Качество продукции промышленности нерудных строительных материалов на сегодня отстает от современных требований. Несмотря на то, что промышленность идет на ограничение выпуска нерассортированных гравийно-песчаных смесей, удельный вес их в общем объеме выпуска нерудных строительных материалов достаточно высок. Остается низким объем производства обогащенных и фракционированных заполнителей.
Получение качественного щебня при механическом дроблении горных пород является сложной проблемой из-за неудовлетворения его свойств целому комплексу нормируемых физико-технических показателей, в первую очередь это относится к гранулометрическому составу фракции 5-20 мм.
Одним из путей решения указанных проблем является использование для получения качественных заполнителей все более широко внедряемых в промышленность электрофизических методов обработки и разрушения каменных материалов, в первую очередь, использование высоковольтного электрического разряда в качестве рабочего инструмента при разрушении.
Электроимпульсное дробление горных пород располагает возможностью широкого диапазона регулирования характеристик данного процесса: энергии в канале разряда и времени её выделения. Энергия в канале разряда, в свою очередь, определяется величиной разрядной ёмкости (С) и амплитудой высоковольтного импульса (U). Время выделения энергии в некоторой степени определяется технологическим параметром - величиной межэлектродного промежутка (R). Амплитуда высоковольтного импульса и величина межэлектродного промежутка - наиболее легко изменяемые параметры в процессе электроимпульсного дробления. Помимо вышеназванных парам возможно регулирование процесса электроимпульсного дробления технологическими параметрами: частотой подачи импульсов энергии, конструктивными особенностями электроимпульсного рабочего органа дробления (различием в форме и размерах сквозных отверстий в заземленном электроде-сите, через которые удаляется готовый продукт). Также существуют различные схемные решения подключения высоковольтных импульсных источников энергии.
В данном разделе приведены результаты исследований выхода щебня и его зерновых составов при электроимпульсном дроблении гравия, гранита и высокопрочного порфирита при различных энергетических и технологических параметрах процесса.
Электроимпульсное дробление осуществлялось как в лабораторной одноэлектродной камере ёмкостью 50 л, так и на многоэлектродных непрерывно действующих дробилках проектной производительностью 3-5 т/ч.
Диапазон изменений парам процесса электроимпульсного дробления для всех используемых горных пород приведен в табл. 2.16.
Оценка выхода щебня фракции 5-20 мм при электроимпульсном дроблении (рис. 2.20-2.22) в одноэлектродной системе гравия, гранита и порфирита при постоянстве живого сечения заземленного электрода-сита наглядно показывает возможность регулирования параметрами дробления выхода щебня в готовом продукте от 60 до 90 %.
Повышение амплитуды высоковольтного импульса увеличивает энергию, выделяющуюся в канале разряда, которая, в свою очередь, позволяет развить большие давления внутри кусков горной породы при их пробое, что ведет к большему образованию частиц щебня. При достижении критического значения амплитуды высоковольтного импульса (см. рис. 2.21) при соответствующем ей значении величины межэлектродного промежутка происходит переизмельчение исходной горной породы со снижением выхода щебня и перераспределением его фракций в сторону более мелких, в частности, песчаных частиц.
Увеличение разрядной ёмкости (см. рис. 2.20) также снижает выход щебня, особенно это заметно в интервале значений 5-10 нФ.
Анализируя зависимости выхода щебня от величины межэлектродного промежутка (рис. 2.22) и амплитуды высоковольтного импульса (см. рис. 2.21), можно сделать вывод, что амплитуда высоковольтного импульса и межэлектродный промежуток взаимосвязаны и максимальный выход щебня при каждом значении амплитуды высоковольтного импульса будет обеспечен при соответствующей ей величине межэлектродного промежутка. Их отношение (U/R) называется градиентом напряжения, и, по данным рис. 2.21, 2.22, более выгодные его значения находятся в интервале 7,5-8,2 кВ/мм (при межэлектродном расстоянии 40-50 мм).
Следует отметить более высокий показатель выхода щебня у порфирита и самый низкий - у гранита.
Анализ результатов, полученных при электроимпульсном дроблении горных пород на непрерывнодействующих многоэлектродных установках дробления, показал аналогичные зависимости выхода щебня от парам процесса дробления по сравнению с электроимпульсным дроблением в одноэлектродных системах (рис. 2.23).
Значения выхода щебня от градиента напряжения (рис. 2.24) также показывают наибольший выход щебня (более 75 %) при значениях градиента напряжения, находящихся в интервале 6-8 кВ/мм (при межэлектродном расстоянии 40-60 мм).
Улучшение условий удаления готового продукта из зоны разрушения (рис. 2.25) также ведет к увеличению выхода щебня.
Следует отметить, что при межведомственных испытаниях был получен выход щебня фракции 5-20 мм 90 %.
Анализ распределения фракций щебня в зависимости от парам электроимпульсного дробления показал зависимость их выхода как от времени выделения энергии в канале разряда, косвенным показателем которого является величина межэлектродного расстояния, так и от количества энергии, выделяющейся в канале разряда при пробое горной породы (рис. 2.26, 2.27).
Из рис. 2.26, 2.27 видно, что наибольшему количественному изменению подвержены более крупные фракции 10-20 и 20-25 мм. При увеличении энергии, выделяемой в канале разряда, более крупные фракции переходят в более мелкие. При достижении критического значения дальнейший рост энергии приводит к разрушению как крупных, так и мелких фракций. Фракции 25-20 и 10-20 мм перераспределяются в сторону повышения количества фракции 5-10 мм и песчаной составляющей. При дальнейшем росте энергии возможен переход в песок и фракции 5-10 мм.
Уменьшение времени выделения энергии в канале разряда (рис. 2.26) за счет снижения размера межэлектродного промежутка также перераспределяет более крупные фракции щебня в сторону более мелких.
Регулирование соотношения щебня и песка в готовом продукте электроимпульсного дробления в широком диапазоне позволяет получать готовые смеси непрерывной гранулометрии (рис. 2.28, 2.29, табл. 2.17-2.19), в том числе соответствующие по зерновому составу для приготовления мелкозернистых асфальтобетонов типа А, допускающие содержание щебня фракции 5-20 мм до 60 %.
Поскольку при электроимпульсном дроблении горных пород выход щебня достигает 91 %, фракция щебня 5-10 мм составляет большую часть (45-55 %), а отсевы от электроимпульсного дробления имеют большой модуль крупности (большей частью представлена фракция 1,25-5 мм), то область смесей непрерывной гранулометрии, применительно к мелкозернистым асфальтобетонам типа А, будет находиться ниже предельной кривой зернового состава по ГОСТ 9128-97. Для возможности использования продукта электроимпульсного дробления в асфальтобетонах без предварительного фракционирования необходимо введение добавки средних или мелких песков для снижения общего количества щебня и песка повышенной крупности в смеси при обязательном добавлении минерального порошка.
Что касается зерновых составов щебня электроимпульсного дробления фракции 5-20 мм, то представленные графики зерновых составов (рис. 2.30, 2.31, табл. 2.20-2.23) показывают их изменение в широком диапазоне и получение при определенных условиях щебня, соответствующего по зерновому составу требованиям ГОСТ 8267-93.
Экспериментальными исследованиями установлено, что, изменяя режим дробления (амплитуду импульса, длину межэлектродного промежутка), конструкцию и размер ячеек заземлённого электрода, возможно регулировать выход щебня фракции 5-20 мм и его гранулометрический состав. Содержание щебня фракции 5-20 мм в продукте дробления регулируемо в пределах 47-91,0 %.
По зерновому составу щебень электроимпульсного дробления гравия и порфирита отвечает требованиям, регламентированным ГОСТ 8267-93.
При электроимпульсной технологии получения заполнителей возможно получение смеси с непрерывной гранулометрией, которая при добавлении в неё рекомендованного количества минерального порошка будет соответствовать требованиям, предъявляемым ГОСТ 9128-97 к зерновым составам мелкозернистых асфальтобетонов типа А.