CC BY
116
СЕМИНАР 4
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001”
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© А.Ф. Усов, В.А. Цукерман,
2001
УДК 622.026.01
А.Ф. Усов, В.А. Цукерман
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ГОРНОМ ДЕЛЕ
Н
а базе результатов выполненных различными организациями научно-исследовательских работ по принципиально новому способу электроимпульсного (ЭИ) разрушения материалов (см. [1,2]) к настоящему времени предложен новый класс техники для различных технологических применений в горном деле и строительстве инженерных сооружений. Созданы технические средства и специфичные технологии бурения взрывных скважин для добычи руд в карьере и в подземной выработке, для сооружения траншей, котлованов и подземных выработок, бурения геологоразведочных скважин сплошного и кольцевого забоя, скважин и стволов большого диаметра (до 1200 мм), техника резания и поверхностной обработки блоков и негабаритов вскрышных пород (пасси-ровка под распил на плиты и изделия), дезинтеграци-онное дробильно-помольное оборудование для различных материалов.
Благодаря только свойственных ЭИ особенностей разрушения материалов динамическими разрывными усилиями при электрическом пробое фрагментов материала способ в большей или меньшей степени обеспечивает снижение энергетических затрат
на разрушение во всех заявленных его технологических применениях. Способу свойственна высокая технологическая эффективность, проявляющаяся в достижении более высокой производительности, в улучшении качественных параметров процесса, в возможности осуществлять процессы недоступные традиционным методам разрушения материалов, создавать технические средства с более лучшими удельными массо-габаритными характеристиками.
На стендовых установках в лабораторных и производственных условиях успешно опробован широкий спектр технологических применений на основе ЭИ. Опыт испытаний установок дает возможность реально оценить диапазон возможного использования новых технологий в промышленности и определить необходимые условия для этого, включая в том числе необходимость проведения дальнейших исследовательских и проектно-конструкторских работ по техническим проблемам, не получивших пока еще удовлетворительного решения.
Бурение скважин
Испытания показали возможность эффективного применения ЭИ для бурения скважин широкого спектра назначения. В подземных условиях на Кировском руднике ПО "Апатит" и руднике
«Ена» ГОКа "Ковдорслюда" показана осуществимость электро-импульсного способа бурения кругового веера взрывных скважин в вертикальной плоскости с технологической глубиной до 50 м. С использованием средств ЭИ бурения взрывных и опережающих скважин диаметром до 400 мм показана возможность создания врубовой полости при проходке горизонтальных выработок в крепких горных породах и обоснованы параметры ЭИ установки для проходки опережающих скважин глубиной до 15-20 м. В условиях полигона успешно опробованы технологии проходки колодцев и шахтных стволов диаметром до 1200 мм (КНЦ РАН, г. Апатиты). При бурении взрывных скважин в карьере наибольшая техническая скорость бурения достигла 12 м/ч с проходкой в непрерывном режиме 30 м. В производственных испытаниях бурения геологоразведочных скважин достигнута глубина 233 м При бурении скважин метрового диаметра по мерзлым грунтам достигнута глубина 25 м и максимальная скорость бурения 2.0 м/ч. (НИИ ВН, г.Томск).
Скорости бурения скважин большого диаметра в крепких горных породах, которые получены в испытаниях, соответствуют лучшим мировым показателям проходки. При бурении взрывных и геологоразведочных скважин достижение более высокой скорости бурения, чем на традиционно используемых установках, также становится возможным при частоте следования импульсов 15-20 в секунду.
Успешность создания и обеспечения эффективности новой техники и технологии ЭИ в основном связана с решением двух главных технических проблем: с обеспечением требуемой эксплуатационной надежности технических средств способа и созданием электротехнического оборудова-
ния с ресурсом работы, обеспечивающим экономическую эффективность процесса.
Первая проблема в основном сводится к обеспечению электрической прочности элементов изоляции породоразрушающих устройств. В устройствах бурения в его состав входит и система передачи импульсов на забой скважины. Принципиальная технологическая схема бурения скважин приведена на рис. 1.
Главный элемент установки -буровой породоразрушающий инструмент 5 (по аналогии с механическим бурением - коронка, наконечник) представлен многоэлектродной конструкцией, к которой по двум токоопроводникам 7, 6 (по аналогии с механическим бурением - штанга, буровой став или колонна буровых труб), подается импульсное напряжение. Много-
образие типов ЭИ-устройств определяется конструкцией буровой коронки, конструкцией токоподво-да, способом изоляции токопро-водников и зависимыми от этого схемами подачи на забой промывочной жидкости. К простейшим конструкциям токоподвода относятся системы коаксиального типа: а) с совмещенной функцией изолирующей и промывочной жидкости при промывке скважины изоляционной жидкостью (как показано на рис.1), б) с подачей промывочной жидкости через полый центральный токопроводник 7, отделенный от второго токопровод-ника 6 (внешняя труба) жидкой или твердой изоляцией. Для бурения скважин в условиях подземной выработки, где в целях пожаробезопасности применение горючих жидкостей желательно исключить даже в элементах изоля-
ции, разработан специальный тип буровой штанги на основе комбинированной изоляции из воды и твердого диэлектрика (полиэтилена или стекловолокна). В одном варианте это коаксиальная система с покрытием одного или обоих токопроводников слоем полиэтилена, в другом - параллельные то-копроводники с кольцевым расположением в толще трубы из изоляционного материала [3]. Элементами изоляции служат многочисленные центрирующие систему токопроводников изоляторы 3, изолятор ввода со стороны источника импульсов 2, концевой изолятор в месте сочленения передающей системы и бурового наконечника 4, а также сама жидкость, заполняющая пространство между токопроводниками.
Свойственный ЭИ относительно высокий уровень рабочих напряжений (300-500 кВ) создает определенные сложности с обеспечением электрической прочности элементов изоляции. В условиях постоянных динамических воздействий на элементы устройств выбор вида твердого диэлектрика практически ограничивается полиэтиленом, которому свойственна и высокая электрическая прочность и достаточная пластичность. Однако органическая природа диэлектрика делает изоляционные конструкции из него крайне уязвимыми, единичные внутренние пробои изоляции и разряды перекрытия по поверхности, в том числе за счет случайных факторов (попада-ние загрязнений и газовых включений из зоны разрушения), приводят к необрати-
Рис. 1. Технологическая схема ЭИ-установки бурения скважин (по схеме обратной промывки скважины): 1 - генератор импульсов;
2 - изолятор высоковольтного ввода; 3 -центрирующие изоляторы; 4 - концевой изолятор; 5 - буровая коронка; 6 - центральный токопроводник 7 - заземляемая колонна труб; 8 - емкость с промывочной жидкостью; 9 - шламосборник; 10 - насос и гидроциклон. 11 - кондуктор устья скважины
мым изменениям, выводящим элемент изоляции из строя. При многоимпульсном воздействии даже при напряжениях, заведомо ниже пробивных, изоляция подвержена сокращающему срок работы изоляции электрическому старению из-за развития частичных разрядов. Выход из строя одного элемента является аварийным для всей конструкции и влечет за собой материальные издержки и значительные потери времени на замену элемента (в лучшем случае), части или даже всей конструкции. Экономически оправданный ресурс работы элементов изоляции оценивается величиной порядка 108 импульсов, для обеспечения которого вводятся жесткие критерии по допустимой величине напряженности электрического поля на элементах изоляции. Благодаря совершенствованию технологии изготовления изоляторов из полиэтилена и использованию мероприятий электротехнического плана по снижению напряженности поля, ограничению времени воздействия напряжения и др. надежность их работы повысилась на несколько порядков. По исчерпанию этого резерва практически остается лишь одна возможность - координация электрических прочностей элементов изоляции и разрушаемой горной породы ограничением величины разрядного промежутка в породоразрушающем устройстве, т.е уровня рабочего напряжения, а это неизбежно ведет к снижению производительности процесса. (В случаях, когда оптимизация параметров породоразрушающего устройства не лимитируется условиями работы изоляции, геометрия электродов и величина разрядного промежутка выбираются из условий эффективной без зависания инструмента проработки забоя при минимальных градиентах напряжения пробоя). Прямым следствием из этого является следующий вывод - оптимальное решение
проблемы изоляции следует искать на пути увеличения диаметра скважины (площади забоя разрушения). При увеличении диаметра скважины за счет роста изоляционных промежутков представляется возможным снизить напряженности поля на элементах изоляции, что существенно улучшает условия их работы. Предоставляющаяся при этом возможность увеличить разрядные промежутки в породоразрушающем устройстве ведет к существенному повышению эффективности использования энергии разряда как за счет увеличения производительности (в соответствии со степенной функцией К « (0,05^0,1)11’5"2’7- [1]), так и за счет повышения КПД разряда с ростом сопротивления канала разряда в твердом теле.
Естественно, условия работы изоляции существенно зависят от вида промывочной жидкости. Это главным образом касается концевого изолятора бурового наконечника и во всех случаях диэлектрические жидкости предпочтительней. Вместе с тем для ЭИ-технологий принципиально важное значение имеет возможность выбора вида промывочной жидкости, исходя из технологической и экономической целесообразности. Из экономических соображений всегда наиболее предпочтительней вода. При использовании ЭИ на подземных горных работах и в других условиях ограниченного пространства вода также предпочтительней как пожаробезопасная жидкость. При дезинтеграции материалов из-за особенностей последующих процессов с продуктом дезинтеграции в ряде случаев вообще недопустимо использование иных жидкостей кроме воды. В отдельных случаях (отрицательные температуры) для промывки могут быть использованы только диэлектрические жидкости с отрицательной температурой замерзания. При проходке скважин в трещиноватых породах с большой
фильтрацией жидкости единственно возможным является применение специальных буровых растворов с требуемыми реологическими свойствами. Однако во всех случаях должна учитываться электрофизическая специфика ЭИ-процесса - в диэлектрических жидкостях процесс реализуется в существенно облегченных условиях по уровню напряжения и требованиям к форме импульсов напряжения, диэлектрическая среда предпочтительней и по условиям работы элементов изоляции. Использование воды, как правило, диктует необходимость применения более сложных схем источников импульсного напряжения (эта техническая проблема вполне разрешима [4] в рамках более общей задачи создания специализированного электротехнического оборудования для целей ЭИ, см. ниже)
При комплексном подходе с учетом технологической, экономической целесообразности и электрофизической специфики реализации ЭИ-процесса и обеспечения оптимальных условий работы изоляции может быть сформулирован ряд положений к обоснованию выбора технических средств ЭИ и определению границ рационального использования ЭИ-
технологий.
Целесообразность применения ЭИ однозначно повышается с ростом диаметра скважины, бурение скважин большого диаметра является приоритетным направлением использования ЭИ в горном деле и инженерном строительстве. На подземных горных работах при бурении взрывных скважин и опережающих скважин для сооружения выработок использование для промывки скважин воды возможно в диапазоне до 300-400 мм (здесь решающее значение имеет фактор влияния омического сопротивления породоразрушающей конструкции на условия генерирования импульсов напряжения).
Начиная с диаметра скважин в 200 мм целесообразно и необходимо применение погружных источников импульсного напряжения. При проходке скважин диаметром свыше 400-500 мм по условиям формирования импульсов целесообразен переход на промывку скважин диэлектрическими растворами, в том числе специальными растворами повышенной плотности для обеспечения выноса крупнокускового шлама. Целям повышения производительности бурения служат такие меры как секционирование породоразрушающего инструмента с подключением секций к отдельным источникам импульсного напряжения и формирование ступенчатой формы забоя скважины. При сооружении скважин свыше 1000 мм и шахтных стволов целесообразен переход от сплошной разработки забоя к частично-контактной с перемещением по площади забоя электродной конструкции ограниченных размеров. С изменением глубины скважины целесообразна трансформация системы удаления бурового шлама с переходом от сплошной непрерывной промывки (по прямой или обратной схеме, с прокачкой жидкости или эрлифтом) к локальной (с локализацией зоны промывки и размещением шламосборника в призабойной зоне с удалением шлама контейнерами или эрлифтом).
Целесообразность применения ЭИ для бурение скважин диаметром до 150-200 мм появляется лишь при существенном технологическом эффекте, связанном с повышением относительной эффективности способа по прочным и сверхпрочным горным породам. Разрушаемость пород ЭИ-способом в большей степени определяется электрофизическими свойствами чем механическими Горные породы по электрической прочности различаются существенно в меньшей степени, чем по физико-механическим свойствам.
Например, кварцит и песчаник по прочности на сжатие отличаются в 7 раз, а по электрической прочности - менее чем в 2 раза. Поэтому различие горных пород по разру-шаемости ЭИ-способом не столь значительнокак при разрушении пород традиционными способами. Понятно, что с ростом механической прочности (крепости) пород эффективность разрушения любым способом разрушения снижается (производительность снижается, энергоемкость растет), однако в силу отмеченного выше эффективность ЭИ-разрушения снижается существенно в меньшей степени, чем при разрушении традиционными механическими способами, другими словами, относительная эффективность его использования в сравнении с механическими способами растет. Поэтому, хотя ЭИ-способ может быть применен для разрушения горных пород любой механической прочности, наибольший технико-экономический эффект его использования достигается на особо крепких горных породах и мерзлых грунтах. Однако действенность этого снижается по мере уменьшения диаметра скважины из-за сложностей с обеспечением надежной работы изоляции. Нижний предел диаметра скважины при котором применение ЭИ еще целесообразно соответственно составит 80-100 мм при промывке забоя разрушения диэлектрическими жидкостями и 110-120 мм при промывке водой.
При бурения взрывных скважин (глубиной до 3-5 м) для сооружении траншей, котлованов, отрезки от массива каменных монолитов целесообразности применения ЭИ способствует то, что при использовании неразъемных буровых снарядов кабельного типа с твердой или жидкой изоляцией появляются возможности улучшить условия работы изоляции, упорядочить регламентные работы по восстановлению вышедших из
строя элементов изоляции буровых снарядов с минимальными непроизводственными затратами времени. Компактность бурового устройства снижает факторы пожароопасности установки, допуская промывку таких скважин диэлектрическими жидкостями. В буровых устройствах маслонаполненного типа центральный токо-проводник выполняется полым и включается в систему промывки скважины, для повышения электрической прочности кабельной системы регламентируется периодическая замена и регенерация жидкого диэлектрика.
К фактором, способствующим расширению границ целесообразного применения ЭИ, относятся такие как возможность бурения скважин нестандартной формы, получения ориентированного керна, возможность создавать установки на основе компактных блоков. Физический феномен автоматического распределения разрядов по площади забоя без вращения породоразрушающего устройства (см. [1, 2]) позволяет придавать забою за счет соответствующего выбора формы электродов и их расположения любую произвольную форму сечения - круглую, прямоугольную, щелевую, кольцевую и т.д и профиль - плоский, конический, ступенчатый и т.д. В отличие от механических способов не требуется прилагать к инструменту значительных усилий - достаточно лишь обеспечивать контакт инструмента с массивом. За счет этого металлоемкость буровой установки существенно снижается. В этом случае блочное исполнение установок позволяет их доставлять в труднодоступные места для выполнения незначительных по объему, но требующих специфичных технологических эффектов работ (например, бурение скважин под анкера крепления опор ЛЭП на скальном гористом массиве и т.п.). Раздельное размещение блоков энергетического и
технологического обеспечения процесса допускает возможность создавать автономно работающие (без присутствия человека) буровые комплексы на дне моря, в недрах Земли.
Резание и поверхностная обработка массива и блоков в технологиях строительства
Опробованы оригинальные технические предложения использования электроимпульсного способа для резания и проходки щелей в массиве горной породы, поверхностной обработки блоков и негабаритов [5, 6]. При опытном резании в технической воде длина щели достигала 0,35 м, а удельные энергозатраты ЭИ-резания составили 4-6 кВт-ч/м2 по песчанику и 3,5-4,5 кВт-ч/м2 по известняку. Потенциальная скорость резания (при частоте следования импульсов 20-25 в секунду) оценивается в 2-2,5 м2/ч. Разработан новый тип устройства резания блоков пород и массива в режиме непрерывной бесцикличной проходки щелей изменяемой конфигурации, обладающий тремя степенями свободы перемещения (вглубь массива и по контуру щели). Технология обработки поверхности негабаритных блоков природного камня с целью подготовки их под механический распил (рис. 2) ис-
пытана в производственных условиях на Мончегорском карьере, Мурманская область. Скорость обработки составила 1,2 м2/ч на блоках мелкозернистого гранита,
1,6 м2/ч - крупнозернистого гранита и 0,9 м2/ч - габбро (при частоте импульсов - 5 имп/с и энергия разряда 1,5 кДж). Энергозатраты соответственно составили 4,5; 3,3 и 6,0 кВт-ч/м2.
Имеется возможность эффективного использования ЭИ-способа в технологических процессах горного дела и строительства инженерных сооружений, где особенно важно исключить нарушение сплошности массива вне забоя. Это относится к таким процессам, как:
• вырезка и обработка природного камня, в том числе художественная обработка камня;
• зачистка скальных оснований под сооружения при строительстве объектов на суше и под водой, в городской черте с ограничениями на проведение взрывных работ;
• проходка отрезных щелей с целью ограничения воздействия на массив взрывной отбойки при сооружении выработок различного назначения. При этом возможна и непосредственно вырезка блоков породы из
Рис. 2. Установка для пассировки поверхности негабаритных блоков природного камня (рисунок)
массива без применение взрывной отбойки.
При использовании про-цессов электроимпульсного бурения и резания пород в принципиальном плане могут рассматриваться такие технологии как:
• бурение скважин для закрепления объектов на подводном скальном основании;
• создание подводных камер в скальных массивах береговой линии;
• бурение льда из подводной акватории снизу вверх с выходом на дневную поверхность;
• отбор проб материала со скального грунта дна океана и поверхности подводных объектов.
Технические сложности и проблемы создания техники ЭИ-резания такого же порядка, как и средств бурения скважин. Благодаря возможности разнесения токоподводящих проводников по длине инструмента проблема изоляции в большинстве случаев решается проще.
Дезинтеграция материалов
Выполнены обстоятельные исследования, связанные с разработкой ЭИ-дезинтегра-ции материалов различной природы и области использования. В том числе изучены электрические и энергетические характеристики процесса, физические основы избирательности пробоя и разрушения, разработаны технические средства электроимпульсного дробления и измельчения материалов, определена технологическая эффективность дезинтеграции различных руд и материалов (Грантом РФФИ 2001 г. предусмотрено издание обобщающей результаты этих работ монографии «Электроим-пульсная дезинтеграции материалов», авторы: В.И. Курец, А.Ф. Усов, В.А. Цукерман, 25 а.л.).
Целесообразность применения ЭИ для дезинтеграции материалов связана, главным образом, с достижением исключительно значимого технологического эффекта по ряду объектов и процессов. Дело в том, что особых предпосылок для достижения при применении ЭИ ощутимого снижения энергоемкости процесса не выявлено. Средства ЭИ-дезинтеграции заметно уступают традиционным дробилкам и мельницам по удельным массо-габаритным параметрам. В прямом смысле нельзя говорить и о возможности тонкого измельчения материалов - при размере частиц менее 2 мм сквозной электрический пробой их становится невозможным и процесс переходит в режим разрушения за счет электрических разрядов в жидкости с существенно повышенными затратами энергии. Однако важнейшая особенность ЭИ-дезинтеграции - высокая селективность разрушения, обеспечивающая благодаря ряду механизмов, свойственных электрическому пробою и разрушению многокомпонентных сред, высокую степень раскрытия зерен полезных минералов с минимальным их разрушением, создает реальные предпосылки для практического использования ЭИ-дезинтегра-ции в рудоподготовительных операциях. Эффект повышения селективности обеспечивает на последующих стадиях обогащения руд существенное повышение извлечения и улучшение качества концентратов. Как правило, раскрытие зерен минералов происходит на более ранних стадиях измельчения материала, чем это имеет место при механическом измельчении, и с меньшим ошламованием продукта измельчения. Это позволяет применить более экономичный процесс рудоподготовки, снизить энергетические затраты на измельчение.
Технологические испытания различных полиметаллических
руд [7] показали возможность ЭИ дезинтеграции, как процесса, обеспечивающего наилучшую эффективность раскрытия полезных минералов во всех типах руд. Технологическая и экономическая эффективность применения способа наибольшая для труднообога-тимых руд с относительно невысоким извлечением существующими способами. Повышение извлечения в этом случае может достигать нескольких процентов. При ЭИ-дезинтеграции оловянной руды в концентрат извлекается 61,61 % олова при его содержании
6,07 %, а при механической только 57,76 % (валки) и 55,16 % (стержневая мельница) при содержании соответственно 5,78 и 5,96 %. При дезинтеграции проб вольфрамитовой руды ЭИ-способ обеспечивает переход большей части вольфрамита в наиболее крупные, легко обогатимые классы -5 +1 мм, в которых сосредоточивается более 60 % вольфрамита, в то время как при механической дезинтеграции - только 47 %. При ЭИ-дезинтеграции чистые зерна вольфрамита составляют 84,3 % от извлеченного количества, в сростках остается 15,7 %, а для механической дезинтеграции 79,9 и 20,1 %, соответственно.
Способ электроимпульсной дезинтеграции материалов с высокой технологической эффективностью апробирован на разных рудах с крупнокристаллическими включениями. Особенно перспективен способ для руд, при измельчении которых необходимо сохранить кристаллосырье от разрушения (драгоцен-ные камни, пьезооптическое сырье, слюда). В традиционных производственных условиях выделение ограночного кристаллосырья из коренных продуктивных пород чаще всего осуществляется вручную разделкой кусков руды, в которых визуально выявлены кристаллы, или которые выделены из породной массы по определенным признакам. При
сопоставлении ЭИ-раскрытия пород с тщательной ручной разделкой, выполненном на различных рудах с кристаллами изумрудов, алмазов, рубинов, шпинели, гранатов, извлечение кристаллов при ЭИ-раскрытии оказывается в 1,52 раза более высоким с существенно лучшей их сохранностью от разрушения. Результаты исследований подтверждены опытно-промышленной переработкой партии сырья на комплексной установке, созданной совместно НИИ ВН (г. Томск), «Механобр» (г. С.-Петербург) и КНЦ РАН (г. Апатиты).
Извлечение алмазов по ЭИ-схеме по сравнению с механической более чем в два раза (8,48 и 4,01 карат/т). При этом извлечение крупных кристаллов (2-4 мм) также примерно в два раза выше (75 и 37 % соответственно) [7].
ЭИ-раскрытие слюдяных сростков (Мамско-Чуйское месторождение, Восточная Сибирь) [8] в одну стадию от 250 до 50 мм по выходу забойного сырца практически соответствует тщательному ручному раскрытию, в то время как существующая промышленная технология раскрытия сростков в механических дробилках в сравнении с ручным раскрытием дает результаты в 1,2-1,3 раза худшие. Крупных кристаллов (площадью свыше 50 см2) сохраняется в 3-4 раза больше, чем при ручном раскрытии, что в стоимостном выражении соответствует повышению выхода слюды на 20-25 %. Выход мелкоразмерной слюды (+5 мм), составляющей основною массу выделенной слюды, повышается более чем в 2 раза. Изменений механических и электрических свойств мусковита под влиянием электрических разрядов не выявлено. При сравнительных испытаниях ЭИ-способа разделки слитков (диаметром 600-900 мм) искусственной слюды фтор-флогопита выход промышленного продукта (под-боров слюды) при
Рис. 3. Дезинтегрирующие устройства непрерывного действия.
а - 3-стадиальная измельчительная камера со стержневыми электродами и разгрузкой в бункер; б - камера грубого измельчения с выделением продукта барабанным грохотом и разгрузкой шнеком; в -многоэлектродная измельчительная камера с ковшовым элеватором разгрузки, г - камера крупного дробления с ковшовым элеватором разгрузки; д - измельчительно-отсадочная машина
ЭИ-дезинтеграции слитков оказался в 1,3 раза выше в сравнении с технологией разделки, которая применяется на предприятии-производителе (ВНИИСИМС, г. Александров).
Способ эффективно может быть использован для получения продуктов, не загрязненных аппаратурным металлом, заданного узкого класса крупности, с минимальной окатанностью граней кристаллических частиц. Так как рабочим инструментом при элек-троимпульсном разрушении является искра, не возникает проблем с загрязнением продукта измельчения аппаратурным металлом, материалом мелющих тел, что свойственно механическим способам измельчения материалов. Поэтому электроимпульсное измельчение высоко абразивных материалов, особо чистых материалов предпочтительнее механического измельчения. Возможность ЭИ-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. Например, это представляет интерес в технологии получения кварцевого стекла. Продукту электро-импульсного измельчения свойственна меньшая окатанность, большая удельная поверхность зерен, большее соответствие вскрытых частиц минеральных включений
их исходному природному состоянию в породе (морфологии). Продукт электроимпульсного измельчения лучше передает минералогические и петрографические особенности породы и поэтому достоверность интерпретации геологической информации выше. Эти уникальные особенности процесса обуславливают целесообразность применения ЭИ в различных специальных целях с ограниченными объемами работ даже при современном уровне разработки технических средств способа и его электротехнического обеспечения [9].
При ЭИ-дезинтеграции нет особых сложностей с решением проблемы изоляции, поскольку конструкции электродных систем допускают разнесение электродов во взаимно перпендикулярных плоскостях (тип «острие-плоскость») или в противоположные стороны от разрядного промежутка (тип «острие-острие», «пластина-пласти-на»). Некоторые виды дезинтегрирующих камер, испытанных в работе на стендовых и опытно-промышленных установках, представлены на рис. 3.
Электротехническое обеспечение ЭИ-технологий.
Многие проблемы электротехнического обеспечения ЭИ-технологий к настоящему времени успешно решены. Обоснованы рациональные схемы источников импульсного напряжения, в том числе при использовании в качестве промывочной жидкости воды [4]. С привлечением отраслевых научных и проектно-
конструкторских организаций обоснованы технические решения и созданы опытные образцы зарядных устройств с повышенным к.п.д. заряда для специфичных условий ЭИ, источники импульсов шахтного исполнения и погружные (в скважину) источники импульсов по схеме импульсного трансформатора (см. [1]). Обоснованы технические решения и меры
по обеспечению электробезопасности при эксплуатации электро-импульсных установок.
Главной технической проблемой, от которой в решающей степени в настоящее время зависит возможность реализации ЭИ-разработок в промышленном масштабе является разработка конденсаторов с повышенным (в сравнении с существующими промышленными типами) ресурсом и повышенной надежностью работы в жестком динамическом режиме «заряд - разряд». Это является не только технической, но и, в значительной степени, экономической проблемой. В ЭИ-технологиях ресурс работы конденсаторов определяет экономическую эффективность процесса, так как стоимость конденсаторов составляет значительную, а в некоторых случаях и основную часть эксплуатационных затрат. В первом приближении для целей ЭИ-технологий «ресурсный» критерий экономической целесообразности может быть определен следующими цифрами: измельчение рядовых руд и материалов оправдывается при ресурсе работы конденсаторов порядка 109 циклов «заряд-раряд»; бурение крепких скальных пород, селективное измельчение и разупрочнение крупнов-крапленных руд повышенной стоимости - при ресурсе в 108 циклов; в специальных установках с ограниченным объемом работ и производительностью (геологические пробы, специальные материалы) - при ресурсе 107 циклов. Поскольку ранее в конденсаторостроении номенклатурой изделий не предусматривались конденсаторы, удовлетворяющие условиям их работы в ЭИ-процессах, сейчас лишь условно можно говорить о наличии таковых. Возможность создания конденсаторов с ресурсом в 108 циклов подтверждается опытом их изготовления Ленинградским и Харьковским политехническими институтами для специальных установок, а также
опытом Серпуховского филиала НПО "Конденсатор", изготовившим по техническим условиям Кольского научного центра РАН партию конденсаторов ИМ-50-0.2, которая затем успешно опробована и продолжает использоваться в лабораторных установках КНЦ и НИИВН ТПУ. В самое последнее время Институтом импульсных процессов и технологий НАН Украины (г. Николаев) для электро-гидравлической технологии разработаны конденсаторы ИКУ-50-0,1 (100 гц, 109 циклов) и ИКУ-50-
0,5 (20 гц, 108 циклов), которые с высокой вероятностью могут рассматриваться в качестве базовых элементов источников импульсов и для целей ЭИ-технологий. Высоковольтное электроаппарато-строение для электроразрядных технологий - сравнительно мо-
лодая отрасль электротехники. Имеющийся багаж технических идей по совершенствованию оборудования значителен и возможность технологического прорыва в этой отрасли в самое ближайшее время очевидна.
Выводы
Электроимпульсный способ разрушения горных пород и руд позволяет создать в горном деле новый класс машин высокопроизводительного бурения для добычи руд и строительства инженерных сооружений в крепких скальных породах, реализовать экологически чистые рациональные технологии переработки минерального сырья и отходов производства. Большой объем научно-исследовательских и проектноконструкторских работ успешно апробирован в опытно-
промышленном масштабе. Отдельные технологии ЭИ с минимальным циклом проектноконструкторских работ могут быть реализованы в производстве уже при существующем уровне разработки техники. По двум главным техническим пробле-
мам, от которых зависело создание машин с высокой эксплуатационной надежностью и экономической эффективностью, -изоляция и импульсные конденсаторы - получены убедительные свидетельства большой вероятности их успешного разре-
шения. Таким образом, созданы главные научно-техни-ческие предпосылки, делающие возможным широкое промышленное использование новых разработок уже в самой ближайшей перспективе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электро-импульсного разрушения материалов.- Апатиты: КНЦ, 1995, - 276с.
2. Усов А.Ф., Цукерман В.А. Работающая искра: инновационные физические процессы горного производства. -Горный информационно-аналитический бюллетень - М.: МГГУ, 2000, №1, с. 188-193
3. Ерухимов А.Х., Тузов Н.П., Усов А.Ф. Об условиях работы комбинированной изоляции коаксиальных систем передачи высоковольтных
импульсов. - В сб. Электрофизическая аппаратура и электрическая изоляция. - М.: "Энергия", 1970, с.612-617.
4. Усов А.Ф., Семкин Б.В., Зиновьев Н.Т. Переходные (электрические) процессы в установках электроимпульсной технологии. - Л.: Наука ЛО, 1987, - 189 с.
5. Усов А.Ф. Опыт КНЦ РАН в разработке электроимпульсных технологий для целей строительства. -В сб. Проблемы энергетики запада Европейского Севера России. Апатиты: КНЦ РАН, 1999, с 86-92.
6. Обработка природного камня электрическими разрядами /Б.С.Блазнин, И.А.Щеголев, Л.И.Лозин и др. // Электронная обработка материалов. 1983 № 1, с.5-7.
7. Shuloyakov, A.D., Finkelstein, G.A., Tsukerman, V.A. and Kurets V.I., 1995. Electric pulse Disintegration as a most efficient method for selective destruction of minerals. Proceedings of the XIX International Mineral Processing Nongress. Comminution and Simulation and Control. San-Francisco, USA, pp. 147-150
8. Усов А.Ф., Ракаев А.И. Электроимпульсное дробление и разупрочнение руд и материалов // Обогащение руд, 1989, № 4, с.42-43
9. A.Usov, V. Tsukerman. Prospective of electric impulse processes for the study of the structure and processing of mineral raw materials/ - In Proceedings of the XXI International Mineral Processing Congress, Rome, Italy, July, 23-27, 2000, volume C, pp. C2.8-C2.15.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Усов Анатолий Федорович - начальник научно-организационного отдела Кольского научного центра РАН, ст. научный сотрудник Института физико-технических проблем энергетики Севера.
Цукерман Вячеслав Александрович - зам. директора центра промышленной и инновационной политики, зав. отделом Института экономических проблем Кольского научного центра РАН
