5.9. Радиорезонансные методы обогащения.
Взаимодействие радиоволн с веществом.
Радиоволны представляют собой распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле с длинами волн в интервале 105 - 1014 нм. Характер взаимодействия радиоволн с горными породами определяется их электрическими и магнитными свойствами. При попадании в электромагнитное поле каких-либо объемов полезного ископаемого (например, кусков) в них возникают два физических процесса:
1. Ток сквозной проводимости (индукционный или вихревой), вызванный движением свободных зарядов,
2. Поляризация, механизм которой связал со смещением центров электрических зарядов частиц в диэлектриках первого рода, поворотом осей дипольных моментов в диэлектриках второго рода и накоплением объемных зарядов в средах, что определяет в данном случае специфику протекания тока (ток смещения).
В общем виде оба эти процесса описываются уравнениями Максвелла. Выражение для полного тока, возникающего в объеме помещенного в электромагнитное поле вещества, имеет вид:
,
где (5.9.1)
Jпр., Jсм. - ток проводимости и ток смещения;
jпр., jсм - плотность тока соответственно проводимости и смещения;
S - площадь поверхности вещества.
Среды, в которых преобладает ток проводимости, являются проводниками, а среды, у которых токи проводимости ничтожны и основное значение имеет ток смещения - диэлектриками.
Большинство руд и минералов по электрическим свойствам можно отнести к несовершенным диэлектрикам, обладающим одновременно свойствами как диэлектриков, так и проводников, т.е.к полупроводникам, а по магнитным свойствам - к парамагнетикам.
Известно, что электрические свойства характеризуются удельным сопротивлением или электропроводностью и диэлектрической проницаемостью, а магнитные - магнитной проницаемостью или магнитной восприимчивостью.
Электрические и магнитные свойства минералов, руд и пород зависят от многих факторов: химического и минерального состава, структуры, текстуры, влажности и пористости, а также от частоты воздействующего электромагнитного поля. В силу этого электромагнитные свойства горных пород изменяются в очень широких пределах. Так, удельное сопротивление ρ может изменяться от 106 до 1014 Ом*м, диэлектрическая проницаемость ε - от 2 - 3 до 200-300, а магнитная восприимчивость χ от 10-7 до 10-2.
В результате разных электрических и магнитных свойств вещества происходит потеря энергии электромагнитного поля в тех средах, с которыми оно взаимодействует, и перераспределение энергии самого поля в зоне создающего его источника. Причем наблюдающиеся при этом количественные соотношения изменения энергии электромагнитного поля определяются перечисленными свойствами горных пород. Это обстоятельство и может быть использовано для радиометрического обогащения.
Существуют два основных направления использования электромагнитного излучения в диапазоне радиоволн для обогащения.
Первое направление связано с использованием эффекта поглощения радиоволн горными породами. Этот метод, использующий различие в ослаблении радиоизлучения и реализуемый по схеме приемник – датчик, называется радиоабсорбционным.
Второе направление связано с оценкой потерь и перераспределения энергии при помещении горной массы в электромагнитное поле. Эти методы являются наиболее распространенными в горном деле в силу широкого круга решаемых с их помощью задач и достаточно высокой чувствительности и надежности.
Резонансный метод измерения электрических свойств сложных сред на высоких частотах заключаемся в том, что количественная оценка этих свойств дается на основании измерения величины реакции, испытываемой источником электромагнитного поля при внесении в него контролируемой среды. Для обогащения полезных ископаемых используется резонансный метод измерений в диапазоне радиоволн. В связи с этим методы радиометрического обогащения, основанные на различии свойств разделяемых компонентов в электрических и магнитных свойствах и реализуемые путем применения резонансных измерений в диапазоне частот, соответствующих радиоволнам, называются радиорезонансными.
Известно несколько типов резонансных измерительных систем. Выбор типа измерительной системы определяется свойствами подлежащего обогащению полезного ископаемого, требованиями к качеству продуктов обогащения.
Перспективным является применение автогенератора. Особенность автогенераторного метода заключается в том, что датчик (источник поля), в ближнюю зону которого вносятся измеряемые объекты, является элементом колебательного контура автогенератора.
Установлено, что для радиометрического обогащения ископаемых, у которых полезная составляющая и вмещающие породы отличаются по электропроводности, рационально применять измерительный автогенератор с индукционным датчиком. В соответствии с вышесказанным данный метод радиометрического обогащения называется индукционным радиорезонансным.
Для обогащения с учетом различий разделяемых компонентов по величине диэлектрической проницаемости наиболее применим емкостной датчик. Эта разновидность радиорезонансного метода называется емкостным радиорезонансным методом.
При измерениях с использованием электромагнитных колебаний с частотами порядка 1-100 кГц (с длиной волны 1012-1014 нм) может быть обнаружено различие магнитных свойств горных пород. Метод обогащения, основанный на различии разделяемых компонентов в магнитных свойствах, называется магнитометрическим.
Электрические и магнитные свойства горных пород тесно связаны между собой, поэтому возможны процессы, где различные способы радиорезонансного метода могут быть совмещены, например, использование различий руд и пород в электропроводности и диэлектрической проницаемости. Исследования частотных характеристик электрических свойств горных пород показывает, что методы обогащения, основанные на применении электромагнитных колебаний с длинами волн 105 - 1014 нм, могут быть использованы для обогащения весьма широкого круга руд цветных, черных, редких металлов и даже некоторых неметаллических полезных ископаемых.
Изучение электромагнитных свойств широкого круга ископаемых показывает благоприятные теоретические предпосылки для применения разновидностей этого метода - индукционного радиорезонансного, емкостного радиорезонансного и магнитометрического к рудам черных, цветных и редких металлов, неметаллических полезных ископаемых. Этот метод может быть применим дня руд железа, марганца, вольфрама, меди, никеля. С его помощью также можно разделять уголь, золото и другие полезные ископаемые. В промышленности уже давно получили применение различные типы металлоискателей и самородкоуловителей.
В настоящее время ведутся исследования по применению рассматриваемого метода к вольфрамовым, оловянно - вольфрамовым, оловянным рудам. Например, по индукционно - радиорезонансному методу хорошо разделяются сульфидные минералы от минералов пустой породы.
Сульфидные минералы имеют удельное сопротивление, более низкое чем у вмещающих пород. Высокая контрастность по этому признаку, равная 1,6, дает возможность при обогащении сульфидных руд до измельчения предварительно выделить до 90% некондиционных фракций по классам крупности.