CC BY
50
© А.Ф. Усов, В.А. Цукерман, В.И. Курец, 2012
УЛК 622.026.01
А.Ф. Усов, В.А. Цукерман, В.И. Куреи
ОПЫТ РАЗРАБОТКИ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ МАТЕРИАЛОВ. ЛАБОРАТОРНЫ1Е СТЕНДЫ1
Представлены основные результаты разработки технических средств электроимпульсной дезинтеграции материалов и испытания стендовых установок. Ключевые слова: Электроимпульсная дезинтеграция, дезинтеграционные аппараты, измельчительные камеры, электроимпульсные установки.
Благодаря работам российских ученых, в том числе выполненным совместно с зарубежными научными организациями и по контрактам с фирмами, электроимпульсный способ разрушения материалов (ЭИ), предложенный и обстоятельно исследованный в России [1—4], получает признание и развитие за рубежом [57]. В отечественных и зарубежных журнальных публикациях и материалах конференций по тематике электроимпульсной дезинтеграции достаточное внимание уделено физическим основам селективной дезинтеграции материалов, однако практически отсутствуют сведения, касающиеся разработки технических средств способа и оценки их характеристик, необходимые для объективной оценки перспектив производственного использования предлагаемой технологии.
Вместе с тем в ходе многолетних исследований электроимпульсного способа дезинтеграции материалов в НИИ высоких напряжений Томского политехнического университета, Кольском научном центре РАН, институте «Механобр» были разработаны конструкции дезинтеграционных камер, созданы исследовательские стенды и технологические установки для опытно-промышленных испытаний и рабо-
ты в производственных условиях [4]. В [8, 9] нами по материалам этих работ представлена классификация технических средств электроимпульсной дезинтеграции, приведено описание конструкций и принципа реализации операций транспортировки и классификации материала в камерах, вывода продуктов дезинтеграции из камер, совмещения рудоподготовительных и обогатительных операций. В настоящей работе укажем на основные разработанные электротехнологические комплексы, по результатам испытаний которых можно судить о технических характеристиках камер и перспективах их использования в промышленных технологиях обогащения руд и технических материалов. Вопросы электротехнического обеспечения процесса — предмет специальных работ, и здесь мы ограничимся лишь краткими ссылками в той мере, насколько это необходимо для характеристики проблемы в целом.
Стенд непрерывного действия на производительность 1 т/час (ЭДУН-1)
Стенд создан совместно НИИВН и Механобром с целью испытания технических средств и схем дезинтеграции материалов повышенной производительности применительно к задачам создания промышленных устано-
вок для цветной металлургии. Схема цепей аппаратов стенда (рис. 1) предусматривает возможность измельчения руды по различным технологическим схемам.
Щековая дробилка ЛШ80х150 и грохот вибрационный 150ГР 250x1100, обеспечивают додрабли-вание поступающей руды до необходимой крупности и отсев из нее материала — 2 мм. Для учета и контроля количества загружаемой руды вслед за питателями установлены весоизме-рители ВЁ-1059М, с которых руда ленточным конвейером В-400 подается в измельчительное отделение. Регулирование циркуляционной нагрузки на каждом из этих потоков руды осуществлялось питателями и весоиз-мерителями. Разгрузка продуктов измельчения из рабочих камер производится самотеком в контейнеры. Генераторный блок стенда состоит из 4-х генераторов импульсных напряжений Аркадьева-Маркса.
Стенд ЭДУН-1 позволял прово-
дить испытания различных рабочих камер, различных схем переработки материала и обеспечивал подачу исходного сырья и вывод готового продукта в количестве 1-1.5 т/час. На стенде ЭДУН-1 были испытаны созданные совместно НИИ ВН и Меха-нобр 4 типа машин производительностью 1 т/час.
Измельчительно-отсадочная машина (272 УС)
В настоящее время не существует такого гравитационного обогатительного устройства, которое осуществляло бы одновременно измельчение материала. Очевидно, что можно получить существенные технологические преимущества, если осуществлять обогащение в процессе измельчения по мере вскрытия свободных зерен полезных минералов. Характерные особенности электроимпульсного способа разрушения, связанные с повышенной избирательностью процесса, отсутствием движущихся или вращающихся элементов в камере, позволяют
Рис. 1. Схема цепей аппаратов стенда для испытаний установок непрерывного действия: 1 — питатели, 2 - щековая дробилка, 3 — грохот, 4 - весоизмеритель, 5 - конвейер, 6 - рабочая камера, 7 - перекачивающий насос, 8 - баки-сборники, 9 - тельфер, 10 - насос зумфа, 11- тележка, 12 - лебедка, 13 — шибер
Рис. 2 Измельчительно-отсадочная ма шина 272 УС
объединить в одном аппарате процесс классификации и гравитационного обогащения, в котором возможно быстро и непрерывно выводить из зоны измельчения раскрывающиеся свободные зерна полезных минералов. Кроме того, если организовать процесс измельчения и обогащения таким образом, что продукт, проходя через активную зону рабочей камеры с непрерывным выводом зерен полезных минералов, в конце будет иметь хвостовое содержание полезного минерала и его можно отправлять в отвал, то будет соблюден принцип «не дробить ничего лишнего», что существенно улучшит энергетические показатели разрушения. Изложенные выше принципы реализуются в измельчительно-отсадочной машине 272 УС (рис. 2).
В машине 4-х ступенчатый электрод-классификатор выполнен из шпальтовых сит. Под каждым электродом в нижней части машины имеются конуса, которые связаны с корпусом через эластичные диафрагмы. Конусам задаются вертикальные перемещения за счет специального эксцентрического механизма. Этот механизм обеспечивает вертикальные пульсации пульпы в каждой ступени машины с ходом конусов от 0 до 25 мм. Вывод готового продукта осуще-
ствляется из-под каждой ступени машины через регулируемые гидравлические клапаны в баки-приемники. В хвостовой части машины предусмотрен специальный шибер и выпускной клапан для разгрузки надрешетного продукта и регулирования уровня пульпы в машине. В качестве «постели» в машине используется исходный продукт. Машина испытана на оловосодержащей руде Солнечного месторождения с оценкой энергетических показателей. Всего было переработано в процессе испытания измель-чительно-отсадочной машины 57.5 т руды. Максимальная производительность установки составила 1250 кг/час при расходе энергии 20 кВтч/т. Технологические опробования и исследования продуктов измельчения показали, что характер раскрытия рудных минералов на установке ЭДУН-1 с измельчительно-отсадочной машиной такой же, как и распределение продуктов по классам крупности, полученное на лабораторных аппаратах, а степень раскрытия существенно выше, чем на механических аппаратах. Конструктивной доработки потребовала конструкция заземленных электродов, набранных из шпальтовых сит, из-за недостаточной надежности. Из-за разрушения шпальтовых сит электрической эрозией максимальный срок их непрерывной работы составил 4.5 часа. Срок службы заземленных электродов был значительно увеличен за счет различных конструктивных решений, в которых реализуются различные медленно вращающие вставки, перемещения высоковольтных и заземленных электродов с целью увеличения площади воздействия канала разряда на электроды и др.
Измельчительная машина с барабанным грохотом (275УС «бутара»)
Эффективность классификации продукта в рабочей камере определяет степень переизмельчения материала и энергетические показатели электроимпульсных измельчительных машин. Кроме того, обновление материала в активной зоне разрушения также улучшает технологические и энергетические устройства. Проблема надежности заземленного электрода, выявленная при испытаниях измель-чительно-отсадочной машины, также требует специальных технических решений. С этой целью разработана и испытана измельчительная машина, характерной особенностью которой является выполнение заземленного электрода в виде перфорированного барабана, которому придано медлен-
ное вращение. В этой машине («бутара») осуществляется совмещение процесса измельчения материала с эффективным грохочением (рис. 3).
«Бутара» представляет собой восьмигранный барабан, который опирается горловиной на роликовые опоры и цапфой на подшипники. Роликовые опоры и подшипник расположены на раме, которая посредством винтового устройства может быть повернута вокруг опоры на определенный угол относительно рамы, что позволяет устанавливать барабан под необходимым углом к горизонту. Ванна, в которую погружен барабан, также установлена на раме. В нижней части ванны установлен разгрузочный шнек, транспортирующий готовый продукт. В задней
части барабана расположен улитковый подъемник, разгружающий из барабана недоизмельченный материал в воронку и шнеком, подающий его в загрузочную воронку, в которую подается также исходный для измельчения продукт. В процессе измельчения, благодаря вращению барабана, происходит отсев готового продукта и поступление под электрод новой порции исходного материала. Вращение повышает эффективность разделения материала по крупности. Машина позволяет работать как в замкнутом, так и открытом цикле. При разомкнутом цикле недоизмельченный продукт направляется не в загрузочный короб, а в специальные бункера. Испытание «бутары» проводилось на оловосодержащих рудах Солнечного месторождения. Гранулометрическая характеристика готового продукта указывает на лучшую эффективность классификации материала по сравнению с другими типами испытываемых устройств, а также минимальное переизмельчение материала за счет скорости вывода готового продукта из активной зоны разрушения. Всего на «бутаре» переработали 17.0 т материала со средней производительностью 960 кг/час при энергоемкости 30 кВтч/т. Большим преимуществом «бутары» является отсутствие выхода из строя заземленного электрода. Это связано с тем, что электрические разряды и, естественно, эрозия электродов происходит на большой поверхности по всему диаметру барабана. Конструктивные принципы, заложенные в испытуемой машине, могут решить вопрос о надежности работы классифицирующих электродов в установках повышенной производительности.
Основным недостатком конструкции является необходимость ввода высокого напряжения внутрь заземленного вращающегося барабана. Прак-
тически оказалось, что при вращении барабана, который собран из плоских шпальтовых блоков, не удается выдержать постоянство величины рабочего промежутка и соответственно уровня рабочего напряжения, что снижает надежность работы элементов изоляции электродов. Придание барабану цилиндрической формы частично решает эту проблему, однако система и блок крепления высоковольтных электродов и в этой конструкции являются недостаточно надежными. Следует отметить, что испытываемая конструкция не позволяет рассматривать возможность создания таких устройств с производительностью более 1 т/час. Устранить указанные недостатки и сохранить преимущества конструкции можно, используя вместо барабана полуцилиндр, который имеет колебательные движения относительно оси, на которой закреплены высоковольтные электроды. В такой конструкции все проблемы с высоковольтными электродами решаются достаточно просто.
Измельчительно-классифицирующая стадиальная камера (280УС)
Исследование стадиальности электроимпульсного разрушения показало, что подбирая размер сит промежуточных стадий и режим разрушения в каждой стадии, можно уменьшить расход энергии и получать готовый продукт с меньшим выходом тонких классов. Разработана и испытана измельчительно-классифицирующая стадиальная камера 280УС (рис.4), отличием которой является наличие трех рабочих отсеков и возможность установки от 3 до 6 электродов.
Вариант машины, предназначенный для измельчения кварцевого стекла с целью получения сверхчистого порошка кварцевого стекла с определенным гранулометрическим составом (80 % — 2+0,5 мм) имеет отличительную особенность в том, что все ее
/ Л 3 .*
Рис. 4. Измельчительно-классифици-руюшая стадиальная камера 280УС
металлические части выполнены из дюралюминия. Это обусловлено тем, что в готовом продукте совершенно не допускается наличия примесей элементов 1 группы периодической системы, т.к они приводят к нежелательной кристаллизации, снижению термостойкости и прочностных свойств стеклокерамики.
Низковольтные электроды /6, 7 и 8/ представляют собой пирамидооб-разные пластины, сваренные из дюралюминия и имеющие фрезерованные прорези на первом электроде шириной 10 мм, на втором — 5 мм и на третьем -2 мм. Система обеспечивает последовательное уменьшение по стадиям крупности дробимой породы, при этом продукт требуемой крупности своевременно выводится из процесса через контрольные классифицирующие сита (15, 16). В днище нижней
части камеры расположен пульсатор /17/, диафрагма которого пульсируя с частотой в пределах от 200 до 500 кач/мин и амплитудой от 0 до 10 мм, обеспечивает необходимый гидравлический режим работы машины.
Испытание камеры проведено на оловосодержащих рудах Солнечного месторождения (всего было переработано 12 т руды). При измельчении на «стадиальном» аппарате готовый продукт оказался более тонким, чем после «отсадочной» машины. Это связано с тем, что электроды-классификаторы имели круглые отверстия в отличие от щелевых шпальтовых сит, используемых в «отсадочной» машине и «бутаре». Более тонкий помол материала привел к увеличению удельного расхода энергии. При использовании 3-х генераторов импульсов и 6-ти формирующих элементов производительность установки составляла 900 кг/час при удельных затратах энергии 26.3 кВтч/т, т.е. производительность на один электрод составляет 150 кг/час. В основном испытываемая «стадиальная» камера показала свою работоспособность. Малые габариты «стадиальной» камеры указывают на возможность использования подобных схем на установках повышенной производительности.
Дробильно-измельчительная машина с вибрационным приводом (244 УС)
Одним из недостатков «стадиальных» рабочих камер является недостаточная эффективность классификации материала на неподвижном заземленном электроде-классификаторе. Эксплуатация шнеков и спиральных классификаторов в электроимпульсных установках непрерывного действия показала их недостаточную надежность в связи с тем, что в указанные транспортные механизмы поступает материал широкого диапазона крупности и неоднократно отмечались
Рис. 5. Дробильно-измельчительная машина с вибраии онным приводом
случаи остановки шнеков из-за расклинивания вращающегося винта.
В камера с применением вибраций 244УС (рис. 5) за счет сложного колебания заземленного электрода-классификатора достигается непрерывное движение материала на электроде и, соответственно, более эффективная классификация готового продукта как под высоковольтным электродом, так и в промежутках между ними. Готовый продукт выводится и обезвоживается ковшовым элеватором.
В камере заземленный электрод-классификатор (3), имеющий форму усеченного тора, опирается на конус-сборник (4), на котором закреплены два эксцентриковых вибратора (5). За
счет бигармонических колебаний вибраторов и, соответственно, корпуса и заземленного электрода материал приобретает поступательное круговое движение по желобу, попадая в рабочие зоны под высоковольтными электродами (в камере их 3). Классификация происходит как под высоковольтными электродами, так и в промежутках между ними. Готовый продукт выводится ковшовым элеватором. Установка использовалась для измельчения шлаков зо-лотоплатинового производства с целью приготовления шихты и извлечения корольков благородных металлов из вторичных шлаков. Испытания проводились на шлаках завода «Красцветмет». При приготовлении шихты для плавки передельный шлак дробился от крупности 100-150 мм до -30 мм, а для гравитационного выделения корольков металла измельчался до -1 мм. Производительность по классу -30 мм составила 1170 кг/час, а по классу -1 мм разрушения — 420 кг/час. Это ниже, чем при работе на подобных аппаратах при измельчении горных пород, и связано с тем, что находящаяся в значительных количествах в передельных шлаках соды при переходе в раствор существенно уменьшает его электрическое сопротивление, повышая потери энергии за счет электропроводности рабочей жидкости и ухудшая параметры высоковольтных импульсов.
Заключение
Выполненными работами показана возможность создание электроимпульсных дезинтеграционных камер производительностью до 1 т/час по классу - 2 мм, что с учетом высокой технологической эффективности вскрытия рудных минералов дает возможность вписать электроимпульсную дезинтеграцию в рудоподготовитель-ные процессы по многим видам минерального сырья, обогащаемых гравитацией и флотацией. Однако, в производственных масштабах это может стать возможным лишь при условии, что электротехническое обеспечение электроимпульсного процесса (система генерирования высоковольтных импульсов) будет настолько компактным, чтобы за счет параллельной работы дезинтеграционных камер можно было создавать электротехнологические
1. Воробьев А.А., Воробьев Г.А., Зава-довская Е.К. и др. Импульсный пробой и разрушение диэлектриков и горнык пород. — Томск: Изд-во Томского ун-та, 1971, 225 с.
2. Усов А.Ф., Семкин Б.В., Зиновьев
H.Т. Переходные процессы в установках электроимпульсной технологии. — Л.: Наука, 1987, 179 с.
3. Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. — Апатиты: КНЦ РАН, 1995, 276 с.
4. Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А. Электроимпульсная дезинтеграция материалов. — Апатиты: КНЦ РАН, 2002, 324 с.
5. Andres U. 1995. Electrical disintegration of rock, Mineral Proc. Extractive Metallurgy Rev., 14: 87- 110.
6. Inoue, H.et al. 2000. Drilling of hard rocks by pulsed power. / Inoue, H. Lisitsyn,
I.V. Akiyama, H. Nishizawa, I. In Electrical Insulation Magazine, IEEE Volume: 16, Issue: 3, pp. 19-25, 2000.
7. Biela J., Marxgut C., Bortis D. and Ko-lar J. W.. Electric Discharge Drilling of Con-rete., Proceeding of the IEEE International
блоки производительностью в десятки тонн в час. Существовавшая и использовавшаяся в исследованиях электроимпульсной технологии в 60-90 гг. прошлого столетия электротехническая элементная база не соответствовала этим требованиям. Существенный прогресс в развитии высоковольтной электроники и электротехники на рубеже столетий создал реальные технические предпосылки для практической реализации обладающего высокой энергетической эффективностью и уникальными технологическими особенностями электроимпульсного способа разрушения материалов в технологиях добычи и переработки минерального сырья, горнотехнического и инженерного строительства, переработки и утилизации технических материалов и техногенных твердых отходов [10 — 15].
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Power Modulator Conference, May 27-31, Las Vegas, NV, 2008.
8. Usov, A.F., Tsukerman, V.A. Electric pulse disintegration: russian experience and prospects. Proceedings of the 2008 Global Symposium on Recicling, Waste Treatment and Clean Technology (REWAS-2008), 12-15 October 2008, Cancun, Mexico, — pp. 221226.
9. Усов А.Ф., Цукерман B.A., Курец
B.И.. Опыт разработки средств электроимпульсной дезинтеграции материалов. // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2011, №12, с. 310-318.
10. Усов А.Ф., Бородулин В.В. Электротехническое обеспечение электроимпульсного способа разрушения материалов: проблема и пути решения // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2008. № 4. С. 164-170.
11. Усов А.Ф., Бородулин В.В. Вопросы разработки электротехнического оборудования для электроимпульсных дезинтегра-ционных установок // Ученые записки Петрозаводского гос. ун-та. Сер. «Естественные и технические науки». 2010. № 6 (111).
C. 90-9811.
12. Канаев Г.Г., Кухта В.Р., ЛопатинВ.В. и др. Высоковольтный импульсный генератор для электроразрядных технологий / Г.Г. Канаев, В.Р. Кухта, В.В. Лопатин, А. В. Наши-левский, Г.Е. Ремнев, К. Uemura, Э.Г. Фурман // Приборы и техника эксперимента, № 1, Январь-Февраль 2010, С. 105-109.
13. Kovalchuk B.M. et all. 2010. Highvoltage pulsed generator for dynamic fragmentation of rocks. / B.M. Kovalchuk, A.V. Khar-lov, V.A. Vizir, V.V. Kumpyak, V.B. Zorin, and V.N. Kiselev. Rev. Sci. Instrum. 81, 103506 (2010); doi:10.1063/1.3497307.
14. Усов А.Ф., Потокин A.C. О стратегии разработки и освоения электротехнического оборудования для технологий
электроимпульсного разрушения материалов. // Материалы Всероссийской (с международным участием) конференции по физике низкотемпературной плазмы «ФНТП-2011», г. Петрозаводск, 21-27 июня 2011 г. — Петрозаводск: изд. ПетрГУ, 2011, т.2, с 62-69
15. Usov A.F., Potokin A.S. Conceptual solutions to create compact, electrical equipment for technology electropulse fracture of materials. In Proceedings of the 15th Conference on Environment and Mineral Processing, 8. — 10.06.2011, VSB — Technical University of Ostrava, Czech Republic, p.2, pp. 393-398. ИШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Усов Анатолий Федорович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Центр физико-технических проблем энергетики Севера Кольский научный центр Российская академия наук, начальник научно-организационного отдела Кольского научного центра РАН, e-mail: usov@admksc.apatity.ru,
Цукерман Вячеслав Александрович — кандидат технических наук, заведующий отделом промышленной и инновационной политики Института экономических проблем Кольского научного центра РАН, старший научный сотрудник, e-mail: tsukerman@iep.kolasc.net, Курец Валерий Исаакович — доктор технических наук, профессор Томского политехнического университета, e-mail: kurets@hvd.tpu.ru.
РИНАТ АХМЕТОВ ЗАКРЫВАЕТ ШАХТЫ В США -
«Метинвест» закрывает две подземные шахты и один разрез «Sapphire Coal Company», который входит в американскую угледобывающую компанию «United Coal Company» (UCC). Об этом говорится в уточненном по итогам первых пяти месяцев текущего года бизнес-плане группы «Метинвест» на 2012 г., имеющийся в распоряжении «УкрРудПрома».
UCC испытывает трудности со сбытом своей продукции. Например, объем реализации энергетического угля в 2012 г. оказался в три раза меньше первоначально запланированного (вместо 1,3 млн т — 400 тыс. т). Спрос на энергетический уголь американского подразделения «Метинвеста» катастрофически упал из-за снижения цен на природный газ, а также из-за острой конкуренции с более дешевым углем Иллинойского бассейна. В «Sapphire Coal Company» до текущего года работало около 200 человек, которые добывали более 1 млн т угля в год. В настоящее время «Sapphire Coal Company» ликвидируется.
Для справки: В 2009 году «Метинвест» закрыл сделку по приобретению американской угледобывающей компании UCC. «Метинвест» является общепризнанным монополистом на рынке металлургической и железорудной продукции в Украине. Контрольный пакет «Ме-тинвеста» (71,25%) принадлежит Ринату Ахметову.
