高压脉冲放电破碎矿石设备的电路设计与测试

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　　摘  要：为了探究高压脉冲对矿石进行选择性破碎的机制，本工作研制了高压脉冲放电破碎矿石设备，包括对整流滤波及倍压电路、高压脉冲发生器主体电路、电压测量电路和设备整体电路的设计与设备联调;最后进行了高压脉冲破碎矿石实验，结果显示，当设备脉冲上升沿时间小于500纳秒，电压幅值达到几十至几百千伏时，可以将矿石选择性破碎。
　　关键词：整流滤波电路;Marx发生器;高压脉冲
　　Abstract： In order to explore the mechanism of selective crushing of ore by high-voltage pulses， this research has developed a high-voltage pulse discharge crushing ore equipment， including the design and testof rectifier-filter and voltage multiplier circuit， the main circuit of the high-voltage pulse generator， the voltage measurement circuit and the overall circuit of the equipment. Finally， a high-voltage pulse crushing ore experiment was performed. The results show that when the equipment pulse rising time is less than 500 nanoseconds and the voltage amplitude reaches tens to hundreds of kilovolts， the ore can be selectively crushed.
　　脉冲功率技术的原理是利用高功率脉冲装置将能量缓慢地储存起来，对其进行形态变换或压缩调节，最后以极短的时间脉冲形式快速释放给特定负载[1]。二战时期，俄罗斯科学家首次应用高压电脉冲技术提纯核材料;1950年左右，在用高压电脉冲技术分解水的过程中，发现其产生的冲击波足以破碎矿石;此后，工程类研究者开始对高压电脉冲技术进行深入研究[2]。国内专家也对此展开了研究，中信重工机械股份有限公司与国内某大学合作进行了赤铁矿高压电脉冲破碎试验，对某钢厂赤铁矿进行单颗粒脉冲放电破碎，脉冲电压仅为60kV[3];江苏省自然科学青年基金资助的项目（BK20140944），为了达到污水快速净化的目的，设计了纳秒级高压脉冲电源电路，输入电压为500V，串联25级电路可获得的高压脉冲最大幅值仅为10kV[4];本文设计的高压脉冲放电电路输入电压为220V，放电时的单次脉冲电压可达50-200kV。
　　传统的矿石碎磨主要依靠机械能冲击、剪切和研磨使矿石碎裂、剥蚀达到矿物单体解离的目的，导致矿石破碎以穿晶破碎为主[5]，而穿晶破碎会导致有用矿物与脉石矿物无法实现有效分离。应用高压电脉冲破碎矿石时，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，放电通道易沿矿物界面发展，使矿石沿晶界破裂。Tamsyn Parker等[6]研究了高压电脉冲预处理后斑岩铜矿解离特性，发现电脉冲粉碎产物中黄铜矿单体解离度较机械粉碎更高。Martello等[7]采用高压电脉冲技术可选择性的将石英岩石包裹体破碎，减少伴生矿石对石英晶体的污染，破碎产品满足太阳能电池的高纯度硅原料的要求。Valentine A. Chanturiya等[8]研究发现高压电脉冲在矿石内部产生的裂纹，使得浸出液可以有效地接触到贵金属颗粒，大幅提高贵金属的回收率。上述研究表明高压电脉冲有望实现矿石的选择性破碎。
　　1 设备原理及整体方案设计
　　将高压电脉冲作用于矿石，在纳秒时间尺度上脉冲电压达到一定数值后可击穿矿石。图1显示了各种介质的击穿场强和电压上升时间的关系。从图1中可以看出，当电压上升时间小于500ns时矿石的击穿场强小于水的击穿场强，所以如果控制电压上升时间在500ns以内，当电压达到一定数值时，就可以实现将矿石破碎[9]。整体框图如图2所示，将高压脉冲放电电源产生的高压脉冲作用于破碎腔体中的矿石，矿石内部形成等离子通道（图2中破碎腔体中矿石内的线性通道代表等离子通道），等离子通道会因岩石内金属粒子的引诱而选择性发展，因而有可能实现矿石的选择性破碎。
　　2 电路设计
　　因设计的高压脉冲电源电路的脉冲形成电路采用Marx结构，故需设计一基于Marx的脉冲充放电电路;因选用电网的交流电为输入，故需设计一将交流电变换为直流电的整流滤波电路;因直接应用Marx结构进行倍压需要许多造价较高的电容，故在设计整流滤波电路时需加入五级倍压电路;因要测量放电时单次脉冲电压大小，故需设计一由分压器示波器组成的电压测量电路。
　　2.1 整流滤波及倍压电路设计
　　整流滤波及倍压电路如图3所示，整流电路主要使用二极管（D1-D10）的正偏导通，反偏截止的单向导电性，将交流电转变为脉动直流电，但此脉动直流电的波动幅度较大，为了让其输出更加平滑、消除里面的交流成分，故在電路中加0.02μF的电容（C1-C11）组成了整流滤波电路;一级倍压电路由两个电容、两个二极管组成，一级倍压电路的输出电压为输入电压的两倍，本实验设计了五级倍压电路，即输出电压为输入电压的十倍。
　　2.2 高压脉冲发生器主体电路（Marx电路）设计
　　Marx发生器是基于电容器并联充电、串联放电原理而产生高功率脉冲的装置[10]，一般采用电阻或电感充电隔离，虽然在较低重复频率下，电阻充电隔离结构简单，电感充电隔离相对复杂，绝缘处理要求较高，但电感隔离可提高工作频率以及电路效率，因此本实验采用电感充电隔离方式，填充变压器油进行绝缘处理。本实验设计的基于Marx的脉冲充放电电路（如图4所示）主要由电容器、气体开关及电感组成。可以实现双极性正负充电，使得开关数量比单极性充电电路减少一半，结构紧凑，回路电感小。 　　基于Marx的脉冲充放电电路工作过程为：直流高压电通过电感给电容器充电。开关间隙有空气绝缘，充电过程中空气不被击穿，开关处于断开状态使电路隔离。当充电电压达到一定值U0时，空气被击穿，气体开关依次导通，n个电容器串联向负载放电，负载上将得到nU0的峰值电压。其中电容的大小为许多串联的电容器电容总值。回路可根据充电电压的高低和回路参数的大小而产生不同大小的波形。
　　2.3 电压测量部分电路设计
　　由于输出端的电压很高，而示波器的测量范围很小，如果直接将示波器与输出电极相连会烧坏示波器。因此在输出电极的外部连接一个电阻和电容相结合的分压器，将示波器与分压器相连，分压电阻的阻值1.2Ω。输出端电阻是分压电阻的10000倍，示波器显示的电压值和放电电极端的实际电压值之比为1：10000，分压器示波器测量电路如图5所示。
　　2.4 设备整体电路图
　　由整流滤波及倍压电路、高压脉冲发生器主体电路组成的高压脉冲放电碎石设备整体电路图如图6所示。
　　3 電路测试
　　按照电路图进行实物连接及电路测试，高压电脉冲放电破碎矿石设备实物图如图7所示，经测试可以将矿石破碎（整体破碎效果如图8所示）。试验时获得的放电破碎矿石瞬间波形图如图9所示，其中横轴为时间，纵轴为电压，经过计算得出，此次高压脉冲放电破碎矿石时单次脉冲电压大约为100kV。由高压脉冲放电破碎的矿石显微镜照片（如图10所示），可看出高压电脉冲能使矿石选择性沿矿物晶界破裂，并在其内部矿物界面上产生扩展裂纹和裂缝。由图8-10可知当单次脉冲电压达到100kV左右时，可将矿石选择性破碎。
　　 4 结论
　　测试结果证明，此高压脉冲放电破碎矿石电路放电时单次脉冲电压可以达到50-200kV，电压上升时间在500ns以内时，脉冲电压达到100kV左右能够将矿石选择性破碎，这有助于改善矿物解离及分选特性，降低后续的磨矿成本。虽然在高压脉冲放电破碎矿石的电路设计与测试方面取得了突破性进展，但由于缺乏深入系统的基础理论研究，特别是在破裂过程的控制方面，缺乏强有力的理论支撑，当前仍很难实现高压电脉冲选择性破碎矿石设备的工业化生产。
　　参考文献：
　　[1]李宏达，张彬.高压放电破碎电介质材料仿真研究[J].南京理工大学学报，2019，43（3）：321.
　　[2]施逢年.矿石的高压电脉冲预处理技术研究进展[J].金属矿山，2019，515（5）：1-2.
　　[3]王琳，刘军，高文君，等.高压电脉冲破碎矿石技术的应用研究[J].矿山机械，2017，45（2）：37-39.
　　[4]嵇保健，王若冰，洪峰，等.基于Marx电路的纳秒级高压脉冲电源设计[J].高电压技术，2016，42（12）：3758-3762.
　　[5]U.安德鲁斯，杨久流.应用电脉冲解离矿石和炉渣中的有价成分[J].国外金属矿选矿，2001（06）：27-32.
　　[6]Tamsyn Parker，Fengnian Shi，Cathy Evans，Malcolm Powell. The effects of electrical comminution on the mineral liberation and surface chemistry of a porphyry copper ore[J]. Minerals Engineering，2015：82.
　　[7]E. Dal Martello，S. Bernardis，R.B. Larsen，G. Tranell，M. Di Sabatino，L. Arnberg. Electrical fragmentation as a novel route for the refinement of quartz raw materials for trace mineral impurities[J]. Powder Technology，2012：224.
　　[8]Chanturiya V A， Bunin I Z， Kovalev A T. The role of gas outflow from nanosecond breakdown channels in the electric-pulse discharge disintegration of sulfide minerals[J]. Bulletin of the Russian Academy of Sciences： Physics， 2010，74（5）：663-666.
　　[9]李宏达，赵红阳，王军，等.高压脉冲放电碎石法研究[J].南京理工大学学报，2015，39（6）：723-724.
　　[10]黄国良.高压脉冲放电碎岩的研究[D].华中科技大学，2013：22-23.
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