Комплексное использование минеральных ресурсов : в 2 кн. Кн. 2.

МИНИСТЕРСТВО ОБРА ЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

М.Г. Зильбершмидт
В.А. Исаев

Комплексное использование 
минеральных ресурсов

Учебник

Утверждено Методическим советом НИТУ «МИСиС»

Москва  2017

УДК 622
 
З-61

Р е ц е н з е н т ы :

канд. техн. наук, ст. науч. сотр. А.А. Осокин (ИПКОН РАН);

д-р хим. наук, проф. Т.В. Бухаркина (РХТУ им. Д.И. Менделеева)

Зильбершмидт М.Г.

З-61  
Комплексное использование минеральных ресурсов : в 2 кн. : 

учеб. / М.Г. Зильбершмидт, В.А. Исаев. – М. : Изд. Дом НИТУ 
«МИСиС», 2017. – Кн. 2. – 408 с.

ISBN 978-5-906953-00-1

Во второй книге учебника с использованием термодинамических принци
пов, основ кристаллофизики рассматриваются процессы преобразования минеральных веществ при действии физических и вещественных полей и формирования их новых физико-технических свойств. Изложены основные подходы 
к решению задач по прогнозированию свойств искусственных полиминеральных систем. В заключительных разделах представлены теория и практика 
известных процессов и технологий формирования потребительских свойств  
минеральных веществ при действии различных внешних полей, а также принципы оценки эффективности технологических решений. Главы содержат библиографический список, источники данных, примеры и упражнения.

Предназначен для подготовки горных инженеров по специальности 

21.05.05 «Физические процессы горного или нефтегазового производства» 
в области комплексного использования минерального сырья.

УДК 622

М.Г. Зильбершмидт,

В.А. Исаев, 2017

ISBN 978-5-906953-00-1
НИТУ «МИСиС», 2017

Оглавление

Предисловие ..........................................................................................................5
III. Процессы преобразования минерального вещества 
и формирования его новых физико-технических свойств ................................9
7. Процессы преобразования минерального вещества  и формирования 
его новых физико-технических свойств при действии физических полей .....9

7.1. Причины и общие закономерности изменения структурного 
состояния минерального агрегата горной породы при действии 
физических полей .................................................................................................9
7.2. Изменения структурного состояния и свойств 
полиминерального агрегата при механическом воздействии .......................25
7.3. Изменения структурного состояния и свойств 
полиминерального агрегата при тепловом воздействии ................................36
7.4. Изменения структурного состояния и свойств полиминерального 
агрегата при электромагнитном воздействии ..................................................46
7.5. Процессы, влияющие на характер разрушения минерального 
агрегата и способные обеспечить селективную дезинтеграцию ..................52
7.6. Твердофазные взаимодействия минеральных компонентов 
при действии теплового поля ............................................................................61
Библиографический список ...............................................................................69
Источники данных ..............................................................................................70
Примеры ..............................................................................................................70
Упражнения .........................................................................................................72

8. Процессы преобразования минерального вещества при действии 
вещественных полей (флюидов) ........................................................................74

8.1. Термодинамические принципы фазовых и химических 
равновесий в гетерогенной полиминеральной системе .................................74
8.2. Термодинамика поверхностных явлений .................................................99
8.3. Взаимодействие минерального вещества 
с газообразными флюидами ............................................................................113
8.4. Природа и закономерности процессов растворения 
минерального вещества  ..................................................................................126
Библиографический список .............................................................................135
Примеры ............................................................................................................136
Упражнения .......................................................................................................140

9. Прогнозирование свойств искусственных минеральных 
агрегатов и композиционных материалов, формируемых 
с использованием минеральных веществ .......................................................142

9.1. Задачи прогнозирования и его общие теоретические принципы ........142
9.2. Основные принципы оценки эффективных свойств типа 
«обобщенной проводимости» .........................................................................150
9.3. Основные принципы прогнозирования механических свойств 
искусственных минеральных агрегатов и композиционных 
материалов .........................................................................................................155
Библиографический список .............................................................................168
Упражнения .......................................................................................................168

IV. Процессы формирования потребительских свойств продуктов 
из минерального сырья  ....................................................................................169

10. Процессы формирования потребительских свойств продуктов, 
получаемых из минерального вещества с применением физических 
и вещественных полей  .....................................................................................169

10.1. Процессы и технологии, использующие механическое 
воздействие на минеральное вещество ..........................................................171

10.1.1. Дезинтеграция горных пород для получения минеральных 
продуктов различного предназначения  ....................................................171
10.1.2. Формирование нового минерального агрегата 
с использованием механического воздействия.........................................199
10.1.3. Очистка поверхности и диспергирование минеральных 
зерен с использованием ультразвукового воздействия ............................216
10.1.4. Механохимические процессы преобразования минерального 
вещества при тонком измельчении ............................................................229

10.2. Процессы и технологии, использующие действие 
немеханических и вещественных полей ........................................................239

10.2.1. Процессы получения керамических материалов 
на основе диффузионного спекания и термического 
преобразования структуры минералов ......................................................239
10.2.2. Процессы получения товарных продуктов из твердых 
горючих ископаемых с применением теплового воздействия  ...............257
10.2.3. Формирование нового агрегата в процессах окускования 
рудного минерального сырья ......................................................................272
10.2.4. Процессы получения металла из минерального вещества .........287
10.2.5. Частичная металлизация минерального сырья ............................310
10.2.6. Процессы получения вяжущих веществ из минерального 
вещества  .......................................................................................................316
10.2.7. Процессы десульфурации углей и переработки углеотходов  ....334

Библиографический список .............................................................................351
Источники данных ............................................................................................357
Примеры ............................................................................................................357
Упражнения .......................................................................................................362

11. Основные принципы расчета характеристик и оценки 
эффективности способов и средств переработки минерального сырья ......369

11.1. Расчет материального и теплового баланса ..........................................369
11.2. Оценка кинетических параметров процессов преобразований 
минерального вещества, связанных с химическим взаимодействием .......374
11.3. Принципы энергетической оценки эффективности 
предлагаемых технологических решений .....................................................386
Библиографический список .............................................................................404
Упражнения .......................................................................................................405

Предметно-именной указатель ........................................................................406

Предисловие

I

Экстенсивное освоение минеральных ресурсов недр, сопровожда
емое необратимыми и часто негативными изменениями окружающей 
среды, превращает стремление к комплексному использованию извлеченного из недр минерального вещества из общей идеи в необходимое условие современного индустриального развития. Становится 
очевидным, что только такой подход позволяет не только повысить 
эффективность работы горных предприятий за счет получения новых 
и дополнительных товарных продуктов, но и обеспечить снижение 
объемов невовлеченного в переработку, а также нередко экологически 
опасного природного минерального вещества.

Работая над этим учебником, авторы ставили перед собой задачу – 

сформировать у студентов профессиональное мировоззрение, основанное на понимании неразрывной взаимосвязи состава, строения и 
структурного состояния минерального вещества с его физико-техническими свойствами, а также осознании возможностей целенаправленного изменения последних на основе знания природы и закономерностей процессов, протекающих в нем при действии физических 
и вещественных полей. По этой причине в первой книге учебника 
авторы большое внимание уделили рассмотрению многообразия природных минеральных объектов с учетом особенностей их состава, иерархичности строения, структурного состояния, многокомпонентности, гетерогенности, переходя затем к описанию физической природы 
изменения свойств минералов и межзеренных границ.

Поскольку главное внимание уделяется рассмотрению физической 

природы поведения минерального вещества, авторам представлялось 
нецелесообразным перегружать книгу количественными данными, 
найти которые можно при обращении к литературе, список которой 
прилагается к каждому разделу книги.

II

Вторая книга учебника является завершающей и содержит две ча
сти – третью и четвертую. В третьей части (главы 7–9) рассмотрены 
физические и физико-химические процессы преобразования минерального вещества как полиминерального агрегата, за счет которых 

происходит формирование его новых физико-технических свойств. 
Сначала дается описание общих закономерностей изменения структурного состояния минерального агрегата горной породы при действии физических полей. При этом внимание читателя акцентируется на том, что каждый вид и режим физического воздействия создают 
свое специфическое поле внутренних напряжений, вызывающее соответствующие преобразования дефектной структуры. Описаны приемы теоретической оценки этих внутренних напряжений. На этой 
основе объясняются механизмы процессов целенаправленного изменения структурного состояния минерального агрегата, способные 
обеспечить его селективную дезинтеграцию. Рассмотрены и обоснованы процессы преобразования иерархических систем остаточных 
напряжений и дефектов, протекающих в полиминеральном агрегате 
при действии механического, теплового и электромагнитного воздействия, вызывающие также изменения физико-технических свойств 
минерального вещества. Отдельный раздел посвящен твердофазным 
взаимодействиям минеральных компонентов, приводящим к образованию твердых растворов и химических соединений с новыми свойствами. Помимо действия физических полей, рассматриваются также 
процессы преобразования минерального вещества, протекающие при 
его взаимодействии с вещественными полями (флюидами). Для объяснения закономерностей химического взаимодействия компонентов 
излагаются термодинамические принципы описания преобразования 
гетерогенной полиминеральной системы при изменении термобарических условий. Рассмотрены также основные положения термодинамики поверхностных явлений и механизмы взаимодействия твердого 
минерального вещества с газообразным флюидом, в частности, с газом-восстановителем, а также с жидкостью при растворении. Глава 9 
посвящена методическому подходу прогнозирования механических 
свойств искусственных минеральных агрегатов и композиционных материалов. Эта область несомненно представляет собой важный и самодостаточный раздел физического материаловедения, однако авторы 
сочли необходимым дать общие представления о задачах прогнозирования свойств искусственных минеральных агрегатов и на примере 
модели «обобщенной проводимости» представить основные приемы 
такого прогнозирования. Приведены математические выражения, позволяющие на основе данных о составе, строении и свойствах ком

понентов выполнить оценку как механических свойств, так и свойств 
типа «обобщенной проводимости» искусственных композитов. 

Четвертая часть учебника, в состав которой вошли главы 10 и 11, 

содержит информацию о процессах формирования потребительских 
свойств минерального вещества, использующих действие физических 
и вещественных полей. В целях систематизации излагаемого материала использована классификация этих процессов по виду основного 
действующего поля. Так, в частности, описаны приемы получения 
товарных продуктов из минерального вещества с использованием механического воздействия. Это выполнено на примерах описания процессов и технологий дезинтеграции скальных пород при производстве 
минеральных продуктов различного назначения; формирования нового минерального агрегата (производство брикетов); очистки поверхности и диспергирования минеральных зерен с использованием ультразвукового воздействия; активации минерального вещества за счет 
механохимических процессов. Представлены процессы и технологии 
получения товарной продукции из минерального вещества, использующие действие немеханических и вещественных полей. Рассмотрены 
принципы производства целого ряда товарных продуктов, включающего: получение керамических материалов на основе процессов диффузионного спекания; производство различных продуктов из углей с 
применением теплового воздействия; формирование нового агрегата 
в процессах окускования минеральных продуктов и брикетирования; 
получение металлов из минерального вещества и процессы частичной 
его металлизации; производство вяжущих веществ; десульфурация 
углей и переработки углесодержащих минеральных отходов, образующихся при добыче и обогащении углей. Завершается книга (глава 11) 
изложением принципов физико-технического обоснования процессов, 
обеспечивающих комплексное использование минерального сырья. 
В рамках этой темы рассмотрены принципы расчета материального и 
теплового баланса, оценки кинетических параметров преобразований 
минерального вещества, характеризующих скорость происходящих в 
нем изменений, а также излагаются элементы энергетической оценки 
эффективности предлагаемых технологических решений.

III

Структура второй книги выдержана в том же стиле, что и книга 1. 

В некоторых главах даются ссылки на литературные источники справочного или энциклопедического характера; в этом случае они приведены в конце раздела как «Источники данных».

Учитывая, что задачи по темам прогнозирования свойств полими
неральных композиций (глава 9) и энергетической оценки эффективности технологических процессов (глава 11) потребовали бы значительного увеличения объема учебника, авторы сочли целесообразным 
не приводить конкретных примеров расчетов и ограничились ссылками на специальную литературу..

IV

К благодарностям, высказанным в книге 1, авторы хотели бы до
бавить искреннюю признательность своим ученикам, работавшим 
над диссертациями, решая задачи по комплексному освоению минеральных ресурсов, канд. техн. наук В.Е. Беденко и канд. техн. наук 
Е.В. Горюновой, использование материалов которых, на наш взгляд, 
послужило объективной и конкретной иллюстрацией процессов подготовки таких минеральных объектов, как окисленные железистые 
кварциты и углесодержащие отходы.

III. Процессы преобразования минерального 

вещества и формирования его новых 

физико-технических свойств

7. Процессы преобразования минерального 

вещества  и формирования его новых 

физико-технических свойств 

при действии физических полей

7.1. Причины и общие закономерности изменения 
структурного состояния минерального агрегата 
горной породы при действии физических полей

Одним из перспективных приемов увеличения числа разновид
ностей вовлекаемого в переработку минерального вещества является 
целенаправленное изменение его технологических свойств. Применение такого подхода позволяет добиваться оптимального соответствия 
технологических возможностей предприятий физико-техническим 
параметрам извлекаемых из недр горных пород, в том числе и тех, которые по тем или иным причинам не используют для получения товарной продукции. По сути дела речь идет о формировании их новых 
технологических свойств, обеспечивающих эффективную добычу и 
переработку [1].

Как было отмечено ранее, изменить технологические свойства при
родного минерального вещества можно как за счет варьирования свойствами образующих его компонентов, так и за счет трансформации их 
взаимной связи друг с другом. Оба этих приема связаны с изменением 
структурного состояния полиминерального агрегата, т.е. преобразованием его дефектной структуры и иерархической системы остаточных 
напряжений. Такие преобразования могут происходить только в том 
случае, если на минеральное вещество оказывается какое-либо воздействие, т.е. влияние физических и вещественных полей [2]. 

Для понимания природы изменения структурного состояния и, как 

следствие, свойств природного минерального вещества, происходящего при действии физических полей, будем рассматривать его как 
многокомпонентный полиминеральный агрегат, хаотически ориентированных в пространстве и жестко соединенных между собой эле

ментов строения – минеральных зерен (в некоторых случаях, мономинеральных агрегатов). Причем свойства последних в общем случае 
для каждого минерального компонента индивидуальны, а также, в 
случае минеральных зерен, обладают анизотропией в соответствии с 
симметрией их кристаллической структуры. 

Характерным примером такого объекта является многокомпонент
ный поликристалл, с помощью которого можно представить строение 
многих горных пород: кварцитов, гранитов, диоритов, габбро, песчаников, карбонатитов и др. 

Если элементы строения минерального агрегата – отдельные зерна, 

имеют жесткие связи друг с другом, становится понятным, что реакция 
такого сложного по строению объекта на действие физических полей 
будет определяться не только поведением каждого минерального зерна, 
но и характером их деформационного взаимодействия друг с другом. 

Действие физических полей в общем случае должно вызывать в сла
гающих минеральный агрегат компонентах (минералах) все ранее описанные в подразд. 4.4 явления: упругость, теплопроводность, теплоемкость, тепловое расширение, поляризуемость, электропроводимость и 
пр. Однако при рассмотрении процесса изменения структурного состояния агрегата будем учитывать только те из них, которые связаны с деформацией кристаллической решетки. Именно они являются в первую 
очередь ответственными за специфику механизма всего процесса, связанную с формированием неоднородного поля напряжений. 

Как отмечалось ранее (подразд. 4.4), деформация породообразую
щих минералов (зерен в агрегате) может иметь различную природу. 
В случае действия механических, тепловых, электрических полей деформация минеральных индивидов εij связана с проявлением [3]:

- упругости (податливости): 

deij= Sijkldskl,
(7.1)

гдеSijkl- тензор податливости минерала; σkl- действующее напряжение;

- теплового расширения:

deij= aijdT ,
(7.2)

где aij- тензор теплового расширения; dT - изменение температуры;

- пьезоэлектрического эффекта:

deij= dijkdEk ,  
(7.3)

где dijk- тензор обратного пьезоэффекта; dEk - изменение напряжен
ности электрического поля.

С деформированием кристаллической решетки минералов, вообще 

говоря, связаны и некоторые другие эффекты, например, электрострикция, магнитострикция и пр., однако из-за того что их вклад в 
величину суммарной деформации минеральных зерен по сравнению 
с уже перечисленными незначителен, ограничимся в данном подразделе рассмотрением трех уже перечисленных. 

Выражения (7.1) – (7.3) указывают на то, что совместное меха
ническое, тепловое и электрическое воздействие (комбинированное 
воздействие) должно вызвать деформацию отдельных свободных (не 
связанных с соседними зернами) минеральных зерен, суммарное значение которой можно определить как сумму вкладов в нее каждого из 
эффектов:

dεij= Sijkldσkl+ αijdT + dijkdEk+ …
(7.4)

Принимая во внимание тензорный характер параметров, характе
ризующих физические свойства минералов (т.е. величин Sijkl, αij, dijk), 
становится понятным, что эта деформация для каждого зерна в общем 
случае является анизотропной величиной. Причем характер анизотропии свойства, как отмечалось выше, определяется симметрией кристаллической решетки минерала. Вклад слагаемых выражения (7.4) в 
величину суммарной деформации различен и зависит как от значений 
компонентов соответствующих тензоров, так и от вида и интенсивности физического воздействия. Таким образом, отдельные зерна в агрегате при действии физических полей, в соответствии с выражением 
(7.4), по разным кристаллографическим направлениям будут деформироваться по-разному. Однако ввиду того, что в минеральном агрегате элементы строения жестко связаны друг с другом, деформация 
любого из них будет «несвободной», т.е. любое зерно будет испытывать противодействие со стороны окружающих его зерен. В результате 
этого в подвергаемом внешнему воздействию минеральном агрегате 
формируется неоднородное поле деформаций и соответственно поле 
напряжений, представляющее собой совокупность возникших структурных напряжений, действующих в отдельных минеральных зернах.

Из-за того что характер и величина деформаций минералов будет 

определяться видом и интенсивностью физического воздействия, эти 
же признаки будут влиять на неоднородность возникающего поля напряжений. Иными словами, каждый вид и режим действующего поля 
обеспечивают формирование специфической неоднородности поля 
напряжений, характеризуемой определенным распределением значений и знаком напряжений в элементах строения агрегата.

Результатом появления неоднородного поля структурных напря
жений является то, что оно способно локально инициировать как пороговые, так и непороговые процессы изменения структурного состояния минерального агрегата (см. кн. 1 настоящего учебника, гл. 6). 
Активация таких процессов в первую очередь происходит в тех его 
элементах строения, в которых создаются необходимые для этого термобарические («критические») условия.

В случае мономинерального агрегата неоднородность поля дефор
маций (и, соответственно, напряжений) в поликристалле будет вызываться только анизотропией свойств (упругости, теплового расширения, пьезоэлектрической деформации и пр.) минеральных зерен, в то 
время как в полиминеральном агрегате она будет зависеть также и от 
различия физических свойств составляющих его компонентов – минералов, образующих агрегат. Причем действие последнего фактора 
вызывает обычно более значительную неоднородность поля напряжений, чем предыдущий.

При рассмотрении неоднородного поля структурных напряжений в минеральном 

агрегате удобно использовать две системы координат:

1) физическую, связанную с его представительным объемом;
2) кристаллографическую, соответствующую кристаллической решетке образую
щего его минерала, в котором рассматриваются структурные напряжения.

Первую необходимо применять при рассмотрении процессов, протекающих в 

крупных минеральных агрегатах по отношению к элементам строения минерального 
объема; вторую – для описания состояния и изменений в объемах, сравнимых с размерами элементов строения агрегата – минеральных зернах. 

Наиболее наглядно процесс формирования неоднородного поля 

напряжений можно представить на примере теплового воздействия на 
мономинеральный агрегат. Если бы минеральные зерна в нем не были 
бы жестко связаны друг с другом, т.е. были бы свободны, то в них при 
тепловом воздействии, несмотря на анизотропию теплового расширения, не возникало бы структурных напряжений. То есть тепловая