Труды КНЦ (Технические науки вып. 2/2024(15))

Введение Природные и искусственные образцы кварца могут применяться как в виде цельных обработанных изделий, так и в виде измельченного продукта в различных областях деятельности человека, включая электронику, оптику, строительство, медицину, керамическую промышленность. Кварц может использоваться и в качестве абразивного материала, поскольку обладает показателем твердости 7 по шкале Мооса, что ставит его на один уровень с другим природным абразивом — гранатом. Увеличение потребности в кварце также обусловлено разрастанием производства солнечных панелей из-за тенденции перехода большинства стран к возобновляемым источникам энергии. Однако практически в каждой из этих областей применения неуклонно возрастают требования к химической чистоте кварцевого материала и совершенству его структуры. Особой чистотой отличаются синтетические кристаллы кварца, получаемые гидротермальным синтезом — выращиваемые из водного раствора оксида при высоких температурах и давлении [1]. Чаще всего для непосредственного использования такого чистого кварца, например, в случае изготовления кварцевых стёкол с высокой оптической прозрачностью, необходимо его измельчение до фракций требуемого размера. Механическое дробление кварца, являющееся начальной стадией производства чистого минерального материала, сопряжено с образованием пыли и внесением в продукт очень мелкого помола аппаратурного металла, что требует введения ступеней магнитной сепарации и кислотного выщелачивания для получения высококачественной кварцевой крупки или пыли. Электрофизические методы разрушения, в отличие от механического измельчения, лишены данных недостатков, поскольку рабочим органом в них является высокоэнергетический электрический разряд, а воздействие на материал производится в водной среде. Проводимые ранее исследования в этой области были, в основном, сосредоточены на селективном дроблении природных кристаллов кварца и их очистке от примесей [2], а также на получении зерен заданной формы и определенного фракционного состава [3]. Результаты этих работ показывают высокую эффективность электрогидравлического разрушения природного кварца, имеющего в своей структуре множество дефектов и включений. Автором работы [4] показано, что при электроразрядном разрушении кварца не происходит изменения его структурных свойств и свойств системы «вода — минерал» под действием высокотемпературной плазмы, что также говорит о потенциале применения предлагаемых технологий. Однако практически отсутствуют данные о разрушении разрядами синтетических монокристаллов. В связи с этим в ЦЭС КНЦ РАН были проведены экспериментальные исследования дробления и измельчения образцов искусственного кварца с помощью электроимпульсного и электрогидравлического воздействий до фракций менее 500 мкм и проанализирована эффективность примененных методов. Экспериментальная часть В экспериментах по электрофизическому разрушению кварца были задействованы три схемных решения высоковольтных генераторов: 1) генератор импульсных напряжений (ГИН) 315/0,028 из 7 ступеней с запасаемой в накопителях энергией до 1,4 кДж и амплитудой напряжения до 315 кВ (рис. 1, a); 2) генератор импульсных токов (ГИТ) 48/0,76 с максимальным напряжением в разряде 48 кВ и энергией 876 Дж (рис. 1, b); 3) 2-ступенчатый генератор ГИН 96/0,19, составленный из тех же конденсаторов, что и ГИТ 48/0,76, и обладающий той же энергией в импульсе, но создающий импульсы с амплитудой 96 кВ (рис. 1, c). В таблице 1 приведены основные энергетические параметры созданных генераторов. Схема ГИН 315/0,028 была задействована в опытах с максимальным напряжением и со сниженным практически в 2 раза для выявления влияния амплитуды импульса на фракционные характеристики измельченного кварца. ГИН 96/0,19 представлял собой перестроенный ГИТ 48/0,76 с добавленными Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2024. Т. 15, № 2. С. 111-122. Transactions of the Kola Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2024. Vol. 15, No. 2. P. 111-122. © Климов А. А., Колобов В. В., Потокин А. С., 2024 112