WWW.PDF.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Разные материалы
 

«Усов А.Ф. ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЕ РАЗРУШЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ: CОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ (ОПЫТ 35 ЛЕТ ИССЛЕДОВАНИЙ В КНЦ РАН) Институт физико-технических проблем энергетики Севера ...»

Усов А.Ф.

ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЕ РАЗРУШЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ:

CОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

(ОПЫТ 35 ЛЕТ ИССЛЕДОВАНИЙ В КНЦ РАН)

Институт физико-технических проблем энергетики Севера

Российскими учеными разработан оригинальный и эффективный электроимпульсный способ

(ЭИ) разрушения горных пород, руд, мерзлых грунтов, строительных конструкций, основанный на

использовании взрывного действия канала электрического разряда в твердом теле. Способ является продуктом высоких достижений физико-технических наук и отвечает главным требованиям, которые в настоящее время определяют направление технического прогресса в горнодобывающей и перерабатывающей промышленности, - энергетическая эффективность, комплексное использование минерального сырья, экологическая чистота. Положенный в основу способа эффект внедрения разряда в твердое тело на импульсном высоком напряжении, обоснованный и экспериментально подтвержденный группой томских ученых - Воробьевым А.А., Воробьевым Г.А. и Чепиковым А.Т. еще в 60-е годы, в 1999 году зарегистрирован как научное открытие "Закономерность пробоя твердого диэлектрика на границе раздела с жидким диэлектриком при действии импульсов напряжения" с приоритетом от 14 декабря 1961 года. В Кольском научном центре РАН работы по электроимпульсной технологии ведутся с 1965 года, сначала в Горном институте, а с 1982 года - в Институте физико-технических проблем энергетики Севера.

Исследования выполняются в тесной кооперации и координации с Томским политехническим университетом, с привлечением к исследованиям институтов Академии наук, организаций отраслевых министерств и вузов. Благодаря этому сотрудничеству стало возможным в короткие сроки создать уникальные исследовательские установки и испытательные стенды, выполнить значительный объем исключительно важных научных исследований физических основ способа и его технологических приложений [1].

Исследования физических основ способа ставили целью определить условия реализации принципа электроимпульсного разрушения, выявить основные пути оптимизации процесса, разработать методы расчета показателей разрушения. Выполнены (в сотрудничестве с ФТИ АН СССР) уникальные исследования процесса распространения трещин при разрушении прозрачных материалов электрическими разрядами [2] и выявлены и оценены основные разрушающие факторы в процессах ЭИ [3]. Оригинальные методики изучения процесса разрушения материала с фиксированием канала разряда под поверхностным слоем и регистрацией в отраженном свете роста трещин в непрозрачных горных породах позволили оценить скорость трещинообразования и время разрушения материалов различной природы и установить наличие в условиях ЭИ эффекта «переносного», по Финкелю, разрушения горных пород, когда трещинообразование в породах с большой концентрацией дислокаций определяется смыканием отдельных микротрещин, а его скорость соответствует скорости распространения акустической волны [4]. В совместных работах с ИФТТ АН СССР и Геологическим институтом КНЦ впервые исследованы фазовые и магнитные изменения материала вблизи канала разряда в физическом и технологическом аспектах [5], позволившие обосновать возможность использования выявленных эффектов в процессах обогащения руд и попутно предложить объяснение природы встречающегося в геологии явления аномальной намагниченности пород (в частности, сиенитов) как результата воздействия электромагнитного поля разрядов атмосферного электричества.

Выполнен большой объем исследований электрической прочности и энергоемкости разрушения горных пород и руд Кольского полуострова применительно к оценке электрических и энергетических параметров ЭИ в процессах бурения и резания горных пород и дезинтеграции руд и материалов. Результаты выполненных в кооперации и координации с НИИ высоких напряжений (г. Томск) работ в изучении физических основ способа нашли отражение в пионерной монографии по этому вопросу [6], где впервые дано наиболее полное изложение физических основ способа и приведены технико-физические показатели способа в основных технологических приложениях. (Грантом РФФИ 2001 г. предусмотрено издание монографии «Электроимпульсная дезинтеграции материалов», авторы: В.И.Курец, А.Ф.Усов, В.А.Цукерман, 20 а.л.).

Большое значение для оценки перспектив использования нового способа разрушения имели исследования энергоемкости ЭИ-разрушения. Как оказалось, использование в ЭИ-процессе одного вида энергии – электрической энергии еще не гарантирует, как считалось ранее, его высокой энергетической эффективности. Несколько стадий трансформации электрической энергии от потребляемого из сети напряжения переменного тока до используемых для формирования в твердом теле поля механических напряжений импульсных токов электрических разрядов связаны с неизбежными потерями, которые могут быть даже более существенными в сравнении с потерями в традиционных способах разрушения, которым свойственно преобразование вида используемой энергии и ее многоступенчатая трансмиссия.

Анализ энергораспределения в процессах ЭИ показал, что непроизводительные затраты энергии на стадии ее трансформации и передачи к объекту разрушения могут достигать 70-80 % с технически обоснованной возможностью их снижения почти вдвое. Следует признать, что потери эти весьма существенны, однако физическая природа ЭИ-способа разрушения предопределяет существенно более высокий в сравнении с традиционными способами к.п.д. использования подведенной к объекту разрушения энергии, что и обеспечивает в конечном итоге достижение более низких энергетических затрат. Высокая энергетическая эффективность процесса разрушения материала в ЭИ обусловлена следующими факторами. Источник нагружения - канал разряда находится непосредственно в твердом теле, в результате чего разрушение последнего происходит под действием разрывающих (растягивающих) напряжений. Это обеспечивает достижение минимальных затрат энергии на разрушение, так как прочность материалов на разрыв почти на порядок ниже, чем на сжатие, свойственное нагружению твердых тел при их разрушении механическим способом. Динамический характер нагружения обеспечивает хрупкое разрушение материала с минимальными потерями энергии на пластическую деформацию. Высокая степень локализации энергии в канале разряда позволяет сформировать условия, достаточные для начала процесса трещинообразования в твердом теле при относительно низких значения единичной энергии импульса, эквивалентной долям грамма тротила, а возможность простыми способами регулировать в широких пределах режим выделения энергии в канале разряда позволяет создавать оптимальные условия нагружения и поддержания процесса распространения трещин и разрушения твердого тела в зависимости от природы и размера разрушаемых фрагментов. Способ ЭИ-разрушения, благодаря присущим ему достоинствам, отмеченным выше, является наиболее энергетически эффективным среди всех известных, если конечно сравнение проводить в сопоставимых условиях конкретных технологических процессов. Было бы необоснованно сравнивать энергетические затраты на разрушение (по объему и по новой поверхности) в процессах бурения или резания с затратами при отбойке породы от массива с помощью ВВ. Взрывная отбойка породы от массива и дробление негабаритов, безусловно, являются наименее энергоемкими, но этим в значительной степени и ограничивается области эффективного использования ВВ в горном деле, во всяком случае это не относится к процессам бурения и резания горных пород, дезинтеграции материалов.. Область использования ЭИ-процесса, для которого во многом свойственны положительные особенности способа разрушения материалов динамическими взрывными нагрузками, не пересекается со взрывной отбойкой, охватывая широкий диапазон технологического применения при бурении скважин, резании массива и блоков, обработке поверхности, дезинтеграции материалов. Для этих случаев сопоставление энергоемкости способов разрушения может быть проиллюстрировано на примере бурения скважин большого диаметра. Соотношение энергоемкостей бурения (в Дж/см3) различными способами в породах крепостью 16?20 следующее: ударно-канатный – 5000, взрывной (ампульный) – 1400, шарошечный – 1200, электроимпульсный - 100-400 (достигнутый уровень).

Важно отметить следующее принципиальное положение. Эффективность ЭИ разрушения в определяющей степени зависит от электрофизических свойств разрушаемого материала и существенно в меньшей степени от его механических свойств.

Производительность единичного акта ЭИ-воздействия предопределяется первой стадией ЭИ-процесса - при формировании канала пробоя в твердом теле. Здесь большое значение имеют электрофизические свойства разрушаемого материала, которые определяют вероятность пробоя (процент свершения рабочих актов воздействия) и потенциальный объем разрушения, создаваемый внедренным каналом разряда. Электроимпульсному пробою и разрушению подвержена преобладающая масса горных пород и руд за исключением лишь отличающихся сплошной металлической проводимостью (сплошные магнетитовые и полиметаллические руды). По электрической прочности горные породы различаются в меньшей степени, чем по физико-механическим свойствам.

Так например, кварцит и песчаник по прочности на сжатие отличаются в 7 раз, а по электрической прочности - менее чем в 2 раза. Поэтому и различие пород по их потенциалу к разрушению не столь значительно, как различие их по механической прочности. На последующей стадии отделения от массива подготовленного каналом разряда объема энергетические параметры канала разряда и прочностные свойства материала в основном определяют лишь степень его дробления. С ростом механической прочности (крепости) пород энергоемкость ЭИ, как правило, растет, но существенно в меньшей степени, чем это имеет место при разрушении традиционными механическими способами.

Вследствие этого относительная эффективность ЭИ-способа в сравнении с традиционными механическими способами с ростом крепости пород повышается. Поэтому, хотя ЭИ может быть применен для разрушения горных пород любой механической прочности, наибольший техникоэкономический эффект его применения достигается на особо крепких горных породах и мерзлых грунтах и это составляет приоритетную область его использования.

Технологические исследования ЭИ преследовали цели разработки технических средств и технологии способа для различных применений в горном деле и строительстве инженерных сооружений, определения области и условий их целесообразного технически и экономически обоснованного использования. На базе большого объема научно-исследовательских работ были созданы технические средства и специфичные технологии бурения скважин различного диаметра и назначения, резания и поверхностной обработки блоков и негабаритов вскрышных пород, дезинтеграции различных материалов. Созданные экспериментальные установки и стенды успешно опробованы в лабораторных и производственных условиях. На их основе разработаны технические задания на проектирование ряда установок различного технологического назначения.

Бурение скважин. Приоритетные направления исследований ЭИ-бурения были выбраны с учетом специфики горнопромышленного и оборонного комплекса региона, избегая также по возможности дублирования работ других организаций страны, разрабатывающих проблему ЭИ. К этим направлениям относятся: бурение неглубоких скважин (5-10 м) для сооружения в скальных породах траншей и котлованов, бурение веера скважин в условиях подземной выработки для добычи руд, бурение горизонтальных опережающих скважин для сооружения подземных выработок, проходка скважин большого диаметра для сооружения шахтных стволов и колодцев. В ходе создания технических средств и технологии ЭИ предложен ряд оригинальных технических решений.

Для бурения в условиях подземной выработки, где в целях пожаробезопасности применение горючих жидкостей желательно исключить даже в изоляции, предложен новый тип буровой штанги на основе комбинированной изоляции из воды и твердого диэлектрика (полиэтилена или стекловолокна) и обоснованы оптимальные режимы его использования [7]. Обоснованы оптимальные режимы промывки веера скважин от нисходящих до восходящих и предложено техническое решение создания напорного слива промывочной жидкости из скважины для обеспечения ее сплошности на забое разрушения (это условие исключает возможность возникновения опасных для изоляции разрядов перекрытия в газовоздушных полостях). Испытаниями созданных установок в подземных условиях на Кировском руднике ПО "Апатит" и руднике «Ена» ГОКа "Ковдорслюда" показана осуществимость электроимпульсного способа бурения кругового веера взрывных скважин в вертикальной плоскости с технологической глубиной до 50 м.

В испытаниях установки на Кировском руднике ПО «Апатит» в апатитовых рудах при бурении скважин диаметром 150 мм и глубиной до 20 м средняя скорость бурения составила 1.2 м/ч (частоте следования импульсов f =3-4 имп/с) с энергоемкостью бурения 2 кВтч/пог.м. Зависимость производительности бурения от частоты следования импульсов экспериментально прослежена до 9 имп/с с сохранением прямой пропорциональности V( f ), исследованиями на лабораторном стенде обоснована возможность ее повышения до f = 20. Ожидаемая средняя скорость бурения при частоте следования импульсов f = 20 составит 5-7 м/ч при межэлектродном расстоянии l = 25 мм и 10-12 м/ч при l = 30 мм.

На основании данных, полученных при экспериментальном буре-нии на руднике «Ена» ГОКа «Ковдорслюда» в пегматитовой жиле плагиоклазового состава с развитым местами среднезернистым кварц-мусковитовым комплексом с коэффициентом крепости пород 12-16, ожидаемая скорость бурения при f = 20 оценивается: по гнейсу с включением слюды - 4.5 м/ч, по кварцу с включением слюды - 5.7 м/ч, по плагиоклазу -7.1 м/ч.

Разработаны и испытаны средства ЭИ-бурения скважин диаметром до 400 мм и обоснованы параметры ЭИ установки для проходки опережающих скважин глубиной до 15-20 м для создания врубовой полости при проходке горизонтальных выработок в крепких горных породах. Для решения проблемы формирования импульсов напряжения при промывке скважины водой совместно с Тольяттинским филиалом ВЭИ разработан погружной (в скважину) источник импульсов по схеме каскадного импульсного трансформатора с максимальным приближением его к породоразрушающему инструменту.

Ориентация на технологическое направление бурения скважин большого диаметра позволила получить приоритетные данные, подтвердившие возможность интенсификации процесса электроимпульсного разрушения за счет использования увеличенных разрядных промежутков, вплоть до дециметровых. 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 V (0,05-0,1)l1,5?2,7. [6]), так и за счет повышения к.п.д. разряда с ростом сопротивления канала разряда в твердом теле. Разработаны оригинальные технические средства бурения скважин диаметром 600 - 1200 мм и предложены многообразные технологические схемы бурения для различных условий проходки скважин, их диаметра и глубины.

Технические средства бурения сплошным и кольцевым забоем, а также расширения скважин опробованы непосредственно на скальном массиве, представленном окварцованным филлитовым сланцем (коэффициент крепости 14-16). В исследованиях на стенде промывка скважин осуществлялась дизельным топливом. При бурении скважин диаметром 800 мм сплошным забоем в филлитовом сланце при частоте 3-5 имп/с достигнута скорость бурения до 0.2 м/ч с энергоемкостью разрушения 70-80 кгм/см3 (100-120 кВтч/пог.м). При бурении скважин диаметром 700 мм кольцевым забоем в блоках рисчоррита (коэффициент крепости 16) при частоте следования импульсов 3-4 имп/с получена скорость бурения до 0.1 м/ч при энергоемкости 70 кгм/см3, а в филлитовом сланце - 0.5 м/ч и 140 кгм/см3 соответственно. При расширении скважин в филлитовом сланце при частоте следования импульсов 2-3 имп/с скорость разбуривания скважины от 600 до 800 мм составила 0.7 м/ч, а от 800 до 1000 мм - 1.8 м/ч при энергоемкости разрушения 50 и 30 кгм/см3, соответственно. Полученные в испытаниях скорости бурения скважин соответствуют лучшим мировым показателям проходки, а энергоемкость разрушения (30 - 70 кгм/см3) почти на порядок ниже, чем при традиционных методах бурения.

Обосновано парадоксальное с позиций практики механических способов проходки выработок положение о тенденции роста механической скорости бурения с ростом диаметра скважины, обусловленное возможностью повышения плотности энергии на единицу площади забоя при увеличенных разрядных промежутках. Секционирование породоразрушающего инструмента с подключением секций к отдельным источникам импульсов дает дополнительную возможность практически пропорционально числу секций увеличить подводимую к забою энергию и соответственно повысить скорость бурения.

Выполнены исследования бурения взрывных скважин (глубиной до 3-5 м) для сооружении траншей, котлованов, отрезки от массива каменных монолитов. Целесообразности данного применения ЭИ способствует то, что при небольшой длине скважин имеется возможность использования неразъемных буровых снарядов кабельного типа с твердой или жидкой изоляцией. В связи с этим появляются возможности улучшить условия работы изоляции (основная техническая проблема в обеспечении эксплуатационной надежности средств бурения скважин малого диаметра), 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 и растворами. Более того, при использовании снарядов маслонаполненного типа, в которых центральный токопроводник выполняется полым и включается в систему промывки скважины, поддержание электрической прочности бурового снаряда обеспечивается периодической регенерацией жидкого диэлектрика кабельной системы. По результатам опытного бурения потенциально возможные скорости бурения таких скважин оцениваются величиной 15-20 м/ч.

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. [6]) 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, а блочное исполнение элементов установки позволяет ее 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 ЭИ для резания и проходки щелей в массиве горной породы, поверхностной обработки блоков и негабаритов вскрышных пород (пассировка под распиловку на плиты и изделия) [8,9]. При резании в технической воде длина щели достигала 0.35 м, а удельные энергозатраты 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 для механического распиливания испытана 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 энергии разряда 1.5 кДж). Энергозатраты соответственно составили 4,5; 3,3 и 6,0 кВтч/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 массива без применение взрывной отбойки.

С использованием средств электроимпульсного бурения и резания пород в принципиальном плане могут рассматриваться и 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 основания дна океана и поверхности подводных объектов.

Дезинтеграции материалов Выполнены обстоятельные исследования обширного круга вопросов, связанных с разработкой ЭИ-дезинтеграции материалов различной природы и области использования. В том числе изучались электрические и энергетические характеристики процесса, физические основы избирательности пробоя и разрушения, разрабатывались технические средства дробления и измельчения материалов, оценивалась технологическая эффективность дезинтеграции различных руд и материалов.

Прежде всего было уяснено, в том числе на основе данных исследований НИИ ВН, что не имеется особых предпосылок для достижения при применении ЭИ значимого снижения энергоемкости процесса [10]. 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. Поэтому за начальный критерий целесообразности применения ЭИ-дезинтеграции была принята возможность повышения технологической эффективности процессоы за счет новых эффектов, основной из которых высокая селективность ЭИ-разрушения, обеспечивающая лучшее раскрытие зерен минералов и их лучшую сохранностью от разрушения.

Высокая селективность ЭИ -дезинтеграции создает реальные предпосылки для практического использования в рудоподготовительных операциях, как обеспечивающая на последующих стадиях обогащения руд существенное повышение извлечения и улучшение качества концентратов. Это и определяет значимое место ЭИ в решении проблем комплексного использования минерального сырья и экологии. Работами КНЦ расширено представление о механизмах, ответственных за повышение селективности разрушения [11]. Избирательная направленность канала пробоя на рудные включения, создающие в куске руды неоднородности электрического поля, является важным, но не единственным механизмом, определяющим избирательность разрушения полиминеральной структуры. В числе других механизмов: 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); разупрочнение границ контакта двух сред, отличающихся акустическими свойствами (жесткостью), при прохождении в среде волны разгрузки и разупрочнение границ контакта двух сред, отличающихся деформационными свойствами, при прохождении в среде волны сжатия.

Исследованы закономерности ЭИ-дезинтеграции руд, добываемых и обогащаемых на предприятиях Кольского полуострова, а также руд и материалов, представленных заинтересованными предприятиями из других регионов, на которых могли бы быть реализованы эффекты ЭИдезинтеграции. Технологический эффект селективности ЭИ-дезинтеграции в различной степени проявляется на всех исследованных рудах и материалах – на лопаритовых, медно-никелевых, платинометалльных и пегматитовых рудах, при раскрытии шлифзерна циркониевого электрокорунда, при измельчении кварцитов для очистки их от железистых включений, при выделении кристаллов алмаза из шихты в продукте искусственного синтеза, при выделении драгметаллов из электронного лома, при измельчении люминофоров для достижения эффекта повышения их светимости и др.

Несмотря на полученные положительные результаты технологической эффективности ЭИдезинтеграции в отношении многих руд и материалов, обеспечиваемой за счет селективности ЭИразрушения и других эффектов, высокая «конденсаторная» компонента энергетических затрат на дезинтеграцию (см. ниже) не позволяла надеяться на возможность ближайшей практической реализации процессов ЭИ-дезинтеграции рядовых руд. Понимание этого сместило акценты в исследованиях КНЦ на объекты, где реализация способа с учетом получаемого технологического эффекта может быть экономически оправдана при современном уровне разработки электротехнического оборудования.

Приоритетными объектами в этом случае являются такие, для которых технологический эффект ЭИ дезинтеграции связан не столько с полнотой извлечения, сколько с высокой сохранностью полезной компоненты от разрушения при особо высокой стоимости продукта. Прежде всего это относится к ограночному кристаллосырью, кристаллам слюды, асбеста, пьезокварца. Исследования КНЦ имеют приоритет в разработке технических средств для выделения из пород крупно- и гигантокристаллических включений. Был разработан принципиально новый тип устройств ЭИ-дезинтеграции материалов с исходной крупностью 300-350 мм, в которых имеет место совмещение функций разрядного промежутка и классифицирующей щели, обеспечивающее качественное раскрытие крупных кристаллов и своевременное без нарушения целостности выведение их из процесса на обогатительный передел.

Созданная в КНЦ установка для дробления слюдяных сростков производительность 1 м3/ч, испытана в условиях обогатительной фабрики рудника «Ена» ГОКа «Ковдорслюда». На этой же установке выполнены технологические исследования на рудах Мамско-Чуйского месторождения, относящихся к типу труднораскрываемых со значительным количеством (35-40%) слюды в сростках.

(Руды Енского месторождения легкораскрываемые и содержание слюды в сростках не превышает 5%, что не способствовало интересу предприятия к технологии ЭИ-дезинтеграции). О высокой технологической эффективности электроимпульсной дезинтеграции слюдяных руд свидетельствуют данные сопоставления выхода и группового состава продукта дезинтеграции и последующей переработки забойного сырца в промышленный. Электроимпульсная дезинтеграция слюдяных сростков по выходу деловой слюды соответствует тщательному ручному раскрытию сростков, т.е в 1.2-1.3 раза лучше чем при раскрытии сростков в механических дробилках. Выход крупных кристаллов (свыше 50 см2) в 3-4 раза больше, чем при ручном раскрытии, что в стоимостном выражении соответствует повышению выхода слюды на 20-25%. Существенно также, что при электроимпульсной дезинтеграции сростков обеспечивается более чем в 2 раза лучшее раскрытие мелкоразмерной слюды (+ 5мм). За счет лучшего раскрытия кристаллов и освобождения их от минеральных включений и оторочек (промпродукт - забойный сырец) выход промышленного сырца из забойного при электроимпульсном раскрытии выше (47.4% против 44.3%). Показано, что электроимпульсная технология раскрытия слюды не снижает механические и электрические свойства мусковита.

Отработана технология разделки слитков (диаметром 600 мм) искусственной слюды фторфлогопита. При сравнительных испытаниях способа с технологией разделки, применяющейся во ВНИИСИМС (г.Александров), выход подборов слюды (получают при последующей переработке выделенных при разделке слитков кристаллов) для ЭИ-дезинтеграции слитков оказался в 1.3 раза выше.

Но особо эффективным является использование ЭИ-дезинтеграции для извлечения драгоценных камней. При ЭИ-раскрытии кристаллосодержащих пород извлечение кристаллов повышается в 1.5-2 раза (в сравнении с тщательной ручной разделкой) с высокой их сохранностью от разрушения.

Демонстрационные установки для извлечения гранатов, рубинов, изумрудов опробованы в экспедициях Мингео СССР (г. Медвежьегорск), в Малышевском рудоуправлении (г. Асбест). Совместно с НИИ ВН и «Механобром» (г. С.-Петербург) была создана комплексная установка для дезинтеграции и выделения ограночного кристаллосырья [12], монтаж и испытания которой проведены в КНЦ. Стадия крупного дробления на установке представлена устройствами, разработанными в КНЦ.

Процессы ЭИ-дезинтеграции различ-ных руд и материалов различаются особой специфичностью, в том числе и по «ресурсному» крите-рию целесообразности применения ЭИ.

Отдельные процессы могут быть реализованы в промышленном масштабе при существующем уровне разработки электротехнического обеспечения. Реализация других требует дополнительных и в некоторых случаях весьма значительных работ по совершенствованию технических средств дезинтеграции, разработки специализированного электротехнического оборудования. С учетом тенденций в развитии горнопромышленного комплекса региона и расчетом на постепенное решение технических вопросов совершенствования средств дезинтеграции и разработки специализированного электротехнического оборудования перспективы дальнейшего развития работ по ЭИ-дезинтеграции представляются следующими.

Последние достижения геологической науки выдвигают Кольский полуостров на позиции перспективной алмазоносной и платинометалльной провинции. С учетом опыта выполненных работ по технологии извлечения драгоценных камней при ЭИ-раскрытии кристаллосодержащих пород представляется целесообразным использование ЭИ для извлечения алмазов из коренных пород алмазоносных трубок, не поддающихся технологии обогащения с использованием гидроразмыва. Это в полной мере относится и к добыче алмазов в Архангельской области.

Выполненное (совместно с Геологическим институтом) опробование ЭИ-дезинтеграции габбронорита с сульфидным и платинометалльным оруденением показало ее высокую эффективность.

Дезинтеграция проходит, главным образом, по границам минеральных зерен, поэтому минеральные индивиды, в том числе сложной формы, максимально высвобождаются от сопутствующих минералов, достигается высокая степень раскрытия сростков; сохраняется высокий процент зерен, обладающих "первичной" морфологией с минимальным переизмельчением; остается ненарушенной "скульптура" граней кристаллов. Зерна ценных минералов (сульфиды цветных и черных металлов, платиноиды, золото), как правило, характеризуются достаточно узким интервалом размеров. Раскрытие зерен минералов без разрушения, ошламования и размазывания отличающихся особой пластичностью минералов по зернам пустой породы приводит к обогащению полезными компонентами определенных узких фракций продукта, создавая в том числе и возможность обогащать продукт операцией выделения определенного класса крупности продукта. Использование ЭИ открывает путь разработки оптимальной технологической схемы обогащения руд при ожидаемом в ближайшее время освоении Панского массива.

С выходом на промышленное освоение Панского массива и в восточные районы Кольского полуострова открывается перспектива использования ЭИ в рудоподготовительных процессах при обогащении руд редкоземельных элементов и в первоочередном порядке на богатых иттрийсодержащих жилах.

Высокая селективность ЭИ-дезинтеграции относится и к зернам акцессорных минералов, даже если их крупность не превышает десятков микрон. Имеет перспективы широкого использования новая методика подготовки проб для геохронологических исследований с использованием ЭИ-дезинтеграции, успешно апробированная (совместно с Геологическим институтом) при подготовке проб для изотопного датирования возраста пород и руд имандровского лополита на Кольском полуострове. Благодаря ЭИдезинтеграции значительно уменьшаются потери акцессорных минералов со шламами в процессе разделения минералов. Объем пробы породы для выделения необходимого для проведения анализов количества исследуемого минерала может быть существенно (в 3-5 раз) сокращен в сравнении с традиционными методиками, в которых используется механическое измельчение породы. Благодаря высокой сохранности морфологии включений возможности исследований расширяются, а достоверность геохронологических анализов повышается. Выполнение этих работ хорошо согласуется с постановкой вопроса о создании специализированных центров геохронологических и изотопногеохимических исследований на базе современной высокопроизводительного оборудования, один из которых создается на Кольском полуострове. Отметим, что при проведении сепарационноминералогических исследований могут быть исключены операции, свойственные традиционным методикам, в том числе разделение в тяжелых жидкостях, что существенно улучшит условия труда на сепарационном переделе. Для работ по ЭИ дезинтеграции руд перспективных месторождений Кольского полуострова и для геологических исследований в Институте физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ на основе собственных разработок, дополненных аппаратами разработки НИИ ВН и института «Механобр» создан технологический стенд ЭИ-дезинтеграции материалов.

Имеются перспективы практического использования смежного и попутного с ЭИ технологического эффекта электроразрядного разупрочнения (ЭРР) материалов, как стадии предшествующей дроблению и измельчению материала традиционными способами или его гидрометаллургической переработке. Приоритет изучения эффекта также за КНЦ [11].

Электроразрядное разупрочнение реализуемо в двух режимах - ЭИ и ЭГЭ (за счет электрогидравлического эффекта). ЭРР в режиме ЭИ (ЭРРИ) реализуется как создание в твердом теле зародышевых микротрещин каналами неполного электрического пробоя в условиях многоимпульсного воздействия малой энергии. Возникающие при ЭРРИ зародышевые трещины ослабляют породу, последующее ее разрушение в аппаратах механического дробления происходит в условиях меньшего нагружения, чем это необходимо для неразупрочненного материала, что способствует селективности и лучшей сохранности выделяемых зерен минералов. Использование ЭРРИ выгоднее осуществлять с целью разупрочнения крупнокускового материала.

Разупрочнение частиц руды малого размера (от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров) в ЭИ-режиме энергетически нецелесообразно, так как доля полезно затрачиваемой для этого энергии значительно ниже потерь энергии на формирование импульса и энергии, рассеиваемой волной давления в жидкой среде. В этом случае энергетически выгодней разупрочнять материал за счет электрогидравлического эффекта разрядами в жидкости (ЭРРГ) при значительной (килоджоули) энергии, но при сравнительно низком (десятки киловольт) напряжении. В этом случае потери энергии на формирование импульса снижаются и значительная доля энергии разряда поглощается частицами материала в проходящей волне давления или за счет соударений в расходящемся гидропотоке жидкости.

Электроразрядная обработка минеральных продуктов за счет разупрочнения частиц заметно повышает их реакционную способность и соответственно эффективность последующей гидрометаллургической переработки материала. Так, например, ЭРРГ сподумена перед автоклавным выщелачиванием позволяет ускорить разложение сподумена, на 5-10% снизить давление и температуру автоклавного процесса 9работа выполнена совместно с ИХТРЭМС).

Применительно к дезинтеграции руд ЭРРГ имеет следующий аспект: при ограниченном энергетическом воздействии в структуре частиц руды создаются локальные нарушения, позволяющие добиться достаточного технологического эффекта повышения селективности раскрытия при последующей дезинтеграции руды традиционными методами. Селективное нарушение структуры материала по границам зерен минералов становится заметным при энергозатратах обработки всего в 3-5 кВтч/т при обшей энергоемкости последующего механического измельчения 15-30 кВтч/т. В таком режиме обработки на редкометалльной (лопаритовой) руде повышение извлечения достигает на 2-4 абс.%. Более того, имеются предпосылки к тому, чтобы при использовании ЭРРГ снизить общий уровень энергетических затрат на измельчение. Для реализации процесса разработаны камеры электроразрядного разупрочнения руд, создан и испытан технологический стенд непрерывного ЭРРГ производительностью 1 т/ч.

Электротехническое обеспечение ЭИ-технологий.

Многие проблемы электротехнического обеспечения ЭИ-технологий к настоящему времени в принципиальном плане решены. Обоснованы рациональные схемы источников импульсного напряжения, в том числе при использовании в качестве промывочной жидкости воды [13]. 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. [6]). Обоснованы технические решения и меры по обеспечению электробезопасности при эксплуатации электроимпульсных 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, бурение крепких скальных пород, селективное измельчение и разупрочнение крупновкрапленных 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. При частоте следования 20 импульсов в секунду это соответствует порядка 1500, 150 и 15 часам непрерывной работы. 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 KНЦ и НИИ ВН. В самое последнее время Институтом импульсных процессов и технологий НАН Украины (г. Николаев) для электрогидравлической технологии разработаны конденсаторы ИКУ-50-0,1 (100 гц, 109 циклов) и ИКУгц, 108 циклов), которые с высокой вероятностью могут рассматриваться в качестве базовых элементов источников импульсов и для целей ЭИ-технологий.

Высоковольтное электроаппаратостроение для электроразрядных технологий – сравнительно молодая отрасль электротехники. Имеющийся багаж технических идей по дальнейшему совершенствованию оборудования значителен и возможность технологического прорыва в этой отрасли в самое ближайшее время очевидна. Вместе с этим создадутся технико-экономические предпосылки для широкого промышленного использования электроимпульсных технологий во многих отраслях горного дела, в строительстве инженерных сооружений и в технологии минерального сырья.

ЛИТЕРАТУРА

1. Усов А.Ф. Исследования в области разработки электроимпульсных технологий. – В сб.

Проблемы энергетики запада Европейского Севера России. Апатиты: КНЦ РАН, 1999. С 70-86.

2. Трещинообразование в твердом теле при динамическом нагружении / А.Ф.Усов, И.А.Щеголев, Б.С.Блазнин и др. // Физика процессов и техника разработки недр. Л.: Наука, 1970. С.55-59.

3. Разрушающие факторы при воздействии на твердое тело искрового разряда. / Блазнин Б.С., Кожушко А.А., Лагунов В.А., УсовА.Ф. - В сб. Исследование действия взрыва при подземной разработке месторождений полезных ископаемых, изд. КФАН СССР, Апатиты, 1973. С.166-171

4. Экспериментальные исследования импульсного электрического разряда как источника динамического нагружения / Б.С.Блазнин, А.Ф.Усов, С.С.Локшина и др. // Термомеханические методы разрушения горных пород. Киев: Наукова думка, 1972. Ч.5. С.104-107.

5. Импульсный электрический пробой горной породы, как метод изучения фазовых переходов / Блазнина Д.Н., Горбатый Ю.Е., Данилова С.Г., Усов А.Ф. – В сб. Физика процессов, техника и технология разработки недр. Л.: Наука, 1970. С.59-63

6. Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов.

Апатиты: КНЦ РАН. 1995. 276 с.

7. Ерухимов А.Х., Тузов Н.П., Усов А.Ф. Об условиях работы комбинированной изоляции коаксиальных систем передачи высоковольтных импульсов. - В сб. Электро-физическая аппаратура и электрическая изоляция. – М.: "Энергия", 1970. С.612-617.

8. Блазнин Б.С., Щеголев И.А., Лозин Л.И. и др. Обработка природного камня электрическими разрядами // Электрон. обраб. материалов. 1983. N 1. С.5-7.

9. 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.

10. 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.

11. Усов А.Ф., Ракаев А.И. Электроимпульсное дробление и разупрочнение руд и материалов // Обогащение руд, 1989, № 4. С.42-43.

12. Курец В.И., Усов А.Ф., Финкельштейн Г.А.и др. Комплексная установка для дезинтеграции и выделения ограночного кристаллосырья из продуктивных пород // Обогащение руд,1989. № 4. С. 40-41.

13. Усов А.Ф., Семкин Б.В., Зиновьев Н.Т. Переходные (электрические) процессы в установках

Похожие работы:

«Министерство образования и науки Российской Федерации Министерство образования и науки Самарской области НОУ ВПО «Самарский институт высшая школа приватизации и предпринимательст...»

«Условие задачи Решение 1.Механика 1. Кинематика постурательного и вращательного движения. Тело брошено с поверхности Земли со Начальная скорость направлена под скоростью под углом к гори...»

«УДК 555.46 РОЛЬ ТЕРРИТОРИАЛЬНОГО МАРКЕТИНГА В ИНВЕСТИЦИОННОЙ ПРИВЛЕКАТЕЛЬНОСТИ ГОРОДА ВЛАДИВОСТОКА И.В. Попова, соискатель аспирантуры ВГУЭС В.Г. Степанов, канд. эк. наук, ТГЭУ, Владивосток В настоящее время в России наблюдается...»

«ХАБАРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИАМУРСКОЕ ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ОБЩЕСТВО С.А. Шемякин, Ю.А.Мамаев, С.Н.Иванченко НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Хабаровск УДК 622 ББКЗЗ С. А. Шемякин, Ю. А. Мамаев, С. Н. Иванченко. Новые технологии открытой разработки месторождений. В книге представлен анализ...»

«Согласовано ектора ГЦИ СИ. Д.И. Менделеева” Александров B.C. ОЯ Внесены в Государственный реестр средств измерений ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ МОДЕЛИ Регистрационный № /Ю У О / XENTRA Взамен № 16161-97 (модификации XENTRA 4100 и XENTRA 4900) Выпускаются по технической докуме...»

«  ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ     П Р О Г Р А М М А  дисциплины    _Экономическая оценка инвестиций_           1. Требования к уровню освоения содержания дисциплины    Понятие  инвестиций,  их  классификация.  Нормативноправовая  база  инвестирования  (федеральное  и  мес...»

«Топинский Валерий Александрович Резервные цены в асимметричных аукционах Специальность 05.13.18 — математическое моделирование, численные методы и комплексы программ Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук Москва — 2014 Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального обра...»

«ФІЛОСОФІЯ І РЕЛІГІЯ 149 УДК [297:001.9](437.1/.2) Томаш Бубик Университет Пардубице, Чехия E-mail: tomasbubik@upce.cz, Ю.А. Бабинов Севастопольский национальный технический университет ул. Университетская, 33, г. Севастополь, 99053 E-mail: babinow.400@mail.ru ОБРАЗ ИСЛАМА В СОВРЕМЕННОЙ ЧЕШСКОЙ ЛИТЕРАТУРЕ1 Представлен процесс распростр...»

«120 Вестник ТГАСУ № 3, 2011 СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ УДК 665.775.035.53. ГАЛДИНА ВЕРА ДМИТРИЕВНА, канд. техн. наук, доцент, galdin_ns@sibadi.org Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия, 644080, г. Омск, пр. Мира, 5 КИНЕТИКА ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНОГО СТАРЕНИЯ БИТУМОВ РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ Изучено изменение при...»

«Чемпионат Петроградского района Санкт-Петербурга по спортивному туризму (дистанция горная) на скальном рельефе. «Скальный лабиринт» 2016 г. Информационный бюллетень № 1 1. Цели и задачи Популяризация и развитие горного туризма, совершенствование технического, тактического и физического мастерства горных туристов как средст...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» (ПГУАС) РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПО СТРОИТЕЛЬНОМУ МАТЕРИАЛОВ...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет» УТВЕРЖДАЮ Ректор ГОУ ВПО УГНТУ Д.т.н., профессор А.М.Шаммазов «»20_г. ОСНОВНАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА ВЫС...»

«Елена Геронтьевна Ефимова Адик Тагирович Алиев Деньги. Кредит. Банки: учебное пособие Издательский текст http://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=3746165 Деньги. Кредит. Банки. Учебное пособие: ФЛИНТА: НОУ ВПО «МПСУ»; М.; 2012 IS...»







 
2017 www.pdf.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - разные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.