CC BY
103
-------------------------------------------- © А.Ф. Усов, В.В. Бородулин,
2010
УДК 622.026.01
А. Ф. Усов, В.В. Бородулин
ПРОБЛЕМА УЛУЧШЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ МАССОГАБАРИТНЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
Дан анализ проблемы улучшения технических характеристик установок электроим-пульсной технологии. Приведено сравнение устройств дезинтеграции различными способами по удельным параметрам и сравнение электротехнического оборудования на различной элементной базе.
Ключевые слова: разрушение материалов, электроимпульсная дезинтеграция.
Неделя горняка
ш ж отребности технического про-
.Ц. гресса в горном деле и ряде других отраслей промышленности с технологиями, включающими процессы разрушения материалов, ставят задачи повышения технологической эффективности, снижения энергоемкости разрушения, улучшения массогабаритных характеристик, обеспечения более простого управления процессом, более высокой экологической чистоты техники и технологии и т. п. К числу потенциально эффективных способов разрушения материалов относится электроимпульсный (ЭИ) способ разрушения материалов, основанный на использовании взрывного действия канала электрического разряда в твердом теле при выделении в нем энергии емкостного накопителя [1—2].
Принципиальная осуществимость новых технологических процессов и возможность получения исключительно ценных технологических преимуществ, в сравнении с традиционными технологиями, доказана в лабораторных исследованиях и испытаниях в производственных условиях для бурения и резания
горных пород и дезинтеграции руд и технических материалов.
Например, электроимпульсная дезинтеграция отличается высокой селективностью разрушения, обеспечивает лучшее раскрытие зерен отдельных минералов и лучшую их сохранность от разрушения, меньшее образование шла-мистого продукта. Все это создает предпосылки для более полного извлечения полезного минерала в концентрат при обогащении руды, повышения качества концентрата. Отсутствует свойственное механическим способам загрязнение продукта аппаратурным металлом, материалом футеровки и мелющих тел. Возможность способа просто и в широких пределах изменять характер динамического нагружения позволяет регулировать гранулометрический состав продукта измельчения, получать более узкий класс крупности продукта, чем это возможно при механическом измельчении. Продукту электроимпульс-ного измельчения свойственна меньшая окатанность и большая удельная поверхность зерен за счет того, что новая поверхность образуется в процессе
раскола при распространении трещин. Продукт разрушения обладает повышенной сорбцией и реакционной способностью в химических реакциях. Вскрытые частицы минеральных включений лучше соответствуют их исходному природному состоянию в породе и это имеет большое значение для изучения минерального сырья. В ходе многолетних исследований элек-троимпульсного способа дезинтеграции материалов в КНЦ РАН, НИИВН, институте «Механобр» и в ряде других учреждений были созданы исследовательские стенды и технологические установки для опытно-промышленных испытаний и работы в производственных условиях, которые в ограниченном промышленном масштабе используются в России, а демонстрационные установки поставлены в ФРГ, Великобританию, Францию.
Несмотря на высокую технологическую эффективность ЭИ дезинтеграции и в целом ЭИ технологий, их производственное освоение было связано с необходимостью решения ряда научно-технических проблем, связанных с обеспечением надежности работы оборудования и улучшения технических характеристик. Основная причина этих проблем — несовершенство электротехнического обеспечения способа [3]. Многие проблемы получили решения. За 40 лет исследований удалось на 3 порядка повысить ресурс работы конденсаторов, но зарядные устройства и источники импульсного напряжения с использованием старой элементной базы остаются громоздкими и не всегда энергетически эффективными. В исследовательских работах направление совершенствования электротехнического оборудования в сторону уменьшения его габаритов всегда отходило на второй план, т.к.
главные задачи связывались с исследованием технологических процессов. Сейчас, когда технологические процессы в значительной степени изучены, вопросы оптимизации электротехнического обеспечения технологии встают на первый план, т.к. потребители отрицательно относятся к низким массогабаритным характеристикам оборудования.
Особенно это относится к процессам дезинтеграции материалов, в которых механические мельницы и дробилки на порядок превосходят элек-троимпульсные установки по удельной производительности. Например, дро-бильно-измельчительный комплекс избирательной дезинтеграции геологических проб ДИК-1 (рисунок) [4], рассчитанный на производительность крупного измельчения до 5 мм — 100 кг/ч и до 1 мм — 50 кг/ч при крупности исходного продукта 80 мм, требует установленной мощности 20 кВт и имеет габаритные размеры 5000 х 4000 х 2800 мм (56 м3) и массу 3000 кг. То есть, удельная производительность измельчения по классу до 1 мм составляет порядка 1 кг/ч на 1 м3 объема установки и 20 кг/ч на 1 т веса установки и по классу до 5 мм составляет порядка 2 кг/ч на 1 м3 объема установки и 35 кг/ч на 1 т веса установки.
Для сравнения в табл. 1 приведены технические характеристики промышленных лабораторных измельчителей.
Как видно, электроимпульсные дезинтеграторы проигрывают традиционным способам дезинтеграции по удельной производительности на 1 т веса установки — на порядок и еще более значительней — на два порядка по удельной производительности на 1 м3 объема установки.
Таблица 1
Технические характеристики промышленных лабораторных измельчителей
Тип Вес, кг Габариты, мм Исходная крупность, мм Конечная крупность, мм Производи- тельность, кг/час Удельная производительность, на 1 м3 объема Удельная производительность, на 1 т веса установки
ДЩ 60х100 (ЩД-6) 133 650х330х5 80 до 55 1...20 30.300 250... 2500 225... 2255
ДГ200х125 210 640х480х7 80 5 3 о 8 о" 100. 500 476... 2381 416... 2083
МД 3х2 200 1200х640х 800 до 90 8 со о" 0 0 0 5 250... 500 4 2 Ы 8
КИД-60 (ВКМД- 6) 26 380х190х3 30 до 6 2 о" до 10 384,6 500
Дробильно-измельчительный комплекс для избирательной дезинтеграции геологических проб
Электротехнический блок ЭИ установки включает два основных элемента — зарядное устройство и генератор импульсов. Низкие удельные характеристики по весовым параметрам зарядного устройства обусловлены использованием в схеме выпрямления переменного напряжении промышленной частоты и железных магнитопроводов в повышающем трансформаторе и токоограничивающем дросселе. Низкие удельные характеристики по габаритным параметрам генератора импульсов обуслов-
лено применением относительно надежной, но большой по габаритам многоступенчатой (пять-шесть ступеней) схемы генератора Аркадьева-Маркса. При использовании очень высоких напряжений (сотни киловольт) габариты установки определяются не только и не столько габаритами электротехнического оборудования, сколько большими изоляционными промежутками до ограждений, которые вынужденно выдерживаются в конструкции установки.
Решение проблем повышения конкурентной способности электроим-пульсных технологий — в кардинальном совершенствовании электротехнического обеспечения электроимпульс-ных процессов, в разработке и освоении новых технических решений в источниках импульсов с высокими удельными энергетическими характеристиками. В [5] дан анализ этих проблем и предложены пути адаптации к условиям электроимпульсной технологии заимствованных из смежных отраслей электротехники
Таблица 2
Удельная мощность зарядных устройств на различной элементной базе
Устройство Мощность, кВт Габариты, мм Удельная мощность кВт/м3
УВН-1,2,3 (РТГ2 ВЭИ) 0,45—0,6 522 х 310 х 240 ,4 5, ,5.
УВН-4 (РТГ2 ВЭИ) 50 1405х1190х996 30
Spellman 0.6 89 х 483 х 508 27
ДИК 20 5000х4000х2800 0,36
и электроники технических решений в отношении зарядных устройств и генераторов импульсов. Революционный прорыв в выпрямительной технике, произошедший в последние два десятилетия, был связан с совершенствованием полупроводниковой техники, ферромагнитных материалов и переходом к схемам высокочастотного преобразования напряжения. Последние достижения в технологии изготовления источников питания (зарядных устройств) обеспечили существенное уменьшение их габаритных размеров, массы и рост КПД энергопреобразования по сравнению с их аналогами, которые выпускались всего несколько лет назад. В этом плане представляют интерес разработки, ВЭИ (РТГ2), Института импульсных процессов и технологий НАН Украины, фирмы Spellman и др. В табл. 2 представлена оценка удельной мощности зарядных устройств различных фирм. Как видно, конструкции зарядных устройств на современной элементной базе уже сейчас позволяют на два порядка улучшить удельные мощ-ностные характеристики оборудования. При равенстве удельных затрат энергии на дезинтеграцию различными аппаратами это соответствует соотношению удельных характеристик способов по производительности.
При разработке генерирующей аппаратуры для электроимпульсной тех-
нологии мы отталкиваемся от опыта разработки импульсных трансформаторов (ИТ) в КНЦ РАН с участием ТФ ВЭИ и НИИЭФА. Удалось существенно уменьшить размеры генераторов импульсов, но с точки зрения минимизации размера и веса не устраивает использование в этих разработках магни-топроводов на железе. Решением является переход к использованию материалов с высокой магнитной проницаемостью, например, ферритов [6]. Достижимость заявленных целей подтверждается опытом создания на ИТ, погружаемого в скважину диаметром 200 мм для работы в диэлектрической жидкости [7] и оценка КПД перекачки энергии в схеме с ИТ — в схеме с дополнительным формирующим контуром обострения фронта высоковольтных импульсов кпд перекачки энергии из накопительного конденсатора через ИТ в обостритель может быть весьма существенным (до 90 %).
Современная элементная база уже сейчас позволяет создание компактных установок ЭИ-техно-логий в спецприменениях с ограниченной производительностью [8]. Дальнейшее совершенствование установок в сторону повышения их мощности последовательно вовлечет в производственное использование другие технологические направления способа.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. — Апатиты: КНЦ, 1995, - 276 с.
2. Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А. Электроимпульсная дезинтеграция материалов. — Апатиты: КНЦ РАН, 2002, 324 с.
3. Усов А.Ф., Гладков В.С. Вопросы электротехнического обеспечения технологий электроимпульсного разрушения материалов источниками высоковольтных импульсов //Вестник НТУ «ХПИ», г.Харьков, — в. 35, 2004, — С. 143—154
4. Шулояков А.Д., Лупал С.Д., Тараканов-ский Э.Н. Установка избирательной дезинтеграции геологических проб ( ДИК-1М) // Обогащение руд, № 4, 1989, с. 45—46.
5. Усов А.Ф., Бородулин В.В. Электротехническое обеспечение электроимпульсного спо-
соба разрушения материалов: проблема и пути решения. // Горный информационноаналитический бюллетень, № 4, 2008 г. с.164— 170.
6. Усов А.Ф., Семкин Б.В., Зиновьев Н.Т. Переходные процессы в установках электро-импульсной технологии. — Л.: Наука ЛО, 1987, — 189 с.
7. Кривоносенко А.В., Семкин Б.В. Генератор высоковольтных импульсов. // ПТЭ. 1982. № 6. С. 73—75.
8. Процессы и технологии на основе элек-троимпульсного способа разрушения материалов. / Усов А.Ф., Ефимов Б.В., Цукерман В.А. и др. // Инновационный потенциал Кольской науки. — Апатиты: КНЦ РАН, 2005, с. 306— 312. ЕШ
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------------
Усов А. Ф. — начальник научно-организационного отдела Кольского научного центра РАН, кандидат технических наук, ст. научный сотрудник.
Бородулин В.В. — аспирант Кольского научного центра РАН. e-mail: root@goi.kolasc.net.ru
---------------------------- ОФИЦИАЛЬНЫЙ САЙТ ГИАБ
В июне в тестовом режиме начал работать официальный сайт ГИАБ www.GIAB-online.ru. На сайте представлены электронные версии статей ГИАБ за предыдущие годы, содержание и аннотации текущих номеров, информация о журнале. Скоро Вы сможете подписаться на электронную версию журнала. Задавайте свои вопросы (e-mail: ask@giab-online.ru).
