CC BY
219
© А.Ф. Усов, В.А Цукерман, В.И. Курец, 2011
УДК 622.026.01
А. Ф. Усов, В.А. Цукерман, В.И. Курец
ОПЫТ РАЗРАБОТКИ СРЕДСТВ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ МА ТЕРИАЛОВ
Рассмотрены принципиальные схемы и классификация технических средств электро-импульсной дезинтеграции материалов, дан анализ схем транспортировки и классификации материала в дезинтеграционных аппаратах, представлены конструкции камер непрерывного действия для стадиальной дезинтеграции руд и материалов.
Ключевые слова: электроимпульсная дезинтеграция, породоразрушающие устройства, дробление.
ТЪ электроимпульсной дезинтегра-
-я-3 ции по сравнению с другими приложениями электроимпульсного способа разрушения материалов в некотором отношении проще решается ряд специфичных электрофизических и электротехнических вопросов (изоляция электродов, генерирование и передача высоковольтных импульсов к породоразрушающему устройству и др.) и поэтому исследования и разработка технических средств способа, производственное освоение технологий решались быстрее. Основные представления о порядок расчета и конструирования рабочих камер электроимпульс-ных установок сложились еще до того, как были начаты подобные исследования за рубежом.
В НИИ высоких напряжений при Томском политехническом институте (НИИ ВН), Кольском филиале АН СССР (сейчас Кольский научный центр РАН, КНЦ РАН), Всесоюзном научно-
исследовательском и проектном институте механической обработки материалов Минцветмета СССР (институт «Меха-нобр») были обоснованы принципы создания дезинтеграционных устройств, созданы исследовательские стенды и технологические установки для опытно-
промышленных испытаний и работы в производственных условиях. Действенная координация и кооперация работ этих организаций в научных исследованиях позволила охватить глубокой научной проработкой широкий спектр технологических направлений, организовать совместные научно-технические проекты по созданию ряда технологических комплексов. Именно представителями научных школ этих трех организаций выполнено монографическое описание научно-технических основ электроимпульсной дезинтеграции материалов [1].
Под техническими средствами дезинтеграции будем понимать только аппараты, в которых непосредственно реализуется процесс дезинтеграции материала, включая и случаи совмещения в аппарате функций дезинтеграции и первичного обогащения продукта, а также средства транспортировки исходного и готового продукта. В целом же установки ЭИ-дезинтеграции кроме дезинтеграционной камеры включают источник высоковольтных импульсов (вместе с зарядным устройством), систему управления и защиты электрической сети, вспомогательную технологическую оснастку. Установка в целом должна отвечать соответствующим
технологическим требованиям (производительности, крупности исходного материала и готового продукта, отсутствия загрязнения продукта), обладать высокой эксплуатационной надежностью, допускающей конечно регламентируемую смену быстро изнашиваемых элементов, быть безопасной в эксплуатации для обслуживающего персонала и электромагнитно совместимой с другой технологической аппаратурой.
Следует обратить внимание на следующее общее положение, бывшее предметом недопонимания и дискуссий в среде специалистов, занимавшихся вопросами электрофизических методов дезинтеграции материалов. Есть определенное подобие (схожесть по внешнему виду и способу транспортировки продукта) некоторых типов устройств электроимпульс-ной и электрогидроимпульсной (электро-гидравлической) дезинтеграции, например, с системой электродов «острие-плоскость». Однако, физическая особенность электроимпульсного разрушения -высокое импульсное напряжение с длительностью воздействия 10-7 с и менее -существенно изменяет подход к обоснованию конструкции и параметров высоковольтного электрода. Сопоставление потерь энергии в предпробивной стадии для режимов, свойственных электроимпульс-ной и электрогидроимпульсной дезинтеграции [2], позволяет ориентировать разработку на придание электродам форм, увеличивающих рабочую зону воздействия разрядов за счет дополнительных ост-рий, протяженности линейных электродов в щелевом разрядном промежутке. Эти конструкции, разработанные в КНЦ РАН для задач технологии выделения включений крупнокристаллических минералов, позволяют фрагментировать крупнокусковые (размером до 300-400 мм) слюдяные и асбестовые руды и породы с кам-
недрагоценным и камнесамоцветным сырьем, разделывать слитки (размером до 800 1000 мм) искусственной слюды.
Участие в работах по электроимпульс-ной технологии института «Механобр» позволило профессионально рассматривать не только физические и технологические аспекты ЭИ способа в рудоподготовительном цикле обогащения руд, но и вопросы определения удельных характеристик камер, обеспечения необходимой транспортирующей способности при проектировании камер повышенной производительности, совмещения в одном аппарате нескольких технологических функций.
Принципиальные схемы и классификация технических средств ЭИД
Принципиальные типы устройств электроимпульсной дезинтеграции представлены на рис. і.
В диапазоне дезинтеграции руды от максимально возможной исходной крупности до конечной мы выделяем три области, в которых возможно и целесообразно применение ЭИ-дезин-теграции, и соответственно различаем такие стадии процесса дезинтеграции как измельчение, дробление и фрагментация материала. Ряд физических факторов естественным образом формируют диапазон электроим-пульсного измельчения материалов. Эффективность электрического пробоя кусков руды зависит от соотношения между размером куска d и величиной межэлек-тродного расстояния l и она максимальна при d ~ l. Разрядный промежуток определяет уровень рабочего напряжения (с увеличением разрядного промежутка напряжение пробоя повышается), который из эксплуатационных соображений целесообразно ограничить, из практики величиной 300-400 кВ. Из этого следует, что предельно допустимая величина разрядного
загрузка, бобо
загрузла иа
слитков "
* ф —
- -
г \ -
Рис. 1. Принципиальные типы устройств электроимпульсной дезинтеграции
промежутка может быть определена в 30-40 мм, а размер исходного материала ограничен величиной (1,5-2) б/.I , т.е 60-80 мм. С другой стороны, по физическим причинам внедрение разряда в частицы менее 2 мм становится невозможным. Таким образом, сугубо из учета физических особенностей процесса электроимпульс-ного пробоя частиц материала выделен интервал крупности, в пределах которого при приемлемом уровне напряжения может быть обеспечена высокая эффективность электроимпульсного измельчения, а именно от (60-80) до 2 мм.
Оптимальной электродной конструкцией для реализации электроимпульсного измельчения является система электродов типа «стержень - плоскость» как обеспечивающая минимальные пробивные градиенты напряжения. Устройство этого типа состоит из стержневого электрода (одно- или многоострийного, «лапчатого») и заземляемой полусферы с вариантами удаления готового продукта через классифицирующие отверстия в заземляемом электроде (рис. 1, а), выносом продукта восходящим потоком жидкости (рис. 1, б), через щелевой зазор в боковой стенке камеры. Многоострийная конструкция высоковольтного электрода позволяет рас-
ширить рабочую зону процесса и снизить уровень рабочего напряжения за счет эффекта многоимпульсного воздействия, но это приемлемо в пределах, допускаемых условиями формирования импульсов напряжения на электродах, с учетом того, что с увеличением числа острий омическое сопротивление системы электродов как нагрузки электрической цепи уменьшается. Конечная крупность продукта может регулироваться в достаточно широких пределах, чтобы удовлетворить установленному технологическому требованию для данного процесса - получению продукта заданной крупности или достижение необходимой степени раскрытия зерен полезных минералов. Степень измельчения материала (конечная крупность) в устройстве определяется способом отбора продукта. В одних случаях она строго задается выбором размера классифицирующих отверстий (отбор через сито - грубое измельчение) или скоростью потока жидкости при отборе частиц восходящим потоком жидкости (тонкое измельчение), в других - корректируется энергетическим режимом измельчения без строгого фиксирования конечной крупности (стадиальное измельчение в потоке материала в желобе, на лотке и т.п.).
Электроимпульсное измельчение как рудоподготовительный процесс эффективно может быть применено для большинства руд, традиционно обогащаемых гравитацией и флотацией. Энергетическими параметрами разрядов можно влиять на гранулометрический состав продукта и даже при измельчении до - (1-2) мм можно оптимально вскрывать полезные минералы гравитационной и флотационной крупности, минимизировать их переизмельчение, создавать предпосылки для повышения селективности разрушения в последующем механическом доиз-мельчении руды для вскрытия тонкой вкрапленности. Учитывая экономический фактор электроимпульсной дезинтеграции (отсутствие выраженного преимущества по энергоемкости процесса в сравнении с традиционными методами из-за высокой составляющей затрат на конденсаторы в приведенных затратах [3]) диапазон использования электроимпульсного измельчения в общем процессе рудоподготовки желательно максимально ограничить, соотнося исходную крупность измельчаемого материала с крупностью включений полезных минералов, но в пределах, гарантирующих достижение значимого технологического эффекта.
Электроимпульсное дробление - режим электроимпульсной дезинтеграции руд, когда требуется вскрыть крупное ценное кристаллосырье с минимальным повреждением. Для этого должна быть обеспечена возможность дробления агрегатов, по крупности в 2-3 раза превышающих размер включений полезного минерала. Если ориентироваться на драгоценные камни (изумруды, алмазы, рубины и т.п.), то исходная крупность сростков может достигать размеров 150-200 мм, а при извлечении кристаллов слюды даже и 300-400 мм. Оптимальным устройством для реализации данного процесса являются такое, которое гарантированно обеспечивает кон-
такт обеих разнополярных электродов с разрушаемым фрагментом материала независимо от его исходной крупности и классифицирует продукт дробления по верхнему размеру крупности кристаллов. Этому требованию отвечают электродные конструкции (рис. 3,а) с симметрично располагаемыми стержневыми или пластинчатыми электродами. Расстояние между электродами, как и в устройствах измельчения, ограничено допускаемым уровнем рабочего напряжения, а режим выделения энергии в канале разряда выбирается таким, чтобы обеспечить крупнокусковое разрушение фрагментов руды. Рациональным вариантом расположения электродов является такое, когда продукт разрушения под действием собственного веса перепускаются через щелевой зазор, образуемый самими электродами в виде классифицирующих ячеек, размер которых определяет верхний предел крупности продукта. Общая длина щелевого зазора должна быть такова, чтобы исключить прекращение процесса дробления при неблагоприятном положении какого-либо куска породы в рабочей зоне относительно острий электродов. Практически достаточна длина рабочей зоны, превышающая максимальный размер кусков породы в 3-4 раза. Требованиям по электрической прочности оптимально соответствует конструкция с замкнутым (кольцевым) щелевым зазором.
Электроимпульсная фрагментация предназначены для разрушения специфичных природных, а большей частью искусственных материалов с включениями большеразмерных кристаллов в породной массе (или исходной шихте), отличающейся пониженной в сравнении с кристаллами электрической прочностью, в том числе содержащей воздушные пустоты. Характерным примером такого материала являются блоки искусственной слюды. Разрушение блоков реализуется с
ппз —
\ /
Рис. 2. Схемы конструкций дезинтеграционных камер непрерывного действия
помощью многоэлектродных устройств с распределением электродов по значительной части поверхности блока (рис.
1, г). Учитывая размеры блока и отделяемых фрагментов и связанную с этим потребность в повышенных значениях энергии единичного разряда, допускается возможность увеличения рабочих напряжений до 500-600 кВ, а разрядных промежутков - вплоть до дециметров. При этом максимально используется возможность улучшения условий разрушения за счет дополнительных свободных поверхностей.
Описанные выше принципы работы дезинтегра-ционных устройств положены в основу большого спектра измельчительных и измельчи-тельно-обогатительных машин.
В качестве других основных особенностей и классификационных признаков де-зинтеграционных устройств являются следующие. По назначению установки могут быть порционные, предназначенные для дезинтеграции ограниченных количеств материала (проб) с целью изучения материала и его технологического опробования, и непрерывного действия в рудоподготовительном процессе. Следует отметить, что степень сокращения материала в электроимпульсной рабочей камере, как правило, превышает эту же величину в механических аппаратах. Так при грубом измельчении в электро-импульсных установках степень измельчения составляет 60 - 80 ед., заменяя, как правило, два механических аппарата.
Транспортировка и классификация материала в электроимпульсных аппаратах
Схемы конструкций дезинтеграцион-ных камер представлены на рис. 2, 3 и 4.
По способу транспортировки и классификации материала в электроимпульс-ных аппаратах можно выделить следующие типы рабочих камер:
• разрушение и классификация мате-
риала осуществляется на заземленном перфорированном электроде-
классификаторе «под завалом»; материал по мере разрушения до размеров классифицирующих отверстий в заземленном электроде отводится в систему сбора;
• транспортировка и классификация
материала происходит на заземленном перфорированном электроде-
классификаторе за счет его вращения или колебания;
• транспортировка материала в камере происходит за счет придания ей воз-
вратно-поступательных или бигармониче-ских колебаний;
• транспортировка и классификация материала осуществляется за счет пульсаций или направленного движения жидкой среды в камере, включая аэролифтные системы;
• транспортировка и классификация материала в камере осуществляется под собственным весом продукта на наклонных электродах-классификаторах.
Во всех типах рабочих камер вывод и обезвоживание готового продукта возможно различными транспортными системами для пульп - спиральные транспортеры, скребковые и ковшевые транспортеры (рис 2 а, б), шнеки (рис 2, в), элеваторы и т.д., которые позволяют реализовать любые схемы дальнейшей обработки материала, включая организацию открытого или замкнутого циклов разрушения.
Наибольший интерес представляют методы транспортировки материала в активной зоне разрушения. Простейшим методом отвода готового продукта из активной зоны рабочей камеры является его классификация через перфорированный заземленный электрод, который герметично соединен с корпусом камеры, причем процесс разрушения и классификации можно осуществлять при полной ее загрузке (рис. 2, a). Классификация материала в этих камерах происходит принудительно за счет воздействия ударных волн и интенсивного массопереноса, возникающего в жидкости у поверхности электрода-классификатора при электрическом пробое рабочего промежутка. Конструкции камер этого типа могут быть как одноэлектродные, так и многоэлектродные. Улучшение процесса классификации может быть достигнуто путем придания камерам бигармонических колебаний или пульсаций жидкости, причем последняя (многоэлектродная) может быть использована для частичного обогащения про-
дукта и характеризуется повышенной сохранностью разделяемых минералов.
Стационарное расположение высоковольтного и заземленного электрода ограничивает ресурс работы электрода-классификатора, и ограничение частоты следования импульсов в связи с незначительной величиной классифицирующей поверхности заземленных электродов. Рассмотренный тип рабочих камер, как правило, используется при порционном питании, но возможна и организация непрерывного процесса разрушения. Улучшение транспортировки материала в активной зоне, увеличение классифицирующей поверхности заземленных электродов достигается в электроимпульсных камерах с вращающимся или колебательным движением электродов-
классификаторов. Так в рабочей камере (рис. 2, в), созданной на основе барабанного грохота, заземленный электрод-классификатор выполнен в виде барабана с перфорированными отверстиями по поверхности, которому придано вращение вкруг оси, а высоковольтные электроды введены внутрь и стационарно закреплены. В этом случае исходный продукт, попадая в барабан, транспортируется по его поверхности от одного к другому электроду, причем материал классифицируется не только в активной зоне электродов, но и между электродами на вогнутых поверхностях барабана.
Рассмотренные аппараты, как правило, многоэлектродные, непрерывного действующие, укомплектованные системой обезвоживания и вывода готового продукта, работающие в замкнутом цикле разрушения. Улучшить рассев материала, используя поверхность всего электрода-классифкатора, можно в рабочих камерах, в которых материал двигается по всей поверхности заземленного электрода, многократно проходя под высоковольтными электродами. Этого можно достичь, при-
дав рабочей камере бигармонические или возвратно-поступательные колебания. Заземленный электрод-классификатор в камере (рис. 2,а) выполнен в виде усеченного тора, в котором материал движется по кругу за счет бигармонических колебаний всей камеры. Причем разрушение материала происходит в активных зонах высоковольтных электродов, а рассев осуществляется в промежутках между ними. Такой же эффект достигается в электроим-пульсной камере на базе качающегося грохота.
Транспортировка и грохочение материала могут быть организованы на стационарных наклонных классификаторах, смонтированных внутри рабочей камеры. Наиболее перспективна такая конструкция в электроимпульсных устройствах, обеспечивающих стадиальное разрушение материала (рис. 4,а). В такой камере, кроме разрушения, происходит предварительный рассев материала, поступающего из загрузочного бункера, а также промежуточный рассев материала между стадиями. Стадиальные конструкции используются для снижения переизмельчения и получения равномерного по крупности продукта, когда возможность регулирования размерных характеристик готового продукта параметрами импульса исчерпана.
Все рассмотренные выше конструкции рабочих камер имеют перфорированные электроды-классификаторы. Однако размер отверстий в электродах-классификаторах ограничивается технологией их изготовления и высокой стоимостью. Целесообразный размер отверстий в электродах-класси-фикаторах должен определяться технологическими требованиями к продукту, однако практически его не удается выполнить менее 1 мм.
Поэтому в электроимпульсных аппаратах для тонкого измельчения необходимо решать проблему вывода материала из активной зоны разрушения. Решение указанной проблемы возможно путем организации транспортировки и классификации материала в камерах за счет направленного потока жидкости или ее пульсацией. В одних_случаях может быть предусмотрена подача жидкости в стенки заземленного электрода таким образом, чтобы создать вращающийся восходящий поток, который транспортирует материал между электродами и выносит готовый продукт в специальное отверстие, расположенное в верхней части рабочей камеры. Другая конструкция использует схему гидроциклона, обеспечивая концентрацию недоизмельченного продукта в рабочей зоне и вывод готового продукта в систему сбора. Эта конструкция требует специальных решений по герметизации аппарата при значительных ударных нагрузках. Основным недостатком конструкций, использующих гидроклассификацию в восходящих турбулентных потоках, является разделение материала по удельному весу, поэтому более тяжелые минералы в указанных конструкциях переизмельчаются. Кроме того, эти устройства требуют дополнительного оборудования (насосы, сгустители, отстойники и т.д.). Наиболее полезны указанные конструкции для измельчения мономинеральных или искусственных материалов, например, плавленых корундов, периклаза, обладающих постоянством физико-механи-ческих свойств во всем диапазоне крупности.
Стадиальная дезинтеграция руд и материалов
Стадиальность разрушения является непременным условием для повышения
руда, вода
Рис. 3. Схема конструкций камер стадиальной дезинтеграции
Рис. 4. Схема конструкций камер с совмещением технологических функций в одном аппарате
энергетической и технологической эффективности любого способа дезинтеграции, обеспечивая возможность изменять характер воздействия на материал по мере уменьшения его крупности и своевременно выводить из процесса готовый продукт с раскрытыми зернами минералов. В стадиальных ЭИ-процессах с изменением крупности материала для обеспечения оптимальных условий пробоя и разрушения частиц материала соответствующим образом изменяется величина рабочего промежутка и параметры генератора, задающие режим энерговыделения в канале
разряда. Принципиальная особенность устройств электроимпульсной дезинтеграции состоит в возможности реализации стадиального процесса в одном аппарате. В стадиальном ЭИД-аппарате несколько электродных устройств устанавливаются так, что материал последовательно по мере дробления перемещается из одной секции в другую, и устройства отдельных стадий обычно подключаются к независимым источникам импульсного напряжения, параметры которых позволяют изменять энергетический режим воздействия в соответствии с крупностью мате-
риала на данной стадии дробления (рис.
3).
Особенностью электроимпульсных дро-бильно-измельчительных рабочих камер является совмещение в них нескольких операций, например, измельчение и классификацию; измельчение, классификацию и обогащение. Высокая селективность разрушения и эффективность раскрытия включений минералов делает целесообразной стадиальную дезинтеграцию материалов с классификацией и обогащением продукта после каждой стадии дезинтеграции.
В устройстве типа рис.4,я совмещаются операция дробления и выделение промпродукта обогащением по форме -устройство эффективно выделяет плоские
1. Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А. Электроимпульсная дезинтеграция материалов. - Апатиты: КНЦ РАН, 2002, 324 с.
2. Усов А.Ф., Семкин Б.В., Зиновьев Н.Т. Переходные процессы в установках электро-
кристаллы слюды от сростков и породы, при этом частично разделяя их по крупности. В устройстве типа рис. 4, б дезинтеграция совмещается с обогащением отсадкой. В четырехкамерной отсадочной машины, под каждой рабочей камерой имеется эластичный элемент, обеспечивающий вертикальные пульсации рабочей среды. Такая конструкция обеспечивает транспортировку материала в камере между электродами и накопление частично обогащенного продукта (для руд, обогащаемых гравитационными методами) в системах сбора первой и второй камеры. В качестве подушки в камерах используется недоизмельченный материал.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
импульсной технологии. - Л.: Наука, 1987г., 179 с.
3. Усов А.Ф. Перспективы технологий элек-троимпульсного разрушения горных пород и руд // Известия РАН, Энергетика. 2001. № 1. С. 54-62. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------------------------------------------------
Усов А.Ф. - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, начальник научно-организационного отдела Кольского научного центра РАН, ст. научный сотрудник ЦФТПЭС КНЦ РАН, usov@admksc. apatity.ru,
Цукерман Вячеслав Александрович - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, заведующий отделом промышленной и инновационной политики, Институт экономических проблем Кольского научного центра РАН, tsukerman@iep.kolasc.net,
Курец В.И. - доктор технических наук, профессор, начальник отдела НИИ высоких напряжений, Томский политехнический университет.
