рекультивации в кластерах .

С увеличением продолжительности воздействия бактериального раствора на материал твердость уменьшилась на 73 %, величина упругой и пластичной деформации увеличилась в 4 и в 3 раза соответственно .

При этом поверхностное воздействие бактериальной культуры на материал оказалось менее интенсивным, чем внутри породы, что указывает на более благоприятные условия жизнедеятельности и частичной рекультивации микроорганизмов в порах при уменьшении воздействий внешней среды .

Развитие поверхности происходит, главным образом, вглубь по всем направлениям локализации кремнийсодержащих кластеров, в частности, содержащих включения металлов, что приводит к разрушению структуры руды и существенному уменьшению плотности и увеличению раскрываемости минералов, входящих в ее состав, что позволит значительно повысить эффективность технологии обогащения и переработки кварцевых руд при промышленном масштабе .

________________________________________________________________________________________________

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217 Использование биокультур при подготовке руд, содержащих кварц в гидрометаллургической переработке, позволит при промышленном использовании значительно повысить качественные показатели извлечения металлов и снизить энергоемкость технологии .

Результаты проведенных исследований позволили выявить механизмы воздействия микроорганизмов определенного типа на структурные составляющие горных пород и полиметаллических руд, оценить перспективы внедрения биотехнологии в промышленную практику как первичной, так и вторичной переработки рудного сырья с улучшением качественных показателей .

ЛИТЕРАТУРА

1. Алискеров А.А. Введение в проблему горнопромышленного освоения Камчатки / А.А.Алискеров, Г.П.Яроцкий .

Петропавловск-Камчатский: Изд-во Камчатского педагогического университета, 2003. 265 с .

2. Воздействие силикатных бактерий на минеральные составляющие промышленных руд / М.Пурэвдаш, С.Н.Салтыкова, Е.С.Афанащенко, Н.М.Теляков // Обогащение руд. 2011. № 1. С.15-19 .

3. Изучение воздействия бактериального раствора на извлечение железа из материалов с разным содержанием оксида кремния / Е.С.Афанащенко, Н.М.Теляков, Г.И.Доливо-Добровольская, Ф.А.Васильев, С.Н.Салтыкова // Обогащение руд. 2012. № 2. С.16-21 .

4. Изучение механизма деструктивного воздействия силикатных бактерий на кварцсодержащие руды / А.Н.Теляков, А.А.Дарьин, А.В.Максимова и др. // Обогащение руд. 2015. № 4. С.8-13 .

5. Гудков С.С. Биогидрометаллургическая переработка сульфидных руд / С.С.Гудков, Ю.Е.Емельянов, И.И.Рязанова // Цветные металлы. 2004. № 8. С.47-48 .

6. Каравайко Г.И. Биогеотехнология металлов / Г.И.Каравайко, С.Н.Грудев / Центр международных проектов ГКНТ. М., 1989. С.11-29 .

7. Кузякина Т.И. Биотехнология извлечения металлов из сульфидных руд / Т.И.Кузякина, Т.С.Хайсанова, О.О.Левенец // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2008. № 2. Вып.12. C.76-86 .

8. Литвиненко В.С. Исследование влияния температуры на осаждение из растворов труднорастворимых соединений / В.С.Литвиненко, Н.М.Теляков, А.В.Смирнов // Цветные металлы. 2010. № 3. С.51-54 .

9. Пат. № 2283358 РФ. Способ переработки сульфидных золотосодержащих концентратов / В.С.Литвиненко, О.А.Мезина, Н.М.Теляков. Заявл. 18.04.2005. Опубл. 10.09.06. Бюл. № 25 .

10. Пат. № 2405048 РФ. Способ переработки золотосодержащей кварцевой руды для извлечения золота / В.С.Литвиненко, Н.М.Теляков, С.Н.Салтыкова. Заявл. 22.01.2009. Опубл. 27.11.2010. Бюл. № 33 .

11. Пат. № 2330899 РФ. Способ очистки растворов от железа / В.С.Литвиненко, Н.М.Теляков, А.В.Смирнов .

Заявл. 27.11.2006. Опубл. 10.08.2008. Бюл. № 22 .

12. Разработка биотехнологии переработки коллективного сульфидного медно-молибденового концентрата / М.Г.Сагдиева, С.И.Борминский, А.М.Мавжудова и др. // Горный вестник Узбекистана. 2009. № 1. С.64-70 .

13. Теляков Н.М. Изучение воздействия бактериального раствора на сульфидные медно-молибденовые руды / Н.М.Теляков, С.Н.Салтыкова, М.Пурэвдаш // Записки Горного института. 2011. Т.192. С.54-57 .

14. Яхонтова Л.К. Основы минералогии гипергенеза: Учеб. пособие / Л.К.Яхонтова, В.П.Зверева. Владивосток: Дальнаука, 2000. 331 с .

15. Bosecker K. Bioleaching: metal solubilization by microorganisms // FEMS Microbiol. Rev. 1997. Vol.20. P.591-604 .

16. Rodriguez Y. New information on the pyrite bioleaching mechanism at low and high temperature / Y.Rodriguez, A.Ballester, M.L.Blazquez et al. // Hydrometallurgy. 2003. Vol.71. P.37-46 .

17. Sand W. (Bio) chemistry of bacterial leaching – direct vs indirect bioleaching / W.Sand, T.Gehrke, P.-G.Jozsa, A.Schippers // Hydrometallurgy. 2001. Vol.59. P.159-175 .

18. Tributsch H. Direct vs indirect bioleaching // Hydrometallurgy. 2001. Vol.59. P.177-185 .

REFERENCES

1. Aliskerov A.A., Yarotskii G.P. Vvedenie v problemu gornopromyshlennogo osvoeniya Kamchatki (Introduction to the problem of mining development on Kamchatka). Petropavlovsk-Kamchatskii: Izd-vo Kamchatskogo pedagogicheskogo universiteta, 2003, p.265 .

2. Purevdash M., Saltykova S.N., Afanashchenko E.S., Telyakov N.M. Vozdeistvie silikatnykh bakterii na mineral'nye sostavlyayushchie promyshlennykh rud (Impact of silicate bacteria on mineral components of industrial ores). Obogashchenie rud. 2011. N 1, p.15-19 .

3. Afanashchenko E.S., Telyakov N.M., Dolivo-Dobrovol'skaya G.I., Vasil'ev F.A., Saltykova S.N. Izuchenie vozdeistviya bakterial'nogo rastvora na izvlechenie zheleza iz materialov s raznym soderzhaniem oksida kremniya (Studying of impact of bacterial solution on extraction of iron from materials with the different content of oxide of silicon). Obogashchenie rud. 2012. N 2, p.16-21 .

________________________________________________________________________________________________ 123 Санкт-Петербург. 2016

4. Telyakov A.N., Dar'in A.A., Maksimova A.V. et al. Izuchenie mekhanizma destruktivnogo vozdeistviya silikatnykh bakterii na kvartssoderzhashchie rudy (Studying of the mechanism of destructive impact of silicate bacteria on kvartssoderzhashchy ores). Obogashchenie rud. 2015. N 4, p.8-13 .

5. Gudkov S.S., Emel'yanov Yu.E., Ryazanova I.I. Biogidrometallurgicheskaya pererabotka sul'fidnykh rud (Biogidrometallurgical processing of the C.C. sulphidic ores). Tsvetnye metally. 2004. N 8, p.47-48 .

6. Karavaiko G.I., Grudev S.N. Biogeotekhnologiya metallov (Biogeoteсhnology of metals). Tsentr mezhdunarodnykh proektov GKNT. Мoscow, 1989, p.11-29 .

7. Kuzyakina T.I., Khaisanova T.S., Levenets O.O. Biotekhnologiya izvlecheniya metallov iz sul'fidnykh rud (Biotechnology of metals extraction from sulphidic ores). Vestnik KRAUNTS. Nauki o Zemle. 2008. N 2. Iss.12, p.76-86 .

8. Litvinenko V.S., Telyakov N.M., Smirnov A.V. Issledovanie vliyaniya temperatury na osazhdenie iz rastvorov trudnorastvorimykh soedinenii (A study of temperature impact on precipitation in solutions with low solubility). Tsvetnye metally. 2010. N 3, p.51-54 .

9. Patent N 2283358 RF. Litvinenko V.S., Mezina O.A., Telyakov N.M. Sposob pererabotki sul'fidnykh zolotosoderzhashchikh kontsentratov (Way of Processing Sulphidic Gold-bearing Concentrates). Publ. 10.09.06. Bul. N 25 .

10. Patent N 2405048 RF. Litvinenko V.S., Telyakov N.M., Saltykova S.N. Sposob pererabotki zolotosoderzhashchei kvartsevoi rudy dlya izvlecheniya zolota (Way of Processing Gold-bearing Quartz Ore for Gold extraction). Publ .

27.11.2010. Bul. N 33 .

11. Patent N 2330899 RF. Litvinenko V.S., Telyakov N.M., Smirnov A.V. Sposob ochistki rastvorov ot zheleza (Way of purification of solutions from Iron). Publ. 10.08.2008. Bul. N 22 .

12. Sagdieva M.G., Borminskii S.I., Mavzhudova A.M. et al. Razrabotka biotekhnologii pererabotki kollektivnogo sul'fidnogo medno-molibdenovogo kontsentrata (Development of biotechnology of processing a collective sulphidic coppermolybdenum concentrate). Gornyi vestnik Uzbekistana. 2009. N 1, p.64-70 .

13. Telyakov N.M., Saltykova S.N., Purevdash M. Izuchenie vozdeistviya bakterial'nogo rastvora na sul'fidnye mednomolibdenovye rudy (Studing of bacterial solution impact on sulphidic copper-molybdenum ores). Zapiski Gornogo instituta .

2011. Vol.192, p.54-57 .

14. Yakhontova L.K., Zvereva V.P. Osnovy mineralogii gipergeneza (Fundamentals of mineralogy of hyper genesis):

Ucheb. posobie. Vladivostok: Dal'nauka, 2000, p.331 .

15. Bosecker K. Bioleaching: metal solubilization by microorganisms. FEMS Microbiol. Rev. 1997. Vol.20, p.591-604 .

16. Rodriguez Y., Ballester A., Blazquez M.L. et al. New information on the pyrite bioleaching mechanism at low and high temperature. Hydrometallurgy. 2003. Vol.71, p.37-46 .

17. Sand W., Gehrke T., Jozsa P.-G., Schippers A. (Bio) chemistry of bacterial leaching – direct vs indirect bioleaching. Hydrometallurgy. 2001. Vol.59, p.159-175 .

18. Tributsch H. Direct vs indirect bioleaching. Hydrometallurgy. 2001. Vol.59, p.177-185 .

PROSPECTS OF BIOTECHNOLOGIES APPLICATION IN METALLURGY

AND ENRICHMENT

N.M.TELYAKOV, Dr. of Engineering Sciences, Professor, 9418960@mail.ru A.A.DARYIN, PhD in Engineering Sciences, Assistant Lecturer, darinbox@mail.ru National Mineral Resources University (Mining University), St Petersburg, Russia V.A.LUGANOV, Dr. of Engineering Sciences, Professor, v_luganov@hotmail.com Kazakh National Technical University, Alma-Ata, Kazakhstan In recent years, application of biotechnologies in enrichment processes and processing of metal-containing ores has gained broad development, considering essential advantages of these technologies from the point of view of economic efficiency and ecological safety. Processes with the application the hemolitotrofnykh of acidophile microorganisms of Acidithiobacillus ferrooxidans, At. thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans and others, are of great interest. This article is devoted to the problem of biocultures application for efficiency improvement of the ore pretreatment technology and extraction of valuable components from metal-containing crude ore. The analysis of the biotechnologies and microorganisms applied at domestic and foreign enterprises is given, alongside with the theoretical bases of ore bioprocessing, research results of oxide and sulphidic metal-containing ores processing technology development, with the application of microorganisms and research results of the mechanism of destructive impact of a certain type bacteria on siliceous ores .

Key words: leaching, microorganisms, acidithiobacillus ferrooxidans, at. thiooxidans, nonferrous metals, sulphidic ore, hydrometallurgy, enrichment, bioleaching, biodestruction, biotechnologies .

________________________________________________________________________________________________

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217 УДК 540.543

ЭЛЕКТРОЭКСТРАКЦИЯ КОБАЛЬТА

ИЗ СУЛЬФАТНО-ХЛОРИДНЫХ И СУЛЬФАТНЫХ РАСТВОРОВ

КОБАЛЬТА И МАРГАНЦА В СТАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Л.П.ХОМЕНКО, канд. техн. наук, доцент, l.p.homenko@gmail.com Л.А.ВОРОПАНОВА, д-р техн. наук, профессор, lidia_metall@mail.ru Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет), Владикавказ, Россия Исследована зависимость результатов электроэкстракции кобальта и марганца из их сульфатных и сульфатно-хлоридных растворов в статических условиях. По результатам основных показателей процесса – выхода по току и удельному расходу электроэнергии – установлено, что электроэкстракцию кобальта из водных растворов кобальта и марганца в статических условиях с использованием титанового катода следует осуществлять при малой концентрации марганца из сульфатно-хлоридного раствора без перегородки и из сульфатных растворов как без перегодки, так и с перфорированной перегородкой, отделяющей в электролизере катодное и анодное пространство .

Ключевые слова: кобальт, марганец, водный раствор, катод, анод, электроэкстракция, анодный шлам .

Катодные процессы протекают в электролитах, различающихся по природе – сульфатных, хлоридных и др. – с различными концентрациями металла и примесей, величинами рН электролита, плотностями тока на катоде и аноде, температурами, присутствием добавок «инертных» солей. В связи с этим механизмы катодного процесса претерпевают значительные изменения, отражающиеся на основных технологических показателях [1, 2, 7-9] .

Цель данной работы – исследование влияния наличия перфорированной перегородки и Сl-иона в растворе на основные показатели процесса электроэкстракции: выход по току, удельный расход электроэнергии и качество катодного кобальта .

Электроосаждение кобальта проводили из сульфатно-хлоридных и сульфатных растворов. Для эксперимента использовали сульфат кобальта CoSO4 и сульфат марганца MnSO4 марки х.ч., а также их кристаллогидраты CoSO4·7Н2О и MnSO4·7Н2О. Для приготовления хлоридных растворов использовали хлористый кобальт CoCl2 и (или) хлористый натрий NaCl. Количество иона хлора в растворе не превышало его растворимости в воде и хлор не выделялся из электролита в газовую фазу. 3

– + Исследования проводились в стационарном режиме. Концентрации ионов металлов в исходном электролите составляли, г/дм3: 20-50 Со и 1-10 Mn. Электролиз проводили при силе тока I = 1 А, рН = 1,1и температуре 50-60 С в три стадии, ч:

I – 5-6, II – 5-6, III – 5-6 .

Электрическая схема установки приведена на рис.1. Катод – титановый, анод – свинцовый с содержанием до 1 % серебра. Электроэкстракция кобальта в стационарном режиме проводилась из сульфатных и хлоридно-сульфатных растворов в электролизере ящичного типа с перфорированной перегородкой из оргстекла, отделяющей катодное и анодное Рис.1. Схема электролизной установки пространство электролита, или без нее. 1 – катод; 2 – диафрагма; 3 – анод; 4 – ванна _________________________________________________________________________________________________

Санкт-Петербург. 2016 Концентрацию марганца определяли объемным персульфатным методом, кобальта – колориметрическим методом с применением нитрозо-Р-соли и весовым с -нитрозо--нафтолом .

Определение элементного состава поверхности катодного кобальта и анодного шлама проводили рентгеноспектральным анализом с применением растрового электронного микроскопа CAMSCAN MV 2300 .

В таблице даны результаты электролиза из сульфатных и хлоридно-сульфатных растворов Со(II) и Mn(II).Объем электролита 400 см3; pH = 1,1-1,4; площади: катода – 33 см2, анода – 36 см2; расстояние между электродами – 7,8 см; I = 1 A; катод – Ti, анод – Pb .

Результаты электролиза из сульфатных и сульфатно-хлоридных растворов Со (II) и Mn (II)

–  –  –

________________________________________________________________________________________________

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217 Анодный шлам

–  –  –

_________________________________________________________________________________________________

Санкт-Петербург.

2016 Из данных таблицы и рис.2 следует, что наибольший выход по току кобальта получен при небольшой концентрации марганца:

• из сульфатно-хлоридного раствора в электролизере без перегородки;

• из сульфатного раствора в электролизерах без перегородки и с перегородкой .

На рис.3 дана зависимость удельного расхода электроэнергии от времени и массового соотношения Со/Mn из электролизеров с перегородкой и без перегородки из сульфатнохлоридного и сульфатного растворов .

Из данных таблицы и рис.3 следует, что наименьший удельный расход электроэнергии получен:

• из сульфатно-хлоридного раствора в электролизере без перегородки;

• из сульфатного раствора в электролизерах с перегородкой независимо от содержания марганца в растворе и в электролизерах без перегородки и небольшой концентрации марганца .

Таким образом, наличие в электролизере перегородки ухудшает показатели электроэкстракции из сульфатно-хлоридного раствора и в меньшей степени перегородка влияет на показатели электроэкстракции в сульфатном растворе. Вероятно, перегородка создает препятствие к прохождению ионов кобальта к катоду. Однако следует иметь в виду, что при накоплении кобальта на катоде, он отслаивается от него и перегородка необходима для удержания кобальта в катодном пространстве .

На рис.4 даны результаты рентгеноспектрального анализа катодного кобальта, полученного при экстракции с перегородкой на титановом катоде при силе тока 1А из сульфатно-хлоридного раствора. Видно, что кобальт не содержит примеси марганца, лишь слегка окислен с поверхности, обращенной к раствору .

Сдирка катода легче происходит при использовании титанового катода, чем алюминиевого. Следует также иметь в виду большую прочность и устойчивость против окисления титанового катода по сравнению с алюминиевым .

На рис.5 дан рентгеноспектральный анализ анодного шлама, полученного при экстракции с перегородкой и титановом катоде при силе тока 1А из сульфатно-хлоридного раствора. Видно, что анодный шлам содержит оксиды и соли кобальта, марганца, свинца и серебра. Установлено, что такие анодные шламы являются катализаторами окислительных процессов [3-5] .

Выводы. Электроэкстракцию кобальта из водных растворов кобальта и марганца в статических условиях с использованием титанового катода следует осуществлять при малой концентрации марганца из сульфатно-хлоридного раствора без перегородки и из сульфатных растворов – как без перегородки, так и с перфорированной перегородкой, отделяющей в электролизере катодное и анодное пространство .

ЛИТЕРАТУРА

1. Автоклавная гидрометаллургия цветных металлов / С.С.Набойченко, Л.П.Ни, Я.М.Шеерсон, Л.В.Чугаев .

Екатеринбург: Изд-во УГТУ. 2002. 612 с .

2. Борбот В.Ф. Новые процессы в металлургии никеля и кобальта / В.Ф.Борбот, И.Ю.Лещ. М.: Металлургия, 1976. 359 с .

3. Вольдман Г.М. Теория гидрометаллургических процессов / Г.М.Вольдман, А.Н.Зеликман. М.: Металлургия, 1993. 400 с .

4. Воропанова Л.А. Возможности электрохимического процесса очистки водных растворов кобальта от примеси марганца / Л.А.Воропанова, Л.П.Хоменко // Цветная металлургия. 2006. № 4. С.40-44 .

5. Пат. 2212460 РФ. Электрохимический способ очистки водных растворов кобальта от марганца / Л.А.Воропанова, Л.П.Хоменко. Опубл.20.09.2003. Бюл. № 26 .

6. Пат. 2198027 РФ. Катализатор окисления оксида углерода / Л.А.Воропанова, С.Н.Ханаев, Л.П. Хоменко .

Опубл. 10.02.2003. Бюл. № 4 .

7. Проблемы электролиза меди и никеля / Г.Н.Шиврин, Т.А.Головицкая, С.А.Илюшин, А.А.Колманов. Рязань:

НП «Голос губернии», 2011. 352 с .

8. Резник И.Д. Кобальт / И.Д.Резник, С.И.Соболь, В.М.Худяков. М.: Машиностроение, 1995. Ч.2. 470 с .

9. Худяков И.Ф. Металлургия меди, никеля, сопутствующих элементов и проектирование цехов / И.Ф.Худяков, С.Э.Кляйн, Н.Г.Агеев. М.: Металлургия, 1993. 432 с .

________________________________________________________________________________________________

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217

REFERENCES

1. Naboichenko S.S., Ni L.P., Sheerson Ya.M., Chugaev L.V. Avtoklavnaya gidrometallurgiya tsvetnykh metallov (Autoclave hydrometallurgy of non-ferrous metals). Ekaterinburg: Izd-vo UGTU. 2002, p.612 .

2. Borbot V.F., Leshch I.Yu. Novye protsessy v metallurgii nikelya i kobal'ta (New processes in metallurgy of nickel and cobalt). Moscow: Metallurgiya. 1976, p.359 .

3. Vol'dman G.M, Zelikman A.N. Teoriya gidrometallurgicheskikh protsessov (Theory of hydrometallurgical processes). Moscow: Metallurgiya, 1993, p.400 .

4. Voropanova L.A., Khomenko L.P. Vozmozhnosti elektrokhimicheskogo protsessa ochistki vodnykh rastvorov kobal'ta ot primesi margantsa (To electrochemical cleaning process of aqueous solutions of cobalt manganese impurities) .

Tsvetnaya metallurgiya. 2006. N 4, p.40-44 .

5. Pat. 2212460 RF. Voropanova L.A., Khomenko L.P. Elektrokhimicheskii sposob ochistki vodnykh rastvorov kobal'ta ot margantsa (Electrochemical method for treatment of aqueous solutions of cobalt manganese). Publ. 20.09.2003 Bul. N 26 .

6. Pat. 2198027 RF. Voropanova L.A., Khanaev S.N., Khomenko L.P. Katalizator okisleniya oksida ugleroda (Carbon monoxide oxidation catalyst). Publ. 10.02.2003. Bul. N 4 .

7. Shivrin G.N., Golovitskaya T.A., Ilyushin S.A., Kolmanov A.A. Problemy elektroliza medi i nikelya (Problems of electrolysis copper and nickel). Ryazan': NP «Golos gubernii», 2011, p.352 .

8. Reznik I.D., Sobol' S.I., Khudyakov V.M. Kobal't (Cobalt). Moscow: Mashinostroenie, 1995. Part 2, р.470 .

9. Khudyakov I.F., Klyain S.E., Ageev N.G. Metallurgiya medi, nikelya, soputstvuyushchikh elementov i proektirovanie tsekhov (Metallurgy of copper, nickel, related items and design shops). Moscow: Metallurgiya, 1993, p.432 .

ELECTROEXTRACTION OF COBALT FROM SULFATE-CHLORIDE AND SULFATE

SOLUTIONS OF COBALT AND MANGANESE IN STATIC CONDITIONS

L.P.KHOMENKO, PhD in Engineering Sciences, Associate Professor, l.p.homenko@gmail.com L.A.VOROPANOVA, Dr. of Engineering Sciences, Professor, lidia_metall@mail.ru North Caucasian Mining and Metallurgy Institute (State Technological University), Vladikavkaz, Russia The dependence of the results of electroextraction cobalt and manganese from aqueous solutions of their sulphate and chloride-sulfate solutions under static conditions was investigated .

According to the results of current efficiency and specific energy consumption it has been found that the electrowinning of cobalt from aqueous solutions of cobalt and manganese in static conditions using a titanium cathode should be carried out at low concentration of manganese from sulphate-chloride solution without partitions and from sulphate solutions both without and with the perforated partitions separating the electrolytic cell into cathode and anode space .

Key words: cobalt, manganese, solution, cathode, anode, electroextraction, anode slime .

–  –  –

УДК 621.398

ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ

БЕЗОПАСНОСТИ ПРЕДПРИЯТИЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОГО

КОМПЛЕКСА

Б.Н.АБРАМОВИЧ, д-р техн. наук, профессор, babramov@mail.ru Ю.А.СЫЧЕВ, канд. техн. наук, доцент, sychev_yura@mail.ru Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург, Россия Разработан комплекс технических средств и решений по обеспечению надлежащего уровня энергетической безопасности предприятий минерально-сырьевого комплекса, включая методы: управления режимом напряжения, повышения качества электрической энергии, обеспечения динамической устойчивости электроустановок, повышения надежности электроснабжения, управления структурой распределительных сетей, комбинированного использования альтернативных и возобновляемых источников энергии. Обоснована необходимость обеспечения энергетической безопасности объектов минеральносырьевого комплекса с технической точки зрения с привлечением современных достижений и разработок в области электротехнических комплексов и систем .

Ключевые слова: горный, энергетическая безопасность, энергосбережение, энергоэффективность, минерально-сырьевой, энергообеспечение, энергопотребление .

Минерально-сырьевой комплекс (МСК) включает совокупность отраслей по разведке, добыче, транспортировке и переработке твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых. Горная промышленность как неотъемлемая часть МСК состоит из следующих отраслей: добыча минерального энергетического сырья, добыча и переработка руд черных и легирующих металлов, добыча и переработка руд цветных металлов, добыча горнохимического сырья, добыча нерудного индустриального сырья и сырья для производства строительных материалов, добыча драгоценных и поделочных камней, гидрометаллургическая промышленность .

Основной тенденцией развития МСК РФ является освоение перспективных запасов твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых, расположенных на северном морском шельфе и в отдаленных северо-восточных районах РФ, не охваченных централизованным энергообеспечением [4] .

Технологические процессы на предприятиях горной промышленности весьма энергоемки, при этом энергетическая составляющая может составлять 10-40 % и более от общего объема затрат. Например, в условиях нефтегазодобычи и производства алюминия энергетическая составляющая достигает 35 %, при транспортировке нефти и газа – 70-80 % [4] .

Среди составляющих энергетических затрат наибольшее значение имеют затраты, связанные с потреблением, распределением и преобразованием электрической энергии [4, 20] .

Проблема энергетической безопасности объектов минерально-сырьевого комплекса неразрывно связана с повышением уровня энергосбережения и энергетической эффективности всех стадий добычи, переработки и транспортировки твердых, жидких и газообразISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217 ных полезных ископаемых. Термин «энергетическая безопасность предприятий минерально-сырьевого комплекса» имеет технические, экономические и организационные аспекты .

С технической точки зрения энергетическая безопасность – это совокупность режимов энергообеспечения и энергопотребления, при которых сохраняется непрерывность и устойчивость технологических процессов добычи, транспортировки и переработки твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых, что в конечном итоге позволяет минимизировать ущербы от снижения объемов добычи из-за нарушения режимов электроснабжения .

В этой связи представляется целесообразным рассматривать проблему обеспечения энергетической безопасности объектов МСК с технической точки зрения с привлечением современных информационных технологий управления. Оценка уровня энергетической безопасности и энергоэффективности также должна производиться на основе комплексного анализа позитивного и негативного технического влияния ряда факторов, наличие которых обусловлено различными явлениями .

Энергетическая безопасность и эффективность технологических процессов на объектах МСК определяются надлежащим выполнением следующих требований:

– обеспечение электроснабжения технологических процессов в заданном объеме, в заданное время с учетом территориальной рассредоточенности объектов МСК;

– достижение уровня надежности электроснабжения, который должен обеспечивать устойчивость и непрерывность технологического процесса [2, 5];

– соответствие уровня качества подводимой электрической энергии нормам ГОСТ 32144-2013;

– соблюдение требований промышленной безопасности, включая необходимые мероприятия по электробезопасности;

– обеспечение минимизации энергетических затрат в общей себестоимости добываемых полезных ископаемых [18];

– максимально возможное использование альтернативных и возобновляемых источников энергии: ветроэнергетических установок [1], солнечных электростанций [14] и микротурбинных установок, работающих на попутном нефтяном газе .

Для реализации перечисленных выше требований по обеспечению энергетической безопасности проводились исследования структуры, параметров и режимов работы систем электроснабжения и нагрузки потребителей МСК. Установлены регулирующие эффекты активной и реактивной мощности на предприятиях нефтегазодобычи и угольной промышленности [7, 8] .

Разработан метод управления режимом напряжения, включая оптимальное групповое регулирование напряжения на шинах электроподстанций 6(10), 35 кВ с автоматическим выбором коэффициента трансформации в зависимости от режима энергопотребления, параметров распределительных сетей и подключенной нагрузки посредством теории нечеткой логики [7, 13]. В основе данного метода лежит выявленная целевая функция оптимального режима напряжения, которая позволяет минимизировать потери активной мощности в электроприемниках и дополнительные потери, возникающие при передаче реактивной мощности в системах электроснабжения предприятий МСК, а также учитывает статические характеристики нагрузки по активной и реактивной мощности, распределение электроприемников вдоль радиально-магистральных линий и вектор управления [11, 15] .

Определены аналитические зависимости статических коэффициентов и регулирующих эффектов узлов нагрузки при вариации долевого участия различных видов электроприемников в суммарной мощности узла и рассчитаны коэффициенты статических характеристик активной мощности для узла нагрузки при варьировании соотношения долевого участия различных типов нагрузки [8] .

Разработана методика выбора, определяющего режим напряжения присоединения с применением нечеткой логики, на основе выявленных зависимостей, влияющих на целевую функцию, что позволяет определить режим напряжения и критерии его оптимизации ________________________________________________________________________________________________ 133 Санкт-Петербург. 2016 для питающей линии [7, 13]. Указанные разработки успешно внедрены в условиях ОАО «Татнефть» и ООО «ПО Киришинефтеоргсинтез», получены патенты на изобретения № 2416855 «Устройство управления режимом напряжения в электрической сети с применением fuzzy-логики» и № 2467447 «Устройство динамического управления режимом напряжения в электрической сети с применением fuzzy-логики» .

В процессе исследований по результатам математического и имитационного моделирования выявлено, что устойчивость режимов электрооборудования, обеспечивающего непрерывный технологический цикл, зависит от глубины и длительности провалов напряжения и уровня его восстановления [2]. На примере погружных двигателей электроцентробежных насосов и синхронных двигателей установок поддержания пластового давления определен минимально допустимый уровень падения напряжения. Показано, что снижение уровня питающего напряжения ниже минимально допустимого, а также перерывы в электроснабжении длительностью свыше 0,15 с [2, 12] приводят к нарушению устойчивости и непрерывности сложных технологических процессов добычи из-за ложного срабатывания системы релейной защиты, технологической и электросетевой автоматики, отказам в электроснабжении особой группы потребителей первой категории и значительному экономическому ущербу, связанному с возникновением значительных потерь добычи ресурсов [2, 17] .

Обоснована эффективность компенсации провалов и отклонений напряжения посредством устройства динамической компенсации искажения напряжения (ДКИН) с фазовой синхронизацией вольтодобавки для условий протяженных линий электропередачи с резкопеременной нагрузкой. Разработана математическая имитационная модель электротехнического комплекса предприятия МСК, которая позволяет оценить допустимые уровень и длительность провалов напряжения при пуске мощных двигателей в конце радиальномагистральной линии. По результатам исследований установлено, что наиболее целесообразно подключать ДКИН в начале линий либо в начале участков радиально-магистральных линий, предшествующих узлам нагрузки с недопустимыми по уровню и продолжительности провалами напряжения .

Разработаны методы управления топологией распределительных сетей с использованием средств электросетевой автоматики, включая пункты автоматического секционирования и быстродействующие устройства автоматического ввода резерва на основе тиристорных коммутаторов [5]. Обоснована структура автоматического секционирования линии электропередачи, обеспечивающая повышение надежности и эффективности предприятий МСК. Установлено, что длительность отключений электроснабжения при последовательнопараллельном секционировании в сети с двухсторонним питанием с применением предложенной структуры снижается на 87 %, частота отказов уменьшается в 1,8 раза, а время восстановления после отказа – в 1,4 раза. Обоснована структура многоуровневой системы секционирования, позволяющая локализовать зону повреждения и, как следствие, уменьшить ущерб из-за потери добычи полезных ископаемых [19]. Разработан алгоритм управления многоуровневой системой электроснабжения, обеспечивающий время перерыва электроснабжения, по истечении которого после восстановления напряжения наиболее ответственные потребители МСК возвращаются в исходное состояние, предшествующее потере напряжения, с сохранением непрерывности и устойчивости технологического процесса .

Разработан электротехнический комплекс для повышения надежности электроснабжения объектов МСК на основе использования устройств многоступенчатого быстродействующего автоматического ввода резерва [5]. Указанный комплекс выполнен на основе источников бесперебойного питания, быстродействующих тиристорных коммутаторов, блоков фазовой синхронизации, тиристорных устройств автоматического ввода резерва и двух независимых автономных источников энергии .

Разработана технология управления качеством электрической энергии в условиях широкого внедрения нелинейной нагрузки в виде силовой преобразовательной техники [21, 22]. Данная технология основана на комплексном использовании активных систем коррекISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217 ции формы кривых тока и напряжения, а также гибридных фильтрокомпенсирующих устройств. Обоснована методика выбора структуры, основных параметров, алгоритмического обеспечения и места размещения активных и гибридных систем коррекции в условиях предприятий МСК с территориально-рассредоточенной нелинейной нагрузкой [10, 21, 22] .

Обоснована возможность создания структур систем электроснабжения объектов газотранспортных систем с газотурбинным приводом с исключением промежуточной ступени трансформации 10 кВ и питания маломощных потребителей через трансформаторы 35/0,4 кВ с сохранением требуемого уровня надежности электроснабжения. Обоснована оптимальная с точки зрения структурной избыточности и достаточности схема электротехнического комплекса компрессорной станции магистрального газопровода с использованием двух генераторов собственных нужд, одной линии электропередачи, работающей через трансформатор 35/0,4 кВ, и источника бесперебойного питания, находящегося в режиме онлайн .

Обоснована методика выбора в составе электроустановок МСК потребителейрегуляторов, обеспечивающих оптимальные режимы прохождения суточных зон графиков электрической нагрузки [7, 8]. Выявлены профили графиков электрических нагрузок, которые позволяют осуществить координацию электрических нагрузок и минимизировать их совмещенный максимум в условиях предприятий МСК. Показатели, характеризующие профили графиков электрических нагрузок отдельных присоединений, сборных шин, подстанций и предприятия МСК в целом, могут рассматриваться как паспорта электрических нагрузок, позволяющие выбрать оптимальный режим работы потребителей-регуляторов .

Выявлено, что преобразование профилей графиков электрических нагрузок на примере нефтегазодобывающих предприятий в часы максимума электрических нагрузок должно производиться путем использования в качестве потребителей-регуляторов электротехнических комплексов установок поддержания пластового давления при одновременном снижении до допустимого уровня пусковых токов на питающую сеть и синхронные двигатели [6, 9]. В результате преобразования графиков электропотребления достигается снижение оплаты за электрическую энергию в условиях нефтедобычи на 10-15 %. Установлено, что для условий нефтедобычи потребляемая мощность установками поддержания пластового давления составляет 35-45 % от общей мощности, потребляемой предприятием [19]. По условиям технологического процесса закачки воды в пласты электродвигатели приводов насосов установок поддержания пластового давления могут быть отключены на время прохождения максимумов нагрузки энергосистем [2, 10] .

Разработаны математические модели энергоэффективных электромеханических комплексов с синхронными двигателями и тиристорным возбуждением для применения в оптимизационных расчетах при выборе экономически обоснованных средств компенсации реактивной мощности в узлах нагрузки предприятий МСК [6, 9]. Выявлены способы оптимального использования электромеханических комплексов с синхронными двигателями и тиристорным возбуждением в режиме компенсаторов реактивной мощности в узлах нагрузки предприятий МСК с учетом показателей графиков реактивной мощности, современных требований энергосистем к компенсации реактивной мощности [3, 6, 9] .

Разработана эффективная система молниезащиты линий электропередачи и энергообъектов, включая технологии обеспечения промышленной и электробезопасности с использованием специализированных ограничителей перенапряжения, позволяющих осуществить каскадное действие грозозащиты. Основной задачей такой системы является защита силового электрооборудования подстанций и линий электропередач от набегающих волн перенапряжений [16]. Второстепенной задачей является обеспечение бесперебойности электроснабжения путем исключения перекрытий изоляторов при наведенных перенапряжениях, прямых ударах молнии и обратных перекрытиях с опоры на провод при ударах молнии в опору. В многоуровневой системе отдельные устройства защиты включаются в каскадную схему ограничения перенапряжений, снижая остаточный уровень напряжения по мере приСанкт-Петербург. 2016 ближения к защищаемому электрооборудованию. Структура системы молниезащиты включает в себя пассивные и активные молниеотводы, защитные аппараты, защитное заземление и основную изоляцию электрооборудования .

Обоснована эффективность внедрения и комбинированного использования альтернативных и возобновляемых источников энергии, включая микротурбинные установки, работающие на попутном нефтяном газе, ветроэнергетические установки и солнечные электростанции [24, 25]. Выявлено, что для накопления энергии в этом случае наиболее эффективно использование суперконденсаторных накопительных модулей .

В суровых климатических условиях РФ, где находится основная часть предприятий МСК, а также разведанных и перспективных запасов минерального сырья, обоснована необходимость перехода от воздушных линий электропередачи с неизолированными проводами к линиям с изолированными или покрытыми изоляцией проводами .

Разработаны методы оптимизации режимов нейтрали в сетях 6(10) и 35 кВ путем вариации параметров и методов соединения нейтрали с землей .

Разработаны способы выявления и устранения однофазных коротких замыканий в протяженных линиях электропередачи напряжением 6(10) кВ. Выявлены закономерности, позволяющие определить поврежденную фазу в сети среднего напряжения 6(10) кВ при вариации переходного сопротивления в месте однофазного замыкания и проводимостей фаз относительно земли .

Обоснована необходимость оснащения распределительных сетей источниками бесперебойного питания, работающими в режиме онлайн, которые обеспечивают динамическую устойчивость наиболее ответственного технологического электрооборудования МСК [5] .

Разработана методика повышения надежности электроснабжения объектов МСК с использованием метода логико-вероятностного моделирования для выявления структурной и параметрической достаточности конфигурации систем электроснабжения .

Обоснована необходимость обеспечения присоединений на уровне 0,4, 6(10) и 35 кВ приборами учета, управления и непрерывного мониторинга режимов энергообеспечения и энергопотребления [17, 23], объединенных в единую интеллектуализированную систему мониторинга и контроля применения энергетических ресурсов при использовании распределенной генерации как отдельно, так и совместно с централизованной энергосистемой .

Разработана структура и алгоритм функционирования интеллектуализированной системы контроля и учета энергопотребления, с использованием современных измерительных устройств [17]. Данная система осуществляет сбор и анализ информации о значимых факторах, явных и скрытых закономерностях, их влиянии на энергетические процессы, что позволяет в режиме реального времени формировать информационно-управляющие воздействия [17, 23] для отдельных элементов электрической сети исходя из текущих режимов энергопотребления и энергообеспечения. Определены способы повышения надежности, точности и экономичности интеллектуализированных систем контроля и учета энергопотребления для условий территориально-рассредоточенных потребителей МСК. Указанные разработки успешно внедрены в промысловых электрических сетях ОАО «Татнефть» .

Приведенные технические средства и решения, которые по мере необходимости и с учетом специфики конкретного предприятия МСК необходимо использовать в едином комплексе, позволят обеспечить надлежащий уровень энергетической безопасности объектов МСК с учетом влияния внешних и внутренних факторов, минимизировать потери добычи твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых, снизить, по меньшей мере, в 2 раза энергетическую составляющую в общей себестоимости добываемых полезных ископаемых .

Исследования проведены при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации государственного задания «Повышение конкурентоспособности предприятий минерально-сырьевого комплекса путем снижения энергетической составляющей в себеISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217 стоимости продукции посредством распределенной генерации с комбинированным использованием альтернативных и возобновляемых источников энергии и суперконденсаторными накопительными модулями», контракт № 13.707.2014/K от 11 июля 2014 г., и реализации гранта СП-671.2015.1 «Энергоэффективная система повышения качества электрической энергии в условиях микросетей с распределенной генерацией на основе альтернативных и возобновляемых источников энергии» стипендии Президента Российской Федерации .

ЛИТЕРАТУРА

1. Абрамович Б.Н. Выбор параметров ветродизельной установки для энергообеспечения минерально-сырьевого комплекса / Б.Н.Абрамович, А.А.Бельский // Записки Горного института. 2012. Т.195. С.227-230 .

2. Абрамович Б.Н. Динамическая устойчивость работы установок электроцентробежных насосов / Б.Н.Абрамович, Д.А.Устинов, В.Е.Поляков // Нефтяное хозяйство. 2010. № 9. С.104-106 .

3. Абрамович Б.Н. Дополнительные потери активной мощности в синхронных двигателях при работе их в режиме компенсации реактивной мощности / Б.Н.Абрамович, Ю.В.Коновалов // Электричество. 1990. № 5. С.42-45 .

4. Абрамович Б.Н. Комплексная система контроля качества электрической энергии на предприятиях по добыче и переработке полезных ископаемых // Записки Горного института. 2008. Т.178. С.110-115 .

5. Абрамович Б.Н. Многоступенчатая система автоматического ввода резерва на основе источников бесперебойного питания в системах электроснабжения объектов горных предприятий / Б.Н.Абрамович, Ю.А.Сычев, А.В.Федоров // Горное оборудование и электромеханика. 2015. № 6 (115). С.17-20 .

6. Абрамович Б.Н. Опыт разработки, промышленного производства и эксплуатации бесщеточных синхронных машин / Б.Н.Абрамович, И.К.Амбросов // Электротехника. 1982. № 3. С.35-38 .

7. Абрамович Б.Н. Регулирование уровней напряжения на промышленных предприятиях в часы максимума нагрузки / Б.Н.Абрамович, П.М.Каменев, Д.Н.Нурбосынов / ЦНИЭИуголь. М., 1987. С.22-26 .

8. Абрамович Б.Н. Регулирующие эффекты нагрузок промышленных предприятий и их использование в часы максимума энергосистемы / Б.Н.Абрамович, П.М.Каменев // Промышленная энергетика. 1988. № 8. C.17-20 .

9. Абрамович Б.Н. Система возбуждения синхронных машин с использованием преобразователей с двухсторонней проводимостью / Б.Н.Абрамович, Ю.А.Бирюков, В.М.Вадатурский // Электричество. 1970. № 11. С.17-20 .

10. Абрамович Б.Н. Системы коррекции кривых тока и напряжения в электротехнических комплексах нефтедобывающих предприятий / Б.Н.Абрамович, Ю.А.Сычев, Ю.В.Гульков // Энергетика в нефтегазодобыче. 2005 .

№ 1-2. С.43-45 .

11. Абрамович Б.Н. Совершенствование режима потребления электроэнергии на нефтедобывающих предприятиях / Б.Н.Абрамович, В.Я.Чаронов // Нефтяное хозяйство. 1988. № 7. C.14-18 .

12. Абрамович Б.Н. Статическая устойчивость погружных асинхронных двигателей в нефтепромысловых распределительных сетях с продольной и поперечной емкостной компенсацией / Б.Н.Абрамович, К.А.Ананьев, О.В.Иванов // Промышленная энергетика. 1985. № 4. С.27-31 .

13. Абрамович Б.Н. Устройство управления режимом напряжения в электрических сетях предприятий сырьевого комплекса / Б.Н.Абрамович, А.П.Шевчук, Д.М.Тарасов // Записки Горного института. 2012. Т.196. С.214-217 .

14. Абрамович Б.Н. Фотоэлектрическая станция прямого преобразования для объектов минерально-сырьевого комплекса / Б.Н.Абрамович, Э.В.Яковлева // Записки Горного института. 2012. Т.196. С.210-213 .

15. Абрамович Б.Н. Электродвигатели насосных станций как потребители-регуляторы активной и реактивной мощности / Б.Н.Абрамович, В.Я.Чаронов // Нефтяное хозяйство. 1990. № 5. C.35-39 .

16. A.c. 1185490 СССР, МКИ H 02 J 3/18 Устройство защиты от перенапряжений и субгармонических колебаний установок продольной емкостной компенсации / Б.Н.Абрамович, К.А.Ананьев, О.В.Иванов, Л.В.Макурова, Д.Н.Нурбосынов. Опубл. 15.10.1985. Бюл. № 38. 3 с .

17. Комплекс автоматической минимизации искажений кривых тока и напряжения в сетях предприятий цветной металлургии / Б.Н.Абрамович, С.Е.Лозовский, Д.М.Тарасов, Ю.А.Сычев, Э.А.Загривный // Цветные металлы .

2008. № 12. С.72-76 .

18. Коррекция коэффициента мощности в сетях нефтепромыслов с помощью активного фильтра / Б.Н.Абрамович, Ю.А.Сычев, А.В.Медведев, В.В.Старостин, Е.Н.Аболемов, В.В.Полищук // Нефтяное хозяйство .

2008. № 5. С.88-90 .

19. Оптимизация режимов работы промысловых линий электропередачи / Б.Н.Абрамович, О.В.Иванов, Д.Н.Нурбосынов, Л.В.Макурова, В.А.Лейман // Промышленная энергетика. 1984. № 12. С.21-24 .

20. Сычев Ю.А. Измерение и анализ показателей качества электрической энергии в сетях нефтедобывающих предприятий // Записки Горного института. 2007. Т.173. С.109-111 .

21. Сычев Ю.А. Системы коррекции кривых тока и напряжения // Записки Горного института. 2006. Т.167 .

Часть 1. С .

190-193 .

22. Сычев Ю.А. Экспериментальные исследования режимов работы параллельного активного фильтра в сетях ОАО «Оренбургнефть» // Записки Горного института. 2009. Т.182. С.114-117 .

23. Учет и регулирование электроэнергии с использованием микропроцессорной техники / Б.Н.Абрамович, Ю.В.Коновалов, А.С.Логинов, В.Я.Чаронов, А.Н.Евсеев // Электрические станции. 1989. № 9. C.30-35 .

________________________________________________________________________________________________ 137 Санкт-Петербург. 2016

24. Abramovich B.N. Intelligent power system on the base of active-adaptive control and interaction between elements / B.N.Abramovich, Yu.A.Sychev, A.A.Belsky // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). 2015. Р.1-6. DOI: 10.1109/SIBCON.2015.7147230 .

25. Abramovich B.N. The Application of Modern Information Technologies for Power Monitoring and Control in Conditions of Distributed Generation / B.N.Abramovich, V.B.Prochorova, Yu.A.Sychev // Proceeding of the 16th conference of FRUCT association, 27-31 Oct., Oulu (Finland). 2014. Р.3-8. ISSN: 2305-7254, DOI: 10.1109/FRUCT.2014.7000938 .

REFERENCES

1. Abramovich B.N., Bel'skij A.A. Vybor parametrov vetrodizel'noj ustanovki dlja jenergoobespechenija mineral'nosyr'evogo kompleksa (Choice of wind-diesel installation parameters of power supply for mineral resources enterprises) .

Zapiski Gornogo instituta. 2012. Vol.195, p.227-230 .

2. Abramovich B.N., Ustinov D.A., Poljakov V.E. Dinamicheskaja ustojchivost' raboty ustanovok jelektrocentrobezhnyh nasosov (Dynamic stability of electrocentrifugal pumps functioning). Neftjanoe hozjajstvo. 2010. N 9, p.104-106 .

3. Abramovich B.N., Konovalov Ju.V. Dopolnitel'nye poteri aktivnoj moshhnosti v sinhronnyh dvigateljah pri rabote ih v rezhime kompensacii reaktivnoj moshhnosti (Additional active power losses in synchronous motors while working in reactive power compensation mode). Jelektrichestvo. 1990. N 5, p.42-45 .

4. Abramovich B.N. Kompleksnaja sistema kontrolja kachestva jelektricheskoj jenergii na predprijatijah po dobyche i pererabotke poleznyh iskopaemyh (A complex system of power quality control in mineral resources extraction and processing enterprises). Zapiski Gornogo instituta. 2008. Vol.178, p.110-115 .

5. Abramovich B.N., Sychev Ju.A., Fedorov A.V. Mnogostupenchataja sistema avtomaticheskogo vvoda rezerva na osnove istochnikov besperebojnogo pitanija v sistemah jelektrosnabzhenija ob’ektov gornyh predprijatij (Multistage system of automatic reserve switching on the base of uninterruptable power supply devices in power supply systems of mining enterprises). Gornoe oborudovanie i jelektromehanika. 2015. N 6 (115), p.17-20 .

6. Abramovich B.N., Ambrosov I.K. Opyt razrabotki, promyshlennogo proizvodstva i jekspluatacii besshhetochnyh sinhronnyh mashin (Experience of development, industrial application and operation of brushless synchronous engines). Jelektrotehnika. 1982. N 3, p.35-38 .

7. Abramovich B.N., Kamenev P.M., Nurbosynov D.N. Regulirovanie urovnej naprjazhenija na promyshlennyh predprijatijah v chasy maksimuma nagruzki (Voltage levels regulation at industrial enterprises during hours of maximum load) .

CNIJeIugol'. Мoscow, 1987, p.22-26 .

8. Abramovich B.N., Kamenev P.M. Regulirujushhie jeffekty nagruzok promyshlennyh predprijatij i ih ispol'zovanie v chasy maksimuma jenergosistemy (Regulation effects of industrial enterprises loads and their use during hours of power supply maximum). Promyshlennaja jenergetika. 1988. N 8, p.17-20 .

9. Abramovich B.N., Birjukov Ju.A., Vadaturskij V.M. Sistema vozbuzhdenija sinhronnyh mashin s ispol'zovaniem preobrazovatelej s dvuhstoronnej provodimost'ju (The system of synchronous machines excitation by means of converters with double-ended conductance). Jelektrichestvo. 1970. N 11, p.17-20 .

10. Abramovich B.N., Sychev Ju.A., Gul'kov Ju.V. Sistemy korrekcii krivyh toka i naprjazhenija v jelektrotehnicheskih kompleksah neftedobyvajushhih predprijatij (Systems of voltage and current waveforms correction in electric complexes of oil processing enterprises). Jenergetika v neftegazodobyche. 2005. N 1-2, p.43-45 .

11. Abramovich B.N., Charonov V.Ja. Sovershenstvovanie rezhima potreblenija jelektrojenergii na neftedobyvajushhih predprijatijah (Improving of power consumption mode at oil production enterprises). Neftjanoe hozjajstvo. 1988. N 7, p.14-18 .

12. Abramovich B.N., Anan'ev K.A., Ivanov O.V. Staticheskaja ustojchivost' pogruzhnyh asinhronnyh dvigatelej v neftepromyslovyh raspredelitel'nyh setjah s prodol'noj i poperechnoj emkostnoj kompensaciej (Static stability of submersible asynchronous electric motors in power supply systems at oil production enterprises with longitudinal and crosscut capacitive compensation). Promyshlennaja jenergetika. 1985. N 4, p.27-31 .

13. Abramovich B.N., Shevchuk A.P., Tarasov D.M. Ustrojstvo upravlenija rezhimom naprjazhenija v jelektricheskih setjah predprijatij syr'evogo kompleksa (A device of voltage mode control in power supply systems at mineral resources enterprises). Zapiski Gornogo instituta. 2012. Vol.196, p.214-217 .

14. Abramovich B.N., Jakovleva Je.V. Fotojelektricheskaja stancija prjamogo preobrazovanija dlja ob’ektov mineral'no-syr'evogo kompleksa (Photovoltaic station of direct conversion for objects of the mineral resources sector). Zapiski Gornogo instituta. 2012. Vol.196, p.210-213 .

15. Abramovich B.N., Charonov V.Ja. Jelektrodvigateli nasosnyh stancij kak potrebiteli-reguljatory aktivnoj i reaktivnoj moshhnosti (Electric motors of pump stations as consumers-regulators of active and reactive power). Neftjanoe hozjajstvo. 1990. N 5, p.35-39 .

16. Abramovich B.N., Anan'ev K.A., Ivanov O.V., Makurova L.V., Nurbosynov D.N. A.s. 1185490 SSSR, MKI H 02 J 3/18 Ustrojstvo zashhity ot perenaprjazhenij i subgarmonicheskih kolebanij ustanovok prodol'noj emkostnoj kompensacii (A device for overvoltages and sub-harmonic fluctuations protection of installations of longitudinal capacitive compensation) .

Opubl. 15.10.1985, Bjul. N 38, p.3 .

17. Abramovich B.N., Lozovskij S.E., Tarasov D.M., Sychev Ju.A., Zagrivnyj Je.A. Kompleks avtomaticheskoj minimizacii iskazhenij krivyh toka i naprjazhenija v setjah predprijatij cvetnoj metallurgii (A complex of automatic minimization of voltage and current waveforms distortion in power supply systems of non-ferrous metallurgy enterprises). Cvetnye metally .

2008. N 12, p.72-76 .

________________________________________________________________________________________________

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217

18. Abramovich B.N., Sychev Ju.A., Medvedev A.V., Starostin V.V., Abolemov E.N., Polishhuk V.V. Korrekcija kojefficienta moshhnosti v setjah neftepromyslov s pomoshh'ju aktivnogo fil'tra (Power factor correction in power supply systems of oil production enterprises by means of active filter). Neftjanoe hozjajstvo. 2008. N 5, p.88-90 .

19. Abramovich B.N., Ivanov O.V., Nurbos'nov D.N., Makurova L.V., Lejman V.A. Optimizacija rezhimov raboty promyslovyh linij jelektroperedachi (Functioning modes of power lines optimization at oil production enterprises). Promyshlennaja jenergetika. 1984. N 12, p.21-24 .

20. Sychev Ju.A. Izmerenie i analiz pokazatelej kachestva jelektricheskoj jenergii v setjah neftedobyvajushhih predprijatij (The measurement and analysis of power quality factors in power supply systems of oil processing enterprises). Zapiski Gornogo instituta. 2007. Vol.173, p.109-111 .

21. Sychev Ju.A. Sistemy korrekcii krivyh toka i naprjazhenija (The systems of voltage and current waveforms correction). Zapiski Gornogo instituta. 2006. Vol.167. Chast' 1, p.190-193 .

22. Sychev Ju.A. Jeksperimental'nye issledovanija rezhimov raboty parallel'nogo aktivnogo fil'tra v setjah OAO «Orenburgneft'» (Experimental researches of functioning modes of shunt active filter in power supply systems of JSC «Orenburgneft»). Zapiski Gornogo instituta. 2009. Vol.182, p.114-117 .

23. Abramovich B.N., Konovalov Ju.V., Loginov A.S., Charonov V.Ja., Evseev A.N. Uchet i regulirovanie jelektrojenergii s ispol'zovaniem mikroprocessornoj tehniki (Electric power control and regulation by means of microprocessor devices) .

Jelektricheskie stancii. 1989. N 9, p.30-35 .

24. Abramovich B.N., Sychev Yu.A., Belsky A.A. Intelligent power system on the base of active-adaptive control and interaction between elements. International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), 2015, p.1-6, DOI: 10.1109/SIBCON.2015.7147230 .

25. Abramovich B.N., Prochorova V.B., Sychev Yu.A. The Application of Modern Information Technologies for Power Monitoring and Control in Conditions of Distributed Generation. Proceeding of the 16th conference of FRUCT association, 27-31 Oct., Oulu (Finland), 2014, p.3-8, ISSN: 2305-7254, DOI: 10.1109/FRUCT.2014.7000938 .

PROBLEMS OF ENSURING ENERGY SECURITY FOR ENTERPRISES FROM THE

MINERAL RESOURCES SECTOR

B.N.ABRAMOVICH, Dr. of Engineering Sciences, Professor, babramov@mail.ru Yu.A.SYCHEV, PhD in Engineering Sciences, Associate Professor, sychev_yura@mail.ru National Mineral Resources University (Mining University), St Petersburg, Russia A complex of technical means and decisions for ensuring adequate level power safety at mineral resources enterprises has been developed, including voltage mode control method, power quality improvement method, method of ensuring dynamic stability for electricity-generating equipment, method of enhancing power supply reliability, distributive network structure control method, and method of combined use of alternative and renewable energy sources. The necessity of ensuring power safety for the objects of the mineral resources sector, from the technical point of view – with the application of modern achievements and developments in the area of electrical complexes and systems, has been proved .

Key words: mining, power safety, power saving, power efficiency, mineral resources, power supply, power consumption .

–  –  –

ФОРМИРОВАНИЕ ВНЕШНЕЙ ДИНАМИКИ ГОРНЫХ МАШИН

Э.А.ЗАГРИВНЫЙ, д-р техн. наук, профессор, zagrivniy@yandex.ru Г.Г.БАСИН, аспирант, gleb.basin@gmail.com Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург, Россия Приведен обзор современного состояния внешней динамики горных машин. В значительном числе теоретических работ разрушаемый забой горной машины (ГМ) представлен силой, изменяемой в функции времени. Такое представление реакции забоя не соответствует отражениям физических процессов и не определяет влияние динамических параметров ГМ и процессов на формирование разрушаемого забоя. Предложена динамическая модель ГМ с идеализированным разрушаемым забоем, который обеспечивает кинематическое возбуждение движения исполнительного органа (ИО) ГМ при движении резца (шарошки) по следу. В этом случае ГМ представляется динамической структурой с запаздыванием (системой с «памятью»), а координаты забоя зависящими от динамических параметров и режимов работы. Приведены результаты исследований предложенной системы на устойчивость .

Показано, что устойчивые динамические системы «исполнительный орган – забой» с переменной структурой обеспечивают заданные минимальные динамические нагрузки. Проведены экспериментальные исследования подвесок исполнительных органов буровых станков шарошечного бурения, очистных угольных и проходческих комбайнов. Во всех случаях показана достаточно высокая эффективность снижения динамических нагрузок в силовых системах ГМ .

Ключевые слова: горная машина, разрушаемый забой, системы с запаздыванием .

Конкурентоспособность горнодобывающих предприятий РФ как на внутреннем, так и на внешнем рынках в конечном итоге определяется производительностью труда, которая, в свою очередь, в значительной мере зависит от эффективности работы горных машин. Так, например, на рудных месторождениях, отрабатываемых открытым способом, одним из основных звеньев технологического процесса является проходка взрывных скважин станками шарошечного бурения, трудоемкость которой составляет 10-40 % от общей трудоемкости работ, связанных с добычей. При работе станков шарошечного бурения на твердых и трещиноватых породах наблюдаются интенсивные вибрации в виде продольных колебаний бурового става с частотой 2-10 Гц и амплитудой 0,5-1 см, которые часто сопровождаются потерей поперечной устойчивости бурового става. Такие режимы занимают до 15 % и более чистого времени бурения и сопровождаются высокой динамической нагруженностью силовых систем, определяющей высокую аварийность и низкий коэффициент машинного времени [7-9] .

При отработке угольных пластов подземным способом более 80 % объема работ по выемке пластов выполняются очистными комбайнами, значительная часть (около 60 %) подготовительных выработок проводится проходческими комбайнами. Работа этих машин характеризуется высокой динамической нагруженностью и аварийностью. Вопросам исследования работы станков шарошечного бурения, очистных и проходческих комбайнов, а также разрушения пород и резания углей в период 1960-1990 гг. посвящено большое количество работ [1-3] .

Обобщая результаты анализа опубликованных работ по внешней динамике горных машин (буровые станки шарошечного бурения, очистные комбайны, проходческие комбайны циклического действия и др.), можно отметить следующее. Во многих работах горная машина (ГМ) представлена динамической системой (линейной или нелинейной) с одной или несколькими степенями свободы, на входы которой действует детерминированная _________________________________________________________________________________________________

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217 или случайная активная сила F = f(t), равная силе реакции забоя (рис.1, а). При таком представлении расчетной модели горной машины факт безотрывного движения породоразрушающего инструмента по забою не отражается, решается задача о движении динамической системы под действием активной силы в функции времени, равной силе реакции забоя, без наложения дополнительных условий на закон безотрывного движения породоразрушающего инструмента по забою [8] .

Учитывая, что до 60-80 % мощности от общей энерговооруженности горной машины реализуется на забое и породоразрушающий инструмент в нормальном режиме движется безотрывно по забою, можно считать, что процесс формирования координат забоя определяет вынужденные движения ИО в направлении подачи. При этом, ввиду того, что силы в системах подачи горных машин являются потенциальными и определяются величинами сжатия (растяжения) упругих элементов, координаты забоя при безотрывном движении по нему породоразрушающего инструмента определяют положение центра масс ГМ, величину сжатия (растяжения) упругого элемента в системе подачи ГМ, следовательно, и усилие подачи .

С другой стороны, усилие в системе подачи определяет глубину внедрения породоразрушающего инструмента, новые координаты забоя и изменяется в функции пути породоразрушающего инструмента .

Таким образом, «ГМ – забой» – замкнутая динамическая система, вынужденное движение которой определяется координатами забоя при безотрывном перемещении по нему породоразрушающего инструмента и динамическими параметрами ГМ (массами исполнительного органа и корпуса ГМ, коэффициентами жесткости и демпфирования), т.е .

«ГМ – забой» представляет собой систему с кинематическим возбуждением со стороны забоя, координаты которого зависят от давления на него .

С учетом сказанного можно утверждать, что задача о движении системы «ГМ – забой»

относится к классу задач о движении соприкасающихся тел с неудерживающими (односторонними) связями, одно из которых (исполнительный орган) может считаться твердым, а другое (забой) – нетвердым. Координаты нетвердого тела определяются усилиями подачи и являются функцией координат забоя (пути породоразрушающего инструмента) и динамических параметров системы «ГМ – забой». Аналогом такой системы можно считать кулачковый механизм, координаты поверхности кулачка которого зависят от давления на него, т.е. s f [ ; P(t )] (рис.1, б). В горной машине (буровой станок) при движении резца (шарошки) по следу на плоском забое силовое воздействие в системе подачи аналогично воздействию на шток при движении его по круговому кулачку (рис.1, б) .

Существенным различием этих расчетных схем является то, что они а б имеют различные числа степеней C2 C2 свободы. Если в схеме на рис.1, а две x2 x2 m2 степени свободы – x1 и x2, то в схе- m2 ме на рис.1, б – одна x2, так как s C1 C1 задана. Исследовано поведение сис- s s темы (рис.1, б) при условии, что s m1 m1 s f [; P (t )], где P (t ) – динамическая составляющая осевого усилия, F равная силе реакции кулачка Rк t. s Динамическая составляющая изменяется во времени, а система может быть устойчивой или неустойчивой, Рис.1. Обобщенные расчетные схемы динамических систем горной машины: а – традиционная, б – предлагаемая т.е. при t профиль кулачка буСанкт-Петербург. 2016 дет либо стремиться к кругу, либо все более и более отличаться от него. Принимая во внимание факт безотрывного перемещения инструмента по забою, движение системы «горная машина – забой» должно исследоваться с позиций теории динамики систем с кинематическим возбуждением, в которых кинематическое возбуждение, в свою очередь, зависит от усилий в системе, т.е. от динамических параметров системы .

Известно, что в первом приближении зависимость глубины внедрения породоразрушающего инструмента может быть представлена выражением h = P, где h – глубина внедрения инструмента в забой, Р – усилие подачи, – коэффициент пропорциональности .

Следует подчеркнуть, что значение = h/Р отражает не только физико-механические свойства разрушаемого массива, но и эффективность породоразрушающего инструмента. Например, при одной и той же крепости массива при затуплении или поломке инструмента глубина внедрения h при одном и том же осевом усилии уменьшится. Это равносильно уменьшению значения коэффициента и увеличению значения коэффициента 1 /, который имеет физический смысл коэффициента жесткости некой пружины. Отличие поведения забоя и пружины состоит в том, что после снятия нагрузки с пружины она восстанавливает первоначальную длину, а забой «запоминает» (пружина с «памятью») длину сжатого состояния, что и отражает факт необратимых изменений его поверхности – разрушение. Это главное свойство геометрических изменений забоя должно быть отражено при составлении расчетной динамической модели системы «горная машина – забой» [4,5] .

Механизм формирования координат забоя может быть представлен следующим образом. При работе горной машины забой перемещается в направлении усилия подачи со средней скоростью Vср. При этом давление на забой поддерживается путем изменения свободной длины упругого элемента, на котором подвешен исполнительный орган с той же скоростью. За один оборот исполнительного органа забой перемещается на величину глубины внедрения инструмента в забой, т.е. на h P. Так как осевое усилие всегда может быть представлено как P P0 P(t ), то можно записать h0 ht P0 Pt ; V V0 V t, где h0, P0, V0 – постоянные составляющие глубины внедрения инструмента, усилия подачи и скорости продвижения забоя; h(t ), P(t ), V (t ) – динамические составляющие процесса разрушения забоя, которые при плоском забое равны нулю .

Если из уравнений, описывающих полный режим работы горной машины, вычесть уравнения статического режима, то получатся уравнения динамики процесса, т.е .

h(t ) P(t ). При этом изменение забоя можно рассматривать относительно неподвижных осей s-, а процесс формирования координат внутри разрушаемого слоя массива толщиной h0 h(t ) h. (рассматриваются малые колебания h(t ) h0 ), происходящим под действием динамической составляющей Р = Р(t) .

При перемещении по забою разрушающего инструмента (шарошки, резца) со скоростью V r (здесь – угловая скорость, r – радиус, на котором укреплен инструмент), для любой точки забоя t можно записать P(t ) h(t ) ( – обобщенный коэффициент жесткости забоя), или ( s x )c h(t ); h(t ) = Rз (t ) ( Rз (t ) – реакция забоя, x – координата массы m). В свою очередь, h(t ) sн sк, где sн – начальное значение координаты забоя в точке, sк – значение координаты забоя в точке после прохода инструмента. Или ( s x)c (s s ), где s s (t T ) – координата забоя на обороте N – 1 инструмента; Т – запаздывание, равное периоду обращения инструмента, T 1 / ; s = s (t ) – мгновенное значение координаты забоя в точке после разрушения забоя на глубину h(t) на обороте N инструмента .

_________________________________________________________________________________________________

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217 а б в

–  –  –

Рис.2. Расчетные схемы идеализированной горной машины: а – полная; б – парциальная подсистема «ИО-забой»; в – парциальная подсистема «корпус-ИО»

Идеализированная модель системы «ГМ – забой» (рис.2, а) включает в себя массы m1 и m2, соответственно, исполнительного органа и корпуса ГМ, упругие элементы системы подвески исполнительного органа (ИО) с коэффициентом жесткости C1 и системы подачи C2, демпфирующие устройства системы подвески исполнительного органа и системы опор ГМ с коэффициентами демпфирования 1 и 2, разрушаемый забой с координатами s и s. По идеализированному кольцевому забою безотрывно перемещается породоразрушающий инструмент (шарошка, резец). При моделировании процесса формирования координат забоя отражаются только кинематические особенности процесса разрушения (резания), обусловленные основным законом разрушения h = P. Энергетика процесса разрушения не рассматривается и собственно процесс разрушения не моделируется. Учитывая малое влияние изменения скорости привода на вибрационное состояние буровых станков, в рассматриваемом случае скорость вращения инструмента р принята постоянной .

Воспользовавшись уравнением Лагранжа 2-го рода и проведя необходимые преобразования, окончательно получим:

–  –  –

где p – угловая скорость породоразрушающего инструмента; 1 / – обобщенный коэффициент жесткости забоя; s – координата забоя в точке взаимодействия забоя и породоразрушающего инструмента на N-м обороте инструмента (шарошки, резца), s s[ p (t )] – координата забоя под инструментом на (N – 1)-м обороте инструмента;

( 2 / n) p – время запаздывания, равное времени прохождения инструмента в рассматриваемую точку забоя за один период движения инструмента по следу; n – число резцов (шарошек) в линии резания; M c – момент сопротивления на ИО .

_________________________________________________________________________________________________

Санкт-Петербург. 2016 Факт необратимых изменений координат забоя отражен в уравнениях (2) и (3). Левая часть уравнения (2) представляет собой усилие подачи, равное сумме инерционного Ри, демпфирования Рд и упругого Ру усилий в системе подачи, а правая – реакцию забоя ( Rз ), выраженную через глубину внедрения инструмента в забой в соответствии с принятым законом разрушения (резания), т.е. Pз Pи Pд Pу h .

Уравнение (3) отражает механизм формирования координат забоя, состоящий в том, что мгновенное значение координаты s формируется из координаты s в рассматриваемой точке, образуемой предыдущим взаимодействием инструмента с забоем, путем внедрения инструмента (резца, шарошки) на глубину, пропорциональную мгновенному усилию подачи, т.е. s s h .

Таким образом, мгновенные значения координат забоя зависят от динамического усилия подачи и значений координат забоя в рассматриваемой точке после прохождения инструмента в этой точке на предыдущем обороте. Другими словами, состояние системы в рассматриваемый момент времени зависит от предыдущего состояния. Известно, что такие системы, обладающие «памятью», описываются дифференциальными уравнениями с запаздывающим аргументом и обладают особенностью – даже при эффективном демпфировании могут иметь неустойчивые нулевые решения. С практической точки зрения важно уметь выбрать указанные параметры таким образом, чтобы система обладала свойством самовыравнивания забоя. С математической точки зрения эта система должна иметь устойчивые нулевые решения. При таком выборе параметров всегда при t s 0, а, следовательно, в системе будет отсутствовать кинематическое возбуждение со стороны забоя, и динамические усилия во всех узлах горной машины будут минимальны .

Учитывая, что масса корпуса ГМ много больше массы ИО ( m2 m1 ) и C2 C1 (в конструктивную схему ГМ вводится система подвески ИО с коэффициентом жесткости C1 и демпфирования 1 ), можно исходную систему (рис.2, а) разделить на две парциальные системы, каждая из которых имеет одну степень свободы (рис.2, б, в) .

Система «ИО – забой» (рис.2, б) представляет наибольший практический интерес, так как она отражает основной наиболее энергоемкий процесс формирования координат забоя и, следовательно, внешнюю динамику ГМ, эффективность и надежность работы ГМ. Движение центра масс корпуса ГМ (рис.2, в) определяется силами, передаваемыми через систему подвески ИО от забоя, которые зависят от параметров C1 и 1 и координат забоя, т.е .

от траектории движения породоразрушающего инструмента по забою. Поэтому основное внимание следует уделить анализу динамической системы «ИО – забой» (рис.2, б), считая при этом x 0 .

Так как практический интерес в основном представляет длительный режим работы ГМ, а система является замкнутой (автономной), в дальнейшем целесообразно воспользоваться хорошо развитыми в теории автоматического управления (ТАУ) методами передаточных функций по определению динамических параметров, обеспечивающих автоматическое выравнивание координат забоя, т.е. иметь устойчивые нулевые решения всегда при t s 0.

С учетом принятых допущений система (1)-(4) может быть представлена в стандартном безразмерном виде, принятом в ТАУ:

–  –  –

Рис.4. Зависимость координаты забоя от времени при динамических параметрах неусточивой системы (а);

годограф Найквиста для неустойчивой системы (б)

–  –  –

C12 6,25 10 4 Н/м; 12 6 105 Н с/м; 02 11рад/с .

Для обеспечения устойчивости в заданном диапазоне необходимо снижать коэффициент жесткости подвески ИО, что снижает a, и вводить эффективное демпфирование ( 10). Однако при введении значительного демпфирования динамическая жесткость системы подвески может оставаться высокой, а значит, и передаваемые усилия на корпус машины – также высокие (см. рис.3, в) [6]. Компромиссное решение может быть получено при использовании в подвеске ИО системы переменной структуры (СПС) (рис.6), где W1 ( p ) 1 e pa, W2 ( p ) b /( p 2 21 p 1), При s 0 выключается звено W3 ( p ) с 3 и движение от забоя происходит с малыми демпфированием и динамической жесткостью, при s 0 включается звено W1 ( p ) с большим 1. Известно, что достаточным условием устойчивости СПС является устойчивость одной из структур, например, структуры со звеном W1 ( p ) с демпфированием 1 .

–  –  –

1. Габов В.В. Анализ характера нагрузок очистных комбайнов / В.В.Габов, В.П.Околокулак // Записки ЛГИ .

1981. Т.LXXXVIII. С.13-19 .

_________________________________________________________________________________________________

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217

2. Докукин А.В. Статистическая динамика горных машин / А.В.Докукин, Ю.Д.Красников, З.Я.Хургин. М.:

Машиностроение. 1978. 239 с .

3. Докукин А.В. Создание и развитие угледобывающих комбайнов / А.В.Докукин, А.Г.Фролов. М.: Недра, 1984. 160 с .

4. Загривный Э.А. Математическая модель горной машины с разрушаемым забоем / Э.А.Загривный, Г.Г.Басин, Д.А.Поддубный // Сборник трудов международной научно-практической конференции «Энергоэффективность энергетического оборудования». СПб, 2014. С.55-60 .

5. Загривный Э.А. Динамические модели и устойчивость подсистемы «исполнительный орган-забой» горной машины»: Автореф. дис.…д-ра техн. наук / СПГГИ. СПб, 1996. 40 с .

6. Загривный Э.А. Математическая модель очистного комбайна с разрушаемым забоем / Э.А.Загривный, Ю.Н.Смирнов // Записки ЛГИ. 1986. Т.108. С.59-62 .

7. Канторович Л.И. Статика и динамика буровых шарошечных станков / Л.И.Канторович, В.Н.Дмитриев. М.:

Недра, 1984, 201 c .

8. Подэрни Р.Ю. Анализ конструкций современных станков вращательного бурения взрывных скважин на открытых работах // Горное оборудование и электромеханика. 2009. № 2. С.27-34 .

9. Gokhale B.V. Rotary drilling and blasting in large surface mines. New York: CRC Press, 2011. 430 p .

REFERENCES

1. Gabov V.V., Okolokulak V.P. Analiz haraktera nagruzok ochistnyh kombajnov (Analysis of the shearers loads) .

Zapiski LGI. 1981. Vol.LXXXVIII, р.13-19 .

2. Dokukin A.V., Krasnikov Ju.D., Hurgin Z.Ja. Statisticheskaja dinamika gornyh mashin (Statistical Dynamics of mining machines). Moscow: Mashinostroenie, 1978, p.239 .

3. Dokukin A.V., Frolov A.G. Sozdanie i razvitie ugledobyvajushhih kombajnov (Creation and development of coalmining harvesters). Moscow: Nedra, 1984, p.160 .

4. Zagrivnyj E.A., Basin G.G., Poddubnyj D.A. Matematicheskaja model' gornoj mashiny s razrushaemym zaboem (Mathematical model of the mining machine with a damageable face): Sbornik trudov mezhdunarodnoj nauchnoprakticheskoj konferencii «Jenergojeffektivnost' jenergeticheskogo oborudovanija». St Petersburg, 2014, р.55-60 .

5. Zagrivnyj E.A. Dinamicheskie modeli i ustojchivost' podsistemy «ispolnitel'nyj organ-zaboj» gornoj mashiny (Dynamic model and stability of the subsystem executive part-face). Avtoref. dis.…d-ra tehn. nauk. SPGGI. St Petersburg, 1996, р.40 .

6. Zagrivnyj E.A., Smirnov Ju.N. Matematicheskaja model' ochistnogo kombajna s razrushaemym zaboem (Mathematical model of the shearer with damageable face). Zapiski LGI, 1986. Vol.108, р.59-62 .

7. Kantorovich L.I., Dmitriev V.N. Statika i dinamika burovyh sharoshechnyh stankov (Statics and dynamics of rotary roller-bit drilling rigs), Moscow: Nedra, 1984, р.201 .

8. Podjerni R.Ju. Analiz konstrukcij sovremennyh stankov vrashhatel'nogo burenija vzryvnyh skvazhin na otkrytyh rabotah (Analysis of modern rotary drilling rigs designs at open pit mines). Gornoe oborudovanie i jelektromehanika. 2009 .

N 2, р.27-34 .

9. Gokhale B.V. Rotary drilling and blasting in large surface mines. New York: CRC Press, 2011, р.1-430 .

EXTERNAL DYNAMICS FORMATION IN MINING MACHINES

E.A.ZAGRIVNYI, Dr. of Engineering Sciences, Professor, zagrivniy@yandex.ru G.G.BASIN, Postgraduate student, gleb.basin@gmail.com National Mineral Resources University (Mining University), St Petersburg, Russia This study surveyed the current state of mining machines dynamics. In the significant number of theoretical studies mining face was represented as a force variable in time. Such face representation does not reflect physical reality, and does not include the influence of mining machines dynamic parameters and processes on face formation. This paper introduces a new dynamic model of the mining machine with an idealized damageable face, which provides kinematic excitation of the drilling bit while moving on its trail. In this case, the mining machine is represented as a dynamic system with a delay (a system with «memory»), where face coordinates depend on the dynamic parameters and operating modes. The proposed system was checked for stability. This study shows that stable dynamic systems «executive body» with a variable structure provide minimal target dynamic loads .

Experimental study of executive bodies suspensions of the blasthole drilling rigs, coal mining and tunneling machines was conducted. Experiments showed high efficiency reduction of dynamic loads in the carrying systems in all cases .

Key words: mining machine, mining face, systems with delay .

–  –  –

АНОМАЛИЯ ПЛАСТИЧНОСТИ ЖЕЛЕЗА КАК

СЛЕДСТВИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРИ ~ 650°С К.Ю.ШАХНАЗАРОВ, канд. техн. наук, доцент, karen812@yandex.ru Е.И.ПРЯХИН, д-р техн. наук, профессор, mthi@spmi.ru Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург, Россия На основании шести признаков ПНП-эффекта, теплового эффекта в четырех независимых исследованиях, магнитного эффекта (изменение диффузии как в точке Кюри), изменения растворимости водорода и углерода и двух десятков аномалий на температурных зависимостях физико-механических свойств обосновано превращение в железе при ~650 C .

Превращение позволяет объяснить экстремальные свойства продуктов изотермического превращения аустенита, ступенчатой закалки, отпуска мартенсита, аномально высокую диффузию, появление стимула к рекристаллизации аустенита и др .

Ключевые слова: ударная вязкость, относительное удлинение, относительное сужение, полиморфизм, эвтектоидное превращение .

Максимум ударной вязкости железа не нашел и не может найти, на наш взгляд, безупречного объяснения, так как сингулярная точка может находиться на шести кривых по данным разных исследований при ~590, 600, 630, 650, 660 или 670 С [3, c. 33]. Можно до бесконечности очищать железо от примесей (даже, возможно, согласно Йенсену, лишить его полиморфизма [18, c.164]) и, наконец, получить истинную кривую вязкости, но ценность этой кривой ничтожна, так как производные железа – стали никогда не были «чистыми» от углерода, кислорода и других примесей в процессе металлургического передела [18, с.242] .

Максимума вязкости может и не быть, если испытания провести при ~360, 460, 580 и 760 С [5, c.77]. Тогда делается вывод: «вязкость постепенно падает… из-за постепенного размягчения материала» [5, c.77]. Этот вывод обусловлен, на наш взгляд, нежеланием Э.Гудремона обсуждать парадоксальную ситуацию: нет единой точки зрения о температурной зависимости вязкости самого «главного» металла железа. Тем не менее, позиция Гудремона странна: автор предшествующей «энциклопедии стали» П.Обергоффер показывает абсолютный максимум вязкости сталей при ~ 625 С, хотя не оговаривает содержание углерода и дважды подчеркивает, что кривая «схематическая» [12, c.227, 228] .

В настоящей работе принята условная температура максимума вязкости ~ 650 C, так как она отвечает данным таблицы на с.125, но не построенному по ней рисунку на с.126 (600 C) работы [15], результаты которой, на наш взгляд, дают основания для вывода о превращении в железе при ~ 650 C, точнее в интервале 600-700 C .

Целью работы является обоснование тезиса о связи максимума удлинения и вязкости железа с превращением в нем при ~ 650 С, которое может определять аномалии механических свойств также и производного железа – сталей. Связь свойств железа и сталей следует, например, из следующего заключения: «наблюдающиеся в железе различные типы превращения находят свое продолжение в сплавах железа» [10, c.16] .

В статье обсуждаются результаты экспериментов и их интерпретации, содержащиеся в широко известных источниках. Основное внимание уделено исследованиям Е.М.Савицкого [15]. Показателями превращения считаются не только «скачкообразное изменение» или «перегибы на кривых» (по Г.Тамману и Э.Гудремону [5, c.16]), но и экстремумы на кривых .

_________________________________________________________________________________________________

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217 На температурной зависимости вязкости железа есть две сингулярные точки (минимумы) при ~ 450 и ~ 900 C [21, c.24]. Первая точка может быть связана с предполагаемым превращением в железе и стали [7, c.24], а вторая – с безусловным полиморфизмом железа .

Это позволяет рассматривать экстремум (максимум) вязкости при ~ 650 C как следствие превращения при этой температуре .

Основанием для такого предположения является явная аномалия: относительное удлинение (~ 40 %) при 600 C больше, чем относительное сужение (~ 38 %) [15, c.124] .

Ближайшие температуры испытания 500 и 700 С .

Отметим, что кривые и проведены мимо экспериментальных точек при 600 C, что сделало менее выразительным минимум на кривой и максимум на кривой. Оба экстремума соответствуют максимуму вязкости при 600 C (на рисунке) [20, c.126], т.е. не связаны со скоростью деформации. Все три экстремума вязкости, и не были обсуждены .

Между тем, признаком наличия превращения являются более высокие (или почти равные) значения, чем. Например, в trip-сталях (ПНП-сталях; ПНП пластичность, наведенная превращением) это имеет место [20, c.223, 230, 232] из-за неоспоримого полиморфного превращения аустенита в мартенсит деформации во время растяжения. Другой пример: в межкритическом интервале Ас1 Ас3, где полиморфное превращение неоспоримо, максимуму (~ 90 %) стали 12ХН3А соответствует минимум (~ 85 %), а у стали 35 такие же экстремумы на кривых (~ 88 %) и (~ 92 %) почти касаются друг друга [2, c. 24]. То же – в межкритическом интервале Аr3 Ar1, где превращение неоспоримо, если испытания стали 35 проводить после предварительного нагрева до 980 C и охлаждения до заданной температуры [2, c.28]. Особо обратим внимание на ключевое слово «аномалия» в названии работы [2] .

Отметим также, что при всех температурах испытания (до 1100 C через каждые 100°C) разница между и значительна, только при 600, 800 и 900 C она меньше 5 % [15, c.124]. Последние две температуры находятся вблизи А2 и А3, что делает температуру 600 C равнозначной температурам магнитного и полиморфного превращений. Такой же вывод можно сделать из рассмотрения температурной зависимости динамической пластичности (дин – укорочение образца при ударном осаживании). Если проводить кривую по экспериментальным точкам, то дин почти не зависит от температуры в интервалах 20-600 и 900-1100 C и скачкообразно (в ~ 2,5 раза) [15, c.124] возрастает в интервале 600-900 C .

Это создает изгибы кривой при 900 и 600 C, т.е. вблизи неоспоримого и предполагаемого в настоящей работе превращений .

Самым убедительным доводом наличия превращения при 600 C является четкий изгиб при 600 C кривой «величины внутренних напряжений, возникающих в армко-железе при нагревании» [15, c.127]. Эта зависимость в интервале 300-920 C названа монотонной, хотя в интервале 300-600 С внутренние напряжения возрастают от 0 до 0,1 кг/мм2, а в интервале 600-900 C – от 0,1 до 0,4 кг/мм2, что означает трехкратную разницу .

Четкий максимум на кривой внутренних напряжений при 900 C (в точке А3) позволяет рассматривать изгиб этой кривой при 600 C как следствие превращения в железе .

Таким образом, на всех пяти обсуждаемых температурных зависимостях вязкости,,, дин и внутренних напряжений железа [15, c.124-127] есть немонотонности или аномалии при 600 или 650 C, как и при ~ A3 (900 C) .

Обратимся к физическим свойствам железа. Доводами в пользу наличия превращения в железе при ~ 650 С являются: максимум на кривой температурной зависимости числа Лоренца при ~ 600 С и минимум при ~ 670 С [22, c.417]; максимум на температурной зависимости коэффициента линейного расширения при ~ 650 С [3, c.123]; изгиб кривой температурной зависимости теплоемкости при ~ 650 С [8, c.95]; изгиб кривой (данные ШелСанкт-Петербург. 2016 тона) температурной зависимости теплопроводности при 600°С, в интервале 600-700 С она перестает понижаться, если кривую проводить по экспериментальным точкам [7, c.179];

максимум магнитострикции при ~ 600-625 C [1, c.522] .

Впрочем, превращение в железе при ~ 650 C было установлено еще в 1886 г. Пионшоном: для нагрева железа выше 660 C требуется «гораздо больше калорий» [18, c.29] .

Воззрения Пионшона подтвердил в том же году французский ученый Ле Шателье, изучая совсем другое явление – термоэлектродвижущую силу пар, в состав которых входило железо [18, c.29] .

Выделял температуру 670 C и А.Шульце, считавший, что магнитное превращение железа распространяется на интервал температур 720-783 C, а на 50 С ниже температуры начала магнитного превращения, т.е. при 670 C, наблюдается ускоренный рост температурного коэффициента электросопротивления, линейно изменявшегося в интервале 600-670 C [23, c.254]. Также изменяется максимальная магнитная проницаемость [1, c.55] .

Возможно, описанные аномалии свойств железа при ~ 650 C имеют магнитную природу .

Поскольку стали, особенно углеродистые и низколегированные, являются производными железа (в них примерно 95 атомов железа из 100), полагаем допустимым рассмотреть некоторые аномалии механического поведения сталей, которые могут быть связаны с превращением в железе при ~ 650 C:

1. Несмотря на разупрочнение, имеет место «некоторое снижение ударной вязкости при температурах отпуска выше 600 С» [11, c.316], выше 640 С [6, c.77], выше 650 С [5, c.442], – выше 600 С [9, c.109]. Эта явная аномалия никак не комментируется [5, c.442-445], связывается с грубыми частицами цементита по границам ферритных зерен [11, c.316], объясняется «увеличением размеров кристалликов -железа и мозаичных блоков вследствие собирательной рекристаллизации» [9, c.110], связывается с «оптимальными размерами блоков феррита, карбидов и межкарбидных расстояний» [6, c.77] .

Полагаем, к перечисленному можно добавить и декларируемое превращение в железе при ~ 650 С .

2. В классической работе М.Гензамера с соавторами (1942 г.), приводимой во многих монографиях и учебниках, показана явная аномалия: понижение температуры изотермического перлитного превращения стали с 0,78 % С от 700 до 600 С повышает 0,2 в ~2,5 раза, в в ~1,2 раза, HRCв ~2,5 раза, в ~1,2 раза, в ~2 раза [5, c.190, 13, c.17]. По-видимому, объяснение Гудремона [5, c.191] этой аномалии («несмотря на повышение твердости и прочности, возрастают также относительное удлинение и поперечное сужение») настолько не устраивает авторов работы [13], что они ограничились обсуждением только прочностных свойств [13, c.15] .

Полагаем, при обсуждении этой аномалии можно использовать развиваемую в настоящей работе концепцию .

3. Крупнозернистость, т.е. хрупкость стали 38ХН3М после закалки от 1300 С не устраняется ни обычной закалкой от 880 С, ни ступенчатым сорбитизирующим нагревом под закалку (20 675 880 20 С). Но стоит после 675 С сделать подстуживание до 600 С, а затем уже нагревать под закалку от 880 С (20 675 600 880 20 С), крупнозернистость исчезает полностью. Обсуждение этого эксперимента В.Д.Садовский заканчивает так: «Но с еще большей определенностью можно сказать, однако, что проблема структурной наследственности не может быть сведена к описанному действию остаточного аустенита» [17, c.47] .

Полагаем допустимым предположить, что измельчение зерна происходит в результате рекристаллизации аустенита, для которой нужен стимул – «внутренний (фазовый) наклеп»

[17, c.49]. Этот стимул мог бы появиться во время подстуживания (675 600°С), если доISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217 пустить превращение при ~ 650 С. Предлагаемая версия не безупречна, поскольку «подстуживание от 675 С не на 600 С, а на 550 С… вновь дает при нагреве на 880 С эффект восстановления» [17, c. 47] крупнозернистости .

4. Разохрупчивание стали, находящейся в состоянии обратимой отпускной хрупкости (закалка + отпуск при ~ 650 С c последующим медленным охлаждением), может быть осуществлено «независимо от степени развития отпускной хрупкости, кратковременным (несколько минут) повторным нагревом до температуры выше 600 С с последующим быстрым охлаждением» [11, c.325]. По-видимому за несколько минут при ~ 650 С могут пройти процессы только в условиях аномальной диффузионной подвижности, а она характерна, например, для магнитного превращения вблизи точки Кюри [4, c.83] .

Нам больше импонирует изложенная В.Д.Садовским версия М.В.Якутовича: гипертрофированное внимание к границам зерен («усиленная травимость границ», чаще, но не всегда, межкристаллитный излом [16, c. 35, 26]) охрупченной стали не должно исключать внимания к телу зерна – «строго говоря, межзеренное разрушение еще не обязательно означает, что вызывающие его явления происходят на границах зерен» [16, c.35]. Полагаем, охрупченные границы могут себя проявить, если только основная масса металла – тело зерна не способна к деформации. Этой неспособностью может не обладать быстроохлажденная от ~ 650 С сталь, т.е. закаленная от субкритической температуры. После такой закалки «иногда наблюдают незначительное повышение твердости» [5, c.445]. Закалка без полиморфного превращения, как известно, фиксирует высокотемпературное состояние. Если придерживаться версии о превращении в железе при ~ 650 С, то разохрупчивание можно связать с фиксированием высокотемпературной ( ~ 650 С) подмодификации железа .

5. На температурных зависимостях 0,2 и в стали АК29 (низкоуглеродистая среднелегированная сталь, состав не указан) отчетливы изгибы при ~ 650 C (как и при ~ 450 C) .

При ~ 650°C пересекаются кривые, полученные при скоростях растяжения 0,4 и 2103с1 [14, c.59], что означает исключение второго влияющего фактора – скорости, первым является температура растяжения. Полагаем, такое возможно в случае превращения при ~ 650 C. Это превращение может быть доминирующим фактором, нивелирующим различие в механическом поведении при указанных скоростях растяжения .

6. С превращением при ~ 650 С можно связать и «удивительный факт: в процессе эвтектоидного превращения эвтектоидной стали из высокотемпературной фазы всего за несколько секунд образуются пластины феррита, содержащего от 0,02 до 0,015 % С, и пластины цементита, содержащего 6,67 % С» [13, c.11]. Происходит эта реакция в «узком температурном интервале», «как правило, при 670-630 С» [13, c.9] .

Полагаем, превращение при ~ 650 С может обеспечить аномально быструю диффузию при 670-630 C и объяснить «удивительный факт», а также гораздо более удивительный:

отсутствие следов крупных по сравнению с железом атомов сурьмы в Оже-спектрах изломов с устраненной обратимой хрупкостью, хотя «время, требуемое для устранения сегрегаций, очень мало» [19, c.14, 22] .

Аномалии на температурных зависимостях механических и физических свойств могут быть следствием превращения в железе при ~ 650 C, которое, возможно, определяет аномалии механического поведения сталей .

ЛИТЕРАТУРА

1. Бозорт Р. Ферромагнетизм. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1956. 784 с .

2. Васильева А.Г. Аномалия прочности и пластичности в межкритическом интервале / А.Г.Васильева, Г.И.Погодин-Алексеев // МиТОМ. 1957. № 1. С.23-29 .

3. Гаев И.С. Полиморфизм и его влияние на свойства железа / И.С.Гаев, Е.В.Шеянова // Металловедение: Материалы симпозиума по металлургии и металловедению, посвященного 100-летию открытия Д.К.Черновым полиморфизма железа. М.: Наука, 1971. С.26-35 .

_________________________________________________________________________________________________

Санкт-Петербург. 2016

4. Григорович В.К. Электронное строение и термодинамика сплавов железа. М.: Наука, 1970. 292 с .

5. Гудремон Э. Специальные стали. В 2-х т. Т.1. М.: Металлургиздат, 1959. 952 с .

6. Крамаров М.А. Сопротивление распространению трещины стали 40Х в зависимости от температуры отпуска / М.А.Крамаров, Ю.В.Шахназаров // МиТОМ. 1971. № 7. С.76-77 .

7. Лившиц Б.Г. Физические свойства сплавов. М.: Металлургиздат, 1946. 320 с .

8. Могутнов Б.М. Термодинамика железоуглеродистых сплавов / Б.М.Могутнов, И.А.Томилин, Л.А.Шварцман .

М.: Металлургия, 1972. 328 с .

9. Мороз Л.С. Тонкая структура и прочность стали. М.: Металлургиздат, 1957. 159 с .

10. Морозов О.П. О некоторых закономерностях превращения в железе при охлаждении с высокими скоростями / О.П.Морозов, Д.А.Мирзаев, М.М.Штейнберг // ФММ. 1971. Т.32. № 6. С.1290-1296 .

11. Новиков И.И. Теория термической обработки. М.: Металлургия, 1978. 392 с .

12. Обергоффер Э. Техническое железо. М.-Л.: Металлургиздат, 1940. 535 с .

13. Счастливцев В.М. Перлит в углеродистых сталях / В.М.Счастливцев, Д.А.Мирзаев, И.Л.Яковлева и др .

Екатеринбург: УрО РАН, 2006. 311 с .

14. Рудницкий Н.П. Статические механические свойства стали АК29 в диапазоне температур 290-1500 К // Металлы. 2003. № 1. С.57-62 .

15. Савицкий Е.М. Влияние температуры на механические свойства металлов и сплавов. М.: Изд-во АН СССР, 1957. 294 с .

16. Садовский В.Д. Итоги дискуссии по отпускной хрупкости // МиТОМ. 1957. № 6. С.24-42 .

17. Садовский В.Д. Остаточный аустенит в закаленной стали / В.Д.Садовский, Е.А.Фокина. М.: Наука, 1968 .

113 с .

18. Тыркель Е. История развития диаграммы железо – углерод. М.: Машиностроение, 1968. 280 с .

19. Устиновщиков Ю.И. Природа отпускной хрупкости сталей / Ю.И.Устиновщиков, О.А.Банных. М.: Наука, 1984. 240 с .

20. Фазовый наклеп аустенитных сплавов на железоникелевой основе / К.А.Малышев, В.В.Сагарадзе, И.П.Сорокин и др. М.: Наука, 1982. 260 с .

21. Шахназаров К.Ю. 430 + 30 С – узловая (критическая) температура железа и углеродистой стали / К.Ю.Шахназаров, А.Ю.Шахназаров // МиТОМ. 2001. № 11. С.24-25 .

22. Powell R.W. Further measurements of the thermal and electrical conductivity of iron at high temperatures // The proceedings of the physical society. 1939. Vol. 51. Part 3. № 285. P.407-418 .

23. Schulze A. Uber eine besondere erscheinung bei umwandlungen, die sich ber ein temperaturgebiet erstrecken // Zeitschrift fr metallkunde. 1935. Vol.27. N 11. P.251-255 .

REFERENCES

1. Bozort R. Ferromagnetizm (Ferromagnetism). Moscow: Izd-vo inostr. lit-ry, 1956, p.784 .

2. Vasil'eva A.G., Pogodin-Alekseev G.I. Anomalija prochnosti i plastichnosti v mezhkriticheskom intervale (The anomaly of strength and ductility in the intercritical range). MiTOM. 1957. N 1, p.23-29 .

3. Gaev I.S., Shejanova E.V. Polimorfizm i ego vlijanie na svojstva zheleza (Polymorphism and its influence on properties of iron). Metallurgy. Materials Symposium on Metallurgy and Metal dedicated to the 100th anniversary of the discovery of iron D.K.Chernovym polymorphism. Moscow: Nauka, 1971, p.26-35 .

4. Grigorovich V.K. Jelektronnoe stroenie i termodinamika splavov zheleza (Electronic structure and thermodynamics of iron alloys). Moscow: Nauka, 1970, p.292 .

5. Gudremon E. Special'nye stali (Special steel). In 2 v. Vol.1. Moscow: Metallurgizdat, 1959, p.952 .

6. Kramarov M.A., Shakhnazarov Y.V. Soprotivlenie rasprostraneniju treshhiny stali 40H v zavisimosti ot temperatury otpuska (Spread of crack resistance of steel 40X, depending on the annealing temperature). MiTOM. 1971. N 7, p.76-77 .

7. Livshic B.G. Fizicheskie svojstva splavov (Physical properties of the alloys). Moscow: Metallurgizdat, 1946, p.320 .

8. Mogutnov B.M., Tomilin I.A., Schwarzman L.A. Termodinamika zhelezouglerodistyh splavov (Thermodynamics of iron-carbon alloys). Moscow: Metallurgija, 1972, p.328 .

9. Moroz L.S. Tonkaja struktura i prochnost' stali (Fine structure and strength of the steel). Moscow: Metallurgizdat, 1957, p.159 .

10. Morozov O.P., Mirzaev D.A., Steinberg M.M. O nekotoryh zakonomernostjah prevrashhenija v zheleze pri ohlazhdenii s vysokimi skorostjami (Some regularities of transformation in iron under cooling with high-speed). FMM. 1971 .

Vol.32. N 6, p.1290-1296 .

11. Novikov I.I. Teorija termicheskoj obrabotki (The theory of heat treatment). Moscow: Metallurgija, 1978, p.392 .

12. Obergoffer E. Tehnicheskoe zhelezo (Technical iron). Moscow-Leningrad: Metallurgizdat, 1940, p.535 .

13. Schastlivcev V.M., Mirzaev D.A., Jakovleva I.L. et al. Perlit v uglerodistyh staljah (Perlite in carbon steels). Ekaterinburg, Ural Branch of Russian Academy of Sciences, 2006, p.311 .

14. Rudnickij N.P. Staticheskie mehanicheskie svojstva stali AK29 v diapazone temperatur 290-1500 K (The static mechanical properties of the steel AK29 in the temperature range 290-1500 K). Metally. 2003. N 1, p.57-62 .

15. Savickij E.M. Vlijanie temperatury na mehanicheskie svojstva metallov i splavov (The effect of temperature on the mechanical properties of metals and alloys). Moscow: Publishing House of the USSR Academy of Sciences, 1957, p.294 .

_________________________________________________________________________________________________

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.217

16. Sadovskij V.D. Itogi diskussii po otpusknoj hrupkosti (The results of the discussions on the temper brittleness) .

MiTOM. 1957. N 6, p.24-42 .

17. Sadovskij V.D., Fokina E.A. Ostatochnyj austenit v zakalennoj stali (Retained austenite in hardened steel). Moscow:

Nauka, 1968, p.113 .

18. Tyrkel E. Istorija razvitija diagrammy zhelezo – uglerod (History of the diagram iron – carbon development) .

Moscow: Mashinostroenie, 1968, p.280 .

19. Ustinovshhikov Ju.Iu., Bannyh O.A. Priroda otpusknoj hrupkosti stalej (Nature of steels temper embrittlement) .

Moscow: Nauka, 1984, p.240 .

20. Malyshev K.A., Sagaradze V.V., Sorokin I.P. et al. Fazovyj naklep austenitnyh splavov na zhelezonikelevoj osnove (Phase hardening of austenitic iron-nickel-based alloys). Moscow: Nauka, 1982, p.260 .

21. Shakhnazarov K.Y., Shakhnazarov A.Y. 430 + 30 S – uzlovaja (kriticheskaja) temperatura zheleza i uglerodistoj stali (430 + 30 C – nodes (critical) temperature of iron and carbon steel). MiTOM. 2001. N 11, p.24-25 .

22. Powell R.W. Further measurements of the thermal and electrical conductivity of iron at high temperatures (Further measurements of the thermal and electrical conductivity of iron at high temperatures). The proceedings of the physical society. 1939. Vol.51. Part 3. N 285, p.407-418 .

23. Schulze A. About a special appearance in currency conversions, which extend over a temperature region. Journal of Physical Metallurgy. 1935. Vol.27. N 11, p.251-255 .

–  –  –

K.Y.SHAKHNAZAROV, PhD in Engineering Sciences, Associate Professor, karen812@yandex.ru E.I.PRYAKHIN, Dr. of Engineering Sciences, Professor, mthi@spmi.ru National Mineral Resources University (Mining University), St Petersburg, Russia On the basis of six signs of the trip-effect, thermal effect as a result of four independent pieces of researches, magnetic effect (diffusion change, as in the point of Curie), changes in hydrogen and carbon solubility and two dozens of anomalies based on temperature dependences of physical properties, conversion in iron at ~ 650C has been proven. The transformation enables to explain extreme products properties obtained as a result of isothermal transformation of austenite, step tempering, martensite vacation, anomalously high diffusion, appearance of stimulus to austenite recrystallization and other .

Key words: toughness, percentage elongation, contraction ratio, polymorphism, eutectoid transformation .

–  –  –

_____________________

«Записки Горного института» входят в действующий Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук _____________________

–  –  –

«Записки Горного института» издаются в соответствии с планом изданий, утвержденным ректором Горного университета, в сроки, регламентированные агентством «Роспечать» .

К статье прилагаются: экспертное заключение о возможности опубликования в открытой печати; рецензия специалиста сторонней организации; анкеты авторов (ФИО, место работы, должность, ученая степень, ученое звание, e-mail, почтовый адрес, контактные телефоны) и договор о предоставлении персональных данных. Авторы высылают статьи (распечатки на бумаге, электронные версии, сопроводительные документы) в РИЦ Горного университета (pmi.spmi@mail.ru) .

Рукописи рассматриваются редколлегией журнала .

Рукописи, не принятые к печати, авторам не возвращаются .

За публикацию статей плата с авторов не взимается .

Гонорары за опубликованные статьи не выплачиваются .

Объем статьи не должен превышать 0,5 авторского листа .

Состав статьи: УДК, название статьи и данные анкет авторов на русском и английском языках, реферат на русском и английском языках, ключевые слова на русском и английском языках, собственно текст, библиографический список на русском и английском языках .

Авторы представляют набор статьи в текстовом редакторе Word приложения Windows (Windows 2000, Windows 2003) через 1,5-2 интервала (А4, набор 16 24,5 см) .

Основной текст: шрифт – Times New Roman, 12 кегль, обычный, межстрочный интервал

– 1,5; абзацный отступ – 0,8 см. Автоматический перенос слов (запрещается делать переносы вручную); выравнивание – по ширине (только автоматически! в данном случае недопустимо использование пробелов, табуляции и т.д.). Клавиша Enter (перевод строки) используется только в конце абзаца! Инициалы от фамилии, наименования от единиц отбиваются жестким пробелом: Ctrl + Shift + пробел .

Таблицы: Times New Roman, 9 кегль, обычный. Информацию в таблицах давать не единым массивом, а построчно, т.е. не набирать все данные в одной строке!!! Не сокращать слова .

Размер таблиц должен соответствовать формату набора – не более 16 24 см .

Сноска задается автоматически, шрифт – Times New Roman, 9 кегль, обычный .

Формулы. Для набора формул использовать только редактор Equation 3 (или конвертировать в Equation 3); Times New Roman, 12 кегль обычный, крупный индекс – 7 кегль, мелкий индекс – 6 кегль, крупный символ – 14 кегль, мелкий символ – 12 кегль. Латинские буквы набирают курсивом, обычным; русские, греческие буквы, цифры и химические символы, критерии подобия – прямым, обычным, это правило распространяется и на набор индексов в символах .

Библиографический список (литература) составляется в алфавитном порядке в соответствии с ГОСТ 7.1-84 с изменением № 1 от 28.05.99. На всю приведенную литературу должны быть ссылки в квадратных скобках в тексте статьи .

Иллюстрации представляются готовыми для печати в виде компьютерной графики. Редактор, в котором выполнены иллюстрации, должен быть совместим с редактором Word. Размер иллюстраций должен соответствовать формату набора – не более 16 24 см. Все рисунки должны иметь подрисуночные подписи .

ПОРЯДОК РЕЦЕНЗИРОВАНИЯ РУКОПИСЕЙ

1. Организация и порядок рецензирования .

Представленная автором рукопись направляется на рецензию членам редколлегии или экспертам – ученым и специалистам в данной области (доктору, кандидату наук) .

Рецензенты уведомляются о том, что направленные им рукописи являются частной собственностью авторов и относятся к сведениям, не подлежащим разглашению .

Рецензентам не разрешается снимать копии с поступивших рукописей, передавать рукописи на рецензирование другим лицам без согласования с главным редактором .

Рецензирование проводится конфиденциально. Рецензия носит закрытый характер и предоставляется автору рукописи по его письменному запросу без подписи и указания фамилии, должности, места работы рецензента. Рецензия может быть представлена по соответствующему запросу экспертных советов в ВАК РФ .

При наличии в рецензии указаний на необходимость исправлений рукопись направляется автору на доработку. В этом случае датой поступления в редакцию считается дата возвращения доработанной рукописи .

Решение о целесообразности публикации после рецензирования принимается главным редактором .

Автору рукописи, не принятой к публикации, редколлегия направляет по его запросу мотивированный отказ .

Не подлежат рецензированию:

• статьи членов Российской академии наук;

• статьи, рекомендованные к публикации научными форумами и конференциями .

Рецензентом не может быть автор или соавтор рецензируемой работы .

Не допускаются к публикации рукописи, оформленные с нарушением принятых правил издания .

Оригиналы рецензий хранятся в редколлегии в течение трех лет .

Сроки рецензирования в каждом отдельном случае определяются главным редактором с учетом создания условий для максимально оперативной публикации статей (но не более месяца со дня поступления рукописи) .

2. Требования к содержанию рецензии .

Рецензия должна содержать квалифицированный анализ материала рукописи, объективную аргументированную оценку .

В заключительной части рецензии должны содержаться обоснованные выводы о рукописи в целом и четкая рекомендация о целесообразности ее публикации в сборнике .

Рецензент может дать дополнительные рекомендации автору и редакции по улучшению рукописи. Замечания и пожелания рецензента должны быть объективными и принципиальными, направленными на повышение научного и методического уровней рукописи .

В случае отрицательной оценки рукописи рецензент должен обосновывать свои выводы .

3. Взаимодействие авторов и рецензентов .

По письменному запросу автора рецензии высылаются без указания фамилий рецензентов .

Если автор желает возразить рецензенту, он может прислать в редколлегию письмо, которое должно быть передано рецензенту в течение двух недель. Рецензент может по своему усмотрению ответить автору лично, передать ответ через редколлегию или не отвечать .

Рукопись, не принятая к печати, авторам не возвращается .

НАЦИОНАЛЬНЫЙ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ

ОСНОВНыЕ НАПРАВЛЕНИЯ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ

МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ

МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ ДЕЯТЕЛьНОСТИ

МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ

МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ

УНИВЕРСИТЕТА

УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

ГЕОЛОГИЯ И РАЗВЕДКА

ГОРНОЕ ДЕЛО

ОСВОЕНИЕ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА

–  –  –



Pages:     | 1 ||


Похожие работы:

«И. С. Маврина Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского ОСОБЕННОСТИ СОЗДАНИЯ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТРАЕКТОРИИ ОБУЧАЮЩИХСЯ Данная работа посвящена рассмотрению сущности понятия "индивидуальная образовательная траектория", ее связи с личностноориентированным подходом в обучении, а также определению роли...»

«Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный университет путей сообщения" (ФГБОУ ВПО УрГУПС) УТВЕРЖДАЮ Ректор УрГУП...»

«Пак Ын Cук Развитие творческой активности обучающихся в музыкальных образовательных учреждениях Республики Корея Специальность: 13.00.02 — Теория и методика обучения и воспитания (музы...»

«50 М.Ф. Надъярных М.Ф. Надъярных "ДОН КИХОТ" И СЕРВАНТЕС В МЕТАМОРФОЗАХ ЖИЗНИ-ПИСЬМА-ЧТЕНИЯ Х.Л. БОРХЕСА Аннотация В статье исследуются особенности понимания и репрезентации классического универсализма М. де Сервантеса в текстах Х.Л. Борхес...»

«Информация с решением педагогического сообщества Сетевое педагогическое сообщество "Формирование у детей дошкольного возраста первичных математических навыков и представлений" Заседание № 1 Да...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный профессионально-педагогический университет"СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РОЗЖИГА ГОРЕЛОК КОТЛА ТГМ-96 Выпускная квалификационная работа по направлению под...»

«МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ "ГОРОД ОКРУЖНОГО ЗНАЧЕНИЯ НИЖНЕВАРТОВСК" Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение "Средняя школа № 30 с углубленным изучением отдельных предметов" ПРОГРАММА РАБОТЫ ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКОГО ЦЕНТРА "РУКА ПОМОЩИ" ПО ПРОФИЛАКТИКЕ СУИЦИДАЛЬНОГО ПОВЕДЕНИЯ ПОДРОСТКОВ...»

«СП И С О К ЛИ ТЕРА ТУРЫ [1] П е т р о в В. В., Ч у к а л к и н Ю. Г., Г о щ и ц к н й Б. Н. ФТТ, 1980, 22/ с: 581. [2] N o v a k P . Czech. J. Phys., 1972, 22, p. 1134. [3] P o i t o n A. J., R o b e r t ­ s o n S. М., W e t t o n G. A. J. de Physique, 1971, 32, p.' С 1-346. [4] S m a r t J. S. Phys. Rev., 1954,( 94,, p. 847.,[5] L i o l i o u s s. i s К. Т., P o...»

«0 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ШКОЛА ПЕДАГОГИКИ КИМ В.С . ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В НАУЧНОЙ И ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Хрестоматия Владивосток Дальневосточный федеральный университет УДК 378.14 ББК 74.58 К 40 Издается по решению Учено...»

«Схемы звукоизоляции МаксФорте Звукоизоляция стен (тонкий вариант).Описание: Толщина звукоизоляционной обшивки 4-5 см.Технологическая карта: Шаг №1 Тщательно осмотрите стены на наличие трещин и простучите их для определ...»

«УТВЕРЖДАЮ Директор ТОО "Научно-производственное объединение МедиДез" _ А.М. Кайракбаева "13" мая 2017 г. Инструкция № 02/17 по применению средства дезинфицирующего "Баладез® Ультра" производства ТОО "Научно-производственное объединение МедиДез", Республика Казахстан 2017 г. Инструкция предназначена для персонала лечебн...»

«ПРАВИТЕЛЬСТВО РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ (МИНКУЛЬТУРЫ ОБЛАСТИ) ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ КУЛЬТУРЫ РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ "РОСТОВСКАЯ ОБЛАСТНАЯ ДЕТСКАЯ БИБЛИОТЕКА ИМЕНИ В. М. ВЕЛИЧКИНОЙ" Специальный выпуск по итогам областного краеведческого литературно-творческого конкурса "Родной край: лица и события" Ростов-на-Дону В 84 Все...»

«375 IN MEMORIAM Калверт Уоткинс (13.03.1933–20.03.2013) 20 марта 2013 г. у себя дома в Лос-Анджелесе умер Калверт Уоткинс — крупнейший американский индоевропеист второй половины XX — начала XXI столетия, продолжатель великой лингвистической традиции, восходящей к Фердинанд...»

«Задачи образовательной деятельности с детьми Образовательная Задачи по ФГОС ДО Задачи возраста область усвоение норм и ценностей, принятых в обществе, Социализация, развитие общения, нравственное включая моральные и воспитание нравс...»

«Борису Леонидовичу Яковлеву. Открытое письмо. Может быть, пора угомониться, Но я, грешным делом, не люблю Поговорку, что иметь синицу Лучше, чем грустить по журавлю. Я стою, машу ему, как другу, Хочется мне думать про него, Будто улетает он не к югу, А в долину детства моего. Пусть...»

«VIII ФЕСТИВАЛЬ НАУКИ ЮГА РОССИИ НОМИНАЦИЯ "Прикладная робототехника" "Мехатронный робот Robo-PICa" Место выполнения: муниципальное бюджетное учреждение дополнительного образования "Станция юных техников" города Каменск-Шахтинский Автор: Дерябкин Сергей Вячеславович, учащийся 6 класса МБО...»

«Список электронных изданий и аудиовизуальных документов из фонда отдела иностранной литературы. Русский язык Электронные издания Большой словарь иностранных слов [Электронный ресурс] : электрон. кн. : 15831 слов. ст. М. : ЭТС, 2004. Русский язык к...»

«026813 B1 Евразийское (19) (11) (13) патентное ведомство ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ (12) (51) Int. Cl. H05H 1/00 (2006.01) (45) Дата публикации и выдачи патента C02F 1/00 (2006.01) 2017.05.3...»

«КАРТА КОМПЕТЕНЦИИ КОМПЕТЕНЦИЯ: ОПК-1 готовность осуществлять профессиональную коммуникацию в устной и письменной формах на русском и иностранном языках для решения задач профессиональной деятельности 44.04.01 Педагогическое образование, профиль "Обществознание" ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПЕТЕНЦИИ общепрофессиональная компетенция выпускника образоват...»

«Интернет-журнал "НАУКОВЕДЕНИЕ" Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Выпуск 1, январь – февраль 2014 Опубликовать статью в журнале http://publ.naukovedenie.ru Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru УДК 330 Т...»

«Государственное бюджетное образовательное учреждение дополнительного образования детей города Москвы "Детская школа искусств “Надежда”" Принята на заседании Утверждаю педагогического совета директор Кислухина...»

«Сценарий Нового года "В стране чудес" Сцена 1 Сказочница: Мы вам покажем сказку, А может и не сказку, А может не покажем, А спляшем и споем . Тогда увидят люди, А может и не люди, Пока всего лишь дети, Как дружно мы живем. Итак, сказка, Сцена 2 Музыкальный фон. На сцене Алиса (читает) и Няня (вяжет носки). Али...»

«Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 21 города Ставрополя Рассмотрено Согласовано: Утверждено: на заседании ШМО заместитель директор Протокол № директора по УВР МБОУ С...»

«Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение "Школа-интернат№162" Автозаводский район, г. Нижний Новгород Принято Утверждено на заседании Педагогического Совета приказом директора МКОУ МКОУ "Школа-интернат № 162" "Школа-интернат № 16...»

«КАЛМЫКОВ ВАЛЕРИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА МЕТОДИЧЕСКОГО МАСТЕРСТВА ПРЕПОДАВАТЕЛЕЙ ВОЕННОСПЕЦИАЛЬНЫХ ДИСЦИПЛИН 13.00.08 – Теория и методика профессионального образования Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук Москва – 2017 Работа выполнена в...»







 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.