高壓電脈沖破碎技術(shù)特點及進展*

譚 誠 盧青青 周 旭 羅詩涵 楊 晨

（福州大學紫金地質(zhì)與礦業(yè)學院）

隨著采出礦石品位的下降、能源成本的持續(xù)上升以及優(yōu)質(zhì)礦產(chǎn)資源的逐步消耗，傳統(tǒng)礦物加工方式開發(fā)金屬礦產(chǎn)資源的成本越來越高。在這一背景下，開發(fā)新的礦物加工技術(shù)以改進傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝，已成為保證礦業(yè)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展的業(yè)內(nèi)共識［1］。高壓電脈沖破碎技術(shù)作為一種新型、多學科交叉技術(shù)，其獨特的原理和效果可以彌補傳統(tǒng)工藝的不足，發(fā)展前景較好。但從該技術(shù)的研究現(xiàn)狀和生產(chǎn)實踐看，仍存在一些技術(shù)難點需要突破和完善。

1 高壓電脈沖破碎技術(shù)的原理及與機械破碎的區(qū)別

1.1 原 理

高壓電脈沖破碎［1］是一種以固體物料高壓電擊穿破碎為基礎(chǔ)的新技術(shù)，以絕緣液體為能量傳遞介質(zhì)。由于金屬礦物和脈石礦物的介電常數(shù)、電導率等電學性質(zhì)差異較大，采用高壓脈沖預處理金屬礦物時，等離子體形成的放電通道容易沿金屬礦物與脈石礦物的交界面發(fā)展，在礦石內(nèi)部產(chǎn)生的等離子體迅速將能量釋放，從而形成沖擊波和破壞場破碎礦石。這種礦物沿晶體交界面分離的破碎方式在使礦物破碎的同時，礦石內(nèi)部礦物界面上還產(chǎn)生擴展裂紋和裂縫，進而改善礦物的解離和分選特性。在高壓電脈沖破碎中，不同種類的礦物邊界會誘使擊穿脈沖釋放能量。

1.2 與機械破碎的區(qū)別

高壓電脈沖破碎與礦石的一般破碎方法不同：機械破碎利用碎磨設(shè)備將電能轉(zhuǎn)化為破碎礦石所需的機械能，該方法不利于有效地利用破碎能量，用于增加必要新生表面積的能量相對較少，難以通過改良破碎設(shè)備來提高能量利用效率［2］；高壓電脈沖破碎具有破碎效率高、能耗低的特點，與焙燒技術(shù)一道被稱為目前選礦行業(yè)預處理礦石的重要手段［2］。

2 破碎過程的特點

關(guān)于電脈沖破碎過程的影響因素研究較多［3-13］：左蔚然等發(fā)現(xiàn)高壓電脈沖能夠有選擇地優(yōu)先破碎含金屬礦物的礦石顆粒；黃偉等通過試驗研究或數(shù)學模型模擬，發(fā)現(xiàn)金屬礦物晶粒在礦石顆粒內(nèi)的鑲嵌位置和數(shù)量會影響擊穿通道的發(fā)展程度、分枝數(shù)量和路徑位置；左蔚然等還發(fā)現(xiàn)固體顆粒與電極對的相對空間分布也會影響擊穿通道的路徑和顆粒的破碎程度，據(jù)此提出了應用高壓電脈沖破碎預富集金屬礦石的想法；左蔚然、黃偉等發(fā)現(xiàn)脈沖能量沉積到擊穿通道的比例與顆粒內(nèi)含有的金屬礦物數(shù)量、種類有顯著的相關(guān)關(guān)系。在取得相當理論成果的基礎(chǔ)上，眾多學者和設(shè)備廠家［5-6］對銅礦、金礦、鋰礦、錫礦和電子廢棄物進行了預富集試驗研究，并取得了良好的效果。

對于高壓電脈沖破碎的放電過程研究，國內(nèi)外研究者也做了大量的工作。由于在高壓電脈沖破碎過程中，儲能電容釋放的能量在礦石顆粒發(fā)生電擊穿后沉積到擊穿通道內(nèi)，引起擊穿通道的內(nèi)能、壓力和密度等在瞬間發(fā)生巨大改變，向臨近固體材料傳遞沖擊波并導致顆粒解體。因此，高壓電脈沖破碎的效率取決于脈沖能量沉積到擊穿通道的比例和能量沉積的速率。隨后，左蔚然等［4］對高壓電脈沖破碎的脈沖波形參數(shù)及其對應的顆粒擊穿類型和破碎程度進行了統(tǒng)計研究，發(fā)現(xiàn)脈沖波形參數(shù)可以反映顆粒性質(zhì)、擊穿類型和擊穿通道的能量沉積效率。通過采用中試系統(tǒng)進行的試驗研究，左蔚然等提出了表征顆粒高壓電脈沖破碎行為的3個指標（選擇性破碎概率、破碎程度和預弱化程度），建立了能量輸入、入料粒度和電壓這3個指標關(guān)系的數(shù)學模型，并探討了預測高壓電脈沖破碎產(chǎn)品的預富集程度的數(shù)學模型。

3 對選礦工藝指標的影響

對于如何科學利用高壓電脈沖破碎技術(shù)提高選礦指標，研究人員做了大量的工作，主要表現(xiàn)在2 個方面。其一，改善磨礦過程的能量消耗。在高壓電脈沖破碎的產(chǎn)物中形成裂縫，這有助于降低后續(xù)細碎及磨礦作業(yè)的能量消耗［3］。施逢年［14］基于JK Sim-Met 軟件，對磨礦流程進行了模擬、仿真，結(jié)果顯示，與高壓電脈沖破碎預弱化處理之前相比，半自磨系統(tǒng)的耗電量和礦石的磨礦功指數(shù)明顯降低，礦石的力學性能得到顯著改善，磨礦效率得到顯著提高?；诟邏弘娒}沖破碎對礦石顆粒裂縫密度和孔隙率均具有提高作用，即高壓電脈沖破碎能夠?qū)饘俚V石進行預弱化，降低礦石硬度和后續(xù)碎磨作業(yè)的能量消耗。其二，提高有用礦物的解離程度，進而有助于提高有價元素的回收率和產(chǎn)品品位，特別有助于提高難選多金屬礦石中有價元素的回收率和產(chǎn)品品位。有研究表明［15］，高壓電脈沖破碎技術(shù)的運用對稀貴金屬礦石及普通金屬礦石中有用礦物的解離程度會有提高作用，高壓電脈沖破碎產(chǎn)生的裂隙會促進可磨性的提高；左蔚然等基于人造礦石的電沖擊破碎研究，指出產(chǎn)品品位高低與高壓電脈沖破碎產(chǎn)物粒度粗細呈負相關(guān)關(guān)系，提出在預富集工藝流程中添加電脈沖破碎與篩分工藝可達到改善產(chǎn)品指標的目的，這一結(jié)論得到了天然銅礦石高壓電脈沖破碎試驗的證實［15］；對貴金屬礦石的研究還表明，高壓電脈沖破碎的金、銀等礦石的浸出指標也有明顯改善，在浸出過程中浸出液與金屬顆粒接觸的充分程度與回收率呈正相關(guān)。

4 潛在應用領(lǐng)域

目前，高壓電脈沖破碎技術(shù)的應用領(lǐng)域主要包括金屬礦石的破碎和煤層增透工藝。在金屬礦石破碎中的應用，其核心目的是提高目標礦物的解離度，為磨浮作業(yè)創(chuàng)造條件。此外，高壓電脈沖破碎技術(shù)在鉆探、電子垃圾有價元素提取、石油與天然氣資源提取等領(lǐng)域也有廣闊的應用前景［15］。

5 總 結(jié)

高壓電脈沖破碎技術(shù)是近年來新型礦物加工技術(shù)研究的熱點之一。其機理是將脈沖電源釋放的電能通過液體介質(zhì)傳遞到礦石內(nèi)部，形成等離子體，將其膨脹產(chǎn)生的機械力轉(zhuǎn)化為破碎礦石所需的能量。破碎過程具有選擇性破碎的特點，對于礦物加工工業(yè)，主要應用于預弱化、預富集工藝，并作為碎磨的上一級工序。該技術(shù)不僅應用于選礦領(lǐng)域，還廣泛地應用在廢棄物處理，油氣鉆探等領(lǐng)域。然而，由于缺乏系統(tǒng)深入的基礎(chǔ)理論研究，金屬礦石在高壓電脈沖作用下發(fā)生電擊穿的選擇性、不同性質(zhì)金屬礦石的電擊穿過程以及金屬礦石的選擇性破碎行為等方面的研究還存在諸多亟待解決的理論與技術(shù)問題，相關(guān)研究仍具有重要的理論與實際意義。