MinBaS Område 1 Rapport nr 1:9 Mineral Ballast Sten

Transkript

1 MinBaS Område 1 Rapport nr 1:9 Mineral Ballast Sten MinBaS projekt nr 1,12 Bergets egenskaper för produktionsoptimering DELRAPPORT IV Tre indikatorer för praktisk produktionsoptimering Litteraturstudie och förslag till forskningsprogram Per-Arne Lindqvist Shao-Quan Kou Luleå tekniska universitet Stockholm maj 2005

2

3 MINBAS MINERAL BALLAST STEN PROGRAMOMRÅDE 1 OPTIMERING AV PRODUKTIONSPROCESSEN FRÅN TÄKT TILL FÄRDIG PRODUKT PROJEKT 1:12 BERGETS EGENSKAPER FÖR PRODUKTIONSOPTIMERING DELRAPPORT IV LITTERATURSTUDIE OCH FÖRSLAG TILL FORSKNINGSPROGRAM PER-ARNE LINDQVIST SHAO-QUAN KOU AVDELNINGEN FÖR BERGTEKNIK LULEÅ TEKNISKA UNIVERSITET LULEÅ

4

5 SAMMANFATTNING I samband med forskningsarbete inom MinBaS-programmets område 1, har en metodik att utnyttja tre bergegenskaper eller indikatorer för praktisk produktionsoptimering föreslagits. Dessa parametrar är hårdhet, seghet och fragmenterbarhet. Idén är att genom enkel och billig mätning eller undersökning bestämma klasstillhörighet för respektive bergegenskap (t.ex. mycket hård, hård, medelhård, mjuk, mycket mjuk för indikatorn hårdhet). Operatörer och driftsledare skall sedan med stöd av denna information och egna erfarenheter kunna göra bättre val av borrstål, borrplaner, laddplaner, inställningar, byte av slitmaterial o.s.v. Målet med förstudien har varit att utreda definitioner, mät- och observationsmetoder, tillgång på mätdata i litteraturen samt lämna förslag till forskning för att skapa och införa ett system med tre bergegenskaper för praktisk produktionsoptimering. Hårdhet hos material inverkar kraftigt på dess nötande och rivande förmåga på andra material och har därför ett starkt samband med slitage. Hårdhet hos berg kan därför användas som ett index på bergets slitande egenskaper. Hårdhet är motstånd mot inträngning. Ett vanligt mått på hårdhet är Vickers hårdhet som bestäms genom att trycka en omvänd pyramid av diamant mot materialet en viss kraft. Storleken på anbringad kraft dividerat med det avtryck som uppkommer ger hårdhetsmåttet. Data på Vickers hårdhet hos vanligt förekommande mineral redovisas i rapporten. Ett mått på hårdhet hos bergarter kan beräknas genom att vikta hårdhet hos de mineral som ingår genom volymprocent av ingående mineral i bergarten. Seghet är motstånd mot sprickutbredning. Seghet inverkar under borrning, krossning och malning genom minskad kapacitet samt ökat sprängämnes- och energibehov. Karaktärisering av seghet föreslås ske med materialegenskapen brottseghet som definieras inom brottmekaniken. Mätning av brottseghet kan göras dels med metoder som använder förtillverkade sprickor, dels med inträngningsmetoder. I senare fallet observeras längden på sprickor som initieras i den inträngande pyramidens hörn och som propagerar radiellt ut räknat från centrum av inträngningen. Uppmätta värden på brottseghet med förtillverkande sprickor för ett stort antal bergarter redovisas i rapporten. Fragmenterbarhet är ett mått på materials sönderfall i mängden partiklar och partikelstorleksfördelning vid lika bearbetning. Egenskapen är viktig både för optimering av kvalitetsutfall och lägsta produktionskostnad. Olika testmetoder används för olika processer. Metoderna kan antingen kontrolleras av externt tillförd potentiell energi eller genom anbringad töjning eller deformation. Under testning upptas dock olika mängd energi beroende på materialets egenskaper. I rapporten diskuteras det nya begreppet fragmenterbarhet och möjligheterna att etablera en metod att karaktärisera egenskapen som är oberoende av testmetod. Begreppet heterogenitet kan uppfylla detta önskemål. Beräkning av heterogenitet kan göras med geologiska observationer i mikroskop och i fält som grund. Ett forskningsprogram som omfattar en insats om tre till fem år beroende på forskningsansats presenteras i rapporten. Förslaget om att introducera bergegenskaperna hårdhet, seghet och fragmenterbarhet för produktionsoptimering är nytt liksom begreppet fragmenterbarhet. Användning av benämningarna som sådana kommer att bidra till förbättrad kommunikation och bättre i

6 produktionsoptimering genom att nuvarande erfarenheter kan klargöras och förmedlas. Utveckling och införande av enkla mätmetoder i produktionen kommer att skapa mycket goda förutsättningar för effektiv, daglig, praktisk produktionsoptimering. ii

7 SUMMARY As methodology is proposed to use the properties hardness, toughness and fragmentation ability or fragmentability for day to day optimization of production in the rock aggregate industry, mineral industry and stone industry. The goal of this project is to investigate possible definitions, test methods, measured parameters available in the literature and finally to propose a research plan to develop this system. Hardness can be used as wear index for rocks. Vickers hardness is a commonly used method to measure hardness. From hardness of minerals, of which values of common minerals are given in the report, the hardness of rock types can be calculated from volume percentage of minerals in a specific rock. Toughness of rocks influences capacity, explosive consumption and energy need in drilling, blasting and comminution processes. Fracture toughness is proposed as an indicator for toughness of rocks. Fracture toughness can be measured either by using test methods with prefabricated notches or by indentation fracture techniques. The latter methods are discussed in the report. Fragmentability is a measure of the amount of particles produces and particle size distribution in a defined breakage process. This property is governing the amount of particles and particle size distribution produces in blasting, crushing and milling processes. The concept of fragmentability and possible definitions are discussed in the report. Heterogeneity may be a suitable measure of fragmentability. The proposed methodology to use three indicators or properties for process optimization by operators and middle management is new as is the concept of fragmentability. Introduction of well defined indicators will improve practical optimization and reduce cost of rock breaking and comminution processes in industry. iii

8 INNEHÅLL 1 BAKGRUND OCH MÅL HÅRDHET DEFINITION AV HÅRDHET MÄTNING AV HÅRDHET HÅRDHETSDATA SEGHET INLEDNING DEFINITION AV BROTTSEGHET MÄTNING AV BROTTSEGHET MÄTDATA FÖR BROTTSEGHET FRAGMENTERBARHET ANALYS SAMMANFATTANDE SLUTSATSER DEFINITION AV FRAGMENTERBARHET OCH TÄNKBARA METODER ATT MÄTA FRAGMENTERBARHET FÖRSLAG TILL FORSKNINGSPROGRAM INLEDNING FORSKNINGSANSATSER FORSKNINGSUPPGIFTER TIDPLAN OCH KOSTNADSBEDÖMNING REFERENSER BILAGOR MINERALSAMMANSÄTTNING HOS NÅGRA SVENSKA BERGARTER... BILAGA A A COMPILATION OF MODE I FRACTURE TOUGHNESS VALUES OF ROCKS... BILAGA B iv

9 1 BAKGRUND OCH MÅL I samband med forskningsarbete inom MinBaS-programmets område 1, har en metodik att utnyttja tre bergegenskaper eller indikatorer för praktisk produktionsoptimering föreslagits. Dessa parametrar och deras motsatser är: Hårdhet hård mjuk Seghet seg spröd Fragmenterbarhet dålig god I nedanstående tabell anges processer för fragmentering och indikatorer som påverkar processerna. Idén presenterades vid MinBaS seminarium om bergegenskaper i Filipstad den 7-8 oktober Tabell 1.1 Inverkan av indikatorerna (bergegenskaperna) hårdhet, seghet och fragmenterbarhet på borrning, sprängning, krossning samt malning PROCESS BORRNING INVERKAN AV INDIKATOR (BERGEGENSKAP) PÅ KAPACITET PÅ STYCKEFALL hårdhet och seghet SPRÄNGNING seghet fragmenterbarhet KROSSNING seghet fragmenterbarhet MALNING hårdhet och seghet fragmenterbarhet SLITAGE (ALLA PROCESSER) hårdhet Idén är att genom enkel och billig mätning eller undersökning beräkna och bedöma klassindelning (t.ex. mycket hård, hård, medelhård, mjuk, mycket mjuk för indikatorn hårdhet). Operatörer och driftsledare skall sedan med stöd av denna information och egna erfarenheter kunna göra bättre bedömningar avseende val av borrstål, borrplaner, laddplaner, inställningar o.s.v. Målet med förstudien har varit att utreda definitioner, mät- och observationsmetoder, tillgång på mätdata i litteraturen samt lämna förslag till forskning för att skapa och införa ett system med tre bergegenskaper för praktisk produktionsoptimering. Arbetet i projektet baserar sig på litteraturstudier och analys samt muntlig och skriftlig avrapportering. Utredare har varit Per-Arne Lindqvist och Shau-Quan Kou. Eva Johansson har hjälpt till med redigeringsarbetet. En arbetsgrupp har bistått delprojektet beträffande inriktning, avgränsningar, analys samt rapportens innehåll. I gruppen ingår följande medlemmar: Jan Bida, Sveriges Bergmaterialindustri C. Magnus Evertsson, Sandvik Rock Processing Eric Forssberg, Luleå tekniska universitet Henrik Grind, Nordkalk AB 1

10 Kurt Johansson, Sveriges Stenindustriförbund Per Murén, NCC Roads AB Olof Sandström, SMA Svenska Mineral AB Sven Wallman, NCC Roads AB 2

11 2 HÅRDHET 2.1 DEFINITION AV HÅRDHET Hårdhet är motstånd mot inträngning. Hårdhet, H, bestäms genom att trycka en omvänd pyramid av diamant mot materialet en viss kraft, P. Storleken på kraften dividerat med det avtryck, A, som uppkommer är ett mått på hårdhet. H P = (2.1) A Figur 2.1 visar en principbild över mätning av hårdhet. Begreppet hårdhet är väl definierat och används inom materialprovning och forskning på många olika material. P AVTRYCKETS AREA I YTANS PLAN = A Figur 2.1 Principbild som visar mätning av hårdhet Hårdheten hos materialet inverkar starkt på dess nötande och rivande förmåga på andra material och den har därför ett starkt samband med slitage. Hårdhet hos berg kan därför användas som ett index på bergets slitande egenskaper. 2.2 MÄTNING AV HÅRDHET Hårdhetsparametern beror på pyramidens geometri, inträngningskraften och miljösituationen under försöket, t.ex. temperatur samt på materialegenskaperna. Hårdhet kan beräknas på följande sätt enligt Lawn och Marshall (1979) H 0.5P = (2.2) 2 a där P är inträngningskraft och a är halva diagonalen hos inträngningen, se figur 2.1. Den mest använda mikrointrängaren av diamant är Vickers (en pyramid med kvadratisk bas) och Knoop (en pyramid med rektangulär smal bas). För Vickers hårdhetsmätare med spetsvinkeln θ 136, erhålls från ekvation (2.2) θ 2Psin 2 P HV = = s s (2.3) 3

12 där s är avtryckets diagonal. Det är bättre att använda en lägre kraft än vid mätning av brottseghet, se avsnitt 3.3, för att undvika att sprickor uppstår. För berg är den föreslagna inträngande kraften 30 kgf, vilket motsvarar 300 N. Bergmatrisen är inhomogen i testskalan och kan bestå av olika mineral. Hårdheten kan därför bero på olika mineral i inträngningsytan. Detta får till följd att hårdhetsvärden från samma prov kan variera från plats till plats där mätning görs. Därför bör inträngningspyramiden ha en viss storlek så att ett statistiskt medelvärde för hårdhet kan beräknas i syfte att minska variationerna. Det är dock möjligt att beräkna relativ hårdhet hos en bergart baserat på innehållet och motsvarande hårdhet hos mineralen som ingår i bergarten. Man viktar helt enkelt hårdheter hos de mineral som ingår genom att använda procentandelen av alla ingående mineral. Relativa hårdheten VHNR (Vickers Hardness Number Rock) blir då VHNR = Σ (VHNj x % mineralj)/100 (kgf/mm²) (2.4) där j = mineral 1, 2, j i bergarten VHNj = Vickers hårdhet för mineral j i bergarten % mineralj = volymprocent av mineral j i bergarten (%) (kgf/mm²) Man bör vara uppmärksam på att små omvandlingar hos ett eller flera mineral kan innebära stora ändringar i mekaniska egenskaper. Mineralsammansättning hos några typiska bergarter visas i tabell 2.1 (Mishnaevsky, 1998) och exempel på innehåll av mineral i några svenska bergarter visas i bilaga A (Lindqvist et al., 1994). Om man bestämmer mineralsammansättning hos bergarten är det alltså möjligt att beräkna deras hårdhetsnummer. Tabell 2.1 Mineralsammansättning (% per mineral) för några vanliga bergarter (Mishnaevsky, 1998 från Artsmimovich 1974) BERGART GRANIT DIORIT GABBRO DIABAS KALKSTEN SANDSTEN KVARTS FÄLTSPAT PYROXENER AMFIBOLER KALCIT ÖVRIGA

13 2.3 HÅRDHETSDATA Uppmätt Vickers hårdhet för några utvalda mineral finns samlade i tabell 2.2 tillsammans med typiska värden för stål och hårdmetall. Som jämförelse har hårdhet enligt Mohs hårdhetsskala lagts in i tabellen. Den senare anger relativa värden på hårdhet och används i samband med identifiering av mineral vid geologisk kartering. VHNR för vanliga bergarter visas i tabell 2.3. Tabell 2.2 Hårdhet för några mineral samt för järn och hårdmetall (Heiniö, 1999) MINERAL MOHS HÅRDHET VICKERS HÅRDHET DIAMANT KORUND TOPAS 8 KVARTS DIOPSID (PYROXEN) PLAGIOKLAS (FÄLTSPAT) 6-6,5 800 ORTOKLAS (FÄLTSPAT) AUGIT (PYROXEN) APATIT FLUSSPAT 4 DOLOMIT 3,5-4 KALCIT BIOTIT (GLIMMER) 2, GIPS 2 50 TALK 1 20 GJUTJÄRN OCH STÅL HÅRDMETALL

14 Tabell 2.3 Ungefärligt hårdhetsnummer för några bergarter (Heiniö,1999) BERGART VICKERS HÅRDHETSNUMMER MAGMATISKA BERGARTER GABBRO DIORIT GRANIT SEDIMENTÄRA BERGARTER SANDSTEN LERSKIFFER KALKSTEN METAMORFA BERGARTER GNEJS AMFIBOLIT GLIMMERSKIFFER KVARTSIT MARMOR

15 3 SEGHET 3.1 INLEDNING Karaktäriseringen seg och dess motsats spröd används regelbundet om berg av operatörer och arbetsledare i produktionen. Om ett berg är segt innebär det att borrsjukningen blir lägre, fragmenteringen vid sprängning sämre och kapaciteten vid krossning går ner. Trots detta används inte uppmätta data på seghet i praktiken. Inom forskningen har stora resurser lagts ner på att studera brottseghet och att utveckla mätmetoder för bestämning av denna parameter. Arbetet utfördes från mitten på 1970-talet och med stor aktivitet sedan 1980-talet. Användning av brottseghet för ingenjörsändamål har emellertid inte fått den praktiska användning som man tidigare förväntade. Dock har enskilda forskare (Whittaker et al., 1992) ansett att brottseghet kan användas för klassificering av bergmaterial, exempelvis för fullborrning och modellsprängning eller som materialegenskap för modellering av fragmentering, t.ex. roterande skärande borrning, hydraulisk uppspräckning, sprickutveckling på grund av gastryck, explosiv simulering av djupgas, utveckling av radialsprickor vid sprängning, kratersprängning liksom för stabilitetsanalyser och konstruktioner i berg samt vid tolkning av geologiska företeelser. 3.2 DEFINITION AV BROTTSEGHET Brottseghet definieras som mekaniskt motstånd mot sprickutbredning och resulterande brott. Till skillnad från andra hållfasthetsegenskaper, vilka beror på storleken på den spricka som initierar sprickutbredning, är brottseghet oberoende av storleken på denna spricka, provstyckets form och den spänningskoncentration som uppstår vid sprickan som initierar spricktillväxt. Det är därför en mer meningsfull parameter jämfört med andra hållfasthetsparametrar (Seghi et al., 1995). Det finns principiellt tre olika situationer eller moder (eng. modes) att bestämma brottseghet. Mod I mäter sprickutbredning vid ren dragning eller klyvning. Vid mod II mäts parametern vid skjuvning när skjuvkrafterna verkar vinkelrätt mot sprickriktningen och vid mod III då skjuvkrafterna ligger i sprickans riktning. Parametervärden för mod I, II och III är olika för samma material. Fortsättningsvis kommer enbart mod I att behandlas. Det finns många olika testmetoder att mäta brottseghet i berg. Detta behandlas mer i nästa avsnitt. Figur 3.1 visar en principbild över mätning av brottseghet på en borrkärna. Det finns två storheter för brottseghet. En av dem, K IC, uttrycker intensiteten i spänningen som behövs för att en spricka skall propagera och den andra, G IC, formulerar behovet av energi per ytenhet som behövs för att skapa ny sprickyta. 7

16 Figur 3.1 Principbild över trepunktsmetoden för mätning av brottseghet 3.3 MÄTNING AV BROTTSEGHET Teknik som används för bestämning av brottseghet kan delas in i två lika grupper. En av dem utnyttjar förtillverkande sprickor, se figur 3.1. Den andra gruppen baserar sig på sprickor som uppstår under inträngning med hårdhetsmätare enligt Vickers eller motsvarande. METODER MED FÖRTILLVERKADE SPRICKOR Bland de förra metoderna, som endast omnämns i denna rapport, finns många olika metoder såsom (anges på engelska) Chevron notched short rod (SR) metoden, Chevron edge notched round bar in bending (CB) metoden, Brazilian disk in diametrical compression, Radial cracked ring test (RCRT), Modified ring test (MRT), Single edge cracked half disk specimen in three point bending (HDB), Round compact disk in tension (RCT), Cracked hollow cylindrical in internal pressurization or burst test (BT), Double torsion specimen (DT), Double cantilever beam in splitting (DCB) och Compact specimen in tension. INTRÄNGNINGSMETODER Användning av inträngning som testmetod kan antingen ske genom att observera sprickor vid mätning av hårdhet (indentation strength, IS) eller särskild inträngning för att producera sprickor, (indentation fracture, IF). Den senare av dessa metoder kräver endast små provkroppar och är ganska enkel att utföra. Vid användning av Vickers mikrohårdhetstest gjordes inträngning till dess att acceptabla sprickor erhölls (Middlemiss och King, 1996), se figur

17 Figur 3.2 Spricksystem som har uppstått med en Vickers mikrohårdhetstestutrustning (Middlemiss och King, 1996) Kriterier för att erhålla acceptabla resultat är, enligt Sherrer et al. (1998), (1) alla sprickor måste emanera från hörn på Vickers inträngare, (2) närvaro av endast fyra radialsprickor med c/a > 2.3, (3) ingen chippning, (4) inga sprickförgreningar. Medelvärde på spricklängd, c, erhålls genom att mäta radialsprickor, 2c, över de två ortogonala riktningarna. För att erhålla väl utvecklade median-radialsprickor, ställer Whittaker et al. (1992) en rad krav för preparering av prover och genomförande av testet. a) Provet måste ha en yta som är jämn och väl preparerad utan att skada ytan för att säkerställa idealt spetsig kontakt. b) Provet måste ha tillräcklig tjocklek, B 10c, för att försäkra sig om att spänningsfält som skall producera median-radialspricksystemet inte modifieras på grund av närhet till undersidan på provet. c) Provet måste initialt vara fritt från spänningar. d) Fyra radialsprickor (Vickers) måste utgå från hörnen på inträngningen. e) Eftersom spricklängd beror på intervallet mellan inträngningen och mätning, rekommenderas ett intervall om 15 minuter efter det att avlastning har skett. f) Förhållandet c/a > 2 g) Frånvaro av stora porer efter kanten på inträningen. h) Ingen chippning. Fördelar Få prover behövs för testning. Metoden är enkel att använda. 9

18 Notera Det är svårt att genomföra prov i grovkornigt och poröst berg, eftersom medial-radialsprickor har svårt att utvecklas. Känslig för långsam spricktillväxt. En särskild inträngningsteknik (indentation fracture technique, IF) har etablerats som en metod lämplig för approximativ bestämning av K Ic för spröda material. En noggrannhet på 10 % kan erhållas om elasticitetsmodulen E är känd eller 30 % om E är okänd (Evans and Charles, 1976). Brottseghet kan bestämmas av följande ekvation, föreslagen av Anstis et al. (1981) K IC = 0.016( E / H ) ( P / c ) (3.1) där E är elasticitetsmodul, H är hårdhet, P är inträngningskraft, c är medelspricklängd av de fyra sprickorna uppmätta från mitten på inträngningen, normalt 500 N (eller 50 kgf) och är en materialoberoende konstant. Man kan också erhålla K IC utan att känna elasticitetsmodulen och hårdheten om man känner halva vinkeln hos inträngningspyramiden, ϕ, från följande formel (Whittaker et al., 1992) P K IC = (3.2) 1.5 ( πc) tanϕ Kritisk brottseghet, G IC, och specifik energi hos berget, γ s, erhålls också från testresultaten: G IC 2 2 P (1 ν ) = 2γ s = (3.3) 3 2 ( π c) Etan ϕ där ν är Poisson s tal. Det finns emellertid också argument mot dessa metoder. Antalet inträngningar som behöver göras för varje material är ganska stort (Scherrer et al., 1998). Detta beror på att: (1) inträngningstekniken kräver produktion av ett väl utvecklat system av median-radialsprickor, (2) inträngningar som ger chippning eller förgrenade sprickor kan ej utnyttjas för analys, (3) på grund av heterogenitet i många fall kan c/a vara mindre än 2.3. Dessutom är möjligheten att använda halvpenny modellen (median-radialsystemet) och ekvation 2.2 baserad på antagandet att P/c 1.5 förhållandet är oberoende av den anbringade kraften P (Ponton och Rawlings, 1989). Detta innebär att lastområdet är begränsat. En last över den övre lastgränsen ger omfattande chippning och sprickförgreningar, medan last under den undre gränsen är för låg för att åstadkomma fyra radial-medialsprickor, vars storlek är större än 2.3a. Scherrer et al. (1998) jämförde brottseghetsvärden genom att använda de två inträngingsmetoderna indentation fracture (IF), indentation strength (IS), och single-edge- V-notched-beam test (SEVNB). Materialen som testades var ett lättsmält tentalglas (Duceram LFC) och ett fältspatporslin (IPS classic). Deras studie visade att alla tre metoderna gav resultat inom 10 %. Denna teknik kräver belastning över kritisk last, P c, för att erhålla tillräckligt stora radial-mediansprickor för mätning. Endast små prover behövs och tekniken är enkel att applicera. Den största nackdelen med IF-tekniken är den stora spridningen hos mätdata, upp till % av erhållna data på grund av kvarvarande spänningar associerade med sprickproduktion (Anstis et al., 1981). 10

19 BOND IMPACT WORK INDEX Bonds arbetsindex för krossning kan också betraktas som ett mätvärde för seghet hos bergmaterial. Metoden används för beräkning av krosskapacitet. Testet, som bl.a. används av Sandvik Rock Processing, beskrivs nedan (Tjell, 2004). Ett bergstycke av kubisk form med sidan mm träffas av två hammare från var sitt håll placerade längst ner på var sin pendel. Hammarna lossas från allt högre höjd och ges därför successivt större och större anslagsenergi. Provningen utförs individuellt på 20 stycken olika stenar. Energin som fordras för att krossa stenen utgör Bonds Impact Work Index och skrivs W i 0,0485 a = (3.4) d där W i = Impact Work Index (kwh/t) d = densitet (t/m 3 ) 2 m g h a = c (N) (3.5) och a = slagseghet (N) m = varje hammares massa (kg) g = tyngdaccelerationen; 9,81 (m/s 2 ) h = hammarens fallhöjd (m) c = stenens minsta dimension (m) 3.4 MÄTDATA FÖR BROTTSEGHET Typiska K IC -värden för svenska bergarter visas i tabell 3.1 (Ouchterlony, 2004). Tabell 3.1 Sammanställning av mod I brottseghetsvärden för några svenska bergarter (Ouchterlony, 2004) BERGART BROTTSEGHET, K IC (MPa m) BERGART BROTTSEGHET, K IC (MPa m) ANDESIT KALKSTEN DOLERIT 3.3 KALKSTEN, KLINTHAGEN 1.9 GABBRO, KALLAX OLJESKIFFER GRANIT MARMOR GRANIT, BOHUS MARMOR, EKEBERG (ANISOTR) GRANIT, RÅSJÖ 2.8 SANDSTEN GRANODIORIT, FINNSJÖ 3.4 SANDSTEN, ÄLVDALEN

20 Brottseghetsdata från metoder som utnyttjar förtillverkande sprickor enligt föregående avsnitt redovisas i bilaga B (Whittaker et al., 1992) där bergarterna är grupperade med avseende på namn i alfabetisk ordning. Från data i tabell 3.1 och bilaga B kan man notera att typiska K IC -värden för berg är cirka 2 MPa m och att variationsområdet är MPa m. Motsvarade värden på brottseghet, G IC, är J/m 2. 12

21 4 FRAGMENTERBARHET 4.1 ANALYS Introduktionen inleds genom en presentation av två tankeexperiment i syfte att belysa några egenskaper för begreppet fragmenterbarhet. TVÅ TANKEEXPERIMENT SPRÄNGNING AV SOCKER Vi fyller fyra bitsockerpaket med socker. I det första paketet finns strösocker med en kornstorlek om cirka 0,5 mm, precis som vanligt strösocker. Det andra paketet innehåller bitsocker gjort av samma strösocker som i första paketet. Bitsockrets kantsida är ungefär 10 mm. I tredje paketet finns också bitsocker, men sockerbitarna har fastnat ihop, t.ex. genom att paketet har stått i fuktig miljö en tid och sedan fått torka. Sockret i hela paketet håller ihop, men det finns svagheter i gränserna mellan de tidigare bitarna. I sista paketet lägger vi socker av en enda stor kristall som fyller hela lådan. Nu sätter vi in en svag, svag laddning med detonerande stubin mitt i varje paket efter hela längden, se figur 4.1, och spränger sockerpaketen. SVAG STUBIN STRÖSOCKER BITSOCKER FUKTIGT TORKAT BITSOCKER SOCKERKRISTALL ANTAL KORN ANTAL KORN ANTAL KORN ANTAL KORN 0,5 mm 0,5 10 mm 0,5 10 mm 0, mm Figur 4.1 Svagheter av olika slag påverkar kornstorleksfördelningen vid fragmentering Trots att vi har samma material får vi troligen helt olika kornstorleksfördelning. Principiella, tänkbara resultat av uppnådd kornstorleksfördelning visas under varje paket. Slutsatsen vi drar är att svagheter i materialet har en avgörande betydelse för fragmenteringen. 13

22 TRE MATERIALMODELLER Det andra fallet är ett tankeexperiment med tre olika materialmodeller, se figur 4.2. (a) (b) (c) Figur 4.2 Tre konceptuella modeller för att förklara heterogenitet i olika dimensioner a) homogent material, b) heterogent material i skala mineralkorn och c) heterogent material i skala bergmassa De tre modellmaterialen kan beskrivas på följande sätt. a) Homogent material med medelvärde på materialegenskaper för en specifik bergart. Egenskaperna kan bestämmas med laboratorietester. Många teoretiska och numeriska metoder använder sig av denna typ av materialmodell. b) Heterogent material i skala mineralkorn med materialegenskaper hos kornen som avviker från medelvärdet. Heterogeniteten på denna nivå beror på olika egenskaper hos mineralkorn, olika hållfasthet i korngränser och på mikrosprickor på nivå mineralkorn. Då en extern kraft anbringas på detta material uppstår ett heterogent spänningsfält som så småningom påverkar sprickinitiering, sprickutbredning och brott. Skalan på heterogenitet är så liten jämfört med provkroppens storlek att den kan behandlas med statistiska fördelningar. c) Heterogenitetsmodell som omfattar sprickor, slag och svaghetszoner och som beskriver (den reducerade) hållfastheten i sprickor och svagheter, medan andra delar av materialet är tomt, d.v.s. saknar materialegenskaper. Tankeexperimentet beskriver kombinationer av dessa konceptuella modeller. Vid bergmekaniska laboratorieundersökningar kan många försök betraktas som en kombination av (a) och (b). Vår forskning indikerar att denna kombination kan behandlas teoretiskt och numeriskt med statistiska metoder. Parametrarna i de statistiska modellerna motsvarar det homogena materialets parametrar och de andra parametrarna beskriver heterogeniteten i denna skala. Dessa parametrar kallas homogenitetsindex, se t.ex. Tang och Kou (1998). En kombination av (a) och (c) kan förklara fragmentering av bitsocker i figur 4.1. Denna kombination har utnyttjats av många forskare för att analysera stabilitet hos slänter. En kombination av (a), (b) och (c) kan förklara många olika praktiska problem i fält. Typiska kombinationer av de tre konceptuella modellerna visas schematiskt i figur 4.3. På detta sätt kan betydelsen av heterogenitet i olika skalor beskrivas. Det måste påpekas att ovan använda skalor kan varieras beroende på problemet som studeras och analysverktyget. 14

23 (a) (b) (c) (a)+(b) (a)+(c) (a)+(b)+(c) Figur 4.3 Typiska kombinationer av beskrivna materialmodeller NATURAL BREAKAGE CHARACTERISTIC (NBC) Avseende partikelstorleksfördelning har ett intressant arbete utförts i det s.k. Less Fines-projektet (Ouchterlony, 2003). Resultat i projektet verifierar Steiners koncept att varje bergmaterial har en materialspecifik Natural Breakage Characteristic (NBC). Om partikelklassificering utförs i en produktionskedja av olika neddelningsprocesser (modellsprängning, fullskalesprängning, krossning, malning o.s.v.) uppträder kurvor över partikelstorleksfördelning på så sätt att kurvorna förflyttas parallellt uppåt för varje efterföljande process, se figur 4.4. Olika kurvor är nästan parallella med varandra. Detta gör det möjligt att förutsäga formen på partikelkurvan vid efterföljande fragmentering. Lutningen på kurvan är oberoende av belastningshastighet och sättet att fragmentera. 15

24 Figur 4.4 Jämförelse av fragmenteringskurvor från Optimum Comminution Sequence försök och modellsprängningar med samma amfibolit, Moser (2003) figur 3 från Ouchterlony (2003) SWEBREC-FUNKTIONEN Baserat på ovanstående diskussion är det uppenbart att det finns förutsättningar att formulera en funktion som beskriver partikelstorleksfördelning. Swebrec-funktionen, ekvation 4.1, är en sådan funktion som ger god beskrivning av partikelstorleksfördelning. P(x) = 1/{1+[ln(x max /x)/ln(x max /x 50 )] b } med 0 < x < x max (4.1) där P(x) är den ackumulerade partikelfördelningsfunktionen som beskriver den totala mängden material som passerar en sikt med siktstorlek x. P(x) kan variera mellan 0 och 1. Man ser att P(x max ) = 1 och P(x 50 ) = 0.5. Jämfört med Kuz-Ramformeln och enligt Swebrecs erfarenheter kan rimligt noggranna värden på b fås genom b 0.5(x 50 ) 0.25 ln[x max /x 50 ] (4.2) vilket betyder att man i nästa steg kan fokusera på x 50 och x max. Vi tror att både x 50 och x max på något sätt är relaterade till heterogenitet. Det är ganska tydligt att x max influeras av heterogenitet i skalan bergmassa som motsvaras av den tredje modellen (c) i figur 4.2. x 50 bör vara relaterad till materialet i fråga och tillförd energi för fragmentering, vilket verifieras i figur 4.5. I denna figur kan man se att när specifik energi (cm 2 /g) plottas mot energikonsumtion (J/g) faller kurvorna i stort sett efter en rak linje. Denna linje är materialspecifik och lutningen motsvarar Rittingers fragmenteringskoefficient, R (Oucherlony, 2003). Ju mer energi som tillförs desto större specifik yta kan man vänta sig och desto mindre storlek på partiklar erhålls. Detta stämmer med sunt förnuft. Notera också att för samma tillförda energi kan man få olika specifik yta, vilket kan relateras till olika gruppkombinationer i figur

25 Figur 4.5 Energiregisterkurvor, efter Moser (2003) figur 2 från Ouchterlony (2003) KOMMENTARER ANGÅENDE NUVARANDE TESTMETODER FÖR BEDÖMNING AV BERGETS FRAGMENTERING Nuvarande metoder för att karaktärisera fragmenterbarhet kan uppdelas i tester med tillhandahållen kontrollerad extern potentiell energi och tester med kontrollerad förskjutning eller deformation. Tester med kontrollerad extern potentiell energi Olika falltester, Los Angeles testet och olika malningstest tillhör denna grupp. Karaktäristiskt för denna grupp är att den externa inverkan på berget kontrolleras genom bestämd potentiell energi från verktyget eller utrustningen i fråga. Dock varierar upptagen energi till berget beroende på olika bergegenskaper. Tester med kontrollerad förskjutning eller deformation Krosskammartestet föreslaget av Chalmers tekniska högskola (Evertsson, 2000) tillhör denna grupp. 4.2 SAMMANFATTANDE SLUTSATSER Från analysen kan man sammanfatta följande: Tankeexperimenten visar att alla typer av svagheter har avgörande inflytande på fragmenteringsresultatet och att heterogenitetsbegreppet ger en möjlighet att hantera olikheter och svagheter både teoretiskt och med numeriska beräkningsmetoder. Begreppet fragmenterbarhet stöds av NBC-konceptet och experimentella resultat. 17

26 Resultat från projektet Less Fines och Swebrec-funktionen indikerar att inneboende bergegenskaper snarare än fragmenteringsmetoderna bestämmer kornstorleksfördelningen och att Swebrec-funktionen kraftfullt underlättar beräkning av kornstorleksfördelning. Modeller för fragmenterbarhet bör om möjligt kunna kopplas till dessa resultat. Nuvarande laboratoriemetoder karaktäriseras av att antingen externt tillförd potentiell energi eller att deformationen kontrolleras. Materialet självt bestämmer hur mycket energi eller pålagd deformation som krävs för att viss fragmentering. Testmetoderna är därför både metodoch materialberoende. Metoder som används för modellering av specifika enhetsoperationer kan dock inte utan vidare användas för andra processer. Denna slutsats stöder behovet av en generell modell för fragmenterbarhet. 4.3 DEFINITION AV FRAGMENTERBARHET OCH TÄNKBARA METODER ATT MÄTA FRAGMENTERBARHET Allmänt beskrivet är fragmenterbarhet ett mått på materials sönderfall i mängden partiklar och kornstorleksfördelningen vid fragmentering. Ovanstående genomgång visar att ytterligare analys- och forskningsarbete krävs för att föreslå en teoretiskt godtagbar och praktisk användbar modell för fragmenterbarhet. Man kan tänka sig åtminstone två ansatser nämligen (1) en testmetod eller (2) homogenitetsindex. TESTMETODER En testmetod kan t.ex. vara ett krosstest av fragmenterat material inom ett visst storleksområde, krossning till viss deformation, mätning av kraft och energitillförsel samt siktning. Ur dessa data kan både ett deformationsrelaterat index och ett energiindex beräknas. Dessa index bör kunna användas för bedömningar av fragmentering vid sprängning, krossning och malning. Nackdelen är att definitionen är metodberoende. HOMOGENITETSPARAMETRAR Homogenitetsparametrar på olika skalnivåer; korn (mikroskala), prov eller bergart (mesoskala) och bergmassa (makroskala) definieras. Beräkning av homogenitet görs med hjälp av analys och kvantifiering av texturegenskaper från slipprover i mikroskop, kvantifiering av sprickor och andra varierande parametrar på prover i skalan 100 mm, respektive kartering och kvantifiering av geologiska strukturer i bergmassan. 18

27 5 FÖRSLAG TILL FORSKNINGSPROGRAM 5.1 INLEDNING Förslaget utgör en allmän beskrivning av forskningens inriktning och innehåll samt en grov bedömning av tid och kostnader. Inför en eventuell etablering av ett projekt ingår att utarbeta en detaljerad projektplan. 5.2 FORSKNINGSANSATSER Av tidigare beskrivningar framgår det att man kan urskilja två huvudansatser, dels mätning genom provning som kan utföras av företagen i fält, dels utnyttjande av analys av slipprover och geologisk kartering. I den fortsatta beskrivningen redovisas båda ansatserna. Inom området provning finns två olika möjliga strategier, antingen simpel utrustning och enkel provning med grova resultat eller mer avancerad utrustning och precisare resultat. Som ett första led i ett kommande forskningsprojekt ingår att besluta om forskningsansats. 5.3 FORSKNINGSUPPGIFTER PROJEKTUTVECKLING I aktiviteten ingår förankring och anslutning av industriella deltagare samt precisering av mål och översyn av projektplanen med hänsyn till deltagarnas prioriteringar och önskemål. I arbetet ingår även att skapa finansiering och att kontraktera genomförande organisationer. Ambitionen bör vara att ansluta 5-10 företag för att säkerställa att utvecklade förslag prövas i produktionen och att öka förutsättningarna för att föreslagna metoder tas i bruk. Förslag till mål för projektet: FORSKNINGSANSATS Målet med projektet är att välja och utveckla utrustning och metoder för mätning och klassificering av berginformation för praktisk produktionsoptimering samt att prova dessa i fält och införa metoderna i produktionen. Efter en inledande analys och värdering av olika approcher, främst ur praktisk synvinkel, fattas beslut om forskningsansats. 19

28 HÅRDHET PROVNINGSMETOD Utrustning för mätning av mikrohårdhet anskaffas och tas i bruk. Mätningar i fält på ett 20-tal bergarter genomförs. GEOLOGISK ANALYS Som metod för beräkning av hårdhet införs Vickers hårdhetsnummer, VHNR. Beräkning av VHNR görs genom att beräkna procentandel mineral från slipprov i mikroskop och utnyttjande av tabellerade data för mineral. Beräknade VHNR bör kompletteras med information om kornstorlek för hårdaste mineral och bedömning av matrisens styrka genom en enkel klassificering. SEGHET PROVNINGSMETOD Samma utrustning som för mätning av mikrohårdhet utnyttjas. Provnings- och beräkningsmetoder införs. Mätningar i fält på cirka 20 bergarter genomförs för att utveckla enhetliga metoder och rutiner för mätning och beräkningar. GEOLOGISK ANALYS En stor undersökning genomförs med mätning av brottseghet och analyser av slipprover. På basis av detta arbete föreslås ett system för observationer och klassificering av bergartens brottseghet utgående från analys av slipprover. Följande är exempel på parametrar som bör observeras: kornstorleksfördelning kornbindning och matrisegenskaper mineralsammansättning omvandlingar FRAGMENTERBARHET UTVECKLING AV TEORETISK ANSATS Genom litteraturstudier, teoretiska betraktelser och beräkningar föreslå en sund teoretisk ansats som tar hänsyn till nuvarande kunskapsnivå, det praktiska behovet vid optimering och krav på praktisk och enkel metodik MÄTMETOD En mätmetod väljs och utrustning samt mätmetodik utvecklas. I likhet med tidigare indikatorer genomförs en stor fältundersökning. 20

29 GEOLOGISK ANALYS På basis av observationer av slipprover i mikroskop och kartering av bergmassans sprickor och övriga svagheter utvecklas homogenitetsindex för olika skalor. INFÖRANDE I PRODUKTIONEN Aktiviteten omfattar deltagande i projektet av industrirepresentanter, utbildning och genomförande av pilotundersökningar i fält. 5.4 TIDPLAN OCH KOSTNADSBEDÖMNING Genomförandet beräknas till tre-fem år och kostnaden för projektet till 5-10 miljoner kronor beroende på vilken forskningsansats som väljs och behovet av insatser för utprovning av ny testutrustning. Kostnaderna är exklusive anskaffning av utrustning samt exklusive konstruktion och tillverkning av eventuell ny utrustning. 21

30 22 Projekt 1:12 Bergets egenskaper för produktionsoptimering

31 REFERENSER Anstis, G. R., P. Chantikul, B. R. Lawn, D. B. Marshall (1981). A critical evaluation of indentation techniques for measuring fracture toughness: I Direct crack measurements, J Am Ceram Soc, 64: Evans, A. G., E. A. Charless (1976). Fracture toughness determinations by indentation, J Am Ceram Soc, 59: Evertsson, C. M. (2000). Cone Crusher Performance, Doctoral Thesis, Chalmers University of Technology Heiniö, M. ed in Chief (1999). Rock excavation handbook for civil engineering, Sandvik Mining and Construction Tools Lawn, B. R., D. B. Marshall (1979). Hardness, toughness, and brittleness: an indentation analysis, J Am Ceram Soc, 62: Lindqvist, P. A., L. M. Suarez del Rio, M. Montoto, X. Tan, S. Q. Kou (1994). Rock indentation database-testing procedures, results and main conclusions, SKB Project Report PR Middlemiss, S., R. P. King (1996). Microscale fracture measurements with application to comminution, Int J Miner Process, (1996) Mishnaevsky, L. Jr (1998). Damage and fracture in heterogeneous materials, Balkema/Rotterdam/Brookfield Ouchterlony, F. (2003). Influence of blasting on the size distribution and properties of muckpile fragments, a state-of-the-art review, Rapport från MinFo-projekt P : Energioptimering vid nedbrytning/energy optimization in communition, MinFo, Stockholm Ouchterlony, F. (2004). Brottseghet - en viktig egenskap hos bergmaterial, Dokumentation från Seminarium om Bergegenskaper, Filipstad, 7-8 oktober 2004, MinBaS, Stockholm Ponton, C. B., R. D. Rawlings (1989). Dependence of the Vickers indentation fracture toughness on the surface crack length, Br Ceram Trans J 88:83-90 Scherrer, S. S., I. L. Denry, H. W. A. Wiskott (1998). Comparison of three fracture toughness testing techniques using a dental glass and a dental ceramic, Dent Mater 14: , July Seghi, R. R., I. L. Denry, S. F. Rosenstiel (1995). Relative fracture toughness and hardness of new dental ceramics, J Prosthet Dent, 74, Tang, C. A., S. Q. Kou (1998). Crack propagation and coalescence in brittle materials under compression, Eng Fracture Mechanics, 61, Tjell, B. O. (2004). Raw material test methods, Dokumentation från Seminarium om bergegenskaper, Filipstad, 7 8 oktober 2004, MinBaS, Stockholm. Whittaker, B. N., R. N. Singh, G. Sun (1992). Rock fracture mechanics, principles, design and applications, Elsevier 23

32

33 BILAGA A BILAGA A MINERALSAMMANSÄTTNING HOS NÅGRA SVENSKA BERGARTER Tabellerna A.1-A.3 är sammanställda efter Lindqvist et al. (1994). Tabell A.1 Gabbro Kallax MINERAL 1:A VOLYM % 2:A VOLYM % PLAGIOKLAS (FÄLTSPAT) PYROXEN (2 TYPER) OLIVIN BIOTIT 6.9 tr. MÖRKA MINERAL ACCESSORISKA MINERAL SERPENTIN, KLORIT tr. 3.1 Notera: tr. = trivialt Tabell A.2 Granit Bohus MINERAL VOLYM (%) MIKROKLIN (FÄLTSPAT) 37 PLAGIOKLAS (FÄLTSPAT) 26 KVARTS 31 MUSKOVIT (GLIMMER) 6 Tabell A.3 Marmor Ekeberg MINERAL VOLYM (%) KARBONAT 91.0 AMFIBOL 4.5 GLIMMER 3.5 ACCESSORISKA MINERAL 0.9 A1

34

35 BILAGA B BILAGA B A COMPILATION OF MODE I FRACTURE TOUGHNESS VALUES OF ROCKS In the table, k m is the approximate fracture toughness calculated from the maximum load, P m. K Q is the apparent fracture toughness. K Q is lower than K c and hence is a conservative measure of true fracture toughness. K IC is a limiting value of K Q and is independent of specimen dimension. To check if the measured fracture toughness K Q is a valid plane strain fracture toughness K IC, the specimen size requirements must be examined. If they are satisfied, K Q can be considered as a valid K IC value. B1

36 B2 BILAGA B

37 BILAGA B B3

38 B4 BILAGA B

39 BILAGA B B5

40 B6 BILAGA B

41 BILAGA B B7

42 B8 BILAGA B

43 BILAGA B B9

44 B10 BILAGA B

45 BILAGA B B11

46

47