基于高壓電脈沖技術(shù)的方鉛礦石破碎試驗(yàn)研究

高 鵬 張洪浩 袁 帥 張寧豫 韓力仁 秦永紅

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110819;2.軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行長時間儲存而后再瞬間釋放到負(fù)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(jì)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(xué)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(xué)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(qiáng),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(jìn)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(jī)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(qiáng)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(jī)械破碎產(chǎn)品進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)電脈沖破碎后的產(chǎn)物解離度高于機(jī)械破碎產(chǎn)物的解離度,高壓電脈沖技術(shù)可以有效促進(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(jī)械破碎和高壓電脈沖破碎產(chǎn)物的微觀形貌。

1 試驗(yàn)原料、設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用方鉛礦石取自遼寧省鳳城市,試樣主要化學(xué)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(xué)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(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)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(jìn)行充電;當(dāng)高壓陶瓷電容器電壓達(dá)到擊穿電壓時,與其串聯(lián)的球狀氣體開關(guān)被導(dǎo)通,輸出的高壓通過導(dǎo)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(fù)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(jìn)一步膨脹引發(fā)礦石宏觀破裂。

1.3 試驗(yàn)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(yàn)設(shè)定的操作參數(shù)下進(jìn)行高壓電脈沖破碎試驗(yàn);待高壓電脈沖破碎試驗(yàn)結(jié)束后,將破碎產(chǎn)品過濾、烘干并在振動篩上篩分以計(jì)算產(chǎn)率。

通過篩分試驗(yàn)獲得的粒級產(chǎn)率數(shù)據(jù)繪制篩下負(fù)累計(jì)粒度分布曲線,從而獲得特征粒度并據(jù)下式計(jì)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(fù)累積產(chǎn)率為10%時顆粒粒度,mm;d90為負(fù)累積產(chǎn)率為90%時顆粒粒度,mm。

通過掃描電子顯微鏡進(jìn)一步分析高壓電脈沖破碎產(chǎn)物的表面形貌特征。

2 試驗(yàn)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(dāng)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(jì)并分析不同球隙間距下破碎產(chǎn)品的負(fù)累計(jì)曲線,根據(jù)式(1)及式(2)計(jì)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(dāng)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(xì),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(dāng)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(jì)并分析不同輸出電壓下破碎產(chǎn)品的負(fù)累計(jì)曲線,根據(jù)式(1)及式(2)計(jì)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(dāng)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(yàn)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(xì),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(dāng)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(jì)并分析不同脈沖次數(shù)下破碎產(chǎn)品的負(fù)累計(jì)曲線,根據(jù)式(1)及式(2)計(jì)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(dāng)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(xì),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(jī)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(jī)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(jī)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(diǎn),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(dǎo)致產(chǎn)生不同的切應(yīng)力,形成穿晶裂紋。

機(jī)械破碎主要通過沖擊剪切作用力來減小礦石的粒度以達(dá)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(xué)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(fù)雜的拉伸和沖擊作用力,從而導(dǎo)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(xué)性能,有利于礦石的進(jìn)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(xì),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(jī)械破碎主要通過沖擊剪切作用力來減小礦石的粒度,以達(dá)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(jìn)一步解離破碎。