基于高压电脉冲技术的方铅矿石破碎试验研究

高 鹏 张洪浩 袁 帅 张宁豫 韩力仁 秦永红

(1.东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819;2.轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁 沈阳 110819;3.难采选铁矿资源高效开发利用技术国家地方联合工程研究中心,辽宁 沈阳 110819)

高压电脉冲技术通过将能量进行长时间储存而后再瞬间释放到负载上以获得极高的功率密度,广泛用于国防、军工、爆破、食品杀菌、石油开采以及岩石破碎等领域[1-3]。20世纪50年代,YUTKIN在使用高压电脉冲技术分解水的过程中,发现产生的冲击波足以破碎矿石。至此,专家学者们开始研究将高压电脉冲技术用于矿业领域。研究表明,高压电技术破碎技术具有选择性破碎、污染小、无粉尘的优势,因此逐渐受到选矿工作者的重视。该技术利用矿石中矿物介电常数等电学性质的差异,使得外加电场对相对介电常数较高的矿物界面附近的电场增强,从而在矿物相界形成放电通道[4];脉冲能量在沿放电通道传递时产生的热应力膨胀[5]和等离子体爆炸使得不同矿物界面发生分离,形成裂隙[6]和微裂隙[7-8],进而改善矿物的解离和可选性。

QIN等[9]通过对比分析高压电脉冲产物和机械破碎产物的性质以及2种破碎产物的相对可磨度,发现高压电脉冲具有预弱化的作用;YAN等[10]通过建立平均击穿场强与烟煤样品含水率的函数关系,探究了水分对电脉冲破碎后煤结构演变的影响;ANDRES等[11]将电脉冲破碎产品与机械破碎产品进行对比,发现电脉冲破碎后的产物解离度高于机械破碎产物的解离度,高压电脉冲技术可以有效促进矿物解离;GAO等[12]研究了高压电脉冲对磁铁矿可磨性的影响,发现磨矿前进行高压电脉冲处理的磁铁矿,其磁选回收率及品位均有提高,高压电脉冲技术强化了后续分选过程。

为完善高压电破碎技术理论体系,以辽宁某方铅矿石为研究对象,考察球隙间距、输出电压和脉冲次数对破碎效果的影响,同时利用扫描电镜对比分析了机械破碎和高压电脉冲破碎产物的微观形貌。

1 试验原料、设备及方法

1.1 试验原料

试验所用方铅矿石取自辽宁省凤城市,试样主要化学成分分析、XRD分析及矿物组成分析结果分别见表1、图1及表2。

表1 试样主要化学成分分析结果Table 1 Analysis results of the main chemical composition of the samples %

图1 试样的XRD图谱Fig.1 XRD pattern of the samples

表2 试样的矿物组成及含量Table 2 Minerals composition and its contents in the samples %

由表1可知,试样中主要有用元素Pb、S、Ag的含量分别为4.38%、11.10%、115.70 g/t,主要杂质成分 SiO2、MgO、CaO 含量分别为 16.18%、13.42%、18.55%。

由图1和表2可知,试样中主要有用矿物为方铅矿和黄铁矿,主要脉石矿物为白云石和石英。

1.2 试验设备

试验所用设备的电路和结构如图2所示。

分析图2(a)可知:220 V交流电在变压器与二极管的调节作用下形成高压直流电,对高压陶瓷电容器进行充电;当高压陶瓷电容器电压达到击穿电压时,与其串联的球状气体开关被导通,输出的高压通过导线传递至高压电脉冲装置中。

图2 高压电脉冲设备的电路与结构示意Fig.2 The circuit and structure diagram of high-voltage electrical pulse equipment

根据图2(b)分析高压电脉冲破碎过程为:筒体内加入适量绝缘液(去离子水),使其液位高于破碎腔内的矿石;从陶瓷电容输出的高电压在正极与负极之间形成高压电场,在此过程中,矿石先于水被击穿,放电通道形成于矿石内部,放电通道进一步膨胀引发矿石宏观破裂。

1.3 试验方法

分别称取7～5mm、10～7mm、12.5～10mm的方铅矿石样品15 g于高压电脉冲破碎腔中,并加入去离子水,在试验设定的操作参数下进行高压电脉冲破碎试验;待高压电脉冲破碎试验结束后,将破碎产品过滤、烘干并在振动筛上筛分以计算产率。

通过筛分试验获得的粒级产率数据绘制筛下负累计粒度分布曲线,从而获得特征粒度并据下式计算平均破碎比与粒度分布均匀性。

式中,i50为平均破碎比;h为粒度分布均匀系数;f50为给料平均粒度,mm;d50为破碎后物料平均粒度,mm;d10为负累积产率为10%时颗粒粒度,mm;d90为负累积产率为90%时颗粒粒度,mm。

通过扫描电子显微镜进一步分析高压电脉冲破碎产物的表面形貌特征。

2 试验结果与讨论

2.1 球隙间距对破碎效果的影响

2.1.1 对破碎产品-2 mm粒级产率的影响

在输出电压为25 kV、脉冲次数为120次的条件下,分别考察球隙间距对7～5 mm、10～7 mm、12.5～10 mm 3种粒级方铅矿石破碎产品-2 mm粒级产率的影响,结果见图3。

图3 球隙间距对3种粒级方铅矿石破碎产品-2 mm粒级产率的影响Fig.3 Influence of spherical gap spacing on-2mm fraction yield of crushing products of galena with three kinds of fraction

由图3可知:对于3种粒级方铅矿石,随着球隙间距的增大,-2 mm粒级产率均呈现先增后减的趋势;当球隙间距为25 mm时,3个粒级方铅矿石破碎产品的-2 mm产率最高,分别为38.65%、24.65%、21.42%。

2.1.2 对平均破碎比及粒度分布均匀性的影响

统计并分析不同球隙间距下破碎产品的负累计曲线,根据式(1)及式(2)计算平均破碎比及粒度分布均匀系数,结果见表3。

表3 不同球隙间距下各粒级给料的平均破碎比及粒度分布均匀系数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:随着球隙间距的增大,3种给料粒级的平均破碎比及粒度分布均匀系数均呈先增后减的趋势,当球隙间距为25 mm时平均破碎比及粒度分布均匀系数最大,破碎效果较好。对比相同球隙间距下不同的给料粒级发现,给料粒度越细,破碎产品粒度分布均匀系数越大,粒度分布范围越宽,表明产品粒度均匀性越差。

2.2 输出电压对破碎效果的影响

2.2.1 对破碎产品-2 mm粒级产率的影响

在球隙间距为25 mm、脉冲次数为120次的条件下,分别考察输出电压对7～5 mm、10～7 mm、12.5～10 mm 3种粒级方铅矿石破碎产品-2 mm粒级产率的影响,结果见图4。

由图4可知:对于3种粒级方铅矿石,随着输出电压的增大,-2 mm粒级产率均呈现先增加后趋于平稳的趋势;当输出电压为25 kV时,3个粒级方铅矿石破碎产品的-2 mm产率最高,分别为38.65%、24.65%、21.42%。

图4 输出电压对3种粒级方铅矿石破碎产品-2mm粒级产率的影响Fig.4 Influence of output voltage on-2 mm fraction yield of crushing products of galena with three kinds of fraction

2.2.2 对平均破碎比及粒度分布均匀性的影响

统计并分析不同输出电压下破碎产品的负累计曲线,根据式(1)及式(2)计算平均破碎比及粒度分布均匀系数,结果见表4。

表4 不同输出电压下各粒级给料的平均破碎比及粒度分布均匀系数Table 4 The average crushing ratio and particle size distribution coefficient of each grain grade at different output voltage

由表4可知:随着输出电压的增大,3种给料粒级的平均破碎比及粒度分布均匀系数均呈先增后减的趋势,当输出电压为25 kV时平均破碎比及粒度分布均匀系数最大,破碎效果较好。与球隙间距条件试验结果类似,对比相同输出电压下不同的给料粒级发现,给料粒度越细,破碎产品粒度分布均匀系数越大,粒度分布范围越宽,表明产品粒度均匀性越差。

2.3 脉冲次数对破碎效果的影响

2.3.1 对破碎产品-2 mm粒级产率的影响

在输出电压为25 kV、球隙间隙为25 mm的条件下,分别考察脉冲次数对7～5 mm、10～7 mm、12.5～10 mm 3种粒级方铅矿石破碎产品-2 mm粒级产率的影响,结果见图5。

由图5可知:对于3种粒级方铅矿石,随着脉冲次数的增加,-2mm粒级产率均呈现单调递增的趋势;当脉冲次数为150次时,3个粒级方铅矿石破碎产品的-2mm产率最高,分别为50.21%、38.33%、32.42%。

mm粒级产率的影响Fig.5 Influence of pulse times on-2 mm fraction yield图5 脉冲次数对3种粒级方铅矿石破碎产品-2of crushing products of galena with three kinds of fraction

2.3.2 对平均破碎比及粒度分布均匀性的影响

统计并分析不同脉冲次数下破碎产品的负累计曲线,根据式(1)及式(2)计算平均破碎比及粒度分布均匀系数,结果见表5。

表5 不同脉冲次数下各粒级给料的平均破碎比及粒度分布均匀系数Table 5 The average crushing ratio and particle size distribution coefficient of each grain grade at different pulse times

由表5可知:随着脉冲次数的增大,3种给料粒级的平均破碎比及粒度分布均匀系数均呈增大的趋势,当脉冲次数为150次时平均破碎比及粒度分布均匀系数最大,破碎效果较好。对比相同脉冲次数下不同的给料粒级发现,给料粒度越细,破碎产品粒度分布均匀系数越大,粒度分布范围越宽,表明产品粒度均匀性越差。

2.4 破碎产品的微观形貌

图6为7～5 mm粒级给料的机械破碎和高压电脉冲破碎产品的表面微观形貌图。

图6 机械破碎与高压电脉冲破碎产品的SEM图Fig.6 SEM images of mechanical crushing and high-voltage electric pulse crushing products

由图6(a)可知:机械破碎产品内部没有明显的裂纹,矿物嵌布紧密,未发现明显的解离。由图6(b)、(d)可知:高压电脉冲破碎产品内部结构破裂,产生了大量的裂隙和微裂隙,且以相界处的微裂隙为主,穿晶微裂隙为辅。此外,由图6(c)可知:矿石表面裂纹周围存在大量气泡结构。这是由于在电脉冲放电通道形成过程中,需要大量的自由电子,脉冲形成时,自由电子的移动将电能转化为内能,且放电通道形成时间短,致使放电通道内部温度骤升,超过方铅矿、白云石等矿石的熔点,形成气泡结构。而不同矿物之间的受热膨胀系数存在差异,导致产生不同的切应力,形成穿晶裂纹。

机械破碎主要通过冲击剪切作用力来减小矿石的粒度以达到解离矿物的目的;而高压电脉冲技术在处理矿石的过程中,由于矿石中相邻矿物的介电常数等电学性质存在较大差异,放电通道易沿相界发展,使得脉冲能量在矿石内部传递的过程中会在相界处产生复杂的拉伸和冲击作用力,从而导致矿石内部产生大量的裂纹,破坏矿石的内部结构,提高矿物的解离程度,并显著降低矿石力学性能,有利于矿石的进一步解离破碎。

3 结 论

(1)针对7～5 mm、10～7 mm、12.5～10 mm这3种粒级给料,适宜的高压电脉冲破碎条件为:球隙间距25 mm、输出电压25 kV、脉冲次数150次,此时破碎产品-2 mm粒级产率最高,平均破碎比和粒度分布均匀系数最优。此外,给料粒度越细,破碎产品粒度分布均匀系数越大,粒度分布范围越宽,产品粒度均匀性越差。

(2)机械破碎主要通过冲击剪切作用力来减小矿石的粒度,以达到解离矿物的目的;而高压电脉冲破碎通过介电常数差异,破坏矿石的内部结构,相界面产生的大量裂隙和微裂隙有利于矿石的进一步解离破碎。