طراحی و ساخت دستگاه خردایش مواد معدنی با استفاده از پالس‌های الکتریکی ولتاژ بالا در مقیاس آزمایشگاهی

برای بزرگنمایی تصویر بر روی آن کلیک کنید.

مقدمه 

خردایش به‌عنوان یکی از پرهزینه‌ترین مراحل فرآوری مواد معدنی همواره مورد توجه محققان بوده است. اهمیت این توجه ناشی از مصرف انرژی زیاد در این مرحله است. بررسی‌ها نشان داده که روش‌های رایج مکانیکی خردایش عمدتاً تکیه بر اعمال نیروی فشاری دارد که همین امر باعث اتلاف انرژی زیاد و تولید نرمه است. در صورتی که بتوان روش‌های مبتنی بر اعمال نیروی کششی را توسعه داد علاوه بر کاهش مصرف انرژی، به مقدار زیاد کاهش قابل توجه نرمه را نیز در پی خواهد داشت. بر همین اساس در سال‌های اخیر روش‌های جدید خردایش مانند روش خردایش استوانه‌ای فشار زیاد و استفاده از امواج مایکروویو مطالعه و ارایه شده‌اند. یکی از جدیدترین و کاراترین روش‌ها که مورد توجه قرار گرفته است روش‌های خردایش مبتنی بر اعمال پالس‌های الکتریکی ولتاژ بالا است. یکی از ملزومات این روش دسترسی بر دستگاه تولیدکننده پالس الکتریکی ولتاژ بالا است. با بررسی منابع مختلف مشاهده شد که عمده کارهای انجام شده در این زمینه در دو سوئیس و کانادا انجام شده که چنین امکاناتی دارند. با توجه به هزینه‌های بسیار زیاد خدمات و مشکلات ارسال نمونه به چنین کشورهایی و همچنین در راستای پیشرفت کشور در زمینه‌های تحقیقاتی روز دنیا و همکاری بیشتر صنعت و دانشگاه پروژه طراحی و ساخت دستگاه خردایش مواد معدنی با استفاده از پالس‌های الکتریکی ولتاژ بالا در مقیاس آزمایشگاهی با تکیه بر دانش فنی متخصصان دانشگاه صنتعی امیرکبیر و مرکز تحقیقات فرآوری مواد معدنی و حمایت مالی مدیریت پژوهش و فناوری‌های نوین سازمان توسعه و نوسازی معادن و صنایع معدنی ایران در مرکز تحقیقات فرآوری مواد معدنی ایران آغاز شده است. 


اصول و مبانی خردایش با استفاده از پالس‌های الکتریکی ولتاژ بالا 

آزادسازی کانی‌ها با استفاده از پالس‌های الکتریکی ولتاژ بالا در نتیجه تمرکز چند برابر شده شکست‌های الکتریکی است که باعث جدایش کانی‌ها از محل سطح تماس آنها می‌شود. به صورت کاربردی این روش تنها روش شناخته شده برای جدایش ذرات دانه‌ای از محل تماس آنها است. شکست الکتریکی در ذرات جامد هنگامی رخ می‌دهد که ولتاژ پالس الکتریکی ایجاد شده باعث افزایش مقدار نیروی جدایش به بیش از مقدار نیروی اتصال کانی‌ها در سطح تماس آنها شود. با بررسی منابع تحقیقاتی مرتبط با شکست الکتریکی مشخص شده است که پالس‌های ولتاژ بالا باعث جدایش ذرات جامد با مقاومت دی الکتریک و رسانایی مختلف از سطح تماس یکدیگر می‌شود. قبل از ایجاد شکست در ترکیب، جامدات تحت تاثیر پلاریزاسیون ناشی از بار انباشته شده در الکترود انتقال‌دهنده ولتاژ بالا قرار می‌گیرند. پلاریزاسیون باعث تغییر نظم بار در محل شکست می‌شود. این بی‌نظمی در‌ترکیبات مختلف مانند کانه‌ها و سرباره‌هایی که حاوی فلزات مختلف با قابلیت مقاومت و هدایت الکتریکی مختلف هستند، اتفاق می‌افتد. تفرق ذرات جامد با استفاده از پالس‌های الکتریکی ولتاژ بالا در سطح مشترک آنها و با توجه به جذب الکتروستاتیکی جریان‌های پلاسمای تولیدی از میدان‌های الکتریکی موضعی در مرز کانی‌های پلاریزه اتفاق می‌افتد (شکل یک). 

این شکست در جامدات باعث تبدیل مستقیم جامد به گاز و تولید جریان‌های پلاسمایی دمای بالا (10 هزار درجه کلوین) با الگوی «درخت» درون درزه و شکاف‌ها می‌شود. جریان اصلی پلاسما با قطر حدود چند 10 میکرون در بین الکترودهای ولتاژ بالا و الکترود زمین درون فضای عملیاتی رخ می‌دهد. این جریان از بین سطح تماس کانی‌ها عبور کرده و از محل الکترود زمین تخلیه می‌شود. 

روش تفرق ذرات سنگ با استفاده از الکتروهیدرولیک (EHD) ابتدا در دهه 1950 در روسیه ابداع شد و در اروپا و آمریکا به عنوان روشی برای خردایش و مغزه گیری مورد توجه قرار گرفت. در روش EHD سنگ تحت تاثیر امواج شوک تولید شده در آب توسط تخلیه پالس‌های الکتریکی ولتاژ بالا در مجاورت سطح ذرات جامد قرار میگیرد. در این روش به جای استفاده از مکانیزم‌های خردایش کنونی که بر مبنای اعمال نیروهای فشاری ضربه و سایش هستند، از نیروی برشی برای جدایش کانی‌ها از یکدیگر استفاده می‌شود که همان‌گونه که قبلاً اشاره شد مقدار بسیار کمتری انرژی برای خردایش مصرف می‌کنند، بنابراین در مقایسه با تجهیزات خردایش موجود و هزینه نگهداری آنها روش EHD نیاز به هزینه سرمایه‌گذاری کمتری برای تجهیزات و نگهداری آنها دارد. در حین انجام آزمایش‌ها با روش EHD برای خردایش سنگ‌ها، روش موثرتری بر اساس خردایش سنگ‌ها با پالس‌های الکتریکی ولتاژ بالا توسعه یافت. این روش جدید که با عنوان تفرق الکتریکی (ED) بود ابتدا در دانشگاه تامسک (سیبریای غربی) و در مخانوبر (سن پترزبورگ) در روسیه در دهه 1960 میلادی انجام شد و از دهه 1980 در ایمپریال کالج علوم، فناوری و پزشکی لندن (انگلستان) ادامه یافت. در این روش انرژی حاصل از پالس‌های الکتریکی ولتاژ بالا بر خلاف روش EHD که به صورت امواج شوک وارد می‌شد به صورت مستقیم در سطح سنگ وارد شده و باعث تخریب آن می‌شود. در روش ED الکترودهای انتقال ولتاژ با سطح سنگی که درون آب غوطه‌ور است تماس دارد. نقش آب در این روش مانند روش EHD نیست بلکه در این روش آب نقش محافظتی را داشته و تخلیه‌های الکتریکی خارج از سنگ را کنترل می‌کند. 

به‌طور کلی مزایای روش الکتریکی نسبت به روش‌های رایج خردایش با تجهیزات مکانیکی عبارتند از: 1. جدایش کانی‌ها از سطح تماس آنها و درنتیجه افزایش درجه آزادی آنها 2. نسبت خردایش بسیار زیاد 3. کاهش مصرف انرژی خردایش ویژه 4. کاهش هزینه سرمایه‌گذاری و نگهداری تجهیزات 5. کاهش تولید نرمه 6. عدم تولید گرد و غبار و در نتیجه کاهش مشکلات محیط زیستی 7. کاهش تولید صدا 8. زدودن سطح کانی‌های بلوری از آلودگی‌ها 


مبانی دستگاه تولیدکننده پالس الکتریکی ولتاژ بالا 

مبانی اولیه دستگاه تولیدکننده پالس الکتریکی ولتاژ بالا در اواخر قرن 19 میلادی توسط نیکلاس تسلا ارایه شد. بر این اساس آزمایش‌های تسلا با استفاده از یک مدار مبدلی رزونانسی حاوی سیم پیچ‌ها برای انتقال بی سیم انرژی الکتریکی و ابداع یک تجهیز فوق العاده الکتریکی بود. مدار سیم پیچی تسلا شامل یک مبدل، چندین خازن ولتاژ بالا و یک فاصله جرقه برای تولید پالس‌های ولتاژ بالا بود. در همین راستا دستگاه‌های دیگری برای تولید پالس‌های ولتاژ بالا در سال 1927 توسط Edwin Marx در دانشگاه براونشویگ آلمان به صورت شبکه‌ای از خازن‌های ولتاژ بالا که به صورت موازی با مقاومت‌ها مرتبط بودند، توسعه یافت. ورودی هر خازن با خروجی خازن دیگر مرتبط بود. در شکل 2 دیاگرام شماتیک دستگاه تولیدکننده پالس ولتاژ بالا نشان داده شده است. 

در سال‌های اخیر دستگاه‌های آنالوگ و دیجیتال مختلفی برای تولید پالس‌های الکتریکی ولتاژ بالا در سطح دنیا و برای کاربردهای مختلف توسعه یافته‌اند. این دستگاه‌ها متناسب با توانایی‌ها می‌توانند پالس‌هایی با فرکانس 1 در 30 دقیقه تا 10 هزار پالس بر ثانیه تولید کنند. پارامترهای موثر در ساخت این دستگاه عبارتند از ولتاژ، انرژی پالس، زمان صعود پالس و فرکانس تولید پالس. متناسب با هر نوع ماده معدنی این پارامترها تغییر خواهد کرد، بنابراین دستگاه تولیدی باید قابلیت تغییر و ثبت این پارامترها را داشته باشد. با توجه به همکاری بسیار خوب صنعت و دانشگاه در این پروژه پس از ساخت موفقیت‌آمیز این دستگاه در مقیاس آزمایشگاهی علاوه بر بومی‌سازی دانش فنی آن، امکان مطالعه و تحقیق برای متخصصان داخلی و حتی منطقه فراهم خواهد شد. ضمن این‌که پس از بررسی‌های آزمایشگاهی طراحی و توسعه این روش در مقیاس صنعتی نیز امکان‌پذیر خواهد بود. 


بررسی سوابق کاربرد روش الکتریکی در خردایش مواد معدنی 

با بررسی منابع منتشر شده در ارتباط با خردایش کانسنگ‌ها با روش پالس‌های الکتریکی موارد کاربرد متنوعی مشاهده شد که بیشتر مرتبط با کانی‌های کیمبرلیتی و از جمله الماس بود. در سال‌های اخیر کاربرد این روش برای کانی‌های فلزی نیز مورد توجه قرار گرفته است که با توجه به منابع موجود در کشور به چند مورد اشاره می‌شود: 

ـ بازیابی طلای مقاوم از ذخائر سولفیدی: نمونه مورد نظر از یکی از ذخائر ناشناخته آمریکا که شامل کانی‌های سولفیدی (پیریت و ارسنوپیریت) و کربن بود، تهیه شد. نمونه به دو قسمت تقسیم شد. یک نمونه با روش مکانیکی رایج تا کمتر از 3 میلیمتر خرد و سپس در آسیا تا کمتر از 50 میکرون خرد شد و نمونه دیگر ابتدا با روش الکتریکی تا کمتر از 3 میلیمتر خرد و سپس با آسیا تا کمتر از 50 میکرون خرد شد. با مقایسه نتایج آنالیز لیچینگ ملاحظه شد که میزان استخراج طلا در روش آماده‌سازی الکتریکی تا مقدار 59 درصد افزایش یافت که تقریبا بیش از دو برابر شرایط مکانیکی (30 درصد بازیابی طلا) بود. آزمایش‌های مشابهی نیز بر روی نمونه کانسنگ سولفیدی حاوی طلای مقاوم واقع در کیوبا برزیل انجام شد که البته پارامترهای عملیاتی و دستگاهی آن با نمونه قبلی متفاوت بود. نتایج آنالیزها نشان داد که مقدار بازیابی طلا در حالت الکتریکی از مقدار مکانیکی 4/64 درصد به مقدار 0/87 درصد افزایش یافت. 

ـ بازیابی نقره از سولفیدهای منگنزی: نمونه مورد نظر مربوط به معدن اندیور مکزیک بود. مشکل این معدن حضور سولفیدهای منگنز بود که باعث کاهش بازیابی نقره می‌شد. نتایج آزمایش‌ها با آزادسازی الکتریکی نشان‌دهنده افزایش 3/12 درصدی بازیابی نقره بود. 

ـ بازیابی مس از کانه‌های سولفیدی کم عیار: نمونه مورد نظر از محل فالابوروا آفریقای‌جنوبی تهیه شد. وزن نمونه 50 کیلوگرم با عیار متوسط 49/0 درصد مس بود. ذرات اولیه نمونه با اندازه کمتر از 100 میلیمتر به دو قسمت تقسیم شد. یک بخش به صورت مکانیکی تا اندازه 80 درصد ریزتر از 38 میکرون خرد و نمونه دیگر ابتدا با روش الکتریکی و سپس با آسیا تا مقدار 80 درصد ریزتر از 38 میکرون خرد شد. نتایج آنالیز محصول‌های نهایی نشان داد که با روش مکانیکی مقدار 2/40 درصد مس در مرحله لیچینگ حل شده، در حالی‌که در روش ترکیبی الکتریکی و مکانیکی مقدار 5/48 درصد مس در مرحله لیچینگ حل شده است. 

ـ بازیابی طلا از باطله‌های قدیمی: اولین اقدام در این مورد در دهه 1990 میلادی بر روی نمونه باطله معدن اوچالینسکایا روسیه انجام شد. مقدار بازیابی طلا 87 درصد با مصرف انرژی برابر 3/0-0/3 کیلووات ساعت بر گرم طلای آزادشده بود. این تست‌ها بر روی نمونه باطله معدن آلمالیک ازبکستان با عیار اولیه حدود 5/0 گرم بر تن انجام شد و نتایج بازیابی 41 درصدی طلا را نشان داد. 

ـ مطالعات روی آزادسازی کانسنگ اکسیدی آهن (هماتیت و منیتیت): نمونه کانسنگ آهن اکسیدی از مالمبرگ سوئد با اندازه ذرات اولیه کمتر از 20 میلیمتر تهیه شد و با دو روش خردایش مکانیکی رایج و روش الکتریکی خرد شد. نتایج آزمایش‌ها بر روی دو نمونه نشان‌دهنده تولید بسیار کمتر نرمه (ریزتر از 38 میکرون) در روش الکتریکی نسبت به مکانیکی بود (96/17 درصد در مقابل 53/50 درصد)، همچنین بازیابی سیلیس در کنسانتره برای هر دو نوع مواد (هماتیت و منیتیت) در ذرات با اندازه کمتر از 500 میکرون در روش آماده‌سازی الکتریکی بسیار کمتر از روش خردایش مکانیکی بود. همین نتیجه در مورد فسفر نیز قابل مشاهده بود. 

ـ مطالعه روی فرآوری زغال: ایتو و همکارانش در سال 2009 مطالعاتی را در مورد کاربرد شکست الکتریکی برای جداکردن زغال از کانی‌های دربرگیرنده انجام دادند. بر این اساس خردایش به دو روش مکانیکی (با سنگ شکن استوانه‌ای ) و الکتریکی انجام شد. پس از آن، هر دو محصول در 12 فراکسیون وزنی و چگالی طبقه بندی شدند و مقادیر خاکستر و کانی هر بخش مورد بررسی قرار گرفت. نتایج بررسی‌ها نشان داد که آزادسازی ذرات درشت با روش الکتریکی بهتر از روش مکانیکی بود. ترکیب کانی شناسی بخش‌های با وزن مخصوص بالا در هر دو روش مشابه بود هرچند ارتباط کانی‌ها در روش الکتریکی با روش مکانیکی متفاوت بود و همین امر نشان‌دهنده تفاوت مکانیزم خردایش در دو روش بود. 

ـ اریک وانگ و همکارانش در سال 2011 با انتشار مقاله‌ای ابراز کردند که شرکت JKMRC از دو سال گذشته فعالیت‌هایی را در مورد کاربرد انرژی الکتریکی برای شکست کانسنگ‌ها آغاز کرده است. بر این اساس فعالیت‌های این شرکت در دو حوزه متمرکز شده است: 

ـ کاربرد یک انرژی ویژه خیلی کم (مثلاً 1-3 کیلووات ساعت بر تن) در فرآیند شکست پالس ولتاژ بالا که باعث سست شدن ذرات سنگ شده و در نتیجه نیروی مقاومت سنگ را کاهش می‌دهد. 

ـ تمرکز روی تاثیر این فرآیند روی مصرف انرژی کل فرآیند خردایش. بر این اساس هدف در این مرحله،استفاده از خردایش الکتریکی برای رساندن ذرات به محصول ریز نیست بلکه هدف ضعیف‌سازی ذرات برای کاهش انرژی مصرفی در مراحل بعدی خردایش است. 


فهرست منابع 

[1] Andres, U., 2010, Development and prospects of mineral liberation by electrical pulses, International journal of Mineral Processing, vol. 97, pp. 31-38. 

[2] Andres U., Timoshkin, I., Soloviev, M., 2001, Liberation of valuable inclusions in ores and slags by electrical pulses, Powder Technology, Vol. 114, pp. 40-50. 

[3] Ito, M., Owada, S., Nishimura, T., Ota, T., 2009, Experimental study of coal liberation: electrical disintegration versus roll- crusher comminution, international Journal of Mineral Processing, Vol. 92, pp. 7-14. 

[4] Wang E., Shi, F., Manlapig, E., 2011, Pre-weakening of mineral ores by high voltage pulses, Minerals Engineering, Vol. 24, pp. 455-462.



سید محمد رضویان 
کارشناس فرآوری مرکز تحقیقات فرآوری مواد معدنی ایران