بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
خردایش سنگ توسط پالسهای الکتریکی ولتاژ بالا در فرایندهای فرآوری مواد معدنی: روشی با اثرات مضر زیست محیطی کمتر در مقایسه با روش مکانیکی
چکیده:
اثر روش خردایش به کمک پالسهای الکتریکی ولتاژ بالا از لحاظ اثرات مخرب زیستمحیطی بر روی سنگهای حاوی مواد معدنی، در مقایسه با روش رایج مکانیکی، بررسی شد. خردایش به کمک پالسهای الکتریکی ولتاژ بالا توسط دستگاه خردایش الکتریکی که شامل یک مدار تولید کننده پالس های الکتریکی ولتاژ بالا و یک مخزن خردایش است، انجام میگیرد. مطالعات بر روی نمونههای مختلفی نظیر کانسنگ اکسیدی آهن، سنگ گرانیت، کانسنگ و کانسنگ حاوی طلا به منظور بررسی میزان تولید ذرات ریز و انتشار گرد و غبار انجام شد. نتایج همگی نشاندهنده کاهش میزان تولید ذرات و کاهش اثرات مخرب زیست محیطی در روش خردایش به کمک پالسهای الکتریکی ولتاژ بالا در مقایسه با روش مکانیکی بود. همچنین تاثیر این روش بر روی میزان مصرف انرژی نسبت به روش مکانیکی نیز بررسی شد. نتایج آزمایشات انجام گرفته بر روی نمونههای کانسنگهای مس، سرب و
1
روی، طلا، فسفات و همچنین سنگ های حاوی بلورهای الماس نشان داد که روش خردایش به کمک پالسهای الکتریکی ولتاژ بالا به علت مکانیزم خاص خردایش، سبب کاهش میزان مصرف انرژی در مقایسه با روش مکانیکی میشود.
واژههای کلیدی: محیط زیست، انرژی، گرد و غبار، خردایش الکتریکی، فرآوری مواد معدنی
-1 مقدمه
بازیابی عنصر باارزش از کانسنگها و تولید محصول پرعیار شده با کیفیت مناسب با فرایند آزادسازی آنها از کانسنگ توسط فرایند خردایش آغاز میشود. میزان بازدهی این فرایند بر روی عملکرد نهایی عملیات فرآوری و ویژگیهای متالورژیکی محصول پرعیارشده نهایی بسیار تاثیرگذار است. بازدهی فرایند آزادسازی کانی ها به اندازه ذرات، توزیع ذرات، نحوه درگیری کانیهای باارزش با گانگ، ویژگیهای مکانیکی کانیهای تشکیلدهنده کانسنگ و روش مورد استفاده برای آزادسازی کانیهای باارزش از کانسنگ بستگی دارد .(Andres & Bialecki, 1986)
در طول دوره طولانی پیشرفت فرایند فرآوری مواد معدنی، انواع مختلفی از سنگشکنها و آسیاها با مکانیزم شکست مبتنی بر تنشهای فشاری ابداع شدهاند .(Andres, 2010) سنگشکنهای فکی، ژیراتوری و مخروطی که در قرن 19 ساخته شدند و تا امروز پیشرفتهای زیادی داشتهاند از آن جملهاند .(Lynch & Rowland, 2005) بر اساس این فرضیه که کاهش بیشتر اندازه قطعات کانسنگ باعث آزادسازی بیشتر کانیها میشود، در شروع قرن 21 انواع مختلفی از آسیاهای بسیار خردکننده، طراحی و تولید شدند که بر اساس فرایند سایش- فرسایش1 قادر به کاهش ابعاد ذرات از 100 تا 150 میکرون به کمتر از 10 میکرون میباشند
.(Andres, 2010)
در فرایندهای خردایش مکانیکی، امکان کنترل مستقیم آزادسازی کانیها وجود ندارد. تنها پارامتر قابلکنترل در فرایند آزادسازی، ماکزیمم ابعاد ذرات در محصول خردایش است که باید در حدی باشد که اطمینان حاصل شود درصد قابلقبولی از ذرات برای فرایندهای جداسازی بعدی آزاد شدهاند .(Andres et al., 2001b)
از طرفی افزایش میزان کاهش اندازه ذرات توسط فرایند خردایش مکانیکی ضرورتا همیشه بهمعنی افزایش درجه آزادی ذرات نیست. از این رو علاوه براین که باعث افزایش درصد ذرات ریز و تولید گرد و غبار که احیانا حاوی عناصر مضر و سمی هستند میشوند، با خردایش بیش از حد ذرات سبب اتلاف بیهوده انرژی نیز میشوند .(Chanturia & Bunin, 2007) در کل خردایش مکانیکی بهعنوان بخشی از عملیات فرآوری مواد معدنی بیشترین میزان انرژی را مصرف میکند و اغلب بیش از 70 درصد انرژی کل لازم برای فرآوری مواد معدنی را به خود اختصاص میدهد ( Chanturiya et al., 2005; Chanturiya et al., 2007; Norgate & .(Jahanshahi, 2011; Wielen, 2013 مصرف انرژی ویژه در این بخش از چند کیلووات ساعت بر تن برای مرحله سنگ شکنی تا بین 10 تا 60 کیلووات ساعت بر تن برای آسیاهای خودشکن، نیمهخودشکن و گلولهای و بیش از 100 کیلووات ساعت بر تن برای آسیای بسیار خردکننده متغیر است .(Wang et al., 2011)
بهمنظور اطمینان از آزادسازی کامل ذرات کانی باارزش، کاهش اتلاف آن به صورت ذرات نرمه و همچنین کاهش میزان مصرف انرژی، توسعه یک روش خردایش انتخابی که مبتنی بر شکست ترجیحی بین ذرات کانیهای مختلف یک کانسنگ باشد، ضروری
بهنظر میرسید .(Potsyapun et al., 2004; Chanturiya, 2007; Chanturiya, 2008; Chanturia & Bunin, 2008) در این میان استفاده از تنشهای کششی به عنوان یک روش موثر برای خردایش انتخابی و کاهش مصرف انرژی از سوی محققان، بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
از میان تلاشهای صورت گرفته با هدف خردایش انتخابی مواد بر اساس اعمال تنشهای کششی، میتوان به یک فرایند منحصربهفرد که شامل شکست ذرات یک کانسنگ غوطهور در داخل یک دی الکتریک2 مایع توسط پالس های الکتریکی ولتاژ بالا3 است اشاره نمود. این فرایند بهعنوان یک روش موثرتر برای خردایش انتخابی قطعات یک کانسنگ شناخته شده است.
مطالعات در زمینه روش خردایش الکتریکی و با استفاده از پالسهای الکتریکی ولتاژ بالا بر روی اجسام جامد غوطهور در آب، ابتدا در سال 1955 توسط یوتکین4 در روسیه آغاز شد. وی در تحقیقاتی که با هدف تجزیه آب به اکسیژن و هیدروژن از طریق شکست الکتریکی5 توسط پالسهای الکتریکی ولتاژ بالا انجام میشد، بهصورت اتفاقی به توانایی خردکنندگی امواج ضربهای آب پی برد .(Yutkin, 1955) در دهههای 1960 و 1970 روش جدید خردایش سنگ توسط پالسهای الکتریکی مورد توجه چندین مرکز تحقیقاتی در نقاط مختلف جهان قرار گرفت. در کشورهای روسیه، انگلستان، هند و امریکا فیزیکدانان شروع به انجام تحقیقات در این زمینه نمودند .(Andres, 2010) در دهه 1990 چندین موسسه تحقیقاتی نظیر FZK6 آلمان، کالج سلطنتی لندن7 و شرکت CNT-MC کانادا شروع به انجام تحقیقاتی در رابطه با تکنولوژی شکست ولتاژ بالا، پتانسیل کاربرد آن و همچنین امکان تجاریسازی آن نمودند .(Wielen et al., 2013) از سال 2008 مرکز تحقیقات JKMRC8 واقع در استرلیا، انجام مطالعات بر روی
کاربرد این روش برای شکست کانسنگها را آغاز نمود و تحقیقات خود را صرفا متمرکز بر روی کاهش انرژی مصرفی در فرایند خردایش مواد معدنی نمود .(Wang et al., 2011) در ایران نیز، انجام تحقیقات در این زمینه طی چند سال اخیر آغاز شده و به همین منظور تجهیزاتی طراحی و در مرکز تحقیقات فرآوری مواد معدنی ایران نصب و راهاندازی شد.
در این مقاله سعی شده است به معرفی روش خردایش الکتریکی با استفاده از پالسهای الکتریکی ولتاژ بالا بهعنوان یک روش مناسب برای خردایش کانسنگ که اثرات زیست محیطی کمتری نسبت به روش خردایش مکانیکی دارد، پرداخته شود و نتایج حاصل از تحقیقات در این زمینه بیان شود.
-2 دستگاه خردایش الکتریکی
دستگاه های خردایش الکتریکی عموما از دو بخش اصلی مدار تولیدکننده پالسهای الکتریکی ولتاژ بالا و محفظه خردایش تشکیل شدهاند .(Cabri et al., 2008) تجهیزات تولیدکننده پالسهای الکتریکی، ابتدا در انتهای قرن 19 توسط نیکلاس تسلا9 ساخته شد. تجهیزات مدل امروزی که بهصورت شبکهای از خازنها مرتبط با یک سری از مقاومتها هستند، اولین بار در سال 1927 توسط ادوین مارکس10 در دانشگاه براونشویگ11 آلمان ساخته شد .(Andres, 2010) در مدار تولیدکننده پالسهای الکتریکی ولتاژ بالا، ابتدا ولتاژ جریان ورودی متناوب توسط یک ترانسوفورماتور قوی تا چندصد برابر افزیش مییابد. سپس توسط یکسوسازها12 این جریان متناوب تبدیل به جریان مستقیم میشود (رضویان، .(1393 در ادامه، باردهی شبکه خازنهای موجود در مدار، بهصورت موازی توسط مقاومتها انجام میشود .(Andres & Bialecki, 1986 ) این مدار دارای یک قسمت شامل یک محفظه با دو گوی مشابه نیز میباشد که از هوا یا نیتروژن پر شده است. فاصله بین این دو گوی، نقش اساسی در تعیین حداکثر سطح ولتاژ تخلیه و همچنین فرکانس تخلیه دارد. افزودن فاصله گویها باعث افزایش حداکثر ولتاژ تخلیه میشود. با تنظیم فاصله بین گویها و با افزایش ولتاژ در خازن، در لحظه تخلیه موج بهصورت ضربه اعمال میشود (رضویان، .(1393 در هنگام تخلیه، خازنها بهصورت سری با هم مرتبط میشوند که این عمل باعث افزایش قابلتوجه ولتاژ تخلیه میشود ( Andres & Bialecki, .(1986 دستگاههایی که امروزه ساخته شدهاند قادرند پالسهایی با فرکانس 1 در هر 30 دقیقه (با ولتاژ چند مگاولت) تا 10000 در هر ثانیه (با ولتاژ چند کیلوولت) تولید کنند .(Andres, 2010) شکل (1) اجزای کلی یک دستگاه خردایش الکتریکی را نشان میدهد.
در طول توسعه این روش انواع مختلفی از محفظههای خردایش که دارای الکترودهایی با شکلهای مختلف هستند، ساخته شدند. اما اکثرا از محفظههای خردایش که مجهز به الکترودهای نوع نقطهای-صفحهای میباشند، استفاده میشود. این نوع الکترودها شامل یک میله بهصورت عمودی نصب شده بهعنوان الکترود ولتاژ بالا و یک الکترود مبنا که بهصورت صفحه مقعر و مشبک ساخته میشوند، هستند .(Andres, 2010) در شکل (2) یک محفظه خردایش دارای الکترود نقطهای- صفحهای نشان داده شده است.
در فرایند خردایش الکتریکی مهمترین عامل موثر، مقدار انرژی تخلیه شده در هر پالس الکتریکی است که بستگی به ظرفیت خازن و ولتاژ تخلیه دارد. مقدار انرژی تخلیه شده در هر پالس الکتریکی را میتوان توسط معادله زیر محاسبه نمود ( Razavian et al.,
:(2014
(1)×
که C ظرفیت (برحسب فاراد)، V ماکزیمم ولتاژ جریان مستقیم (برحسب ولت) و E انرژی تخلیه شده توسط الکترود (برحسب ژول) هستند.
شکل (1) نمایش شماتیک دستگاه خردایش الکتریکی (رضویان، (1393
