CC BY
45
© А.Ф.Усов, 2002
И.А.
УДК 622.026.01
А.Ф.Усов, И.А. Щеголев, В.М. Адам РЕЗАНИЕ И ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ
БЛОЧНОГО КАМНЯ ЭЛЕКТРОИМПУЛ СОБОМ
Щеголев? ВМАдамы
электрод
ЬСНЫМ СПО-
ведение
Россия, обладая огромными запасами природных каменных материалов, имеет большие потенциальные возможности для дальнейшего наращивания мощностей камнедобывающей и камнеобрабатывающей промышленности. Однако имеющиеся потенциальные возможности используются недостаточно и не только из-за экономического спада и плохого инвестиционного климата. В контексте современных требований комплексного использования минерального сырья и снижения техногенного пресса на окружающую среду существующие технологии камнедобычи и кам-необработки требуют существенного совершенствования. При камнедобыче теряется значительное количество блочного камня нестандартной формы, не позволяющей использовать его под распил, более половины от всей массы добываемого природного камня уходит на крупнокусковой окол. Из-за несовершенства технологий производства тесаных изделий значительное количество ценного каменного материала уходит в окол, при этом не используются мелкие блоки камня и крупнокусковой окол. Не используется такой масштабный резерв сырья для получения блоков как негабариты на вскрытии месторождений полезных ископаемых и на щебеночных карьерах, а также валуны, являющиеся побочным продуктом при добыче песка. В то же время известно, что себестоимость блока, полученного из валуна, в 34 раза меньше себестоимости блока камня, добытого на карьере.
Для эффективного использования негабаритов и валунов в качестве сырья для изготовления изделий необходимы специальные технологии - пассировки блоков под распил и изготовления тесаных изделий из некондиционных (по существующим требованиям) блоков. Применяе-
мые технологии обработки негабаритов и валунов способом, включающим бурение шпуров и скол с помощью металлических клиньев, трудоемок, часто его невозможно использовать, когда плоскость скола располагается под углом к слоистости. Недостатком способов является их цикличность, трудоемкость и недостаточная эффективность при сложности камня. Использование пневматических молотков и термоотбойников часто неэффективно, когда приходится скалывать слои толщиной 200 мм и более. Применение термогазоструйного способа пассировки ограничено терморазрушаемыми видами природного камня.
Тесаные изделия из гранита составляют до 35-40% от общего объема облицовочной продукции камнеобрабатывающих предприятий и потребляют до половины всего добываемого сырья. Теска камня пневматическим ударным, либо ручным термическим инструментом малопроизводительна, экологически вредна для труда и окружающей среды. При наличии более совершенной технологии значительная часть этих отходов могла бы быть использована для изготовления бортового камня, ступеней, парапетов, накрывных плит и пр. Развитию производства архитектурностроительных изделий из крепкого камня мешает высокое использование ручного труда из-за отсутствия специальных машин и оборудования для высокомеханизированных поточных технологических линий.
В зарубежной практике используются более совершенные технические средства пиления пород с более высоким уровнем механизации. Впечатляет возможность использования в камнедо-быче высоких технологий резания твердых и прочных материалов, продемонстрированных при резке корпуса атомной лодки «Курск». Но вместе с тем отмеченные выше проблемы потребности в более экономном использовании ка-
электрод, 2- изоляционный став, 3- потенциальный
менного сырья существуют. Кардинального решения повышения эффективности резания и съема поверхностного слоя камня на основе традиционных способов разрушения горных пород не просматривается. Необходимо применение
принципиально новых способов разрушения камня. Таковым может ншми іразр^іавьвіїввіійгіросоііірадрушеїчеі! материалов с использованием эффекта взрывного действия электрических разрядов в твердых телах [1, 2]. Ранее [3-5] физические основы способа и перспективы его использования в горном деле с доступной обстоятельностью обсуждались на страницах Бюллетеня.
Реализация ЭИ для резания и обработки поверхности камня
Предложены различные типы устройств для резания и проходки в массиве щелей, для обработки поверхности массива. Перспективные области их использования:
- добыча блоков декоративного камня,
- проходка отрезных и оконтури-ваюших щелей при сооружении в скальном массиве траншей, котлованов и подземных горных выработок,
- зачистка скальных оснований при строительстве объектов на суше и под водой.
Принципиальные типы устройств резания и размерной обработки поверхности представлены на рис. 1. В общем случае инструмент представлен совокупностью электродов, объединенных в двухполюсную систему. Изоляционный элемент устройства (изолятор, изоляционный став) служит для крепления электродов и является главным элементом в системе, задающей направление перемещения инструмента. В нем могут также размещаться каналы для подачи на забой промывочной жидкости для удаления продуктов разрушения.
В исследованиях электроимпульс-ных режущих устройств, впервые выполненных в НИИ Высоких Напряжений (г. Томск), с использованием простых конструкций электродных устройств с пластинчатыми (гребенчатыми) электродами (рис. 1а и 1б) при резании в диэлектрической среде (дизельное топливо) получены результаты, свидетельствующие о высокой технологической эффективности процесса. Энер-
гоемкость ЭИ-резания горных пород и строительных материалов (от динасового кирпича до гранита) составляет 1,23,9 кВт-ч/м2.
При разработке устройств для ЭИ-резания горных пород в воде использованы устройства типа (рис. 1в и 1г). Реализация ЭИ-процесса в воде существенно усложнена по условиям формирования импульсов напряжения требуемых параметров и обеспечения надежной работы изоляции. Условия генерирования импульсов напряжения определяющим образом зависят от величины омического сопротивления конструкции R и чем ниже оно, тем более сложные схемы генерирования необходимо использовать для получения импульсов требуемых параметров, тем ниже КПД генератора импульсов. Обусловленное этим ограничение минимально допустимой величины R является и ограничением линейного размера устройства і, определяющего длину щели. Для повышения сопротивления прежде всего снижают металлоемкостью электродной системы при сохранении достаточной ее механической прочности, повышают степень изолирования электродов. В технической воде с удельным сопротивлением 60-90 Ом-м вполне возможно обеспечить эффективный процесс при длине щели до 0.35-0.4 м даже с использованием простых схем генерирования импульсов по типу ГИН Аркадьева-Маркса. В частности, в опытных работах с использованием устройств стержневого типа с 13 электродами удельные энергозатраты ЭИ-резания составили 46 кВт-ч/м2 по песчанику и 3.5-4.5 кВт-ч/м2 по известняку. Потенциальная скорость резания (при пересчете на частоту следования импульсов 20-25 в секунду) оценивается в 2-2.5 м2/ч.
Проблема изоляции (сниже-ние градиентов поля на изоляции для исключения развития разрядов перекрытия, непроизводительных и выводящих рабочий инструмент из строя) частично решается известным электротехническим приемом - разнесением по длине изолятора мест крепления электродов и токо-проводников. Проще всего это решается с пластинчатыми электродами (рис. 1д и 1е). В устройствах с пластинчатыми электродами сокращение их металлоемкости в целях повышения омического сопротивления приводит к конструкции
с узкими пластинчатыми электродами (высотой 5-10 мм), не касающимися в рабочей части края изоляционного става (рис. 1д) или к устройству с лапчатыми электродами, объединяемых закрепляемыми на боковых поверхностях изоляционного става пластинами (рис. 1е). Такое конструктивное исполнение позволяет существенно повысить электрическую прочность конструкции за счет разнесения точек крепления пластинчатых оснований электродов на изоляционном ставе, увеличения расстояния между стойками лапок (при их диагональном расположении по разным сторонам изоляционного става) и дополнительной возможности использования барьерного эффекта при определенной форме изоляционного става.
Но в более общем плане необходимо использовать все пути оптимизации электродной конструкции, известные по устройствам для других технологических применений. В частности, в устройствах ЭИ-бурения снижения пробивных градиентов напряжения для горной породы и повышения равномерности проработки забоя добиваются применением радиально-тангенциального типа буровых коронок (тип коронки определяется характером распределения электродов по сечению забоя скважины и соответственно ориентацией направлений канала разряда) при определенных соотношениях площади контакта электродов с породой с площадью сечения скважины, а также распределением площади контакта электродов с породой между высоковольтными и заземленными электродами. В устройствах со стержневыми электродами это обеспечивается дополнением электродов башмачными наконечниками (рис. 1 г).
В значительной степени конструктивные решения по исполнению изоляционного элемента определяют толщину инструмента, а то есть и ширину прорезаемой щели, величина ее в 20-25 мм является минимальной. Оптимальный выбор базируется на учете многих факторов, отражающих следующие зависимости и особенности. Главная особенность оптимизации режима ЭИ-резания состоит в том, что главный техникофизический показатель - производительность связан с образованием новой поверхности обнажения, а не с объемом разрушения. Поэтому с ростом величины разрядных промежутков производи-
тельность разрушения по новой поверхности обнажения изменяется не так однозначно, как в других процессах ЭИ-разрушения, где эффект оценивается объемной производительностью (приведенная выше степенная функция Уф). Образующийся крупнокусковой шлам требует дополнительного, связанного с непроизводительным разрушением расширения ширины щели, чтобы обеспечить беспрепятственный вынос шлама с забоя разрушения. В ряде процессов принципиальное значение имеет качество обнажаемой поверхности (степень шероховатости), для уменьшения которой вынужденно приходится снижать пробивные промежутки, а стало быть и объемную производительность разрушения. С учетом практики экспериментальных работ в расчетных оценках показателей резания следует ориентироваться на ширину щели в 30-40 мм и на приведенные выше энергетические показатели разрушения различных пород.
Технология ЭИ-резания с использованием описанных выше типов устройств является цикличной; длина щели, проходимой за один цикл, ограничена величиной 0.35-0.4 м. Секционирование инструмента с подключением каждой секции к отдельному источнику импульсного напряжения позволяет пропорционально числу секций увеличить размер щели, но при определенном усложнении устройства генерирования импульсов. Тип устройства, представленный на рис. 1 ж допускает непрерывную бес-цикличную проходку щелей изменяемой конфигурации. В данном типе устройства рабочая поверхность электродов размещается по двум, взаимно перпендикулярным поверхностям изоляционного става, что дает инструменту две и даже три степени свободы перемещения (вглубь массива и по контуру щели). Устройство перспективно для проходки отрезных щелей при добыче блоков декоративного камня, для проходки оконтуриваюших щелей при сооружении в скальном массиве траншей, котлованов, при сооружении подземных горных выработок, для размерной художественной обработки камня.
Рис. 2. Стендовая ЭИ установка для обработки поверхности негабаритных блоков (принципиальный рисунок): 1 - зарядное устройство, 2 - генераторы импульсов, 3 - пульт управления установкой, 4 - ванна с водой, 5 - электродная конструкция, 6 - система циркуляции жидкости, 7 - транспортное устройство загрузки 8 - буферная емкость жидкости, 9 - блок породы
Для поверхностной обработки массива применимы типа 1в и 1г, разработанные и испытанные для целей зачистки скальных оснований при строительстве объектов на суше и под водой. Данная операция осуществляется путем фронтального перемещения инструмента по поверхности массива. Однако в данной операции представляется возможным кардинально улучшить условия работы изоляции инструмента, вынеся изоляционный став из плоскости забоя с максимальным разносом точек крепления токопроводников по изоляционному ставу. Один из вариантов конструкции представлен на рис. 1з. На основе иллюстрированных выше типов устройств могут быть созданы инструменты для изготовлении тесаных изделий из камня, и это подтверждено испытаниями экспериментальных устройств.
Наиболее продвинутой разработкой электроимпульсного резания и обработки поверхности массива стала технология пассировки некондиционных блоков природного камня с целью подготовки их для механического распиливания [6]. Особенность технологии электроимпульсной пассировки блоков с использованием инструментов типа рис. 1 з состоит в подрезании щелью части поверхностного слоя и последующего его скола электрическим разрядом в воде за счет ЭГЭ-эффекта.
На рис. 2 иллюстрируется технологическое использование разработанного способа. Обрабатываемый блок природного камня устанавливается на платформе и загружается в рабочую камеру, заполняемую водой до уровня, превышающего общую высоту блока и платформы. В качестве источника импульсного напряжения используется генератор импульсных напряжений, с уровнем напряжения порядка 500 кВ микросекундной длительности. Разряды между высоковольтными и заземленными электродами породоразрушающего устройства, воздействуя на обрабатываемый участок в толще камня, производят его направленное разрушение с поверхности. При необходимости снятия
слоя в несколько десятков сантиметров используется способ с созданием подрезной щели.
Продукты разрушения смываются и удаляются в шла-мосборник на дно камеры. Принцип способа обеспечивает при использовании многоэлектродных конструкций автоматическое распределение разрядов по площади забоя с полной его проработкой (разруше-нием) без пропусков и зависаний инструмента. Плоскость обработанной поверхности определяется направлением перемещения камнеобрабатывающего инструмента и может быть ориентирована относительно слоистости под любым углом.
Экспериментальная установка электроимпульсной пассировки блоков природного камня испытана в производственных условиях Мончегорского карьера ПО «Карелстройма-териалы», Мурманская область. В процессе испытаний установки отпас-сировано 28 блоков, валунов и негабаритов общим объемом 75 м3. В их числе 7 блоков гранита Ладожского карьера, 7 блоков гранита-рапакиви Кузреченского карьера и 14 валунов различных пород Монче-тундры (гранит и др.). Из них 16 блоков и валунов отпассировано с двух противоположных сторон с целью создания параллельных плоских граней «постель» и «запил», 3 блока отпассировано с двух взаимно перпендикулярных сторон под вставки из двух блоков (средний объем окола составил 0.3 м3). Остальные 9 блоков обработаны с одной стороны с целью подгонки блока под размер рамы стакана ЛВГ. Получено 80 м2 плоской поверхности с чистотой поверхности ± 15 мм. Создание такой поверхности на блоках перед их распиловкой на плиты способствует росту производительности распиловочных станков благодаря повышению устойчивости блока в станке и сокращению затрат времени на запилива-
ние. В технологических исследованиях с генератором импульсов, обеспечивающем амплитуду импульса напряжения ~ 450 кВ, энергию разряда 1.5 кДж и частоту следования импульсов 5 имп./с, получены скорости обработки 0,9 м2/ч (по габро) и 1,6 м2/ч ( по граниту) при энергоемкости процесса 6, 0 кВтч/м2 (по габро) и 3,3 кВтч/м2 (по граниту).
Перспективы и предложения
Российские ученые имеют приоритет в исследованиях электроим-пульсного способа разрушения горных пород, защищенный пионерными публикациями и авторскими свидетельствами на изобретения. Большой объем научно-исследовательских и проектноконструкторских работ успешно апробирован в опытно-промыш-ленном масштабе.
Разработанный способ и средства электроимпульсного резания горных пород и поверхностной обработки камня являются основой принципиально новых технологических процессов в горностроительной, камнедобывающей и камнеперерабатывающей промышленности. В силу известных причин, связанных с экономическими преобразованиями в стране, экспериментальные работы по электроимпульс-ной тематике в последнее время были существенно ограничены, многие экспериментальные установки демонтированы. Многие перспективные разработки, пройдя апробацию на экспериментальных установках, не перешли в стадию проектирования и создания опытных образцов.
В определенной степени на развитие работ по электроимпульсной тематике оказали влияние факторы относительной технической сложности
электротехнического обеспечения технологий и недостаточной эксплуатационной надежности некоторых элементов (в первую очередь, изоляции) породоразрушающих устройств. В последнее время по этим главным техническим проблемам, от которых зависело создание машин с высокой эксплуатационной надежностью и экономической эффективности, - изоляция и импульсные конденсаторы -получены убедительные свидетельства большой вероятности их успешного разрешения (см. [5])
Для возобновления перспективных работ по электроимпульсному резанию горных пород предлагается создание демонстрационного стенда с набором технических средств, с тем чтобы в широкой кооперации с участием отраслевых научноисследовательских и проектных организаций и производственных предприятий организовать испытания технических средств способа, произвести оценку технико-экономических показателей различных технологических приложений способа и подготовить технико-экономическое обоснование для создания опытно-промышленных установок. При создании демонстра-
ционного стенда могли бы быть использованы самые современные разработки специализированного электротехнического оборудования и изоляционных материалов. Имеются потенциальные возможности для значительного улучшения техникофизических показателей, значения которых были приведены выше. За счет совершенствования импульсной техники (доказано экспериментально в других процессах электроимпульсной технологии) энергоемкость разрушения может быть снижена не менее чем в 2 раза. Повышением частоты следования импульсов (до 15-25) объемная производительность на одно породоразрушающее электродное устройство может быть повышена не менее чем в 2-3 раза; при этом на больших блоках камня могут быть применены секционированном породоразрушающие конструкции, подключаемые к автономным источникам импульсов напряжения (с увеличением производительности процесса пропорционально числу секций инструмента).
Выполнение данного проекта позволило бы создать принципиально новые технические средства обработ-
ки камня, не имеющие аналогов в отечественной и зарубежной практике. Технологии будут отличаться высокой производительностью, позволят вовлечь в производство значительный объем отходов камнедобывающей, горнодобывающей, камнеобрабатывающей промышленности и промышленности строительных материалов, улучшат условия труда за счет существенного сокращения работ с использованием вибрационных и газоструйных инструментов. Важно отметить, что применение ЭИ-технологий не может и не ставит задачи полной замены существующих технологий кам-недобычи и камнепереработки; ЭИ-технологии встраиваются в существующие как отдельные более технологичные операции. Например, проходка щелевых отверстий в массиве или подрезной щели сочетаемо с бу-роклиной отбойкой блока от массива, но позволит получать более ровные и более крупные блоки. Электроим-пульсная обработка поверхности с классом шероховатости 10-15 мм может рассматриваться как подготовительная операция черновой обработки тесаных изделий, в том числе архи-тектурно-строитель-ных изделий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Воробьев А.А., Воробьев ГА., Завадовская Е.К. и др. Импульсный пробой и разрушение диэлектриков и горных пород. - Томск: Изд-во Томского ун-та. 1971. 225 с.
2. Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульс-ного разрушения материалов. Апатиты: КНЦ РАН. 1995. 276 с.
3. Усов А.Ф., Цукерман ВА. Работающая искра: инновационные физические процессы горного производства. // Горный информационно-аналитический бюллетень - М.: Изд-во МГГУ, 2000, №1. - с. 188-193
4. Усов А.Ф., Цукерман ВА. Потенциал электрофизических процессов и технологий в производстве (энергетический аспект) // Горный информационно-аналитический бюллетень, №6. - М.: Изд-во МГГУ, 2001. - с. 120-127.
5. Усов А.Ф., Цукерман ВА. Современное состояние и перспективы электроимпульсных технологий в горном деле // Горный информационно-аналитический бюллетень , № 7 - М.: Изд-во МГГУ, 2001. - с. 161-170
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Усов Анатолий Федорович — кандидат технических наук, начальник научно-организационного отдела Кольского научного центра РАН. Щеголев Иван Алексеевич — кандидат технических наук, КНЦ РАН.
Адам Виктор Мартынович — инженер, КНЦ РАН.
