Интенсификация процессов извлечения редких металлов при электро-гидроимпульсной дезинтеграции

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

• 1. ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫЙ СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
• 1.1 Физический принцип способа и его технологические возможности
• 1.2 Бурение скважин
• 1.3 Дробление и измельчение материалов
• 1.4 Разрушение железобетонных изделий
• 1.5 Избирательная дезинтеграция геологических проб
• 1.6 Обработка природного камня электрическими разрядами
• 1.7 ЭИ-резание и размерная обработка поверхности массива
• 2. УСТАНОВКА ПО ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНОЙ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ И МАТЕРИАЛЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
• 2.1 Установка по электрогидроимпульсной дезинтеграции материалов
• 2.2 Отбор проб рудных материалов и анализ их основных технологических свойств
• 2.2.1 Сульфидные руды
• 2.2.2 Анализ основных вещественных и энергетических характеристик объектов исследования
• 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНОЙ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ
• 3.1 Краткая характеристика исходной пробы сульфидной медной руды
• 3.2 Краткая характеристика исходной пробы Рубцовской крупнодробленой сульфидной руды
• 3.3 Электронно-микроскопические исследования структуры материалов, подвергшихся электроимпульсному воздействию
• 3.4 Эффект расплава
• 3.4.1 Спектральный анализ участков расплава
• 4. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНОЙ УСТАНОВКИ В ЛАБОРАТОРИИ «IРГЕТАС»
• 4.1 Основные опасные факторы при работе с установкой по электрогидроимпульсной дезинтеграции
• 4.1.1 Поражение электрическим током
• 4.1.2 Защита от вредных веществ в воздухе рабочей зоны
• 4.1.2.1 Основные вредные вещества. Классификация
• 4.1.2.2 Требования безопасности
• 4.1.2.3 Требования к санитарному ограничению содержания вредных веществ в воздухе рабочей зоны
• 4.1.2.4 Оздоровление воздушной среды
• 4.1.3 Создание требуемых параметров микроклимата в производственных помещениях
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
• ВВЕДЕНИЕ
• Для современного этапа интенсификации процессов ресурсосбережения и охраны окружающей среды в Казахстане новое явление представляет собой концепция формирования безотходного экологически чистого производства цветных и благородных металлов при комплексном освоении недр и необходимости вовлечения в переработку полиметаллического сырья сложного вещественного состава.
• Проблема комплексного освоения труднообогатимых руд (списанных и поступающих на переработку) и техногенных отложений горно-обогатительных и металлургических предприятий Республики Казахстан и восточной его части, насыщенных такими предприятиями, актуальна. Ее актуальность связана с необходимостью освоения нетрадиционного сырья при обеспечении рентабельности предприятий за счет внедрения новых конкурентоспособных наукоемких комбинированных малоотходных или безотходных технологий.
• Извлечение самородных драгоценных металлов (золота, платины) из руд коренных месторождений требует их измельчения, которое приводит к размазыванию пластичных металлов по поверхности частиц измельченного материала. Это существенно ограничивает возможность использования более дешевого гравитационного обогащения для выделения металла и вынуждает использовать более дорогое и экологически опасное химическое обогащение.
• При создании комбинированных технологий переработки полиметаллического рудного сырья наиболее значимыми и наиболее сложными являются операции вскрытия и выщелачивания руд и коллективных сульфидных продуктов обогащения. Для труднообогатимой части такого сырья эта проблема особенно сложна из-за специфики проявления индивидуальных технологических свойств. В этом случае перспективно использование метода электроимпульсной дезинтеграции, так как именно он в сравнении с традиционными способами существенно снижает выход тонких классов, а вскрытый металл не переизмельчается и концентрируется в более высоком классе крупности, соответствующем исходной крупности включений. Этим создается возможность использования более прогрессивного гравитационного способа обогащения. Поскольку часто крупность зерен полезных ископаемых находится в достаточно узком интервале размеров, их раскрытие без разрушения создает дополнительную возможность поднять эффективность обогащения таких типов руд[4].
• Цель работы - исследование процессов разрушения, характера дезинтеграции материалов и выделения металлов при электрогидроимпульсном воздействии.
• Объекты исследования - основные типы полиметаллического сырья сложного химико-минералогического состава, содержащие медь, цинк, свинец, благородные металлы, а также углеродсодержащие нерудные породы.
• Задачи:
• - провести испытания установки по электрогидроимпульсной дезинтеграции
• - исследовать процесс электрогидроимпульсной дезинтеграции сульфидных руд
• - исследовать образцы руд и структуру кристаллов до и после испытаний
• - определить характер раскрытия зерен минералов и полезных ископаемых
• 1. ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫЙ СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
• 1.1 Физический принцип способа и его технологические возможности
• электроимпульсный руда кристалл
• Появление электроимпульсного метода разрушения материалов, и прежде всего горных пород и руд, объективно отражало потребность в развитии новой техники, новых высокоэффективных технологических процессов и оборудования, средств механизации и автоматизации, без которых стал немыслим технический прогресс в горной промышленности. В 50-60-е годы, отмеченные заметными успехами в совершенствовании традиционных механических методов разрушения и значительным прогрессом в использовании взрывчатых веществ, в результате «мозгового штурма» проблемы был предложен целый ряд новых методов разрушения твердых тел, основанных на различных физических принципах: электроэрозионный метод; электротермические методы, в том числе на основе электротеплового пробоя, индукционного (индукторного и конденсаторного) и волнового нагрева; лазерный метод; электрогидравлический; электровзрывные методы, в том числе электродинамический, на основе высоковольтного пробоя и электроимпульсный. Классификация способов будет дана ниже. Как отмечал Н.В.Мельников, поиск новых методов необходимо вести на базе достижений физико-математических наук. В.И.Попков указывал на особые возможности электрофизики, где еще не были затронуты глубокой научной проработкой процессы, связанные с проявлением сильных электрических полей и их взаимодействием с веществом, с электро-разрядными процессами в различных средах, включая взаимодействие плазменного канала с твердым телом. Небезынтересно отметить, что разработка отдельных способов при наличии существенных отличительных признаков их по принципу действия происходила в условиях взаимопроникновения отдельных идей, способствовавших достижению в каждом способе максимальной эффективности процесса, наилучшему проявлению его специфических свойств и возможностей[1].
• Исторически электроимпульсный способ разрушения прошел два этапа и по физическим особенностям имеет две разновидности. С появлением интереса к новым методам разрушения материалов быстро и естественно в конце 40-х годов А.А.Воробьевым и Е.К.Завадовской (Томский политехнический институт) был предложен способ, основанный на электрическом пробое материала с использованием импульсного высокого (сотни киловольт) напряжения. К открытию нового метода ученые были подготовлены также большим объемом работ по физике пробоя диэлектриков и изучению их электрической прочности, выполнявшихся в интересах электро-аппарато-строения. Исследователи сталкивались с разрушением твердых диэлектриков при их электрическом пробое и соответственно изучали его характер. Кроме того, в научной литературе имелись многочисленные сведении о наблюдавшихся в природе случаях разрушения естественных объектов (деревья, скалы) и сооружений (башни, железобетонные опоры и т.п.) при ударе в них молнии. Уже в 1950 г. И.И.Каляцкий выполнил исследования, позволившие предложить способ отбойки углей электрическим пробоем с использованием генераторов импульсного напряжении (ГИН)[2].

Б.Х.Бродская, С.Т.Бондаренко исследовали отбойку горючих сланцев. Позднее работами А.В.Астафурова была расширена гамма пород и материалов, склонных к такому разрушению. Технологической особенностью практического применения предложенного способа разрушения в горном деле является требование особого (существенно более 1,0) соотношения расстояния между электродами по поверхности и на сквозной пробой для того, чтобы имел место электрический пробой в массиве, а не перекрытие по поверхности, не сопровождающееся разрушением. При разрушении кускового материала это достаточно просто достигается, если куски имеют лещадную форму. Отбойка породы от массива возможна лишь при ступенчатой форме забоя или при расположении электродов в специально выбуренных шпурах. Так как создание технологии разрушения массива с непрерывным процессом разрушения на таком принципе представлялось весьма затруднительным, дальнейшие исследования были направлены на то, чтобы снять ограничения на пробой породы при наложении электродов с одной свободной поверхности[3]. Половина решения состояла в том, чтобы поместить разрушаемый материал в электрически прочную среду, например трансформаторное масло. Это решение было естественным, так как данный прием уже использовался в практике исследований электрической прочности материалов на образцах. Вторая половина решения состояла в использовании импульсов напряжения вполне определенных параметров.

Рисунок 1. Вольт-секундные характеристики некоторых горных пород и жидких сред на косоугольных импульсах напряжения.

1- кварц; 2 - фельзит-порфир; 3 - трансформаторное масло; 4 - мрамор; 5- глинистый сланец; 6 - песчаник; 7 - вода при с= 6*103 Ом*см

Данная идея возникла на базе исследований, выполненных Г.А.Воробьевым. В исследованиях электрической прочности жидких и твердых диэлектриков на косоугольной волне импульсного напряжения было установлено, что их вольт- амперные (вольт-секундные) характеристики характеризуются различным коэффициентом импульса в=Uимп/Uст.

С уменьшением времени экспозиции импульсного напряжения прочность жидких диэлектриков растет быстрее, чем для твердых диэлектриков, и имеет место инверсия соотношения электрической прочности сред. Если на статическом напряжении (Uст ) электрическая прочность твердых диэлектриков, как правило, превышает прочность жидких диэлектриков, то на импульсном напряжении (Uимп) при экспозиции напряжения менее 10-6с электрическая прочность диэлектрических жидкостей и даже технической воды возрастает настолько, что становится выше прочности твердых диэлектриков и горных пород. Сопоставление вольт-секундных характеристик пробоя на фронте косоугольного импульса напряжения для ряда горных пород, трансформаторного масла и технической воды представлено на рисунке 1. Крутизна фронта импульса напряжения, соответствующая точке пересечения вольт-секундных характеристик (Акр), т.е. условию равпопрочности сред, и получившая название критической крутизны импульсного напряжения, стала первым важным критерием для характеристики условий электроимпульсного разрушения.[6]

Действительно, если рассматривать систему находящуюся в жидкости, с наложенными на поверхность твердого тела (горной породы) электродами (Рисунок 2), то при подаче на электроды импульсного напряжения с крутизной фронта, соответствующей критической и выше, вероятность пробоя твердого тела (внедрения разряда в твердое тело) будет более чем 50% энергии, то произойдет микроэлектровзрыв твердого тела в промежутке между электродами с образованием откольной воронки.

Рисунок 2. Принцип электроимпульсного разрушения

Рисунок 3. Принципиальные схемы технологических применений электроимпульсного разрушения твердых тел. а- бурение; б- резание; в- дробление; г- разрушение ЖБИ;

1-высоковольтный электрод;2- заземленный электрод;3- разрушаемая порода; 4- искровой канал; 5- источник импульсного напряжения

Первые экспериментальные исследования описанного выше явления были выполнены А.Т.Непиковым, и они позволили осуществить электроимпульсный (ЭИ) способ разрушения твердых непроводящих тел с широкой гаммой технологического применения - бурение скважин, дробление и измельчение материалов, резание (Рисунок 3).

В ходе разработки этих основных технологических процессов были предложены многочисленные варианты их реализации в соответствии со специфическими условиями и требованиями технологий. Значительный вклад в разработку ЭИ-технологий на разных этапах внесли А.М.Адам, В.И.Брылин, Б.С.Блазнин, А.А.Будников, А.А.Воробьев, Г.А.Воробьев, А.А.Дульзон, А.Х.Ерухимов, Н.Т.Зиновьев, Л.Л.Игнатенко, В.М.Зыков, А.Т.Кленин, А.В.Кривоносенко, Н.Е.Коваленко, И.И.Каляцкий, В.И.Курец, В.С.Кононенко, Б.С.Левченко, Т.Ю.Могилевская, Н.Ф.Побежимов, Л.Л.Редутинский, С.Я.Рябчиков, Л.Л.Савчук, В.Н.Сафронов, Б.В.Семюш, В.Я.Симонов, А.Г.Синебрюхов, М.П.Тошсоногов, Н.П.Тузов, Ю.Б.Фортес, А.Ф.Усов, Г.А.Финкельштейн, В.А.Цукерман, А.Т.Чепиков, И.А.Щеголев и другие.

1.2 Бурение скважин

Упрощенная технологическая схема ЭИ проходки скважин с обратной циркуляцией промывочной жидкости нагнетанием приведена схеме. Схема включает источник импульсного напряжения, буровой снаряд с направляющими и спускоподъемными механизмами и систему промывки скважин. Главными элементами бурового снаряда являются буровой наконечник (буровая коронка), колонна буровых штанг и высоковольтный ввод. Буровые штанги кроме функций, присущих механическим способам бурения, выполняют также функцию передачи импульсов напряжения от генератора импульсов к буровому наконечнику, для чего они снабжаются центральным тоководом, а обратным тоководом служит наружная труба штанги. По всей длине штанги центральный токовод зафиксирован относительно наружной трубы с помощью изоляторов, при промывке скважины водой один из тоководов покрывается твердой изоляцией или предусматривается трубчатое исполнение центрального токовода с подачей по нему промывочной жидкости. Буровой наконечник представляет собой систему объединенных в единую конструкцию высоковольтных и низковольтных электродов, равномерно распределенных по забою с примерно одинаковой величиной промежутков между разнополярными электродами.

1.3 Дробление и измельчение материалов

Технологическая схема дробления и измельчения материала (Рисунок 4) включает источник разрядов, разрядную камеру, системы подачи исходного материала и удаления продукта дробления.

Рисунок 4. Принципиальные схемы электроимпульсного дробления и измельчения материалов, разрушения блоков и слитков

Тип и конструктивные особенности камеры главным образом определяются исходной крупностью материала и требуемой крупностью продукта. Исходная крупность определяет тип электродной системы камеры, а крупность дробления - способ удаления продукта. Форма электродов должна способствовать эффективному пробою кусков руды, а это обеспечивается в том случае, если имеется определенное соответствие между размером куска и величиной межэлектродного расстояния. Так как последнее определяет уровень рабочего напряжения (с увеличением разрядного промежутка напряжение пробоя повышается), которое из эксплуатационных соображений ограничено величиной 300-400 кВ, то следует, что предельно допустимая величина разрядного промежутка может быть определена в 30-50мм. Соответственно этому в камере с электродами типа «стержень-плоскость» (Рисунок 4а,б) возможен эффективный пробой кусков руды крупностью не более 40-60мм. Если конечная крупность дробления соответствует нескольким миллиметрам, то удаление готового продукта в накопитель производится через классифицирующие отверстия в электроде- «плоскости» (Рисунок 4а), а если материал измельчается до долей миллиметра, то готовый продукт удаляется восходящим потоком жидкости, подаваемой снизу в рабочую зону камеры (Рисунок 4б).

Дробление кусков материала крупностью 50-300 мм производится в камерах с электродами, образующими щелевой зазор (Рисунок 4в). Последовательное (стадиальное) дробление материала в секциях камеры с уменьшающейся величиной щелевого зазора позволяет реализовать условия энергетической (соответствие энергетического режима разряда крупности разрушаемых кусков материала) и технологической (своевременный вывод из процесса полезного минерала по мере его раскрытия во избежание переизмельчения) оптимизации процесса.

Разрушение крупных блоков естественных и искусственных (например, синтетическая слюда) материалов размером до 1000 мм и более осуществляется в устройствах типа (Рисунок 4г), в которых идет процесс последовательного уменьшения объема куска за счет отделения отдельных его частей при внедрении разряда с поверхности.[5]

Важнейшей особенностью электроимпульсного дробления и измельчения руд, главным образом определяющей перспективность его использования, является высокая селективность разрушения материала, проявляющаяся в лучшем раскрытии зерен полезных минералов и лучшей их сохранности от разрушения. Можно выделить следующие механизмы, обеспечивающие высокую селективность электроимпульсного разрушения- избирательная направленность канала пробоя на рудные включения, создающие в куске руды неоднородности электрического поля; избирательный электрический пробой менее электрически прочных компонентов руды, какими чаще всего являются минералы пустой породы; избирательное разрушение более хрупкой вмещающей породы, например в слюдяных и асбестовых рудах. Лучшее раскрытие зерен полезного минерала, их меньшее ошламование создают возможность более полного извлечения полезного минерала в концентрат при обогащении руды. Технологический эффект улучшения раскрытия полезного минерала в различной степени проявляется практически на всех типах руд, включая сильношламующиеся и тонковкрапленные. Технологическая и экономическая эффективность применения электроимпульсного измельчения будет наибольшей для труднообогатимых руд с относительно невысоким извлечением существующими способами. Важно, что при электроимпульсном измельчении раскрытие полезных минералов происходит на более ранних стадиях измельчения, т.е. процесс обогащения может быть существенно упрощен. Высокая сохранность полезных компонентов от разрушения делает электроимпульсное разрушение особо эффективным для извлечения ограночного кристаллосырья, слюд, асбеста, пьезосырья.

Так как рабочим инструментом при электроимпульсном разрушении является искра, не возникает проблемы с загрязнением продукта измельчения аппаратурным железом, материалом мелющих тел, свойственным механическим способам измельчения материалов. И в этом отношении электроимпульсное измельчение высокоабразивных, особо чистых материалов предпочтительнее механического измельчения.

Особых предпосылок для достижения при электроимпульсном измельчении более низких затрат энергии в сравнении с механическим измельчением нет. В отличие от процесса бурения при механическом дроблении кускового материала раздавливанием, раскалыванием погружение и разрушение материала происходят с преобладанием напряжений разрыва и сдвига, т.е. близко к тому, что реализуется при разрушении электровзрывом. Однако возможность электровзрыва 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, и это также может представлять интерес для отдельных отраслей промышленности. Продукту электроимпульсного измельчения свойственна меньшая окатанность, большая удельная поверхность зерен, большее соответствие вскрытых частиц минеральных включений их исходному природному состоянию в породе. Эти свойства измельченного материала могут решающим образом определять качество продукта, например светимость люминофоров, реакционную способность в гидрометаллургическом процессе, в бетонной смеси и т.п. Достоверность интерпретации геологического процесса будет выше, так как продукт электроимпульсного измельчения лучше передает минералогические и петрографические особенности породы.[8]

Электроимпульсное измельчение материалов, как правило, проводят в воде. Применение диэлектрических жидкостей (органических масел) часто бывает просто исключено из-за их воздействия на поверхностные свойства измельченных минеральных частиц (например, изменяется флотируемость минералов). А с другой стороны, геометрия электродов такова, что формирование импульсов напряжения с требуемыми параметрами (амплитудой и длительностью фронта) не представляет особых затруднений, даже если используется техническая вода. Для повышения сопротивления нагрузки имеется возможность максимально изолировать электроды, разделить конструкцию на параллельно работающие секции.

1.4 Разрушение железобетонных изделий

Данное технологическое применение электроимпульсного способа разрушения осуществляется по схеме, представленной на Рисунке 3. Объектом разрушения служат некондиционные железобетонные изделия (ЖБИ) - брак производства или выбывающие из эксплуатации панели. Целью разрушения ЖБИ является утилизация арматурного металла и бетона. Особенностью ЭИ- процесса в данном технологическом применении является то, что одним из электродов системы является арматура ЖБИ. В тех случаях, когда арматура не обнажена, процесс электрического пробоя облегчен, так как разряд на арматуру может быть осуществлен только путем пробоя слоя бетона. Однако таков облегченный случай пробоя, скорее всего, исключение, чем правило. Реальный процесс разрушения ЖБИ означает постепенное обнажение арматуры и может осуществляться только в режиме электроимпульсного пробоя - с внедрением разряда в бетон при наличии и альтернативной возможности перекрытия по поверхности на обнаженную арматуру. При этом необязательно, чтобы в каждом акте пробоя электрод касался бетона, пробой может быть и комбинированным с частичным прохождением через водную среду.

1- загрузочное устройство; 2- ЖБИ; 3- технологическая ванна; 4- электродная система; 5- источник импульсов; 6- разгрузочное устройство;7 - шламосборник.

Рисунок 5. Технологическая схема ЭИ- установки для утилизации некондиционных железобетонных изделий.

Технологическая схема разрушения ЖБИ представлена на рисунке 5. Панель 2 загружается в ванну с водой 3; рабочий электрод 4 с помощью манипулятора постепенно перемещается по ячейкам изделия, при этом система контроля выдает команду для перемещения в новое положение лишь после полного разрушения ячейки; освободившиеся после разрушения ЖБИ арматура и бетонный шлам по отдельности удаляются из ванны. Как показали опытные работы по разрушению ЖБИ, состояние арматуры позволяет ее повторное использование, так же как и бетона после дополнительного его доизмельчения.

Преимущества способа

1) отсутствие диспергирования породы во всех видах технического
разрушения, кроме измельчения, т.е. обеспечение дискретного регулируемого разрушения, устраняющего затраты энергии на излишнее
обнажение поверхностей в продуктах разрушения;

2) нагружение горной породы с преобладанием напряжений разрыва и сдвига, а не сжатия, так как прочность на разрыв и сдвиг существенно ( на породах) ниже прочности на сжатие;

3) хорошая управляемость характером и направленностью нагружения.[7]

Из бездолотных способов разрушения прежде всего можем выделить группу способов, в которых воздействие на породу осуществляется через или непосредственно жидкой средой: гидромониторный, гидро-импульсный, гидровакуумный, электрогидравлический и ампульный с ВВ. Область применения гидромониторного и гидроимпульсного способов разрушения ограничена размывом сравнительно слабых горных пород. Наличие звеньев преобразования энергии не способствует снижению энергетических затрат на разрушение, и применение способов чаще всего диктуется технологическими преимуществами.

Ряду сформулированных выше требований к эффективному способу разрушения твердых тел отвечает электрогидравлическое разрушение. Воздействие на твердое тело осуществляется через промежуточную жидкую среду, в которой при ее электрическом пробое непосредственно или электрическом взрыве проволочки формируются волны сжатия. Существует аналогия действия электровзрыва в жидкости и действия ВВ на горные породы, особенно если сравнивать с ампульным взрывом ВВ в жидкости. По результатам сопоставительных исследований определен тротиловый эквивалент электровзрыва в жидкости: 1г тротила соответствует 4-5,5 кДж энергии электровзрыва. Различие состоит лишь в количественном соотношении бризантного и фугасного действий взрыва, в распределении энергии между ударной волной и парогазовой полостью. При взрыве ВВ переход энергии в ударную волну более значителен (до 70%), и благодаря большому количеству газообразных продуктов фугасное действие взрыва более продолжительное и более эффективное. С другой стороны, электровзрыв выгодно отличается от взрыва ВВ возможностью в широких пределах регулировать характер и направленность воздействия. Следует иметь в виду, что сопоставление с ВВ носит методический характер. Способы разрушения с помощью ВВ и другие методы в практическом плане не являются альтернативными. Как затруднительно использовать ВВ в процессах бурения и измельчения материалов, так же затруднительно найти более эффективный, чем с помощью ВВ, способ массовой отбойки руды при их добыче, массового разрушения и перемещения скальных массивов при строительстве гидротехнических и других сооружений.[9]

Электровзрыв в жидкости отличает импульсный характер и высокая интенсивность воздействия, соответственно высокоскоростное нагружение и механизм хрупкого разрушения материалов, однако заметного энергетическою выигрыша на разрушении не получено. При бесконтактном (через промежуточный носитель) способе передачи энергии важным фактором становится способность твердого тела воспринимать направленную к нему энергию, и в этом отношении электровзрыв в жидкости не является идеальным. Немаловажным оказался и тот факт, что волна сжатия, опередив фронт распространения трещин в материале, «проносит» энергию через разрушаемое тело с последующим бесполезным рассеиванием ее в окружающей среде. В ближней зоне действия прямого фронта ударной волны (по сути основного энергетического фактора) разрушающий эффект оказывается незначительным, так как несмотря на высокую интенсивность нагружения, разрушение происходит под действием напряжений сжатия. Основной разрушающий эффект обусловлен вторичными факторами - созданием растягивающих напряжений при отражении волн от свободных поверхностей, гидравлическим давлением рабочей жидкости, соударениями частиц в гидропотоке. Наиболее благоприятным с энергетической точки зрения является способ разрушения негабаритов, бетонных фундаментов и блоков с помощью взрывателей в предварительно выбуренных шпурах. В этом случае в максимальной степени используется поршневое действие газопаровой полости, поддерживающее рост трещин в массиве, инициированных при прохождении ударной волны.[10] При направленном расколе монолитов на блоки и их пассировке с использованием опытных образцов установок «Импульс» и «Базальт» энергетические затраты на единичную площадь раскола составили 12-93 кДж/м2, в том числе по известняку 13-17 кДж/м2, по крупнозернистому граниту 27-33 Дж/м2. В сравнении с существующим буроклиновым способом на треть повышается выход кондиционного сырья, в 2-3 раза снижаются затраты времени на получение одного кубометра блоков. Показатели электрогидравлического дробления различных материалов приведены в таблице 1.

Из-за значительных энергетических затрат и неудовлетворительных массогабаритных параметров установок электрогидравлическое дробление и измельчение не нашли сколько-нибудь широкого применения в горном деле, за исключением отдельных специфических случаев, когда решающими факторами явились технологические особенности дробления - чистота продукта дробления, регулируемость грансостава и другие. Из других технологических процессов на основе электровзрыва в жидкости перспективными являются очистка литья, развальцовка трубок, фасонное формообразование металлического листа.

Критериям эффективного разрушения отвечают электротермические способы, в основе которых лежит разрушение материала под действием термонапряжений при формировании перегретого участка материала внутри разрушаемого тела. Нагрев тела может осуществляться электромагнитным полем высокой и сверхвысокой частоты, токами промышленной и высокой частоты, в том числе при дуговом разряде в твердом теле. Разрушающий эффект за счет термонапряжений свойствен и, может быть, является решающим для отдельных видом и термического разрушении («кислородное копье», лазерное разрушение). Благоприятным с энергетической точки зрения фактором процесса является разрывающий характер действия «температурного клина». Однако в силу незначительности коэффициентов температурного расширения способу присуще «ближнедействие» и для разрушения крупных агрегатов породы требуется значительное время его нагрева (до десятков минут). Все это соответственно сопровождается значительными тепловыми потерями. При нагреве ВЧ- и СВЧ- полями проявляется высокая избирательность материала к поглощению электромагнитного поля, а потому область эффективного применения способа ограничена породами с повышенными диэлектрическими потерями (например, железистые кварциты).

Таблица 1

Показатели электрогидравлического дробления

При электротермическом разрушении определенную роль играют и другие разрушающие факторы, обусловленные процессами испарения влаги, декриптацией, релаксацией остаточных напряжений, полиморфными и фазовыми превращениями, спеканием и выгоранием органических соединений в породах осадочного комплекса. Например, эффективное расслоение кристаллов слюды при нагреве в ВЧ- поле обусловлено испарением межкристаллической влаги, вспучиванием гидратизированной слюды. Применительно к разрушению мерзлых грунтов показана высокая эффективность электротермомеханического способа разрушения, представляющего комбинацию разупрочнения грунта термомеханическими напряжениями при ВЧ- нагреве с механическим разрушением и эскавацией. Этот же фактор (разупрочнение породы термомеханическими напряжениями) в сочетании с более «тонкими» процессами, приводящими к снижению прочности пород при нагревании, используется и при электротермомеханическом разрушении горных пород. По данным, приводимым в таблице 1, термическая обработка забоя скважины при шарошечном бурении повышает скорость бурения от 1.5 до 5 раз.

Электродинамический (разряд конденсатора на электротепловой канал пробоя) и электроимпульсный способы разрушения имеют принципиальное отличие от электротермического способа разрушения с использованием теплового пробоя. В них реализуются практически все критерии эффективного способа разрушения. Рабочее тело (канал разряда) внедрено в разрушаемый объект, сверхвысокая концентрация импульса энергии (10 Дж/см3 ) позволяет создавать твердом теле высокие разрывные напряжения с его хрупким разрушением. Характер воздействия на твердое тело легко управляем, т.е. для оптимизации он может быть поставлен в зависимость от физико-механических свойств разрушаемого тела. Взрывное разрушение материала с крупным шламом обеспечивает способам хорошие энергетические показатели для различных технологических процессов. Например, показана высокая эффективность электродинамической отбойки калийных солей. Вместе с тем следует считаться с фактором выноса энергии из зоны разрушения акустической волной, что, безусловно, устанавливает определенные границы области эффективного применения способов.

Таблица 2

Результаты термошарошечного бурения

Рисунок 6. Установка для вскрытия кристаллосырья в продуктивных породах

Установка была опробована на трех разновидностях камнесамоцветного сырья- рубин, шпинель- и гранатсодержащих рудах. Следует отметить, что все кристаллы рубина имели природную слоистую
трещиноватость, перпендикулярную оси кристалла. Однако даже такие ослабленные зерна выделялись в основном без нарушений. В процессе опробования установки было переработано более 10 т продуктивных пород, а также оценена работоспособность используемых в ней узлов и агрегатов. По результатам работы следует сделать вывод, что электроимпульсный способ может эффективно использоваться для выделения драгоценных кристаллов и зерен, обеспечивая их морфологическую сохранность.

1.5 Избирательная дезинтеграция геологических проб

Электроимпульсная установка дезинтеграции геологических проб создана для удовлетворения потребностей геологических организаций в оборудовании, которое обеспечивает выделение по возможности чистых мономинеральньгх фракций из геологических проб и гарантирует их от взаимного загрязнения в процессе дезинтеграции. При этом обеспечивается сокращение числа стадий дезинтеграции по сравнению с традиционным механическим способом и механизируется обслуживание установки.

Рисунок 7. Установка для дезинтеграции геологических проб

Установка, изображенная на рисунке 7, состоит из системы электроимпульсного питания, рабочей камеры с приемником готового продукта, установленного на специальной тележке, гидродомкрата, маслонасоса и рамы с двумя укосинами.

Рабочая камера включает в себя изоляционный корпус, в верхней части которого закреплены высоковольтный электрод и система промывки внутренней поверхности, а в нижней части размещены водомерное стекло, заземленный электрод- классификатор, опирающийся на верхний фланец приемника готового продукта. Приемник готового продукта состоит из двух находящихся один в другом сосудов. Внутренний сосуд своим фланцем опирается на две опорные трубки, жестко закрепленные на днище внешнего сосуда, установленного с возможностью вертикального перемещения по направляющим штырям, нижние концы которых крепятся к раме тележки. Тележка может перемещаться по направляющим. Установка укомплектована двумя тележками с установленными на них приемниками готового продукта, электродами-классификаторами, размеры отверстий которых соответствуют необходимой крупности готового продукта. Тележки сцеплены жесткой тягой так, что при совпадении вертикальных осей камеры и приемника готового продукта и фиксации одной тележки вторая (с приемником готового продукта) выводится за пределы ограждения установки для проведения разгрузочных работ. После стопорения и фиксации приемника под камерой ручным приводом плунжерного маслонасоса с пульта управления создается давление порядка 30-40 кг/см2 в маслосистеме гидродомкрата, что обеспечивает прижатие и герметизацию
рабочей камеры с внутренним сосудом приемника. Подлежащий разрушению материал скипом загружается в рабочую камеру.

Техническая характеристика установки

Опыт эксплуатации описанных установок на различных рудах и материалах показал их высокую надежность и хорошую избирательность дезинтеграции, а также удобство обслуживания. В частности, при дроблении серицитолита, представленного на 99% кварцем и на 1% серицитом, требовалось обеспечить сохранность зерен серицита при минимальном ошламовании. При механическом дроблении пробы происходило истирание полезного компонента более твердым и прочным кварцем. Электроимпульсное дробление позволило получить серицит в виде неповрежденных чешуек и агрегатов. По заключению специалистов это делает данный метод весьма перспективным (и, возможно, единственным) для дробления пород с низкой массовой долей (10% и менее) полезного компонента без нарушения его кристаллической структуры.

В целом установка избирательной дезинтеграции геологических проб имеет следующие преимущества:

обеспечивает дезинтеграцию проб от 80 до 1 мм в один прием с производительностью 50-100 кг/ч, заменяя две щеконые и одну валковую
дробилки с операциями промежуточной классификации материала;

исключает механические потери проб, «заражение» проб материалом
предыдущей пробы и аппаратурным железом, а также пылеобразование;

обеспечивает высокую избирательность и сохранность природной формы кристаллов и зерен, слагающих породу.

Установка экспонировалась на ВДНХ СССР и- внедрена в ряде геологических организаций, где успешно эксплуатируется. Имеется перспектива ее дальнейшего внедрения.

1.6 Обработка природного камня электрическими разрядами

В КНЦ разработана технология поверхностной обработки природного камня. Известно, что при эксплуатации гранитных карьеров 63-83% массы добываемого природного камня уходит на крупнокусковой окол. Из 5-10% этих отходов может быть изготовлен бортовой камень. Возможна также попутная добыча камня из негабаритов вскрыши месторождений полезных ископаемых, как это делается на Ждановском месторождении медно-никелевых руд, а также из отходов в виде валунов на песчаных карьерах.

Использование отходов основного производства, хотя и требует дополнительных трудозатрат, в целом благодаря высокомеханизированной переработке во многих случаях способствует росту производства дополнительной товарной продукции на камнедобывающих предприятиях, повышению уровня их рентабельности, экономии капиталовложений на добычу каменного сырья. Утилизация отходов способствует также более полному удовлетворению потребности в тесаных и облицовочных изделиях, обеспечивает рациональное использование запасов природного камня.

Тесаные изделия из гранита (бортовой камень, парапеты, ступени, накрывные плиты и другие) в настоящее время составляют 35-40% от общего объема облицовочной продукции из камнеобрабатываемого сырья в виде блоков. Объем этой продукции предполагается увеличить.

В связи с этим, а также ввиду необходимости исключить ручной труд во вредных условиях разработка средств механизации и широкое использование электроэнергии при добыче и обработке блоков камня являются важными задачами, поскольку известные способы обработки либо не обеспечивают необходимого уровня механизации и имеют низкую производительность, либо весьма энергоемки.

На современном этапе, аспекты теоретической технологии электроимпульсного получения заполнителей бетонов различного назначения наиболее полно разработаны в нижеследующих направлениях:

- химическая активность поверхности продукта электроимпульстного дробления;

- особенности формирования и свойства контактной зоны в бетонах на продукте электроимпульсного дробления.

- межфазные взаимодействия поверхности продукта электроимпульсного дробления с органическими вяжущими;

- качество заполнителя при электроимпульсной технологии дробления нерудного сырья.

1.7 ЭИ-резание и размерная обработка поверхности массива

Исследования технологии начаты в НИИВН под руководством И.И.Каляцкого. Синебрюховым А.Г. исследованы средства и режимы резания горных пород в диэлектрических средах. С использованием простых конструкций электродных устройств - с пластинчатыми (гребенчатыми) электродами и стержневыми электродами при резании в диэлектрической среде получены результаты, свидетельствующие о высокой технологической эффективности процесса. Энергоемкость ЭИ-резания горных пород и строительных материалов (от динасового кирпича до гранита) составляет 1,2-3,9 кВтЧч/м2, что на порядок ниже энергоемкости распиливания их механическими станками.

Автором исследованы (работы начаты в НИИВН и продолжены в КНЦ) устройства для ЭИ-резания горных пород в воде, в том числе применительно к целям зачистки скальных оснований под водой при строительстве гидротехнических объектов. При разработке средств ЭИ-резания учитывались требованиям по обеспечению минимальных энергозатрат на резание, максимальной электрической прочности конструкции, минимального уровня рабочего напряжения и минимальной вариации его в пределах цикла разрушения при безусловном удовлетворении параметров щели и качества поверхности технологическим требованиям по обеспечению эффективного выноса шлама с забоя разрушения.

По аналогии с классификацией ЭИ буровых коронок электродные устройства с пластинчатыми электродами (пластина-пластина, пластина-гребенка) отнесены к радиальному типу, а электродные устройства со стержневыми электродами - к тангенциальному. Определенным достоинством систем радиального типа является стабильность уровня рабочего напряжения и равномерность разработки забоя щели. Но по другим критериям они уступают системам тангенциального типа. Спецификой ЭИ-резания является то, что технологические показатели процесса определяются не объемными показателями разрушения, а относятся на единицу обнаженной поверхности. Это приводит к существенному различию способов оптимизации процесса при ЭИ-бурении и ЭИ-резании. Возможности оптимизации процесса за счет применения увеличенных разрядных промежутков при ЭИ-резании значительно сужены. В конструкции радиального типа увеличение разрядного промежутка означает увеличение ширины щели, а то-есть и рост объема разрушения на единицу обнаженной поверхности. Поэтому оптимум в зависимости энергоемкости разрушения (на единицу поверхности) от величины разрядного промежутка смещен в область меньших значений разрядного промежутка и соответствует 10-15 мм. Для конструкции тангенциального типа ограничения проявляются в меньшей степени и оптимальные значения разрядного промежутка смещены в сторону их увеличения (20-25 мм). В результате, энергоемкость резания устройствами тангенциального типа почти в 2 раза ниже, чем для устройств радиального типа.[12]

Устройства тангенциального типа благодаря тому, что ширина щели и величина разрядного промежутка не находятся в прямой зависимости друг от друга, отличаются большей универсальностью, допускают возможность более широко варьировать параметрами электродного устройства, координируя достижение поставленных целей по повышению технической надежности работы устройства (прежде всего, изоляции) и улучшению технологических показателей (производительности разрушения, крупность шлама).

Повышению эффективности работы устройств со стержневыми электродами способствовало дополнение электродов башмачными наконечниками. Это техническое решение заимствовано из технологии ЭИ-бурения и преследует те же цели - снизить пробивные градиенты напряжения и повысить равномерность проработки забоя. Для лучшего контакта с породой башмачные наконечники выполняются подпружиненными. Полые заземленные электроды, используемые для подачи на забой разрушения промывочной жидкости, в верхней части изоляционного става объединяются коллектором, подсоединяемым к системе промывки. Для обеспечения эффективного удаления шлама за счет создания необходимого зазора между стенками щели и изоляционного става поперечный размер основания электродного устройства должен превышать толщину изоляционного става на 5-7 мм.

Универсальность данной конструкции проявляется и в возможности использования ее в качестве инструмента для поверхностной обработки массива. Данная операция осуществляется путем фронтального перемещения инструмента по поверхности массива.

Вместе с тем испытания стержневых конструкций выявили их основной недостаток - достаточно сложно обеспечивать технически приемлемый ресурс работы изоляции, разрушающейся вследствие возникновения разрядов перекрытия по поверхности между электродами в торцевой части изоляционного става. Более перспективным вариантом устройства тангенциального типа следует признать устройство с лапчатыми электродами, объединяемых закрепляемыми на боковых поверхностях изоляционного става пластинами. Такое конструктивное исполнение позволяет существенно повысить электрическую прочность конструкции за счет разнесения по высоте на изоляционном ставе точек крепления пластинчатых оснований электродов, 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.

Для устройств ЭИ-резания решение многих проблем по обеспечению надежности и технологической эффективности находится в зависимости от величины омического сопротивления конструкции R. Сопротивление электродной конструкции определяет условия генерирования импульсов напряжения 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 l, определяющего длину щели.[11]

Для повышения сопротивления прежде всего снижают металлоемкостью электродной системы при сохранении достаточной ее механической прочности, повышают степень изолирования электродов. В устройствах радиального типа сокращение поверхности пластинчатых электродов приводит к конструкции с узкими пластинчатыми электродами (высотой 5-10 мм), не касающимися в рабочей части края изоляционного става.

Для сопоставления пластинчатых и стержневых конструкций электроимпульсных режущих устройств по пригодности их использования при работе в воде выполнены измерения и предложены методы расчетной оценки омического сопротивления электродной конструкции.

R = r * F = r * F01 / l (1),

где r - удельное сопротивление жидкости,

F - геометрический фактор системы,

F01 - его удельное (на единицу длины) значение,

l - длина электродной конструкции.

Для пластинчатых электродов сечением 2,5х5 мм и при расстоянии между электродами 30 мм геометрический фактор системы с изменением длины электродов изменяется следующим образом:

Для стержневых электродов с башмачными наконечниками шириной 10 мм при расстоянии между электродами "в свету" 20 мм и длине неизолированной части 40 мм геометрический фактор системы с изменением числа электродов, а то есть и общей длины устройства, изменяется следующим образом:

Из приведенных данных следует, что стержневые электродные устройства имеют омическое сопротивление более высокое, чем пластинчатые, т.е. при одинаковых условиях формирования импульсов напряжения они могут рассчитываться на соответственно большую длину щели. Значение F0l для пластинчатых электродов не превышает 0.4, для стержневых - достигает 0.54. Ориентируясь на величину R порядка 100 Ом, допускающей возможность создать условия для ЭИ-процесса в воде простыми типами генераторов импульсов с коррекцией фронта импульсов /2/, и принимая r = 6*103 Ом*см, оцениваем возможную длину электродного устройства как 0,25 и 0,33 м соответственно.

В оценках электрических параметров электродных конструкций стержневого типа можно воспользоваться следующим соотношением:

F = F0n / n -1 (2),

где F0n - значение геометрического фактора, отнесенного на одну пару электродов,

n - число электродов.

Зависимость F0n двухэлектродной конструкции от межэлектродного расстояния S0 в диапазоне изменения 5-30 мм выражена незначительно:

При разрядных промежутках 20-30 мм, длине неизолированной части электродов 30-40 мм значение F0n может быть принято порядка 0.15-0.17 см-1. Для расчетной оценки F0n системы параллельных стержней можно воспользоваться соотношением.

Этим же соотношением можно воспользоваться для электродов отличного от круглого сечения, приведя его к эквивалентному круглому по критерию равенства боковой поверхности.

При опытном резании в технической воде с удельным сопротивлением 60-90 Ом*м устройством стержневого типа с 13 электродами длина щели достигала 0.35 м. 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.

Технология ЭИ-резания с использованием описанных выше типов устройств является циклической; длина щели, проходимой за один цикл ограничена указанной выше величиной 0.3-0.35 м. Секционирование инструмента с подключением каждой секции к отдельному источнику импульсного напряжения позволяет увеличить размер щели, но это приводит к усложнению устройства генерирования импульсов. В КНЦ был разработан новый тип устройства резания блоков пород и массива в режиме непрерывной бесцикличной проходки щелей изменяемой конфигурации. В новом 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). Данный тип конструкции позволяет совместить оба используемые в ЭИ-технологии принципа распределения разрядов по площади забоя: автоматического распределения разрядов с полной цикличным разрушением породы по площади забоя под электродами и принудительного распределения разрядов с избирательным разрушением массива при перемещении электродной конструкции по забою разрушения. Это позволяет осуществлять разрушение на большой площади забоя электродными конструкциями ограниченной рабочей поверхности, выбранной исходя из оптимальных условий генерирования импульсов. Перспективные области использования - добыча блоков декоративного камня (проходкой отрезных щелей), проходка оконтуриваюших щелей при сооружении в скальном массиве траншей, котлованов, при сооружении подземных горных выработок, размерная художественная обработка камня.

2. УСТАНОВКА ПО ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНОЙ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ И МАТЕРИАЛЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Установка по электрогидроимпульсной дезинтеграции материалов

Электроимпульсная установка дезинтеграции геологических проб создана для удовлетворения потребностей геологических организаций в оборудовании, которое обеспечивает выделение по возможности чистых мономинеральных фракций из геологических проб и гарантирует их от взаимного загрязнения в процессе дезинтеграции. При этом обеспечивается сокращение числа стадий дезинтеграции по сравнению с традиционным механическим способом и механизируется обслуживание установки.