Когда разрушение на пользу. Исследования в Центре физико-технических проблем энергетики Севера

В Центре физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра (ЦЭС) сегодня проходит интересный, мощный и даже громкий эксперимент – тут силой тока разрушают сверхпрочные соединения. Именно так идет работа по гранту для молодых ученых-аспирантов Российского фонда фундаментальных исследований, который в 2020 году выиграл Андрей Климов. Теперь в течение трех лет он под общим руководством Василия Селиванова, директора Центра, проводит исследование энергетических характеристик электроимпульсного разрушения техногенного сырья.

Интересно, что в Кольском филиале Академии наук СССР такая работа по электроимпульсным технологиям начиналась еще в 1970-80-е годы в специальной лаборатории «Кварц», руководил которой в том числе и Анатолий Усов. Тогда же вышла книга «Электроимпульсное разрушение материалов» – сборник исследований группы кольских ученых и других авторов. Сегодня часть Лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра расположена рядом со спорткомплексом «Наука» в отдельном двухэтажном здании – тут занимаются новыми технологиями, проблемами защиты, заземления, надежности работы высоковольтного оборудования. Но и электроимпульсное направление ученые не бросили. Сегодня в ЦЭС над этим направлением работает Андрей Климов. Молодому специалисту помогают заведующий лабораторией Виталий Колобов, инженер Александр Зорин и лаборант-исследователь Никита Лазарев.

Вообще, пример Андрея Климова – наглядный для сегодняшних старшеклассников и студентов: человек еще в школе выбрал дело своей жизни. Парень учился в школе №5, увлекался физикой и химией, проводил опыты, изготавливал различные устройства, со старших классов увлекался схемотехникой. Узнав, что в КФ ПетрГУ (а Андрей был из того курса, что последним выпустился из филиала) есть кафедра высоковольтной электроэнергетики по направлению «техника высоких напряжений», решил поступить. В вузе познакомился с учеными КНЦ, которые преподавали на курсе, бывал в лаборатории на практике и еще тогда увидел, как ученые ЦЭС исследуют проблемы электроимпульсного пробоя или разрушения.

– Я еще студентом решил к их группе примкнуть, – рассказывает Андрей. – Вначале помогал, потом начал метрологией заниматься, снимал сигналы напряжения, тока, градуировал аппаратуру, находил коэффициенты, чтобы выводить пропорциональности между высоким напряжением и тем, что поступает на осциллограф. И уже позже, мы с коллегами продолжили исследования, например, испытывали на пробой «ОЛКОНовскую» руду.

Когда я поступил в магистратуру МАГУ на направление «Молекулярная физика и теплофизика», пришел сюда работать, ведь магистратура по технике высоких напряжений в ФИЦ появилась позже. Сегодня я – младший научный сотрудник лаборатории, учусь в аспирантуре КНЦ. В июне 2022 года защитил аспирантскую работу, а кандидатская диссертация будет именно по электроимпульсному разрушению.

Андрей Климов говорит, что большое влияние на его интерес оказал Аркадий Николаевич Данилин, один из опытнейших сотрудников лаборатории, особеннос в области постановки экспериментов. Именно он и предложил попробовать поразрушать абразивные круги.

– Метод электроимпульсного разрушения хорош тем, что легко разделяет на составляющие части неоднородные материалы, выделяет внутренние включения. Конечно, самый простой метод дробления – механический, с помощью шаровых мельниц и валковых дробилок. Но есть материалы, такие как абразивные круги, которые очень изнашивают металлическую аппаратуру, потому тут нужны другие средства. Мы попробовали и выяснили, что абразивные круги из электрокорунда в нашей установке разрушаются очень хорошо, выделяется зерно в неповрежденном виде. Если его отделить от материала-матрицы, то можно использовать повторно, тем более, что загрязнения выходного продукта тут не происходит.

Но мы не знали, в какой пропорции выделяется полезный материал и насколько это энергозатратно, – именно такие вопросы я сегодня и исследую в рамках гранта.

Андрей показывает специальную установку, в которой происходит разрушение материала. Даже в отдалении от клети необходимо надеть каску и звукозащитные наушники: звук электрического пробоя от импульса напряжением 200 киловольт – мощный хлопок. Так работает высоковольтный генератор Аркадьева-Маркса: емкости заряжаются сначала параллельно, а потом, при срабатывании разрядников, они все становятся последовательными и напряжение умножается до 200 или 300 тысяч вольт. Опыты с полумиллионом вольт проводил Аркадий Данилин – проверял изоляторы, которые используются на подстанциях…

– Впервые для проведения исследований были использованы комбинированные генераторы, в которых синхронизировано воздействие на общую нагрузку двух высоковольтных источников с разными уровнями напряжения и энергии. Новую установку мы сделали сами, здесь в лаборатории. Взяли ранее описанные схемы с различными устройствами для синхронизации двух генераторов, модернизировали одну из них, сделали ее безопаснее, технологичнее, протестировали и применили для дробления.

Используем лавинные диоды для синхронизации генераторов, при этом лавинные диоды могут выдерживать обратный пробой. Они высоковольтные, и как раз для закупки этих лавинных диодов нам и нужны были, в том числе, средства гранта.

Теперь есть планы создать комбинированный генератор, который будет иметь по параметрам примерно такую же мощность, как и генератор Аркадьева-Маркса, что мы используем сейчас, но сработает эффективнее в разрушении и с меньшими энергозатратами. Такой уже можно будет, как промышленное устройство, предлагать производителям для переработки электрокорунда, железобетона, других диэлектрических неоднородных материалов.

Сам метод имеет два направления – электроимпульсное и электрогидроимпульсное. Разница в том, что в первом случае разряд проходит сквозь сам материал, а во втором – над телом в водном промежутке, и, когда «пробивается» вода (техническая, лучше всего деионизированная), то создается ударная волна, которая разрушает материал по получившимся каналам. Кроме генератора импульсных напряжений, которые создают в материале пробой и канал для расширения и разрыва дробимого материала изнутри, установка оборудована дробильно-измельчительной камерой с системой сит. В них располагают тестируемые материалы: железные и апатитовые руды, щебень, бетон и железобетон. И, конечно же, те самые абразивные материалы: неликвид, которые прибыли на исследование в Апатиты из Волгоградской области, с Волжского абразивного завода. Это один из немногих заводов на территории России, который производит абразивные круги для точильных станков. Но если при изготовлении есть брак, его стараются перемолоть заново, в металлических мельницах-дробилках, которые быстро изнашиваются, стачиваются. Поэтому на заводе вначале бракованные круги нагревают, потом резко охлаждают в воде. Но пока завод способен использовать только 10 процентов переработанного зерна, а потому и проверяет с помощью ученых КНЦ возможность применения электроимпульсного высокого напряжения при измельчении абразивов, чтобы затем, возможно, приобрести эту запатентованную технологию для применения.

– Название гранта упоминает техногенное сырье, поскольку и бетон, и абразивные относятся к отходам техногенного производства, – рассказывает Андрей Климов. – Главная наша цель, конечно же, обеспечить этой технологией уже работающие производства.

Любопытный факт – пробивается тело по границам различных фаз: если рассматривать бетон с внутренним заполнителем, например, гравием, то разряд пройдет по границе между гравием и цементом. То есть чем сильнее неоднородность, тем лучше разрушение! Именно этот эффект позволяет выделять в нетронутом виде различные включения, в том числе и абразивное зерно.

Но можно ли использовать метод при дроблении горных пород?

– Раньше проводили такие исследования, пытались гранат выделять из слюды, чтобы не повредить сам гранатовый минерал, чтобы использовать его как драгоценное сырье для огранки. И метод хорошо себя зарекомендовал: если правильно задать параметры, можно высвобождать минералы нетронутыми. Еще я читал, как использовали электрогидроимпульсный метод для разрушения алмазов до порошкового состояния для создания алмазных паст.

Но нельзя думать, что электрической энергией можно разрушить все без исключения. Электроимпульсному методу нужны, во-первых, неоднородности материала. Во-вторых, есть тенденция к ограничению применения этого метода при разрушении материалов размером до миллиметра, потому что далее эффективность сильно снижается. В-третьих, как показали исследования той же лаборатории «Кварц», энергоемкость метода снижали металлические включения в рудах, а они поглощают энергию и уменьшают эффективность разрушения, – поясняет Андрей Климов.

И, конечно, пока рано говорить об экономической эффективности электроимпульсного метода в сверхкрупных масштабах, поскольку по стоимости оборудования она сравнима с сегодняшней механической деятельностью на горно-добычном производстве, а вот по энергозатратам пока нет. А вот для разрушения неликвидов подходит прекрасно. Тем более, у метода есть такой побочный эффект как чистота получаемого продукта: в отличие от механического дробления к нему недобавляется металл. Получается чистое зерно: отситовал и используй сразу повторно!

Андрей Климов окончит работу по гранту РФФИ через год. Тогда же выйдет на защиту кандидатской диссертации. Он уже докладывал на нескольких конференциях о промежуточных результатах испытаний, в том числе, как метод электроимпульсного разрушения можно применять в переработке отходов, которые есть у нас на Севере, вообще в России в целом.

– Рассматриваем применение метода и для переработки железобетона, который подвергся радиационному облучению, потому что механические методы применять нельзя из-за повышенного пыления, а у нас все происходит в воде, метод максимально чистый.

А пока важно, что получен патент на полезную модель «Генератор импульсных токов и напряжений для промышленной электроимпульсной установки», проверяется ее внедрение в реальную производственную модель, экономическая эффективность метода и возможность использования в разнообразных экологических мероприятиях.