CC BY
56
УДК 622.026.01
В.И. Курец, В.А. Цукерман, А. Ф. Усов
ОСОБЕННОСТИ ГРАНУЛОМЕТРИИ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ РУД И МАТЕРИАЛОВ
Семинар № 3
Т^олучение продуктов заданной
Л. Л. гранулометрической характеристики для некоторых производств является определяющим. При измельчении руд, как правило, стоит задача получения минимального количества шламистых фракций. В абразивной, огнеупорной и керамической промышленностях достаточно остро стоят вопросы получения узких классов крупности.
Электроимпульсный способ дезинтеграции материалов имеет значимые физические предпосылки для эффективного управления гранулометрическим составом продукта измельчения [1]. Универсальность электроимпульсного разрушения обусловлена возможностью в широком диапазоне регулировать характер динамического воздействия факторов разряда на материал. Последнее достигается регулированием количества и скорости выделения энергии в канале разряда, осуществляемым достаточно простыми электротехническими приемами - изменением параметров схемы генератора импульсов.
При электроимпульсной дезинтеграции гранулометрия продукта разрушения зависит от ряда факторов, связанных как с условиями реализации процесса разрушения, так и с особенностями разрушаемого материала и специфическими свойствами самого процесса электроимпульсного разрушения.
Определяющее значение имеет непосредственно процесс осколкообразования в результате распространения трещин при пробое фрагмента материала. Исследования кинетики трещино- и осколкообразо-
вания при электроимпульсном разрушении выполнены на модельных материалах (стекло С-114), горных породах (микрокварциты, граниты), рудах (Шерловогор-ского месторождения), искусственных материалах (керамика). Оценивалось трещи-нообразование в образце на различных расстояниях от канала разряда, гранулометрический состав разрушенного образца. В табл. 1 представлены экспериментальные данные по оценке количества трещин, образующихся в образце, при различных параметрах источника импульсов, задаваемых напряжением и, разрядной емкостью С и индуктивностью контура Ь.
Следует отметить существенное влияние параметров источника импульсов на характер трещинообразования при электрическом пробое образцов. Так увеличение времени выделения энергии путем изменения индуктивности разрядного контура при постоянстве остальных параметров приводит к уменьшению числа генерируемых трещин и увеличению их длины. Увеличение энергии в импульсе приводит к росту как числа трещин, так и их длины. Эти явления связаны со скоростью ввода энергии в канал разряда и ее величиной. Так при быстром вводе энергии высокий пик амплитуды давлений приводит к генерированию достаточно большого количества трещин, развивающихся от канала разряда к периферии, а также к увеличению размера первой зоны разрушения. Однако энергии деформации в объеме недостаточно для эффективного роста всех трещин при быстром вводе
Таблица 1
Количество трещин при электрическом пробое и разрушении твердых тел
Параметры источника импульсов Толщина образца, 1, мм Число трещин, вышедших на радиус от канала разряда Материал образца
и, кВ С, мкф Ь, мкГ г1=10 мм г1=25 мм
237 0,01 12 10 8 2 гранит
237 0,01 12 15 9 3 "
237 0,01 3000 15 0 0 "
187 0,02 12 15 13 3 "
213 0,02 38 20 7 1 "
213 0,01 12 6 7 1 микро-кварцит
250 0,01 38 6 3 0 "
196 0,01 12 5 2 0 "
237 0,02 12 5 4 2 "
213 0,02 12 5 4 1 "
155 0,02 12 15 8 2 керамика
183 0,02 50 15 4 0 "
168 0,02 12 10 8 4 "
183 0,02 12 10 8 2 "
155 0,02 50 10 2 0 "
300 0,02 300 20 0 0 "
энергии. Поэтому при малых индуктивностях разрядного контура образуется большое количество трещин, но их длина ограничена. В этом случае имеем бризантный характер воздействия. При более медленном вводе энергии в канал разряда (большие значения Ь) пик давления уменьшается, время выделения энергии растет и в образце генерируется незначительное количество трещин, длина которых существенно превышает размеры трещин при бризантном разрушении. В этом случае имеем фугасный характер разрушения. Таким образом, регулируя скорость ввода энергии и ее величину, возможно регулирование трещинообразо-вания в образце при его электрическом пробое.
Существенное влияние на концентрацию трещин и их длину оказывает общее количество энергии, выделившейся в канале разряда. Величина энергии - это наиболее регулируемая характеристика, зависящая только от источника высоковольтных импульсов. Увеличение энергии, за-
пасаемой в источнике, увеличивает как концентрацию трещин, так и их длину (табл. 2.).
Закономерности, характерные для трещинообразования, сохраняются и при оценке размера средневероятного осколка, полученного при электрическом пробое образцов. На рис. 1 и 2 представлены зависимости размера средневероятного осколка от энергии импульса и периода колебания разрядного тока. Увеличение времени выделения энергии и размера образца, уменьшение энергии импульса, а также увеличение прочностных свойств материала приводит к увеличению средневероятного размера осколка при электрическом импульсном пробое об-разца. Варьирование параметрами источника импульсов позволяет в довольно широких пределах регулировать средневероятный размер осколков при электрическом импульсном пробое твердых тел, следовательно, и гранулометрический состав.
Распределение осколков по крупности в конечном итоге определяется интеграль-
Таблица 2
Значения максимальных длин трещин при разрушении образцов
Параметры Материалы
органическое стекло керамика
Энергия в импульсе Ж, Дж 704 704 400 400 400 400
Индуктивность контура Ь, мкГ 22,3 91,5 12 56 360 12
Максимальный радиус, на который вышли трещины, Гмах, мм 31,1 40,0 22,4 25,1 32,4 37,2
ной гранулометрической характеристикой; типичная характеристика для размерных характеристик при разрушении образцов керамики представлена на рис. 3.
Все интегральные зависимости выхода классов крупности имеют выпуклый вид, т.е. степень равномерности разрушения (п) больше единицы, основную долю составляют крупные осколки, характерные для второй зоны разрушения, вклад мелких классов в характеристику крупности незначителен. Увеличение скорости ввода энергии в канал разряда приводит к увеличению выхода тонких классов, такой же эффект наблюдается при увеличении энергии импульса.
Аналитические основы расчета процесса электроимпульсного дробления и измельчения материала базируются на гидродина-
мической модели разрушения Н.А. Лав-тьева с рядом дополнительных условий, учитывающих особенности образования канала разряда и выделения в нем энергии при электрическом импульсном пробое образцов. Метод позволяет получить достаточно простые выражения для оценки конечного результата и может быть использован для оценки характеристик разрушения [2].
Второе. На процесс разрушения оказывают влияние текстурные особенности материала. Это свойственно и механическим способам разрушения, но в случае элек-троимпульсного разрушения присутствует дополнительная особенность - избирательная направленность канала разряда по слоистости и это существенно изменяет картину трещинообразования в материале.
Рис. 1. Зависимость размера средневероятного осколка от энергии единичного импульса (Т = 2.4 мкс):
1 - образцы шерловогорской руды диаметром 64 мм; 2 - диаметром 52 мм; 3 - образцы кварцевой керамики размером 50х50х10 мм; 4 - образцы стекла С-114 диаметром 30 мм
Рис. 2. Зависимость размера средневероятного осколка от величины полупериода колебаний разрядного тока (Ж0 = 100 Дж):
1 - образцы кварцевой керамики размером
50х50х10 мм; 2 - образцы стекла С-114 диаметром 30 мм
і X]
1 у/ж \ \\
1
5 10 15-20 Х,мм
Рис. 5. Гранулометрические характеристики
т°в$?0гщ$імтртсшкштщ№тж
^блет^ркцевшит,лелт:рЭ)Нргим прощ 1 и=187 ш Ь= тШн?с эдк^тдный
|Р-оМеЖ280Кс&: £=50 мкГн, С = 20 нФ, I = 10 мм;
3 - и = 280 кВ, Ь = 38 мкГн, С = 20 нФ, I = 10 мм. Сплошными линиями представлены экспериментальные данные; пунктиром - расчетные.
Третье. Гранулометрия продукта разрушения многокомпонентных сред в силу повышенной селективности электроим-пульсного разрушения с повышенной сохранностью зерен минералов дополнительно дифференцирует материал по вещественному составу, внося соответствующие коррективы в распределение продукта по крупности. В случае дезинтеграции металлических руд повышенная селективность разрушения приводит к обогащению продукта дезинтеграции материала классом крупности, свойственной зернам полезного минерала.
В технологическом процессе дезинтеграции материала гранулометрия продукта электроимпульсного измельчения в значительной степени зависит от организации процесса разрушения в аппарате конкретного типа и режимов работы. Основу модели непрерывного массового разрушения составляет положение, что электроим-пульсное разрушение следует рассматривать как совокупность скачкообразных случайных процессов в виде цепей Маркова [3]. Разработка расчетной кинетической модели процесса разрушения сводится к определению статистических функ-
Рис. 4. Гранулометрические характеристики электроимпульсной разрушении руд Шерлово-горского (1) и Ловозерского (2) месторождений.
Сплошные линии - эксперимент, пунктирные -расчет
ций отбора (формирование в рабочем объеме цепочки кусков, имеющей наибольшую вероятность электрического пробоя), разлома (разрушение каждого элемента цепочки на отдельные осколки, что приводит к изменению гранулометрического состава среды), отсева (удаление из процесса разрушения части осколков, максимальный размер которых определяется требованием технологии) и установления их взаимосвязи. Определение электроим-пульсного процесса измельчения как по-лумарковского позволяет на основе анализа единичного воздействия перейти к расчету характеристик массового разрушения и их изменению во времени.
Сопоставление расчетных и экспериментальных гранулометрических характеристик, полученных при электроимпульс-ном разрушении руд представлено на рис. 4. Соответствие расчетных и экспериментальных гранулометрических характеристик удовлетворительное, что указывает на возможность использования предложенной модели для расчета гранулометрических характеристик готового продукта.
На рис. 5 представлены гранулометрические характеристики готового продукта, полученного при разрушении кварцевого
стекла при различных энергиях импульса. Путем варьирования параметров генератора и длины рабочего промежутка удается перераспределять до 10 % готового продукта по различным классам крупности, что указывает на перспективность такого регулирования.
На примере кварцевых материалов, руд различных месторождений исследованы гранулометрические характеристики готового продукта, кинетика разрушения при электроимпульсном дроблении и измельчении сырья, а также осуществлено сравнение с традиционно используемыми аппаратами (стержневыми, центробежными мельницами и валковыми дробилками, электрогидравлическими установками).
Показана возможность получения продукта с более равномерной характеристикой крупности. Отсутствие истирающего эффекта, характерного для традиционных аппаратов, используемых для грубого измельчения, нагружение материала во всем объеме создает предпосылки для равномерного распределения готового продукта по классам крупности. Типичные результаты представлены на рис. 6.
Во всех случаях: исходная крупность (30+2) мм, конечная крупность - 2 мм, Электроимпульсное измельчение проводилось при энергии в импульсе Ж = 220 Дж. В таблице на рисунке указаны выходы труднообогатимых (-40 мкм) и необогати-мых (-13 мкм) классов крупности. Выход этих классов, которые в технологических
О 0.5 1.0 1.5 2.0
Крупность классов, мм
Рис. 6. Гранулометрические характеристики измельчения руд различными способами: 1 - ЭИ
установка; 2 - стержневая мельница; 3 - центробежная мельница; 4 - ЭГ установка; 5 - промышленная стержневая мельница
процессах переработки руд, как правило, идут в отвальные хвосты и определяют потери полезной компоненты, при электроимпульсном разрушении существенно меньше, чем на других испытуемых аппаратах.
Особенность электроимпульсного разрушения состоит в том, зона воздействия на материал каналом разряда локализована в ограниченном объеме ме-жэлектродного промежутка. Это пре-
доставляет возможность многовариантной организации процесса разрушения и удаления продукта в камере, а, стало быть, и управления гранулометрическим составом продукта измельчения. При электроимпульсной дезинтеграции значительно проще реализовать процесс многостадиального измельчения, в том числе в одном аппарате. При многоэлектродного исполнения рабочей камеры становится возможным влиять на гранулометрический состав продукта измельчения соответствующим размещением разрядных промежутков относительно друг друга и классифицирующих промежутков, путем соответствующего соотнесения частоты посылок импульсов с классифицирующей способностью устройства.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А. «Электроимпульсная дезинтеграция материалов» - Апатиты: КНЦ РАН, 2002. - 324 с.;
2. Алексеева Т.И., Курец В.И., Филатов Г.П. К вопросу о максимальном радиусе разрушения при
электрическом пробое твердых тел // Электрон. об-раб. материалов. 1983. N 3. С.54-57.;
3. Волков Ю.В. О кинетическом и феноменологическом подходе к теории разрушения. - В сб.: Техника высоких напряжений. - Томск, Изд.ТГУ, 1973, с.124-127.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------------
Цукерман В.А. - кандидат технических наук, заведующий отделом промышленной и инновационной политики Института экономических проблем Кольского научного центра РАН.
Курец В.И. - доктор технических наук, начальник отдела НИИ высоких напряжений при Томском политехническом университете.
Усов А. Ф. - кандидат технических наук, начальник научно-организационного отдела Кольского научного центра РАН
--------------------------------------------- © А. В. Серяков, 2005
УДК 622.831 А.В. Серяков
РАСЧЕТ ЗОН РАЗРУШЕНИЯ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ОТБОЙКЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ БЛОКОВ НА ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ
Семинар № 3
ногие железорудные месторождения разрабатываются системой этажного принудительного обрушения с отбойкой руды на компенсационные камеры и обрушенные породы [1]. Разрушение технологических блоков осуществляется короткозамедленным взрыванием скважинных зарядов, при этом масса взрываемых взрывчатых веществ как правило превышает 100 т и может достигать 300-350 т. Такое мощное динамическое воздействие на окружающий массив приводит, кроме дробления руды в отбивае-
мом блоке, к возникновению зон разрушения во вмещающих породах и рудном теле.
Волновой процесс, являясь причиной непосредственного разрушения горной среды, вызывает и поворот составляющих массив блоков, их смещение по границам контактов на больших расстояниях от места проведения массового взрыва. Это приводит к тому, что реакция массива на динамическое воздействие продолжается длительное время после разрушения блока. Большое влияние на характер
