Электроимпульсное разрушение горных пород

Размещено на http://www.allbest.ru/

электроимпульсное разрушение горных пород

Юшков Анатолий Юрьевич

Национальный исследовательский Томский политехнический университет кандидат технических наук, доцент кафедры электроэнергетических систем

Аннотация

В статье рассматриваются физические аспекты избирательного электроимпульсного разрушения горных пород и области его эффективного промышленного использования. Показано, что электроимпульсный способ удовлетворяет всем необходимым условиям селективного дробления и измельчения горных пород.

Ключевые слова: высоковольтный генератор, горная порода, дробление, измельчение, импульсный разряд,минералы, электроимпульсная дезинтеграция, энергия

При дроблении горных пород важное значение имеет проблема их избирательного разрушения. Это связано с тем, что традиционные механические методы разрушения не обладают селективностью и при их использовании происходит частичное нарушение форм кристаллов и зерен извлекаемых минералов, а также загрязнения продуктов переработки аппаратурным металлом. Избирательное разрушение горных пород, содержащих драгоценное сырье (алмазы, золото и т.д.), позволяет разделять полезные компоненты от вмещающей породы с сохранением естественных форм минералов. Во многих случаях требуется химическая чистота продуктов переработки (кварц, керамика и т.д.). Традиционное дробильно-измельчительное оборудование не обладает избирательностью разрушения и в основном предназначено для уменьшения размеров исходного сырья, что ведет к разрушению полезных минералов и увеличению их потерь.

Одним из известных способов дробления горных пород, является электроимпульсный метод, когда разрушения происходит при формировании канала электрического разряда внутри твердого тела, помещенного в жидкость [1].

Для формирования канала разряда внутри материала необходимо создать такую форму импульса, при которой электрическая прочность окружающей среды была бы выше, чем прочность разрушаемого материала [2]. Поэтому для разрушения твердых материалов импульсными разрядами необходимо знать их электрическую прочность. На рисунок 1 представлены вольт-секундные характеристики пробоя некоторых горных пород и технической воды на косоугольных импульсах напряжения положительной полярности. Из рисунка следует, что необходимо использовать импульсы со скоростью нарастания напряжения от 100 кВ/мкс до 1500 кВ/мкс. При выборе уровня напряжения импульса следует ориентироваться на градиенты напряжения 5 - 25 кВ/мм [3].

Рисунок 1 - Вольт-секундные характеристики пробоя:

1 - кварца, 2 - гранита; 3 - песчаника; 4 - технической воды

электроимпульсный горный порода разрушение

Изучение механизма, обеспечивающего избирательность разрушения горнорудного сырья электроимпульсным методом, показало, что можно выделить следующие стадии. На стадии формирования разряда в горной породе канал разряда проходит по областям расположения локальных электрических неоднородностей, то есть включений (зерен, кристаллов) и границ их срастания с пустой породой [4]. Таким образом, канал разряда проходит по границе раздела “минерал - вмещающая порода”, создавая предпосылки для их разделения. Когда канал разряда сформировался, то в нем выделяется энергия генератора импульсов за короткий промежуток времени ~10-6 с, при этом в канале разряда практически мгновенно повышается температура до 2Ч104 0 К, а давление достигает 109 Па [5]. В результате чего, канал разряда расширяясь генерирует ударную волну и волны сжатия, которые двигаясь в неоднородной среде, формируют механические напряжение внутри горной породы. Это создает условия для результативного дробления и отделения извлекаемых минералов от пустой породы, а также плазма разряда не вносит посторонних веществ в готовый продукт. Применение электрической искры в качестве рабочего инструмента также снимает проблему его стойкости.

Для осуществления электроимпульсного метода дробления использовалась высоковольтная установка. В качестве источника высоковольтных импульсов, использовался пятиступенчатый генератор импульсных напряжений, позволяющий формировать импульс с напряжением до 250 кВ с энергией в импульсе до 600 Дж при частоте следования импульсов 5 Гц.

Важной частью установки является рабочая камера (рисунок 2), которая предназначена для размещения в ней горной породы и разрушения ее в водной среде импульсными электрическими разрядами. Камера включает в себя следующие элементы: разрядную камеру, высоковольтный электрод, электрод-классификатор, сборник. Объем камеры составляет 15 л. Исходная крупность сырья загружаемого в камеру до 30 мм, а конечная крупность получаемого продукта до - 1 мм.

Рисунок 2 - Внешний вид рабочей камеры

Высоковольтная установка (рисунок 3) работает следующим образом. В рабочую камеру загружается горная порода и она заполняется водой. Импульс высокого напряжения передается от генератора к высоковольтному электроду, расположенному в разрядной камере. Параметры импульса таковы, что обеспечивают внедрения канала разряда в породу в параллельной системе «жидкость - твердое тело». Импульсы подаются непрерывно, пока все сырье не будет разрушено до нужного размера. Готовый продукт проходит через заземленный электрод-классификатор и поступает в сборник.

Рисунок 3 - Схема высоковольтной установки:

1 - зарядное устройство; 2 - генератор импульсных напряжений; 3 - импульс напряжения; 4 - высоковольтный электрод; 5 - разрядная камера; 6 - горная порода; 7 - канал разряда; 8 - электрод-классификатор; 9 - сборник; 10 - готовый продукт

Опыт эксплуатации установки подтвердил высокую степень вскрытия минералов. В таблице 1 представлены результаты вскрытия зерен вольфрамита, при измельчении вольфрамитовых руд состоящих из отдельных фрагментов крупностью 30 мм на электроимпульсной установке. Крупность зерен вольфрамита в породе колебалась в пределах от 0,1 до 12 мм. Так же были проведены сравнительные испытания на лабораторной щековой дробилке.

Таблица 1 - Степень вскрытия зерен вольфрамита

Из таблицы видно, что применение электроимпульсного метода позволяет более эффективно извлекать вкрапления минералов из горной породы, чем при механическом. Следует отметить, что при электроимпульсном дроблении зерна минералов не имеют технологических повреждений, тогда как при механическом способе до 15 % зерен повреждено. Следует отметить, что при электроимпульсном разрушении вскрытие кристаллов и зерен минералов происходит при крупности сырья в 2 - 3 раза большей, чем размеры включений, чего не удается достичь при механических методах дробления.

Анализ физических явлений при электроимпульсном разрушении горных пород указывает на возможность получения готового продукта с более равномерной характеристикой крупности по сравнению с механическими способами, что связано с отсутствием истирающего эффекта, характерного для традиционных аппаратов. Также уменьшается степень загрязнения готового продукта аппаратурным металлом.

Библиографический список

1. Воробьев, А.А., Воробьев Г.А. Электрический пробой и разрушение твердых диэлектриков. - М.: Высшая школа, 1966. - 292 с.

2. Воробьев А.А., Воробьев Г.А., Завадовская Е.К., и др. Импульсный пробой и разрушение диэлектриков и горных пород.- Томск, Изд. ТГУ, 1971.- 225 с.

3. Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. - СПб: Наука, 1993. - 276 с.

4. Курец В.И. Усов А.Ф., Цукерман В.А. Электроимпульсная дезинтеграция материалов. - Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2002. - 324 с.

5. Гулый Г.А. Научные основы разрядноимпульсных технологий. - Киев: Наукова думка, 1990. - 208 с.

Размещено на Allbest.ru