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 陳洪運1

（1.東北大學資源與土木工程學院，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.沈陽理工大學裝備工程學院，遼寧沈陽110168）

常規(guī)的機械破碎主要借助于沖擊、剪切和研磨作用使礦石破裂，從而使有用礦物實現(xiàn)高效單體解離，其破碎機理決定了破碎設(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)，通過對礦石進行破碎前的預(yù)處理，可以改變礦石機械力學性質(zhì)和礦物解離特性，進而達到提高磨礦效率、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，已成為研究熱點之一。研究表明［5］，高壓電脈沖對礦石力學性能具有顯著的弱化作用，進而降低礦石的磨礦功指數(shù)；運用高壓電脈沖對復(fù)雜難選礦石進行預(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現(xiàn)有用礦物單體解離［5，8-16］，進而顯著改善磨礦效率和優(yōu)化分選指標。因此，本研究基于Marx發(fā)生器研制了試驗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，進行高壓脈沖放電破碎試驗，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，使界面的電場強度遠高于其他位置，導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，并弱化礦石力學強度。試驗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。當耐高壓陶瓷電容器電壓達到氣體開關(guān)的擊穿電壓后，與之連接的氣體開關(guān)導通，輸出上升時間為納秒量級的高壓電脈沖，而后加載到負載電極上。負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)、高壓導線、電阻、放電室等。

2.2.1 初級充電電源

自行設(shè)計的幅值電壓為-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?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現(xiàn)雙極性正負充電，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)。當充電電壓達到開關(guān)擊穿電壓U0時，空氣開關(guān)間隙被擊穿，兩個開關(guān)瞬間被導通，四個電容器形成串聯(lián)狀態(tài)向負載放電，此時負載上可獲得約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行并聯(lián)充電。隨著充電過程的進行，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)。當氣體開關(guān)兩端的電壓達到其擊穿電壓后，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，形成等離子體導通電路，向負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)生器的正常運轉(zhuǎn)，決定了Marx發(fā)生器的電學特性。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)。當氣體間隙上的電壓達到其擊穿電壓后，電流突然激增，空氣絕緣性能消失，氣體開關(guān)被擊穿，形成等離子體進而觸發(fā)電路導通。這種氣體由絕緣狀態(tài)突變?yōu)閷顟B(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］。

本試驗自行設(shè)計開關(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，導致電容兩端的電壓達到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)生為標志。

改變球隙間距，氣體開關(guān)自觸發(fā)導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到合格粒級的破碎產(chǎn)品及時進行篩分，避免能量持續(xù)作用于該部分礦物，造成能量浪費。

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。當高壓電極上的電壓達到一定值時，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)要求對篩孔大小進行調(diào)整。

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

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

（2）新型針-板電極對的結(jié)構(gòu)設(shè)計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

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礦樣，進行高壓脈沖放電破碎試驗。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的影響，分別取去離子水和生活用自來水作為絕緣液進行高壓電脈沖破碎試驗，其電導率分別為5 μs/cm和750 μs/cm，試驗結(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。這可能是因為水的介電常數(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，使固體中電場強度變?nèi)?，影響其破碎時電能的釋放和轉(zhuǎn)化。在納秒級脈沖放電時，水的擊穿強度大于礦石，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，導致脈沖放電發(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的影響，選取不同球隙間距進行高壓脈沖破碎試驗，破碎后產(chǎn)品再磨礦，試驗條件為：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的影響，選取不同一級輸入電壓進行高壓脈沖破碎試驗，破碎后產(chǎn)品再磨礦，試驗條件為：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，電壓達到70 V時，粒級產(chǎn)率達到最大，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。一級輸出電壓主要影響加載電壓的大小，試驗中發(fā)現(xiàn)，電壓進一步增大時，加載電壓增大，脈沖產(chǎn)生的頻率明顯加快，導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的影響，選取不同脈沖個數(shù)進行高壓脈沖破碎試驗，破碎后產(chǎn)品再磨礦，試驗條件為：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，這是因為脈沖個數(shù)的增加使施加到礦石上的能量增加，礦石更易破碎，產(chǎn)生的細顆粒增多，-2 mm粒級產(chǎn)率的增大標志著需要經(jīng)過機械破碎的產(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。機械破碎產(chǎn)物中-1+0.45 mm粒級TFe含量為27.16%，當脈沖個數(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，壓強高達102～103MPa，溫度高達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一步擴張，使磁鐵礦和石英沿界面分離，從而實現(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等試驗條件下進行高壓電脈沖破碎試驗，分別將機械破碎產(chǎn)物和高壓電脈沖產(chǎn)物進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裂縫，當這些裂縫與放電通道相互連通時，氣體便快速地進入裂縫，對其內(nèi)壁施以壓力，使裂縫沿壓力垂直方向延伸擴展而生長為斷面，導致磁鐵礦被破碎［12-14］。

4 結(jié) 論

基于試驗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度和脈沖的頻率來制約粉碎指標。

（3）相較于機械破碎，鐵礦物集中分布于細粒級產(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)。