基于Marx發(fā)生器的新型高壓電脈沖破碎設(shè)備研制及應(yīng)用

秦永紅 張寧豫 高 鵬 李宏達(dá) 陳洪運(yùn)1

（1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110819；2.難采選鐵礦資源高效開發(fā)利用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，遼寧沈陽110819；3.沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧沈陽110168）

常規(guī)的機(jī)械破碎主要借助于沖擊、剪切和研磨作用使礦石破裂，從而使有用礦物實(shí)現(xiàn)高效單體解離，其破碎機(jī)理決定了破碎設(shè)備的能量利用效率較低，促使礦物顆粒間化學(xué)鍵斷裂和產(chǎn)生新表面的能量僅占1%，因此通過改善破碎工藝及設(shè)備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徑是改變礦石性質(zhì)，通過對礦石進(jìn)行破碎前的預(yù)處理，可以改變礦石機(jī)械力學(xué)性質(zhì)和礦物解離特性，進(jìn)而達(dá)到提高磨礦效率、節(jié)能降耗的目的［2］。常見的預(yù)處理手段包括磁化焙燒［3］、磁脈沖［4］、電脈沖［5］、X射線預(yù)選［6］和微波作用［7］等。

高壓電脈沖技術(shù)廣泛應(yīng)用于國防、油田開發(fā)、工業(yè)廢棄物凈化、食品殺菌消毒和巖石破碎等方面，近年來，已成為研究熱點(diǎn)之一。研究表明［5］，高壓電脈沖對礦石力學(xué)性能具有顯著的弱化作用，進(jìn)而降低礦石的磨礦功指數(shù)；運(yùn)用高壓電脈沖對復(fù)雜難選礦石進(jìn)行預(yù)處理，有望在降低磨礦能耗的同時提高其金屬回收率。作為一種新型破碎手段，高壓電脈沖技術(shù)促使礦物優(yōu)先沿晶界破裂、解離，在粒度較粗的條件下實(shí)現(xiàn)有用礦物單體解離［5，8-16］，進(jìn)而顯著改善磨礦效率和優(yōu)化分選指標(biāo)。因此，本研究基于Marx發(fā)生器研制了試驗(yàn)型高壓電脈沖放電破碎設(shè)備，并以典型的鞍山式磁鐵石英巖為研究對象，進(jìn)行高壓脈沖放電破碎試驗(yàn)，探究不同破碎方式對產(chǎn)品粒度組成、TFe分布和微觀形貌的影響規(guī)律。

1 高壓電脈沖破碎技術(shù)

高壓電脈沖技術(shù)是將低功率的初級能量經(jīng)長時間輸入到儲能裝置中，通過能量的壓縮與轉(zhuǎn)換形成脈沖，在極短的時間內(nèi)（最短為納秒級別）以極高的功率密度向負(fù)載釋放能量的技術(shù)［17-18］。常規(guī)的高壓電脈沖設(shè)備主要包括能量儲存裝置、脈沖形成系統(tǒng)、脈沖開關(guān)和負(fù)載等（如圖1所示），其電性參數(shù)范圍如表1所示［19］。

高壓電脈沖破碎礦石本質(zhì)上是固體電介質(zhì)被擊穿的過程，由于不同礦物存在電學(xué)性質(zhì)差異，在外加脈沖電場作用下，礦物界面易形成畸形電場，使界面的電場強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他位置，導(dǎo)致放電通道沿礦物界面產(chǎn)生。放電通道本質(zhì)上是一種等離子體通道，脈沖放電產(chǎn)生的高溫高壓環(huán)境促使等離子體通道迅速膨脹并引發(fā)爆炸，由此產(chǎn)生的沖擊波促使礦石原生裂紋擴(kuò)展及次生裂紋萌生，顯著提高礦石中微裂紋密度，并弱化礦石力學(xué)強(qiáng)度。試驗(yàn)中通常將礦石置于去離子水或變壓器油（絕緣耐壓介質(zhì)）中，在高壓電脈沖過程中電壓上升沿時間通常小于500 ns，在此條件下固體電介質(zhì)擊穿場強(qiáng)低于去離子水或變壓器油，因此礦石首先被擊穿［10-11］。

2 試驗(yàn)設(shè)備原理及組成

2.1 設(shè)備原理

本文所研制的高壓電脈沖破碎設(shè)備的工作原理為：輸入電壓經(jīng)單相調(diào)壓器變壓，交流點(diǎn)火變壓器升壓和六倍壓整流電路整流升壓后輸出高壓直流電，給耐高壓陶瓷電容器充電，充電電壓的上升時間為微秒量級。當(dāng)耐高壓陶瓷電容器電壓達(dá)到氣體開關(guān)的擊穿電壓后，與之連接的氣體開關(guān)導(dǎo)通，輸出上升時間為納秒量級的高壓電脈沖，而后加載到負(fù)載電極上。負(fù)載電極間的高壓放電使絕緣液中的礦石破碎。

2.2 設(shè)備組成

高壓脈沖破碎設(shè)備主要包括初級充電電源、高壓儲能電容、氣體開關(guān)、高壓導(dǎo)線、電阻、放電室等。

2.2.1 初級充電電源

自行設(shè)計(jì)的幅值電壓為-60 kV和60 kV的雙極性高壓直流充電電源，用以給高壓儲能電容提供高壓充電電源，其電路見圖2。雙極性高壓直流充電電源系統(tǒng)供電來自城市生活用電（220 V、50 Hz），由單相調(diào)壓器調(diào)節(jié)充電電壓的大小，輸出電壓（一級輸入電壓）為0～250 V。一級輸入電壓經(jīng)過交流點(diǎn)火變壓器升壓后，輸出交流電（電壓為0～10 kV），之后輸入到倍壓整流電路平行系統(tǒng)。六倍壓整流電路由高壓二極管、高壓瓷介電容焊接而成，具有輸入交流電，輸出直流電的作用，二級輸出電壓幅值為-60 kV和60 kV，其與一級輸入電壓之間關(guān)系如圖3所示。

2.2.2 Marx發(fā)生器

高功率脈沖裝置工作電壓一般為數(shù)百千伏到數(shù)兆伏量級，常采用Marx發(fā)生器，又稱沖擊電壓發(fā)生器。其工作原理是：先利用高壓直流電源通過適當(dāng)?shù)碾娮杈W(wǎng)絡(luò)對大量由氣體開關(guān)隔離的脈沖電容器進(jìn)行并聯(lián)充電，然后控制這些氣體開關(guān)順序擊穿，從而使電容器迅速串聯(lián)起來，獲得幅值很高的電壓脈沖，即“并聯(lián)充電，串聯(lián)放電”［19-22］。

本文自行設(shè)計(jì)的Marx發(fā)生器主要由電容器、氣體開關(guān)及電阻組成，包含4個充電電阻，2個接地電阻，大小均為106Ω。Marx發(fā)生器采用四級結(jié)構(gòu)，單級采用超高壓圓形陶瓷電容器，耐壓為50 kV，電容值為5 600 pF，電路結(jié)構(gòu)見圖4。

該Marx發(fā)生器儲能電路可以實(shí)現(xiàn)雙極性正負(fù)充電，使得開關(guān)數(shù)量比單極性充電電路減少一半，結(jié)構(gòu)緊湊，回路電感小。具體過程為：直流高壓電通過高壓電阻Rc、Rg給電容器充電，其中開關(guān)間隙為空氣，充電過程中開關(guān)斷開使電路形成斷路狀態(tài)。當(dāng)充電電壓達(dá)到開關(guān)擊穿電壓U0時，空氣開關(guān)間隙被擊穿，兩個開關(guān)瞬間被導(dǎo)通，四個電容器形成串聯(lián)狀態(tài)向負(fù)載放電，此時負(fù)載上可獲得約4U0的峰值電壓。

（1）充電過程。充電過程為電容器并聯(lián)對電容充電的過程，如圖5所示。充電過程中，由于空氣的絕緣作用，開關(guān)處于斷開狀態(tài)，電源通過一系列高壓電阻對電容器進(jìn)行并聯(lián)充電。隨著充電過程的進(jìn)行，電容器兩端電壓逐漸增加，直至所有電容器兩端的電壓均達(dá)到U0，開關(guān)間隙的空氣被擊穿，電容器成為串聯(lián)狀態(tài)向負(fù)載放電。

（2）放電過程。放電過程為電容器串聯(lián)放電的過程，如圖6所示。高壓電脈沖放電階段通過氣體開關(guān)控制，由于空氣絕緣作用，在氣體開關(guān)兩端電壓小于其擊穿電壓時隔斷電路使整個電路處于斷路狀態(tài)。當(dāng)氣體開關(guān)兩端的電壓達(dá)到其擊穿電壓后，電流突然激增，從而使空氣失去絕緣性能，空氣開關(guān)內(nèi)發(fā)生擊穿，形成等離子體導(dǎo)通電路，向負(fù)載輸出納秒級上升沿的高壓電脈沖［17-18］。

2.2.3 氣體開關(guān)

氣體開關(guān)技術(shù)是自擊穿型Marx發(fā)生器的關(guān)鍵技術(shù)，氣體開關(guān)控制Marx發(fā)生器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，決定了Marx發(fā)生器的電學(xué)特性。氣體開關(guān)的擊穿電壓值決定Marx發(fā)生器的建立過程，其電感和損耗電阻將直接影響輸出脈沖的相關(guān)電學(xué)特征［22-23］。

氣體開關(guān)基于空氣絕緣作用可承受一定范圍的電壓，從而隔斷電路使開關(guān)處于斷路狀態(tài)。當(dāng)氣體間隙上的電壓達(dá)到其擊穿電壓后，電流突然激增，空氣絕緣性能消失，氣體開關(guān)被擊穿，形成等離子體進(jìn)而觸發(fā)電路導(dǎo)通。這種氣體由絕緣狀態(tài)突變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)的過程，稱為擊穿，產(chǎn)生擊穿的最低臨界電壓稱為擊穿電壓U0［17-18］。

本試驗(yàn)自行設(shè)計(jì)開關(guān)結(jié)構(gòu)為圓柱圓頭電極，圓柱球半徑R為10 mm，圖7為氣體開關(guān)的示意圖。改變圓頭電極之間的距離，即球隙間距，擊穿電壓U0隨之改變，其變化關(guān)系如圖8所示。

一級輸入電壓不同，電容兩端的充電電壓也不相同，導(dǎo)致電容兩端的電壓達(dá)到U0的時間不同，即充電時間不相同，它們之間的關(guān)系如圖9所示，本小節(jié)中充電時間和擊穿電壓的獲取均以脈沖產(chǎn)生為標(biāo)志。

改變球隙間距，氣體開關(guān)自觸發(fā)導(dǎo)通所需要的擊穿電壓不相同，在一級輸入電壓相同的情況下，電容電壓達(dá)到所需擊穿電壓的時間不相同，他們之間的變化關(guān)系如圖10所示。由圖可知，隨著球隙間距的增大，充電時間變長；同一球隙間距條件下，一級輸入電壓的增大導(dǎo)致充電時間變短。

2.2.4 新型針-板式電極對結(jié)構(gòu)

新型針-板式電極對結(jié)構(gòu)包括高壓電極、圓柱筒（接地電極）、絕緣筒（上下兩部分通過螺紋連接）和底座，如圖11所示。高壓電極和接地電極之間設(shè)有篩網(wǎng)，篩孔尺寸可根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)整。高壓電極為高壓電脈沖輸入端，高壓電脈沖破碎試驗(yàn)裝置形成的高壓電脈沖通過高壓電極輸出到放在圓柱筒內(nèi)的大顆粒礦石，與接地電極形成通路。新型電極的使用可使達(dá)到合格粒級的破碎產(chǎn)品及時進(jìn)行篩分，避免能量持續(xù)作用于該部分礦物，造成能量浪費(fèi)。

脈沖放電時利用銅棒把高壓電極與Marx發(fā)生器的輸出端相連。把圓柱筒放在高壓電極的上方，并將之接地，圓柱筒內(nèi)部裝有待破碎礦石，同時在絕緣筒內(nèi)加入絕緣液，浸沒磁鐵礦石。在高壓電極和圓柱筒（接地電極）之間形成了電壓差。當(dāng)高壓電極上的電壓達(dá)到一定值時，高壓電極和圓柱筒之間發(fā)生放電。多次放電后，礦石從較大的顆粒被破碎至很小的顆粒。最終顆粒的大小取決于高壓電極和圓柱筒之間篩網(wǎng)篩孔的大小，可根據(jù)要求對篩孔大小進(jìn)行調(diào)整。

自行設(shè)計(jì)的新型針-板式電極對結(jié)構(gòu)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）放電電極和破碎腔為一體。既能作為放電用的電極，也可以作為盛納準(zhǔn)備破碎的礦石容器。

（2）新型針-板電極對的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在重頻放電情況下能夠較好地破碎礦石，可根據(jù)對破碎礦石顆粒大小的要求改變篩網(wǎng)尺寸，滿足破碎需求。

（3）通過螺紋連接的絕緣筒方便拆卸，易于更換高壓電極與圓柱筒之間的篩網(wǎng)，清洗絕緣筒、圓柱筒、針-板電極及篩網(wǎng)。

3 高壓脈沖放電破碎試驗(yàn)

3.1 試樣

為考察新型高壓脈沖放電破碎設(shè)備的處理效果，選取弓長嶺選礦廠一選車間球磨給礦為試驗(yàn)礦樣，進(jìn)行高壓脈沖放電破碎試驗(yàn)。該礦樣為典型的鞍山式磁鐵石英巖，給料粒度為-7+5 mm。礦石多元素分析、鐵物相分析和礦物組成分別見表2～4。

由表2～表4可知，該礦石有用元素是鐵，TFe品位為 28.54%，F(xiàn)eO含量為 13.51%；SiO2含量為53.44%，另外含有部分Al2O3和MgO，有害雜質(zhì)P、S含量較低；該礦石中鐵主要以磁鐵礦形式存在，磁性鐵占有率為73.32%，部分以赤（褐）鐵礦、碳酸鐵和硅酸鐵形式存在于礦石中。礦石中金屬礦物主要為磁鐵礦，含量為38.60%。非金屬礦物主要為石英，含量為48.26%，其他非金屬礦物有長石、角閃石、碳酸鹽礦物、黑云母等，含量均較低。

3.2 絕緣液的選取

為考察不同絕緣液對高壓電脈沖破碎指標(biāo)的影響，分別取去離子水和生活用自來水作為絕緣液進(jìn)行高壓電脈沖破碎試驗(yàn)，其電導(dǎo)率分別為5 μs/cm和750 μs/cm，試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，在相同絕緣液介質(zhì)條件下，隨著脈沖個數(shù)的增加，-2 mm粒級產(chǎn)率呈現(xiàn)上升趨勢；在相同脈沖個數(shù)條件下，去離子水作為絕緣液介質(zhì)時高壓電脈沖破碎產(chǎn)物中-2 mm粒級產(chǎn)率比自來水高，表明去離子水作為絕緣介質(zhì)液的破碎效果更好。這可能是因?yàn)樗慕殡姵?shù)較高，脈沖放電過程中，電場被聚集于固體電介質(zhì)中，在電導(dǎo)率較高的自來水介質(zhì)中，電場會部分聚集于自來水中，使固體中電場強(qiáng)度變?nèi)酰绊懫淦扑闀r電能的釋放和轉(zhuǎn)化。在納秒級脈沖放電時，水的擊穿強(qiáng)度大于礦石，即礦石先于水被擊穿。但液體擊穿是由于離子游離所引發(fā)的，而相比于去離子水，自來水中含有大量的自由移動的離子，這會大大降低水的擊穿場強(qiáng)，導(dǎo)致脈沖放電發(fā)生時，會有部分自來水被擊穿。

3.3 球隙間距

為研究球隙間距對于磁鐵礦石粉碎指標(biāo)的影響，選取不同球隙間距進(jìn)行高壓脈沖破碎試驗(yàn)，破碎后產(chǎn)品再磨礦，試驗(yàn)條件為：一級輸入電壓為80 V、脈沖個數(shù)為150，磨礦濃度為70%，磨礦時間為2 min，試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

由圖13可知，隨著球隙間距的增加，-2 mm和-0.074 mm粒級產(chǎn)率都呈現(xiàn)先增大而后減小的趨勢，在球隙間距為25 mm時二者達(dá)到最大值。隨著球隙間距的增大，脈沖作用頻率變小，但脈沖頻率低于一定值時，礦石粉碎效果被弱化。

3.4 一級輸入電壓

為研究一級輸入電壓對于磁鐵礦石粉碎指標(biāo)的影響，選取不同一級輸入電壓進(jìn)行高壓脈沖破碎試驗(yàn)，破碎后產(chǎn)品再磨礦，試驗(yàn)條件為：球隙間距為25 mm、脈沖個數(shù)為150，磨礦濃度為70%，磨礦時間為2 min，試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

由圖14可知，隨著一級輸入電壓的增加，-2 mm和-0.074 mm粒級產(chǎn)率均先增加而后趨于穩(wěn)定。隨著一級輸入電壓的增加，粒級產(chǎn)率提高，電壓達(dá)到70 V時，粒級產(chǎn)率達(dá)到最大，再增大電壓，粒級產(chǎn)率下降。由于在適宜的電壓范圍內(nèi)，升高一級輸入電壓值，能使破碎時施加在礦石上的能量增加，有利于提高粉碎指標(biāo)。一級輸出電壓主要影響加載電壓的大小，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，電壓進(jìn)一步增大時，加載電壓增大，脈沖產(chǎn)生的頻率明顯加快，導(dǎo)致施加在礦石上的能量減小，反而不利于改善破碎效果。且持續(xù)的高電壓施加在設(shè)備上，會明顯縮短設(shè)備元件的使用壽命。

3.5 脈沖個數(shù)

為研究脈沖個數(shù)對于磁鐵礦石粉碎指標(biāo)的影響，選取不同脈沖個數(shù)進(jìn)行高壓脈沖破碎試驗(yàn)，破碎后產(chǎn)品再磨礦，試驗(yàn)條件為：球隙間距為25 mm、一級輸入電壓為70 V，磨礦濃度為70%，磨礦時間為2 min，試驗(yàn)結(jié)果見圖15。

由圖15可知，隨著脈沖個數(shù)的增加，-2 mm和-0.074 mm粒級產(chǎn)率均呈現(xiàn)直線上升趨勢，這是因?yàn)槊}沖個數(shù)的增加使施加到礦石上的能量增加，礦石更易破碎，產(chǎn)生的細(xì)顆粒增多，-2 mm粒級產(chǎn)率的增大標(biāo)志著需要經(jīng)過機(jī)械破碎的產(chǎn)品更少。

3.6 不同破碎方式產(chǎn)物TFe分布及微觀形貌

不同破碎方式的產(chǎn)物中TFe分布情況見圖16。

由圖16可知，機(jī)械破碎和電脈沖破碎產(chǎn)物中TFe分布呈現(xiàn)出明顯差異。機(jī)械破碎產(chǎn)物中-1+0.45 mm粒級TFe含量為27.16%，當(dāng)脈沖個數(shù)為300時，電脈沖破碎產(chǎn)物中該粒級TFe含量為23.67%，二者差值為3.49%；在-0.074 mm粒級中該差值為9.14%。結(jié)果表明，經(jīng)過高壓電脈沖作用，鐵被富集于細(xì)粒級部分。

高壓電脈沖作用促使放電通道沿礦石相界面形成，在放電通道孕育階段，寬度僅數(shù)十微米的放電通道內(nèi)由于碰撞電離作用而形成高溫高壓環(huán)境，壓強(qiáng)高達(dá)102～103MPa，溫度高達(dá)104℃［24-25］。高溫高壓環(huán)境使放電通道急劇膨脹，由此而產(chǎn)生的熱膨脹力超過磁鐵礦與石英間的界面結(jié)合力，使界面處產(chǎn)生裂縫。界面處產(chǎn)生的裂縫會沿界面進(jìn)一步擴(kuò)張，使磁鐵礦和石英沿界面分離，從而實(shí)現(xiàn)磁鐵礦-石英連生體的選擇性解離［12-15］。

在球隙間距25 mm，一級輸入電壓70 V，脈沖個數(shù)150等試驗(yàn)條件下進(jìn)行高壓電脈沖破碎試驗(yàn)，分別將機(jī)械破碎產(chǎn)物和高壓電脈沖產(chǎn)物進(jìn)行掃描電子顯微鏡分析，結(jié)果如圖17所示。掃描電鏡分析表明高壓電脈沖破碎產(chǎn)物斷口存在大量氣孔痕跡，呈現(xiàn)熔融后再被冷卻凝固的狀態(tài)。表明在高壓電脈沖破碎過程中，高溫環(huán)境使放電通道附近的礦物融化，并產(chǎn)生大量氣體，如CO2、CO、H2O等揮發(fā)性氣體［8-9］，這部分氣體會在穿過高溫熔融態(tài)的礦物表面并留下大量的氣孔。而在脈沖放電結(jié)束后，放電通道內(nèi)溫度迅速降低，導(dǎo)致熔融態(tài)礦物會重新凝固，因此在高壓電脈沖破碎產(chǎn)物斷口能觀察到明顯的熔融后凝固的表觀形貌。此外，磁鐵礦石存在著大量的原生微細(xì)裂縫，當(dāng)這些裂縫與放電通道相互連通時，氣體便快速地進(jìn)入裂縫，對其內(nèi)壁施以壓力，使裂縫沿壓力垂直方向延伸擴(kuò)展而生長為斷面，導(dǎo)致磁鐵礦被破碎［12-14］。

4 結(jié) 論

基于試驗(yàn)研制的高壓脈沖放電破碎設(shè)備，在設(shè)備參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了球隙間距、一級輸入電壓、脈沖個數(shù)等條件對破碎產(chǎn)物指標(biāo)影響規(guī)律研究，得到的主要結(jié)論如下：

（1）新型高壓脈沖放電破碎設(shè)備主要包括初級充電電源、Marx發(fā)生器、氣體開關(guān)和新型針-板電極對等。主要優(yōu)勢為放電電極和破碎腔為一體，在重頻放電情況下，可根據(jù)對破碎礦石顆粒大小的要求改變篩網(wǎng)尺寸，篩網(wǎng)易于更換，設(shè)備便于清洗。

（2）高壓脈沖放電試驗(yàn)表明，適宜的球隙間距和一級輸入電壓分別為25 mm和70 V，增加脈沖個數(shù)有利于強(qiáng)化破碎效果，且脈沖個數(shù)是制約破碎效果最主要因素。球隙間距和一級輸入電壓通過影響輸出電壓強(qiáng)度和脈沖的頻率來制約粉碎指標(biāo)。

（3）相較于機(jī)械破碎，鐵礦物集中分布于細(xì)粒級產(chǎn)品中，表明高壓電脈沖對礦物預(yù)富集作用更顯著。掃描電鏡分析表明，電脈沖破碎促使裂紋沿礦物邊界產(chǎn)生，同時電脈沖產(chǎn)物斷口存在大量氣孔痕跡，呈現(xiàn)出熔融后再被冷卻凝固的狀態(tài)。