一种矿石高压脉冲放电预处理系统及其使用方法

摘要

一种矿石高压脉冲放电预处理系统及其使用方法，包括给料仓、螺旋给料器、高压电脉冲破碎腔、脉冲高压电发生器、输出电源、绝缘液贮存池和示波器。方法为：(1)矿石经给料仓和螺旋给料器输送至高压电脉冲破碎腔；绝缘液通入高压电脉冲破碎腔；(2)输出电源的电压；矿石与正极和负极接触，电流被输送至脉冲高压电发生器；转化为超高压直流电流，对矿石进行高压电脉冲预处理；通过示波器实时监控；(3)矿石经高压电脉冲预处理后，随同绝缘液连续放出。本发明的方法流程简单，系统运行稳定，产品性质易于控制；高压电脉冲预处理使矿石内部裂纹和空隙急剧增加，矿石机械力学性能被弱化，显著提升磨矿效率。

说明书

技术领域

本发明属于矿物加工技术领域，具体涉及一种矿石高压脉冲放电预处理系统及其使用方法。

背景技术

磨矿作为选矿过程中能耗最大的环节，磨矿能耗占选矿厂总能耗的40～50％；磨机的衬板及磨矿介质的损耗费占选矿厂总损耗费的70～80％，因此选矿厂节能降耗的重点应放在磨矿作业。

改善磨矿效率的手段通常有两个，其一是合理设计和优化磨矿工艺、选择高效大型的磨矿设备、采用先进的衬板和介质、提升磨机自动化水平等等；相较于磨矿作业，破碎作业的能耗要低得多，因此多碎少磨是合理高效的处理方法；改善磨矿的另一途径就是通过合理的技术手段，改变矿石机械力学特性和矿物解离特性，从而实现磨矿效率提升和分选指标改善；常见的预处理手段包括磁化焙烧、强磁预选、X射线分选、磁脉冲、电脉冲、微波处理和高压辊磨等；目前，对于通过预处理弱化矿石力学性能，随后进行破碎的研究还较少。

发明内容

针对现有矿石加工过程中存在的机械破碎解离程度低、粉尘大、过粉碎现象严重等不足，本发明提供一种矿石高压脉冲放电预处理系统及其使用方法。

本发明的系统包括给料仓1、螺旋给料器2、高压电脉冲破碎腔9、脉冲高压电发生器3、输出电源5、绝缘液贮存池8和示波器11；给料仓1的放料口与螺旋给料器2的进料端相配合，螺旋给料器2的出料端与高压电脉冲破碎腔9的进料口相配合；高压电脉冲破碎腔9的顶部设有进料口9-13，底部设有进液口9-14和排料口9-15；高压电脉冲破碎腔9的内部设有正极和负极，正极通过导线与两个气体开关4并联，脉冲高压电发生器3通过导线与两个气体开关4连接，负极通过导线与输出电源5连接，输出电源5、单向调压器6和输入电源7串联连接；高压电脉冲破碎腔9的进液口9-14通过管道与绝缘液贮存池8连通；正极和负极分别通过信号线与示波器11的两极连接，每个信号线上分别设有至少一个分压器10。

上述的高压电脉冲破碎腔9包括绝缘筒9-5及其内部的载料平台9-1；绝缘筒9-5顶部连接的顶板上设有进料口9-13，绝缘筒9-5的底板上设有进液口9-14和排料口9-15；载料平台9-1上方设有高压负极9-3作为负极，高压负极9-3通过导线与输出电源5连接；载料平台9-1与高压正极9-2连接，高压正极9-2作为正极通过导线与两个气体开关4并联；高压负极9-3与载料平台9-1之间的空间用于放置矿石9-6；载料平台9-1上方还设有固定装置9-4固定在绝缘筒9-5内壁；高压负极9-3固定在固定装置9-4上；固定装置9-4与前段信号线9-7连接，前段信号线9-7与后段信号线9-8连接，后段信号线9-8与示波器11的一极连接，使示波器11的一极与高压负极9-3导电连接，同时示波器11的另一极通过信号线与高压正极9-2连接；分压器10位于前段信号线9-7和后段信号线9-8之间。

上述的高压电脉冲破碎腔9包括绝缘筒9-5及其内部的料槽9-9；绝缘筒9-5顶部连接的顶板上设有进料口9-13，绝缘筒9-5的底板上设有进液口9-14和排料口9-15；正极和负极分别为高压正极9-2和高压负极9-3，高压正极9-2和高压负极9-3的前端位于料槽9-9内部；高压正极9-2通过导线与两个气体开关4并联，高压负极9-3通过导线与输出电源5连接；料槽9-9内高压正极9-2和高压负极9-3之间的空间用于放置矿石9-6；料槽9-9上方还设有固定装置9-4固定在绝缘筒9-5内壁；高压负极9-3固定在固定装置9-4上；固定装置9-4与前段信号线9-7连接，前段信号线9-7与后段信号线9-8连接，后段信号线9-8与示波器11的一极连接，使示波器11的一极与高压负极9-3导电连接，同时示波器11的另一极通过信号线与高压正极9-2连接；分压器10位于前段信号线9-7和后段信号线9-8之间。

上述的高压电脉冲破碎腔9包括绝缘筒9-5及其内部的筛网9-10；绝缘筒9-5顶部连接的顶板上设有进料口9-13，绝缘筒9-5的底板上设有进液口9-14和排料口9-15；棒状高压正极9-11作为正极，穿过水平放置的筛网9-10；棒状高压正极9-11的底端通过导线与两个气体开关4并联，棒状高压正极9-11的顶端位于筛网9-10上方；漏斗型高压负极9-12作为负极，其内部空间为倒置的圆台状，其顶边与绝缘筒9-5内壁连接，底边与筛网9-10连接；棒状高压正极9-11的顶端位于漏斗型高压负极9-12内部；漏斗型高压负极9-12内部空间用于放置矿石9-6；前段信号线9-7的一端与漏斗型高压负极9-12连接，另一端与后段信号线9-8连接，后段信号线9-8与示波器11的一极连接，使漏斗型高压负极9-12与示波器11的一极导电连接，同时示波器11的另一极通过信号线与棒状高压正极9-11连接；分压器10位于前段信号线9-7和后段信号线9-8之间。

上述的示波器11与计算机12装配在一起。

上述的绝缘筒9-5材质为PVC。

上述的分压器10为空心球体，材质为不锈钢。

上述的载料平台9-1、固定装置9-4、高压正极9-2、高压负极9-3、料槽9-9、棒状高压正极9-11和漏斗型高压负极9-12的材质为不锈钢。

上述的筛网9-10的材质为聚乙烯树脂，孔径5mm。

上述的漏斗型高压负极9-12的底边与棒状高压正极9-11之间的水平间距≥20mm。

上述的脉冲高压电发生器3为Marx发生器，Marx发生器的电感线圈的两端分别与一个气体开关4连接。

上述的脉冲高压电发生器3的电压输出范围50～200kV。

上述的高压电脉冲破碎腔9的出料口通过管道与送料泵13的进口连通，送料泵13的出口与球磨机14的进料口相配合。

本发明的矿石高压脉冲放电预处理系统的使用方法按以下步骤进行：

1、将粒径为10～20mm的矿石置于给料仓1内，通过给料仓1的放料口将矿石放入螺旋给料器2，通过螺旋给料器2连续定量向高压电脉冲破碎腔9输送矿石；绝缘液贮存池8内存有绝缘液，通过绝缘液贮存池8将绝缘液通入高压电脉冲破碎腔9内，保持高压电脉冲破碎腔9内绝缘液液面在矿石上方；

2、启动输入电源7，通过单向调压器6控制输出电源5的电压；当矿石与正极和负极接触时，电流经单向调压器6、输出电源5、正极、矿石、负极和气体开关4被输送至脉冲高压电发生器3；交流电流在整流电路、倍压电路和气体开关的作用下，转化为超高压直流电流，产生脉冲电流在高压电脉冲破碎腔9内进行重频次高压脉冲放电，对矿石进行高压电脉冲预处理；通过示波器11对高压电脉冲预处理进行实时监控；

3、矿石经高压电脉冲预处理后，形成预处理矿石；将预处理矿石随同绝缘液连续从高压电脉冲破碎腔9放出。

上述的步骤2中，进行高压电脉冲预处理时，脉冲电压80～120kV，脉冲频率20～50Hz，矿石在高压电脉冲破碎腔9内的停留时间20～80min。

上述的步骤3中，放出的预处理矿石和绝缘液的混合物通过送料泵13输送到球磨机14进行磨矿，磨矿至粒径≤1mm制成粉矿。

上述的绝缘液为去离子水。

上述方法中，绝缘液贮存池8与高压电脉冲破碎腔9的高度相配合，绝缘液贮存池8内的绝缘液液面位于绝缘液贮存池8与高压电脉冲破碎腔9的连通管道的上方，使绝缘液贮存池8内的绝缘液液面位与高压电脉冲破碎腔9内的绝缘液液面等高；在绝缘液排出过程中，向绝缘液贮存池8内补充绝缘液，控制高压电脉冲破碎腔9内的绝缘液液面位于矿石上方。

上述的步骤2中，通过示波器11对高压电脉冲预处理进行实时监控，通过脉冲电压的波形确定电压上升时间；当电压上升时间≤500ns时，判断矿石先于绝缘液被击穿；当电压上升时间>500ns时，判断绝缘液先于矿石被击穿，此时调节输入电压，直至电压上升时间≤500ns。

高压电脉冲破碎是基于绝缘液中高压放电破碎固体材料的新技术，采用高压电脉冲破碎金属矿石时，由于金属矿石中有用矿物与脉石矿物的介电常数、电导率等电学性质差异较大，放电通道易沿不同组分矿物界面形成；在高温高压条件下放电通道膨胀并进一步爆炸产生热应力膨胀和冲击波，二者共同作用加剧了矿石中原生裂纹和缺陷的扩展，并促进矿石中次生裂纹的形成；高压电脉冲通过将较小功率的能量经较长时间缓慢输入到中间储能装置中，借助于整流、滤波及一系列倍压电路实现能量压缩、转换形成脉冲，在极短的时间内(最短可为纳秒)以极高的功率密度向负载释放能量；基于不同矿物组分界面性质差异，借助于脉冲放电，使矿物优先沿其晶界破裂、解离，可以在粒度较粗的条件下使有用矿物和脉石矿物实现单体解离，进而可以降低磨矿能耗和改善分选指标；由于不同矿物组分电学性质差异，在脉冲放电过程中，放电通道容易沿矿石界面形成。高温高压环境下放电通道膨胀并爆炸，促使矿石内部原生裂纹扩展和次生裂纹萌生，显著增强矿物解离特性，并弱化矿石力学特征；矿石颗粒内部产生的大量的二次裂纹，使破碎产品的Bond球磨功指数大大降低，从而达到节能降耗、改善磨矿效率、改善分选效果等目的。

本发明借助于示波器和计算机实时获取脉冲放电过程中的关键参数，并实现高压电脉冲信号的实时监控和智能化控制；为满足人工试件及实际矿石多重试验要求，本发明设计了三种不同形式的破碎腔，实现矿石与高压电极在不同的接触方式破碎；高压脉冲放电的形成系统放置于变压器油中，使电容器、电感线圈等元件与空气良好隔绝，显著提升设备安全性能；高压电脉冲预处理设备的筛网结构可实现合格粒级产品及时得到筛分并且输送到后续作业环节，避免能量的浪费；本发明的方法流程简单，系统运行稳定，产品性质易于控制；高压电脉冲预处理使矿石优先沿晶界产生裂纹，显著提升矿物单体解离度；此外，矿石内部裂纹和空隙急剧增加，矿石机械力学性能被弱化，显著提升磨矿效率。

附图说明

图1为本发明实施例中的矿石高压脉冲放电预处理系统结构示意图；

图2为本发明实施例1中的高压电脉冲破碎腔结构示意图；

图3为本发明实施例2中的高压电脉冲破碎腔结构示意图；

图4为本发明实施例3中的高压电脉冲破碎腔结构示意图；

图中，1、给料仓，2、给螺旋给料器，3、高压电脉冲形成装置，4、气体开关，5、输出电源，6、单向调压器，7、输入电源，8、绝缘液贮存池，9、高压电脉冲破碎腔，9-1、载料平台，9-2、高压正极，9-3、高压负极，9-4、固定装置，9-5、绝缘筒，9-6、矿石，9-7、前段信号线，9-8、后段信号线，9-9、料槽，9-10、筛网，9-11、棒状高压正极，9-12、漏斗型高压负极，10、分压器，11、示波器，12、计算机，13、送料泵，14、球磨机；

图5为本发明实施例1中的预处理矿石的界面断裂处SEM图；

图6为本发明实施例1中的预处理矿石的熔融气孔处SEM图；

图7为本发明实施例2中的预处理矿石的SEM图。

具体实施方式

本发明实施例中输入电源的电压220V，频率50Hz。

本发明实施例中的单相调压器的输入电压0～250V，频率50Hz。

本发明实施例中的气体开关根据《高压开关设备实用技术》记载的技术设置；每个气体开关包括两个触发球；触发球的材质为铜，直径20mm。

本发明实施例中固定装置为圆环状。

本发明实施例中的Marx发生器根据《脉冲功率技术与应用》记载的方案设置。

本发明实施例中的示波器型号为VC1100AN。

本发明实施例中的分压器为直径15cm空心球体，材质为不锈钢。

本发明实施例中的绝缘筒材质为PVC。

本发明实施例中的载料平台、固定装置、高压正极、高压负极、料槽、棒状高压正极和漏斗型高压负极的材质为不锈钢。

本发明实施例中的筛网9-10的材质为聚乙烯树脂，孔径5mm。

本发明实施例中的分压器用于保护高压电路中示波器和其他相关电路元件，电阻值5kΩ。

本发明实施例中的漏斗型高压负极的底边与棒状高压正极之间的水平间距≥20mm；

本发明实施例中的筛网用于控制破碎产物粒度，保证合格粒级及时被筛分，减小过粉碎，提高高压电脉冲预处理效率。

本发明实施例中的绝缘液用于减少脉冲电压的损失，使电压集中作用于矿石。

本发明实施例中通过示波器11对高压电脉冲预处理进行实时监控，通过脉冲电压的波形确定电压上升时间；当电压上升时间≤500ns时，判断矿石先于绝缘液被击穿；当电压上升时间>500ns时，判断绝缘液先于矿石被击穿，此时调节输入电压，直至电压上升时间≤500ns。

以下结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

矿石高压脉冲放电预处理系统结构如图1所示，包括给料仓1、螺旋给料器2、高压电脉冲破碎腔9、脉冲高压电发生器3、输出电源5、绝缘液贮存池8和示波器11；高压电脉冲破碎腔9结构如图2所示；

给料仓1的放料口与螺旋给料器2的进料端相配合，螺旋给料器2的出料端与高压电脉冲破碎腔9的进料口相配合；高压电脉冲破碎腔9的顶部设有进料口9-13，底部设有进液口9-14和排料口9-15；

高压电脉冲破碎腔9的内部设有正极和负极，正极通过导线与两个气体开关4并联，脉冲高压电发生器3通过导线与两个气体开关4连接，负极通过导线与输出电源5连接，输出电源5、单向调压器6和输入电源7串联连接；高压电脉冲破碎腔9的进液口9-14通过管道与绝缘液贮存池8连通；

正极和负极分别通过信号线与示波器11的两极连接，每个信号线上分别设有至少一个分压器10；

示波器11与计算机12装配在一起；

脉冲高压电发生器3为Marx发生器，Marx发生器的电感线圈的两端分别与一个气体开关4连接；

脉冲高压电发生器3的电压输出范围50～200kV；

其中高压电脉冲破碎腔9包括绝缘筒9-5及其内部的载料平台9-1；绝缘筒9-5顶部连接的顶板上设有进料口9-13，绝缘筒9-5的底板上设有进液口9-14和排料口9-15；载料平台9-1上方设有高压负极9-3作为负极，高压负极9-3通过导线与输出电源5连接；载料平台9-1与高压正极9-2连接，高压正极9-2作为正极通过导线与两个气体开关4并联；高压负极9-3与载料平台9-1之间的空间用于放置矿石9-6；载料平台9-1上方还设有固定装置9-4固定在绝缘筒9-5内壁；高压负极9-3固定在固定装置9-4上；固定装置9-4与前段信号线9-7连接，前段信号线9-7与后段信号线9-8连接，后段信号线9-8与示波器11的一极连接，使示波器11的一极与高压负极9-3导电连接，同时示波器11的另一极通过信号线与高压正极9-2连接；分压器10位于前段信号线9-7和后段信号线9-8之间；

高压电脉冲破碎腔9的出料口通过管道与送料泵13的进口连通，送料泵13的出口与球磨机14的进料口相配合；

方法按以下步骤进行：

将粒径为10～20mm的矿石置于给料仓1内，通过给料仓1的放料口将矿石放入螺旋给料器2，通过螺旋给料器2连续定量向高压电脉冲破碎腔9输送矿石；绝缘液贮存池8内存有绝缘液，通过绝缘液贮存池8将绝缘液通入高压电脉冲破碎腔9内，保持高压电脉冲破碎腔9内绝缘液液面在矿石上方；绝缘液为去离子水；

启动输入电源7，通过单向调压器6控制输出电源5的电压；当矿石与正极和负极接触时，电流经单向调压器6、输出电源5、正极、矿石、负极和气体开关4被输送至脉冲高压电发生器3；交流电流在整流电路、倍压电路和气体开关的作用下，转化为超高压直流电流，产生脉冲电流在高压电脉冲破碎腔9内进行重频次高压脉冲放电，对矿石进行高压电脉冲预处理，脉冲电压80kV，脉冲频率30Hz，矿石在高压电脉冲破碎腔9内的停留时间20min；通过示波器11对高压电脉冲预处理进行实时监控；

矿石经高压电脉冲预处理后，形成预处理矿石；将预处理矿石随同绝缘液连续从高压电脉冲破碎腔9放出；预处理矿石和绝缘液的混合物通过送料泵13输送到球磨机14进行磨矿，磨矿至粒径≤1mm制成粉矿；

绝缘液贮存池8与高压电脉冲破碎腔9的高度相配合，绝缘液贮存池8内的绝缘液液面位于绝缘液贮存池8与高压电脉冲破碎腔9的连通管道的上方，使绝缘液贮存池8内的绝缘液液面位与高压电脉冲破碎腔9内的绝缘液液面等高；在绝缘液排出过程中，向绝缘液贮存池8内补充绝缘液，控制高压电脉冲破碎腔9内的绝缘液液面位于矿石上方；

采用的矿石为鞍山某磁铁矿，成分按质量百分比含TFe 28.54％，SiO

13.51％，MgO 2.02％，CaO 1.23％，P 0.037％，Al

预处理矿石的界面断裂处SEM图如图5所示，熔融气孔处SEM图如图6所示；

磨矿采用三辊四筒棒磨机，磨矿时矿浆的质量浓度70％，磨矿时间3min，获得的粉矿中，粒度中-0.074mm的产率57.95％；-0.5+0.074mm单体解离度41.82％；获得粉矿进行磁选，磁场强度0.107T，磁选时间3min，获得的磁选精矿TFe品位65.75％，铁回收率76.37％；

将相同磁铁矿不经高压电脉冲预处理，直接进行磨矿制成对比预处理矿石进行相同条件的磨矿，粉矿中粒度-0.074mm的产率50.42％，其-0.5+0.074mm单体解离度34.29％；进行相同条件的磁选，获得的磁选精矿TFe品位61.3％，铁回收率71.53％；

相较于机械破碎，高压电脉冲预处理能显著提高-0.074mm部分的产率，显著提高破碎产物单体解离度；高压电脉冲预处理主要以晶界粉碎为主，显著提升粉碎产物单体解离度，进而提升分选指标，可显著增加矿石中裂纹和孔洞，促使矿石机械力学性能被弱化，矿石变得更易磨，磨矿效率得到有效提升。

实施例2

矿石高压脉冲放电预处理系统结构同实施例1；

高压电脉冲破碎腔9结构如图3所示，包括绝缘筒9-5及其内部的料槽9-9；绝缘筒9-5顶部连接的顶板上设有进料口9-13，绝缘筒9-5的底板上设有进液口9-14和排料口9-15；正极和负极分别为高压正极9-2和高压负极9-3，高压正极9-2和高压负极9-3的前端位于料槽9-9内部；高压正极9-2通过导线与两个气体开关4并联，高压负极9-3通过导线与输出电源5连接；料槽9-9内高压正极9-2和高压负极9-3之间的空间用于放置矿石9-6；料槽9-9上方还设有固定装置9-4固定在绝缘筒9-5内壁；高压负极9-3固定在固定装置9-4上；固定装置9-4与前段信号线9-7连接，前段信号线9-7与后段信号线9-8连接，后段信号线9-8与示波器11的一极连接，使示波器11的一极与高压负极9-3导电连接，同时示波器11的另一极通过信号线与高压正极9-2连接；分压器10位于前段信号线9-7和后段信号线9-8之间；

方法同实施例1，不同点在于：

(1)脉冲电压120kV，脉冲频率30Hz，矿石在高压电脉冲破碎腔9内的停留时间50min；

(2)采用的矿石为卡林型金矿石，含Au 3.38g/t，Ag 1.0g/t，按质量百分比含C2.06％，MgO 2.81％，CaO 5.56％，SiO

预处理矿石的SEM图如图7所示；

磨矿采用三辊四筒棒磨机，磨矿时矿浆的质量浓度70％，磨矿时间3.5min，获得的粉矿中，粒度中-0.074mm的产率90％；将氰化钠和水合碳酸钠按质量比1:10混合，混合物料加入到水中，混合物料和水的质量比为1:100，制成混合液；将粉矿置于混合液中进行浸出，浸出温度30℃，浸出时间12h；然后过滤分离浸出渣和浸出液；浸出渣中含Au 1.99g/t，金的浸出率40.8％；

将相同磁铁矿不经高压电脉冲预处理，直接进行磨矿制成对比预处理矿石进行相同条件的磨矿和浸出，浸出渣中含Au 2.16g/t，金的浸出率35.28％；

比较可见，高压电脉冲预处理显著增加矿石中孔隙率和微观裂缝，促使更多的浸出药剂进入矿石内部，增大了药剂与金矿物的接触面积，进而提高浸出反应速率。

实施例3

矿石高压脉冲放电预处理系统结构同实施例1；

高压电脉冲破碎腔9结构如图4所示，包括绝缘筒9-5及其内部的筛网9-10；绝缘筒9-5顶部连接的顶板上设有进料口9-13，绝缘筒9-5的底板上设有进液口9-14和排料口9-15；棒状高压正极9-11作为正极，穿过水平放置的筛网9-10；棒状高压正极9-11的底端通过导线与两个气体开关4并联，棒状高压正极9-11的顶端位于筛网9-10上方；漏斗型高压负极9-12作为负极，其内部空间为倒置的圆台状，其顶边与绝缘筒9-5内壁连接，底边与筛网9-10连接；棒状高压正极9-11的顶端位于漏斗型高压负极9-12内部；漏斗型高压负极9-12内部空间用于放置矿石9-6；前段信号线9-7的一端与漏斗型高压负极9-12连接，另一端与后段信号线9-8连接，后段信号线9-8与示波器11的一极连接，使漏斗型高压负极9-12与示波器11的一极导电连接，同时示波器11的另一极通过信号线与棒状高压正极9-11连接；分压器10位于前段信号线9-7和后段信号线9-8之间；

方法同实施例1，不同点在于：

(1)脉冲电压100kV，脉冲频率20Hz，矿石在高压电脉冲破碎腔9内的停留时间20min；

(2)磨矿获得的粉矿中，粒度中-0.074mm的产率59.2％；磁选获得的磁选精矿TFe品位66.26％，铁回收率75.31％。