СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОЙ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2015 года по МПК B02C19/18 

Изобретение относится к процессам дезинтеграции и может быть использовано при подготовке минерального сырья к переработке различными методами.

Известные способы дезинтеграции твердых материалов, например руд, характеризуются приложением нагрузки и разрушением сростков в частицах руды по случайным направлениям с низкой селективностью раскрытия минералов. Оптимальная степень раскрытия минералов достигается переизмельчением сырья более чем в три раза, что сопровождается большими затратами энергии на рудоподготовку [1].

Известны способы селективного раскрытия минералов и тонких включений из твердого материала путем электроимпульсной или электрогидравлической обработки минерального сырья, снижающие в несколько раз затраты энергии по сравнению с известными механическими способами дезинтеграции твердых материалов [2], [3].

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ и установка селективного раскрытия тонких включений из твердого материала воздействием электрогидравлических (ЭГ) ударов, возникающих при пробое смеси частиц руды с жидкостью, например, с водой (пульпа) электрическими разрядами [2]. Особенностью данного метода является образование пузырьков газа, образующихся в канале разряда при пробое пульпы. Данные пузырьки, оставшиеся в межэлектродном промежутке, приводят к снижению эффективности электрического пробоя пульпы при следующем импульсе высокого напряжения, из-за развития разряда по газовым пузырькам, кроме того, газовые пузырьки экранируют воздействие ЭГ удара, на минеральные частицы, находящиеся в пульпе, что является недостатком данного способа. Удаление газовых пузырьков из зоны обработки пульпы осуществляется либо потоком пульпы, либо путем естественного всплывания пузырьков. Таким образом, необходимость удаления газовых пузырьков, для сохранения эффективности дезинтеграции сырья ЭГ методом, приводит к увеличению интервала времени между моментами электрического пробоя пульпы, и, как следствие, снижению производительности.

Изобретение решает задачу формирования электрических разрядов в пульпе с помощью импульсов высокого напряжения в областях повышенной концентрации твердого материала и свободных от газовых пузырьков, образующихся при предшествующих электрических разрядах в пульпе.

Технический результат заявляемого решения состоит в повышении производительности и эффективности процесса селективной дезинтеграции твердых материалов при обработке пульпы ЭГ методом с одновременным снижением энергозатрат.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в процессе дезинтеграции минерального сырья в виде пульпы, включающего ЭГ обработку материала путем формирования электрических разрядов в пульпе, осуществляется перенос каждого последующего электрического разряда в область пульпы, не возбужденную предыдущим электрическим разрядом и свободную от газовых пузырьков. Кроме того, осуществляется раскручивание пульпы внутри разрядной ячейки, что, в результате действия центробежной силы, приводит к повышению концентрации твердых частиц, содержащихся в пульпе, в слое, прилегающем к наружной оболочке разрядной ячейки, где и формируется электрический разряд.

Способ реализован в установке для селективной дезинтеграции твердых материалов, фиг. 1, включающей в себя генераторы высоковольтных импульсов и разрядную ячейку. Особенностью данной установки является многоэлектродная система, причем высоковольтная часть электродной системы расположена на внутренней диэлектрической неподвижной части разрядной ячейки, а заземленная часть электродной системы расположена на внешней металлической подвижной части разрядной ячейки, вращающейся с угловой скоростью Электродная система формируется высоковольтными электродами, равномерно расположенными на высоковольтной дисковой токопроводящей шине, в количестве n₁ на радиусе R и заземленными электродами, равномерно расположенными на заземленной дисковой токопроводящей шине, в количестве n₂, на радиусе R, при этом, n₁=n₂-1. Угловая скорость вращения заземленной части электродной системы выбирается согласованной с частотой следования импульсов высокого напряжения f таким образом, чтобы в момент приложения импульсов высокого напряжения к электродной системе происходило совпадение осей одной из пар разнопотенциальных электродов. При этом каждый последующий электрический разряд происходит в новой точке разрядной ячейки, удаленной от точки предыдущего разряда на расстояние 2πR/n₁. К разрядной ячейке допускается подключение нескольких генераторов высоковольтных импульсов, что позволяет увеличивать производительность разрядной ячейки и эффективность обработки пульпы.

Определение количества электродных систем и, соответственно, количества высоковольтных генераторов, расчет их конструктивных и электрических параметров, напряжения, длительности и энергии высоковольтных импульсов, формируемых генераторами, производится с учетом свойств минерального сырья и поставленной задачи по обработке.

Расчет основных параметров электродной системы для генератора:

1. Определяют электрическую прочность пульпы Е, В/м.

2. Выбирают произвольно количество высоковольтных электродов n₁, рекомендуется от 3 и более.

3. Определяют количество заземленных электродов: n₂=n₁+1.

4. Определяют минимальный радиус окружности установки электродов R, в зависимости от электрической прочности пульпы Е, напряжения импульсов высокого напряжения U, количества электродов n₁ и n₂, м: R=Un₁n₂/Еπ.

5. Определяют расстояние между электродами, в зависимости от электрической прочности пульпы Е и напряжения импульсов высокого напряжения U, м: h≤(0,5÷0,75)U/Е.

6. Определяют расстояние между вершиной электрода и поверхностью шины противоположного потенциала в зависимости от электрической прочности пульпы Е и напряжения импульсов высокого напряжения U, м: Н≥(2,5÷3,0)U/E.

Значения h и Н корректируют по результатам испытания.

Угловую скорость вращения заземленных электродов определяют в зависимости от частоты следования импульсов высокого напряжения f и количества электродов n₁ и n₂ по формуле, рад/с:

Для каждого генератора высоковольтных импульсов расчет параметров электродных систем установки производят отдельно.

Описание конструкции и работы установки для селективной дезинтеграции твердых материалов электрическими разрядами в пульпе

В качестве примера рассматривается разрядная ячейка для двух генераторов, фиг. 1.

Конструкция

Устройство разрядной ячейки состоит из двух основных частей: конического корпуса 1, вращающегося на оси 9 и неподвижно закрепленного, на этой же оси, диэлектрического конуса 2.

На внутренней конической поверхности корпуса и наружной конической поверхности диэлектрического конуса закреплены токопроводящие шины 5, 6, 7, 8 с расположенными на них электродами 11.

Токопроводящие шины 5 и 6, с электродами на них, образуют электродную систему для генератора №1. Токопроводящие шины 7 и 8, с электродами на них, образуют электродную систему для генератора №2.

На токопроводящие шины 5 и 7, подключенные к высоковольтным выводам генераторов №1 и №2, соответственно, подаются импульсы высокого напряжения. Токопроводящие шины 6 и 8 подключены к заземленным выводам генераторов. Конический корпус 1 и подвижный контакт (коллектор - щетка) 10 заземлены.

Загрузка пульпы на обработку осуществляется через загрузочную воронку 3 неподвижной крышки 4 конического корпуса 1. Выход обработанной пульпы происходит через штуцер 12, расположенный в нижней части корпуса 1.

Работа

Пульпа подается в устройство через загрузочную воронку 3 и самотеком поступает в полость между диэлектрическим конусом 2 и заземленным коническим корпусом 1 устройства. Пульпа заполняет весь объем разрядной ячейки. Частицы твердого материала, сростки в пульпе переносятся под действием центробежной силы, возникшей при вращении конического корпуса 1, на периферию, концентрируясь по окружности стенки конического корпуса вблизи заземленных электродов, закрепленных на токопроводящих шинах 6 и 8. Угловая скорость вращения конического корпуса 1 и частота следования f высоковольтных импульсов генераторов №1 и №2 согласованы таким образом, что электрический разряд в пульпе происходит в момент совпадения осей разнопотенциальных электродов соответствующих электродных систем. При этом электродные системы сконструированы так, что при вращении возможно поочередное совпадение осей только одной пары электродов для каждой системы. Другие пары электродов систем имеют несовпадение их осей на расстояние не менее 2U/E метров, что исключает возможность одновременного развития электрического разряда для нескольких пар электродов одной электродной системы. Взаимное влияние генераторов №1 и №2 на развитие электрических разрядов в пульпе минимизируется путем установки электродных систем на разных радиусах, за счет удаления электродных систем друг от друга по высоте и такой конструкцией электродных систем, что электрические разряды в пульпе происходят в диаметрально противоположных областях разрядной ячейки. Таким образом, каждый следующий электрический разряд в пульпе развивается в областях свободных от газовых пузырьков, образовавшихся при предшествующих электрических разрядах. Повторный электрический разряд в пульпе для каждого высоковольтного электрода возможен только после совершения корпусом 1 полного оборота вокруг оси. Времени полного оборота достаточно для удаления пузырьков газа из зоны электрического разряда естественным образом. В результате обеспечивается эффективное воздействие ЭГ удара на частицы твердых материалов, находящиеся в пульпе, и повышается производительность установки.

Пример

Установка, рассматриваемая в качестве прототипа [2], работает при частоте следования импульсов до 300 Гц. При более высокой частоте следования импульсов поток пульпы не обеспечивает удаление пузырьков газа из области развития разряда. Частота следования импульсов f, скорость потока пульпы U_п и объем разрядной ячейки v связаны соотношением f≥U_п/v. При этом, v=0,25D²h, см³/с. Так как определено, что наиболее оптимальная конфигурация разрядной ячейки достигается при D=h, то v=0,25D³. Из чего следует, что при D=0,6 см и f=300 Гц, максимальная скорость потока пульпы v равняется 16,2 см³/с.

Заявленная установка при количестве электродов n₁=11 и n₂=12 и скорости вращения конического корпуса рад/с (300 об/мин) обеспечивает обработку пульпы при частоте следования импульсов 660 Гц. При этом достигнута скорость потока пульпы 45 см³/с. Генератор высоковольтных импульсов заявленной установки обладает следующими выходными параметрами: импульсы положительной полярности амплитудой 210 кВ, длительность импульса 20 нc, энергия в импульсе 2,5-3 Дж, что соответствует выходным параметрам установки, рассматриваемой в качестве прототипа. Таким образом, достигнуто повышение производительности в 2,7 раза.

Кроме того, проведенные на заявляемой установке испытания по дезинтеграции пиритных хвостов со средним размером частиц 50 мкм, слюды с частицами размером 100-300 мкм, кремния с размером частиц 10-500 мкм, показало увеличение удельной поверхности на 20-60%, что соответствует результатам, достигнутым на установке-прототипе. При этом расход импульсов при обработке пульпы уменьшился с 18,5 имп/см³ до 14,6 имп/см³, что соответствует снижению энергозатрат с 55,5Дж/см³ до 43,8 Дж/см³. Таким образом, достигнуто повышение эффективности воздействия ЭГ удара на частицы минерального сырья, находящиеся в пульпе, на 21%.

ЭГ удар первоначально воздействует на частицы минерального сырья напряжением сжатия σ_C, затем, после прохождения через них ударной волны, силами растяжения σ_Ρ. Для горных пород и руд предел прочности на растяжение в 10-20 раз меньше предела прочности на сжатие [4], что приводит к повышению вероятности разрушения сростков минералов по межзерновым контактам (границам). Также горные породы имеют ослабленные зоны, характеризующиеся повышенной концентрацией дефектов (дислокации, микротрещины) и разной прочностью контактирующих зерен, что также приводит к повышению вероятности разрушения сростков минералов в этих зонах в результате внешнего воздействия.

Кроме того, дезинтеграция не есть просто измельчение размеров частиц: это сложный физико-химический процесс увеличения потенциальной энергии вещества и повышения его химической активности вследствие увеличения поверхностной энергии и энергии внутреннего строения. Изменение энергетического состояния вещества при его измельчении принято называть активацией. При активации пульпы электрическим разрядом и ударными волнами, на поверхности минералов происходят многообразные окислительно-восстановительные реакции.

Так, при выщелачивании после импульсной ЭГ обработки отвальных отходов горно-обогатительных комбинатов (хвостов) повышаются концентрации металлов в водной фазе пульпы, по сравнению с подобным процессом, проведенным без предварительной импульсной ЭГ обработки.

Пример

Пульпу лежалых отвальных отходов обогащения колчеданных руд Учалинского горно-обогатительного комбината (УГОК) обрабатывали ЭГ методом при соотношении твердое/жидкое = 1/1. Выщелачивание хвостов производили 5% водным раствором серной кислоты в течение недели в лабораторных условиях, табл. 1.

Таблица 1

Влияние импульсной ЭГ обработки хвостов на повышение концентрации металлов в водной фазе пульпы хвостов при выщелачивании

ЭГ обработка хвостов увеличивает селективность раскрытия минералов и улучшает доступ к ним выщелачивающего раствора. В полученных концентрированных продуктивных растворах - «жидких рудах» массовая доля металлов значительно превышает их промышленное содержание в водах (медь и цинк 50 мг/л, железо 100 мг/л), пригодных для гидрометаллургической переработки [5].

Данный способ селективной дезинтеграции твердых материалов приводит к увеличению эффективности селективного раскрытия минералов и дополнительно получения концентрированных продуктивных растворов металлов (жидких руд).

Источники информации

1. Блехман И.И., Финкельштейн Г.А. Селективное раскрытие минералов при минимальном переизмельчении // Тр. ин-та «Механобр». - Л.:1975. - №140. - С. 149-153 (аналог).

2. Патент №2150326 РФ, МПК В02С 19/18. Способ и установка для селективного раскрытия тонких включений из твердого материала / Ю.А. Котов, С.Р. Корженевский, В.А. Мотовилов и др.; заявитель и патентообладатель Институт электрофизики УрО РАН // №98117879/03, заявл. 29.09.1998, опубл. 10.06.2000.

3. Патент №2176558 РФ, МПК В03В 7/00. Способ переработки материалов, содержащих благородные металлы / И.Ж. Бунин, В.А. Вдовин, Ю.В. Гуляев и др.; заявитель и патентообладатель И.Ж. Бунин, В.А. Вдовин, Ю.В. Гуляев и др. // №2000132156/03, заявл. 22.12.2000, опубл. 10.12.2001.

4. Распределение и корреляция показателей физических свойств горных пород: Справочное пособие / Протодьяконов М.М., Тедер Р.И., Ильницкая Е.И. и др. - М.: Недра, 1981. - 240 с.

5. Дренажные воды - источник техногенного гидроминерального сырья на Урале / О.Н. Грязнов, С.В. Палкин, В.П. Новиков и др. // Изв. вуз. Горный журнал. - 1997. - №11-12. - С. 58-65.

Группа изобретений предназначена для селективной дезинтеграции твердых материалов при подготовке минерального сырья к переработке. Материал в виде пульпы обрабатывают бегущим высоковольтным электрическим разрядом в режиме пробоя. Разряд формируют при непрерывном раскручивании пульпы в свободной от пузырьков газа области повышенной концентрации твердого материала. Установка содержит блок подготовки и блок приема пульпы, трубопровод, запорную арматуру, генератор импульсов высокого напряжения и электроразрядную ячейку. Электроразрядная ячейка выполнена из неподвижной внутренней из диэлектрического материала (2) и металлической внешней с возможностью вращения (1) конусообразных частей на одной оси (9). На внешней поверхности внутренней части закреплены дисковые токопроводящие шины (5, 7) с высоковольтными положительными электродами (11). На внутренней поверхности внешней части закреплены дисковые токопроводящие шины (6, 8) с заземленными электродами (11). Одна пара разнополярных шин с электродами образует электродную систему. Количество электродных систем зависит от свойств пульпы. К каждой электродной системе подключен отдельный генератор импульсов высокого напряжения. Группа изобретений обеспечивает повышение производительности и эффективности процесса дезинтеграции. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ для селективной дезинтеграции твердых материалов, включающий обработку твердого материала в виде пульпы высоковольтным электрическим разрядом в режиме пробоя, отличающийся тем, что используют бегущий высоковольтный электрический разряд, который формируют в области повышенной концентрации твердого материала, свободной от пузырьков газа, при непрерывном раскручивании пульпы.

2. Установка, включающая блок подготовки пульпы и блок приема пульпы, трубопровод, запорную арматуру, генератор импульсов высокого напряжения, электроразрядную ячейку, снабженную высоковольтным положительным и заземленным электродами, отличающаяся тем, что электроразрядная ячейка выполнена из двух конусообразных частей, закрепленных на одной оси, причем внутренняя часть закреплена неподвижно и выполнена из диэлектрического материала, а внешняя часть - металлическая выполнена с возможностью вращения с угловой скоростью ω, на внешней поверхности внутренней части закреплены дисковые токопроводящие шины с расположенными на них высоковольтными положительными электродами в количестве n_1; а на внутренней поверхности внешней части закреплены дисковые токопроводящие шины с расположенными на них заземленными электродами в количестве n₂, одна пара разнополярных дисковых токопроводящих шин с электродами образует электродную систему, причем количество электродных систем выбирается, исходя из свойств пульпы, и к каждой электродной системе подключен отдельный генератор импульсов высокого напряжения.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что количество электродов n₁ и количество электродов n₂ выбираются, исходя из свойств обрабатываемых твердых материалов, причем: n₂=n₁+1.

4. Установка по п.2, отличающаяся тем, что минимальный радиус окружности R установки электродов на дисковых токопроводящих шинах определяется по формуле, м: R= Un₁n₂/Eπ, где E - электрическая прочность пульпы, U - напряжение высоковольтного электрического разряда, n₁ - количество высоковольтных положительных электродов, n₂ - количество заземленных электродов.

5. Установка по п.2, отличающаяся тем, что расстояние h между высоковольтными положительными электродами и заземленными электродами определяется по формуле, м: h≤(0,5-0,75)U/E, где E - электрическая прочность пульпы, U - напряжение высоковольтного электрического разряда.

6. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что расстояние H между электродом и поверхностью шины противоположного потенциала определяется по формуле, м: H≥(2,5-3,0)U/E, где E - электрическая прочность пульпы, U - напряжение высоковольтного электрического разряда.

7. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что угловая скорость вращения внешней части электроразрядной ячейки ω определяется по формуле, рад/с: ω =2πf/(n₁·n₂), где f - частота импульсов высокого напряжения, n₁ - количество высоковольтных положительных электродов, n₂ - количество заземленных электродов.