В рамках традиционных технологий дезинтеграции руд отсутствуют инструменты селективной подачи энергии в зоны межфазных контактов для разрыва межатомных связей, управления степенью дефектности кристаллической структуры минералов. Поэтому решение этих проблем связано с созданием теории и практики селективной дезинтеграции руд, которое является одним из приоритетных направлений современной науки и техники [1].
Руководящая идея дезинтеграции горных пород применительно к проблеме обогащения руд состоит в том, чтобы разрушить объект по поверхностям раздела фаз, причем с минимальными энергозатратами.
В связи с этим в данной статье предлагается радиационно-стимулированный способ повышения селективности дезинтеграции руд и понижения энергозатрат на измельчение минералов, так как границы раздела фаз являются стоком радиационных дефектов что ослабляет межатомные связи, а повышение дефектности структуры основных минералов снижает их твердость, пластичность и другие механические свойства.
Исследовано влияние облучения на механические свойства природных соединений основных минералов руды Жайремского свинцово-цинкового месторождения: галенит, сфалерит и барит. Был использован несерийный микротвердомер типа УПМ-1 позволяющий регистрировать кинетику вдавливания, выдержки и извлечения алмазного индентора в координатах «нагрузка-глубина внедрения».
Измерения микромеханических свойств минералов проводились на исходных, необлученных и облученных ускоренными электронами образцах. Дозы облучения изменялись в интервале от 0 до 10 Гр. На каждом минерале производились от 10 до 20 испытаний твердости с регистрацией полного цикла вдавливания, выдержки и извлечения индентора в координатах «нагрузка-глубина». Максимальная нагрузка на индентор достигала 100 кН.
Твердость необлученного галенита из Жайремского месторождения составляет, в среднем, 108• 107 Дж/м3, что превышает значения твердости галенитов из других месторождений. Облучение галенита вызывает понижение твердости до (60–80)•107 Дж/м3 при дозах 102–104 Гр, а затем твердость восстанавливается до значений (93–106)7 Дж/м3 при дозах выше 103 Гр.
Модуль упругости галенита также понижается при дозах 102–104 Гр с 10,7•103 до 3,8•103 Дж/мм, дальнейшее увеличение дозы до 10 Гр константа упругости возрастает до (6–7)•103кГ/мм2. Механические свойства галенита также зависят от дозы облучения: упругая составляющая наиболее значительно отличается при дозах 102 и 104 Гр, уменьшаясь с 12 % до 7 %, однако образцы, облученные при дозах 10 и 102 Гр, по упругости близки к исходным. Необходимо подчеркнуть, что модуль упругости и упругая составляющая твердости для одного и того же минерала не связаны между собой, хотя для кристаллов с различным типом связей между атомами может наблюдаться корреляция.
Пластичность галенита, характеризующая склонность минерала пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки, изменяется незначительно, понижаясь с 12,6 % до 11,1 % при дозе 102 Гр, а затем возрастает до 11,7 %. Жесткая составляющая твердости, связанная со способностью минерала упрочняться под действием нагруженного индентора, очень резко изменяется в интервале доз 10–102 Гр, уменьшаясь с 20,4 % у исходных образцов до 6–9 % у необлученных. Хрупкость галенита при облучении возрастает с 54 % до 69–72 %.
Анализ результатов статистической обработки выборок показывает, что для галенита наблюдаются колебания значений твердости с ростом дозы облучения, причем максимальное значение твердости имеет необлученный образец. Для исходного галенита также характерны максимальная упругость, пластичность, жесткость. Облучение вызывает падение твердости, уменьшение упругости, жесткости, пластичности и приводит к росту хрупкости.
Облучение приводит в целом к уменьшению всех параметров, за исключением твердости при дозах 10–102Гр. Совпадение максимумов дисперсии с минимальными ее абсолютными значениями говорит о значительных структурных перестройках в кристаллах, когда наряду с сохранением участков повышенной твердости (92–103)•107 Дж/м3) имеются разупрочненные участки (25–47)• 107 Дж/м3.
Уменьшение твердости, дисперсии среднеквадратичного отклонения механических параметров галенита при облучении свидетельствуют о выравнивании свойств в результате «радиационного отжига» структурных дефектов галенита.
Аналогичные процессы наблюдались при изучении твердости облученного галенита [1], хотя для многих минералов облучение повышает твердость. Противоречивые данные вполне согласуются со сложностью процессов одновременного отжига точечных дефектов при увеличении энергии кристаллической решетки и образованием более крупных скоплений дефектов, упрочняющих минерал, вплоть до образования новых минеральных фаз [1,2].
Таким образом, установлено, что максимальное изменение происходит у образцов галенита, облученных дозами 102–104 Гр. Вышеизложенные изменения в образце галенита можно объяснить согласуя полученные зависимости механических свойств от дозы облучения и физико-химические процессы, происходящие при этом.
Итак, твердость галенита при дозе до 10 Гр уменьшается, при этом происходит разупрочнение образца, за счет генерации радиационных дефектов, которые диффундируют к межзерновым поверхностям. При облучении процесс разупрочнения образца галенита происходит по межзерновым поверхностям, где наблюдается наиболее высокая концентрация дислокаций и иного рода дефектов. В большинстве случаев границы зерен в поликристаллическом куске руда являются именно теми дефектными зонами, которые «подготовлены» природой для образования зародышевых трещин. В нашем случае облучение создает соответствующие условия их возникновения, так как межзерновые поверхности являются стоком образовавшихся радиационных дефектов (рис. 1).
Рис. 1. Влияние облучения на хрупкость, жесткость, пластичность, упругость галенита
Дальнейшее увеличение дозы до 105 Гр приводит к радиолизу отдельных молекул сульфида свинца. Связанное с этим явлением снижение твердости минерала продолжается до тех пор, пока увеличение дозы облучения не достигнет определенного значения, после которого начинают преобладать процессы формирования кристаллической структуры новой металлической фазы. Об этом свидетельствует тот факт, что начиная с дозы 103 Гр наблюдается увеличение твердости галенита. Повышение дозой облучения величины 105 Гр способствует не только дальнейшему разрушению кристаллической структуры сульфида, но и разупорядочению вновь образуемой структуры радиолитической фазы металла. Это объясняет ход кривой дозовой зависимости твердости галенита, из которой следует, что начиная с дозы равной 104 Гр начинается новое снижение твердости минерала (3).
Предлагаемый механизм также удовлетворительно объясняет и экспериментально полученные зависимости жесткости, хрупкости, упругости от дозы облучения галенита (рис. 2,3).
Проведенные исследования показали, что облученные в одинаковых условиях другие рудные минералы, по-разному взаимодействуя с ионизирующим излучением, увеличивают контрастность механических свойств компонентов сложных полиметаллических руд. Этот факт может быть использован в практических целях для улучшения и дробления руд.
Рис. 2. Зависимость твердости галенита от дозы облучения
Рис. 3. Зависимость модуля упрегости галенита от дозы облучения
Исследования по влиянию радиационной обработки руд на их измельчаемость показали, что снижаются энергозатраты на процесс, в среднем на 30–50 %, в зависимости от типа руд и режимов радиационной обработки. Также установлено, что гранулометрический состав облученной и измельченной руды в значительной мере отличается от гранулометрического состава необлученной и измельченной в таких же условиях руды. Таким образом, становится возможным управление процессами обогащения руд, так как эффективность извлечения полезных компонентов зависит от гранулометрического состава флотируемой руды, а также поверхностной энергии частиц.