CC BY
5Научная статья УДК 621.3
doi:10.37614/2949-1215.2022.13.3.009
ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДРОБЛЕНИЯ ТВЁРДЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ. ФАКТОРЫ, ОКАЗЫВАЮЩИЕ ВЛИЯНИЕ НА ДИНАМИКУ РАЗРЯДНЫХ ПРОЦЕССОВ
Александр Сергеевич Зорин
Центр физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра Российской академии наук, Апатиты, Россия, a.zorin@ksc.ru
Аннотация
Кратко представлены основы электроимпульсной технологии дезинтеграции твёрдых диэлектрических материалов. Рассмотрена схема высоковольтного импульсного генератора и дробильно-измельчительной камеры, интегрированной в экспериментальную установку. Обозначены факторы, оказывающие влияние на разрядные процессы, а также приведены результаты моделирования распределения линий напряжённости электрического поля для соответствующих случаев. Ключевые слова:
электроимпульсная технология дробления, генератор импульсных напряжений и токов, полости в материале, распределение напряжённости электрического поля Благодарности:
работа выполнена в рамках государственного задания Центра физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра Российской академии наук (FMEZ-2022-0014). Для цитирования:
Зорин А. С. Электроимпульсная технология дробления твёрдых диэлектрических материалов. Факторы, оказывающие влияние на динамику разрядных процессов // Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2022. Т. 13, № 3. С. 87-96. doi:10.37614/2949-1215.2022.13.3.009
Original article
ELECTRO-PULSE TECHNOLOGY OF DESTRUCTION OF SOLID DIELECTRIC MATERIALS. FACTORS INFLUENCING THE DYNAMICS OF DISCHARGE PROCESSES
Aleksandr S. Zorin
Northern Energetics Research Centre of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Apatity, Russia, a.zorin@ksc.ru
Abstract
The article briefly presents the basics of electro-pulse technology for the disintegration of solid dielectric materials. The scheme of a high-voltage pulse generator and a crushing and grinding chamber integrated into the experimental setup, is considered. The factors influencing the discharge processes are indicated, and the results of modeling the distribution of electric field intensity lines for the corresponding cases are presented. Keywords:
electro-pulse technology of destruction, generator of pulse voltage and current, cavities in the material, electric field intensity distribution Acknowledgments:
the work was carried out within the framework of the State Research Program of the Northern Energetics Research Centre of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences (FMEZ-2022-0014). For citation:
Zorin A. S. Electro-pulse technology of destruction of solid dielectric materials. Factors influencing the dynamics of discharge processes // Transactions of the Kola Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2022. Vol. 13, No. 3. P. 87-96. doi:10.37614/2949-1215.2022.13.3.009
Введение
В настоящее время альтернативой механическому методу дробления твёрдых диэлектрических материалов является технология электроимпульсного разрушения, которая была предложена еще сто лет назад. Сегодня она совершенствуется на базе специально оборудованных лабораторий и станций.
Ее механизм заключается в воздействии высоковольтного электрического импульса на образец материала, который подлежит дроблению. Подаваемый электроимпульс приводит к непосредственному электрическому пробою образца и последующему его разрушению на более мелкие фракции. В момент
пробоя в образце возникают разрывающие усилия, которые достаточно эффективно дезинтегрируют материал и связующее в нём вещество. Генерация высоковольтного импульса происходит при помощи специальной сборки конденсаторных батарей, которые образуют единое энергетическое устройство — генератор импульсных напряжений и токов [1].
На экспериментальной площадке Центра физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра Российской академии наук (ЦЭС КНЦ РАН) проводятся исследования по изучению эффективности рассматриваемой технологии и определяется потенциал её внедрения в технологические процессы производственно-перерабатывающих предприятий. В частности, ряд экспериментов ставится на высоковольтном генераторе импульсных напряжений (ГИН), состоящем из семи емкостных ступеней с суммарной ёмкостью накопителей 1,4 мкФ, которые способны выдавать на рабочий (межэлектродный) промежуток напряжение 315 кВ и энергию в импульсе 1417 Дж [2].
В конфигурацию установки, помимо генератора импульсных напряжений, также входят следующие блок-компоненты: 1) зарядная часть (ЛАТР), защитные устройства и высоковольтный однофазный трансформатор, питающий схему ГИН; 2) коммутационное устройство — отделительный разрядник (ОР), интегрированный в схему ГИН; 3) технологическая ёмкость — дробильно-измельчительная камера (ДИК), в которую помещается применяемая в конкретном эксперименте электродная система и образцы материала; 4) измерительная часть — высоковольтные делители напряжения и токовые шунты для снятия экспериментальных осциллограмм [2].
Дробильно-измельчительная камера представляет собой ёмкость (бак) объёмом около 25 л (объём чашевидного электрода, в котором размещается материал для дробления, составляет около 3,5 л), в которую при помощи специальных крепёжных механизмов установлена система электродов. Весь объём бака заполняется технической водой с удельным сопротивлением около 10 кОм / см. Чаще всего в исследованиях применяется электродная система конфигурации «остриё-полусфера», к существенным преимуществам которой можно отнести следующие факторы: наиболее подходящая для разрядного процесса картина напряжённости поля (высокая неоднородность поля за счёт формы электродов); удобство загрузки, выгрузки и нахождения материала внутри системы в момент опытов за счёт геометрии чашевидного электрода, которая позволяет отлично удерживать образцы внутри камеры и, соответственно, значительно снизить преждевременный выход материала за её пределы (по сравнению с электродом плоской формы). Принципиальный вид ДИК представлен на рис. 1 [3].
Следует отметить, что установка имеет достаточно гибкую настройку параметров выходного напряжения, энергии в импульсе и длины межэлектродного промежутка, но в настоящей статье будет рассматриваться случай с фиксированными параметрами, которые были указаны выше. Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рис. 2 [4].
Генератор импульсных напряжений
If
Рис. 1. Дробильно-измельчительная камера, применяемая в исследованиях по дроблению Fig. 1. Crushing and grinding chamber used in crushing research
Рис. 2. Схема экспериментальной установки с генератором импульсных напряжений: ЛАТР — трёхфазный лабораторный автотрансформатор; Ьзащ — защитный дроссель; ВВТ — высоковольтный однофазный трансформатор; Cp — резонансная ёмкость; D — выпрямительный столб; L3 — зарядные индуктивности ГИН; Co — емкостные накопители ГИН; l0 — длина воздушного промежутка разрядников ГИН, ОР — отделительный разрядник; Ядг и Яд2 — делители напряжения; ЯШ — шунт; ДИК — экспериментальная дробильно-измельчительная камера
Fig. 2. Diagram of an experimental installation with a pulse voltage generator:
ЛАТР — three-phase lab autotransformer; L3Am—protective throttle; ВВТ—high-voltage single-phase transformer; Cp — resonant container; D — straightening pillar; L3 — pulse voltage generator charging inductors; Co — pulse voltage generator capacity accumulators; lo — air gap length of pulse voltage generator arresters, ОР — separating arrester; Яд1 и Яд2—voltage dividers; Яш — shunt; ДИК—pilot crushing and grinding chamber
Экспериментальная часть
Процесс электроимпульсного дробления сопровождается выделением значительного числа энергии, которая перераспределяется в различных направлениях с течением импульса. Данное перераспределение требует более точной физико-математической оценки с целью повышения эффективности импульсного воздействия на материал и, соответственно, модернизации блок-компонентов экспериментальной установки для дальнейших исследований [5]. Так, к примеру, была предложена идея о том, что на разрядные процессы значительное влияние может оказывать наличие полостей (пустот) и вкраплений в материале, которые могут быть заполнены воздухом или жидкой средой, в которой находится электродная система при проведении экспериментов.
Практически весь материал, применяемый при дроблении, имеет неоднородную внутреннюю структуру. Хаотичное распределение зёрен в толще материала сопровождается наличием пустот (полостей) и вкраплений, которые могут быть как открытого, так и закрытого типов. Пустоты открытого типа заполняются технической водой в момент погружения в межэлектродное пространство экспериментальной установки; пустоты закрытого типа могут быть заполнены газом, образовавшимся в процессе изготовления материала на производстве. Наличие полостей приводит к образованию границы раздела между основным материалом образца и субстанцией, которая содержится в полости,
за счёт различных физических характеристик (удельного сопротивления, удельной проводимости, диэлектрической проницаемости и т. д.). Это приводит к тому, что линии напряжённости поля начинают ориентироваться по границам раздела и по сечению самих полостей, соответственно, изменяя траекторию следования электрического импульса через материал.
Отдельно стоит отметить, что объём материала, погружённого в камеру, может оказывать влияние на разрядные процессы следующим образом: образцы материала, находящиеся вблизи потенциального электрода, влияют на распределение линий напряжённости поля, разнося потенциалы по своей поверхности. Исходя из этого, необходимо рассматривать как минимум три варианта заполняемости ДИК материалом: минимальное, частичное и полное заполнение. В рамках данной статьи результаты моделирования электродной системы с тремя вышеперечисленными вариантами заполняемости камеры материалом представлены не будут.
Как уже было сказано ранее, дробимый материал может иметь достаточно сложную внутреннюю структуру и абсолютно непредсказуемое количество полостей, пустот и вкраплений. Соответственно, для моделирования предложенной задачи необходимо создать экспериментальную модель, которая будет отображать параметры реального эксперимента, проводимого сотрудниками лаборатории [5]. Исходя из этого, была построена модель электродной системы, интегрированной в ДИК экспериментальной установки (рис. 3). Следует обратить внимание на то, что материал в камере на рис. 3 не имеет полостей, пустот и вкраплений, то есть является идеализированным примером.
ВнешннП изолятор
камеры Изолятор потенциального
материала
Рис. 3. Принципиальный вид электродной системы, внедрённой в экспериментальную установку (частичное заполнение камеры) Fig. 3. Basic view of the electrode system introduced in the pilot setup (partial filling of the chamber)
Рис. 4. Образцы материала с водными полостями в объёме
Fig. 4. Samples of material with water cavities in the volume
При помощи специального программного обеспечения FEMM 4.2 (Finite Element Method Magnetics) было проведено моделирование распределения линий напряжённости поля в электродной системе конфигурации «остриё-полусфера» при различных объёмах загруженного материала и, соответственно, при наличии и отсутствии полостей в образцах. В программе рассматривалась осесимметричная задача, соответственно, от модели, представленной на рис. 4, использовалась только её правая часть. В качестве исследуемого материала в экспериментах и при моделировании использовался электрокорунд (диэлектрическая проницаемость 7,8). Характеристики сред, которые находятся в полостях и пустотах материала, соответствуют характеристикам технической воды, которой заполняется камера, и воздуха, который был замкнут в полости при производстве материала. Для более удобного сравнения
полученных результатов геометрия образцов материала, механические параметры камеры и электрические параметры установки были сведены к одному общему виду. Так как геометрия реальных образцов абсолютно хаотична, то при моделировании была выбрана единая их форма, и в дальнейшем она не менялась. Длина межэлектродного промежутка была зафиксирована на значении 70 мм. Далее будут представлены результаты моделирования и сделаны соответствующие выводы.
Влияние полостей (пустот) в материале на разрядные процессы
Для начала необходимо определиться с форм-фактором полостей, которые будут находиться в образцах материала при моделировании. Средний диаметр образцов в камере составляет около 19 мм; средний диаметр полостей — 3,5 мм. Количество полостей в материале определяется размерами образца: чем больше образец, тем больше пустот он содержит в своём объёме. На рис. 4 представлен общий вид материала, помещённого в ДИК, содержащего в своём объёме полости, заполненные технической жидкостью.
При наличии в материале пустот, заполненных воздухом, геометрия модели будет сохраняться неизменной, то есть полости, изображённые на рис. 5, будут считаться закрытыми и содержать в себе не жидкость, попавшую в них при погружении в ДИК, а воздух, оставшийся там при изготовлении материала на производстве.
В соответствии с вышеуказанными условиями и параметрами в БЕММ 4.2 была построена экспериментальная модель и проведено моделирование распределения линий напряжённости поля, результаты которого представлены на рисунках 5 и 6. Как уже было сказано ранее, построение и моделирование задачи было выполнено в осесимметричном формате, исходя из чего на рисунках 5 и 6 изображена только правая сторона экспериментальной ДИК.
Рис. 5. Распределение напряжённости поля по материалу при наличии в нём полостей, заполненных технической жидкостью Fig. 5. Distribution of field intensity across the material in the presence of cavities filled with technical fluid
Рис. 6. Распределение напряжённости поля
по материалу при наличии в нём полостей,
заполненных воздухом
Fig. 6. Distribution of field intensity across
the material in the presence of cavities filled with air
На рисунках 5 и 6 наглядно показана ориентация линий поля по границам раздела между материалом и полостями (см. рис. 6) и, соответственно, через сечение самих полостей (см. рис. 7). Объясняется это существенной разницей в диэлектрической проницаемости рассматриваемых сред. Диэлектрическая проницаемость воздуха значительно меньше диэлектрической проницаемости воды
и электрокорунда, поэтому полости, заполненные воздухом, ориентируют линии поля через своё сечение, а водные полости образуют границу раздела с материалом образца, что также приводит к значительному изменению картины напряжённости поля и ориентации линий по этим границам.
Для сравнения на рис. 7 представлен идеализированный случай — материал без полостей, пустот и вкраплений. Отчётливо видна разница в распределении линий напряжённости поля по материалу при сравнении с моделями на рисунках 5 и 6. Из-за того что в материале отсутствуют полости, линии поля распределяются достаточно равномерно по сечению образцов и, что очевидно, не наблюдаются дополнительные очаги неоднородностей и стягивания линий поля в конкретных областях материала. В данном случае гораздо проще спрогнозировать траекторию прохождения разряда, но при этом стоит учесть вероятность снижения эффективности дробления и повышения энергозатрат на единичный импульс (за счёт увеличенного времени на формирование импульса).
Рис. 7. Распределение напряжённости поля по материалу без полостей и вкраплений (идеализированный образец) Fig. 7. Distribution of field intensity across the material without cavities and inclusions (idealized sample)
Рис. 8. Траектории линий расчёта Fig. 8. Trajectories of calculation lines
Для дальнейшей оценки полученных результатов моделирования необходимо произвести построение линий расчёта значений напряжённости в конкретной точке материала. Для этого при помощи специальных инструментов FEMM 4.2 были определены траектории их прохождения и выполнено построение. Каждая линия расчёта приравнивается к потенциально возможной траектории прохождения электрического импульса через образец материала в момент срабатывания емкостных накопителей экспериментальной установки. Цель построения линий заключается в необходимости получения массива точек (значений напряжённости) и, соответственно, последующего формирования по ним зависимостей в виде графиков, по которым можно будет произвести сравнительный анализ величин напряжённости при различных внутренних структурах образцов материала. На рис. 8 представлены траектории прохождения линий расчёта напряжённости через образцы материала в экспериментальной модели.
Каждая линия расчёта характеризуется двумя параметрами: углом отклонения относительно вертикальной оси и длиной в миллиметрах (расстояние от нижней точки острийного электрода до поверхности чашевидного). Длина расчётных линий увеличивается с ростом угла отклонения от вертикальной оси, а также за счёт того, что поверхность чашевидного электрода, находящаяся под острийным электродом, имеет различный радиус кривизны. Это, в свою очередь, оказывает значительное
влияние на распределение напряжённости поля и, соответственно, на разрядные процессы, так как увеличиваются длина межэлектродного промежутка и объём образцов между электродами. Для наглядного сравнения линии расчёта имеют строго прямолинейную форму.
По полученному массиву точек были построены необходимые графические зависимости. В качестве примеров для демонстрации будут приведены графики, соответствующие расчётным линиям под номерами 1 и 4 (см. рис. 8). Сравнение было выполнено следующим образом: график напряжённости поля, в случае когда материал не содержит в своём объёме полостей и пустот, будет присутствовать на каждой системе координат, и далее на него поочерёдно для соответствующего угла отклонения будет накладываться график напряжённости для случаев с водными и воздушными полостями в объёме материала. Наложение графиков друг на друга позволит определить разницу в значениях напряжённости поля и, соответственно, выявить влияние нахождения полостей в материале на динамику разрядных процессов. На рисунках 9 и 10 будут представлены результаты наложения графиков напряжённости друг на друга.
На рисунках 9 и 10 красным цветом обозначается график распределения напряжённости поля по материалу при отсутствии в нём каких-либо полостей (пустот) и вкраплений. В данном случае наблюдается достаточно равномерное распределение величин напряжённости поля по всей траектории расчётной линии. Далее при введении в систему координат зависимостей, определяющих распределение напряжённости поля при заведомо известном расположении полостей и пустот в материале, наблюдается появление колебаний напряжённости, оказывающих значительное влияние на динамику разрядных процессов.
Отдельно стоит отметить, что при увеличении угла отклонения линии расчёта относительно вертикальной оси происходит возрастание интенсивности колебаний напряжённости, а также наблюдается смещение пиковых значений напряжённости поля в материале на участке от 0 до 8 мм. Смещение пиковых значений объясняется близким расположением полостей, заполненных водой или воздухом, относительно края образца материала и поверхности потенциального электрода. Близко расположенная полость стягивает на себя линии поля, тем самым снижая уровень напряжённости на близлежащих к потенциальному электроду точках (см. рис. 10). При этом за счёт процесса стягивания на границе раздела полости и материала или же в сечении самой полости (в зависимости от того, чем заполнена полость — жидкостью или воздухом) образуются очаги с повышенной напряжённостью, гораздо большей по амплитуде своих значений, чем вблизи поверхности потенциального электрода.
Выводы
Наличие в дробимом материале полостей и пустот, заполненных жидкой средой или же воздухом, оказывает значительное влияние на динамику разрядных процессов. Исходя из результатов моделирования, можно заключить, что полости и пустоты стягивают на себя линии напряжённости, тем самым изменяя общую картину поля. Создавая повышенное количество очагов неоднородности, полости и пустоты распределяют напряжённость поля по всему объёму дробимого материала, что положительно сказывается на разрядных процессах и, соответственно, повышает эффективность дробления конкретного образца материала.
Очевидно, что просчитать расположение полостей и пустот в материале до начала электроимпульсного воздействия весьма проблематично, но по крайней мере возникает необходимость визуальной оценки структуры материала, который подлежит дроблению. Изначально плотный материал с низкой пористостью не способен вобрать в себя жидкую среду, в которой будет происходить дробление, поэтому в данном случае необходимо опираться на его прочностные механические и электрические характеристики, в противном случае дробление будет неэффективным.
Рис. 9. Распределение напряжённости поля по материалу при отклонении линии расчёта от вертикальной оси на 7 градусов
Fig. 9. Distribution of the field intensity across the material at 7 degrees deviation of the calculation line from the vertical axis
Рис. 10. Распределение напряжённости поля по материалу при отклонении линии расчёта от вертикальной оси на 45 градусов
Fig. 10. Distribution of the field intensity across the material at 45 degrees deviation of the calculation line from the vertical axis
Список источников
1. Курец В. И., Усов А. Ф., Цукерман В. А. Электроимпульсная дезинтеграция материалов. Апатиты: Изд. Кольского научного центра РАН, 2002. 324 с.
2. Данилин А. Н., Климов А. А. Режимы работы группы генераторов импульсного напряжения с общей технологической нагрузкой // Труды КНЦ РАН. 2018. № 8. С. 116-122.
3. Потокин А. С., Климов А. А. Сравнительный анализ эффективности электроимпульсного разрушения различных типов горных пород Мурманской области // Труды КНЦ РАН. 2020. № 11. С. 92-97.
4. Климов А. А. Исследование схем синхронизации высоковольтных импульсных источников // Труды КНЦ РАН. 2019. № 5. С. 96-104.
5. Расчёт потерь энергии при пробое проводящих сред / В. И. Курец, Г. П. Филатов, А. И. Жучков, А. Ю. Юшков // Электронная обработка материалов. 2003. № 6. С. 37-43.
References
1. Kurec V. I., Usov A. F., Cukerman V. A. Jelektroimpul'snaja dezintegracija materialov [Electrical pulse disintegration of materials]. Apatity, Pbl. Kol'skogo nauchnogo centra RAN, 2002, 324 p. (In Russ.).
2. Danilin A. N., Klimov A. A. Rezhimy raboty gruppy generatorov impul'snogo naprjazhenija s obshhej tehnologicheskoj nagruzkoj [Modes of operation of a group of pulse voltage generators with a common technological load]. Trudy KNC RAN [Transactions of the Kola Science Centre], 2018, no. 8, pp. 116-122. (In Russ.).
3. Potokin A. S., Klimov A. A. Sravnitel'nyj analiz jeffektivnosti jelektroimpul'snogo razrushenija razlichnyh tipov gornyh porod Murmanskoj oblasti [Comparative analysis of the efficiency of electric pulse destruction of various types of rocks of the Murmansk region]. Trudy KNC RAN [Transactions of the Kola Science Centre], 2020, no. 11, pp. 92-97. (In Russ.).
4. Klimov A. A. Issledovanie shem sinhronizacii vysokovol'tnyh impul'snyh istochnikov [Investigation of synchronization schemes of high-voltage pulse sources]. Trudy KNC RAN [Transactions of the Kola Science Centre], 2019, no. 5, pp. 96-104. (In Russ.).
5. Kurec V. I., Filatov G. P., Zhuchkov A. I., Jushkov A. Ju. Raschjot poter' jenergii pri proboe provodjashhih sred [Calculation of energy losses during breakdown of conductive media]. Jelektronnaja obrabotka materialov [Electronic Processing of Materials], 2003, no. 6, pp. 37-43. (In Russ.).
Информация об авторе
А. С. Зорин — лаборант-исследователь.
Information about the author
A. S. Zorin — Laboratory Assistant — Researcher.
Статья поступила в редакцию 15.09.2022; одобрена после рецензирования 20.09.2022; принята к публикации 08.10.2022.
The article was submitted 15.09.2022; approved after reviewing 20.09.2022; accepted for publication 08.10.2022.
