一种用于矿石预处理的高压电脉冲碎矿装置及方法与流程

本发明属于矿物加工工程的矿石粉碎预处理技术领域，具体涉及一种用于矿石预处理的高压电脉冲碎矿装置及方法。

背景技术：

我国矿产资源以贫矿居多，矿床共生、伴生组分多，矿石组成较为复杂且嵌布粒度细。因此，我国矿石的选矿工作面临难度更大、效率低且成本高等诸多问题。其中矿石破碎领域最重要的问题有：破碎和磨矿设备投资和维护费用很高、能耗大、产生过多的不能处理的细粒级和解离不充分的粗粒级，增加后续选别作业的难度。

目前工业上所采用的破碎方法主要是机械粉碎。机械粉碎是通过减小矿石的粒度来使有用矿物与脉石矿物解离，对于有用矿物与脉石矿物结合紧密的矿石，机械破碎在破碎过程中容易出现有用矿物的过磨，分选方法对有用矿物的回收能力随着粒度的减小而下降，使部分有用矿物损失，无法获得有效回收。

矿石中的有用矿物和脉石矿物(如铁矿中的铁矿物和石英矿物)导电性有明显差异，基于这种导电性差异选择性破碎矿石作用的高压电脉冲碎矿装置的研究与开发有重要意义。在保证有用矿物质量的基础上，节省了企业运营成本，减少了资源的浪费。

技术实现要素：

针对现有机械破碎技术存在的上述不足，本发明提供一种具有选择性破碎矿石作用的高压电脉冲放电碎矿装置与方法。本方法所使用的装置基于矿石中有用金属矿物和脉石非金属矿物导电性质不同，通过选择性破碎使有用矿物晶粒获得充分解离，即有用矿物按晶粒破碎成单体矿物颗粒，确保粉碎产品中单体解离有用矿物粒度和质量能满足后续分选工艺的要求，减少后续处理能耗。

本发明提供的一种用于矿石预处理的高压电脉冲碎矿装置如附图1所示，主要由电源、单相调压器、交流点火变压器、六倍压整流电路、超高压陶瓷电容器、铜棒、高压电极、导电筒体、放电碎矿桶、振动筛网、绝缘液、给矿仓、绝缘液仓、接地导线、固液分离器、产品收集器、气体开关、高压导线、绝缘桶盖、绝缘液循环管道、振动装置、绝缘振动杆组成，其中电源属于日常供电设备，电源与单相调压器相连接，单相调压器再与交流点火变压器相连接，交流点火变压器输出端接六倍压整流电路，六倍压整流电路输出端与超高压陶瓷电容器的输入端相连接，超高压陶瓷电容器的两端与气体开关的两端相并联，以此构成了能够输出高压电脉冲的高压整流振荡电路，高压整流振荡电路的输出端即并联后的超高压陶瓷电容器的输出端与高压导线相连接，多个铜棒的一端并联在高压导线上，铜棒的另一端安装有高压电极，铜棒绝缘安装固定在位于放电碎矿桶顶部的绝缘桶盖上，且将其安装有高压电极的一端置于放电碎矿桶内；放电碎矿桶的外层由绝缘材料制成，其中以尼龙材料为佳，放电碎矿桶的内衬镶嵌有导电筒体，放电碎矿桶的上部为筒形，底部为倒锥形，其筒形与倒锥形的过渡之处即筒形底部安装有振动筛网，放电碎矿桶的上部绝缘部分侧壁上固定有振动装置，并与振动筛网通过绝缘振动杆连接；放电碎矿桶的锥形底部通过出料口和输送管道与固液分离器相连通，固液分离器后接产品收集器和绝缘液循环管道，放电碎矿桶的上部侧壁上分别开有绝缘液入口和矿石入口，其中绝缘液入口通过管道同绝缘液仓相连通，矿石入口通过溜槽或送料皮带同给矿仓相连通；接地导线的一端穿过放电碎矿桶的外层与其内部的导电筒体相连接，接地导线的另一端直接接地构成整个电路的回路。

工作时，启动电源供电，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，给超高压陶瓷电容器充电，充电电压的上升时间为微秒量级，当超高压陶瓷电容器两端的电压达到一定值后，与之并联的气体开关被击穿导通，输出上升时间在纳秒量级的高压电脉冲，经高压导线加载到铜棒并传导到高压电极上；高压电极和导电筒体材料采用不锈钢，绝缘筒材料为尼龙。导电筒体为接地电极，通过接地导线与大地相接；放电碎矿桶的筒形底部安装有振动筛网，振动筛网通过绝缘振动杆与固定在放电碎矿桶上部绝缘部分侧壁的振动装置相连接，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，高压电脉冲放电装置形成的高压电脉冲通过高压电极输出到放在导电筒体内的大颗粒矿石上，并与导电筒体连接接地导线形成回路。高压电极和导电筒体之间形成了电压差；当高压电极上的电压达到一定值时，则在高压电极和导电筒体之间发生放电，放电发生在浸泡在绝缘液中的矿石内部，由于在纳秒级脉冲作用下，以水为绝缘液的绝缘强度大于矿石，所以在大颗粒矿石内部沿有用矿物与脉石矿物界面间反复形成等离子体通道，高压电极和导电筒体之间多次放电后，则能够把颗粒粒度为10-100mm的大颗粒矿石破碎至颗粒粒度为5-60mm的小颗粒矿石，小颗粒矿石经过振动筛网筛分后落入放电碎矿桶底部椎体下部，经沉淀后随少量绝缘液排出放电碎矿桶外并进入固液分离器内，由固液分离器分离出的小颗粒矿石进入产品收集器，以备后续破碎、磨矿作业时连续使用。最终颗粒大小取决于筛孔的大小，可根据要求对筛孔大小进行调整。

本项发明所完成的高压电脉冲碎矿装置应按如下方法进行使用。

(1)启动振动装置，通过绝缘振动杆带动振动筛网振动；其振动频率为300～1200次/min，关闭位于放电碎矿桶底部的出料口阀门，分别打开绝缘液入口和矿石入口的阀门，将一定数量的绝缘液和大颗粒矿石导入到放电碎矿桶中，其中绝缘液与大颗粒矿石的体积比应为1：2～5；当绝缘液和大颗粒矿石填充到放电碎矿桶总容积的2/3到3/4时关闭上述两个入口的阀门；

(2)启动电源供电，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，给超高压陶瓷电容器充电，然后经过后续电路向高压电极不断输送电脉冲，并传送给大颗粒矿石，使其震裂破碎。其脉冲强度为50～300kV，脉冲频率为10～20Hz；

(3)启动电源供电后10～15min后再次打开放电碎矿桶的绝缘液入口和矿石入口的阀门，同时打开其出料口阀门，控制绝缘液和大颗粒矿石的流量，保证放电碎矿桶内的绝缘液与大颗粒矿石的体积比保持为1：2～5，绝缘液与大颗粒矿石的填充量为放电碎矿桶总容积的2/3～3/4；

(4)打开放电碎矿桶的出料口阀门同时，启动与之相连通的固液分离器，固液分离器分离出的小颗粒矿石进入产品收集器内，以备后续使用，分离出绝缘液经绝缘液循环管道返回到绝缘液仓之中，循环使用。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

对比传统的样品破碎方法，这种高选择性的破碎方法有很多优点：容易清洗，没有交叉污染；选择性破碎，不破坏矿物晶形等。电脉冲破碎是最理想的沿晶破裂方式，不仅可使矿石破碎，而且在矿石内部矿物界面上产生扩展裂纹和裂缝，进而改善矿物解理特性。矿石经高压电脉冲破碎后，一方面矿石强度可大大降低，预计降低磨矿能耗30％以上；另一方面能使矿石沿着不同矿物的界面破碎，大大增加了有用矿物的单体解离度，有助于提高矿石分选指标。本发明的主要创新点是：

(1)多电极对的结构设计实现了高压电脉冲放电碎矿装置破碎矿石的高效性和连续性。

(2)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、磨矿作业需求。

(3)高压电脉冲放电破碎装备可将矿石沿矿物晶粒界面进行解离，即选择性破碎，而不是将其粉碎，这样可以在保持组分的原有形式的同时将有用矿物从周围的其他组分中分离出来。

(4)高压电脉冲放电破碎装备可以在不减小矿石中有用矿物颗粒粒度的情况下产生更多的单体矿物颗粒，相比机械粉碎，可以提高破碎产品的有用矿物含量，提高破碎产品单体解离度，有利于后续处理工序能耗的减少，节约企业成本。

附图说明

图1为一种用于矿石粉碎预处理的高压电脉冲碎矿装置结构示意图，图中：1为电源，2为单相调压器，3为交流点火变压器，4为六倍压整流电路，5为超高压陶瓷电容器，6为铜棒，7为高压电极，8为导电筒体，9为放电碎矿桶，10为振动筛网，11为绝缘液，12为给矿仓，13为绝缘液仓，14为接地导线，15为固液分离器，16为产品收集器，17为气体开关，18为高压导线，19为绝缘桶盖，20为绝缘液循环管道，21为振动装置，22为大颗粒矿石，23为小颗粒矿石，24为绝缘振动杆。

图2为磁铁矿的标准破碎产品的扫描电子显微镜观测图。

图3为磁铁矿的高压电脉冲破碎产品的扫描电子显微镜观测图。

图4为极贫赤铁矿石的标准破碎产品的扫描电子显微镜观测图。

图5为极贫赤铁矿石的高压电脉冲破碎产品的扫描电子显微镜观测图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明实施例采用的高压电脉冲放电破碎装备对矿石进行破碎所使用的装置和发明内容描绘的结构相同，采用该装置进行矿石破碎，分析破碎产品的各粒级产率及金属含量、单体解离度、微观形貌，并将之与机械破碎产品对比。

实施例1

本实施例使用的矿样为大孤山磁铁矿，其主要化学成分如表1所示。由表1可以看出，原矿中有价元素是铁，TFe品位为32.61％，FeO含量为17.49％；主要杂质为SiO₂，占45.77％；有害杂质S、P含量较低。原矿Fe元素的化学物相分析见表2，由表2可知，矿石中铁主要以磁铁矿的形式存在，磁铁矿中铁占有率达79.70％，其次以菱铁矿、赤(褐)铁矿和硅酸铁的形式存在，少量以硫化铁形式存在。

表1原矿化学成分分析/％

表2矿石中铁元素的化学物相分析结果/％

用高压电脉冲放电碎矿装置将大孤山磁铁矿破碎。将+30mm含量占70％的500Kg矿石给入高压电脉冲装备圆柱筒，在电极间距100mm，放电电压60kV，持续对矿石放电破碎400次，断开电源，放电完成后收集筛下破碎产物。将同样重量的矿石用对辊破碎机破碎得到标准破碎产物，对比两种破碎产物的特性。

对两种破碎产物进行粒度筛析并进行各粒级含铁测定，结果见表3和表4。

表3标准破碎产物的粒度分布及各粒级产品TFe品位

表4高压电脉冲破碎产物的粒度分布及各粒级产品TFe品位

由表3和表4可知，高压电脉冲破碎产品的细粒级含量比标准破碎产品高，-1mm的含量由20.35％提高到29.19％，而且TFe品位由34.92％提高到35.72％。这说明高压电脉冲破碎装备可以更加高效破碎矿石，同时提高有用矿物的含量。

本研究利用扫描电子显微镜对磁铁矿的还原产物微观形貌进行观察，结果见附图中的图2和图3。

由图2可知，磁铁矿的对辊破碎产品，有用矿物磁铁矿出现裂纹，即穿晶破碎；由图3可知，磁铁矿的高压电脉冲破碎沿矿物晶粒界面进行解离，保持有用矿物的原有形式。

实施例2

本实施例使用的矿样取自鞍千矿业有限责任公司选矿厂的极贫赤铁矿石，其主要化学成分如表5所示。由表5可以看出，极贫赤铁矿石中主要金属元素为铁，TFe品位为19.34％，属于极贫赤铁矿石。其中FeO品位为0.68％，可知矿石中磁铁矿含量较少。SiO₂含量最高为75.18％，说明主要脉石矿物为二氧化硅。其次Al₂O₃和MgO含量分别为0.17％和0.28％，其它元素含量较低。

表5原矿化学成分分析/％

在实验室用高压电脉冲放电碎矿装置将极贫赤铁矿石破碎。将粒度+20mm含量占85％的500Kg矿石给入高压电脉冲装备圆柱筒，在电极间距100mm，放电电压80Kv，持续对矿石放电破碎600次，断开电源，放电完全后收集筛下破碎产物。将同样重量的矿石用对辊破碎机破碎得到标准破碎产物，对比两种破碎产物的特性。

对两种破碎产物进行粒度筛析试验及各粒级铁含量测定结果见表6和表7。

表6标准破碎产物的粒度分布及各粒级产品TFe品位

表7高压电脉冲破碎产物的粒度分布及各粒级产品TFe品位

由表6和表7可知，高压电脉冲破碎产品的细粒级含量较标准破碎产品高，-0.1mm的含量由21.96％提高到24.73％，而且TFe品位由22.50％提高到23.33％。这说明高压电脉冲破碎装备可以更加高效破碎矿石，同时提高有用矿物的含量。

本研究利用扫描电子显微镜对极贫赤铁矿石的还原产物微观形貌进行观察，结果见图4和图5。

由图4可知，极贫赤铁矿石的对辊破碎产品中裂纹是随机出现，靠机械力来实现破碎，矿石中的部分裂缝没有沿赤铁矿-石英界面。而由图5可知，极贫赤铁矿石经高压电脉冲破碎后矿石颗粒断口裂纹更为粗糙并伴有烧灼痕迹及气孔，这说明在高压电脉冲破碎过程中赤铁矿-石英界面处形成的放电通道中存在高温环境，加剧矿石颗粒碎裂；并且使破碎沿矿物晶粒界面进行解离，保持有用组分的原有形式。