基于Marx发生器的新型高压电脉冲破碎设备研制及应用.pdf

收稿日期2019-11-02 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51974063） ， 中央高校基本科研业务专项 （编号 N180104016） ， 中国博士后科学基金资助项目 （编号 2020M670783） 。 作者简介秦永红 （1992） ， 男， 博士研究生。通讯作者高鹏 （1982） ， 男， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。 基于Marx发生器的新型高压电脉冲破碎 设备研制及应用 秦永红 1,2 张宁豫 1,2 高鹏 1,2 李宏达 3 陈洪运 1,21 （1. 东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819； 2. 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； 3. 沈阳理工大学装备工程学院， 辽宁 沈阳 110168） 摘要针对传统矿石粉碎设备产品解离不充分、 粒度分布不均匀等问题， 研制了一种基于Marx发生器的高压 电脉冲破碎设备， 并对典型的鞍山式磁铁石英岩进行相应的破碎研究， 以期实现矿物的高效解离、 预富集和预弱化。 高压电脉冲破碎设备由初级充电电源、 Marx发生器、 气体开关和新型针-板式电极对组成。高压脉冲放电破碎试验表 明 最佳的试验参数分别为球隙间距25 mm和输入电压70 V； 增加脉冲个数有利于强化破碎效果， 相较于机械破碎， 电 脉冲破碎产物的细粒级中TFe含量显著提升， 当脉冲个数为300时， 电脉冲破碎产物中-0.074 mm粒级TFe含量较机械 破碎提高了9.14。高压电脉冲有助于铁在细粒级预富集， 并促进磁铁矿-石英连生体有效解离。 关键词高压脉冲放电Marx发生器磁铁石英岩界面解离 中图分类号TD451文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -07-170-08 DOI10.19614/ki.jsks.202007025 Development and Application of New Type High-voltage Pulse Breakage Equipment Based on Marx Generator Qin Yonghong1,2Zhang Ningyu1,2Gao Peng1,2Li Hongda3Chen Hongyun1,22 （1. School of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China; 2. National-local Joint Engi⁃ neering Research Center of High-efficient Exploitation Technology for Refractory Iron Ore Resources, Shenyang 110819, China; 3. College of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110168, China） AbstractA new type of breakage equipment based on Marx generator was developed in view of the defects of the tradi⁃ tional breakage equipment such as insufficient dissociation and uneven product size distribution. In order to realize high effi⁃ ciency mineral liberation, preliminary enrichment and pre-weakening, the typical Anshan magnetite quartzite was studied us⁃ ing the new equipment. The equipment is composed of a primary charging power supply, a Marx generator, a gas switch and a new type of needle-plate electrode equivalent. The high-voltage pulse discharge breakage experiment indicated that the opti⁃ mum parameters of ball gap spacing 25 mm and voltage 70 V, respectively. The increase in the pulse number was con⁃ ducive to enhancing the breakage effect. Compared with mechanical crushing, the TFe content in the fine particle size of elec⁃ trical pulse crushing products was significantly increased. With the pulses number of 300, the content of TFe in -0.074 mm particle crushing product increased by 9.14. The high-voltage pulse breakage was helpful to the preconcentration of iron in fine particle and the effective liberation of magnetite-quartz intergrowth. KeywordsHigh-voltage pulse discharge, Marx generator, Magnetite quartzite, Interface dissociation 常规的机械破碎主要借助于冲击、 剪切和研磨 作用使矿石破裂， 从而使有用矿物实现高效单体解 离， 其破碎机理决定了破碎设备的能量利用效率较 低， 促使矿物颗粒间化学键断裂和产生新表面的能 量仅占1， 因此通过改善破碎工艺及设备以提高破 碎效率有一定的局限性 ［1］。提高破碎效率的另一途 径是改变矿石性质， 通过对矿石进行破碎前的预处 理， 可以改变矿石机械力学性质和矿物解离特性， 进 总第 529 期 2020 年第 7 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 529 July2020 机电与自动化 170 万方数据 而达到提高磨矿效率、 节能降耗的目的 ［2］。常见的预 处理手段包括磁化焙烧 ［3］、 磁脉冲［4］、 电脉冲［5］、 X射 线预选 ［6］和微波作用［7］等。 高压电脉冲技术广泛应用于国防、 油田开发、 工 业废弃物净化、 食品杀菌消毒和岩石破碎等方面， 近 年来， 已成为研究热点之一。研究表明 ［5］， 高压电脉 冲对矿石力学性能具有显著的弱化作用， 进而降低 矿石的磨矿功指数； 运用高压电脉冲对复杂难选矿 石进行预处理， 有望在降低磨矿能耗的同时提高其 金属回收率。作为一种新型破碎手段， 高压电脉冲 技术促使矿物优先沿晶界破裂、 解离， 在粒度较粗的 条件下实现有用矿物单体解离 ［5， 8-16］， 进而显著改善 磨矿效率和优化分选指标。因此， 本研究基于Marx 发生器研制了试验型高压电脉冲放电破碎设备， 并 以典型的鞍山式磁铁石英岩为研究对象， 进行高压 脉冲放电破碎试验， 探究不同破碎方式对产品粒度 组成、 TFe分布和微观形貌的影响规律。 1高压电脉冲破碎技术 高压电脉冲技术是将低功率的初级能量经长时 间输入到储能装置中， 通过能量的压缩与转换形成 脉冲， 在极短的时间内 （最短为纳秒级别） 以极高的 功率密度向负载释放能量的技术 ［17-18］。常规的高压 电脉冲设备主要包括能量储存装置、 脉冲形成系统、 脉冲开关和负载等 （如图1所示） ， 其电性参数范围如 表1所示 ［19］。 高压电脉冲破碎矿石本质上是固体电介质被击 穿的过程， 由于不同矿物存在电学性质差异， 在外加 脉冲电场作用下， 矿物界面易形成畸形电场， 使界面 的电场强度远高于其他位置， 导致放电通道沿矿物 界面产生。放电通道本质上是一种等离子体通道， 脉冲放电产生的高温高压环境促使等离子体通道迅 速膨胀并引发爆炸， 由此产生的冲击波促使矿石原 生裂纹扩展及次生裂纹萌生， 显著提高矿石中微裂 纹密度， 并弱化矿石力学强度。试验中通常将矿石 置于去离子水或变压器油 （绝缘耐压介质） 中， 在高 压电脉冲过程中电压上升沿时间通常小于500 ns， 在 此条件下固体电介质击穿场强低于去离子水或变压 器油， 因此矿石首先被击穿 ［10-11］。 2试验设备原理及组成 2. 1设备原理 本文所研制的高压电脉冲破碎设备的工作原理 为 输入电压经单相调压器变压， 交流点火变压器升 压和六倍压整流电路整流升压后输出高压直流电， 给耐高压陶瓷电容器充电， 充电电压的上升时间为 微秒量级。当耐高压陶瓷电容器电压达到气体开关 的击穿电压后， 与之连接的气体开关导通， 输出上升 时间为纳秒量级的高压电脉冲， 而后加载到负载电 极上。负载电极间的高压放电使绝缘液中的矿石破 碎。 2. 2设备组成 高压脉冲破碎设备主要包括初级充电电源、 高 压储能电容、 气体开关、 高压导线、 电阻、 放电室等。 2. 2. 1初级充电电源 自行设计的幅值电压为-60 kV和60 kV的双极 性高压直流充电电源， 用以给高压储能电容提供高 压充电电源， 其电路见图2。双极性高压直流充电电 源系统供电来自城市生活用电 （220 V、 50 Hz） ， 由单 相调压器调节充电电压的大小， 输出电压 （一级输入 电压） 为0250 V。一级输入电压经过交流点火变压 器升压后， 输出交流电 （电压为010 kV） ， 之后输入 到倍压整流电路平行系统。六倍压整流电路由高压 二极管、 高压瓷介电容焊接而成， 具有输入交流电， 输出直流电的作用， 二级输出电压幅值为-60 kV和 60 kV， 其与一级输入电压之间关系如图3所示。 2. 2. 2Marx发生器 高功率脉冲装置工作电压一般为数百千伏到数 兆伏量级， 常采用 Marx发生器， 又称冲击电压发生 器。其工作原理是 先利用高压直流电源通过适当 的电阻网络对大量由气体开关隔离的脉冲电容器进 行并联充电， 然后控制这些气体开关顺序击穿， 从而 使电容器迅速串联起来， 获得幅值很高的电压脉冲， 秦永红等 基于Marx发生器的新型高压电脉冲破碎设备研制及应用2020年第7期 171 万方数据 即 “并联充电， 串联放电” ［19-22］。 本文自行设计的Marx发生器主要由电容器、 气 体开关及电阻组成， 包含4个充电电阻， 2个接地电 阻， 大小均为106Ω。Marx发生器采用四级结构， 单 级采用超高压圆形陶瓷电容器， 耐压为50 kV， 电容 值为5 600 pF， 电路结构见图4。 该Marx发生器储能电路可以实现双极性正负充 电， 使得开关数量比单极性充电电路减少一半， 结构 紧凑， 回路电感小。具体过程为 直流高压电通过高 压电阻Rc、Rg给电容器充电， 其中开关间隙为空气， 充电过程中开关断开使电路形成断路状态。当充电 电压达到开关击穿电压U0时， 空气开关间隙被击穿， 两个开关瞬间被导通， 四个电容器形成串联状态向 负载放电， 此时负载上可获得约4U0的峰值电压。 （1） 充电过程。充电过程为电容器并联对电容 充电的过程， 如图5所示。充电过程中， 由于空气的 绝缘作用， 开关处于断开状态， 电源通过一系列高压 电阻对电容器进行并联充电。随着充电过程的进 行， 电容器两端电压逐渐增加， 直至所有电容器两端 的电压均达到U0， 开关间隙的空气被击穿， 电容器成 为串联状态向负载放电。 （2） 放电过程。放电过程为电容器串联放电的 过程， 如图6所示。高压电脉冲放电阶段通过气体开 关控制， 由于空气绝缘作用， 在气体开关两端电压小 于其击穿电压时隔断电路使整个电路处于断路状 态。当气体开关两端的电压达到其击穿电压后， 电 流突然激增， 从而使空气失去绝缘性能， 空气开关内 发生击穿， 形成等离子体导通电路， 向负载输出纳秒 级上升沿的高压电脉冲 ［17-18］。 2. 2. 3气体开关 气体开关技术是自击穿型Marx发生器的关键技 术， 气体开关控制 Marx发生器的正常运转， 决定了 Marx发生器的电学特性。气体开关的击穿电压值决 定Marx发生器的建立过程， 其电感和损耗电阻将直 接影响输出脉冲的相关电学特征 ［22-23］。 气体开关基于空气绝缘作用可承受一定范围的 电压， 从而隔断电路使开关处于断路状态。当气体 间隙上的电压达到其击穿电压后， 电流突然激增， 空 气绝缘性能消失， 气体开关被击穿， 形成等离子体进 而触发电路导通。这种气体由绝缘状态突变为导通 状态的过程， 称为击穿， 产生击穿的最低临界电压称 为击穿电压U0 ［17-18］。 本试验自行设计开关结构为圆柱圆头电极， 圆 柱球半径R为10 mm， 图7为气体开关的示意图。改 变圆头电极之间的距离， 即球隙间距， 击穿电压U0随 之改变， 其变化关系如图8所示。 一级输入电压不同， 电容两端的充电电压也不 金属矿山2020年第7期总第529期 172 万方数据 相同， 导致电容两端的电压达到U0的时间不同， 即充 电时间不相同， 它们之间的关系如图9所示， 本小节中 充电时间和击穿电压的获取均以脉冲产生为标志。 改变球隙间距， 气体开关自触发导通所需要的 击穿电压不相同， 在一级输入电压相同的情况下， 电 容电压达到所需击穿电压的时间不相同， 他们之间 的变化关系如图10所示。由图可知， 随着球隙间距 的增大， 充电时间变长； 同一球隙间距条件下， 一级 输入电压的增大导致充电时间变短。 2. 2. 4新型针-板式电极对结构 新型针-板式电极对结构包括高压电极、 圆柱筒 （接地电极） 、 绝缘筒 （上下两部分通过螺纹连接） 和 底座， 如图11所示。高压电极和接地电极之间设有 筛网， 筛孔尺寸可根据要求进行调整。高压电极为 高压电脉冲输入端， 高压电脉冲破碎试验装置形成 的高压电脉冲通过高压电极输出到放在圆柱筒内的 大颗粒矿石， 与接地电极形成通路。新型电极的使 用可使达到合格粒级的破碎产品及时进行筛分， 避 免能量持续作用于该部分矿物， 造成能量浪费。 秦永红等 基于Marx发生器的新型高压电脉冲破碎设备研制及应用2020年第7期 173 万方数据 脉冲放电时利用铜棒把高压电极与Marx发生器 的输出端相连。把圆柱筒放在高压电极的上方， 并 将之接地， 圆柱筒内部装有待破碎矿石， 同时在绝缘 筒内加入绝缘液， 浸没磁铁矿石。在高压电极和圆 柱筒 （接地电极） 之间形成了电压差。当高压电极上 的电压达到一定值时， 高压电极和圆柱筒之间发生 放电。多次放电后， 矿石从较大的颗粒被破碎至很 小的颗粒。最终颗粒的大小取决于高压电极和圆柱 筒之间筛网筛孔的大小， 可根据要求对筛孔大小进 行调整。 自行设计的新型针-板式电极对结构主要有以 下优点 （1） 放电电极和破碎腔为一体。既能作为放电 用的电极， 也可以作为盛纳准备破碎的矿石容器。 （2） 新型针-板电极对的结构设计在重频放电情 况下能够较好地破碎矿石， 可根据对破碎矿石颗粒 大小的要求改变筛网尺寸， 满足破碎需求。 （3） 通过螺纹连接的绝缘筒方便拆卸， 易于更换 高压电极与圆柱筒之间的筛网， 清洗绝缘筒、 圆柱 筒、 针-板电极及筛网。 3高压脉冲放电破碎试验 3. 1试 样 为考察新型高压脉冲放电破碎设备的处理效 果， 选取弓长岭选矿厂一选车间球磨给矿为试验矿 样， 进行高压脉冲放电破碎试验。该矿样为典型的 鞍山式磁铁石英岩， 给料粒度为-75 mm。矿石多元 素分析、 铁物相分析和矿物组成分别见表24。 由表2表4可知， 该矿石有用元素是铁， TFe品 位 为 28.54，FeO 含 量 为 13.51；SiO2含 量 为 53.44， 另外含有部分Al2O3和MgO， 有害杂质P、 S含 量较低； 该矿石中铁主要以磁铁矿形式存在， 磁性铁 占有率为73.32， 部分以赤 （褐） 铁矿、 碳酸铁和硅酸 铁形式存在于矿石中。矿石中金属矿物主要为磁铁 矿， 含量为38.60。非金属矿物主要为石英， 含量为 48.26， 其他非金属矿物有长石、 角闪石、 碳酸盐矿 物、 黑云母等， 含量均较低。 3. 2绝缘液的选取 为考察不同绝缘液对高压电脉冲破碎指标的影 响， 分别取去离子水和生活用自来水作为绝缘液进 行高压电脉冲破碎试验， 其电导率分别为5 μs/cm和 750 μs/cm， 试验结果如图12所示。 由图12可知， 在相同绝缘液介质条件下， 随着脉 冲个数的增加， -2 mm粒级产率呈现上升趋势； 在相 同脉冲个数条件下， 去离子水作为绝缘液介质时高 压电脉冲破碎产物中-2 mm粒级产率比自来水高， 表 明去离子水作为绝缘介质液的破碎效果更好。这可 能是因为水的介电常数较高， 脉冲放电过程中， 电场 被聚集于固体电介质中， 在电导率较高的自来水介 质中， 电场会部分聚集于自来水中， 使固体中电场强 度变弱， 影响其破碎时电能的释放和转化。在纳秒 级脉冲放电时， 水的击穿强度大于矿石， 即矿石先于 水被击穿。但液体击穿是由于离子游离所引发的， 而相比于去离子水， 自来水中含有大量的自由移动 的离子， 这会大大降低水的击穿场强， 导致脉冲放电 发生时， 会有部分自来水被击穿。 3. 3球隙间距 为研究球隙间距对于磁铁矿石粉碎指标的影 响， 选取不同球隙间距进行高压脉冲破碎试验， 破碎 后产品再磨矿， 试验条件为 一级输入电压为80 V、 脉冲个数为150， 磨矿浓度为70， 磨矿时间为2 min， 试验结果如图13所示。 金属矿山2020年第7期总第529期 174 万方数据 由图 13 可知， 随着球隙间距的增加， -2 mm 和-0.074 mm粒级产率都呈现先增大而后减小的趋 势， 在球隙间距为25 mm时二者达到最大值。随着球 隙间距的增大， 脉冲作用频率变小， 但脉冲频率低于 一定值时， 矿石粉碎效果被弱化。 3. 4一级输入电压 为研究一级输入电压对于磁铁矿石粉碎指标的 影响， 选取不同一级输入电压进行高压脉冲破碎试 验， 破碎后产品再磨矿， 试验条件为 球隙间距为25 mm、 脉冲个数为150， 磨矿浓度为70， 磨矿时间为2 min， 试验结果如图14所示。 由图14可知， 随着一级输入电压的增加， -2 mm 和-0.074 mm粒级产率均先增加而后趋于稳定。随 着一级输入电压的增加， 粒级产率提高， 电压达到70 V时， 粒级产率达到最大， 再增大电压， 粒级产率下 降。由于在适宜的电压范围内， 升高一级输入电压 值， 能使破碎时施加在矿石上的能量增加， 有利于提 高粉碎指标。一级输出电压主要影响加载电压的大 小， 试验中发现， 电压进一步增大时， 加载电压增大， 脉冲产生的频率明显加快， 导致施加在矿石上的能 量减小， 反而不利于改善破碎效果。且持续的高电 压施加在设备上， 会明显缩短设备元件的使用寿命。 3. 5脉冲个数 为研究脉冲个数对于磁铁矿石粉碎指标的影 响， 选取不同脉冲个数进行高压脉冲破碎试验， 破碎 后产品再磨矿， 试验条件为 球隙间距为25 mm、 一级 输入电压为 70 V， 磨矿浓度为 70， 磨矿时间为 2 min， 试验结果见图15。 由图 15 可知， 随着脉冲个数的增加， -2 mm 和-0.074 mm粒级产率均呈现直线上升趋势， 这是因 为脉冲个数的增加使施加到矿石上的能量增加， 矿 石更易破碎， 产生的细颗粒增多， -2 mm粒级产率的 增大标志着需要经过机械破碎的产品更少。 3. 6不同破碎方式产物TFe分布及微观形貌 不同破碎方式的产物中TFe分布情况见图16。 由图16可知， 机械破碎和电脉冲破碎产物中TFe 分布呈现出明显差异。机械破碎产物中-10.45 mm 粒级TFe含量为27.16， 当脉冲个数为300时， 电脉 冲破碎产物中该粒级 TFe含量为 23.67， 二者差值 为 3.49； 在-0.074 mm 粒级中该差值为 9.14。结 果表明， 经过高压电脉冲作用， 铁被富集于细粒级部 分。 高压电脉冲作用促使放电通道沿矿石相界面形 成， 在放电通道孕育阶段， 宽度仅数十微米的放电通 道内由于碰撞电离作用而形成高温高压环境， 压强 高达102103MPa， 温度高达104℃ ［24-25］。高温高压环 境使放电通道急剧膨胀， 由此而产生的热膨胀力超 过磁铁矿与石英间的界面结合力， 使界面处产生裂 缝。界面处产生的裂缝会沿界面进一步扩张， 使磁 秦永红等 基于Marx发生器的新型高压电脉冲破碎设备研制及应用2020年第7期 175 万方数据 铁矿和石英沿界面分离， 从而实现磁铁矿-石英连生 体的选择性解离 ［12-15］。 在球隙间距25 mm， 一级输入电压70 V， 脉冲个 数150等试验条件下进行高压电脉冲破碎试验， 分别 将机械破碎产物和高压电脉冲产物进行扫描电子显 微镜分析， 结果如图17所示。扫描电镜分析表明高 压电脉冲破碎产物断口存在大量气孔痕迹， 呈现熔 融后再被冷却凝固的状态。表明在高压电脉冲破碎 过程中， 高温环境使放电通道附近的矿物融化， 并产 生大量气体， 如CO2、 CO、 H2O等挥发性气体 ［8-9］， 这部 分气体会在穿过高温熔融态的矿物表面并留下大量 的气孔。而在脉冲放电结束后， 放电通道内温度迅 速降低， 导致熔融态矿物会重新凝固， 因此在高压电 脉冲破碎产物断口能观察到明显的熔融后凝固的表 观形貌。此外， 磁铁矿石存在着大量的原生微细裂 缝， 当这些裂缝与放电通道相互连通时， 气体便快速 地进入裂缝， 对其内壁施以压力， 使裂缝沿压力垂直 方向延伸扩展而生长为断面， 导致磁铁矿被破 碎 ［12-14］。 4结论 基于试验研制的高压脉冲放电破碎设备， 在设 备参数分析的基础上， 进行了球隙间距、 一级输入电 压、 脉冲个数等条件对破碎产物指标影响规律研究， 得到的主要结论如下 （1） 新型高压脉冲放电破碎设备主要包括初级 充电电源、 Marx发生器、 气体开关和新型针-板电极 对等。主要优势为放电电极和破碎腔为一体， 在重 频放电情况下， 可根据对破碎矿石颗粒大小的要求 改变筛网尺寸， 筛网易于更换， 设备便于清洗。 （2） 高压脉冲放电试验表明， 适宜的球隙间距和 一级输入电压分别为 25 mm和 70 V， 增加脉冲个数 有利于强化破碎效果， 且脉冲个数是制约破碎效果 最主要因素。球隙间距和一级输入电压通过影响输 出电压强度和脉冲的频率来制约粉碎指标。 （3） 相较于机械破碎， 铁矿物集中分布于细粒级 产品中， 表明高压电脉冲对矿物预富集作用更显著。 扫描电镜分析表明， 电脉冲破碎促使裂纹沿矿物边 界产生， 同时电脉冲产物断口存在大量气孔痕迹， 呈 现出熔融后再被冷却凝固的状态。 参 考 文 献 朱继生， 张治元.微阶段化磨矿技术研究与应用 ［J］ .金属矿山， 2003 （11） 27-29. 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