СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОГО РАСКРЫТИЯ ТОНКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ ИЗ ТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2000 года по МПК B02C19/18 

Изобретение относится к процессу измельчения и может быть использовано в горном деле при подготовке минерального сырья к обогащению.

Известны способы измельчения твердого материала приложением механической нагрузки, создающей в нем напряжения, превышающие пределы прочности на сжатие, растяжение и сдвиг [1] . Вдоль направлений с такими напряжениями происходит разрушение твердого тела на мелкие частицы.

Механическое измельчение характеризуется случайным приложением нагрузки, что обуславливает низкую селективность раскрытия включений. Оптимальная степень раскрытия включений достигается переизмельчением сырья более чем в три раза, что обуславливает большие энергозатраты на рудоподготовку [2].

Наиболее близкими техническими решениями являются электроимпульсный и электрогидравлический способы измельчения, состоящие в обработке измельчаемого материала электрическими разрядами микросекундной длительности с энергией от десятков до тысяч джоулей [3].

При электроимпульсном методе обработка ведется за счет разряда, проходящего непосредственно через места неоднородностей (включения, границы раздела и т.п.). Это происходит потому, что при некоторой скорости нарастания напряжения электрическая прочность твердых минералов (диэлектриков) оказывается ниже, чем прочность жидкости, в которой находится этот минерал. Электрический пробой, который приводит к измельчению твердого материала, происходит преимущественно по границе фаз с различными свойствами, что приводит к повышению селективности процесса: раскрытие происходит за счет давления в канале разряда при минимальном переизмельчении исходного материала.

При электрогидравлическом методе воздействие производится в основном волнами сжатия и растяжения, возникающими в обрабатываемой среде при импульсном электрическом пробое пульпы (чаще всего смеси воды с обрабатываемым материалом). Такой метод позволяет проводить обработку как диэлектрических, так и электропроводящих материалов.

При обработке мелких (менее 1 мм) материалов, естественно, что доля электрогидравлического воздействия будет определяющей, т.к. поперечный размер канала разряда очень мал, от единиц до десятков микрон. Поэтому доля частиц, попавших в канал разряда, несущественна.

Однако использование импульсов, в которых энергия выделяется в течение микросекунд, не обеспечивает селективного раскрытия тонких (размером 10 - 1000 мкм) включений, т.к. они создают ударные волны микросекундной длительности. Возникающие при этом импульсы давления распространяются со скоростью несколько километров в секунду и эффективно воздействуют (создают напряжения растяжения) на объекты с характерным размером d > 1 мм, согласно выражению
d ≈ 2 • v • t, (1)
где v - скорость звука в среде; t - время нарастания импульса давления.

Задачей настоящего изобретения является повышение селективности раскрытия тонких включений в частицах с размером ≤ 1 мм.

Поставленная задача решается тем, что в способе селективного раскрытия тонких включений из твердого материала, включающем обработку пульпы, состоящей из измельчаемого материала, находящегося в жидкости, высоковольтными электрическими разрядами в режиме пробоя, при этом для обработки частичек материала с размерами d от единиц до сотен микрометров используют высоковольтные наносекундные импульсы, длительностью t, меньшей или равной времени двойного пробега звуковой волны со скоростью v в частицах обрабатываемого материала
t ≤ 0,5 • d/v.

Для повышения эффективности раскрытия тонких включений область обработки пульпы может быть ограничена разрядной ячейкой, изготовленной из материала с электропроводимостью, меньшей чем электропроводность пульпы, с цилиндрическим отверстием, внутри отверстия на оси цилиндра устанавливают два электрода, причем расстояние между электродами h выбирают из условия пробоя пульпы, а диаметр цилиндрического отверстия D выбирают из условия:
D ≈ h.(2)
Для обработки непрерывного потока пульпы частота следования импульсов высокого напряжения f связана со скоростью потока пульпы U_п (см³/с) и объемом области обработки пульпы v (см³), равным 0,25 • D² • h, соотношением:
f ≥ U_п/v.(3)
Указанная задача решается в установке для селективного раскрытия тонких включений и для измельчения твердых материалов электрическими разрядами в режиме пробоя, состоящей из генератора импульсов высокого напряжения, разрядной ячейки с встроенными в нее электродами, пульпы из измельчаемого материала и жидкости, блока подготовки пульпы, блока приема обработанной пульпы, трубопроводов и запорной арматуры, в качестве генератора высокого напряжения используется наносекундный генератор с частотой следования импульсов по п. 3, в сечение потока устанавливают разрядную ячейку с двумя электродами по п. 2, один из которых высоковольтный положительной полярности представляет из себя острие и расположен так, что кончик острия находится на оси цилиндра, а второй электрод - заземленный в виде тонкого цилиндра с внешним диаметром, равным диаметру ячейки, при этом обработку материала осуществляют высоковольтными импульсами по п. 1, а энергия каждого импульса W (Дж), отнесенная к единичному объему обрабатываемой пульпы V_о (см³), подчиняется соотношению:
3 ≤ W/V_о ≤ 10.

Пример. Предложенным и известным способами проводились сравнительные опыты по измельчению золотосодержащих пиритных хвостов обогащения медно-цинковых руд. Средний размер частиц составлял 50 мкм. Селективность раскрытия включений частиц золота определялась количеством металла, перешедшего в специальный раствор из раскрытых включений. Для первого опыта использовали импульсы длительностью 1,5 мкс, а для предложенного - длительностью 15-18 нс. В обоих испытаниях энергозатраты на обработку были одинаковы.

Результаты опытов представлены в таблице.

Результаты показывают, что в обоих случаях происходит частичное раскрытие мелких включений, однако в предложенном методе эффективность повысилась более чем в 12 раз.

Ударные волны, распространяющиеся вокруг канала разряда, затухают на расстоянии нескольких миллиметров от оси канала до величин, при которых воздействие на обрабатываемый материал будет недостаточно для его разрушения. Следовательно, для повышения эффективности метода необходимо зону вокруг пробоя ограничить стенкой, установленной на расстоянии, при котором воздействие на обрабатываемый материал будет превышать величины его прочности. Из-за быстрого затухания волн сжатия и растяжения объем области разрушения материала будет невелик (≈ 1 см³), поэтому для повышения эффективности и производительности метода обработку пульпы необходимо вести в непрерывном потоке с использованием генераторов, позволяющих генерировать высоковольтные наносекундные импульсы с частотой следования сотни герц. Однако пробой пульпы сопровождается выделением пузырьков газа, которые необходимо удалить потоком пульпы из зоны разряда до прихода следующего импульса. Таким образом, должна быть корреляция между скоростью движения пульпы и частотой следования импульсов.

На фиг. 1 - изображена схема установки для пояснения способа;
на фиг. 2 - изображен общий вид установки.

Для решения этих проблем на пути потока пульпы устанавливают разрядную ячейку с цилиндрическим отверстием для прохождения пульпы фиг. 1. Ячейка 1, выполненная из изоляционного материала, с двумя электродами, один из которых высоковольтный 2 положительной полярности, представляет из себя острие и расположен так, что кончик острия находится на оси цилиндра. Второй электрод 3 - заземленный в виде тонкого металлического цилиндра с внешним диаметром, равным диаметру цилиндрического отверстия ячейки.

Расстояние между электродами h выбирают из условия стабильного пробоя пульпы. При уровне напряжений 50-250 кВ и длительности импульсов менее 50 нс величина h лежит в диапазоне 3-6 мм. Диаметр отверстия в ячейке D был найден во время испытаний из условия наибольшей эффективности с точки зрения уменьшения энергетических затрат для раскрытия тонких включений в твердых материалах. С достаточной для практических целей точностью получено, что D ≈ h.

Частоту следования импульсов высокого напряжения определяют соотношением:
f ≥ U_п/v
где f - частота следования импульсов высокого напряжения; U_п - скорость потока пульпы (см³/с); V_о - объем обрабатываемой области (см³), равный 0,25 • D² • h. Соотношение (2) показывает, что поток без пропусков проходит через зону разряда, что было подтверждено во время испытаний метода. Реализация этого условия возможна только при использовании генераторов с частотой следования импульсов на уровне нескольких сот герц. При такой частоте следования импульсов обеспечивается как стабильное прохождение потока, так и высокая производительность метода.

Во время испытания метода были получены следующие результаты:
- для обеспечения качественной обработки материала поток пульпы должен быть направлен от высоковольтного положительного электрода к заземленному. На фиг. 1 направление потока пульпы показано стрелкой. Это может быть связано с условием зарождения стримерного разряда на положительном электроде, образованием в результате пробоя пульпы пузырьков газа и дальнейшим прохождением этих пузырьков в потоке между электродами. Противоположное направление потока характеризуется нестабильными разрядами и меньшей эффективностью метода;
- энергия импульса W (Дж), отнесенная к единичному объему обрабатываемой пульпы V_о (см), подчиняется соотношению:
3 ≤ W/V_о ≤ 10,(4)
указывающему, что в этом диапазоне удельных энергий происходит наиболее эффективное с точки зрения энергетических затрат селективное раскрытие тонких включений и измельчение твердых материалов.

Способ был реализован на установке фиг. 2 для селективного раскрытия тонких включений и для измельчения твердых материалов электрическими разрядами в режиме пробоя. Установка состоит из наносекундного генератора импульсов высокого напряжения 5, разрядной ячейки с встроенными в нее электродами 6, 7, пульпы, находящейся в блоке подготовки пульпы 8, блока приема обработанной пульпы 9, трубопроводов 10 и запорной арматуры B1, B2. Для обеспечения высоковольтной изоляции выходной электрод генератора и ячейка расположены в камере K, заполненной жидким диэлектриком (трансформаторное масло).

Установка работает следующим образом. В блок подготовки пульпы 8 непрерывно поступает измельчаемый материал и жидкость, в котором они перемешиваются для получения пульпы. При открытии вентилей B1 и B2 пульпа движется к разрядной ячейке и заполняет пространство между электродами 6 и 7. В этот момент включается генератор наносекундных импульсов высокого напряжения 5. Частота работы генератора выбрана из условия (3). В результате электрических разрядов между электродами 6 и 7 разрядной ячейки образуются волны сжатия и растяжения в твердых частицах пульпы. Эти нагрузки приводят к расщеплению частиц материала. Расщепление в основном происходит по границам раздела сред с разными электрофизическими свойствами. Это следует из того, что именно на таких границах ударные волны претерпевают наибольшие изменения, связанные с отражением и дифракцией. В результате различной величины деформации различных сред наибольшие механические напряжения возникают на границах их раздела. Именно по этим границам, которые имеют наименьшую механическую прочность, происходит дезинтеграция обрабатываемого материала, что и приводит к селективному раскрытию тонких включений.

Примером конкретного исполнения служит установка для селективного раскрытия тонких включений и для измельчения твердых материалов электрическими разрядами в режиме пробоя. Установка состоит из генератора наносекундных импульсов, размещенного в металлическом баке размером 420 х 380 х 200 мм³. Генератор формирует импульс положительной полярности амплитудой около 200 кВ, длительностью менее 18 нс, частота следования импульсов до 300 Гц, энергия в импульсе от 0,3 до 3 Дж. Выходное напряжение от генератора подается на ячейку импульсной обработки пульпы, аналогичной фиг. 1. Использовались ячейки с диаметром цилиндрического отверстия D от 3 до 10 мм. Блок подготовки пульпы представляет из себя цилиндрический сосуд диаметром 150 мм и высотой 250 мм, в котором находится винтовая мешалка с приводом от электродвигателя. Система соединена трубопроводами с вентилями, аналогично показанной на фиг. 2.

На данной установке были проведены испытания по дезинтеграции различных материалов - пиритные хвосты со средним размером частиц 50 мкм, слюда с частицами размером от 100-300 мкм, кремний с размерами частиц от 10 до 500 мкм и др. Во всех испытаниях наблюдалось увеличение удельной поверхности материалов на 15-60%. Эффективность раскрытия мелких частиц показана на примере пиритных хвостов (таблица ).

Использованная литература
1. Селективное разрушение минералов В.И.Ревнивцев, Г.В.Гапонов, Л.И. Зарогатский и др.; Под ред. В.И.Ревнивцева. - М.: Недра, 1998, с. 9.

2. И. И.Блехман, Г.А.Финкельштейн. К вопросу об избирательном раскрытии полезных минералов при минимальном переизмельчении их. В кн.: Совершенствование и развитие процесса подготовки руд к обогащению. Л. Механобр. 1975, вып. 140, с. 149-152.

3. А.Ф.Усов, Б.В.Семкин, Н.Т.Зиновьев. Переходные процессы в установках электроимпульсной технологии.- Л.: Наука, 1987 , с. 6-15.

Способ включает обработку пульпы, состоящей из измельчаемого материала, находящегося в жидкости, высоковольтными электрическими разрядами в режиме пробоя. Для обработки частичек материала с размерами от единиц до сотен микрометров используют высоковольтные наносекундные импульсы, длительность которых определена указанной зависимостью. Установка состоит из генератора импульсов высокого напряжения, разрядной ячейки с встроенными в нее электродами, блока подготовки пульпы, блока приема обработанной пульпы, трубопроводов. В качестве генератора высокого напряжения использован наносекундный генератор с частотой следования импульсов согласно указанному соотношению, в сечение потока устанавливают разрядную ячейку с двумя электродами, один из которых, высоковольтный положительной полярности, представляет из себя острие и расположен так, что кончик острия находится на оси цилиндра, а второй электрод - заземленный в виде тонкого цилиндра с внешним диаметром, равным размеру ячейки. Энергия каждого импульса подчинена указанному соотношению. Изобретение позволяет повысить селективность раскрытия тонких включений в частицах с размером ≤ 1 мм. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ селективного раскрытия тонких включений из твердого материала, включающий обработку пульпы, состоящей из измельчаемого материала, находящегося в жидкости, высоковольтными электрическими разрядами в режиме пробоя, отличающийся тем, что для обработки частичек материала с размерами d от единиц до сотен микрометров используют высоковольтные наносекундные импульсы длительностью t, меньшей или равной времени двойного пробега звуковой волны со скоростью v в частицах обрабатываемого материала: t ≤ 0,5 • d/v, (1). 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для повышения эффективности раскрытия тонких включений область обработки пульпы ограничивают разрядной ячейкой, изготовленной из материала с электропроводимостью, меньшей чем электропроводимость пульпы, с цилиндрическим отверстием, внутри отверстия на оси цилиндра устанавливают два электрода, причем расстояние h между электродами выбирают из условия пробоя пульпы, а диаметр цилиндрического отверстия D выбирают из условия D ≈ h (2). 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для обработки непрерывного потока пульпы частота f следования импульсов высокого напряжения связана со скоростью U_п потока пульпы и объемом области обработки пульпы v, равным 0,25 • D² • h, соотношением f ≥ U_п/v, (3). 4. Установка для селективного раскрытия тонких включений и для измельчения твердых материалов электрическими разрядами в режиме пробоя, состоящая из генератора импульсов высокого напряжения, разрядной ячейки с встроенными в нее электродами, пульпы из измельчаемого материала и жидкости, блока подготовки пульпы, блока приема обработанной пульпы, трубопроводов и запорной арматуры, отличающаяся тем, что в качестве генератора высокого напряжения используется наносекундный генератор с частотой следования импульсов по п.3, в сечение потока устанавливают разрядную ячейку с двумя электродами по п.2, один из которых, высоковольтный положительной полярности, представляет из себя острие и расположен так, что кончик острия находится на оси цилиндра, а второй электрод - заземленный в виде тонкого цилиндра с внешним диаметром, равным диаметру ячейки, при этом обработку материала осуществляют высоковольтными импульсами по п.1, а энергия каждого импульса W (Дж), отнесенная к единичному объему обрабатываемой пульпы V_о (см³), подчиняется соотношению 3 ≤ W/V_о ≤ 10.