高壓脈沖放電破碎礦石設(shè)備的電路設(shè)計(jì)與測(cè)試

畢明雪 鄭東旭 李宏達(dá)

摘? 要：為了探究高壓脈沖對(duì)礦石進(jìn)行選擇性破碎的機(jī)制，本工作研制了高壓脈沖放電破碎礦石設(shè)備，包括對(duì)整流濾波及倍壓電路、高壓脈沖發(fā)生器主體電路、電壓測(cè)量電路和設(shè)備整體電路的設(shè)計(jì)與設(shè)備聯(lián)調(diào);最后進(jìn)行了高壓脈沖破碎礦石實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，當(dāng)設(shè)備脈沖上升沿時(shí)間小于500納秒，電壓幅值達(dá)到幾十至幾百千伏時(shí)，可以將礦石選擇性破碎。

關(guān)鍵詞：整流濾波電路;Marx發(fā)生器;高壓脈沖

Abstract： In order to explore the mechanism of selective crushing of ore by high-voltage pulses， this research has developed a high-voltage pulse discharge crushing ore equipment， including the design and testof rectifier-filter and voltage multiplier circuit， the main circuit of the high-voltage pulse generator， the voltage measurement circuit and the overall circuit of the equipment. Finally， a high-voltage pulse crushing ore experiment was performed. The results show that when the equipment pulse rising time is less than 500 nanoseconds and the voltage amplitude reaches tens to hundreds of kilovolts， the ore can be selectively crushed.

脈沖功率技術(shù)的原理是利用高功率脈沖裝置將能量緩慢地儲(chǔ)存起來(lái)，對(duì)其進(jìn)行形態(tài)變換或壓縮調(diào)節(jié)，最后以極短的時(shí)間脈沖形式快速釋放給特定負(fù)載[1]。二戰(zhàn)時(shí)期，俄羅斯科學(xué)家首次應(yīng)用高壓電脈沖技術(shù)提純核材料;1950年左右，在用高壓電脈沖技術(shù)分解水的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生的沖擊波足以破碎礦石;此后，工程類研究者開(kāi)始對(duì)高壓電脈沖技術(shù)進(jìn)行深入研究[2]。國(guó)內(nèi)專家也對(duì)此展開(kāi)了研究，中信重工機(jī)械股份有限公司與國(guó)內(nèi)某大學(xué)合作進(jìn)行了赤鐵礦高壓電脈沖破碎試驗(yàn)，對(duì)某鋼廠赤鐵礦進(jìn)行單顆粒脈沖放電破碎，脈沖電壓僅為60kV[3];江蘇省自然科學(xué)青年基金資助的項(xiàng)目（BK20140944），為了達(dá)到污水快速凈化的目的，設(shè)計(jì)了納秒級(jí)高壓脈沖電源電路，輸入電壓為500V，串聯(lián)25級(jí)電路可獲得的高壓脈沖最大幅值僅為10kV[4];本文設(shè)計(jì)的高壓脈沖放電電路輸入電壓為220V，放電時(shí)的單次脈沖電壓可達(dá)50-200kV。

傳統(tǒng)的礦石碎磨主要依靠機(jī)械能沖擊、剪切和研磨使礦石碎裂、剝蝕達(dá)到礦物單體解離的目的，導(dǎo)致礦石破碎以穿晶破碎為主[5]，而穿晶破碎會(huì)導(dǎo)致有用礦物與脈石礦物無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效分離。應(yīng)用高壓電脈沖破碎礦石時(shí)，由于金屬礦石中有用礦物與脈石礦物的介電常數(shù)、電導(dǎo)率等電學(xué)性質(zhì)差異較大，放電通道易沿礦物界面發(fā)展，使礦石沿晶界破裂。Tamsyn Parker等[6]研究了高壓電脈沖預(yù)處理后斑巖銅礦解離特性，發(fā)現(xiàn)電脈沖粉碎產(chǎn)物中黃銅礦單體解離度較機(jī)械粉碎更高。Martello等[7]采用高壓電脈沖技術(shù)可選擇性的將石英巖石包裹體破碎，減少伴生礦石對(duì)石英晶體的污染，破碎產(chǎn)品滿足太陽(yáng)能電池的高純度硅原料的要求。Valentine A. Chanturiya等[8]研究發(fā)現(xiàn)高壓電脈沖在礦石內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋，使得浸出液可以有效地接觸到貴金屬顆粒，大幅提高貴金屬的回收率。上述研究表明高壓電脈沖有望實(shí)現(xiàn)礦石的選擇性破碎。

1 設(shè)備原理及整體方案設(shè)計(jì)

將高壓電脈沖作用于礦石，在納秒時(shí)間尺度上脈沖電壓達(dá)到一定數(shù)值后可擊穿礦石。圖1顯示了各種介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)和電壓上升時(shí)間的關(guān)系。從圖1中可以看出，當(dāng)電壓上升時(shí)間小于500ns時(shí)礦石的擊穿場(chǎng)強(qiáng)小于水的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，所以如果控制電壓上升時(shí)間在500ns以內(nèi)，當(dāng)電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)將礦石破碎[9]。整體框圖如圖2所示，將高壓脈沖放電電源產(chǎn)生的高壓脈沖作用于破碎腔體中的礦石，礦石內(nèi)部形成等離子通道（圖2中破碎腔體中礦石內(nèi)的線性通道代表等離子通道），等離子通道會(huì)因巖石內(nèi)金屬粒子的引誘而選擇性發(fā)展，因而有可能實(shí)現(xiàn)礦石的選擇性破碎。

2 電路設(shè)計(jì)

因設(shè)計(jì)的高壓脈沖電源電路的脈沖形成電路采用Marx結(jié)構(gòu)，故需設(shè)計(jì)一基于Marx的脈沖充放電電路;因選用電網(wǎng)的交流電為輸入，故需設(shè)計(jì)一將交流電變換為直流電的整流濾波電路;因直接應(yīng)用Marx結(jié)構(gòu)進(jìn)行倍壓需要許多造價(jià)較高的電容，故在設(shè)計(jì)整流濾波電路時(shí)需加入五級(jí)倍壓電路;因要測(cè)量放電時(shí)單次脈沖電壓大小，故需設(shè)計(jì)一由分壓器示波器組成的電壓測(cè)量電路。

2.1 整流濾波及倍壓電路設(shè)計(jì)

整流濾波及倍壓電路如圖3所示，整流電路主要使用二極管（D1-D10）的正偏導(dǎo)通，反偏截止的單向?qū)щ娦?，將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)直流電，但此脈動(dòng)直流電的波動(dòng)幅度較大，為了讓其輸出更加平滑、消除里面的交流成分，故在電路中加0.02μF的電容（C1-C11）組成了整流濾波電路;一級(jí)倍壓電路由兩個(gè)電容、兩個(gè)二極管組成，一級(jí)倍壓電路的輸出電壓為輸入電壓的兩倍，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了五級(jí)倍壓電路，即輸出電壓為輸入電壓的十倍。

2.2 高壓脈沖發(fā)生器主體電路（Marx電路）設(shè)計(jì)

Marx發(fā)生器是基于電容器并聯(lián)充電、串聯(lián)放電原理而產(chǎn)生高功率脈沖的裝置[10]，一般采用電阻或電感充電隔離，雖然在較低重復(fù)頻率下，電阻充電隔離結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電感充電隔離相對(duì)復(fù)雜，絕緣處理要求較高，但電感隔離可提高工作頻率以及電路效率，因此本實(shí)驗(yàn)采用電感充電隔離方式，填充變壓器油進(jìn)行絕緣處理。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基于Marx的脈沖充放電電路（如圖4所示）主要由電容器、氣體開(kāi)關(guān)及電感組成?？梢詫?shí)現(xiàn)雙極性正負(fù)充電，使得開(kāi)關(guān)數(shù)量比單極性充電電路減少一半，結(jié)構(gòu)緊湊，回路電感小。