高压电脉冲破碎技术特点及进展*

谭 诚 卢青青 周 旭 罗诗涵 杨 晨

（福州大学紫金地质与矿业学院）

随着采出矿石品位的下降、能源成本的持续上升以及优质矿产资源的逐步消耗，传统矿物加工方式开发金属矿产资源的成本越来越高。在这一背景下，开发新的矿物加工技术以改进传统的生产工艺，已成为保证矿业高质量、可持续发展的业内共识［1］。高压电脉冲破碎技术作为一种新型、多学科交叉技术，其独特的原理和效果可以弥补传统工艺的不足，发展前景较好。但从该技术的研究现状和生产实践看，仍存在一些技术难点需要突破和完善。

1 高压电脉冲破碎技术的原理及与机械破碎的区别

1.1 原 理

高压电脉冲破碎［1］是一种以固体物料高压电击穿破碎为基础的新技术，以绝缘液体为能量传递介质。由于金属矿物和脉石矿物的介电常数、电导率等电学性质差异较大，采用高压脉冲预处理金属矿物时，等离子体形成的放电通道容易沿金属矿物与脉石矿物的交界面发展，在矿石内部产生的等离子体迅速将能量释放，从而形成冲击波和破坏场破碎矿石。这种矿物沿晶体交界面分离的破碎方式在使矿物破碎的同时，矿石内部矿物界面上还产生扩展裂纹和裂缝，进而改善矿物的解离和分选特性。在高压电脉冲破碎中，不同种类的矿物边界会诱使击穿脉冲释放能量。

1.2 与机械破碎的区别

高压电脉冲破碎与矿石的一般破碎方法不同：机械破碎利用碎磨设备将电能转化为破碎矿石所需的机械能，该方法不利于有效地利用破碎能量，用于增加必要新生表面积的能量相对较少，难以通过改良破碎设备来提高能量利用效率［2］；高压电脉冲破碎具有破碎效率高、能耗低的特点，与焙烧技术一道被称为目前选矿行业预处理矿石的重要手段［2］。

2 破碎过程的特点

关于电脉冲破碎过程的影响因素研究较多［3-13］：左蔚然等发现高压电脉冲能够有选择地优先破碎含金属矿物的矿石颗粒；黄伟等通过试验研究或数学模型模拟，发现金属矿物晶粒在矿石颗粒内的镶嵌位置和数量会影响击穿通道的发展程度、分枝数量和路径位置；左蔚然等还发现固体颗粒与电极对的相对空间分布也会影响击穿通道的路径和颗粒的破碎程度，据此提出了应用高压电脉冲破碎预富集金属矿石的想法；左蔚然、黄伟等发现脉冲能量沉积到击穿通道的比例与颗粒内含有的金属矿物数量、种类有显著的相关关系。在取得相当理论成果的基础上，众多学者和设备厂家［5-6］对铜矿、金矿、锂矿、锡矿和电子废弃物进行了预富集试验研究，并取得了良好的效果。

对于高压电脉冲破碎的放电过程研究，国内外研究者也做了大量的工作。由于在高压电脉冲破碎过程中，储能电容释放的能量在矿石颗粒发生电击穿后沉积到击穿通道内，引起击穿通道的内能、压力和密度等在瞬间发生巨大改变，向临近固体材料传递冲击波并导致颗粒解体。因此，高压电脉冲破碎的效率取决于脉冲能量沉积到击穿通道的比例和能量沉积的速率。随后，左蔚然等［4］对高压电脉冲破碎的脉冲波形参数及其对应的颗粒击穿类型和破碎程度进行了统计研究，发现脉冲波形参数可以反映颗粒性质、击穿类型和击穿通道的能量沉积效率。通过采用中试系统进行的试验研究，左蔚然等提出了表征颗粒高压电脉冲破碎行为的3个指标（选择性破碎概率、破碎程度和预弱化程度），建立了能量输入、入料粒度和电压这3个指标关系的数学模型，并探讨了预测高压电脉冲破碎产品的预富集程度的数学模型。

3 对选矿工艺指标的影响

对于如何科学利用高压电脉冲破碎技术提高选矿指标，研究人员做了大量的工作，主要表现在2 个方面。其一，改善磨矿过程的能量消耗。在高压电脉冲破碎的产物中形成裂缝，这有助于降低后续细碎及磨矿作业的能量消耗［3］。施逢年［14］基于JK Sim-Met 软件，对磨矿流程进行了模拟、仿真，结果显示，与高压电脉冲破碎预弱化处理之前相比，半自磨系统的耗电量和矿石的磨矿功指数明显降低，矿石的力学性能得到显著改善，磨矿效率得到显著提高。基于高压电脉冲破碎对矿石颗粒裂缝密度和孔隙率均具有提高作用，即高压电脉冲破碎能够对金属矿石进行预弱化，降低矿石硬度和后续碎磨作业的能量消耗。其二，提高有用矿物的解离程度，进而有助于提高有价元素的回收率和产品品位，特别有助于提高难选多金属矿石中有价元素的回收率和产品品位。有研究表明［15］，高压电脉冲破碎技术的运用对稀贵金属矿石及普通金属矿石中有用矿物的解离程度会有提高作用，高压电脉冲破碎产生的裂隙会促进可磨性的提高；左蔚然等基于人造矿石的电冲击破碎研究，指出产品品位高低与高压电脉冲破碎产物粒度粗细呈负相关关系，提出在预富集工艺流程中添加电脉冲破碎与筛分工艺可达到改善产品指标的目的，这一结论得到了天然铜矿石高压电脉冲破碎试验的证实［15］；对贵金属矿石的研究还表明，高压电脉冲破碎的金、银等矿石的浸出指标也有明显改善，在浸出过程中浸出液与金属颗粒接触的充分程度与回收率呈正相关。

4 潜在应用领域

目前，高压电脉冲破碎技术的应用领域主要包括金属矿石的破碎和煤层增透工艺。在金属矿石破碎中的应用，其核心目的是提高目标矿物的解离度，为磨浮作业创造条件。此外，高压电脉冲破碎技术在钻探、电子垃圾有价元素提取、石油与天然气资源提取等领域也有广阔的应用前景［15］。

5 总 结

高压电脉冲破碎技术是近年来新型矿物加工技术研究的热点之一。其机理是将脉冲电源释放的电能通过液体介质传递到矿石内部，形成等离子体，将其膨胀产生的机械力转化为破碎矿石所需的能量。破碎过程具有选择性破碎的特点，对于矿物加工工业，主要应用于预弱化、预富集工艺，并作为碎磨的上一级工序。该技术不仅应用于选矿领域，还广泛地应用在废弃物处理，油气钻探等领域。然而，由于缺乏系统深入的基础理论研究，金属矿石在高压电脉冲作用下发生电击穿的选择性、不同性质金属矿石的电击穿过程以及金属矿石的选择性破碎行为等方面的研究还存在诸多亟待解决的理论与技术问题，相关研究仍具有重要的理论与实际意义。