CN114433330B - 一种可控冲击波破碎矿石的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种可控冲击波破碎矿石的装置及方法，该装置包括缸体和冲击波产生装置；缸体的中部设置有筛板，筛板上设置有多个供碎石通过的筛孔；缸体的上部设置有注水管，缸体的底部设置有放水管；缸体的上端设置有冲击波产生装置，冲击波产生装置的金属丝位于缸体内的上部。该方法包括步骤：将矿石初步破碎；然后将矿石放置于筛板上；向缸体内注满水；通过冲击波产生装置向矿石实施冲击波作业；冲击波作用于矿石内部的自由面或软弱面，并通过剪切拉伸作用在矿石内部产生或扩展孔隙和裂隙，从而将矿石进一步破碎、或者将矿石中目标矿物与脉石矿物分离。本申请解决了现有技术中传统破碎工艺存在的细碎破碎腔易堵塞、以及碎磨能耗高的问题。

Description

一种可控冲击波破碎矿石的装置及方法
技术领域
本申请属于矿产加工技术领域，具体涉及一种可控冲击波破碎矿石的装置及方法。
背景技术
矿产资源是工业发展的“粮食”，矿业是国民经济发展的“基石”。我国是世界制造业第一大国，金属产消量均占全球50％，连续10余年居全球首位。但是，铁、铜、铝、镍、铬、钴等资源严重依赖进口，对外依存度均超过50％。我国也是矿业大国，金属矿产量居世界第一，其中钢铁连续17年居世界首位。
在国内矿产资源开发中，矿山固废占工业固废总量80％～85％，采矿污染地下水24亿m3/a，相当于1.5个葛洲坝电站库容，采选冶废气和粉尘是雾霾重要来源，占工业废气总量30％，矿山固废占地5.82万km2，相当于5个天津市面积。
目前矿产是基于“破碎-磨矿-选矿”的传统矿物加工工艺，通过机械设备实施破碎和磨矿过程，因此机械设备的细碎破碎腔容易堵塞，同时破碎和磨矿过程存在能耗高、过粉碎严重、后续资源损失多等突出问题，进而难以满足现有矿物生产需求。
发明内容
本申请实施例通过提供一种可控冲击波破碎矿石的装置及方法，解决了现有技术中传统破碎工艺存在的细碎破碎腔易堵塞、以及碎磨能耗高的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种可控冲击波破碎矿石的装置，包括缸体和冲击波产生装置；
所述缸体的中部设置有筛板，所述筛板上设置有多个供碎石通过的筛孔；
所述缸体的上部设置有注水管，所述缸体的底部设置有放水管；
所述缸体的上端设置有冲击波产生装置，所述冲击波产生装置的金属丝位于所述缸体内的上部。
在一种可能的实现方式中，所述缸体的上端设置有缸盖，所述缸盖的内表面为抛物面结构，所述金属丝位于所述抛物面结构的焦点处。
在一种可能的实现方式中，所述冲击波产生装置包括所述金属丝、电极、开关、储能电容器、以及高压直流电源；
所述金属丝的两端分别连接于两个所述电极，两个所述电极分别穿过所述缸盖后连接于所述储能电容器的两端；所述电极和所述缸盖之间设置有支撑绝缘子；
所述开关设置于其中一个所述电极和所述储能电容器之间，所述高压直流电源并联于所述储能电容器。
在一种可能的实现方式中，还包括旋转机构，所述旋转机构包括电机、旋转轴、平推轴承、以及主支撑柱；
所述主支撑柱设置于所述缸体底部的中心，所述筛板通过所述平推轴承安装于所述主支撑柱的上端，所述主支撑柱的中心设置有通孔，所述旋转轴的上端穿过所述主支撑柱和所述平推轴承中心的孔后连接于所述筛板的下表面，所述电机的输出轴通过传动组件与所述旋转轴的下端连接。
在一种可能的实现方式中，所述筛板的上表面为锥形结构，所述筛板的上表面设置有多个拨石柱；
所述缸体的底部倾斜设置。
在一种可能的实现方式中，所述缸体上部的侧壁设置有矿石入口和矿石出口，所述矿石入口位于所述矿石出口的上部，所述矿石出口的下边缘位于所述筛板的上表面的下方，所述矿石入口和所述矿石出口分别位于所述缸体的两侧；
所述缸体下部的侧壁设置有碎石出口，所述碎石出口的下边缘位于所述缸体底部的最低侧；
所述碎石出口、所述矿石入口和所述矿石出口处均设置有门体。
在一种可能的实现方式中，还包括多个辅助支撑柱，多个所述辅助支撑柱设置于所述主支撑柱的周向，所述辅助支撑柱的上端设置有滚轮，所述滚轮的上端与设置于所述筛板下表面的环形槽体的底面抵接。
在一种可能的实现方式中，所述缸体的下端设置有设备舱，所述电机和所述传动组件安装于所述设备舱内。
本发明实施例还提供了一种可控冲击波破碎矿石的方法，使用上述的可控冲击波破碎矿石的装置，包括以下步骤：
将矿石初步破碎至设定大小；然后将初步破碎的矿石放置于筛板上；
通过注水管向缸体内注满水；
通过冲击波产生装置向初步破碎的矿石实施冲击波作业；冲击波作用于矿石内部的自由面或软弱面，并通过剪切拉伸作用在矿石内部产生或扩展孔隙和裂隙，降低矿石的力学强度，从而将矿石进一步破碎、或者将矿石中目标矿物与脉石矿物分离，形成的碎石通过筛孔进入缸体的下部。
在一种可能的实现方式中，还包括以下步骤：
通过冲击波产生装置向初步破碎的矿石实施冲击波作业后，启动电机，电机通过旋转轴带动筛板旋转，筛板上的拨石柱拨动其上方的矿石运动，使夹杂于矿石中的碎石通过筛孔进入缸体的下部；
再次向矿石实施冲击波作业，并重复以上步骤。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例提供了一种可控冲击波破碎矿石的装置及方法，该装置通过冲击波将筛板上的矿石破碎，矿石经冲击波作业后，冲击波能够在矿石内部产生新的孔隙和裂隙，并与已经存在的孔隙和裂隙结合形成更大的孔隙和裂隙，进而矿石可通过剪切拉伸作用破碎。同时冲击波作业能够降低矿石的力学强度，从而提高了矿石的可磨性，使得矿石能够被破碎机、辊磨机等机械设备轻易破碎。由于目标矿物和脉石矿物之间必然存在介质密度不连续的弱面，因此冲击波能够将目标矿物和脉石矿物分离，从而实现了目标矿物的破碎和筛选。因此本发明能够优化传统矿物加工工艺的破碎和磨矿过程，解决传统破碎工艺存在的细碎破碎腔易堵塞、碎磨能耗高、过粉碎严重、后续资源损失多等生产实践中存在的突出问题，从而满足现有矿物生产需求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的可控冲击波破碎矿石的装置的结构示意图。
图2为图1的A处放大图。
图3为本发明实施例提供的岩石中孔隙随冲击波作用次数的变化示意图。
图4为本发明实施例提供的岩石中裂隙随冲击波作用次数的变化示意图。
附图标记：1-缸体；11-注水管；12-放水管；13-缸盖；14-矿石入口；15-矿石出口；16-碎石出口；2-冲击波产生装置；21-金属丝；22-开关；23-储能电容器；24-高压直流电源；25-支撑绝缘子；26-送丝机构；27-电极；3-筛板；31-拨石柱；32-环形槽体；4-旋转机构；41-电机；42-旋转轴；43-传动组件；44-平推轴承；45-主支撑柱；5-辅助支撑柱；51-滚轮；6-设备舱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
如图1至图4所示，本发明实施例提供的可控冲击波破碎矿石的装置，包括缸体1和冲击波产生装置2。
缸体1的中部设置有筛板3，筛板3上设置有多个供碎石通过的筛孔。
缸体1的上部设置有注水管11，缸体1的底部设置有放水管12。
缸体1的上端设置有冲击波产生装置2，冲击波产生装置2的金属丝21位于缸体1内的上部。
需要说明的是，筛板3的材质为钢，筛孔均布于筛板3上。缸体1采用密封结构，该装置使用时，缸体1内部灌满水，从而便于冲击波产生装置2实施冲击波作业。冲击波将筛板3上的矿石破碎，从而能够优化传统矿物加工工艺的破碎和磨矿过程，以解决传统破碎工艺存在的细碎破碎腔易堵塞、碎磨能耗高、过粉碎严重、后续资源损失多等生产实践中存在的突出问题，从而满足现有矿物生产需求。
本实施例中，缸体1的上端设置有缸盖13，缸盖13的内表面为抛物面结构，金属丝21位于抛物面结构的焦点处。
需要说明的是，正常状态下，冲击波产生装置2的金属丝21产生球形冲击波，球形冲击波向下直接作用于筛板3上的矿石。通过设置抛物面结构的缸盖13的内表面，能够将向上方和斜上方辐射的球形冲击波进行反射，反射形成向下的冲击波，并作用于矿石，本发明通过直接产生的冲击波和反射的冲击波共同作用于矿石，不仅提高了矿石破碎的效率，同时能够提高冲击波能量的利用率。
本实施例中，冲击波产生装置2包括金属丝21、电极27、开关22、储能电容器23、以及高压直流电源24。
金属丝21的两端分别连接于两个电极27，两个电极27分别穿过缸盖13后连接于储能电容器23的两端。电极27和缸盖13之间设置有支撑绝缘子25。
开关22设置于其中一个电极27和储能电容器23之间，高压直流电源24并联于储能电容器23。
需要说明的是，支撑绝缘子25起固定和绝缘作用。
冲击波产生装置2工作时，高压直流电源24向储能电容器23充电，当储能电容器23上的电压达到开关22的工作阈值后，开关22导通，使储能电容器23向两个电极27之间的金属丝21短路放电。然后金属丝21电爆炸，将储能电容器23中储存的电能转换为冲击波能量，进而产生球形冲击波。金属丝21短路放电后，通过送丝机构26补充金属丝21。从而可通过冲击波产生装置2再一次实施冲击波作业。
本实施例中，还包括旋转机构4，旋转机构4包括电机41、旋转轴42、平推轴承44、以及主支撑柱45。
主支撑柱45设置于缸体1底部的中心，筛板3通过平推轴承44安装于主支撑柱45的上端，主支撑柱45的中心设置有通孔，旋转轴42的上端穿过主支撑柱45和平推轴承44中心的孔后连接于筛板3的下表面，电机41的输出轴通过传动组件43与旋转轴42的下端连接。
需要说明的是，主支撑柱45和平推轴承44用于承担筛板3和矿石的重力，电机41通过传动组件43驱动旋转轴42旋转，旋转轴42旋转使的筛板3旋转，从而在矿石实施冲击波作业后，通过使筛板3旋转，能够将夹杂于矿石中的碎石沿大体积矿石的缝隙向下运动，并通过筛孔掉落至筛板3的下方，因此，旋转机构4能够提高碎石筛选时的效率。
本实施例中，筛板3的上表面为锥形结构，筛板3的上表面设置有多个拨石柱31。
缸体1的底部倾斜设置。
需要说明的是，拨石柱31可在筛板3旋转时拨动其上方的矿石运动，使夹杂于矿石中的碎石快速通过筛孔进入缸体1的下部，拨石柱31能够提高矿石运动的幅度，从而加速碎石的筛选过程。
锥形结构的筛板3使其上的矿石聚集在筛板3的周向，从而便于工作人员收集其上的矿石，底部倾斜设置的缸体1便于工作人员收集缸体1底部最低处的碎石。
本实施例中，缸体1上部的侧壁设置有矿石入口14和矿石出口15，矿石入口14位于矿石出口15的上部，矿石出口15的下边缘位于筛板3的上表面的下方，矿石入口14和矿石出口15分别位于缸体1的两侧。
缸体1下部的侧壁设置有碎石出口16，碎石出口16的下边缘位于缸体1底部的最低侧。
碎石出口16、矿石入口14和矿石出口15处均设置有门体。
需要说明的是，工作人员可通过矿石入口14将矿石放置于筛板3上，放置完毕后关闭矿石入口14的门体。冲击波作业完毕后，工作人员可通过矿石出口15取出筛板3上的矿石。碎石出口16便于工作人员收集缸体1底部的碎石。
本实施例中，还包括多个辅助支撑柱5，多个辅助支撑柱5设置于主支撑柱45的周向，辅助支撑柱5的上端设置有滚轮51，滚轮51的上端与设置于筛板3下表面的环形槽体32的底面抵接。
需要说明的是，筛板3旋转时，滚轮51在环形槽体32内滚动。辅助支撑柱5能够提供筛板3和矿石的支持力，从而避免主支撑柱45受力过大而受损的问题。
本实施例中，缸体1的下端设置有设备舱6，电机41和传动组件43安装于设备舱6内。
需要说明的是，设备舱6和缸体1之间为密封连接，旋转轴42和设备舱6、缸体1之间设置有旋转密封。传动组件43包括相啮合的两个锥齿轮，电机41采用减速电机41。
本发明实施例还提供了一种可控冲击波破碎矿石的方法，使用上述的可控冲击波破碎矿石的装置，包括以下步骤：
根据矿石的属性将矿石初步破碎至设定大小。然后将初步破碎的矿石放置于筛板3上。
通过注水管11向缸体1内注满水。
通过冲击波产生装置2向初步破碎的矿石实施冲击波作业。冲击波作用于矿石内部的自由面或软弱面，并通过剪切拉伸作用在矿石内部产生或扩展孔隙和裂隙，降低矿石的力学强度，从而将矿石进一步破碎、或者将矿石中目标矿物与脉石矿物分离，形成的碎石通过筛孔进入缸体1的下部。
需要说明的是，矿石是经历漫长复杂地质运动的产物，一般都存在大量的地质缺陷，如裂纹、断裂面、节理、断层、孔洞等，也是由多种矿物晶粒、胶结物等组成的复杂混合体。因而矿石材料本身固有的结构特点就是存在大量的缺陷以及组成成份种类众多，使得矿石结构呈现非连续、非均匀、各向异性和非弹性等特征。
由于岩土介质的抗拉强度远小于抗压强度，因此当矿石结构中存在自由面或软弱面时，反射拉伸波会造成矿石受到拉伸破坏，形成层裂效应。层裂过程产生的必要条件是在层裂之前须经受压缩脉冲，然后，由于自由面或者软弱面的存在使得入射压缩脉冲反射变成拉伸脉冲，当两种脉冲叠加到净拉应力区，即自由面或者软弱面时，其强度达到材料的动态抗拉强度时矿石在自由面或者软弱面处产生破坏。
因此，冲击波在不连续介质中传播时，总是将能量作用在自由面或软弱面，即介质密度不连续的弱面、孔隙、裂伤区域、以及地质缺陷处。冲击波多次作用矿石时，矿石中孔隙的变化如图3所示，矿石中裂隙的变化如图4所示。从图中可以看出，矿石经冲击波作业后，冲击波能够在矿石内部产生新的孔隙和裂隙，并与已经存在的孔隙和裂隙结合形成更大的孔隙和裂隙，进而矿石可通过剪切拉伸作用破碎。同时冲击波作业能够降低矿石的力学强度，从而提高了矿石的可磨性，使得矿石能够被破碎机、辊磨机等机械设备轻易破碎。由于目标矿物和脉石矿物之间必然存在介质密度不连续的弱面，因此冲击波能够将目标矿物和脉石矿物分离，从而实现了目标矿物的破碎和筛选。
本发明的方法能够优化选矿技术，可控冲击波作用于矿石后，矿石的力学强度大幅降低，冲击波沿着矿石裂隙破碎，因此，将可控冲击波技术嵌入现有的“破碎-磨矿-选矿”的矿物加工路线后，能够提高矿物加工时的效率。
本实施例中，还包括以下步骤：
通过冲击波产生装置2向初步破碎的矿石实施冲击波作业后，启动电机41，电机41通过旋转轴42带动筛板3旋转，筛板3上的拨石柱31拨动其上方的矿石运动，使夹杂于矿石中的碎石通过筛孔进入缸体1的下部。
再次向矿石实施冲击波作业，并重复以上步骤。
需要说明的是，冲击波对矿石的做功效应与矿石原始裂隙特征、力学性质和加载条件有关，并存在冲击波最佳作业次数。随着冲击波加载次数的增加，矿石中微裂隙线密度非线性增多，呈现缓增、快增和稳增三个阶段。裂隙经历先长、后宽两个阶段。因此根据矿石的属性，设置合理的冲击波参数能够将矿石很好地破碎至设定大小。
本实施例中，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (4)

1.一种可控冲击波破碎矿石的装置，其特征在于：包括缸体(1)和冲击波产生装置(2)；
所述缸体(1)的中部设置有筛板(3)，所述筛板(3)上设置有多个供碎石通过的筛孔；筛板的材质为钢；
所述缸体(1)的上部设置有注水管(11)，所述缸体(1)的底部设置有放水管(12)；
所述缸体(1)的上端设置有冲击波产生装置(2)，所述冲击波产生装置(2)的金属丝(21)位于所述缸体(1)内的上部；
所述缸体(1)的上端设置有缸盖(13)，所述缸盖(13)的内表面为抛物面结构，所述金属丝(21)位于所述抛物面结构的焦点处；
还包括旋转机构(4)，所述旋转机构(4)包括电机(41)、旋转轴(42)、平推轴承(44)、以及主支撑柱(45)；
所述主支撑柱(45)设置于所述缸体(1)底部的中心，所述筛板(3)通过所述平推轴承(44)安装于所述主支撑柱(45)的上端，所述主支撑柱(45)的中心设置有通孔，所述旋转轴(42)的上端穿过所述主支撑柱(45)和所述平推轴承(44)中心的孔后连接于所述筛板(3)的下表面，所述电机(41)的输出轴通过传动组件(43)与所述旋转轴(42)的下端连接；
所述筛板(3)的上表面为锥形结构，所述筛板(3)的上表面设置有多个拨石柱(31)；
所述缸体(1)的底部倾斜设置；
还包括多个辅助支撑柱(5)，多个所述辅助支撑柱(5)设置于所述主支撑柱(45)的周向，所述辅助支撑柱(5)的上端设置有滚轮(51)，所述滚轮(51)的上端与设置于所述筛板(3)下表面的环形槽体(32)的底面抵接；
所述可控冲击波破碎矿石的装置的破碎方法，包括以下步骤：
将矿石初步破碎至设定大小；然后将初步破碎的矿石放置于筛板(3)上；
通过注水管(11)向缸体(1)内注满水；
通过冲击波产生装置(2)向初步破碎的矿石实施冲击波作业；冲击波作用于矿石内部的自由面或软弱面，并通过剪切拉伸作用在矿石内部产生或扩展孔隙和裂隙，降低矿石的力学强度，从而将矿石进一步破碎、或者将矿石中目标矿物与脉石矿物分离，形成的碎石通过筛孔进入缸体(1)的下部；
然后启动电机(41)，电机(41)通过旋转轴(42)带动筛板(3)旋转，筛板(3)上的拨石柱(31)拨动其上方的矿石运动，使夹杂于矿石中的碎石通过筛孔进入缸体(1)的下部；在这过程中，拨石柱提高矿石运动的幅度，加速碎石的筛选过程，辅助支撑柱、主支撑柱和平推轴承承担筛板和矿石的重力；筛板旋转时，滚轮在环形槽体内滚动；
重复以上步骤直至完成矿石的破碎。
2.根据权利要求1所述的可控冲击波破碎矿石的装置，其特征在于：所述冲击波产生装置(2)包括所述金属丝(21)、电极(27)、开关(22)、储能电容器(23)、以及高压直流电源(24)；
所述金属丝(21)的两端分别连接于两个所述电极(27)，两个所述电极(27)分别穿过所述缸盖(13)后连接于所述储能电容器(23)的两端；所述电极(27)和所述缸盖(13)之间设置有支撑绝缘子(25)；
所述开关(22)设置于其中一个所述电极(27)和所述储能电容器(23)之间，所述高压直流电源(24)并联于所述储能电容器(23)。
3.根据权利要求2所述的可控冲击波破碎矿石的装置，其特征在于：所述缸体(1)上部的侧壁设置有矿石入口(14)和矿石出口(15)，所述矿石入口(14)位于所述矿石出口(15)的上部，所述矿石出口(15)的下边缘位于所述筛板(3)的上表面的下方，所述矿石入口(14)和所述矿石出口(15)分别位于所述缸体(1)的两侧；
所述缸体(1)下部的侧壁设置有碎石出口(16)，所述碎石出口(16)的下边缘位于所述缸体(1)底部的最低侧；
所述碎石出口(16)、所述矿石入口(14)和所述矿石出口(15)处均设置有门体。
4.根据权利要求3所述的可控冲击波破碎矿石的装置，其特征在于：所述缸体(1)的下端设置有设备舱(6)，所述电机(41)和所述传动组件(43)安装于所述设备舱(6)内。
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