Электроимпульсное разрушение материалов: научно-технические основы способа и опыт разработки
Автор: Усов Анатолий Федорович
Журнал: Ученые записки Петрозаводского государственного университета @uchzap-petrsu
Рубрика: Физико-математические науки
Статья в выпуске: 2 (115), 2011 года.
Бесплатный доступ
Электроимпульсное разрушение материалов, электрический пробой, канал разряда
Короткий адрес: https://sciup.org/14749876
IDR: 14749876
Текст статьи Электроимпульсное разрушение материалов: научно-технические основы способа и опыт разработки
Изложены физические основы электроимпульсного способа разрушения материалов – формирование канала пробоя в твердом теле на импульсном напряжении в микросекундном диапазоне воздействия и закономерности его разрушения действием канала электрического разряда при выделении в нем энергии емкостного накопителя. Ключевые слова: электроимпульсное разрушение материалов, электрический пробой, канал разряда
Российскими учеными предложен и всесторонне исследован электроимпульсный способ разрушения материалов (ЭИ). Заложены основы нового научного направления в электрофизике – физики электровзрыва в конденсированных средах и его технологического применения для разрушения материалов (электроимпульсная технология). Выполненными работами созданы научнотехнические основы для появления высокопроизводительных, энергетически и технологически эффективных технических средств и процессов для горного дела, инженерного строительства, переработки минерального сырья.
ФИЗИЧЕСКИЙ ПРИНЦИП
ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО РАЗРУШЕНИЯ
Разрушающее действие разрядов атмосферного электричества известно давно. В литературе описаны многочисленные случаи наблюдавшегося в природе разрушения естественных объектов и сооружений (деревья, скалы, башни, железобетонные опоры и т. п.) при ударе в них молнии. Электрический пробой твердой изоляции в электрических аппаратах и в системах передачи импульсного высокого напряжения также, как правило, сопровождается ее механическим разрушением. Полезное использование наблюдавшегося эффекта разрушения твердых тел электрическим разрядом для разрушения горных пород и руд было предложено в 50–60-е годы прошлого века несколькими отличающимися способами, которые составили класс импульсных электроразрядных способов разрушения материалов.
Согласно первоначальному предложению профессора А. А. Воробьева [1], электрический пробой твердого тела достигался использованием высокого импульсного напряжения, как это имеет место при пробое твердых диэлектриков в исследованиях электрической прочности. Однако, чтобы реализовать данный вариант способа, требуется создать особые условия для пробоя, которые бы гарантировали сквозной электрический пробой твердого тела и исключали возможность электрического разряда по поверхности твердого тела (разряда перекрытия). Отбойка породы от массива возможна при расположении электродов в отдельных специально выбуренных шпурах так, чтобы путь перекрытия по поверхности был значительно больше разрядного промежутка в твердом теле; в крайнем случае, для пород с низкой электрической прочностью (сланцы, каменные угли), – при ступенчатой форме забоя. Именно в таком варианте впервые в 1953 году И. И. Каляцким (Томский политехнический институт) был опробован способ отбойки углей электрическим пробоем с использованием генераторов импульсного напряжения (ГИН) типа Аркадьева – Маркса.
Оригинальное решение было найдено в варианте способа, который в дальнейшем получил название электроимпульсного разрушения материалов. Его основой является эффект внедрения разряда в твердое тело на импульсном напряжении в микросекундном диапазоне воздействия [2], зарегистрированный как научное открытие «Закономерность пробоя твердого диэлектрика на границе раздела с жидким диэлектриком при действии импульсов напряжения» (А. А. Воробьев, Г. А. Воробьев и А. Т. Чепиков, приоритет от 14 декабря 1961 года) и иллюстрируемый на рис. 1.
В традиционных условиях на постоянном и переменном напряжении, на импульсном напряжении миллисекундного диапазона при значительной вариации электрической прочности различных диэлектриков наиболее общим случаем является тот, что электрическая прочность твердых диэлектриков выше прочности жидких диэлектриков и еще в большей степени – газов. В этом случае разряд в промежутке между электродами, наложенными на подвергаемый разрушению массив с одной свободной поверхности и даже на кусковой фрагмент породы, развивается по поверхности массива или фрагмента с мини- мальным эффектом разрушения за счет электро-гидравлического воздействия. При сокращении экспозиции импульсного напряжения электрическая прочность диэлектриков растет (зависимость описывается ВСХ), однако прочность твердых тел возрастает в меньшей степени, чем жидких сред и газов. В результате этого наступает инверсия соотношения электрических прочностей сред: в диапазоне времени воздействия менее 10–6 с электрическая прочность горных пород становится ниже прочности диэлектрических жидкостей, а при экспозиции напряжения менее (1–2) ⋅ 10–7 с – ниже прочности технической воды.
Точка пересечения вольт-секундных характеристик (критериальная крутизна фронта импульса напряжения A k ) соответствует равенству прочностей и вероятностей электрического пробоя сравниваемых сред. В области инверсии прочностей (на диаграмме в области левее A k ) при подаче импульса напряжения на электроды, установленные на поверхности твердого тела, электрический разряд формируется уже непо -средственно в твердом теле и разрушает его. Среда, окружающая разрушаемый материал с токоподводящими электродами, выполняет в процессе прежде всего роль агента, способствующего электрическому пробою твердого тела, и обеспечивает технологическую функцию удаления продукта разрушения из зоны реализации процесса.
Техническими средствами реализации спо -соба в различных технологических процессах являются многоэлектродные конструкции, позволяющие превратить единичные акты разруше-

Рис. 1. Принцип электроимпульсного разрушения: а) сопоставление вольт-секундной характеристики (ВСХ) различных сред; б) последовательность процессов пробоя и разрушения в системе с одной свободной поверхностью; в) последовательность процессов пробоя и разрушения фрагментов материала


Рис. 2. Буровой наконечник (а) и последовательность пробоя и разрушения забоя скважины многоэлектродным устройством (б). Штриховкой отмечены потенциальные электроды ния в непрерывный технологический процесс со свойственными ему техническими параметрами. Важнейшим элементом физической основы способа является физический феномен автоматического распределения разрядов в разрядных промежутках многоэлектродной породоразрушающей конструкции. Принцип автоматического распределения разрядов в разрядных промежутках многоэлектродной породоразрушающей конструкции действует следующим образом. При пробое в одном из промежутков (1) образовавшаяся в поверхностном слое массива после разрушения воронка заполняется жидкостью, что приводит к электрическому упрочнению промежутка в данном участке забоя. Поэтому по следующие разряды происходят поочередно в соседних промежутках (2, 3, ...), обеспечивая полное разрушение породы по всей площади забоя и циклическое перемещение электродного устройства в скважине.
Принцип автоматического распределения разрядов по площади забоя при использовании многоэлектродных конструкций позволяет обеспечить непрерывность процесса разрушения массива на забое в процессе бурения или последовательное сокращение крупности кускового материала в процессах его дезинтеграции без каких-либо специальных мер (вращение инструмента, классификация материала по крупности и принудительная коммутация разрядов и т. п.). Забою разрушения за счет соответствующего выбора формы электродов и их расположения может быть придана любая произвольная форма – круглая, прямоугольная, щелевая, кольцевая и т. д.
Исследованию физических закономерностей и технологическому опробованию новых технологий посвящен монографический цикл работ [8], [6], [5], отмеченный премией им. П. Н. Яблочкова Российской академии наук за 2003 год. Ниже приводятся лишь краткие сведения об объектах исследования и основных результатах этих работ.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОБОЯ ГОРНЫХ ПОРОД
Практическая возможность использования способа в конкретных технологических целях в значительной степени определяется электрическими и энергетическими параметрами процесса, такими как уровень рабочих напряжений U , производительность единичного разряда V , энергоемкость разрушения W . Приоритетности этих показателей подчинены изучение физических основ, оптимизационные исследования техники и технологии способа. Уровень рабочего напряжения определяет техническую и эксплуатационную надежность техники. При слишком высоком уровне рабочего напряжения снижаются надежность работы изоляционных элементов, стабильность работы генерирующей аппаратуры, повышаются габариты оборудования. Производительность и энергоемкость разрушения определяют экономическую эффективность технологии.
Механизм ЭИ может быть представлен двумя процессами, действующими во времени друг за другом: образованием в результате электрического пробоя в поверхностном слое твердого тела канала разряда и последующим разрушением твердого тела под действием механических напряжений, возникающих в результате расширения канала разряда при выделении в нем энергии емкостного накопителя. Первая стадия процесса определяет уровень напряжения, при котором реализуется процесс (рабочее напряжение). Выбором оптимальных параметров импульсного напряжения и условий пробоя (вид среды, геометрия электродной конструкции) достигаются минимальные градиенты напряжения пробоя. На второй стадии процесса за счет оптимизации преобразования энергии накопителя в работу разрушения достигается минимальная энергоемкость разрушения материала.
Феноменология пробоя
Разрядный процесс в промежутке (рис. 1б) начинается с развития многочисленных «кистевых» разрядов по поверхности твердого тела с обоих электродов. По мере продвижения «кистевых» разрядов с их головок инициируются многочисленные каналы неполного пробоя в твердом теле, прорастающие с электродов навстречу друг другу. Финальная стадия процесса представляет собой смыкание каналов разряда в твердом теле, которое опережает по времени возможное при других условиях смыкание кистевых разрядов по поверхности. Характер разрядных процессов существенно зависит от полярности импульса и расположения электродов относительно поверхности твердого тела. Практическую значимость в этих исследованиях имеют данные о технологической эффективности пробоя, показателем которой служит величина потенциального объема разрушения V , оп-

Рис. 3. Картина электрического поля в системе с электродами на границе двух сред ределяемая протяженностью ls и глубиной внедрения разряда в твердое тело h.
Имеются попытки аналитического рассмотрения задачи о глубине внедрения канала разряда в твердое тело. И. И. Каляцким задача рассмотрена в приближении, соответствующем замене реальной картины электрического поля между электродами породоразрушающего устройства полем на краю пластин плоского конденсатора [6]. Предполагалось, что разряд развивается по направлению, соответствующему силовой линии поля максимальной напряженности, и при условии, что внедрение разряда начинается непосредственно с острий электродов или из точек, исчезающе мало удаленных от острий (рис. 3).
Для случая, когда диэлектрические проницаемости жидкости и твердого тела равны, имеем следующую систему параметрических уравнений:
x = —(_Cos 0 - ln_ ), (1 а )
2п
y=—[ _sin е +( п - е )], (1 б )
2п
где 0 < И < ~ , 0 < 0 < п , l - расстояние между электродами. При 0 = const получаем уравнение для линии равного потенциала, при И = const -для силовых линий поля.
Линия максимальной напряженности поля описывается следующей системой уравнения (при ϖ = 1):
х = 1/2 п- Cos 0 , (2 а )
у = 1/2 п- [ Sin 0 + ( п - 0 )]. (2 б )
Максимальный прогиб силовой линии (глубина внедрения) h будет:
h=x θ =0 -x θ = π = =l/2 π ⋅ ( Cos θ - Cos π )=l/ π ≈ 0.32l.
Длина канала разряда в твердом теле l s , соответственно, будет:
lp=2 l/2π2(1-Cosθ)dθ= p 0 (4а)
= 4l/ π Cos θ /2| π 0 = 4l/ π = 1.27l.
Или ls =2πl/2π⋅2(1-Cosθ)dθ=
0 (4 б )
=4l/ π ⋅ Cos θ /2| π 0 = 4l/ π = 1.27l.
Потенциальный объем откольной воронки, если принять его за половину объема эллипсоида с полуосями, равными l/2, l/ π и l/ 2 π , будет:
V 0 =2/3 π ⋅ l/2 ⋅ l/ π ⋅ l/2 π =l3/6 π ≈ 0.053l3. (5)
Результаты аналитического рассмотрения задачи о глубине внедрения разряда частично подтверждаются моделированием поля в электролитической ванне по методике полной проводимости электролитов [4]. Различными авторами выполнены представительные экспериментальные исследования, ставившие целью выявить зависимость глубины внедрения и параметров разрушения от таких контролируемых факторов пробоя, как межэлектродное расстояние, амплитуда и форма импульса напряжения, диэлектрические и прочностные свойства жидкой среды и твердого тела. Эти исследования выполнены на большой гамме горных пород (более 100 разновидностей) при пробое их в трансформаторном масле, дизельном топливе, растворах на нефтяной основе, воде. Оказалось, что в реальных условиях h находится в значительной зависимости от вещественного состава, структуры и текстуры горных пород; коэффициент пропорциональности в соотношении h(l) изменяется в пределах от 0,1 до 0,6, а степенной показатель в соотношении V(l) варьирует в пределах 1,5 ÷ 2,7. Удельные энергетические затраты на разрушение W при увеличении разрядного промежутка l снижаются пропорционально степени 1,5 ÷ 2,0. Для практического использования способа особо важно следующее. Соотношения h(l) и V(l) указывают на эффективность способа повышения производительности V и снижения энергоемкости W электроимпульсно-го разрушения за счет использования увеличенных разрядных промежутков l.
Критериальные условия и вероятность пробоя
Критериальный параметр Ak = U/t, соответствующий равновероятности пробоя в параллельной системе сред и выражаемый крутизной фронта косоугольного импульса напряжения (рис. 1а), в значительной степени определяется тремя главными факторами: видом горной породы, видом окружающей частицу разрушаемого материала внешней среды, формой импульса напряжения. В меньшей степени Ak зависит от геометрии электродов, величины разрядного промежутка и соотношения размеров разрядного промежутка и разрушаемого твердого тела. Наиболее существенно Ak зависит от вида среды. При пробое крепких горных пород в диэлектрических жидкостях Ак = 200–500 кВ/мкс и 2000– 3000 кВ/мкс при пробое в технической воде. Применение данного критерия правомочно в достаточно широком диапазоне разрядных промежутков 10–2–10–1 м и для геометрии электродов, свойственных технологическим устройствам разрушения пород. На прямоугольных импульсах напряжения вольт-временные характеристики имеют подобный вид, но абсолютные значения электрической прочности сред на 10– 15 % ниже. При иных промежуточных формах импульса напряжения требуется и возможно введение корректирующих коэффициентов.
Показана возможность аналитической оценки вероятности пробоя в параллельной системе диэлектриков, для чего требуется лишь задать описание ВСХ отдельных сред и функции распределения напряжения пробоя (И. И. Каляцкий [6]). В качественном отношении результаты таких оценок достаточно верно отражают экспериментально наблюдаемую картину зависимости вероятности внедрения от крутизны фронта импульса напряжения и могут быть использованы в практических целях на этапе предварительного выбора параметров импульсного напряжения для реализации электроимпульсного процесса.
По экспериментальным данным, для горных пород преобладающей тенденцией является повышение вероятности внедрения с ростом крутизны фронта импульсов напряжения и межэлектродного расстояния, и это выводит на соответствующие рекомендации для повышения эффективности пробоя – увеличивать разрядные промежутки, уменьшать фронт импульса вплоть до наносекунд (10–9 с).
Напряжение пробоя и рабочие напряжения
Исследования электрической прочности горных пород и жидкостей как необходимый этап для выявления оптимальных условий реализации ЭИ-процесса выполнены в широком диапазоне изменения переменных параметров: экспозиции импульсного напряжения – от 10–5 до 10–7 с (на импульсах прямоугольной формы – в пределах до 10–8 с), разрядных промежутков – до 10–1 м (в отдельных случаях – до 0,3 м), давления – до 150 атм, величины сосредоточенной нагрузки на электрод – до 2500 кг/см2 , температуры – до 160 оС [3]. Исследования охватывают обширную гамму типов горных пород с диапазоном изменения физико-механических свойств по контактной прочности - 64 ^ 290 кг/мм2, пористости - 1 ^ 20,4 %, прочности на сжатие - 150 ^ 3900 кг/см2. Сопоставление ВСХ ряда горных пород, диэлектрической жидкости – трансформаторного масла и воды – представлено на рис. 4. Электроимпульс-ному пробою и разрушению подвержена преобладающая масса горных пород и руд, за исключением лишь отличающихся сплошной металлической проводимостью (сплошные магнетитовые и полиметаллические руды).

Рис. 4. Вольт-секундные характеристики пробоя некоторых горных пород и жидких сред на косоугольных импульсах напряжения: 1 – кварц; 2 – фельзит-порфир; 3 – трансформаторное масло; 4 – мрамор; 5 – глинистый сланец; 6 – песчаник; 7 - вода при р = 60 Ом • м
Для оценки области наиболее эффективного применения ЭИ-технологии важное значение имеет то, что горные породы по электрической прочности различаются в меньшей степени, чем по физико-механическим свойствам. Например, кварцит и песчаник по прочности на сжатие отличаются в 7 раз, а по электрической прочности – менее чем в 2 раза. С ростом механической прочности (крепости) пород эффективность ЭИ-разрушения снижается существенно в меньшей степени, чем при разрушении традиционными механическими способами, то есть относительная эффективность его использования в сравнении с механическими способами растет. Поэтому, хотя ЭИ-способ может быть применен для разрушения горных пород любой механической прочности, наибольший технико-экономический эффект его применения достигается на особо крепких горных породах и мерзлых грунтах.
Предложены эмпирические соотношения для описания зависимости напряжения пробоя от основных факторов: вида горной породы и жидкости, формы импульсного напряжения, величины разрядного промежутка. Для оценочных целей укажем средние значения напряжения про- боя горных пород в промежутке 10–2 м. Они составляют 50–100 кВ/см при пробое в диэлектрических жидкостях и достигают 250–300 кВ/см при пробое крепких горных пород в технической воде. Показатель в степенной функции U(l), отражающий рост напряжения пробоя с увеличением разрядного промежутка, не превышает 0,5. Это имеет большое практическое значение – существует эффективная возможность повысить производительность ЭИ-процесса за счет применения электродных конструкций с увеличенными разрядными промежутками, но при этом рабочее напряжение остается на приемлемом уровне. В разработанных технологических процессах величина разрядного промежутка изменяется в пределах 0,01–0,3 м, уровень рабочего напряжения составляет 250–800 кВ.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
Искровой канал в твердом теле выступает как преобразователь электрической энергии во внутреннюю энергию продуктов канала, далее переходящую последовательно в работу по его расширению, в энергию поля механических напряжений и деформаций, в энергию вновь образованной поверхности продукта разрушения. Существующие методы расчета потерь энергии на каждом этапе ее преобразования и его оптимизации позволяют по параметрам электрической схемы источника импульсов рассчитать внутреннюю энергию продуктов канала E 0 , оценить потери с истечением плазмы вне твердого тела и рассеивание в форме теплоты и оценить долю, трансформируемую в работу расширения канала в твердом теле A. Определяющие A(t) параметры давления плазмы p(t ), объема и радиуса канала V(t) , r(t) , являясь результатом реакции среды на изменение внутренней энергии канала, зависят как от режима выделения энергии в канале, так и от упругих свойств среды. Решение краевой задачи расширения канала в твердом теле выводит на установление параметров возникающего в твердом теле нестационарного поля механических деформаций и напряжений. Возбужденная в твердом теле волна поля механических напряжений частично реализуется в полезном эффекте ЭИ – нарушении сплошности твердого тела, то есть его разрушении, значительной же частью выносится с волной давления вне твердого тела, рассеивается на дислокациях, преобразуется в тепло. Эффективность использования волны поля механических напряжений зависит от параметров самой волны давления, а также от особенностей механизма разрушения твердого тела в условиях динамического нагружения (скорости и концентрации очагов роста трещин).
Результаты исследований этих процессов дают возможность расчета конечных показателей разрушения и обоснования оптимальных режимов реализации процесса. Аналитическое решение всего комплекса вопросов, имеющее конечной целью определение параметров разрушения и оптимизацию параметров энергетического блока, практически невозможно. Более продуктивен метод, комбинирующий аналитическое рассмотрение с использованием полученных экспериментальным путем эмпирических и полуэмпирических аппроксимаций закономерностей и параметров с общей оценкой погрешности и достоверности полученных результатов.
Расширение канала разряда
На стадии преобразования энергии основная информация о процессе содержится в регистрируемых параметрах расширения и излучения канала разряда. По ним можно судить о температуре, давлении, степени термодинамических превращений вещества твердого диэлектрика в искровом канале. Для изучения динамики расширения искрового канала использовалось скоростное фотографирование. Чтобы сделать возможным перенесение результатов исследования на широкий класс материалов, использовались как хрупкие (щелочно-галлоидные кристаллы), так и пластичные прозрачные диэлектрические материалы (органическое стекло). Типичные фотограммы канала пробоя образца KCl представлены на рис. 5.
Экспериментальные зависимости радиуса канала во времени с погрешностью не более 3–4 % для KCL, NaCl, KBr и 6–8 % для ПММА аппроксимируются параболой:
r k (t) =
-
a +
t - d k

где a , d , k – константы.

Излучение и температура канала разряда
Спектроскопические методы исследования искрового канала дают наибольшую информацию о термодинамических процессах, протекающих в фазе его расширения. В исследованиях проведены измерения спектральной плотности излучения из зоны канала, яркостной температуры T искрового канала, коэффициентов и показателей поглощения, потерь энергии с излучением.
Расчеты температуры канала по модели абсолютно черного тела (АЧТ) на основе экспериментальных значений спектральной яркости в широком диапазоне вариации энерговклада для щелочно-галлоидных кристаллов (ЩГК) NaCl – KCl – KBr дают значения амплитуды яркостной температуры канала в пределах 12000–18000 К. Плотность вещества в канале пробоя ( n ≈ P/kT ), соответствующая этим температурам и энерговкладу в канал (1–50) Дж/см за характерное время 10–6с, оценивается как n = (0,02–0,8) ⋅ 1022 1/см.
На основе измерения распределения спектральной плотности излучения и показателя поглощения по сечению (разбито на 5 участков) получено распределения температуры по сечению искрового канала (рис. 6).

Рис. 5. Фоторазвертки канала пробоя образца KCl: а – режим самосвечения; б – с подсветкой; 1 – граница канала; 2 – упругий предвестник; 3 – фронт ударной (пластической) волны; 4 – трещины
Термодинамические функции, состав и уравнение состояния плазмы канала
Преобразование электрической энергии, запасенной в реактивных элементах разрядной цепи, в работу по разрушению (диспергированию) твердых диэлектриков происходит через промежуточное состояние – внутреннюю энергию E вещества в канале пробоя. Последняя занимает в этом переходном процессе центральное место и трансформируется частично по мере расширения канала пробоя в работу А над окружающим диэлектриком
V 1
A = j p dV .
Показана применимость для вещества пробоя конденсированного диэлектрика известных уравнений калорической формы типа
E=
pV
. γ э -1
На примере ЩГК разработаны приемы аналитического расчета термодинамических функций, состава и уравнений состояния плазмы канала, дающие удовлетворительное соответствие расчетно-экспериментальной оценке Y>(t) на основе измерений динамики геометрических размеров канала пробоя и энерговклада. Наиболее вероятным значением y> для минералов при их импульсном электрическом пробое в режиме технологического электровзрыва следует считать y> = 1,12-1,16 для соединений, не содержащих металлов I группы либо содержащих их в малом количестве, и y> = 1,6-1,22 - для минералов с высоким содержанием металлов I группы периодической таблицы (например, N a 2 O , Na2O SiO 3 , K 2 O и т. д.).
Динамическое нагружение среды искровым разрядом
Исследование характера возмущений в среде, вызванных электрическим разрядом, скоростей их распространения и параметров является важным этапом на пути к решению задачи о разрушающем действии разряда. Визуализация возмущения с помощью теневой съемки и метода фотоупругости при скоростной съемке процесса во многом позволяет дать ответ на поставленные выше вопросы.
На рис. 7, 8 представлены фотограммы скоростной фоторегистрации распро странения возмущений от канала разряда при пробое органического стекла (ПММА) в режиме щелевой развертки и режиме лупы времени теневым способом и в поляризованном свете. При интенсивном энерговыделении на начальном этапе в первую осцилляцию разрядного тока в диэлектрике (в частности, в образцах ПММА), формируется и распространяется сверхзвуковая ударная волна уплотнения, которая, однако, быстро (на расстоянии 1-2 мм) вырождается в акустическую, расщепляясь на упругий предвестник и пласти-че скую волну. При пробое ЩГК практически с момента замыкания межэлектродного промежутка каналом сквозной проводимости от канала отшнуровывается двухволновое возмущение: упругий предвестник (первая линия) и фронт ударной пластической волны (вторая линия). Двухволновая структура возмущения соответствует упругопластическому поведению ЩГК, наблюдаемому в этих кристаллах в диапазоне до десятков килобар. Такая структура, содержащая упругий предвестник и ударную пластическую волну, характерна для поздних стадий взрыва ВВ в твердых телах, когда сверхзвуковая ударная волна, отделившись от стенки камеры, по мере развития теряет скорость и через некоторое время разделяется на упругую и пластическую.

Рис. 6. Радиальное распределение температуры (а) и спектральной плотности потока (б) в канале пробоя


Рис. 7. Фоторазвертка канала пробое ПММА съемкой теневым методом (а) и в поляризованном свете (б)

Рис. 8. Фоторазвертка (а) и фотохронограмма в режиме лупы времени (б) в поляризованном свете при пробое ПММА

Рис. 9. Зависимость начальной скорости распространения ударной волны D и скорости расширения канала Vк от периода разрядного тока
На рис. 9. представлен график изменения скорости головной ударной волны в ПММА при энергии разряда 450 Дж и периоде разрядного тока 1,1 мкс. Максимальная скорость фронта ударной волны (ФУВ) в момент отшнуровки от канала разряда оценивается величиной 3700– 4000 м/с.
Давление на распространяющийся с такой скоростью ФУВ, оцененное по ударной адиабате ПММА или по универсальной кривой состояния твердого тела, составляет (2,5–3,5) 109Па.
Аналитическое соотношение для давления на ФУВ в гидродинамическом приближении p = Po Du
Для оценки поля напряжений в твердом теле высокую информативность представляет метод динамической фотоупругости. На основании картины поля изохром оценивается разность двух главных напряжений
<7 1 —< 7 2 = < 7pp —< 7 rr
= 7 10 n , 2 l
где σ φφ , σ 22 – нормальные напряжения в полярных координатах; σ 10 – коэффициент оптической активности материала; l – толщина образца; n – порядок полосы. Для случая пробоя ПММА с энергией в разряде 500 Дж и периодом разрядного тока T = 3,2 мкс в окрестности трещин порядок полосы равен 4–5, что соответствует разности главных напряжений 400–500 кг/см2, то есть растягивающие напряжения σ φφ , под действием которых и происходит рост радиальных трещин в «хвосте» волны, могут составлять 500–800 кг/см2, что существенно выше прочности ПММА на сдвиг (300–500 кг/см2).
При аналитическом рассмотрении течения среды вокруг искрового канала с различными моделями течения и уравнениями состояния твердого тела (Осборна, Жаркова – Калинина, Тэта, Жданова – Конусова и др.) показана возможность расчета профилей волн в пространстве для ряда фиксированных значений времени и расчета напряжений в твердом теле (Б. В. Семкин [6]). Профили радиальных s 1 и тангенциальных s2 напряжений приведены на рис. 10.
Выполнен анализ применимости для целей аналитического расчета электроимпульсного разрушения различных моделей поведения твердого тела и различных критериев разрушения.
с учетом, что
D = c + Au ,(8)
преобразуется в
D (D - c)
p = Po —H—- ,
A p = p0 (c + Au) u,(96)
где p0 – начальная плотность вещества; D – скорость ударной волны; c – скорость звука; u – массовая скорость за фронтом ударной волны; A – постоянная материала (для ПММА А = 1,3). Приняв c = 3800 м/с, p 0 = 1,2 г/см3, A = 1,3, для D = 3800 м/с получим по (9) тот же порядок величин p ≈ 3,5 · 109 Па. Наконец, если считать, что скорость расширения канала можно рассматривать как массовую скорость за фронтом волны, то экспериментально фиксируемая в этом случае скорость увеличения радиуса 700 м/с приведет к такому же порядку величин давления на ФУВ.

Рис. 10. Профили радиальных s1 и тангенциальных s2 напряжений при пробое «скальной породы»
(W1 = 60 Дж/см, t = 3·10–6 с): Время t, мкс: 1 – 0,4; 2 – 1,2; 3 – 2,0; 4 – 2,8; 5 – 3,6; 6 – 4,4; 7 – 5,2
Наиболее близкими к задаче электроим-пульсного разрушения являются подходы, используемые при анализе разрушения с помощью ВВ. Базируясь на положениях теории хрупкого разрушения Гриффитса - Ирвина и решениях равновесия системы со звездой радиальных трещин от цилиндрической полости, нагружаемой изнутри в статическом и динамическом варианте при ВВ, прогнозируется гранулометрический состав разрушения (В. И. Курец [5]). Аналогично этому при электроимпульсном разрушении решается задача расчета длины трещин в зоне растрескивания. При этом используются результаты оценки радиуса канала разряда rk(t) , а энерговклад разряда рассматривается с учетом разгрузки канала разряда через устья пробоя.
Кинетика и энергетические характеристики электроимпульс-ного разрушения диэлектриков и горных пород
Главными факторами, определяющими характер и динамику трещинообразования, являются структура материала (монокристаллическая, поликристаллическая, аморфная) и интенсивность нагружения.
Для динамики электроимпульсного разрушения характерны следующие закономерно сти:
-
1. Генеральная картина разрушения твердого диэлектрика под действием инициированного в его толще электровзрыва содержит в качестве основного элемента звезду радиальных трещин с убывающим по мере удаления от канала пробоя их числом; зона объемного разрушения слабо выражена; кольцевые трещины, наблюдаемые для взрыва химической природы, как правило, отсутствуют. Зона объемного разрушения и зарождение звезды трещин формируются под действием волновых возмущений; в заключительной стадии, в том числе в фазе финишной остановки (равновесия) радиальных трещин, определяющим механизмом передачи энергии в устье трещин является силовое воздействие канала пробоя (зоны пластических деформаций); энергия, необходимая для роста трещин, доставляется в устья волнами Рэлея.
-
2. Характерной особенностью разрушения хрупких материалов является практически постоянная скорость роста трещин вплоть до момента их остановки (рис. 11). Максимальная скорость роста трещин в силикатном стекле ~1500 м/с, что соответствует 0,38 от скорости продольных волн в стекле. В пластичном оргстекле трещины распространяются с дискретными скоростями, что отмечается разными авторами. При более высоком разрешении в динамике прорастания изломов отмечаются кратковременные остановки трещин и широкий набор дискретных скоростей. Объектам ЭИ-технологии более отвечает канифоль, обладающая по сравне-
- нию со стеклом более выраженными пластическими свойствами с функцией 1(к1/к1с).
-
3. В горных породах с большой концентрацией дислокаций имеет место переносное разрушение по Финкелю [9], когда трещинообра-зование определяется смыканием отдельных микротрещин и его скорость соответствует скорости распространения упругой волны. Для исследования процесса применим косвенный метод, когда с помощью герметизированных электродов канал разряда в образце формируется на фиксированном расстоянии от поверхности и оптической скоростной фоторегистрацией определяется время прорыва на поверхность продуктов электровзрыва, а осциллографической регистрацией - динамика изменения электрического сопротивления канала разряда в предположении, что моменту выхода трещин на поверхность будет соответствовать его резкое падение за счет разгрузки. Полученные результаты на ряде горных пород подтверждают механизм переносного разрушения с фронтом акустической волны.
-
4. Эффект электроимпульсного разрушения материалов при одинаковых затратах энергии зависит от характера энерговыделения в канале разряда. Об эффективности разрушения можно судить по таким его параметрам, как максимальная длина трещин, суммарная длина и поверхность трещин, размер зоны трещинообразования и др. Наиболее общим случаем является зависимость указанных параметров от скорости выделения энергии при неизменной ее величине, представленная кривой с оптимумом (рис. 12). В зависимости от характера материала (хрупкие -пластичные) оптимум значительно сдвигается в область малых или больших значений мощности.

Рис. 11. Динамика роста трещин в силикатном стекле (а), канифоли (б) и органическом стекле (в)
Таблица 1
Энергоемкость бурения скважин различными способами
Способ бурения |
Удельная энергия разрушения, Дж/см3 (кГм/см3) |
С использованием специальных породоразрушающих инструментов: |
|
Ударный Вращательный: бурение шарошками алмазное бурение Ударно-вращательный Вращательно-ударный |
200–650 (20,4–66,3) 700–950 (71,4–96,8) 600–800 (61,2– 81,5) 400–600 (40,8–61,2) 600–800 (61,2–81,5) |
Без использования специальных породоразрушающих инструментов: |
|
Взрывной Гидравлический* Гидроимпульсный* Электрогидравлический Электротермический* Электроимпульсный Лазерный |
200–400 (20,4–40,8) 1000–2000 (102–204) 70–100 (7,1–10,2) 400–500 (40,8–51) 5000 (510) 100–200 (10,2–20,4) 5000–12000 (510–224) |
Комбинированное бурение |
|
Огневой Плазменный Термошарошечный Электротермомеханический |
1500 (153) 5000 (510) 1200–1600 (122–163) 500–800 (51–82) |
*Способы, предназначенные для проходки выработок и скважин большого диаметра.

Рис 12. Влияние длительности выделения энергии на эффективность разрушения моделей из органического (а) и силикатного стекла (б)
Энергоемкость электроимпульсного разрушения диэлектриков и горных пород
Физическая природа способа дает возможность достижения более низкой энергоемкости разрушения в сравнении с традиционными спо- собами. Динамический характер ЭИ-нагружения обеспечивает хрупкое разрушение материала без потерь энергии на пластическую деформацию. Канал разряда в сравнении с ВВ имеет то преимущество, что его энергосодержание, обеспечиваемое подводом энергии извне от емкостного накопителя, может простыми способами регулироваться в широких пределах по величине и во времени, создавая оптимальные условия нагружения твердого тела в зависимости от его природы и размера разрушаемых фрагментов. По энергетической эффективности ЭИ-способ применительно к процессам, реализующим разрушение горных пород с одной свободной поверхности (бурение, резание, съем поверхностного слоя), заметно предпочтительнее большинства других способов (табл. 1).
При дезинтеграции материалов возможности достижения свойственной электроимпульс-ному способу высокой энергетической эффективности несколько ограничены. В сопоставительных исследованиях энергоемкости измельчения руд различными способами (В. А. Цукерман [5]) энергоемкость электроимпульсного измельчения одного порядка и даже несколько выше, чем при измельчении в центробежных и стержневых мельницах, и все они на порядок ниже, чем при электрогидроимпульсном измельчении (табл. 2).
При электроимпульсной дезинтеграции с уменьшением крупности разрушаемых частиц до 1–2 мм имеет место смена электроимпульс-ного механизма воздействия на электрогидро-импульсный, что приводит к резкому, почти на порядок, повышению энергоемкости процесса. Однако и в этом случае проблема энергоемкости не является тупиковой для использования электрофизических эффектов в процессах переработки минерального сырья. В отдельных случаях проблема снимается использованием режимов электроразрядного разупрочнения (ЭРР) [7] .
Таблица 2
Удельные затраты энергии при измельчении р азличными способами (руда Шерлово-горского месторождения; исходная крупность – 30 мм, конечная – 2 мм)
№ |
Способ измельчения |
Установка |
Производительность, кг/час |
Удельный расход энергии, кВт · ч/т |
1 |
Электроимпульсный |
ЭИ-установка |
100 |
13,1 |
2 |
Механический |
Лабораторная центробежная мельница |
150 |
11,7 |
3 |
Механический |
Лабораторная стержневая мельница |
85 |
12,6 |
4 |
Электро-гидравлический |
Установка ВостНИГРИ |
100 |
117,2 |
Список литературы Электроимпульсное разрушение материалов: научно-технические основы способа и опыт разработки
- Воробьев А. А. Электрические разряды обрабатывают материалы, разрушают твердые тела//Известия Томско-го политехн. ин-та. 1958. Т. 95. С. 315-339.
- Воробьев А. А. Разрушение горных пород электрическими импульсными разрядами. Томск: Изд-во ТГУ, 1961. 150 с.
- Воробьев А. А., Воробьев Г. А., Завадовская Е. К. и др. Импульсный пробой и разрушение диэлектриков и горных пород. Томск: Изд-во ТГУ, 1971. 225 с.
- Казуб В. Т., Коршунов Г. С. Электрический разряд на границе раздела жидкого и твердого диэлектриков//Физика диэлектриков и новые области их применения: Тез. докл. Всесоюз. конф. Караганда, 8-10 июня 1978 г. Караганда: Изд-во Караганд. политехн. ин-та, 1978. С. 26-27.
- Курец В. И., Усов А. Ф., Цукерман В. А. Электроимпульсная дезинтеграция материалов. Апатиты: КНЦ РАН, 2002. 324 с.
- Усов А. Ф., Ракаев А. И. Электроимпульсное дробление и разупрочнение руд и материалов//Обогащение руд. 1989. № 4. С. 42-43.
- Усов А. Ф., Семкин Б. В., Зиновьев Н. Т. Переходные (электрические) процессы в установках электроимпульсной технологии. Л.: Наука, 1987. 179 с.
- Семкин Б. В., Усов А. Ф., Курец В. И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. Апати-ты: КНЦ РАН, 1995. 276 с.
- Финкель В. М. Физика разрушения. М.: Металлургия, 1970. 376 с.