基于高壓電脈沖技術的方鉛礦石破碎試驗研究

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利用技術國家地方聯合工程研究中心,遼寧 沈陽 110819)

高壓電脈沖技術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域[1-3]。20世紀50年代,YUTKIN在使用高壓電脈沖技術分解水的過程中,發現產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用于礦業領域。研究表明,高壓電技術破碎技術具有選擇性破碎、污染小、無粉塵的優勢,因此逐漸受到選礦工作者的重視。該技術利用礦石中礦物介電常數等電學性質的差異,使得外加電場對相對介電常數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生的熱應力膨脹[5]和等離子體爆炸使得不同礦物界面發生分離,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物和機械破碎產物的性質以及2種破碎產物的相對可磨度,發現高壓電脈沖具有預弱化的作用;YAN等[10]通過建立平均擊穿場強與煙煤樣品含水率的函數關系,探究了水分對電脈沖破碎后煤結構演變的影響;ANDRES等[11]將電脈沖破碎產品與機械破碎產品進行對比,發現電脈沖破碎后的產物解離度高于機械破碎產物的解離度,高壓電脈沖技術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,發現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,高壓電脈沖技術強化了后續分選過程。

為完善高壓電破碎技術理論體系,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物的微觀形貌。

1 試驗原料、設備及方法

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果分別見表1、圖1及表2。

表1 試樣主要化學成分分析結果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 試驗設備

試驗所用設備的電路和結構如圖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節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,與其串聯的球狀氣體開關被導通,輸出的高壓通過導線傳遞至高壓電脈沖裝置中。

圖2 高壓電脈沖設備的電路與結構示意Fig.2 The circuit and structure diagram of high-voltage electrical pulse equipment

根據圖2(b)分析高壓電脈沖破碎過程為:筒體內加入適量絕緣液(去離子水),使其液位高于破碎腔內的礦石;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部,放電通道進一步膨脹引發礦石宏觀破裂。

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,在試驗設定的操作參數下進行高壓電脈沖破碎試驗;待高壓電脈沖破碎試驗結束后,將破碎產品過濾、烘干并在振動篩上篩分以計算產率。

通過篩分試驗獲得的粒級產率數據繪制篩下負累計粒度分布曲線,從而獲得特征粒度并據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;f50為給料平均粒度,mm;d50為破碎后物料平均粒度,mm;d10為負累積產率為10%時顆粒粒度,mm;d90為負累積產率為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物的表面形貌特征。

2 試驗結果與討論

2.1 球隙間距對破碎效果的影響

2.1.1 對破碎產品-2 mm粒級產率的影響

在輸出電壓為25 kV、脈沖次數為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品-2 mm粒級產率的影響,結果見圖3。

圖3 球隙間距對3種粒級方鉛礦石破碎產品-2 mm粒級產率的影響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粒級產率均呈現先增后減的趨勢;當球隙間距為25 mm時,3個粒級方鉛礦石破碎產品的-2 mm產率最高,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

統計并分析不同球隙間距下破碎產品的負累計曲線,根據式(1)及式(2)計算平均破碎比及粒度分布均勻系數,結果見表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現,給料粒度越細,破碎產品粒度分布均勻系數越大,粒度分布范圍越寬,表明產品粒度均勻性越差。

2.2 輸出電壓對破碎效果的影響

2.2.1 對破碎產品-2 mm粒級產率的影響

在球隙間距為25 mm、脈沖次數為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品-2 mm粒級產率的影響,結果見圖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粒級產率均呈現先增加后趨于平穩的趨勢;當輸出電壓為25 kV時,3個粒級方鉛礦石破碎產品的-2 mm產率最高,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品-2mm粒級產率的影響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

統計并分析不同輸出電壓下破碎產品的負累計曲線,根據式(1)及式(2)計算平均破碎比及粒度分布均勻系數,結果見表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最大,破碎效果較好。與球隙間距條件試驗結果類似,對比相同輸出電壓下不同的給料粒級發現,給料粒度越細,破碎產品粒度分布均勻系數越大,粒度分布范圍越寬,表明產品粒度均勻性越差。

2.3 脈沖次數對破碎效果的影響

2.3.1 對破碎產品-2 mm粒級產率的影響

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

由圖5可知:對于3種粒級方鉛礦石,隨著脈沖次數的增加,-2mm粒級產率均呈現單調遞增的趨勢;當脈沖次數為150次時,3個粒級方鉛礦石破碎產品的-2mm產率最高,分別為50.21%、38.33%、32.42%。

mm粒級產率的影響Fig.5 Influence of pulse times on-2 mm fraction yield圖5 脈沖次數對3種粒級方鉛礦石破碎產品-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

統計并分析不同脈沖次數下破碎產品的負累計曲線,根據式(1)及式(2)計算平均破碎比及粒度分布均勻系數,結果見表5。

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

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

2.4 破碎產品的微觀形貌

圖6為7～5 mm粒級給料的機械破碎和高壓電脈沖破碎產品的表面微觀形貌圖。

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

由圖6(a)可知:機械破碎產品內部沒有明顯的裂紋,礦物嵌布緊密,未發現明顯的解離。由圖6(b)、(d)可知:高壓電脈沖破碎產品內部結構破裂,產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構。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化為內能,且放電通道形成時間短,致使放電通道內部溫度驟升,超過方鉛礦、白云石等礦石的熔點,形成氣泡結構。而不同礦物之間的受熱膨脹系數存在差異,導致產生不同的切應力,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;而高壓電脈沖技術在處理礦石的過程中,由于礦石中相鄰礦物的介電常數等電學性質存在較大差異,放電通道易沿相界發展,使得脈沖能量在礦石內部傳遞的過程中會在相界處產生復雜的拉伸和沖擊作用力,從而導致礦石內部產生大量的裂紋,破壞礦石的內部結構,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 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150次,此時破碎產品-2 mm粒級產率最高,平均破碎比和粒度分布均勻系數最優。此外,給料粒度越細,破碎產品粒度分布均勻系數越大,粒度分布范圍越寬,產品粒度均勻性越差。

(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差異,破壞礦石的內部結構,相界面產生的大量裂隙和微裂隙有利于礦石的進一步解離破碎。