Исследование энергетических характеристик электроимпульсного разрушения техногенного сырья тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Климов Андрей Александрович

• Климов Андрей Александрович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Климов Андрей Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПЕРЕРАБОТКА ТЕХНОГЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1 Основные сведения о применении электроимпульсных технологий

1.2 Абразивы как техногенные материалы: особенности производства и их свойства

1.3 Возможности переработки абразивного техногенного сырья

ГЛАВА 2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗРУШЕНИЯ АБРАЗИВОВ С ПОМОЩЬЮ ГЕНЕРАТОРОВ ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

2.1 Аппаратура для проведения экспериментов

2.1.1 Генераторы импульсных напряжений

2.1.2 Зарядная часть генераторов

2.1.3 Образцы для дробления на установках ГИН

2.1.4. Конструкция разрядной камеры

2.1.5 Измерительные системы

2.2 Методики экспериментов

2.2.1 Методика определения параметров импульсного напряжения

2.2.2 Методика получения вольт-секундных характеристик

2.2.3 Методика обработки результатов экспериментов по дроблению

2.3 Экспериментальные данные

2.3.1 Вольт-секундные характеристики различных видов электрокорунда и технической воды

2.3.2 Результаты опытов по дроблению и измельчению абразивных материалов

2.3.3 Установление зависимости энергоёмкости дробления от технологических параметров процесса

Выводы по главе

ГЛАВА 3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗРУШЕНИЯ АБРАЗИВОВ С ПОМОЩЬЮ КОМБИНИРОВАННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

3.1 Применение комбинированных генераторов в технологиях электроимпульсного дробления

3.2 Испытания схемы "ГИН - ГИТ" с синхронизацией с помощью лавинных диодов

3.2.1 Рассмотрение схемного решения

3.2.2 Конструкция порционной измельчительной камеры

3.2.3 Эксперименты с тестовым материалом

3.2.4 Измельчение абразивных материалов

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А. Акты внедрения результатов диссертационной работы

Приложение Б. Патент на полезную модель

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования.

Множество законодательных актов, регулирующих и нормативных документов в Российской Федерации направлено на развитие программ по созданию экологически чистых и энергетически эффективных промышленных производств. Одним из основных направлений таких программ является переработка скапливающихся отходов промышленности и возврат пригодного для повторного применения сырья в производственный цикл. Данная практика наблюдается не только в РФ, а её необходимость подтверждается обсуждениями на Международных и Российских научных конференциях. Перспективность использования электротехнологий (в том числе электротехнологий высокого напряжения) для увеличения эффективности предприятий подтверждается Федеральной программой «Критические технологии России».

Среди твёрдых отходов перспективными для переработки с точки зрения лёгкости возвращения компонентов в производственные циклы можно считать некондиционные железобетонные изделия (ЖБИ) и неликвиды абразивных изделий на твёрдой основе, поскольку с развитием строительной и обрабатывающей отраслей промышленности объёмы их накопления будут ежегодно увеличиваться.

В 2013 году объём выпущенных российскими заводами абразивных кругов различного назначения оценивался в 122 млн. единиц, причём до 10% из них -шлифовальные изделия на твёрдой основе. Основными потребителями абразивной продукции являются деревообрабатывающая, машино- и судостроительные промышленности. В машиностроительной отрасли до четверти оборудования могут составлять станки, на которых применяется абразивный инструмент [1]. Абразивные изделия, выработавшие свой ресурс, складируются на полигонах или используются в подсобном строительстве. Отходы бетонных и ЖБИ производств от сноса жилых зданий и промышленных предприятий также утилизируются с помощью хранения на полигонах или используются как материал основания при

строительстве дорог [2,3]. Однако не всегда возможно легко утилизировать складированием даже такое техногенное сырьё, например, в случаях, когда оно подверглось воздействию радиации [4].

Традиционные циклы переработки абразивов, включающие в себя механическое измельчение таких обладающих повышенной твёрдостью изделий, всегда связаны с определёнными трудностями:

- высокими затратами энергии на многостадийный процесс переработки

[5];

- высоким износом измельчающего оборудования [6];

- загрязнением измельчённого материала аппаратурным металлом, и, как следствие, введением в процесс переработки стадии магнитной сепарации;

- невозможностью получения заданного гранулометрического состава фракций для повторного использования;

- ухудшением абразивных свойств выходного сырья.

Также существуют сложности с переработкой и разделением компонентов новых видов ЖБИ изделий, например, блоков сверхвысокопрочного бетона, армированного металлическим волокном (иИРБКС), к которым не всегда применимы технологии механической переработки [7].

В связи с вышеизложенным, возникает необходимость поиска новых методов решения проблемы накопления и переработки техногенных отходов. Последние несколько десятилетий наблюдается повышенный интерес к использованию высоковольтных импульсных технологий в сфере переработки. Данные технологии связаны с применением электрических разрядов с большими энергиями в газовых или жидких средах для измельчения различных материалов [8] естественного и искусственного происхождения.

Степень разработанности темы.

Началом исследований электроимпульсного (ЭИ) метода разрушения следует считать публикацию авторского свидетельства на изобретение «Способ разрушения горных пород и полезных ископаемых» (Воробьев А. А., Завадовская

Е. К., Томский политехнический институт, приоритет от 26.06.1951 г., рег. 25.02.1967 г.). Окончательно, как ныне понимаемый электроимпульсный способ разрушения материалов, он оформлен научным открытием "Закономерность пробоя твердого диэлектрика на границе раздела с жидким диэлектриком при действии импульсов напряжения" (Воробьев А. А., Воробьев Г. А. и Чепиков А. Т., приоритет от 14 декабря 1961 г., рег. 1999 г.). Большой вклад в изучение и развитие электроимпульсного метода разрушения материалов в России внесли Усов А. Ф., Семкин Б. В., Курец В. И. опубликованием монографического цикла работ, отмеченного Российской академии наук премией имени П. Н. Яблочкова за лучшие работы в области электрофизики и электротехники за 2003 год. Определено (Постановление Президиума РАН от 10.02.2004), что данными монографическими публикациями заложены основы нового научного направления в электрофизике -физики электровзрыва в конденсированных средах и его технологического применения для разрушения материалов (электроимпульсная технология). С 60-х годов ХХ века разработку различных направлений применения способа ведут в Томском политехническом университете, Кольском научном центре РАН, Институте сильноточной электроники СО РАН, Карагандинском государственном университете, Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого и ещё нескольких научных институтах и университетах.

Применение электроимпульсных технологий в области переработки различного техногенного сырья и отходов промышленности становится довольно распространённой практикой. Проводятся исследования по извлечению металлов из шлаков металлоплавильных производств, разрушению некондиционных бетонных и железобетонных изделий с последующим выделением арматуры и материала заполнителя. Достаточно новым направлением является извлечение ценных металлов и полезных материалов при переработке вышедших из строя солнечных панелей [9-11]. При измельчении пакета солнечной панели наблюдается разделение компонентов: стекла, обломков органики, алюминиевых полос, серебра и меди контактов. Также сообщается об успешном измельчении печатных электронных плат с последующим разделением составных частей [12-15].

Однако довольно мало информации на данный момент существует в отношении электроимпульсного дробления брака и неликвида изделий из абразивных материалов, хотя этот вид техногенного сырья как нельзя лучше подходит для разрушения электроимпульсным воздействием, поскольку представляет собой композитный материал с большой неоднородностью структуры, обладающий довольно низкой электрической прочностью.

Основными факторами, сдерживающими внедрение электроимпульсных технологий в производственные циклы абразивной промышленности, являются отсутствие сведений об эффективности переработки абразивных изделий методами ЭИ дезинтеграции и отсутствие представлений о технологических процессах и устройствах для осуществления переработки. Этим продиктована необходимость выполнения исследований процессов электроимпульсного разрушения абразивного сырья.

В представленной работе выполнены исследования характеристик электрического пробоя и электроимпульсного разрушения абразивных материалов, а также рассмотрены различные технологические устройства для осуществления электроимпульсного измельчения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование энергетических характеристик электроимпульсного разрушения техногенного сырья»

Цель работы.

Целью данной работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование характеристик пробоя и разрушения абразивных материалов высоковольтными импульсными разрядами с применением различных технологических решений в плане разработки установок электроимпульсной дезинтеграции.

Задачи исследования.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Исследование зависимостей пробивных напряжений абразивных материалов из различных видов электрокорунда от времени приложения импульсного напряжения для выбора рабочих напряжений, обеспечивающих минимальные затраты энергии на развитие канала разряда в устанавливаемых рабочих промежутках.

2. Определение структурных свойств абразивных материалов, наиболее сильно влияющих на фракционное распределение конечного продукта электроимпульсного дробления и на степень разделения компонентов (селективность разрушения).

3. Анализ показателей удельных энергозатрат на разрушение абразивных изделий при варьировании технологических и энергетических параметров импульсного воздействия для выявления режимов, обеспечивающих эффективное разрушение.

4. Разработка и испытание различных устройств для электроимпульсного разрушения абразивов в водной среде с достаточно широкими пределами изменения выходного напряжения и энергии в импульсе, изучение способов повышения энергоэффективности существующих схемных решений установок.

Методы исследования.

Для оценки разнородности измельчаемого материала, влияющей на селективность электроимпульсного разрушения, и степени разделения составных компонентов абразивных изделий применялась оптическая микроскопия поверхности исходных изделий, промежуточных фракций и продуктов измельчения. Определение фракционного распределения конечных продуктов производилось с помощью ситования на виброанализаторе.

Для построения вольт-секундных характеристик, изучения разрушаемости выбранных материалов при варьировании параметров электроимпульсного воздействия использовались одиночные генераторы импульсного напряжения по схеме Аркадьева-Маркса и комбинированные генераторы с синхронизированным воздействием высоковольтного и низковольтного источников. Измерения токов и напряжений проводились с помощью компенсированного делителя напряжения, резистивного токового шунта и цифровых осциллографов АКИП-4113/2 и Fluke 199C.

Для определения характеристик электроимпульсного воздействия применялись методы математического моделирования в системе Mathcad. Методы

математической статистики с применением программ Excel и Mathcad использовались для обработки результатов исследования, выявления закономерностей дробления материала.

Научная новизна работы.

1. Впервые при воздействии косоугольных импульсов определены вольт-секундные характеристики пробоя наиболее распространённых пористых абразивных материалов из различных видов электрокорунда с керамическим связующим.

2. Предложена теоретическая зависимость, отражающая связь между воздействующим на абразивы пробивным напряжением и длительностью приложения импульса, а также обозначены параметры, характеризующие полученную зависимость.

3. Экспериментально определены величины энергоёмкости электроимпульсного разрушения абразивных материалов в воде, выявлена степень влияния технологических характеристик импульсного воздействия на данный параметр, а также предложена теоретическая зависимость, связывающая энергоёмкость разрушения с размерными характеристиками дробимых материалов.

4. Разработано принципиально новое схематическое решение, использующее синхронизацию с помощью лавинных диодов воздействия на общую нагрузку генератора импульсных напряжений (ГИН) и генератора импульсных токов (ГИТ) с разными уровнями энергии.

Теоретическая и практическая значимость проведённого исследования.

На основе полученных зависимостей пробивных напряжений абразивных материалов от времени воздействия импульса при дециметровых промежутках, характерных для электроимпульсных технологий, могут быть определены необходимые параметры высоковольтных установок для переработки абразивного сырья.

Результаты экспериментов по определению степени влияния импульсного энерговклада и воздействующего напряжения установок, структурных свойств

материалов и геометрических параметров устройств для дробления на величину удельных энергозатрат, а также выведенное модельное соотношение между указанными параметрами и энергоёмкостью разрушения могут быть использованы для поиска оптимальных режимов электроимпульсной дезинтеграции абразивных изделий в промышленных циклах.

Разработанное и испытанное схематическое решение установки нового типа, в которой используется синхронизированное импульсное воздействие на общую нагрузку нескольких источников с разным уровнем напряжения и накопленной энергии может быть применено для повышения энергоэффективности технологии электроимпульсного разрушения композиционных материалов.

Работы ЦЭС КНЦ РАН совместно с ОАО «Волжский абразивный завод» подтвердили эффективность применения метода электроимпульсной дезинтеграции для переработки неликвидов и отходов шлифовальных изделий на твёрдой основе. Полученный регенерированный абразивный материал был использован для повторного изготовления абразивных изделий соответствующего стандартам качества и с меньшей себестоимостью.

В сотрудничестве с ООО «Технологии электроимпульсной дезинтеграции материалов» по результатам испытаний нового схемного решения ГИН-ГИТ для электроимпульсной дезинтеграции апатит-нефелиновой руды среднего и мелкого дробления Кировского филиала АО «Апатит» и железной руды 72-го и 58-го конвейеров Оленегорского ГОК (АО «ОЛКОН») был получен дополнительный выход таких полезных компонентов, как магнетит, апатит и ильменит по сравнению с применением одиночных ГИН (Приложение А).

Положения, выносимые на защиту.

1. Преимущества электроимпульсного метода разрушения абразивных материалов в водной среде по сравнению с механическими методами.

2. Результаты экспериментальных исследований параметров электроимпульсного пробоя абразивных материалов и теоретические зависимости вольт-секундных характеристик.

3. Результаты экспериментальных исследований характеристик электроимпульсного селективного разрушения неликвидов абразивов с целью извлечения абразивного сырья.

4. Предложенное модельное соотношение, отражающее связь между технологическими параметрами процесса разрушения и его энергоёмкостью.

5. Техническая реализация комбинированных высоковольтных генераторов для электроимпульсного воздействия на абразивные материалы.

Связь работы с Государственными программами и темами.

Данные исследования были проведены: в рамках государственного задания НИР 0226-2019-0067 «Исследование научно-технических проблем обеспечения надёжного и эффективного энергоснабжения потребителей Арктической зоны РФ»; в рамках государственного задания НИР ЕМБ7-2022-0014 «Комплексное исследование научно-технических проблем функционирования и устойчивого развития энергетических систем в Арктической зоне РФ на новой технологической основе»; в рамках научного проекта Российского фонда фундаментальных исследований №20-38-90233 «Исследование энергетических характеристик электроимпульсного разрушения техногенного сырья».

Степень достоверности и апробация результатов исследования.

Достоверность полученных результатов обеспечивается: применением методик, представленных в отечественных и международных отраслевых стандартах; использованием современной измерительной аппаратуры; согласованностью этапов работы и полнотой рассмотрения различных аспектов исследуемой темы; соответствием полученных экспериментальных результатов с аналогичными данными других исследователей.

Результаты работы были представлены на конференциях: VI конференция Ассоциации научных обществ Мурманской области, посвящённой Дню российской науки, 2018, Кировск, Россия; XI Международная научно-практическая конференция «Север и Арктика в новой парадигме мирового развития», 2022, Апатиты, Россия.

Также по результатам проведённых исследований подготовлено 4 отчёта по

НИР.

Для апробации нового схемного решения ГИН-ГИТ с синхронизацией лавинными диодами на договорной основе с ООО «ТЕХЭДМ» в ЦЭС КНЦ РАН были проведены следующие научные работы:

1) Исследование горных пород горно-обогатительных комбинатов (ГОК) на лабораторном образце электроимпульсной дезинтеграционной установки.

2) Исследование и оптимизация энергетических режимов лабораторного образца электроимпульсной установки для получения максимального выхода полезного компонента из горных пород горно-обогатительных комбинатов (ГОК).

Публикации по тематике исследования.

В журналах, входящих в перечень ВАК и индексируемых в международной базе данных Scopus:

1. Данилин А.Н., Климов А.А. Экспериментальные исследования характеристик импульсных трансформаторов с различными типами магнитопроводов, выполненных по каскадной схеме // Вестник МГТУ. - 2016. - Т. 19. - №4. - С. 704-714. DOI: 10.21443/1560-9278-2016-4-704-714.

2. Данилин А.Н., Зорин А.С., А. А. Климов, Д. Э. Ривас Перес. Электроимпульсный метод селективного разрушения абразивного инструмента из электрокорунда // Деформация и разрушение материалов. - 2021. - .№10. - С.35-40. DOI: 10.31044/1814-4632-2021-10-35-40.

3. Danilin A.N., Zorin A.S., Klimov A.A., Rivas-Peres D.E. Electric-Pulse Method of Selective Destruction of Synthetic Corundum Abrasive Tool // Russian Metallurgy (Metally). - 2022. - P.439-443. DOI: 10.1134/S0036029522040115.

В журналах, включенных в РИНЦ:

1. Климов А.А. Параметрическое моделирование насыщения силового дросселя с помощью симулятора LTSPICE и программного комплекса MATLAB на примере сердечника из амморфного сплава 2605SA1 // Труды КНЦ РАН.

Энергетика. - 2018. - Т. 9. - №3(16). - С. 29-35. Б01: 10.257027KSC.2307-5252.2018.16.3.29-35

2. Данилин А.Н., Климов А.А., Потокин А.С. Расчёт оптимального соотношения конструктивных параметров разделительных соленоидов технологических ГИН // Труды КНЦ РАН. Энергетика. - 2018. - Т. 9. - №8(17). -С. 109-116. Б01: 10.25702/0С.2307-5252.2018.9.8.109-116

3. Данилин А.Н., Климов А.А. Режимы работы группы генераторов импульсного напряжения с общей технологической нагрузкой // Труды КНЦ РАН. Энергетика. - 2018. - Т. 9. - №8(17). - С. 116-122. Б01: 10.257027KSC.2307-5252.2018.9.8.116-122

4. Климов А.А. Исследование схем синхронизации высоковольтных импульсных источников, разряжающихся на общую нагрузку // Труды КНЦ РАН. Энергетика. - 2019. - Т. 10. - №5(18). - С. 96-104. Б01: 10.257027KSC.2307-5252.2019.5.96-104

5. Потокин А.С., Климов А.А. Сравнительный анализ эффективности электроимпульсного разрушения различных типов горных пород Мурманской области // Труды КНЦ РАН. Энергетика. - 2020. - Т. 11. - №7(19). - С. 92-97. Б01: 10.37614/2307-5252.2020.7.19.012

6. Селиванов В.Н., Климов А.А. Разрушение твёрдых композиционных отходов импульсами высокого напряжения // Труды КНЦ РАН. Серия: Технические науки. - 2022. - Т. 13. - №3. - С. 79-86. Б01: 10.37614/29491215.2022.13.3.008

7. Потокин А.С., Климов А.А., Колобов В.В. Исследование горных пород с обогатительных комбинатов Мурманской области на лабораторном образце электроимпульсной дезинтеграционной установки Труды КНЦ РАН. Серия: Технические науки. - 2022. - Т. 13. - №3. - С. 97-110. Б01: 10.37614/29491215.2022.13.3.010

8. Климов А.А., Селиванов В.Н. К вопросу об удельных энергозатратах на разрушение материалов естественного и искусственного происхождения

электрофизическими методами // Труды КНЦ РАН. Серия: Технические науки. -2023. - Т. 14. - №6. - С.84-92. DOI: 10.37614/2949-1215.2023.14.6.010

Материалы конференций:

1. Ильин Д.В., Потокин А.С., Климов А.А. Перспективы электроимпульсных технологий // Материалы VI конференции Ассоциации научных обществ Мурманской области, посвящённой Дню российской науки (Кировск, 12 февраля 2018 г.). / Е.А. Боровичёв, Н.Е. Королёва, Ю.Л. Войтеховский (ред.). - Апатиты: Изд-во К & М. 2018. - С. 62-70.

2. Климов А.А., Селиванов В.Н. Электроимпульсный метод переработки твёрдых техногенных отходов // Север и Арктика в новой парадигме мирового развития. Лузинские чтения - 2022: Материалы XI Международной научно-практической конференции (Апатиты, 22-23 сентября 2022 г.): сборник тезисов. -Апатиты: Изд-во ФИЦ КНЦ РАН, 2022. - С. 153-154.

Патенты:

1. Пат. 208969 Ш Российская Федерация, МПК Н03К 3/53. Генератор импульсных токов и напряжений для промышленной электроимпульсной установки / А. С. Потокин, А. А. Климов, В. В. Колобов; заявитель ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "ТЕХНОЛОГИИ

ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ МАТЕРИАЛОВ". - N 2021118197; заявл. 22.06.2021; опубл. 25.01.2022., Бюл. N 3. - 9 а: ил.

Личный вклад автора заключается: в анализе доступных литературных источников и проводимых другими учёными исследований по представленной тематике; в проектировании и конструировании электроимпульсных установок для выполнения экспериментов; в подготовке, проведении и анализе результатов экспериментов, обработке полученных данных.

Объём и структура работы.

Диссертационная работа содержит 114 страниц основного текста, 47 рисунков и 18 таблиц; состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы, включающего 120 наименований, 2 приложений на 2 страницах. Общий объём диссертационной работы - 135 страниц.

Благодарности.

Автор выражает глубокую признательность к.т.н. Данилину А. Н. и к.т.н. Селиванову В. Н. за научное руководство и внимание при выполнении работы, заведующему лабораторией энергетики и электротехники ЦЭС КНЦ РАН к.т.н. Колобову В. В. за ценные советы и консультации в отношении конструирования установок высокого напряжения и проведения экспериментальных исследований, и всем сотрудникам ЦЭС КНЦ РАН за оказанную помощь и поддержку в процессе написания работы.

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПЕРЕРАБОТКА

ТЕХНОГЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1 Основные сведения о применении электроимпульсных технологий

На сегодняшний день наиболее распространённым способом переработки техногенных материалов, таких как бетонные и ЖБИ изделия, шлаки металлоплавильных производств, электронная продукция на печатных платах, абразивные изделия и т.д. до сих пор является механическое измельчение с последующим разделением компонентов полученного продукта с помощью различных видов сепарации [16-22]. В отношении абразивных материалов развитие методов переработки идёт, в основном, по пути усовершенствования установок дробления для увеличения их ресурса и уменьшения загрязнения выходного продукта аппаратурным металлом. Удельный вес этой довольно энергоёмкой операции механической переработки в общем цикле регенерации может достигать 50% [23].

Альтернативной технологией для регенерации сырья из твёрдых многокомпонентных материалов могут являться электрофизические методы воздействия. Суть данных методов сводится к прямому преобразованию электрической энергии в работу разрушения. Применяемые электроимпульсные технологии можно разделить на два вида по специфике используемого в них воздействия: электрогидравлическое (ЭГ) и электродинамическое (ЭД) воздействие.

Электрогидравлическое воздействие на твёрдое тело осуществляется через промежуточную жидкую среду, в которой при её электрическом пробое формируются ударные волны, вызывающие деформации сдвига и сжатия в материале [24]. Данный вид воздействия нашёл широкое применение в задачах раскола крупногабаритных горных пород и бетонных блоков при пробое жидкости в шпуре [25,26], а также в технологиях очистки литья, гидроимпульсной штамповки и формовки, измельчении хрупких твёрдых материалов до порошковой

крупности [27]. Однако, поскольку характер ЭГ воздействия совпадает с таковым у механических способов дробления, не было получено заметного повышения эффективности разрушения.

Электродинамическое воздействие осуществляется за счёт инициирования высоковольтного импульсного пробоя в твёрдом диэлектрике. Основу метода электроимпульсного разрушения (или дезинтеграции, ЭИД) составляет явление превышения электрической импульсной прочности жидкой среды над электрической прочностью твёрдых диэлектриков при приложении к ним импульсов с фронтами порядка 10-6 с и менее. В условиях приложения постоянного или переменного напряжения промышленной частоты электрическая прочность газовых и жидких диэлектриков ниже прочности твёрдых диэлектриков, поэтому пробой в электродной системе с твёрдым диэлектриком с очень большой вероятностью пройдёт по его поверхности без внедрения. Импульсная электрическая прочность материалов, отражаемая вольт-секундными характеристиками (ВСХ), отличается тем, что прочность жидких диэлектриков растет быстрее, чем твердых, при уменьшении времени воздействия импульса напряжения. При этом, согласно устоявшимся представлениям, существуют критические значения времени экспозиции импульса (около 10-6 с), после достижения которых электрическая прочность диэлектрических жидкостей и даже технической воды начинает превышать прочность твердых диэлектриков и горных пород. Данный принцип показан на рисунке 1. Разрушение твёрдого тела происходит как за счёт работы расширения образовавшегося при пробое тела канала разряда, так и за счёт волн деформации растяжения, распространяющихся в толще материала и в жидкой среде. Канал электрического пробоя, в основном, развивается по границам раздела фаз в композиционных материалах, по газовым полостям и проводящим включениям в однородных твердых материалах, по дефектам решётки и границам кристаллографических плоскостей в материалах с кристаллической структурой. На основе данного метода могут выполняться различные технологические операции: бурение скважин [28-34]; дробление и измельчение руд, твёрдых диэлектрических и слабо проводящих материалов [35-

43], в том числе и композиционных с разделением составных компонентов [44,45]; обработка природного камня [46,47]; выделение кристаллоограночного сырья [48]; разрушение некондиционных бетонных изделий с возможностью извлечения армирующего материала [49-55] и прочие [56-58]. Дополнительный эффект достигается при электроимпульсном разрушении хрупких твёрдых диэлектрических материалов с гетерогенной структурой, компоненты которых имеют различную акустическую плотность [59,60].

Рисунок 1 - Вольт-секундные характеристики твёрдого тела и жидкости и точка их пересечения при импульсном воздействии напряжения

Если рассматривать процессы с использованием высоковольтного импульсного разряда для разупрочнения, дробления или разрушения твёрдых техногенных отходов, то для любого вида обрабатываемого материала можно выделить следующие технологические узлы установок:

- мощный источник питания с высоковольтным преобразователем;

- система управления;

- один или несколько ёмкостных накопителей энергии с коммутирующими

устройствами;

- разрядная камера или подобие конвейера с рабочей электродной системой.

и

о

1

В качестве рабочей среды в электроимпульсной технологии чаще всего используется техническая вода. Её применение обуславливается снижением себестоимости разрушения [61-64]. Однако основным её недостатком является довольно высокая проводимость, которая приводит к потерям энергии при растекании токов в допробойной стадии. Известны исследования [65,66] по ЭИ бурению и измельчению материалов с использованием жидкостей с более высокими прочностными характеристиками - трансформаторного или конденсаторного масла, дизельного топлива, но их применение не всегда удобно и допустимо с технологической и экологической точек зрения.

Как и в традиционном измельчении, процесс электроимпульсного разрушения твёрдых материалов рекомендуется делать стадиальным с постепенным уменьшением степени дробления до уровня диспергирования. Применение различных накопителей энергии для каждой стадии позволит увеличить эффективность разрушения, но также возрастут массогабаритные характеристики и сложность установки [67].

Для перечисленных ранее технологических процессов можно выделить преимущества электроимпульсной дезинтеграции перед механическим дроблением:

- высокая селективность дробления неоднородных по составу и структуре материалов, обусловленная физикой процесса электрического пробоя;

- низкий износ рабочих деталей, поскольку основным рабочим телом процесса является электрическая искра, а эрозия поверхности электродной системы минимальна;

- отсутствие ограничений по твёрдости дробимого материала;

- отсутствие дополнительного загрязнения материалов при дроблении особо твёрдых материалов.

Экспериментальные данные проведённых исследований по электроимпульсному бурению и дроблению горных пород в широком диапазоне их физико-механических свойств и по разрушению техногенных материалов позволяют утверждать, что такой метод воздействия имеет довольно большие

пределы применения, как в отношении объёмов и размеров перерабатываемых материалов, так и в отношении достигаемых энергетических параметров установок. В [68] приводятся данные по успешному неразрушающему выделению рубинового кристаллоограночного сырья при использовании рабочих промежутков всего 20 мм и энергий в импульсе до 300 Дж. В то же время, зарубежные исследования [69,70] сообщают о применении метода для неразрушающего вскрытия алмазов при дроблении алмазосодержащих кимберлитов, на основе чего была предложена установка с производительностью дробления кимберлитов 100 т/ч. В отношении разрушения некондиционного ЖБИ имеются сведения [71] об опытных образцах установок с применением перемещаемой одноэлектродной системы, в которых достигалась производительность разрушения плит в 1,2 м3/ч при удельных энергозатратах в 2 кВтч/м3 и энергиях воздействия до 19 кДж.

Принимая во внимание всё выше сказанное, представляется перспективным использование электроимпульсного метода разрушения для переработки такого техногенного композиционного сырья, как абразивные изделия на твёрдой основе, учитывая селективность метода и его преимущества перед механическим дроблением. Однако для предварительной оценки применимости метода для такой операции необходимо было рассмотреть основные свойства абразивных материалов и изделий на их основе.

1.2 Абразивы как техногенные материалы: особенности производства и их

свойства

В данной работе рассматривались электрофизические свойства таких особо твёрдых техногенных материалов, как абразивные изделия (бой/лом абразивов), представляющих собой твёрдый раствор, в котором кристаллы абразива являются включениями в связке (матрице). Такие изделия характеризуются видом кристаллов (маркой абразива) и следующими основными показателями: зернистостью, твёрдостью, структурой, составом связующего материала. [72,73]

В качестве абразивного материала чаще всего используются искусственно произведённые особо твёрдые кристаллические вещества: электрокорунды с различным легированием, зелёный и чёрный карбиды кремния, карбид бора, искусственные алмазные порошки, вещества на основе нитрида бора - эльбор, гексанит, кубонит. Природными абразивными материалами считаются порошки из граната. Около 80% всех производимых абразивных изделий на жёсткой основе изготавливается из электрокорундов и карбидов кремния. В представленной работе экспериментальные исследования проводились на изделиях из электрокорундов.

Алунды или синтезированные корунды состоят из оксида алюминия Al2O3 и примесей окислов других химических элементов. Способ получения электрокорунда отражён в его названии - плавка в электрических печах алюминиевых руд (бокситов) с применением восстановителей. Различные виды электрокорунда получают путём добавления в шихту при плавке определённых легирующих добавок, которые придают производимым материалам необходимые физико-химические свойства и различную окраску [74].

Для изготовления абразивных изделий электрокорунд выпускается с содержанием 91-99% Al2O3. Основные физические свойства электрокорунда: температура начала размягчения кристаллов - 1750 °С; точка плавления - 20402050 °С; плотность изменяется от 3,93 до 4,15 кг/м3; микротвёрдость 1800-2600 кгс/мм2; твёрдость по шкале Мооса 8,9-9,1. Электрокорунд уступает по твёрдости только алмазу, кубическому нитриду бора, карбиду бора и карбиду кремния.

В промышленности изготавливаются следующие разновидности электрокорунда, имеющие различную структуру, свойства и цвет в зависимости от содержания оксида алюминия и оксидов легирующих элементов [75]:

- нормальный - содержит 92-96% окиси алюминия в зерне и имеет цвет от светло-серого до тёмно-коричневого);

- белый - с содержанием оксида алюминия до 99%;

- хромистый - образуется при введении оксида хрома в расплав глинозёма. Имеет окраску рубина, интенсивность которой зависит от количества оксида хрома, растворённого в корунде. Для повышения абразивной

способности и механической прочности зёрен в состав вводится до 2% СГ2О3;

- титанистый - получают выплавкой из глинозёма с введением оксида титана. Титанистый электрокорунд обладает серо-синей окраской. Наличие в составе твёрдого раствора титана значительно повышает абразивную способность зерна по сравнению с белым электрокорундом;

- хромотитанистый - производят плавкой в электрической дуговой печи с легированием оксидами хрома и титана. Легирование обоими компонентами даёт возможность улучшить абразивные свойства материала. Благодаря высоким абразивным свойствам и механической прочности вытеснил два предыдущих вида абразивных материалов в ряде ответственных операций по обработке. Выделяют хромотитанистый электрокорунд на основе белого и нормального электрокорундов;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Климов Андрей Александрович, 2024 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Никулин, Ф.Е. Утилизация и очистка промышленных отходов / Ф.Е. Никулин. - Л.: Судостроение, 1980. - 232 с., ил. - (Охрана окружающей среды)

2. Electrical fragmentation applied to the recycling of concrete waste - Effect on aggregate liberation / S. Touze, K. Bru, Y. Menard [et al.] // International Journal of Mineral Processing. - 2017. - Vol. 158. - P. 68-75.

3. Optimization of discharge condition for recycling aggregate by pulsed discharge inside of concrete / D. Wang, S. Inoue, J. Araki [et al.] // 2009 IEEE Pulsed Power Conference.

- 2009. - P. 1075-1078.

4. Removal of surface layer of concrete by a pulse-periodical discharge / V. Goldfarb, R. Budny, A. Dunton [et al.] // Digest of Technical Papers. 11th IEEE International Pulsed Power Conference. - 1997. - P. 1078-1084.

5. Ревнивцев, В. И. Вибрационная дезинтеграция твердых материалов / В. И. Ревнивцев, Г. А. Денисов, Л. П. Зарогатский, В. Я. Туркин. - М.: Недра, 1992. - 429 с.: ил. - ISBN 5-247-02216-5

6. Клушанцев, Б. В. Дробилки. Конструкция, расчет, особенности эксплуатации / Б. В. Клушанцев, А. И. Косарев, Ю. А. Муйземнек. - М.: Машиностроение, 1990. -320 с. - ISBN 5-217-00870-9

7. Investigation of lab and pilot scale electric-pulse fragmentation systems for the recycling of ultra-high performance fibre-reinforced concrete / K.Bru, S.Touze, P.Auger [et al.] // Minerals Engineering. - 2018. - Vol. 128. - P. 187-194.

8. Емелин, М. А. Новые методы разрушения горных пород : учебное пособие для горно-геологических вузов / М. А. Емелин, В.Н. Морозов, Н.П. Новиков. - Москва: Недра, 1990. - 239, [1] с.: ил. - ISBN 5-247-01790-0

9. Ardente, F. Resource efficient recovery of critical and precious metals from waste silicon PV panel recycling / F. Ardente, C. E. L. Latunussa, G. A. Blengini // Waste Management.

- 2019. - Vol. 91. - P. 156-167.

10.Electro-hydraulic fragmentation vs conventional crushing of photovoltaic panels -Impact on recycling / S.-M. Nevala, J. Hamuyuni, T. Junnila [et al.] // Waste Management. - 2019. - Vol. 87. - P. 43-50.

11.An overview of solar photovoltaic panels' end-of-life material recycling / M. S. Chowdhury, K. S. Rahman, T. Chowdhury [et al.] // Energy Strategy Reviews. - 2020. -Vol. 27. - 100431.

12.Liberation of valuable materials in waste printed circuit boards by high-voltage electrical pulses / C. L. Duan, Z.J. Diao, Y.M. Zhao, W. Huang // Minerals Engineering. - 2015. -Vol. 70. - P. 170-177.

13.The stripping effect of using high voltage electrical pulses breakage for waste printed circuit boards / C. Duan, J. Han, S. Zhao [et al.] // Waste Management. - 2018. - Vol. 77.

- P. 603-610.

14.Electro dynamic fragmentation of printed wiring boards as a preparation tool for their recycling / R. Martino, C. Iseli, S. Gaydardzhiev [et al.] // Minerals Engineering. - 2017.

- Vol. 107. - P. 20-26.

15.Material port fractal of fragmentation of waste printed circuit boards (WPCBs) by highvoltage pulse / Y. Zhao, B. Zhang, C. Duan [et al.] // Powder Technology. - 2015. - Vol. 269. - P. 219-226.

16.Ревнивцев, В.И. Пути реализации рациональной организации процесса раскрытия минералов / В.И. Ревнивцев // Труды. Развитие теории, совершенствование техники и технологии подготовки руд к обогащению. Сб. научн. трудов. - М: Механобр, 1982. - С. 3-7.

17.Селективное разрушение материалов / В. И. Ревнивцев, Г. В. Гапонов, Л. П. Зарогатский [и др.]; под ред В. И. Ревнивцева. - М.: Недра, 1988. - 286 с.

18.Финкельштейн, Г. А. О классификационных признаках различных способов дробления и измельчения и относительной перспективности соответствующего оборудования / Г. А. Финкельштейн, В. А. Цукерман // Труды Механобра. - 1974.

- Вып. 140. - С. 19-37.

19.Легин, Л. А. Среднеходные и тихоходные мельницы / Л. А. Легин, К. Ф. Роддатис.

- М.: Энергоатомиздат, 1987. - 359 с.

20. Роторные дробилки. Исследование, конструирование, расчет и эксплуатация / под общ. ред. д. т. н., проф. В. А. Баумана. - М.: Машиностроение, 1973. - 271 с.

21.Конусные дробилки / Г.А. Калюнов, Е.В. Кочетов, Ю.А. Муйземнек [и др.] - М.: Машиностроение, 1970. - 231 с.

22. Андреев, С. Е. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых / С. Е. Андреев, В. В. Зверевич, В. А. М. Перов. - Недра, 1980. - 395 с.

23.Кудасов, Г. Ф. Механическая обработка абразивных инструментов / Г. Ф. Кудасов, канд. техн. наук. - Москва; Ленинград: Машгиз, 1956. - 162 с.: ил.

24.Rock breaking characteristics of cyclic electrohydraulic shockwaves / K. Liu, H. Zhang, Z. Cai [et al.] // Journal of Petroleum Science and Engineering. - 2022. - Vol. 210. -110024.

25.Dynamic fragmentation of concrete using electric discharge impulses / K. Uenishi, H. Yamachi, K. Yamagami [et al.] // Construction and Building Materials. - 2014. - Vol. 67, Part B. - P. 170-179.

26.Controlled disintegration of reinforced concrete blocks based on wave and fracture dynamics / K. Uenishia, N. Shigenoa, S. Sakaguchia [et al.] // Procedia Structural Integrity. - 2016. - Vol. 2. - P. 350-357.

27. Виноградов, В. М. Электрогидравлическая установка для измельчения абразивных и сверхтвердых материалов / В. М. Виноградов, В. К. Кипа // Машины и оборудование для горных работ. - 1976. - № 2. - С. 21-24.

28.Influences on High-Voltage Electro Pulse Boring in Granite / C. Li, L. Duan, S. Tan, V. Chikhotkin // Energies. - 2018. - Vol. 11, Issue 9. - 2461.

29.Damage model and numerical experiment of high-voltage electro pulse boring in granite / C. Li, L. Duan, S. Tan [et al.] // Energies. - 2019. - Vol. 12, Issue 4. - 727.

30.Experimental and numerical analyses of electro-pulse rock-breaking drilling / C. Li, L. Duan, L. Wu [et al.] // Journal of Natural Gas Science and Engineering. - 2020. - Vol. 77. - 103263.

31.Optimization of discharge circuit model based on electro pulse boring experiment / C. Li, L. Duan, L. Wu [et al.] // Journal of Natural Gas Science and Engineering. - 2021. - Vol. 86. - 103730.

32.Li, C. Weight analysis and experimental study on influencing factors of high-voltage electro-pulse boring / C. Li, L. Duan, J. Kang [et al.] // Journal of Petroleum Science and Engineering. - 2021. - Vol. 205. - 108807 33.Singh, A. Design and development of electro-discharge drilling process / A. Singh, P. Kumar, I. Singh // Advanced Materials Research. - 2013. - Vol. 651. - P. 607-611.

34.Numerical electric breakdown model of heterogeneous granite for electro-pulse-boring / X. Zhu, Y. Luo, W. Liu [et al.] // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. - 2022. - Vol. 154. - 105128.

35. Электроимпульсный пробой и разрушение гранита / В. Ф. Важов, Р. Р. Гафаров, С. Ю. Дацкевич [и др.] // Журнал технической физики. - 2010. - Т. 80. - № 6. - С. 7984.

36.Потокин, А. С. Сравнительный анализ эффективности электроимпульсного разрушения различных типов горных пород Мурманской области / А. С. Потокин, А. А. Климов // Труды Кольского научного центра РАН. - 2020. - Т. 11. - № 7(19).

- С. 92-97.

37.Electric Pulse Destruction of Balanced Copper-Zinc Ore / A. I. Afanasyev, D. S. Stozhkov, V. Ya. Potapov, A. A. Chirkova, // Mining Equipment and Electromechanics.

- 2021. - № 6. - P. 32-37.

38.Che, L. Numerical analysis and experimental research on hard rock fragmentation by high voltage pulse discharge / L. Che, X. Gu, H. Li // Minerals Engineering. - 2021. - Vol. 168. - 106942.

39.Microstructural investigation of complex ores processed with electric impulses / M. Mezzetti, O. Popov, H. Lieberwirth [et al.] // IMPC 2018 - 29th International Mineral Processing Congress. - 2018. - P. 481-489.

40.Razavian, S. M. Investigation on pre-weakening and crushing of phosphate ore using high voltage electric pulses / S. M. Razavian, B. Rezai, M. Irannajad // Advanced Powder Technology. - 2014. - Vol. 25. - № 6. - P. 1672-1678.

41.Shi, F. Characterisation of pre-weakening effect on ores by high voltage electrical pulses based on single-particle tests / F. Shi, W. Zuo, E. Manlapig // Minerals Engineering. -2013. - Vol. 50-51. - P. 69-76.

42.Study the effect of electrical and mechanical shock loading on liberation and milling characteristics of mineral materials / V. Singh, I. Obed Samuelraj, R. Venugopal [et al.] // Minerals Engineering. - 2015. - Vol. 70. - P. 207-216.

43.Rock breakage by pulsed electric discharges / V. F. Vazhov, V. M. Muratov, B. S. Levchenko [et al.] // Journal of Mining Science. - 2012. - Vol. 48. - № 2. - P. 308-313.

44.Destruction of granite and concrete in water with pulse electric discharges / S. Boev, V. Vajov, D. Jgun [et al.] // Digest of Technical Papers-IEEE International Pulsed Power Conference. - 1999. - Vol. 2. - P. 1369-1371.

45.Breakdown and destruction of heterogeneous solid dielectrics by high voltage pulses / I. V. Lisitsyn, H. Inoue, I. Nishizawa [et al.] // Journal of Applied Physics. - 1998. - Vol. 84. - № 11. - P. 6262-6267.

46.Investigation of a crushing and grinding unit of an electropulse installation / I. P. Kurytnik, B. R. Nussupbekov, D. Z. Karabekova [et al.] // Archives of Foundry Engineering. - 2018. - Vol. 18. - № 1. - P. 61-64.

47.Electrical fragmentation as a novel route for the refinement of quartz raw materials for trace mineral impurities / E. Dal Martello, S. Bernardis, R. B. Larsen [et al.] // Powder Technology. - 2012. - Vol. 224. - P. 209-216.

48. Ильин, Д. В. Перспективы электроимпульсных технологий / Д. В. Ильин, А. С. Потокин, А. А. Климов // Материалы VI конференции Ассоциации научных обществ Мурманской области, посвящённой Дню российской науки: Материалы конференции, Кировск, 12 февраля 2018 года / Под редакцией Е. А. Боровичёва, Н. Е. Королёвой, Ю. Л. Войтеховского. - Кировск: ООО "КаэМ", 2018. - С. 62-70.

49. Зиновьев, Н. Т. Электроимпульсная технология утилизации некондиционного железобетона / Н. Т. Зиновьев, Б. В. Семкин // Изв. Вузов. Физика. - 1996. - № 4. -С. 109-114.

50.Сафронов, В. Н. Особенности электроимпульсной технологии получения заполнителей / В. Н. Сафронов // Вестник ТГАСУ. - 2013. - № 3. - C. 189-201.

51.Application of pulsed HV discharges to material fragmentation and recycling / H. Bluhm, W. Frey, H. Giese [et al.] // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. -2000. - Vol.7. - № 5. - P. 625-636.

52.Experimental results on the breakdown behaviour of concrete immersed in water / W. Frey, R. Straessner, W. Edinger, H. Bluhm // IEEE Conference Record of the 25th Power Modulator Symposium. - 2002. - P. 410-413.

53.FRANKA-Stein: Design, operation and industrial application / P. Hoppe, J. Singer, H. Bluhm [et al.] // IEEE Conference Record of the 25 th Power Modulator Symposium. -2002. - P. 559-562.

54.Innovative process routes for a high-quality concrete recycling / Y. Menard, K. Bru, S. Touze [et al.] // Waste Management. - 2013. - Vol. 33. - № 6. - P. 1561-1565.

55.Voitenko, N. V. Evaluation of Energy Characteristics of High Voltage Equipment for Electro-Blasting Destruction of Rocks and Concrete / N. V. Voitenko, A. S. Yudin, N. S. Kuznetsova // Journal ofPhysics: Conference Series. - 2015. - Vol. 652. - №2 1. - 012011.

56.Исследование возможности извлечения цветных металлов и производства строительных материалов из шлаков медно-никелевого производства / А. В. Светлов, С. С. Потапов, Д. С. Потапов [и др.] // Вестник МГТУ. Труды Мурманского государственного технического университета. - 2015. - Т. 18. - № 2. - С. 335-344.

57.Kumar, A. Selective metal liberation in waste LED lamps using high voltage pulse fragmentation / A. Kumar, V. K. Kuppusamy, M. Holuszko // IMPC 2018 - 29th International Mineral Processing Congress. - 2019. - P. 3231-3240.

58.High voltage fragmentation and mechanical recycling of glass fibre thermoset composite / P. T. Mativenga, N. A. Shuaib, J. Howarth [et al.] // CIRP Annals - Manufacturing Technology. - 2016. - Vol. 65. - № 1. - P. 45-48.

59. Разрушающие факторы при воздействии на твердое тело искрового разряда / Б. С. Блазнин, А. А. Кожушко, В. А. Лагунов, А. Ф. Усов // Исследование действия взрыва при подземной разработке месторождений полезных ископаемых. -Апатиты: КФАН СССР, 1973. - С. 166-171.

60.Huang, W. Selective weakening of mineralised synthetic particles by high voltage pulses / W. Huang, F. Shi // Minerals Engineering. - 2020. - Vol. 146. - 106110.

61. Адам, A. M. Исследование электроимпульсного колонкового бурения с использованием в качестве промывочной жидкости (среды) технической воды / A.

М. Адам, Н. Ф. Побежимов, В. В. Прохоров // В сб. трудов II межвузовской НТК по проблеме разрушения и обработки тел электрическими импульсными разрядами. -Томск: Изд. ТПИ, 1969. - С. 19-27.

62. Особенности электроимпульсного разрушения гранита и бетона в воде / В. Ф. Важов, Д. В. Жгун, Б. С. Левченко, В. М. Муратов // Материалы международного научно-технического семинара "Нетрадиционные технологии в строительстве". 4.1. - Томск: Изд. ТГАСУ, 1999. - С. 231-324.

63.Важов, В.Ф. Исследование пробоя горных пород и бетона в воде электрическими импульсными разрядами / В. Ф. Важов, Д. В. Жгун // Материалы докладов 5-ой Всероссийской НТК "Энергетика: экология, надежность, безопасность". - Томск: Изд- ТПУ, 1999. - С. 73-75.

64.Важов, В. Ф. Исследование разрушения гранита в воде при использовании дециметровых промежутков / В. Ф. Важов, Д. В. Жгун, В. М. Муратов // Материалы докладов 5-ой Всероссийской НТК "Энергетика: экология, надежность, безопасность". - Томск: Изд. ТПУ, 1999. - С. 75-77.

65.Коваленко, Н. Е. Исследование уровней пробивных градиентов и удельных энергозатрат при ЭИ-разрушении горных пород в межэлектродных промежутках дециметрового диапазона при проходке скважин диаметра 200-1200 мм / Н. Е. Коваленко, Б. С. Левченко, В. Р. Миненков // Тез. докл. всесоюз. науч. совещ. "Электроимпульсная технология и электромагнитные процессы в нагруженных твердых телах". - Томск, 1982. - С. 100-101.

66. Перспективы электроимпульсной технологии с использованием разрядных промежутков дециметрового диапазона / Н.Г. Антонов, В.Д. Казанцев, И.И. Каляцкий [и др.] // Тез. докл. всесоюз. науч. совещ. "Электроимпульсная технология и электромагнитные процессы в нагруженных твердых телах". - Томск, 1982. - С. 5-6.

67. Разрядноимпульсная технология обработки минеральных сред / Г. И. Гаврилов, Г. Г. Горовенко, И. И. Малюшевский, А. Г. Рябинин. - Киев: Наук.Думка, - 1979. -164 с.

68.Курец, В. И. Электроимпульсная дезинтеграция материалов / В. И. Курец, А. Ф. Усов, В. А. Цукерман. - Апатиты: КНЦ РАН, 2002. - 324 с.

69.Андерс, У. Электроимпульсное дробление твёрдых диэлектриков (современное состояние техники) / У. Андерс // Обогащение руд. - 1989. - № 4. - С. 33-36.

70.Liberation of valuable inclusions in ores and slags by electrical puises / U. Andres, I. Timoshkin, J. Jirestig, H. Stallknecht // Powder Technology. - 2001. - Vol. 114. - № 13. - P. 40-50.

71.Зиновьев, Н.Т. Электроимпульсное разрушение некондиционного железобетона / Н. Т. Зиновьев // Обогащение руд. - 1989. - № 4. - C. 43-45.

72.Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента : учеб. пособие для техникумов по специальности "Производство абразивного и алмазного инструмента"/ Ю. М. Ковальчук, В. А. Букин, Б. А. Глаговский [и др.]; под общей ред. Ю. М. Ковальчука. - М.: Машиностроение, 1984. - 288 с.

73.Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента : учеб. пособие для техникумов / В. Н. Бакуль, Ю. И. Никитин, Е. Б. Верник, В. Ф. Селех. - М.: Машиностроение, 1975. - 296 с.

74.Каменев, М.В. Искусственные абразивные материалы / М. В. Каменев. - М.: Машгиз, 1950. - 176 с.

75.Вереина, Л.И. Абразивная обработка : справочник / Л. И. Вереина, М. М. Краснов, Е. И. Фрадкин. - М.: ИНФРА-М, 2019. - 304 с. - ISBN 978-5-16-010397-6

76. Об утверждении Федерального классификационного каталога отходов [Электронный ресурс]: Приказ Росприроднадзора от 22.05.2017 N 242.: ред. от 02.11.2018. - Электрон. текстовые дан. - Москва: [б.и.], 2021. - Режим доступа: https://docs.cntd.ru/document/5426005317section, свободный

77. Гельвановский, М. А. Экология и ресурсосбережение: Наши проблемы и зарубежный опыт / М. А. Гельвановский, И. В. Трофимова // Мировая экономика и международные отношения. - 1991. - № 12. - С. 125-137.

78. Артамонов, В. А. Опыт тонкого измельчения электрокорунда на промышленном комплексе [Электронный ресурс] / В. А. Артамонов, В. В. Воробьев, А.Н. Петров.

- Электрон. текстовые дан. - Урал-Омега, ЗАО, 2008. - Режим доступа: https://uralomega.ru/knowledge_laboratory/publications/project_2/, свободный.

79.Pi, V. N. Recycling and Recharging of Supreme Garnet in Abrasive Waterjet Machining / V. N. Pi, T. Q. Hung; ed. by A. Rudawska // Abrasive Technology - Characteristics and Applications. Ch. 8. - IntechOpen, 2018. - P. 147-159.

80.Abrasive water jet machining process: A state of art of review / Y. Natarajan, P.K. Murugesan, M. Mohan, S.A. Liyakath Ali Khan // Journal of Manufacturing Processes. -2020. - Vol. 49. - P. 271-322.

81. Моргунов, А. П. Утилизация абразивных отходов с целью их использования для повышения ресурса штамповой оснастки / А. П. Моргунов, Н. А. Матвеев, А. В. Лямцев // Ученые Омска - региону: материалы I Региональной научно-технической конференции, Омск, 28-29 декабря 2016 года. - Омск: Омский государственный технический университет, 2016. - С. 77-81.

82.A study on recovery of alumina grains from spent vitrified grinding wheel / P. Sabarinathan, V. E. Annamalai, S. Suresh Kumar, A. Xavier Kennedy // Journal of Material Cycles and Waste Management. - 2019. - Vol. 21. - № 1. - P. 156-165.

83.Sabarinathan, P. Sustainable application of grinding wheel waste as abrasive for abrasive water jet machining process / P. Sabarinathan, V. E. Annamalai, K. Rajkumar // Journal of Cleaner Production. - 2020. - Vol. 261. - 121225.

84.Тихов, М. Е. Эффективность использования импульсного электрического разряда для измельчения абразивов / М. Е. Тихов, Ю. А. Митькин // Высоковольтные техника и электротехнология : Межвузовский сборник научных трудов. - Иваново: Типография ГУ КПК Минтопэнерго РФ, 1997. - С. 74-76

85.Митькин, Ю.А. Электрогидравлическое измельчение неликвидов абразивов на керамической связке / Ю. А. Митькин, М. Е. Тихов // Высоковольтные техника и электротехнология : Межвузовский сборник научных трудов. - Иваново: Типография ГУ КПК Минтопэнерго РФ, 1999. - С. 75-76.

86.Тихов, М. Е. Исследование электротехнологических процессов при переработке неликвидов абразивов с использованием оборудования высокого напряжения : дис. ... канд. техн. наук: 05.14.12 / Тихов Максим Евгеньевич. - Иваново, 2001. - 171 с.

87. Пархоменко, Э. И. Электрические свойства горных пород / Э. И. Пархоменко. - М.: Наука, 1965. - 164 с.

88.ГОСТ Р 52381-2005. Материалы абразивные. Зернистость и зерновой состав шлифовальных порошков. Контроль зернового состава. - Введ. 2006-07-01. - М.: Стандартинформ, 2020. - 10 с.

89.ГОСТ Р 52587-2006. Инструмент абразивный. Обозначения и методы измерения твёрдости. - Введ. 2008-01-01. - М.: Стандартинформ, 2020. - 9 с.

90. Высоковольтное испытательное оборудование и изменения / А. А. Воробьев, Г. А. Воробьев, Н. И. Воробьев [и др.]; под ред. проф. А. А. Воробьева. - М.: Госэнергоиздат, 1960. - 584 с.

91.Шваб, А. Измерения на высоком напряжении. Измерительные приборы и способы измерения / А. Шваб; пер. с нем. П. С. Богуславский. - М.: Энергия, 1973. - 233 с.

92.Рябов, Б.М. Измерение импульсных высоких напряжений / Б. М. Рябов. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 124 с.

93.Геллер, Б. Волновые процессы в электрических машинах / Б. Геллер, А. Беверка. -М.: Энергия, 1960. - 440 с.

94.Болотин, И.Б. Измерения в режимах короткого замыкания / И. Б. Болотин, Л. З. Эйдель. - Л.: Энергия, 1981. - 184 с.

95.ГОСТ Р 55194-2012. Электрооборудование и электроустановки переменного тока на напряжения от 1 до 750 кВ. Общие методы испытаний электрической прочности изоляции. - Введ. 2014-01-01. - М.: Стандартинформ, 2015. - 57 с.

96.Лимасов, А. И. Исследование импульсной электрической прочности различных горных пород, изоляционных материалов и жидких сред, используемых при электроимпульсном разрушении твердых тел : дисс. ... канд. техн. наук. - Томск-Новосибирск, 1964. - 260 с.

97.Малахов, B.C. Исследование импульсной электрической прочности горных пород применительно к их разрушению электроимпульсным способом : дисс. ... канд. техн. наук. - Томск,1968. - 196 с.

98.Жгун, Д. В. Исследование электроимпульсного пробоя и разрушения гранита и бетона в воде : автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.14.12 / Дмитрий Владимирович

Жгун; Томский политехнический университет; науч. рук. И. И. Каляцкий; В. Ф. Важов. — Томск, 2000. — 23 с.

99.Семкин, Б.В. Основы электроимпульсного разрушения материалов / Б. В. Семкин, А. Ф. Усов, В. И. Курец. - СПб.: Наука, 1995. - 276 с.

100. Извлечение металлической арматуры из некондиционных железобетонных изделий электроимпульсным способом / А. Т. Чепиков, В. С. Колесников, Ш.Т. Клёнин [и др.] // Исследования и разработка электроимпульсной техники и технологии для горной промышленности. Сборник трудов. Выпуск II. - Томск: Издательство ТПИ, 1972. - С. 19-24.

101. Чепиков, А. Т. Исследование разрушения горных пород импульсными электрическим разрядами : дисс. ... канд. техн. наук. - Томск, 1961. - 206 с.

102. Горев, А. А. Эмпирические уравнения кривых времени разряда / А. А. Горев, Л. Е. Машкилейсон // Электричество. - 1935. - № 13.

103. Перспективы электроимпульсной технологии с использованием разрядных промежутков дециметрового диапазона / Н.Г. Антонов, В.Д. Казанцев, И.И. Каляцкий [и др.] // Электроимпульсная технология и электромагнитные процессы в нагруженных твёрдых телах: Тез. Всесоюз. конф., г. Томск, 16-18 ноября 1982 г. - Томск, 1982. - С. 100-101.

104. Исследования и разработка электрофизического способа раскрытия сростков слюды с горной породой / Б. С. Блазнин, А. Ф. Усов, С.В. Ромакин [и др.] // Физика горных пород и процессов. Сборник трудов. - Томск: Издательство ТПИ, 1974. -С. 25-29.

105. Курец, В. И. Импульсная диэлектрическая прочность и избирательность пути разряда в неоднородном твёрдом диэлектрике / В. И. Курец // Изв. Томск. политехн. ин-та. - 1965. - Т. 139. - С. 109-112.

106. Morrell, S. An alternative energy-size relationship to that proposed by Bond for the design and optimisation of grinding circuits / S. Morrell // International Journal of Mineral Processing. - 2004. - Vol. 74. - № 1-4. - P. 133-141.

107. Hukki, R. T. Proposal for a Solomonic Settlement between the Theories of von Rittinger, Kick and Bond / R. T. Hukki // Transactions on AIME. - 1961. - Vol. 220. -P. 403-408.

108. Martins, S. Size-energy relationship exponents in comminution / S. Martins // Minerals Engineering. - 2020. - Vol. 149. - 106259.

109. Rumph, H. Physical aspects of comminution and new formulation of a law of comminution / H. Rumph // Powder Technology. - 1973. - № 7. - P.145-159.

110. Климов, А. А. К вопросу об удельных энергозатратах на разрушение материалов естественного и искусственного происхождения электрофизическими методами / А. А. Климов, В. Н. Селиванов // Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. - 2023. - Т. 14. - № 6. - С. 84-92.

111. Партон, В. З. Механика разрушения / В. З. Партон. - М.: Физматлит, 1990. -239 c.

112. Вейс, В. Критическая оценка механики разрушения / В. Вейс, С. Юкава // Прикладные вопросы вязкости разрушения. - М.: Мир, 1968. - 552 с.

113. Атрошенко, С. А. Распространение трещины при динамическом разрушении полиметилметакрилата / С. А. Атрошенко, С. И. Кривошеев, А. Ю. Петров // Журнал технической физики. - 2002. - Т. 72. - № 2. - С. 52-58.

114. Груздков, А. А. Энергоёмкость разрушения материалов в условиях импульсного нагружения микросекундной длительности / А. А. Груздков, С. И. Кривошеев, Ю. В. Петров // Физика твёрдого тела. - 2003. - Т. 45. - № 5. - C. 842845.

115. Martins, S. Size-energy relationship in communition, incorporating scaling laws and heat / S. Martins // International Journal of Mineral Processing. - 2016. - Vol. 153. - P. 29-43.

116. Данилин, А. Н. Режимы работы группы генераторов импульсного напряжения с общей технологической нагрузкой / А. Н. Данилин, А. А. Климов // Труды Кольского научного центра РАН. - 2018. - Т. 9. - № 8(17). - С. 116-122.

117. Усов, А. Ф. Переходные процессы в установках электроимпульсной технологии / А. Ф. Усов, Б. В. Семкин, Н. Т. Зиновьев - Л.: Наука, 1987. - 179 с.

118. К вопросу оптимизации параметров импульса напряжения при электроимпульсном бурении скважин / А. Т. Чепиков, Ш.Т. Клёнин, В. Д. Казанцев, Н. Е. Коваленко // Исследования и разработка электроимпульсной техники и технологии для горной промышленности. Сборник трудов. Выпуск II. - Томск: Издательство ТПИ, 1972. - С. 14-19.

119. Пат. 208969 Ш Российская Федерация, МПК Н03К 3/53. Генератор импульсных токов и напряжений для промышленной электроимпульсной установки / А. С. Потокин, А. А. Климов, В. В. Колобов; заявитель ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ МАТЕРИАЛОВ". - N 2021118197; заявл. 22.06.2021; опубл. 25.01.2022., Бюл. N 3. - 9 е.: ил.

120. ГОСТ 3647-80. Материалы шлифовальные. Классификация. Зернистость и зерновой состав. Методы контроля. - Введ. 1982-01-01. - М.: ИПК Издательство стандартов, 1997. - 17 с.

СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА

1 Вольт-секундные характеристики твёрдого тела и жидкости и точка с.18 их пересечения при импульсном воздействии напряжения

2 Поверхность изделия из белого электрокорунда на твёрдой керамической с.25 основе

3 Примеры структур абразивных изделий на керамической основе с.26

4 Принципиальная схема ГИН 320/0,028 с.32

5 Принципиальная схема ГИН 320/0,012 с.32

6 Принципиальная схема резонансного заряда накопителей ГИН с.34

7 Кривые заряда последнего накопителя ГИН 320/0,028 в двух режимах с.35

8 Схематическое изображение дробильно-измельчительной камеры с.39

9 Схема регистрации сигналов напряжения с.41

10 Схема определения масштабного коэффициента системы измерения с.41 напряжения

11 Схематическое изображение токового шунта с.42

12 Схема регистрации сигналов тока с.43

13 Схема определения масштабного коэффициента системы измерения тока с.44

14 Параметры импульса холостого хода ГИН с.44

15 Примеры импульсов с разными моментами разряда с.47

16 Построение вольт-секундной характеристики с полосами разброса с.48 пробивного напряжения

17 Цифровая обработка воздействующего на образец импульса напряжения с.50

18 Вольт-секундные характеристики пробоя горных пород в с.55 трансформаторном масле

19 Вольт-секундные характеристики исследованных абразивов с.57

20 Примеры осциллограмм напряжения и тока при определении ВСХ с.58 для разрядного промежутка 50 мм и амплитуды импульса 270 кВ

21 Содержание фракций продукта после измельчения на классификаторах 15 с.62 и 2 мм

22 Гранулометрический состав продукта сравнительного дробления с.64 изделий из нормального электрокорунда

23 Зависимость вероятности внедрения разряда от длины промежутка при с.66 постоянной амплитуде импульса напряжения

24 Фракционные составы продуктов дробления на классификаторе 15 мм с.67 абразивов из электрокорунда белого с изменением рабочего промежутка

25 Фракционные составы продуктов дробления на классификаторе 5 мм с.68 абразивов из электрокорунда белого с изменением рабочего промежутка

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

Нераздробленные остатки образцов из белого электрокорунда на сите 5 мм с.70

Зависимость вероятности внедрения от числа поданных на пробу с.72 импульсов

Зависимости удельных энергозатрат от размера предельной фракции с.73 в стадиальном ЭИ дроблении

Фракционное распределение продуктов менее 1 мм после ЭИ с.75 дробления на классификаторе 1 мм и механического дробления

Фракционное распределение продуктов менее 1 мм после ЭИ с.76 дробления на классификаторах 15, 5 и 2 мм и механического дробления

Продукт ЭИ дробления образцов белого электрокорунда фракции - с.78 315+200 мкм

Схема ГИН - ГИТ с разделительным насыщающимся дросселем с.90

Параллельная работа ГИН - ГИТ с импульсным трансформатором с.90 (ИТ), включенным в разрядную цепь

Схемное решение комбинированного генератора с диодами вместо с.92 зарядных сопротивлений

Схема комбинированного генератора с синхронизацией диодом и с.93 разделением блоков ГИН и ГИТ

Схема комбинированного генератора с включением с.94 синхронизирующего диода параллельно блоку ГИН

Схема комбинированного генератора ГИН-ГИТ с синхронизацией с.95 лавинными диодами

Обвязка единичного лавинного диода в столбе с.96

Упрощённый эскиз синхронизирующей диодной сборки с.97

Диодный столб в сборе с.97

Конструкция порционной измельчительной камеры с.100

Осциллограммы напряжения и тока нагрузки в различных режимах с.101

воздействия ГИН-ГИТ на тестовый материал -102

Сравнение разряда на резистивную нагрузку ГИН (зарядная ёмкость с.104

- 0,8 мкФ) и ГИН-ГИТ (зарядная ёмкость - 0,85 и 0,84 мкФ) -105

Фракционное распределение продуктов дробления цельных образцов с.108 абразивов с помощью ГИН-ГИТ

Осциллограммы токов при дроблении цельных образцов абразивов с с.109

помощью ГИН-ГИТ -110

Распределение продуктов измельчения образцов зернистостью 8П и с.112 40П с помощью ГИН-ГИТ

Распределение фракций менее 1 мм после измельчения образцов с.113 зернистостью 8П и 40П с помощью ГИН-ГИТ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А. Акты внедрения результатов диссертационной работы

(рекомендуемое)

Общество с ограниченной ответственностью "ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ МАТЕРИАЛОВ" ООО ..ТЕХЭДМ»

18420е). Мурманская обл.. г. Апатиты, Ленина ул.. д.27. иф.310 Тел:[phone] Е-пш1: ро1окт_ая(2>Ьк.ги ОКПО 44473099 ОГРН 1205100002689 ИНН/КПП 5 118004802/511801001

30.01.2023_№3

I Га_от_

«Исследование энергетических характеристик электроимпульсного разрушения

техногенного сырья»

Исследование Климова А. А. рассматривает новое устройство комбинированных высоковольтных генераторов для электроимпульсного разрушения искусственных диэлектриков и горных пород. Результаты исследования режимов работы таких генераторов являются значимыми и имеют практическую ценность, поскольку позволяют оптимизировать процесс разрушения материалов и увеличить его управляемость.

ООО «Технологии электроимпульсной дезинтеграции материалов» подтверждает, что результаты диссертации Климова Андрея Александровича, представленной па соискание степени кандидата наук, а именно:

схема комбинированного генератора с использованием первой ступени генератора импульсных напряжений в качестве генератора импульсных токов с увеличенной ёмкостью;

метод синхронизации работы частей ГИН и ГИТ комбинированных генераторов с разным уровнем напряжения с помощью лавинных диодов; методики определения необходимого количества лавинных диодных выпрямителей для создания установок на требуемое выходное напряжение; конструкционные решения выпрямительных столбов для синхронизации воздействия двух высоковольтных источников;

были внедрены в этап создания установок электроимпульсного разрушения на предприятии,

Рисунок А.1 - Акт внедрения ООО «Технологии электроимпульсной

дезинтеграции материалов»

^ ТЕХЭДМ

акт внедрения

результатов диссертационной работы Климова А. А.

Генеральный директор ООО «ТЕХЭДМ» А.С. Потокин

Приложение Б. Патент на полезную модель

(рекомендуемое)

Рисунок Б.1 - Патент на полезную модель «Генератор импульсных токов и напряжений для промышленной электроимпульсной установки»