CC BY
148
Lukienko Leonid Viktorovich, doctor of technical sciences, docent, head of chair, lukienko_lv@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Kamensky Mikhail Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, MKa-mensky@yandex. ru, Russia, Novomoskovsk, Novomoskovsk Institute of Chemical Technology University named after D.I. Mendeleev
УДК 621.3.0
СРАВНЕНИЕ ПРИВОДНОГО АППАРАТА ВИХРЕВОГО СЛОЯ С КЛАССИЧЕСКИМ ВАРИАНТОМ
Г.В. Селиверстов, Д.П. Титов
Рассматриваются аппараты вихревого слоя выступающие средствами интенсификации большинства процессов. В классическом исполнении аппарат вихревого слоя обладает рядом серьезных недостатков. Для устранения этих недостатков разработана новая конструкция аппарата вихревого слоя, отличающаяся от классических вариантов наличием ротора. Ротор способен генерировать вращающееся магнитное поле. Для выявления преимуществ нового варианта аппарата вихревого слоя проведены сравнительные испытания новой и классической конструкции. Комплексно оценивая результаты, выяснилось, что предлагаемый приводной аппарат новой конструкции показал более чем 4 кратное возрастание эффективности дробления.
Ключевые слова: подготовка материалов, обогащение, аппарат вихревого слоя, классический аппарат вихревого слоя, приводной аппарат вихревого слоя, сравнение, фракционный состав, скорость образования фракций.
Одним из важнейших постоянно возникающих вопросов на всех стадиях металлургического процесса является вопрос интенсификации технологии. Во многих случаях технологические процессы можно ускорить, применяя аппараты вихревого слоя (АВС).
Используемые в порошковой металлургии различные материалы могут проходить обработку вихревым слоем [1, 4, 7 - 9, 12]. Это обеспечит значительное более качественное смешение и диспергирование при уменьшении затрат энергии и времени на процессы подготовки материалов. Так сравнивая по выходу тугоплавких соединений [12] при обработке в аппарате с выходом после шаровой мельнице временные затраты сокращаются в среднем в 130 раз при этом выход продукта увеличивается на 10% [1].
Измельчая руды в шаровых и стержневых мельницах, качество помола ограничивается размером нескольких сотен микрон, что препятствует вскрытию тонко вкрапленных руд. Многие минералы с помощью аппарата выхревого слоя могут быть измельчены до размера нескольких микрон [14], при этом открываются новые возможности по более полному извлечению металлов.
Увеличение растворимости вещества в вихревом слое [5] может применяться для ускорения растворения и выщелачивания, что также увеличивает процент извлечения полезных продуктов из руд.
В вихревом слое на металлических частицах возникает разность потенциалов [15], величиной, достаточной для протекания процесса цементации и электролиза. Это явление используется в новых способах цементации металлов [1].
Экстракция при производстве редкоземельных элементов является одним из основных методов. При обработке магнитными полями изменяется коэффициент разделения вещества в тройных системах. Изменяется так же и коэффициент селективности экстракции. Это открывает возможности по применению аппаратов вихревого слоя и метода экстрагирования в производствах, где экстракция была раннее малоэффективна.
Таким образом, технология вихревого слоя является весьма перспективной для приготовления материалов в металлургических процессах.
Аппарат вихревого слоя в классическом исполнении (рис. 1, а) состоит из специального сердечника 1 (статора), позволяющего создать вращающиеся магнитные поля необходимой мощности.
Внутри статора установлена труба 2 из нержавеющей стали или пластика, в которую загружаются рабочие элементы 3 из стали в форме цилиндров диаметром от 1 до 4 мм и длиной от 8 до 40 мм. Взаимодействия с полем катушек статора, в результате чего рабочие элементы с большой скоростью вращаются в трубе, интенсивно соударяясь. При этом они взаимодействуют с обрабатываемой средой.
Проведённые исследования работы аппаратов вихревого слоя в моторном режиме, с ротором, имеющим увеличенный зазор между индуктором и поверхностью ротора, с заполнением свободного зазора различным количеством ферромагнитных элементов показали бесперспективность использования моторного режима (классический АВС) для измельчения сырья. Из-за малого значения коэффициента использования энергии ротором
(порядка 0,1___1 %). Это связано с несовершенством передачи энергии
вращающегося электромагнитного поля как ферромагнитным элементам, так и металлическому ротору, работающему с большим зазором между ротором и индуктором. Поскольку заполнение ферромагнитных элементов
63
незначительна, порядка 400 грамм на 1 литр объема активной зоны, то полноценным проводником магнитного потока они выступать не могут. Поэтому, этот недостаток свойственен всем аппаратам вихревого слоя в классического исполнения.
Совершенствование аппаратов вихревого слоя производится по нескольким направлениям. Улучшение электрической части [10, 11], компенсация реактивной мощности. Оптимизация распространения электромагнитно поля в активной зоне [6]. Совершенствование формы и материала ферромагнитных элементов для повышения качества обработки материалов. Как видим из перечисленного, улучшения не затрагивают самого принципа образования вращающегося электромагнитного поля, поэтому не могут дать большого положительного эффекта.
Для того, чтобы электромагнитное поле не рассеивалось в пространстве, оно должно распространяться по проводникам магнитного поля. Таким проводником в нашей конструкции выступает ротор, помещенный в активную зону. Наличие ротора уменьшает потребление аппаратом реактивной мощности. Увеличивает концентрацию магнитной энергии, так как продукт обрабатывается не во всем объеме индуктора, а только в зазоре между индуктором и ротором. Вращающейся ротор 6 (рис. 1, б) внутри установки при обратимости электрической машины подразумевает получение генераторного режима [13]. Генераторный режим характерен тем, что вращение ротора осуществляется моментом, подводимым из вне. И соответственно момент, снимаемый с ротора ограничивается не самим АВС, а агрегатом приводящим ротор. Применительно к обрабатывающим машинам на основе АВС это исключительно полезно, так как вспомогательные агрегаты, обслуживающие работу обрабатывающей машины, могут быть практически неограниченной мощности. Агрегаты предварительной обработки: дробилки, мельницы, насосы будут гарантированно приведены, независимо от электромагнитных процессов, происходящих в аппарате вихревого слоя. При этом процессы, проходящие в АВС будут полностью идентичны процессам, проходящим при работе в моторном режиме (классический АВС). Это открывает новые возможности для конструирования механических перерабатывающих машин традиционного принципа действия путем добавления в рабочий процесс магнитной обработки [2, 3].
Исследование эффективности АВС новой конструкции производилось в сравнительных испытаниях по размолу речного песка. На одной установке производится размол одного и того же количества песка, при этом используются одинаковые ферромагнитные элементы. Различие заключается в способе образования вихревого слоя. В классическом варианте вихревой слой создаётся вращающимся магнитным полем генерируемым индуктором 1 (рис. 1, а). В новом способе, вихревой слой получается за счёт вращающегося магнитного поля индуцируемого ротором 6 (рис. 1, б). Сравнение эффективности работы осуществляется путём оценки качества размола, скорости размола и энергетических затрат на этот процесс.
Одинаковую навеску речного песка смешивается один к одному с ферромагнитными элементами. Далее производится обработка в одном случае в лабораторном стакане рис. 2 путём введения его в активную зону К (рис. 1, а) аппарата вихревого слоя. В другом случае смесь песка с ферромагнитными элементами помещается в зазор между ротором и индуктором Н в активную зону К (рис. 1, б) и также производится обработка. Время обработки в обоих случаях фиксированное и составляет 1, 4 и 7 минут.
Рис. 2. Лабораторный стакан и ферромагнитные элементы для обработки материалов в классическом АВС
После этого исследуется гранулометрический состав песка, как исходного, так и после обработки. Каждая навеска образца разделяется на ситах. Используется четыре стандартных сита 1 мм; 0,4 мм; 0,25 мм и 0,1 мм. Соответственно получаются пять фракций 1; 0,4; 0,25; 0,1 и <0,1. Путём оценки процентной доли каждой фракции мы определяем эффективность работы аппарата как доизмельчителя. Весы и сита, на которых производится анализ навесок, приведён на рис. 3.
Фракционный состав исходного песка представлен на рис. 4.
Рис. 3. Весы и набор сит для определения фракционного состава
Рис. 4. Исходный песок
65
В классическом варианте осуществляется размол 150 грамм песка 150 граммами ферромагнитных элементов. Задающая частота частотного преобразователя - 50 Гц, что соответствует оптимальному режиму (наивысшей интенсивности вихревого слоя, замеряемая в акустическом диапазоне). Ток, потребляемый аппаратом вихревого слоя, составляет 1=34,1 А, напряжение U=290 В. Отпускная мощность, фиксируемая частотным преобразователем HYUNDAI N700E, составляет 13 кВт.
В экспериментах с ротором осуществляется размол 150 грамм песка 150 граммами ферромагнитных элементов. Задающая частота преобразователя HYUNDAI N700E - 90 Гц, что соответствует наивысшему напряжению генерируемому установкой U=290 В. Ток потребляемой установкой (по частотному преобразователю) соответствовал 1=11,8А, напряжение и=380В.
Отпускная мощность, фиксируемая частотным преобразователем HYUNDAI N700E, составляет 6 кВт.
В результате обработки результатов исследования были построены графики распределения доли фракционного состава от размера частиц, как для необработанного, так и для различного времени воздействия для обоих вариантов установки рис. 5.
Доля [%]
мин 1 ми i Исходный образец
/ мин. __ --ПриМной ABC
О \ J X к" Ч
/ * X \ х х 7 мин
/ ч \ / мин.
i f / \ / N
и // ■у V fe х; \ 7 г ш
/ '/ / - . — -- -- У: Л
!/ / - —- -- .Л N
/ / --- Фракция
0.1 0.2 0.3 OA 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 11
Рис. 5. Фракционный состав образцов
Из этой зависимости видно, что с увеличением времени обработки доля мелких фракций увеличивается, при работе установки в обоих вариантах.
Для выявления скорости изменения фракционного состава строятся зависимость процентного содержания (доли) от времени обработки для различных фракций в обоих вариантах установки рис. 6.
Из зависимостей рис. 6 отчётливо видно, что у приводного варианта аппарата вихревого слоя в сравнении с классическим аппаратом доля крупных фракций снижается более быстро (фракция 0,25 и 0,4), и так же быстро наблюдается рост мелких фракций (фракция 0,1 и <0,1). Поэтому на стабильный фракционный состав 35 % - 0,1 и 35 % - <0,1, приводной аппарат вихревого слоя выходит уже через 3,5 минуты работы, в то время как классическому аппарату не хватило 7 минут для достижения этого результата. То есть по результатам этого эксперимента приводной аппарат вихревого слоя в 7/3,5=2 раза эффективней классического аппарата по скорости обработки сыпучих материалов (речного песка).
66
Доля [%]
0.2. А > мм ---Классический АВС ----Приходной АВС
I
Ч \
0.1 мм \ х
X
V \ "V л /
/ ч
\ \ ил г 1М / __
Ч "S /
V У"
--—■
\ --- --- --- гг: —
/ <0.1 мм 1 мм Время обработки [мин]
\\
—
0123^5678
Рис. 6. Скорость образования фракций
Учитывая характер кривых скорости фракционного состава можно сделать вывод что 35 % - 0,1и 35 % - <0,1 (70% суммарной фракции 0,1) является предельной для данного класса устройств, при работе с сыпучими материалами.
Из вышесказанного видно, что эффективность аппарата при размоле песка более чем в 2 раза выше, чем у классической конструкции. В свою очередь, энергопотребление, замеренное частотным преобразователем HYUNDAI N700E, который в первом варианте питал непосредственно АВС, а во втором питал приводящий двигатель АВС, для новой конструкции приводного АВС составляет 6 кВт, а для АВС классического варианта - 13 кВт, т.е. по энергозатратам новый АВС в 13/6=2,17 раз эффективнее.
В итоге можно отметить, что новый приводной АВС требует для одинакового с классическим АВС воздействием в 2 раза меньше времени и в 2,17 раз меньше энергии. Следовательно, он в 2^2,17=4,34 раза эффективней.
Список литературы:
1. Логвиненко Д. Д., Шеляков О.П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах вихревого слоя. Киев: Изд-во «Техника», 1976. 144 с.
2. Селиверстов Г.В., Титов Д.П. Необходимость утилизации зо-лошлаковых отходов (ЗШО) с использованием перерабатывающих машин на принципах аппаратов вихревого слоя (АВС) // Наземные транспортно-технологические комплексы и средства: материалы междунар. научно-технической конф. / под общ. ред. Ш.М. Мерданова. Тюмень: Изд-во ТИУ, 2017. С. 276-278.
3. Селиверстов Г.В., Титов Д.П. Использование машин на принципах аппаратов вихревого слоя (АВС) для утилизации золошлаковых отходов // Наземные транспортно-технологические комплексы и средства: Материалы междунар. научно-технической конф. / под общ. ред. Ш.М. Мерданова. Тюмень: Изд-во ТИУ, 2017. С. 279-282.
67
4. Эффективность применения аппаратов вихревого слоя в процессах измельчения порошковых материалов / В. А. Войтович [и др.] // Новые огнеупоры. 2017. №10. С. 48-53.
5. Ибрагимов Р. А. и др. Прочность тяжелого бетона на портландцементе, обработанном в аппарате вихревого слоя // Строительные материалы. 2017. №10. С. 28-31.
6. Ибрагимов Р. А. и др. Оптимальные параметры и картина магнитного поля рабочей камеры в аппаратах с вихревым слоем // Строительные материалы. 2018. №7. С. 64-67.
7. Ибрагимов Р.А., Королёв Е.В., Дебердеев Т.Р. Влияние пластификаторов на свойства гипсовых вяжущих, активированных в аппаратах вихревого слоя // Вестник МГСУ. 2019. Т14 Вып. 126. С. 293-300.
8. Ibragimov R.A., Pimenov S.I., Izotov V.S. Effect of mechanochemical activation of binder on properties of fine-grained concrete // Magazine of Civil Engineer- ing. 2015. Vol. 54 DOI: 10.5862 mce. 54.7.
9. Ibragimov R.A., Korolev E.V., Deberdeev T.R., Leksin V.V. Structural parameters and properties of fine-grained concrete on Portland cement, activated with grained concrete on Portland cement, activated with plasticizers in vortex layer apparatuses // ZKG Internaional. 2018. № 5. P. 28-35.
10. Данилина Э.М., Володин Г.И., Бреславец В.П. Потери энергии на вихревые токи в электромагнитных аппаратах вихревого слоя и способы их снижения // Известия вузов. Электромеханика. 2014. №1. С. 43-47.
11. Данилина Э.М., Астахов В.И. Вихревые токи и потери на них в пластине с разрезами // Известия вузов. Электромеханика. 2014. №4. С. 512.
12. Нгуен В.М., Конюхов Ю.В., Рыжонков Д.И. Исследование влияния электромагнитного поля и энергомеханической обработки на процесс получения наноразмерных порошков металлического кобальта восстановлением водородом // Известия вузов. Черная металлургия. 2018. №2. С. 96101.
13. Кицис С.И. Режимы установившегося самовозбуждения асинхронного генератора // Электричество. 2004. №2. С. 64-66.
14. Делицын Л.М., Рябов Ю.В., Власов А.С. Новая обогатительная технология переработки золы угольных электростанций с получением глиноземной и другой товарной продукции // Экология промышленного производства. 2012. №1. С. 75-79.
15. Mischenko M.V., Bokov M.M., Grishaev M.E. Activation of technological processes of materials in the device rotary electromagnetic field // Technical Sciences. 2015. № 2. P. 3508-3512.
Селиверстов Григорий Вячеславович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Титов Дмитрий Петрович, аспирант, Шоуё1981@,уапёех. ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет
COMPARISON OF THE VORTEX IAYER DRIVE APPARATUS WITH THE CLASSICAL ONE
G. V. Seliverstov, D.P. Titov
The article deals with the apparatus of the vortex layer is exposed by means of an intensification of most processes. In the classic version, the vortex layer device has a number of serious disadvantages. To eliminate these disadvantages, a new design of the vortex layer apparatus has been developed, which differs from the classic versions by the presence of a rotor. The rotor is capable of generating a rotating magnetic field. To identify the advantages of the new version of the vortex layer apparatus, comparative tests of the new and classic design were conducted. A comprehensive assessment of the results revealed that the proposed drive unit of the new design showed a more than 4-fold increase in crushing efficiency.
Key words: material preparation, enrichment, vortex layer apparatus, classical vortex layer apparatus, vortex layer drive apparatus, comparison, fractional composition, fraction formation rate.
Seliverstov Grigory Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Titov Dmitriy Petrovich, postgraduate, titovd1981@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 778.14.072
МИГРАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В МИКРОГРАФИИ
О.В. Демьянов
Рассмотрены этапы получения изображения на миграционных пленках, а также строение миграционной пленки, способ получения на ней позитивного и негативного изображения.
Ключевые слова: микрография, миграционные пленки, миграционный процесс, электризация, экспонирование, проявление, позитивное изображение, негативное изображение, строение.
При работе с несеребряными светочувствительными материалами для получения микроформ первого поколения могут быть применены не только электрофотографический процесс и фототермопластическая запись, но также и миграционный процесс.
В своей процедуре миграционный процесс ближе к фототермопластической записи, чем к процессу электрофотографии.
В миграционном процессе получения изображения три этапа:
1) электризация поверхности миграционной пленки;
2) экспонирование миграционной пленки;
3) проявление изображения.
Для миграционного процесса используют пленки, содержащие в светочувствительном слое специальные фотопроводящие частицы, помещенные в прозрачный слой полимерного связующего. Фотопроводящие частицы представляют собой частицы селена или его сплава.
69
