高 鵬 張洪浩 袁 帥 張寧豫 韓力仁 秦永紅

(1.東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819;2.軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室,遼寧 沈陽 110819;3.難采選鐵礦資源高效開發(fā)利用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心,遼寧 沈陽 110819)

高壓電脈沖技術(shù)通過將能量進行長時間儲存而后再瞬間釋放到負載上以獲得極高的功率密度,廣泛用于國防、軍工、爆破、食品殺菌、石油開采以及巖石破碎等領(lǐng)域[1-3]。20世紀50年代,YUTKIN在使用高壓電脈沖技術(shù)分解水的過程中,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的沖擊波足以破碎礦石。至此,專家學者們開始研究將高壓電脈沖技術(shù)用于礦業(yè)領(lǐng)域。研究表明,高壓電技術(shù)破碎技術(shù)具有選擇性破碎、污染小、無粉塵的優(yōu)勢,因此逐漸受到選礦工作者的重視。該技術(shù)利用礦石中礦物介電常數(shù)等電學性質(zhì)的差異,使得外加電場對相對介電常數(shù)較高的礦物界面附近的電場增強,從而在礦物相界形成放電通道[4];脈沖能量在沿放電通道傳遞時產(chǎn)生的熱應(yīng)力膨脹[5]和等離子體爆炸使得不同礦物界面發(fā)生分離,形成裂隙[6]和微裂隙[7-8],進而改善礦物的解離和可選性。

QIN等[9]通過對比分析高壓電脈沖產(chǎn)物和機械破碎產(chǎn)物的性質(zhì)以及2種破碎產(chǎn)物的相對可磨度,發(fā)現(xiàn)高壓電脈沖具有預(yù)弱化的作用;YAN等[10]通過建立平均擊穿場強與煙煤樣品含水率的函數(shù)關(guān)系,探究了水分對電脈沖破碎后煤結(jié)構(gòu)演變的影響;ANDRES等[11]將電脈沖破碎產(chǎn)品與機械破碎產(chǎn)品進行對比,發(fā)現(xiàn)電脈沖破碎后的產(chǎn)物解離度高于機械破碎產(chǎn)物的解離度,高壓電脈沖技術(shù)可以有效促進礦物解離;GAO等[12]研究了高壓電脈沖對磁鐵礦可磨性的影響,發(fā)現(xiàn)磨礦前進行高壓電脈沖處理的磁鐵礦,其磁選回收率及品位均有提高,高壓電脈沖技術(shù)強化了后續(xù)分選過程。

為完善高壓電破碎技術(shù)理論體系,以遼寧某方鉛礦石為研究對象,考察球隙間距、輸出電壓和脈沖次數(shù)對破碎效果的影響,同時利用掃描電鏡對比分析了機械破碎和高壓電脈沖破碎產(chǎn)物的微觀形貌。

1 試驗原料、設(shè)備及方法

1.1 試驗原料

試驗所用方鉛礦石取自遼寧省鳳城市,試樣主要化學成分分析、XRD分析及礦物組成分析結(jié)果分別見表1、圖1及表2。

表1 試樣主要化學成分分析結(jié)果Table 1 Analysis results of the main chemical composition of the samples %

圖1 試樣的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of the samples

表2 試樣的礦物組成及含量Table 2 Minerals composition and its contents in the samples %

由表1可知,試樣中主要有用元素Pb、S、Ag的含量分別為4.38%、11.10%、115.70 g/t,主要雜質(zhì)成分 SiO2、MgO、CaO 含量分別為 16.18%、13.42%、18.55%。

由圖1和表2可知,試樣中主要有用礦物為方鉛礦和黃鐵礦,主要脈石礦物為白云石和石英。

1.2 試驗設(shè)備

試驗所用設(shè)備的電路和結(jié)構(gòu)如圖2所示。

分析圖2(a)可知:220 V交流電在變壓器與二極管的調(diào)節(jié)作用下形成高壓直流電,對高壓陶瓷電容器進行充電;當高壓陶瓷電容器電壓達到擊穿電壓時,與其串聯(lián)的球狀氣體開關(guān)被導通,輸出的高壓通過導線傳遞至高壓電脈沖裝置中。

圖2 高壓電脈沖設(shè)備的電路與結(jié)構(gòu)示意Fig.2 The circuit and structure diagram of high-voltage electrical pulse equipment

根據(jù)圖2(b)分析高壓電脈沖破碎過程為:筒體內(nèi)加入適量絕緣液(去離子水),使其液位高于破碎腔內(nèi)的礦石;從陶瓷電容輸出的高電壓在正極與負極之間形成高壓電場,在此過程中,礦石先于水被擊穿,放電通道形成于礦石內(nèi)部,放電通道進一步膨脹引發(fā)礦石宏觀破裂。

1.3 試驗方法

分別稱取7～5mm、10～7mm、12.5～10mm的方鉛礦石樣品15 g于高壓電脈沖破碎腔中,并加入去離子水,在試驗設(shè)定的操作參數(shù)下進行高壓電脈沖破碎試驗;待高壓電脈沖破碎試驗結(jié)束后,將破碎產(chǎn)品過濾、烘干并在振動篩上篩分以計算產(chǎn)率。

通過篩分試驗獲得的粒級產(chǎn)率數(shù)據(jù)繪制篩下負累計粒度分布曲線,從而獲得特征粒度并據(jù)下式計算平均破碎比與粒度分布均勻性。

式中,i50為平均破碎比;h為粒度分布均勻系數(shù);f50為給料平均粒度,mm;d50為破碎后物料平均粒度,mm;d10為負累積產(chǎn)率為10%時顆粒粒度,mm;d90為負累積產(chǎn)率為90%時顆粒粒度,mm。

通過掃描電子顯微鏡進一步分析高壓電脈沖破碎產(chǎn)物的表面形貌特征。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 球隙間距對破碎效果的影響

2.1.1 對破碎產(chǎn)品-2 mm粒級產(chǎn)率的影響

在輸出電壓為25 kV、脈沖次數(shù)為120次的條件下,分別考察球隙間距對7～5 mm、10～7 mm、12.5～10 mm 3種粒級方鉛礦石破碎產(chǎn)品-2 mm粒級產(chǎn)率的影響,結(jié)果見圖3。

圖3 球隙間距對3種粒級方鉛礦石破碎產(chǎn)品-2 mm粒級產(chǎn)率的影響Fig.3 Influence of spherical gap spacing on-2mm fraction yield of crushing products of galena with three kinds of fraction

由圖3可知:對于3種粒級方鉛礦石,隨著球隙間距的增大,-2 mm粒級產(chǎn)率均呈現(xiàn)先增后減的趨勢;當球隙間距為25 mm時,3個粒級方鉛礦石破碎產(chǎn)品的-2 mm產(chǎn)率最高,分別為38.65%、24.65%、21.42%。

2.1.2 對平均破碎比及粒度分布均勻性的影響

統(tǒng)計并分析不同球隙間距下破碎產(chǎn)品的負累計曲線,根據(jù)式(1)及式(2)計算平均破碎比及粒度分布均勻系數(shù),結(jié)果見表3。

表3 不同球隙間距下各粒級給料的平均破碎比及粒度分布均勻系數(shù)Table 3 The average crushing ratio and particle size distribution coefficient of each grain grade at different ball gap spacing

由表3可知:隨著球隙間距的增大,3種給料粒級的平均破碎比及粒度分布均勻系數(shù)均呈先增后減的趨勢,當球隙間距為25 mm時平均破碎比及粒度分布均勻系數(shù)最大,破碎效果較好。對比相同球隙間距下不同的給料粒級發(fā)現(xiàn),給料粒度越細,破碎產(chǎn)品粒度分布均勻系數(shù)越大,粒度分布范圍越寬,表明產(chǎn)品粒度均勻性越差。

2.2 輸出電壓對破碎效果的影響

2.2.1 對破碎產(chǎn)品-2 mm粒級產(chǎn)率的影響

在球隙間距為25 mm、脈沖次數(shù)為120次的條件下,分別考察輸出電壓對7～5 mm、10～7 mm、12.5～10 mm 3種粒級方鉛礦石破碎產(chǎn)品-2 mm粒級產(chǎn)率的影響,結(jié)果見圖4。

由圖4可知:對于3種粒級方鉛礦石,隨著輸出電壓的增大,-2 mm粒級產(chǎn)率均呈現(xiàn)先增加后趨于平穩(wěn)的趨勢;當輸出電壓為25 kV時,3個粒級方鉛礦石破碎產(chǎn)品的-2 mm產(chǎn)率最高,分別為38.65%、24.65%、21.42%。

圖4 輸出電壓對3種粒級方鉛礦石破碎產(chǎn)品-2mm粒級產(chǎn)率的影響Fig.4 Influence of output voltage on-2 mm fraction yield of crushing products of galena with three kinds of fraction

2.2.2 對平均破碎比及粒度分布均勻性的影響

統(tǒng)計并分析不同輸出電壓下破碎產(chǎn)品的負累計曲線,根據(jù)式(1)及式(2)計算平均破碎比及粒度分布均勻系數(shù),結(jié)果見表4。

表4 不同輸出電壓下各粒級給料的平均破碎比及粒度分布均勻系數(shù)Table 4 The average crushing ratio and particle size distribution coefficient of each grain grade at different output voltage

由表4可知:隨著輸出電壓的增大,3種給料粒級的平均破碎比及粒度分布均勻系數(shù)均呈先增后減的趨勢,當輸出電壓為25 kV時平均破碎比及粒度分布均勻系數(shù)最大,破碎效果較好。與球隙間距條件試驗結(jié)果類似,對比相同輸出電壓下不同的給料粒級發(fā)現(xiàn),給料粒度越細,破碎產(chǎn)品粒度分布均勻系數(shù)越大,粒度分布范圍越寬,表明產(chǎn)品粒度均勻性越差。

2.3 脈沖次數(shù)對破碎效果的影響

2.3.1 對破碎產(chǎn)品-2 mm粒級產(chǎn)率的影響

在輸出電壓為25 kV、球隙間隙為25 mm的條件下,分別考察脈沖次數(shù)對7～5 mm、10～7 mm、12.5～10 mm 3種粒級方鉛礦石破碎產(chǎn)品-2 mm粒級產(chǎn)率的影響,結(jié)果見圖5。

由圖5可知:對于3種粒級方鉛礦石,隨著脈沖次數(shù)的增加,-2mm粒級產(chǎn)率均呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢;當脈沖次數(shù)為150次時,3個粒級方鉛礦石破碎產(chǎn)品的-2mm產(chǎn)率最高,分別為50.21%、38.33%、32.42%。

mm粒級產(chǎn)率的影響Fig.5 Influence of pulse times on-2 mm fraction yield圖5 脈沖次數(shù)對3種粒級方鉛礦石破碎產(chǎn)品-2of crushing products of galena with three kinds of fraction

2.3.2 對平均破碎比及粒度分布均勻性的影響

統(tǒng)計并分析不同脈沖次數(shù)下破碎產(chǎn)品的負累計曲線,根據(jù)式(1)及式(2)計算平均破碎比及粒度分布均勻系數(shù),結(jié)果見表5。

表5 不同脈沖次數(shù)下各粒級給料的平均破碎比及粒度分布均勻系數(shù)Table 5 The average crushing ratio and particle size distribution coefficient of each grain grade at different pulse times

由表5可知:隨著脈沖次數(shù)的增大,3種給料粒級的平均破碎比及粒度分布均勻系數(shù)均呈增大的趨勢,當脈沖次數(shù)為150次時平均破碎比及粒度分布均勻系數(shù)最大,破碎效果較好。對比相同脈沖次數(shù)下不同的給料粒級發(fā)現(xiàn),給料粒度越細,破碎產(chǎn)品粒度分布均勻系數(shù)越大,粒度分布范圍越寬,表明產(chǎn)品粒度均勻性越差。

2.4 破碎產(chǎn)品的微觀形貌

圖6為7～5 mm粒級給料的機械破碎和高壓電脈沖破碎產(chǎn)品的表面微觀形貌圖。

圖6 機械破碎與高壓電脈沖破碎產(chǎn)品的SEM圖Fig.6 SEM images of mechanical crushing and high-voltage electric pulse crushing products

由圖6(a)可知:機械破碎產(chǎn)品內(nèi)部沒有明顯的裂紋,礦物嵌布緊密,未發(fā)現(xiàn)明顯的解離。由圖6(b)、(d)可知:高壓電脈沖破碎產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)破裂,產(chǎn)生了大量的裂隙和微裂隙,且以相界處的微裂隙為主,穿晶微裂隙為輔。此外,由圖6(c)可知:礦石表面裂紋周圍存在大量氣泡結(jié)構(gòu)。這是由于在電脈沖放電通道形成過程中,需要大量的自由電子,脈沖形成時,自由電子的移動將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,且放電通道形成時間短,致使放電通道內(nèi)部溫度驟升,超過方鉛礦、白云石等礦石的熔點,形成氣泡結(jié)構(gòu)。而不同礦物之間的受熱膨脹系數(shù)存在差異,導致產(chǎn)生不同的切應(yīng)力,形成穿晶裂紋。

機械破碎主要通過沖擊剪切作用力來減小礦石的粒度以達到解離礦物的目的;而高壓電脈沖技術(shù)在處理礦石的過程中,由于礦石中相鄰礦物的介電常數(shù)等電學性質(zhì)存在較大差異,放電通道易沿相界發(fā)展,使得脈沖能量在礦石內(nèi)部傳遞的過程中會在相界處產(chǎn)生復雜的拉伸和沖擊作用力,從而導致礦石內(nèi)部產(chǎn)生大量的裂紋,破壞礦石的內(nèi)部結(jié)構(gòu),提高礦物的解離程度,并顯著降低礦石力學性能,有利于礦石的進一步解離破碎。

3 結(jié) 論

(1)針對7～5 mm、10～7 mm、12.5～10 mm這3種粒級給料,適宜的高壓電脈沖破碎條件為:球隙間距25 mm、輸出電壓25 kV、脈沖次數(shù)150次,此時破碎產(chǎn)品-2 mm粒級產(chǎn)率最高,平均破碎比和粒度分布均勻系數(shù)最優(yōu)。此外,給料粒度越細,破碎產(chǎn)品粒度分布均勻系數(shù)越大,粒度分布范圍越寬,產(chǎn)品粒度均勻性越差。

(2)機械破碎主要通過沖擊剪切作用力來減小礦石的粒度,以達到解離礦物的目的;而高壓電脈沖破碎通過介電常數(shù)差異,破壞礦石的內(nèi)部結(jié)構(gòu),相界面產(chǎn)生的大量裂隙和微裂隙有利于礦石的進一步解離破碎。