0 引言

近年来,高压静电分选技术发展迅速,在工业选矿和废旧电路板回收领域得到广泛应用^[1-2]。高压静电分选是利用待分选物料颗粒之间导电性差异,在电场力、重力、离心力等同时作用下实现物料颗粒的分选^[3]。影响物料颗粒分选的主要因素是空间电场强度^[4-6],因此对高压静电分选机中的电场特性研究非常关键。

目前,国内外学者针对分选机中的空间电场进行了不同程度的研究。李佳等模拟了静电分选中电极结构,形状,角度等参数对空间电场的影响^[7-8],提高了分选效率。Dascalescu通过有限元方法建立了不同电极结构下电场的数学模型^[9],指导了电极结构的优化。Samuila等研究了电晕极角度的变化对电场分布的影响^[10]。

然而,国内外学者对于静电分选机中的电晕极多采用线型电极,对不同结构排针型电极的放电特性等鲜有报道。本研究采用自制新型排针-辊式高压放电模型,探究了不同结构排针型电极的放电特性。通过对高压静电分选技术的理论分析,模拟了不同结构排针型电极的电场分布,得到了最佳的排针型电极结构,为设计和改进静电分选机提供了一定的数据支撑。

1 实验装置及方法

实验装置见图1,包括：单相变压器、静电电压计、低压电压表、低压电流表、微安表、排针,以及直径为250 mm、长为410 mm的转辊等。排针一端连接高压电源,由升压变压器提供高压,通过微安表1测排针电流。分别对直径为1.0、1.6和2.0 mm排针型电极进行放电实验,探究相同结构、不同直径放电针对转辊表面放电特性的影响。确定放电针直径为1.0 mm,对35根放电针中的偶数序号放电针进行缩进,每次缩进5 mm,共缩进5次进行放电试验,缩进长度分别为5、10、15、20和25 mm。测量每次缩进条件下排针电流及针电流。

该研究旨在寻求产生最佳电场的排针型电极结构,提高分选效率。绘制了不同直径放电针的电晕放电伏安特性曲线,分析了放电针直径对针电流分布规律的影响。为在相同电压下得到最佳的放电效果,对35根放电针中的偶数序号放电针进行缩进试验,研究了5种缩进条件下的放电特性,获得了最佳排针型电极结构。另外,采用了一种新的测量方法,实现了对针电流的测量。将35根放电针与阵列开关相连接,利用阵列开关控制单根放电针与负高压连接时,通过微安表2,实现对针电流的测量。针电流测量电路见图2。新型排针-辊式放电装置侧 视图见图3。其中排针-辊间距为h,排针与x轴(水平方向)的夹角为α;R为转辊侧面圆半径。

2 实验结果及分析

2.1 放电机理

在静电分选电场中,电晕极表面是聚集电荷的主要部位,而电晕极表面的电荷密度与其曲率半径有关^[11-13]。新型排针电极的电晕放电分为4个阶段：①起始放电阶段,即当电压超过阈值电压气体被击穿。②规则脉冲阶段,当电压升高到一定值,针尖周围会聚集大量自由电荷,产生强电场。电子在阴极附近强电场的作用下,向接地转辊加速运动,获得很大能量,不断地进行非弹性碰撞并由此引发一系列有效电离和激发^[14]。当电子运动速度减慢时,附着氧分子的几率增大,进而形成氧负离子。氧负离子产生的电场减弱了排针型电极和接地转辊之间的场强。当场强减弱到一定程度时,电子崩消失,放电中断。等到分选空间电荷消失后,会出现新的电子崩,进而形成脉冲电流。③稳定放电阶段,排针电流呈稳定直流形式而不再是脉冲,排针电流随电压升高而继续增大。④火花放电阶段,发生在较高电压条件下的电极间击穿^[15-17]。

针型电极场强计算式为^[18-22]

\(E=\frac{2U}{(D+2s)\ln (\frac{D+2h}{D})}\) (1)

式中：D为放电针直径;U为电晕电压;s为电场中一点到针尖的距离;h为排针-辊间距。由式(1) 可知：放电针直径、电晕电压及排针-辊间距一定时,针尖周围的场强最大,远离针尖方向,场强逐渐减

图1 排针–辊式放电实验装置图 Fig.1 Experiment device of needle-roller discharge

图2 针电流测量电路图 Fig.2 Measuring circuit of discharge needle

弱。随着排针-辊间距的增加,放电减弱,场强减小。

排针电流I与电场强度E的关系为

\(I=2\pi \mu \rho E\) (2)

式中：I为排针电流;µ为带电粒子的迁移率;ρ为空气介质电阻率。由式(2)可知,排针电流与电场强度成正比。在实验中,通过测量排针电流的大小来表征电场强度。

本研究采用新型排针电极进行实验,有效电压范围为15~50 kV,排针电极上的针数为35根。

2.2 排针型电极的放电特性研究

2.2.1 不同直径排针型电极的放电特性

排针型电晕放电装置由排针电极、接地转辊、电流测量装置3部分组成。首先,研究了直径为1.0、1.6、2.0 mm的排针型电极在α=45°、h=60 mm时的放电伏安特性,实验结果见图4。对于不同直径的排针型电极结构,其排针电流随电晕电压的变化规律呈单调递增的趋势。保持排针-辊间距h不变,只改变放电针的直径,发现随着放电针直径的减小,排针电流增大,空间电场强度增强。

为进一步探究不同直径放电针对排针电流的影响,设计了针电流的测量装置。图5为U=33 kV、h=60 mm时针电流的分布情况。由图5可知,电晕电压一定,排针-辊间距不变的条件下,放电针的直径越小,针电流越大。不同直径排针型电极针电流的差别导致了排针电流的差异。

2.2.2 不同结构排针型电极的放电特性

为在相同电压下得到更好的放电效果,选取直径为1.0 mm的放电针进行实验。对35根放电针中的偶数序号放电针进行缩进,每次缩进5 mm,共缩进5次进行探究性试验,缩进长度分别为5、10、15、20和25 mm。缩进装置示意图见图6。

图3 排针―辊式放电装置侧视图 Fig.3 Side view for needle-roller discharge device

图4 放电针直径分别为1.0、1.6、2.0 mm,排针-辊间距h=60 mm的伏安特性 Fig.4 Volt-ampere characteristic of needle electrode when the diameter of discharge needle are 1.0 mm, 1.6 mm, 2.0 mm, and h is 60 mm

图5 电晕电压为33 kV,排针-辊间距h=60 mm的单个放电针上的电流分布 Fig.5 Current distribution on single discharge needle when the corona voltage is 33 kV, and h is 60 mm

图6 缩进装置示意图 Fig.6 Schematic for indent

首先探究了排针型电极在5种缩进条件下针电流分布。奇数序号放电针距辊面为40 mm,电晕电压为25 kV时,不同结构排针型电极针电流分布见图7。结果表明：无缩进条件下针电流相对稳定,基本维持在8~9 μA。在偶数序号放电针缩进过程中,其针电流逐渐减小至零。奇数序号放电针针电流呈先增大后减小的趋势。在偶数序号放电针缩进长度为15 mm时,奇数序号放电针针电流达到峰值。

5种缩进条件下排针电流见图8。实验结果表明：随着偶数序号放电针缩进长度增加,排针电流经历了一个先增大后减小的过程。在缩进长度为15 mm时,排针电流达到峰值,放电效果最佳。

2.2.3 不同结构排针型电极的电场模拟

通过实验发现：改变排针型电极结构,会对电晕特性产生影响。偶数序号放电针的缩进使得排针电流增大。当缩进长度为15 mm时,排针电流达到最大值。为了直观反映排针型电极在5种缩进条件下的电场分布情况,应用MATLAB中的PDE工具箱对电场进行了模拟。设定放电针直径为1.0 mm、电压为-25 kV,奇数序号放电针距辊面40 mm。等势线与电场线垂直,能反映空间电场的分布情况。等势线越密,电场线越密,为排除等势线条数对模拟结果的影响,模拟中固定等势线条数为80条,在上述条件下,对不同结构的排针型电极进行模拟,模拟结果如图9所示。

由图9可知,随着偶数序号放电针缩进长度的增加,其针尖附近等势线密度减少,但是,偶数序号放电针对奇数序号放电针的放电有增强作用。5次缩进中,增强作用先增大,后减小,当缩进长度为15 mm时,增强作用最大,排针放电效果最佳。电场模拟结果与实验相一致,印证了排针中缩进的偶数序号放电针对突出的奇数序号放电针的放电有加强作用。

图7 电晕电压为25 kV,5种缩进条件下放电针上的电流分布 Fig.7 Current distribution on single needle under different structures when the corona voltage is 25 kV

图8 5种缩进条件下伏安特性 Fig.8 Volt-ampere characteristic of needle electrode under different structures

图9 电晕电压为25 kV、5种缩进条件下的电场模拟 Fig.9 Simulation of electric field under different structures when the corona voltage is 25 kV

3 结论

1）其他条件一定,排针型电极直径越小,排针电流及针电流越大。

2）随着偶数序号放电针缩进长度的增加,排针电流及针电流经历了一个先增大后减小的过程,在缩进长度为15 mm时达到峰值,获得了最佳的放电效果。

3）偶数序号放电针的缩进对空间整体电场强度有加强作用。在缩进长度为15 mm时,加强作用最强,放电效果最佳。

4）电场模拟结果与实验相一致,验证了排针中缩进的偶数序号放电针对突出的奇数序号放电针的放电有加强作用。

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