Исследование пористости хромовых руд

По существующим представлениям значительную роль в процессах восстановления твердых руд и рудных концентратов играет газовая фаза. По газовой фазе осуществляется доставка восстановителей к поверхности рудных материалов и отвод газообразных продуктов восстановления. Наличие пор позволяет идти процессу восстановления внутри кусков руды, что заметно улучшает показатели восстановления при прочих равных условиях.

В настоящей работе изучены характеристики пористости кусковых образцов хромовых руд некоторых месторождений Урала и Казахстана (рис. 1). Заметная пористость возникает в рудах после их нагрева до температур 700-1000 °C. Причиной увеличения пористости является термический распад компонентов вмещающей породы (серпентина и хлорита), сопровождающийся удалением конституционной воды в количестве 13,0— 13,6 % от массы серпентина или хлорита."

Определялись следующие характеристики пористости:

• 1)    теоретическое значение возможной пористости П_теор - рассчитывали по массе удаленной конституционной воды;

• 2)    объем образца Г_о6р, кажущаяся плотность р^™, открытая пористость П_откр - в соответствии с требованиями ГОСТ 2409-95 (ИСО 5017-88) «Огнеупоры. Метод определения кажущейся плотности, открытой и общей пористости, водо-поглощения»;

• 3)    истинная плотность р_ист, общая пористость Побщ, закрытая пористость П^ - в соответствии с требованиями ГОСТ 2211-65 (ИСО 5018-83) «Огнеупоры и огнеупорное сырье. Методы определения плотности»;

• 4)    распределение открытой пористости по размерам пор - методом математической обработки кинетической зависимости изменения массы образца в результате взаимного вытеснения одной жидкости другою из пор образца, предварительно пропитанного первой жидкостью [1]. Метод дает результаты, одинаковые с методом ртутной поро-метрии.

В методе взаимного вытеснения, при соответствующем подборе вытесняющей и вытесняемой жидкостей, скорость вытеснения определяется только гидростатическим напором, умноженным на высоту образца, и внутренним трением при движении жидкости в капилляре. Ввиду малого размера капилляров перемешиванием жидкостей на границе раздела между ними обычно пренебрегают. В этом случае интегрирование уравнения

Пуазейля для скорости фильтрации дает следующую зависимость:

_Ri ₌ Н-%да 1

(а-л)^ f

где 7? - гидравлический радиус капилляров; Н -высота образца; д - вязкость вытесняемой жидкости; рх - удельная масса вытесняемой жидкости; Pi - удельная масса вытесняющей жидкости; g -ускорение силы тяжести; a - коэффициент извилистости капилляров; / - длительность полного вытеснения жидкости из капилляров радиусом R. В основе методики графоаналитической обработки [1] экспериментальных результатов лежит предположение, что полидисперсная пористость представляет собой сумму монодисперсных пористостей с определенной шкалой классификации. В том случае кривая изменения массы образца во времени представляется ломаной линией с шагом по времени t/t^ = 2, что отвечает отношению размеров капилляров Я,-1/7?, = V2. По координатам ломаной линии вычисляется величина Ь, - увеличение массы образца при замене вытесняемой жидкости вытесняющей жидкостью в капиллярах радиусами от R,^ до R,. Тогда объем JT, пор в этом же интервале радиусов составит а открытая пористость поткр = 5L100%, - у ’

где Г - объем образца. Неконтролируемой опытным путем величиной является коэффициент извилистости капилляров а. На основании многочисленных экспериментов на модельных и естественных пористых системах, результатов теоретических расчетов показано [2], что для многих естественных микропористых материалов коэффициент извилистости изменяется в пределах от 1,4 до 1,7. Мы использовали значение я/2. Следует отметить, что вариация численного значения а может привести к изменению значения радиуса капилляров, но характер распределения пористости по размерам пор останется неизменным.

Для исследований были подготовлены образцы хромовых руд в форме параллелепипедов с высотой Я от 10 до 30 мм. В качестве вытесняемой жидкости использовали этиловый спирт, вытесняющей - воду. Перед пропиткой образцов спиртом их вакуумировали при остаточном давлении не более 10 Па. Измерения изменения массы образцов по мере вытеснения спирта водой проводи-

Рис. 1. Макроструктура кусковых образцов хромовых руд (светлое - нерудная составляющая, темное - хромит). Шифр образца, месторождение: ВЧ-3, 2/ВЧ-4, ВЧ-1 - Волчьегорское, Уфалейский массив; КК-2 - Качкин-ское, Первомайский массив; Д-2 - Донское, Кемпирсайский массив; Х-2 - массив Рай-Из; КП-1 - Калкановское, Нуралинский массив; А-6 - Алапаевский массив; ПСЗ-1 - Песчанское Северо-Западное, Уфалейский массив

Рис. 2. Кинетика пропитки прокаленных образцов хромовых руд: а - вытеснение воздуха водой; б - вытеснение этилового спирта водой

Характеристики пористости образцов хромовых руд

Параметр	Шифр образца
	ВЧ-3	2/ВЧ-4	Д-2	А-6	КЛ-1	ПСЗ-1
Масса исходного образца тисх, г	27,0531	22,9028	32,6575	41,4168	19,9345	13,5918
Масса образца, прокаленного при 1000 °C, т1Ю0, т	25,2491	21,7553	31,6054	39,9338	19,4634	13,3862
Объем образца Ко6о, см3	8,125	6,704	8,359	10,701	5,044	3,383
Истинная плотность р№т, г/см3	3,783	3,930	4,301	4,206	4,249	4,313
Кажущаяся плотность р^, г/см3	3,11	3,25	3,76	3,73	3,86	4,06
Теоретическая пористость Птеоп, об. %	22,2	17,6	12,5	14,0	9,3	6,2
Общая пористость П0бШ, об. %	18,2	17,6	12,1	11,3	9,2	6,1
Закрытая пористость Пзат, об. %	1,2	2,7	0,2	5,1	1,5	1,4
Открытая пористость Потко, об. %.	17,0	14,9	11,9	6,2	7,7	4,7
Пористость, реализованная за 8000 минут вытеснения спирта водой, Преализ, Об. %	16,4	14,9	9,7	5,8	7,6	4,0

Рис. 3. Распределение открытой пористости образцов по размерам пор (R - «гидравлический» радиус пор)

ли методом непрерывного гидростатического взвешивания в воде предварительно пропитанных спиртом образцов с использованием аналитических весов АДВ-200М.

На рис. 2 приведены данные по кинетике пропитки образцов. Основная доля пор заполняется (см. рис. 2а) в короткий промежуток времени - в первые 10-20 минут, что говорит о доступности пор для проникновения в них жидкостей, и тем более газов. Результаты, приведенные на рис. 26, использовались для расчета распределения пористости по размерам пор. Значения общей и реализованной пористости коррелируют с количеством нерудной составляющей - наибольшие значения достигаются в редковкрапленных рудах (таблица, см. рис. 1, 2). Для некоторых образцов (2/ВЧ-4,

КЛ-1, ПСЗ-1) значения теоретической и фактической общей пористости совпадают, для других образцов (ВЧ-3, А-6) фактическая пористость оказывается меньше теоретической, что можно объяснить эффектом «залечивания» микропор, образовавшихся после удаления конституционной воды. Значения реализованной пористости практически совпадают со значениями открытой пористости для образцов 2/ВЧ-4, КЛ-1 и оказываются меньшими для образцов Д-2, А-6, ПСЗ-1. Последний случай может быть объяснен наличием большого количества мелких пор, не успевших пропитаться за время эксперимента.

Распределение пористости по размерам пор (рис. 3) показывает, что основная доля пористости приходится на интервал радиусов пор от 0,7 до

• 10 мкм. Учитывая, что размер газообразных молекул составляет порядка нанометров, а размер пор в 1000 раз больше, можно утверждать, что такие поры не являются препятствием для проникновения молекул газообразных восстановителей внутрь кусков руды.