Исследование энергоемкости электроимпульсной технологии дробления горных пород*

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

УДК 622.733: 537.064.32

В.Н. САФРОНОВ, канд. техн. наук, доцент

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДРОБЛЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД*

В статье рассмотрены энергетические аспекты электроимпульсного дробления горных пород в непрерывно действующей технологической линии получения заполнителей. Оптимизированы процессы по критериям энергоемкости, производительности и качества готовых продуктов дробления.

Энергоемкость процесса электроимпульсной технологии дробления каменных материалов зависит от энергетических параметров импульсных источников энергии и технологических параметров электроимпульсного рабочего органа дробления. Изменение указанных параметров, в конечном счете, при постоянстве характеристик исходного продукта приводит к вариации параметров как предпробивной стадии развития разряда, так и дуговой стадии. В заключительной стадии развития разряда процессы разрушения определяются, главным образом, энергией, выделившейся в канале разряда за первый полупериод колебания тока, и временем ее выделения [1].

Исследования энергоемкости электроимпульсной технологии дробления, в широком понимании, сопряжены с целевым назначением, уровнем их проведения и степенью точности. Так, если преследуется цель энергетических сравнений самого принципа электроимпульсного разрушения с традиционно известными способами разрушения, то оправданными являются исследования энергоемкости, включая оценку энергии в дуговой стадии развития разряда, ее переход в энергию поля механических напряжений и последующей оценки затрат энергии на вновь образованные поверхности [2]. При исследованиях энергоемкости электроимпульсной технологии дробления для сравнения между собой различных энергетических и технологических режимов на уровне физических исследований достаточным является оценка энергоемкости по расходу энергии за первый полупериод колебания разрядного тока.

* Работа выполняется при финансовой поддержке Министерства образования РФ (грант по фундаментальным исследованиям в области архитектуры и строительных наук 2003 года).

В рамках исследований прикладного характера созданных электроим-пульсных одно- или многоэлектродных рабочих органов дробления энергоемкость электроимпульсной технологии сравнивать наиболее оправданно, как показал многолетний опыт работы, по затратам энергии, связанным с зарядкой конденсаторных батарей импульсных источников энергии до заданного напряжения. Подобная оценка наиболее точно отражает энергопотребление и, при известных КПД зарядных устройств, позволяет с большей степенью точности прогнозировать энергопотребление электроимпульсных технологических линий промышленного назначения. Использование различного рода счетчиков активной мощности на данной целевой стадии оценки энергоемкости сопряжено с меньшей степенью точности в силу их функционального назначения и специфики зарядки конденсаторных батарей.

Проведены исследования энергоемкости электроимпульсной технологии дробления порфирита Медведского карьера Новосибирской области исходной крупности 40...120 мм с содержанием материала более 70 мм, равным 28% при различных энергетических и технологических параметрах и степенях дробления. Эксперименты выполнены как на уровне физических исследований, так и при электроимпульсном дроблении в экспериментальной непрерывно действующей электроимпульсной технологической линии проектной производительностью 3-5 т/ч по готовому продукту дробления 0.20 мм.

Физические экспериментальные исследования проведены в одноэлектродной дробилке с использованием ранее созданного измерительновычислительного комплекса на базе ЭВМ «Электроника-60», обеспечивающего автоматическую регистрацию и обработку параметров предпробивной и дуговой стадии развития разряда.

Экспериментальные исследования энергоемкости и производительности электроимпульсного процесса дробления порфирита Медведского карьера на непрерывно действующей технологической линии производительностью 3-5 т/ч выполнены в широком спектре изменения режимов дробления и конструкции заземленного электрода, в целях оптимизации процесса по критериям энергоемкости, производительности и качества готового продукта.

Результаты физических экспериментальных исследований энергоемкости процесса дробления при различных амплитудах высоковольтного импульса, межэлектродных промежутках электроимпульсного рабочего органа дробления и диаметрах сквозных отверстий в заземленном электроде (разная степень дробления), приведены в табл. 1. Энергоемкость оценивалась по энергии, выделившейся в канале разряда за время первого полупериода колебания тока.

Как видно из результатов табл. 1, энергоемкость процесса электроим-пульсного дробления порфирита при постоянстве размера отверстий заземленного электрода регулируется величиной амплитуды высоковольтного импульса и длиной рабочего промежутка. Так, при длине межэлектродного промежутка - 40 мм изменение амплитуды импульса с 400 до 300 кВ приводит к снижению энергоемкости от 4,01 до 3,5 кВт-ч/т. При постоянстве амплитуды высоковольтного импульса 300 кВ в диапазоне изменения длины рабочего промежутка 30. 60 мм энергоемкость уменьшается на 23,3% при наметив-

шейся тенденции оптимального значения, равного 3,03 кВт-ч/т при длине ме-жэлектродного промежутка 50 мм. Анализ данных табл. 1 показывает, что при электроимпульсном дроблении порфирита исследуемой исходной крупности на заземленном электроде с диаметром отверстий 20 мм минимальные энергозатраты просматриваются в исследуемом диапазоне изменения напряжения 300-400 кВ и длине межэлектродного промежутка 30.60 мм, при значении межэлектродного промежутка 50 мм, в области амплитуд 300-350 кВ. Значения данных параметров легли в основу оптимизации электроимпульсного процесса дробления порфирита на экспериментальной технологической линии проектной производительностью 3-5 т/ч. При уменьшении степени дробления (увеличение диаметра отверстий в заземленном электроде) энергоемкость электроимпульсного процесса дробления снижается практически прямо пропорционально.

Таблица 1

Энергоемкость электроимпульсного процесса дробления порфирита при различных энергетических и технологических параметрах

Амплитуда высоковольтного импульса, кВ Длина межэлектродного промежутка, мм Размер отверстий заземленного электрода, мм Кол-во выделившейся энергии за 1 полупериод колебания тока, Дж Затраты энергии на 1 т готового продукта, кВт-ч/т

400 40 20 401 4,01

350 То же То же 360 3,73

300 -//- -//- 250 3,5

400 50 -//- 410 3,4

400 60 -//- 420 3,2

350 50 -//- 330 3,2

350 60 -//- 340 3,37

300 60 -//- 180 3,07

300 50 -//- 250 3,03

300 40 -//- 230 3,27

300 30 -//- 212 1,95

400 50 40 430 1,84

350 50 То же 380 1,79

350 60 -//- 360 1,67

Опираясь на указанные выше результаты, оптимизация энергоемкости и производительности электроимпульсного процесса дробления на созданной установке проектной производительностью 3-5 т/ч проведена в диапазоне амплитуд высоковольтного импульса 270-359 кВ при длине межэлектродного промежутка, равной 40-50 мм. Конструктивное исполнение импульсного источника энергии в виде двух автономных блоков, содержащих три генератора импульсных напряжений с величиной разрядной емкости, равной 22000 пФ, и два генератора импульсных напряжений с величиной разрядной емкости, равной 33000 пФ, обеспечивало возможность раздельной работы с различным их

количеством в блоке. Это позволяло проводить оптимизацию по энергоемкости и обеспечению проектной производительности электроимпульсного получения стандартных фракций при меньшем количестве высоковольтных электродов в электроимпульсном рабочем органе дробления и различном конструктивном исполнении скважности заземленного электрода.

В качестве заземленного использован электрод в различном конструктивном исполнении:

- с размером квадратных ячеек 20^20 мм при величине живого сечения равной 30%;

- с размером квадратных ячеек 30^30 мм при величине живого сечения равной 30%;

- с размером прямоугольных ячеек 30x40 мм при величине живого сечения равной 44%;

- с размером квадратных ячеек 40x40 мм при величине живого сечения равной 53%;

- с размером щелевых отверстий 30 мм при величине живого сечения равной 53%.

При дроблении в электроимпульсной установке производительностью 3-5 т/ч исходным продуктом служил порфирит Медведского карьера. Результаты экспериментальных исследований энергоемкости электроимпульсного процесса и производительности электроимпульсного рабочего органа дробления с проектной производительностью 3-5 т/ч по готовому продукту -20:0 мм при получении щебня стандартных фракций приведены в табл. 2-4. Следует отметить, что при проведении сравнений энергозатрат при различных энергетических и технологических параметрах, схемных решениях работы генераторов импульсных напряжений и электродных систем электроимпульс-ного рабочего органа дробления потери энергии определены, опираясь на затраты энергии, имеющие место при зарядке конденсаторных батарей при поданном (известном) количестве воздействующих импульсов. Для расчета ожидаемой экономической эффективности следует полученные результаты принять с учетом достигнутых показателей коэффициента полезного действия высоковольтных зарядных преобразователей.

Из данных табл. 2-4 видно, что при постоянстве размера живого сечения заземленного электрода производительность и энергоемкость получения продукта электроимпульсного дробления на установке 3-5 т/ч зависит от амплитуды высоковольтного импульса и длины рабочего промежутка. Использование для получения щебня стандартных фракций высоковольтных импульсных напряжений с амплитудой менее 300 кВ и более 350 кВ (при принятых условиях обеспечения электроимпульсного технологического процесса) с точки зрения энергоемкости не выгодно. Так, при амплитуде воздействующего импульса 368 кВ (табл. 2) и 270 кВ (табл. 3) получены в сравниваемых условиях повышенные значения энергозатрат, составляющие, соответственно,

15,8 и 18 кВ-ч/т. Результаты исследований в табл. 2, 3 свидетельствуют, что увеличение размера ячеек заземленного электрода с 20x20 мм до 30x30 мм при сохранении величины живого сечения, равной 30%, не приводит к существенному изменению производительности и энергоемкости полу-

чения продукта на установке 3-5 т/ч. Так, усредненные энергозатраты в диапазоне амплитуд воздействующих импульсов 300-344 кВ при размере квадратных ячеек 20x20 мм (табл. 2) и размере ячеек 30x30 мм (табл. 3) составили 13,7 кВт-ч/т и 15,5 кВт-ч/т, соответственно.

Эффективным средством на пути повышения производительности и снижения энергоемкости электроимпульсного получения щебня стандартных фракций на установке с проектной производительностью 3-5 т/ч следует считать повышение величины живого сечения ячеек заземленного электрода. Проведенными исследованиями энергоемкости и производительности элек-троимпульсного получения щебня стандартных фракций при значении живого сечения ячеек заземленного электрода 53% (размер квадратных сквозных ячеек 40x40 мм) и амплитуде высоковольтного импульса 318 кВ для межэлек-тродного промежутка 50 мм в электроимпульсном рабочем органе дробления с тремя высоковольтными электродами получена производительность 5,32 т/ч с затратами энергии 6,84 кВт-ч/т.

Таблица 2

Энергоемкость и производительность электроимпульсного получения щебня стандартных фракций при дроблении порфирита Медведского карьера на установке 3-5 т/ч

Показатели Размер квадратных ячеек 20x20 мм заземленного электрода при величине живого сечения 30%

Амплитуда высоковольтного импульса, кВ 344 344 318 318 344 344 368 318

Длина межэлек-тродного промежутка, мм 50 50 50 40 40 40 50 50

Количество работающих ГИН и нагрузок 5 ГИН 5 нагр 5 ГИН 5 нагр 5 ГИН 5 нагр 5 ГИН 5 нагр 5 ГИН 5 нагр 5 ГИН 5 нагр 5 ГИН 5 нагр 5 ГИН 5 нагр

Удельная производительность единичного импульса, г/имп. 28 33,9 25,5 27,0 28,6 31,2 30,0 26,6

Производительность электроимпульсного рабочего органа, т/час 3,8 4,4 3,7 3,3 3,9 4,1 4,1 3,6

Энергозатраты, кВт-ч/т 14,75 12,25 14,10 13,39 14,80 13,50 15,80 13,50

Стремление к росту выхода щебня стандартных фракций малых размеров (5...20 мм), как наиболее дефицитных и дорогостоящих, связано с дальнейшим повышением величины живого сечения при уменьшении размера ячеек заземленного электрода. При этом, однако надо иметь в виду, что необ-

ходимо обеспечить сохранение или незначительное увеличение выхода фракции 0...5 мм (песка - отсева дробления).

Приведены экспериментальные исследования энергоемкости и производительности электроимпульсного дробления при размерах ячеек 30x40 мм заземленного электрода (величина живого сечения 44%) при дискретных, но равных для всех работающих генераторов, значениях амплитуд высоковольтного импульса (табл. 4). Установлена достижимость производительности установки 4,7...6,8 т/ч при четырех работающих генераторах и четырех высоковольтных электродах в электроимпульсном рабочем органе дробления в диапазоне амплитуды высоковольтных импульсов 300-350 кВ. При этом энергоемкость составила 9,2-11 кВт-ч/т. При данной величине живого сечения (44%) заземленного электрода использование одновременной работы генераторных блоков с четырьмя ГИН и различным их уровнем выходного напряжения (344 и 318 кВ) позволило достичь энергозатрат 8,6 кВт-ч/т при производительности испытываемого электроимпульсного рабочего органа дробления 6,3 т/ч по сухому весу готового продукта и получить при этом выход фракции 5-20 в количестве 59,6% и фракции 20-40 мм - 31,4%.

Таблица 3

Энергоемкость и производительность электроимпульсного получения щебня стандартных фракций при дроблении порфирита Медведского карьера на установке 3-5 т/ч

Показатели Размер квадратных ячеек 30x30 мм заземленного электрода при величине живого сечения 30%

Амплитуда высоковольтного импульса, кВ 318 344 344 318 304 270

Длина межэлек-тродного промежутка, мм 50 50 50 50 50 40

Количество работающих ГИН и нагрузок 3 ГИН 3 нагр. 3 ГИН 3 нагр. 5 ГИН 5 нагр. 5 ГИН 5 нагр. 5 ГИН 5 нагр. 5 ГИН 5 нагр.

Удельная производительность единичного импульса, г/имп. 24,6 28,8 30,9 27,0 24,0 14,0

Производительность электроимпульсного рабочего органа, т/ч 2,6 3,7 1,3 1,4 3,9 2,4

Энергозатраты, кВт-ч/т 12,05 11,90 13,40 13,29 13,80 18,00

Дальнейшее увеличение величины живого сечения до 53% (размер щелевого отверстия заземленного электрода в свету равен 30 мм и указанных выше режимах работы генераторных блоков) обеспечило получение выхода

фракции размером 5-25 мм в количестве 90% при производительности 5,5 т/ч по сухому готовому продукту и энергоемкости процесса 9,8 кВ-ч/т.

Энергоемкость получения щебня стандартных фракций на установке проектной производительности 3-5 т/ч для исследованных выше режимов работы и полученных процентных выходов фракций составляет 6,84; 8,6;

9,8 кВ-ч/т и с учетом насыпной плотности и коэффициента полезного действия высоковольтных зарядных устройств 0,85 [3] составляет 11,27; 14,16; 16,40 кВт-ч/м3.

Таблица 4

Энергоемкость и производительность электроимпульсного получения щебня стандартных фракций при дроблении порфирита Медведского карьера на установке 3-5 т/ч

Показатели Размер квадратных ячеек 30x30 мм заземленного электрода при величине живого сечения 44%

Амплитуда высоковольтного импульса, кВ 318 344 348 318 318 318 318 344/318

Длина межэлек-тродного промежутка, мм 50 50 50 50 50 50 50/45 45/50

Количество работающих ГИН и нагрузок 5 ГИН 5 нагр. 5 ГИН 5 нагр. 4 ГИН 4 нагр. 4 ГИН 4 нагр. 4 ГИН 4 нагр. 4 ГИН 4 нагр. 4 ГИН 4 нагр. 4 ГИН 4 нагр.

Удельная производительность единичного импульса, г/имп. 41,1 33,4 44,9 40,2 36,6 33 33,7 46,4

Производительность электроимпульсного рабочего органа, т/ч 4,2 4,3 5,2 6,8 5,6 4,7 5,6 6,3

Энергозатраты, кВт-ч/т 8,80 12,40 9,50 9,20 9,95 11,00 10,50 8,60

Достигнутый уровень энергозатрат при полученном процентном выходе стандартных фракций щебня электроимпульсной технологии дробления порфирита превышает средний уровень энергозатрат при производстве щебня механическим способом, равный 6,9 кВт-ч/м3, по «Росдорвостоку» Минавто-дора РСФСР [4] в 1,6; 2,1; 2,4 раза. Однако следует обратить внимание на то, что средний показатель энергозатрат на щебень 6,9 кВт-ч/м3 включает в себя расход электроэнергии на производство 1 м3 щебня, содержащего одновременно фракции 5-20 мм, 20-40 мм, 40-70 мм с доминирующим выходом крупных фракций. Тогда как при указанных выше энергозатратах электроим-пульсного производства 1 м3 щебня в нем отсутствуют фракции 40-70 мм и содержание фракции 20-40 мм в одном из режимов составляет не более 32% (при затратах 14,16 кВт-ч/м3), а при затратах энергии 11,27 и 16,4 кВт-ч/м3

в 1 м3 щебня содержание фракции 5-20 мм составляет не менее 80% (достигнуто 90%).

Отмеченные обстоятельства дают основание полагать, что при прочих равных условиях электроимпульсная технология получения щебня при дроблении порфирита не будет более энергоемкой при достигнутых показателях по сравнению с принятой в настоящее время технологией производства щебня из порфирита Медведского карьера.

По данным [5], в годовой программе выпуска щебня содержание в нем фракций 5-20 мм, 20-40 мм и 40-70 мм практически составляет 20, 20 и 60%, соответственно. Для получения 0,8 м3 щебня фракций 5-20 мм по существующей технологии в Медведском карьере и среднем уровне показателя энергозатрат 6,9 кВт-ч/м3 расходуется 27,6 кВт-ч, а при расходе энергии на щебень при планируемой норме 4,1 кВт-ч/м3 [6] потребуется 16,4 кВт-ч, то есть имеют место равные или большие энергозатраты по отношению к затратам энергии при электроимпульсной технологии производства щебня. В дополнение и подтверждение изложенного, в литературных источниках отмечается [7], что при получении щебня путем механического дробления высокопрочных пород расход условного топлива на 1 м3 заполнителя тяжелого бетона (фракция 5-20 мм) составляет 8-12 кг у.т., то есть практически 24-36 кВт-ч/м3.

Таким образом, установлена меньшая энергоемкость электроимпульс-ного разрушения горных пород на стадии их дробления по сравнению с механическим разрушением.

Библиографический список

1. Сафронов В.Н. Проблема энергонагружения в технологии электроимпульсного получения заполнителей и бетонов на их основе // Вестник ТГАСУ. - 2000. - №1. - С. 170-177.

2. Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. - Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1995. - 276 с.

3. Сафронов В.Н. К вопросу об оценке коэффициента полезного действия при зарядке конденсаторных батарей выпрямленной синусоидной // Известия вузов. Энергетика. -1976. - №6. - С. 18-23.

4. Сводный отчет о выполнении заданий по экономии топлива, теплоэнергии и электроэнергии. - М.: Минавтодор РСФСР, 1985. - 124 с.

5. Годовой отчет о производстве по Медведскому карьеру по форме I-II годовая. Новоси-бирсавтодор. - Новосибирск, 1986. - 68 с.

6. План горных работ на 1986 год по карьеру Медведский. - М.: Минавтодор РСФСР.

1985. - 34 с.

7. Чудинова В.В. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Л.: ЛИСИ. - 1986. - 24 с.

Материал поступил в редакцию 20.04.04.

V.N. SAFRONOV

RESEARCH OF POWER COSUMPTION OF ELECTROIMPULSIVE CRUSHING THE ROCKS

The paper considers energy aspects of electroimpulsive crushing the rocks in continuously working technological line for aggregate production. The processes by criteria of power consumption, productivity and quality of ready-made products of crushing are optimized.