JPH0975769A - 非金属成分または部分的に金属成分から凝結された固体の細分化および粉砕方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 衝撃波を用いての電気水力学的粉砕方法を、
破砕すべき物体へ格段に高いエネルギを供給することに
より、比較的に少ないエネルギ消費で粉砕が達成できる
ように、改善する。 【解決手段】 この新規の方法は固体をその内部に衝撃
波を発生することにより爆破させる。このことは、スパ
ーク電圧振幅、この振幅に達するまでの最小時間、固体
への多量のエネルギ供給量に関する各種のパラメータ組
の維持の下に、はじめて与えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非金属成分または
部分的に金属成分から凝結された固体を粉砕し、電気エ
ネルギ蓄積器を迅速に放電することにより均質の非金属
固体を細分化する方法であって、前記固体を非導電性ま
たは弱導電性の処理用液体に浸し、前記処理用液体は容
器中に収容されており、かつ該処理用液体中では、高電
圧電極およびアース電極から成る装置が、該処理用液体
と固体から成る混合物の中へ突出しており、前記電極の
端部は相互に所定の間隔を有する形式の方法に関する。

【０００２】

【従来技術】固体材料が適切な容器の中に収容されてい
る液体の中へ浸入される。高電圧電極とアース電極から
成る、放電回路の電極装置が、液体と固体から成る混合
物の中へ突出する。放電は個々にまたは周期的な時間間
隔をおいて行われる。後者の放電はその繰返し周波数の
高さの点で、装置の構成部材の寸法選定により制限され
る。詳細には実質的に、エネルギ蓄積器の充電定数と、
処理用液体中の気泡形成の消滅に必要とされる休止プロ
セスにより制限される。

【０００３】この種の方法のために上述の複数成分から
成る固体たとえばコンクリート、鉄筋コンクリート、金
属セラミックまたはその他のもろい組成材料混合物また
は、花崗岩、ガラス、鉱石のような一様な組成を有する
もろい非金属の固体は、成分へ分解されるか、または以
後の使用プロセスのため必要とされる粒の大きさまで分
解される。

【０００４】衝撃波による固体の断片化はそれ自体は公
知であり、固体またはもろい物体の電気力学的細分化ま
たは粉砕（ｅｌｅｃｔｒｏｈｙｄｒａｖｌｉｃ ｃｏｍ
ｍｉｎｕｔｉｏｎ ｏｒ ｃｒｕｓｈｉｎｇ）の概念の
下に示されることが多い。この場合、主として水中のコ
ンデンサ蓄積器によるパルス放電が、この中に浸された
電極装置を用いて使用される。放電の際に生ずる衝撃波
は、集束用素子（破砕トリプタにおけるパラボラミラ
ー）を用いて、またはこの種の手段を用いずに、粉砕お
よび細分化されるべき材料へ導かれる。ここでは、距離
による衝撃波の強度減少および境界面における反射およ
び透過の物理現象による制限がある。

【０００５】液体の中でトリガされる爆破エネルギによ
る鉱物の粉砕方法およびこの方法を実施する装置は、米
国特許第３２０７４４７号公報に示されている。この場
合、鉱石は液体と共に泥状体になるように混合されて反
応容器中へ充填される。次にここで周期的に爆破が発生
され、この爆破が、これにより発生された衝撃波を用い
て鉱物粒子を粉砕する。その結果、有用な成分と不用な
成分とが分離できる。この爆破は電気エネルギー蓄積器
の放電により達せられる。このためには電極が、容器の
中へ収容された泥状体の中へ突出する。

【０００６】物質粉砕のこの領域における重要な動作
は、ソ連の開発グループにより実施された。米国特許第
１５４２６１９Ａ１号公報に電気水力学的粉砕機を制御
する装置が開示されている。細分化されるべき材料へ衝
撃波が外部から（水力学的に）作用される。装置は制御
を最適に実施して、粉砕装置における良好な効率を維持
する。

【０００７】ソ連特許公報第１７１９０７５号Ａ１にお
いては、容器が設けられており、この容器の中で材料が
衝撃波の集束化により高い効率で破砕できる。このため
に容器はその開口において次の装置により被われてい
る。即ち陽極と陰極との間の電気放電により送出される
衝撃波を反射して、容器底部に設けられた材料集積体へ
収束させる装置により、被われている。このカバーは容
器壁に弾性的に結合されている。その目的は衝撃波によ
る機械的負荷を吸収するためである。

【０００８】引用された刊行物において、材料破砕の基
礎とする構成は、液体中での電気放電による衝撃波の発
生である。このようにして発生された、反応容器中の衝
撃波は外部から、粉砕されるべき対象へ作用する（電気
的水力学的に）。このためには高いエネルギ消費が必要
とされる。何故ならば液体中へ浸された硬い材料または
もろい材料は、ハンマー打撃によるように外部からの圧
力印加により、分裂させなければならないからである。
エネルギ供給量に関する収支バランスは、物理的にだけ
考察すると、液体中の固体への衝撃波の印加によって
は、任意に多量のエネルギを取り込めない。そのためこ
の基本構成に基づく破砕方法は著しく高い放電電流を用
いなければ、即ち著しく大きいエネルギ蓄積器を用いな
ければ改善できない。衝撃波の強度は公知のように、発
生個所から１／ｒ²にしたがって減少する。流体と固体
との境界面において、到来する衝撃波は分割される。こ
の分割では、この境界で液体としての水において約２／
３が反射され、約１／３が、破砕されるべき対象たとえ
ば花崗岩の中へ侵入する。電気水力学的作用による固体
中のエネルギ供給量の割合は小さい。

【０００９】拡大されたコンデンサ蓄積器による蓄積エ
ネルギの増加は、より高い放電電流を意味する。この高
い放電電流は、電流負荷による構成部材のより大きい負
荷（切り換え用構成素子における）と、衝撃波（反応容
器中の特に損傷しやすい構成部材における振動）を伴
う。

【００１０】

【発明の解決すべき課題】本発明の課題は、衝撃波を用
いての電気水力学的粉砕方法を、破砕すべき物体へ格段
に高いエネルギを供給することにより、比較的に少ない
エネルギ消費で粉砕が達成できるように、改善すること
である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この課題は本発明によ
り、請求項１の方法ステップを用いて、与えられたパラ
メータ範囲の維持の下に解決されている。

【００１２】この場合、装置の構造は、その都度の材料
に一層よく適合化できる。この材料は従来の、液体の中
の材料収容の他に、材料の簡単な取り込み迅速な材料取
り出しを可能にする。

【００１３】決定的な進歩をもたらした基本技術思想
は、実験および、模式図とこれにより基礎づけられた電
圧・時間特性を用いて説明される、得られた測定値の認
識に基づく。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１のａ）に電気的模式図が示さ
れている。この模式図は、反応容器中の放電の際の過程
の説明に用いられる。

【００１５】液体と固体に、著しく小さい（急峻な）立
ち上がり時間を有する電圧パルスを印加する（電極間隔
は等しいとする）と、時間遅延τの後に電気スパークが
観察される。加えられる電圧が高いほど、時間的遅延は
それだけ小さくなる。図２は石、水、トランスオイルお
よび空気の場合の特性曲線を示す。全部の曲線は基本的
に、遅延時間τの増加と共に、必要とされるスパーク電
圧の非線形の低下を示す。しかしこの低下は時間的に等
しくなく、電圧レベルは、部分的に明瞭に相異なる、即
ち材料に固有である。

【００１６】図２における曲線に示されているように、
固体（石）のスパーク曲線と液体（水）のスパーク曲線
は交差する。スパーク電圧がこの交差時間（この実施例
の場合は５００ｎｓｅｃ）において達すると、スパーク
は石の中でも流体の中でも発生する。電圧がこの交差時
間における電圧よりも速く上昇すると、石の中でのスパ
ークが発生しやすくなる。電圧が緩慢に上昇すると水中
でのスパークの方が発生しやすくなる。スパーク発生の
交差点における遅延時間τの傾向は当然左側または右側
の電圧上昇が明瞭になるほど、一方または他方の物質に
対してそれだけ大きくなる。請求項１における遅延時間
データτすなわちスパーク電圧振幅に達するまでの時間
τは材料に固有である。この時間は多くの石の形式の材
料と金属に対してだけ確実であることがわかった。この
時間はいくつかの適用事例において、破砕されるべき材
料と反応液体の交差する特性曲線において、両方の曲線
の交差点における遅延時間の考慮の下に修正することも
できる。

【００１７】このことを図３が示す。この図において
は、互いに交差する両方の曲線において、所属のスパー
ク電圧曲線を中心とする許容幅が設けられている。共通
の重なり範囲の左のコーナー点は遅延時間τを示す。こ
の遅延時間においては、非常に確実にまず最初に電気ス
パークが固体（石）の中で生ずる。石の中でのこの電圧
スパークに起因して、液体の中での放電は生じない（図
１のａ）参照）。

【００１８】この共通の重なり範囲の右のコーナー点
は、ここから以降は液体中で確実にスパークが生ずるこ
とを示す。

【００１９】電極の間に水と石がある時、即ち液体の中
に固体が浸されている（図１のｂ））場合は、この状態
は中間位置をとる。電圧の上昇中に石の中に既に小さい
電界強度の場合に電荷キャリヤが生ずる。この電荷キャ
リヤは電気力線に沿って移動され、この経路短縮に基づ
いて、残りの水中の経路の中に高められた電界強度を生
ぜしめる。図２に示されているようにこの場合、電界強
度は局所的に液体中のスパーク電界強度に達する。その
結果、石と水の中の放電が同時に進行する。

【００２０】約５００ｎｓｅｃにおける両方の曲線の交
点を通る垂線（図４）が、この範囲を分ける。即ち外部
から作用する衝撃波による破砕（圧縮破砕）と、固体中
の電流により生ずる破砕（爆破性破砕）である。石中で
放電を確実に生ぜさせる目的で、図３（許容幅を有す
る）による電圧の立ち上がりは、この時間τ＝５００ｎ
ｓｅｃを著しく下回るように行うべきである。図４に示
した実施例においては、確実な電流制御のために、スパ
ーク電圧までの電圧上昇は遅延時間２００ｎｓｅｃを下
回るように選定された。水ではなく空気が用いられる場
合は、いずれにしても放電は空気中で行われた。水では
なく図３に示された電気的に絶縁性の液体が用いられる
場合、即ちトランスオイル、アルコールまたはその他が
用いられる場合は、この制限となる遅延時間を下回るこ
とは問題とはならないであろう。何故ならばこの場合は
いずれにしても放電が、浸された固定の中で進行するか
らである。

【００２１】この種の装置は電気水力学的制御だけで作
動されるよりも次の条件の下で、著しく効率的に作動で
きる。即ち： −電極間の電界強度が１０ＫＶ／ｍｍと３０ＫＶ／ｍｍ
の範囲に維持される時。

【００２２】−スパーク電圧までの電圧立ち上がりが２
００ｎｓｅｃ以内に行われる時。またはより一般的に表
現すれば、安全のため、反応容器の中での液体の反応物
質と固体の反応物質との交点における遅延時間よりも、
電圧立ち上がりが著しく小さい時。

【００２３】−固体中の放電路に沿ってのエネルギー入
力結合は、この経路に関連づけて、１２Ｊ／ｍｍから４
０Ｊ／ｍｍまでの範囲に維持される時。

【００２４】１放電当たりのエネルギー供給量は固体中
の効果の状態を定める。パラメータ範囲は次のように選
定されている。即ち固体中で放電路に沿ってのエネルギ
入力結合により、固体内部に発生された衝撃波による固
体の引き裂きが、いわゆる爆破による引き裂きが行われ
るように選定されている。この引き裂きは次のようにし
て行われる：即ち、著しく短い時間内に放電路に沿って
入力結合された熱は、熱伝導によって十分迅速には放熱
できず、原子の速度成分を介して放電路から取り出され
て固体中に衝撃波を発生させる。衝撃波の作用は、固体
と液体媒体との境界面における衝撃波の反射成分の重畳
により増幅され、これにより固体はさらに断片へ分解さ
れる。

【００２５】材料そのものの中で発生される衝撃波の、
外部から固体へ作用される衝撃波と比較しての利点は、
冒頭で説明されたように比較できないくらい大きい。固
定中で放電路の周囲に発生された衝撃波は固体境界面に
おいて液体の処理用媒体方向への透過により強度の約１
／３だけを失い、２／３はここで反射されて固体中を進
行する際に以後は固体の負荷となる。この模式図により
わかることは、固体中で発生された衝撃波とこれにより
引き起こされる爆破引き裂きは、外部から圧縮の形式で
物体に作用する衝撃波よりも、物体に対する著しく高い
負荷を意味する。

【００２６】小型の実験装置において水中での石への作
用が試験された。水の中だけの放電の場合、即ち外部か
ら固体への衝撃波の場合、圧縮破砕のために１０ＫＪ／
パルスより多くのエネルギが必要とされた。固体中での
放電のためには、即ち固体を流れる電流は、したがって
爆破による引き裂きの場合は、このことは０．６〜１Ｋ
Ｊ／パルスで達成された。これは１桁だけ小さいエネル
ギ消費である。

【００２７】反復された放電過程により処理用液体中に
浸された固体は相次いで所定の粒の大きさへ細分化でき
る。ガラスの場合は破砕された製品の粒の大きさは、こ
のために操作を補強することなく、４０μｍを下回る値
に達せられる。この方法により達せられる粒の最小の大
きさは材料に固有であり、実験装置におけるテストによ
り迅速に求めることができる。

【００２８】何らかの粉砕計画において有利であること
がわかる別の方法ステップは、従属形式の請求項２と３
に特徴づけられている、処理用液体の選択に関する。

【００２９】どのような液体をこの中に浸された材料の
細分化と粉砕のために用いるかは、多くの理由により定
められる。まず最初にこれは材料粉砕の高い効率であ
る。重要なことはどのようにして処理用液体とこの中に
存在する断片からなる混合物を以後に処理して分離して
選別できるか、即ち不用物を廃棄できるかである。その
ため請求項２は処理用液体として水道水又はミネラルを
除去した水を特徴づけている。この水により、水のスパ
ーク曲線と固体のスパーク曲線との交点に基づいて、電
圧の立ち上がりにおける最小時間を下回るようにする必
要がある。他方、請求項３は電気的に良好に絶縁性の液
体たとえばトランスオイル、アルコール、液体状即ち加
熱された状態のパラフィンまたは冷却または加熱された
液体物質を特徴づける。いずれにしてもこれらにより固
体中でのスパークが達せられる。もちろん周囲の負荷に
関する適切な予防手段は見当らず、そのため著しく効率
のよい処理用流体を完全に不適格にすることがある。

【００３０】他方、処理されるべき固体が固くないか、
または十分にもろい時はこのことは冷たい処理用液体に
より達成できる。液体窒素は公知のように、もろさを達
成可能にするこの種の液体である。

【００３１】基本的に液体は化学的に反応性に富まない
ものにすべきである。そのため液体空気または液体酸素
は特別な予防手段を用いなければ処理用液体としては適
していない。

【００３２】処理用液体は、請求項４に示されているよ
うに、前述の特性を有する多成分の液体とすることがで
きる。

【００３３】請求項５と６は高電圧の極性を示す。本発
明により示されたことは、流体中に浸された一方の電極
における高電圧の正の極性と、アース電位へ置かれた、
ふるいの形式の他方の電極−この中へ小さい断片が落下
する−は、高い位置の電極が負の極性を有するかのよう
に一層効果的に動作する。このことは陽極と陰極との間
の気体スパークの模式図において説得的に説明される。

【００３４】この方法は、用途に関する請求項７と８に
示されているように多方面で使用される。金属を含む鉱
石、貴金属を含む含有物の選鉱のために、または鉱物及
び石英含有物の選別のために使用される（請求項７）。

【００３５】技術的に高価な生産物をそれらの寿命の終
わりにリサイクルする際に行われるような、金属−プラ
スチック−セラミック混合物またはこれらの組合せ混合
物の分離のために用いられる（請求項８）。

【００３６】再度強調すると、パラメータ組の設定は、
スパーク電圧振幅に達するための（場合により固有の）
時間の維持の下に、請求項１における両方の不等式とし
て示されているように、固体状の材料の細分化または粉
砕が最小のエネルギ消費による爆破破砕を用いて可能と
なる。圧縮破砕（電気水力学）は上記と同じ作用のため
には少なくとも１桁だけ高いエネルギ消費を必要とす
る。

【００３７】本発明による方法は上述のように詳細に説
明され明瞭にされた。完全を期するために、この方法を
実施できる装置の構造と動作を簡単に説明する。既に説
明された図面に付加してさらに２つの別の、基本的な装
置構成と同じ反応容器の一例に関する別の図面を付加す
る。

【００３８】まず最初に図１のａ）を再び電気的構成か
ら簡単に説明する。この図はスパーク電圧曲線を求める
ための電気的構成を示す。整流器とトランスからなる電
源１３はコンデンサ１０に給電をする。コンデンサは次
に火花区間１４を介して負荷１６へ放電する。負荷は、
固体と液体から成る電気的に並列接続体から成る。

【００３９】破砕−及び細分化装置の実施例が図５に示
されている。反応容器１は架２の上に配置されている。
架２の中にふるい４により濾過されて底部に堆積される
細片５のための捕捉容器３が設けられている。ふるい４
はアース電位に置かれる。反応容器１は、放電の際の衝
撃を捕捉できる耐打撃性のプラスチックから形成され
る。リング６は機械的補強リングであり、このリングは
電気的クリーピング区間を越えて延在する。そのため反
応容器に沿ってのクリーピング放電は少なくともほとん
ど生じにくくなるか、または完全に遮断される、反応容
器の中へ正に極性づけられた高電圧電極７が突出する。
高電圧電極はエネルギ蓄積器８と接続されている。エネ
ルギ蓄積器８はコンデンサ蓄電器１０と電圧逓倍回路９
から成る。

【００４０】エネルギ蓄積器全体は同じく架１１の上に
配置されており、この下に制御装置１２、整流器とトラ
ンス１３、エネルギ蓄積器８のためのスイッチング区間
１４が設けられている。ここでは技術上の詳細に立ち入
らずに、図６の構成を簡単に説明する。反応容器１の壁
の断面図は構成配置を示す。半円状のふるい４の網目間
隔または孔間隔は、所望の粒の大きさを有する細片が通
過または落下して捕捉容器３の底部に堆積するように、
選定されている。ここから細片は底部開口を通って液体
と共に吸い出される。ふるい４はアースされた電極４を
形成する。反応容器１はカバー２０により被われてい
る。このカバーを貫通して高電圧電極７が容器内部へ、
電極先端がふるい４へ所定の間隔を有するように、突出
する。

【００４１】高電圧電極７は反応容器１の中の長い走行
路にわたり円筒状の絶縁体２１により囲まれている。こ
の絶縁体は、充填された処理用液体中への寄生放電を阻
止する。突出体６は前述の、反応容器の機械的補強用お
よび電気クリーピング路の延長路のためのリングであ
る。

【００４２】この種の形式の装置は、およびその使用目
的のためには、例えばこの装置が選鉱処理装置の中に統
合化されている時は、多種の構造的構成がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】ａ）とｂ）は放電過程を観察するためのモデル
図である。

【図２】遅延時間に依存するスパーク電圧の特性図であ
る。

【図３】許容幅におけるスパーク電圧の特性図である。

【図４】図２を電流領域と衝撃波領域へ分けて示した図
である。

【図５】破砕装置の構成図である。

【図６】反応容器の断面図である。

【符号の説明】

１ 反応容器、 ２ 架、 ３ 捕捉容器、 ４ ふる
い、アースされている電極、 ５ 細片、 ６ リン
グ、突出体、 ７ 高電圧電極、 ８ エネルギ蓄積
器、 ９ 電圧逓倍回路、 １０ コンデンサ蓄積器、
１１ 架、 １２制御装置、 １３ 整流器とトラン
ス、電源、 １４ スイッチング区間、火花区間、 １
５ スイッチ、 １６ 負荷、 １７ 固体、 １８
液体、 １９ 底部開口、 ２０ カバー、 ２１ 絶
縁体、 ２２ 火花区間、スイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フォルカー ノイベルト ドイツ連邦共和国 カプスヴァイヤー ハ ウプトシュトラーセ 34 (72)発明者 ヴァレリ クレッツ 独立国家共同体 トムスク ポリテヒニチ ェスキー ウニヴェルシテータ トムスク （番地なし) (72)発明者 エドゥアルト タラカノフスキー 独立国家共同体 トムスク ポリテヒニチ ェスキー ウニヴェルシテータ トムスク （番地なし)

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非金属成分または部分的に金属成分から
   凝結された固体を粉砕し、電気エネルギ蓄積器を迅速に
   放電することにより均質の非金属固体を細分化する方法
   であって、 前記固体を非導電性または弱導電性の処理用液体に浸
   し、 前記処理用液体は容器中に収容されており、 かつ該処理用液体中では、高電圧電極およびアース電極
   から成る装置が、該処理用液体と固体から成る混合物の
   中へ突出しており、 前記電極の端部は相互に所定の間隔を有する形式の方法
   において、 高電圧電極の端部とアース電極の端部との相互の間隔ｌ
   を、パルス印加中の電極端部間の電界強度が１０ＫＶ／
   ｍｍ＜Ｕ／ｌ＜３０ＫＶ／ｍｍの値に達するように設定
   するステップと、 放電回路ＬＣの値を、高電圧パルスがスパーク電圧の振
   幅まで、 ｔ≦２００ｎｓｅｃ以内に立ち上がるように選定し、 これにより、液浸された固体の内部における電圧ブレー
   クダウンが液体中における電圧ブレークダウンよりも早
   期に行われ、さらに電圧およびコンデンサ容量により定
   められる放電のエネルギ量が、放電間隔ｌとの関係で、 １２Ｊ／ｍｍ＜１／２＊ＣＵ²／ｌ＜４０Ｊ／ｍｍの範
   囲において変化し、 固体中の放電区間に沿った、ジュール熱によるエネルギ
   入力結合によって、前記放電区間から出てゆく衝撃波お
   よび、次に液体への境界層において部分的に反射される
   衝撃波を前記固体中に発生されるステップと、 後者の衝撃波により固体を内部から破裂（爆破）させて
   断片へ分解するステップと、 液体中の付加的な放電により同じく衝撃波を発生させる
   ステップと、 該衝撃波を、容器壁面で反射された衝撃波と共に付加的
   に、液体中に浸された固体へ圧縮的（電気水力学的）に
   作用させるステップと、 コンデンサ蓄積器を、所定の時間間隔後に新たに充電さ
   せ、再び電極を介して放電させるステップと、 この過程を、前記固体が所望の粒子の大きさに達した比
   較的に小さな断片に分解されるまで反復するステップ
   と、 該断片をふるいにより反応容器の中に落下させるかまた
   は液体沈殿分類により取り出すステップとを有すること
   を特徴とする、非金属成分または部分的に金属成分から
   凝結された固体の細分化および粉砕方法。
2. 【請求項２】 液体として水道水および／またはミネラ
   ル分の除去された水を使用する、請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 液体として耐高電圧絶縁性の液体を使用
   し、該液体のスパーク電圧曲線が、液体中に浸された処
   理すべき固体のスパーク電圧曲線よりも常により高い値
   を有するようにする、請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】 液体として、水とグリコールの混合物ま
   たは水とアルコールの混合物またはこれらから成る多成
   分混合物を用いる、請求項１記載の方法。
5. 【請求項５】 高電圧の極性を正に設定する、請求項１
   から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 【請求項６】 高電圧の極性を負に設定する、請求項１
   から４までのいずれか１項記載の方法。
7. 【請求項７】 自然石中の貴金属、宝石、または鉱物の
   ような含有物を取り出すために使用するか、または結晶
   に関して異質に構成された固体をその成分へ分解するた
   めに使用するか、または金属とセラミックの結合体の分
   離のために使用する、請求項２から６までのいずれか１
   項記載の方法。
8. 【請求項８】 金属・プラスチック結合物の分離のため
   に、またはプラスチック・セラミック結合物の分離のた
   めに、または金属、セラミック、プラスチックから成る
   結合物の分離のために使用する、請求項２から６までの
   いずれか２項記載の方法。