ИССЛЕДОВАНИЕ  ПОВЕДЕНИЯ  ЧЕРНЫХ  СЛАНЦЕВ  ПРИ  ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННОМ  ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ  ВОЗДЕЙСТВИИ

Швец  Наталья  Леонидовна

преподаватель  кафедры  «Физика»  Тихоокеанского  государственного  университета,  РФ,  г.  Хабаровск

E -mail:  nat.leon66@mail.ru

Капустина  Галина  Григорьевна

преподаватель  кафедры  «Физика»  Тихоокеанского  государственного  университета,  РФ,  г.  Хабаровск

E -mail:  g.kapustina@mail.ru

Леоненко  Нина  Николаевна

канд.  техн.  наук,  ведущий  научный  сотрудник,  Институт  горного  дела  ДВО  РАН,  РФ,  г.  Хабаровск

E-mail: 

STUDY  OF  BEHAVIOR  IN  HIGHLY  CONCENTRATED  BLACK  SHALES  ENERGY  IMPACT

Natalia  Shvets

lecturer,  Department  of  "Physics"  Pacific  State  University,  Russia,  Khabarovsk

Kapustina  Galina

lecturer,  Department  of  "Physics"  Pacific  State  University,  Russia,  Khabarovsk

Leonenko  Nina

candidate  of  Science ,  Senior  Research  Fellow,  Mining  institute  Far-East  branches  RAS,  IGD  FEB  RAS,  Russia,  habarovsk

АННОТАЦИЯ

В  данной  работе  исследован  процесс  воздействия  лазерного  излучения  на  графитистые  черные  сланцы.  Вещественный  состав  образцов  изучен  с  помощью  электронной  микроскопии.  Выявлено  образование  агломерированных  кристаллических  структур  металлов.

ABSTRACT

In  this  operation  process  of  impact  of  a  laser  radiation  on  grafitisty  black  slates  is  probed.  The  material  composition  of  samples  is  studied  by  means  of  electronic  microscopy.  Formation  of  the  agglomerated  crystalline  structures  of  metals  is  revealed.

Ключевые  слова:  черные  сланцы;  лазерноеизлучение;  агломерация;  электронная  микроскопия.

Keywords:  black  shales;  laser  radiation;  agglomeration;  electron  microscopy.

Сегодня  наряду  с  традиционными  магматическими  рудами  представляют  интерес  новые  крупнообъемные  источники  благородных  и  редких  металлов  —  углеродистые  осадочные  породы  (черные  сланцы).  Особенностью  этих  руд  является  полиэлементный  состав.  Наряду  с  металлами  платиновой  группы,  концентрации  которых  варьируют  от  первых  г/т  до  нескольких  десятков  г/т,  в  них  присутствует  в  промышленных  масштабах  значительное  количество  других  металлов  (Mo,  Ni,  Zn,  Cu,  Pb,  Ag,  Co,  U,  V,  P,  W,  Au,  Bi,  Se,  Te)  [1].

Однако  такие  объекты  не  достаточно  изучены  и  поэтому  пока  не  осваиваются.  Это  относится  к  России  в  целом  и,  в  частности,  —  к  Хабаровскому  краю,  где  черные  сланцы  в  значительных  количествах  сосредоточены  в  Буреинском  массиве.  Графитсодержащие  породы  Буреинского  массива  содержат  благородные  и  редкие  металлы  в  микро-  и  наноразмерных  формах.  Устойчивость  к  внешним  воздействиям  (обжиг,  окисление)  создает  трудности  в  создании  технологий  обогащения  и  переработки  таких  руд. 

В  настоящее  время  в  горнопромышленной  отрасли  наметилась  тенденция  вытеснения  широко  распространенных  ранее  химических  технологий,  используемых  при  извлечении  полезных  ингредиентов  принципиально  новыми  технологиями  с  использованием  физических  воздействий.  К  примеру,  в  работах  академика  В.А.  Чантурия  с  сотрудниками  исследуются  физические  процессы  воздействия  потоками  мощных  электромагнитных  импульсов  [6].

Достижения  современной  лазерной  физики  широко  используются  и  в  области  фундаментальных  исследований,  и  при  решении  многих  прикладных  задач.  В  основе  лазерной  обработки  материалов  лежит  способность  лазерного  излучения  создавать  на  малом  участке  поверхности  высокие  плотности  теплового  потока,  достаточные  для  нагрева,  плавления  или  испарения  практически  любого  материала.  Это  связано  с  термическим  эффектом  поглощения  излучения  непрозрачными  твердыми  телами.  Исследование  твердофазных  термохимических  быстропротекающих  реакций  и  выявление  фазовых  переходов  в  них,  представляет  определенный  научный  интерес  и  может  привести  к  созданию  новых  технологический  решений,  связанных  с  оптимизацией  производственных  технологических  процессов  добычи,  переработки  и  извлечения  благородных  и  редких  металлов  [4]. 

Цель  работы  состоит  в  экспериментальном  исследовании  быстропротекающих  процессов  и  выявление  фазовых  переходов,  происходящих  при  лазерной  обработке  минеральных  сред,  содержащих  тонкодисперсные  частицы  благородных  и  редких  металлов.  Объектом  данного  исследования  являются  графитистые  сланцы  -  минеральные  среды,  а  именно  модельные  образцы  подготовленные  по  специальной  методике.  Предмет  исследования  —  процессы  агломерации  благородных  и  редких  металлов,  происходящие  в  зоне  лазерного  воздействия.

В  экспериментальной  работе  использовался  иттербиевый  волоконный  лазер  ЛС-06,  с  длиной  волны  1060  нм,  непрерывного  действия.  Режим  работы  непрерывный,  модуляция  до  3  кГц.  Спектральная  ширина  10  нм.  Длина  волны  λ  =  1070  нм.  Диаметр  расфокусированного  луча  составлял  5—7  мм.  После  предварительных  исследований  принято  решение  брать  навеску  5  грамм.  Исходная  дисперсная  минеральная  среда  в  рассыпном  виде  помещалась  в  графитовые  кюветы  диаметром  1  см  и  толщиной  5  мм.  Над  графитовой  подложкой  размещалась  оптическая  головка,  благодаря  которой  создавалась  возможность  задавать  параметры  расфокусированного  излучения.  Лазерное  излучение,  пройдя  по  иттербиевому  оптоволокну,  закрепленному  на  входе  оптической  головки,  и  через  оптическую  головку,  размещенную  вертикально  и  жестко  закрепленную  на  штативе,  попадало  на  исследуемые  образцы.  Воздействие  лазерного  излучения  мощностью  400  Вт  длилось  30  секунд.  При  плавлении  исходный  материал  принимал  форму  спеков  в  виде  крупных  стекловидных  агломератов  черного  и  темно  синего  цвета.

Вещественный  состав  направленного  изменения  свойств  образцов  изучен  с  помощью  электронной  микроскопии.  Образы  исследованы  до  и  после  лазерной  обработки.  Типичные  серии  электронных  изображений  при  разных  увеличениях,  а  также  данные  поэлементного  состава  минералов,  входящих  в  состав  образцов,  полученные  на  растровом  электронном  микроскопе  „LEO  EVO  40HV“  (Карл  Цейс,  Германия)  с  энергодисперсионным  анализатором  „INCA-ENERGY“.

Рисунок  1.  Электронные  растровые  изображения  и  элементный  состав  исходных  образцов  графитистых  сланцев

Так  же  получены  растровые  изображения  объектов  исследования  и  определен  элементный  состав  спеков,  полученных  при  лазерной  обработке  мощностью  400  Вт.

Выявлено  формирование  агломерированных  кристаллических  структур  золота,  титана,  ванадия,  хрома  и  др.  металлов  (рис.  2),  наличие  которых  не  наблюдалось  в  исходных  образцах.

Рисунок  2.  Спеки  графитистого  сланца  при  мощности  излучения  400  Вт

В  результате  лазерного  воздействия  на  графитистые  черные  сланцы  зарегистрировано  образование  агломерированных  кристаллических  структур  металлов  (золота,  титана,  ванадия  и  др.  металлов).  Ранее  теоретическими  и  экспериментальными  исследованиями  [2;  3;  5;  7]  показана  возможность  укрупнения  частиц  различных  металлов  при  взаимодействии  лазерного  излучения  с  магнетитами,  высокоглинистыми  алюмосиликатными  образцами,  красным  щламом.  Следовательно,  лазерные  методы  представляют  особый  интерес  в  разработке  иных  технологий  для  извлечения  ультрадисперсных  металлов  из  минерального  сырья.

Статья  подготовленапри  поддержке  гранта  Российского  фонда  фундаментальных  исследований  №  13-05-00586  и  комплексной  программы  фундаментальных  исследований  Федерального  агентства  научных  организаций  42  П  ДВО  РАН  12-III  –А-08-179.

Список  литературы:

1.Гурская  Л.И.  Платинометальное  оруденение  черносланцевого  типа  и  критерии  его  прогнозирования.  СПб.:  ВСЕГЕИ,  2000.  —  121  с.

2.Капустина  Г.Г.  /  Физические  методы  исследования  воздействия  лазерного  излучения  на  ультрадисперсные  минеральные  среды.  Горный  информационно-аналитический  бюллетень  (научно-технический  журнал).  —  2012.  —  №  4.  —  С.  385—389.

3.Капустина  Г.Г.,  Швец  Н.Л,  Леоненко  Н.А.  Исследование  нелинейных  эффектов  при  взаимодействии  лазерного  излучения  с  горными  породами  и  минеральными  средами//  Вестник  Тверского  государственного  университета.  Серия:  Физика.  —  2013.  —  №  19  —  С.  22—31. 

4.Леоненко  Н.А.,  Гальцов  А.А.,  Капустина  Г.Г.,  Швец  Н.Л.  Исследование  фрактальных  структур,  образованных  при  высококонцентрированном  энергетическом  воздействии  на  природные  минеральные  объекты.  //  Вестник  Амурского  государственного  университета.  —  2009.  —  Вып.  45.  —  С.  30—33.

5.Леоненко  Н.А.,  Кузьменко  А.П.,  Силютин  И.В.,  Рассказов  И.Ю.,  Секисов  Г.В.,  Гурман  М.А.,  Капустина  Г.Г.,  Швец  Н.Л.  Способ  извлечения  дисперсного  золота  из  золотосодержащего  высокоглинистого  минерального  сырья  //  патент  на  изобретение  RUS  2413779  07.04.2010

6.Чантурия  В.А.,  Гуляев  Ю.В.,  Лунин  В.Д.  и  др.  Вскрытие  упорных  золотосодержащих  руд  при  воздействии  мощных  электромагнитных  импульсов//ДАН.  —  1999.  —  Т.  366.  —  №  5.  —  С.  680—683. 

7.Leonenko  N.A.,  Vanina  E.A.,  Kapustina  G.G.,  Veselova  E.M.  Study  of  nonlinear  effect  about  laser-induced  processes  of  nanodispersed  gold  in  mineral  association  //  Advanced  Materials  Research.  —  2013.  —  Т.  772.  —  С.  355—358.