作者:Rick Meyerhoefer, Delta Computer Systems
世界上大约3%的发电是在开采岩石的过程中消耗的。仅在加拿大，矿山每年就消耗超过150千兆焦耳。从这个角度来看，1千兆焦耳可以为卡尔加里市提供三周的电力，因此，采矿能源需求的任何显著下降都可能带来巨大的有利后果，无论是在成本上还是在环境影响上。加拿大自然资源部认为这个问题值得探索，并宣布了Impact Canada Crush It!该挑战敦促申请者开发“一种新的清洁技术解决方案，改变矿业中破碎和研磨岩石的能源使用方式。”设想实验室的克里夫·爱德华兹(Cliff Edwards)认为他的想法是成功的;利用超临界CO2高压和温度控制粉碎岩石。
其核心思想是，通过压缩打破岩石是困难的;用紧张打破它们要容易得多。想想把一个密封的汽水罐挤爆和简单地把它放进冰箱有什么不同。在20世纪30年代，美国矿务局曾进行过岩石粉碎试验(通过蒸汽闪光将物体粉碎成更小的颗粒)。然而，就像许多其他方法一样，这可能已经被放弃了，因为过程所需的能量相对于结果来说太大了。但是爱德华兹想知道另一种流体是否适合于低能量的方法。
二氧化碳似乎是一个强有力的竞争者。在相对容易达到的74bar和31°C时，物质从亚临界流体转变为超临界流体。在这一点上，温度和压力的微小变化可以引起密度和体积的巨大变化。理论上，岩石可以浸泡在超临界CO2中，使这种物质渗透到岩石的孔隙中，然后迅速减压，使CO2达到亚临界状态，突然膨胀，从岩石内部爆炸。爱德华兹介绍了在采矿中使用炸药爆破将岩石从地面解放出来的方法，在地面上，岩石内部气体的快速膨胀会导致相对有效的破裂。
他对这项技术的应用很有信心。不幸的是，将这一想法付诸实践的设备还不存在。
从协作到执行
爱德华兹找到了位于bc省温哥华的工程设计咨询公司MistyWest，该公司选择了项目经理兼机械工程师科尔·克罗克担任该项目的技术负责人。
“我们学到了很多东西，”克罗克说。“我会去研究热力学，然后决定是用液态二氧化碳还是用气态二氧化碳来达到超临界。在早期阶段，我们会快速进行测试并从中学到一些东西，然后进行迭代。我们的整个第一阶段只是达到一个最小可行实验。”
第一个桌面装置只有2英尺长，高度人工操作，本质上是两个压力钢瓶，一个中央破裂盘和手动阀门连接在一起——但它成功了。在一个循环中，该设备将大约100克的岩石变成更小的岩石和灰尘。再一次循环，结果只有微米大小的粉末。这个队对他们的成功感到震惊。挑战变成了如何扩大规模。
MistyWest联系了总部位于不列颠哥伦比亚省温哥华的运动控制解决方案专家PQ系统公司，寻求帮助。PQ系统公司推荐了一种新型的已知设计，双截面气缸，并与西海岸气缸公司合作设计。本质上，有两个汽缸通过一个共用的中心头与一个共同的杆和活塞在每个杆的末端连接。一侧是液压的，包含一个用于确定活塞位置的MTS SSI Temposonics传感器。另一边压缩二氧化碳，并有另一个传感器监测压力。PQ系统认为系统的最佳运动控制器是Delta Computer Systems的RMC75E。
粉碎在实践中
这个操作看似缓慢而简单，每分钟移动不到一加仑的二氧化碳。二氧化碳侧有一个阀门，根据需要控制二氧化碳从供应罐流入第二腔(压力容器B，或上方的“PVb”)，并在压缩开始前关闭密封。随着液压缸(HC-1)一侧的活塞延长2-4分钟，二氧化碳被压缩到超临界压力状态，通过关闭一个快速作用的阀门密封到主腔，并在那里保持10-30分钟。由于压缩气体可以使其大幅度加热，一个单独的温度探头确保系统保持在允许的范围内。Delta控制器将共享杆收缩到指定位置，最后释放阀门，让气体膨胀回次级腔室，完成循环。此外，RMC75E负责在波动压力条件下精确控制压力级别，不会产生过多的热量。
第二代气缸的尺寸为80-in。长6英寸。每个气缸侧的孔，每侧允许30英寸。中风。整个装置有10英尺高。粉碎机系统可以接受1-2公斤的岩石和1-2升的二氧化碳在其主室。注意，主腔在上图中没有显示。相反，它通过管道和阀门连接到二氧化碳瓶底部的孔上。岩石被装入主压力室。实际上，二氧化碳钢瓶有双重用途，既可以作为压缩装置将二氧化碳推入主腔，也可以作为收集罐，将二氧化碳从主腔中膨胀出来。
运动控制器的作用在这个系统是关键的，因为压缩室的体积是管理粉碎过程的中心。有趣的是，Delta控制器通过一个基于二氧化碳压力而不是液压压力的反馈回路工作，这是非常规的。该系统流动液压油，直到达到所需的CO2压力。减压阶段根据目标系统体积将CO2室复位到设定值。
“三角洲正在做两件事，”米斯蒂·韦斯特的科尔·克罗克说。“它将流体与岩石一起压缩进主腔，这将涉及到压力反馈。我们关闭了主室阀门，并利用位置反馈关闭了二次CO2室中的活塞。我们缩回的距离是很重要的，因为我们需要知道次级腔室的体积，因为它决定了减压后的压力。德尔塔控制着增压和缩回体积。我们需要能够在压缩过程中进行微调，同时知道我们已经缩回到正确的体积，为减压做准备。”
PQ系统的技术销售代表Robert de Rot推荐了单轴Delta RMC75E，它提供了一个USB链接，用于与运行Delta RMCTools软件的基于windows的PC机通信，并提供了以太网，用于与PLC和HMI通信。PQ系统指出RMCTools粉碎机解决方案中扮演一个重要的角色,作为“软件是快速学习和提供功能如dual-loop position-pressure从位置控制和能力迅速转变压力控制在一毫秒控制回路,”这个应用程序可以极大地帮助。如果需要更快的响应，控制循环可以进一步缩短到0.5毫秒、0.25毫秒甚至0.125毫秒。RMC75E使用Delta的AP2和D8扩展模块进行输入和输出。AP2模块允许RMC75通过两个16位模拟输入执行差分位置压力控制，并向Moog伺服阀输出控制信号。D8模块提供了8个离散的I/O链接，可单独配置，以获得更大的灵活性，有助于这类概念的原型验证。RMC75可以接受多达四个这样的扩展模块。
破碎的未来挑战
加拿大自然资源的影响加拿大粉碎它!挑战要求至少减少20%的能源目标。envision实验室估计，与传统的破碎系统相比，其CO2粉碎系统至少能减少24%的能量，尽管不断进行微调，以找到精确的CO2状态，从而产生最佳的岩石渗透和膨胀压裂。爱德华兹预计，一旦这些数据得到证实，采矿业就会参与进来。设想实验室已经获得了该方法的临时专利，可以根据需要生产从更小的岩石到细粉的任何东西。系统架构将在更大的范围内发生变化，但底层流程将保持不变。
Cliff Edwards说:“这里的主要应用是替代典型的球磨机或SAG磨粉机在矿山的粉碎回路中进行研磨。”“二次应用可能包括水泥行业，在那里他们必须碾碎和研磨石灰石。它也可以应用于集料或回收行业。”
爱德华兹希望，在不久的将来，这项技术的大规模演示将保证在未来两年内建立一个试点工厂，然后为工业界提供一个可以效仿的模型。
三角洲的计算机系统
www.deltamotion.com
了下:控制(不是运动控制)，绿色工程
