Черных Олег Львович

кандидат технических наук,

заместитель главного конструктора по науке

ООО НПФ «ТеплоЭнергоПром», г.Пермь

Аннотация: Статья посвящена анализу и наиболее вероятным механизмам разрушения твердых зернистых материалов в рабочей камере аппаратов с вихревым слоем во вращающемся электромагнитном поле. Выдвинута и аргументируется гипотеза о превалировании процесса                   микродуговой обработки измельчаемых веществ в энергетических эффектах. Аргументация проведена на основе известных законов классической физики и имеющихся знаний об электроискровых процессах разрушения твердых материалов.

 

В последние годы в России возродился интерес к аппаратам с вихревым слоем во вращающемся электромагнитном поле [1]. Развитие и совершенствование указанных аппаратов идет в направлении: увеличения их единичной мощности, разработки встроенных устройств для повышения эффективности переработки сыпучих материалов, регулирование температуры в рабочей камере, обеспечения условий взрывобезопасности, использования абразивостойких и коррозионностойких покрытий рабочих элементов и рабочей камеры, совмещения различных процессов в одном аппарате, а также совершенствования системы автоматического управления процессом измельчения зернистых материалов. Появились публикации [2] о том, что возможно создание измельчительных устройств на указанных принципах производительностью до нескольких сот тонн в час. Рассматриваемые аппараты находят все большие области использования. Они очень компактны и демонстрируют энергозатраты на 20-40% ниже традиционных шаровых барабанных мельниц, которые известны миру уже более 130 лет.

Аппарат с вихревым слоем ферромагнитных элементов (АВС) представляет собой рабочую камеру (трубопровод) диаметром 60–330 мм, расположенную в индукторе вращающегося электромагнитного поля (ЭМП). В рабочей зоне трубопровода содержатся цилиндрические ферромагнитные элементы диаметром 0,5–5 мм и длиной 5–60 мм в количестве от нескольких десятков до нескольких тысяч штук (0,05–20 кг) в зависимости от рабочей зоны аппарата (рисунок 1) [2].

 

По конструктивному оформлению АВС с ЭМП могут быть разделены на два основных класса: аппараты для проведения жидкофазных и гетерогенных процессов и аппараты для смешения и диспергирования сыпучих материалов.

Рис. 1. Аппарат вихревого слоя с вращающимся электромагнитным полем

1- рабочая камера; 2 – иголки; 3 – тороидальный магнитопровод; 4 - катушки

 

Аппараты вихревого слоя, обладают очень важной особенностью: они без особых проблем и затрат встраиваются в существующие технологические линии, значительно повышая их производительность и улучшая качество продукции. На их базе можно осуществлять рудоподготовку перед сухими методами обогащения руд, что представляется чрезвычайно перспективным направлением технического прогресса реконструируемых и вновь проектируемых обогатительных фабрик. Автор данной статьи, именно для создания технологических линий сухой рудоподготовки с последующим сухим обогащением руд, рассматривает использование указанных аппаратов [3].

У ряда исследователей рассматриваемых аппаратов, до сих пор отсутствует четкое понимание о превалирующих энергетических эффектах в рассматриваемых процессах. Так, авторы [4] указывают: «Рассматриваемые эффекты, возникающие в рабочей зоне аппаратов вихревого слоя, отличаются очень высокой энергетикой, источник которой пока остаётся загадкой».

Подобные заявления проистекают из следующих известных фактов. Линейная скорость движения иголок в рабочей зоне определяется скоростью вращения электромагнитного поля. Она сравнительно невелика — составляет 10-12 м/с и изменяется

 

по радиусу. Поэтому легко рассчитать силу удара иголки. И здесь выявились интересные факты — для разрушения, например, чугуна требуется энергия движения иголки, равная примерно 32 м/с, песка - 34 м/с, не говоря уже об алмазах, корунде или цирконе. Однако все эти материалы весьма эффективно разрушаются, причем в сотни раз быстрее, чем, например, в шаровой или вибрационной мельницах. Иголки же при этом претерпевают довольно малые внешние изменения. Поэтому разрушение материалов и вообще воздействие на вещество не следует связывать только с прямым воздействием иголок.

Однако, несмотря на то, что аппараты с вращающимся ЭМП применяются в промышленности уже несколько десятков лет, до сих пор объяснение хода процессов и источников энергии, способных обеспечивать необычайно высокую производительность аппаратов при ничтожных затратах внешней энергии и очень малых материалоемкости и габаритах, представляется в виде научных гипотез, выводы которых зачастую выходят за рамки классической физики. Такое положение дел, очевидно, указывает на наличие широкого простора для научного поиска и значительного потенциала дальнейшего развития данной технологии для инженеров в области ее совершенствования.

Некоторые авторы гипотез [4] пытаются трактовать вышеприведенные факты таким явлением, как магнитострикция, когда на концах иголки могут развиваться огромные давления (ударное импульсное воздействие до 15-20 т/мм²). Представляется маловероятным, что в хаотически вращающемся взвешенном слое, все частицы измельчаемого материала, или большая их часть непременно попадают в зону действия торцов иголок.

В итоге, низкая энергоемкость процессов измельчения в АВС с ЭМП объясняется тем, что в их рабочем пространстве генерируется ряд эффектов, которые совмещаются с термическими и механическими явлениями (в том числе механическая деструкция, микродуги между ферромагнитными элементами, магнитострикция, электролиз, кавитация, акустическое излучение ультразвукового частотного диапазона, воздействие на вещество электромагнитных полей и пр.). Удельная мощность воздействия этих эффектов настолько велика, что действуя одновременно на частицы обрабатываемого вещества, обеспечивает высокую степень его диспергирования, а также глубокие его структурные изменения [4].

Сделаем попытку, на базе законов классической физики, привести свою гипотезу превалирующего механизма разрушения твердых, прочных, зернистых материалов в рабочей камере рассматриваемого аппарата.

Согласно закону Фарадея воздействие переменного магнитного поля в рабочей зоне аппарата на металлические иголки, являющиеся проводниками, приводит к возникновению в них индукционных токов. В случае с иголками в рабочей зоне АВС предполагается, что двухэлектродной ячейкой может служить соседство двух иголок, имеющих разные заряды.

Измельчаемая частица зернистого материала имеет большую вероятность попадать в межэлектродный промежуток, или соприкасаться с межэлектродным промежутком и подвергаться воздействию микродуг – электроискровому разряду. Очевидно, что рассматриваемый процесс носит импульсный характер, поскольку, такое соседство достаточно кратко. Хаотичная переориентация размольных элементов с разностью скоростей в структурных группах сопровождается созданием многоточечных контактных взаимодействий между ними через прослойку обрабатываемого продукта. Вращение одновременно всех рабочих элементов наряду с изменениями их (иголок) направлениями магнитной полярности и многократных соударениях приводит к формированию в рабочей зоне высокотоковых короткоживущих электрических цепей, разрыв и образование которых сопровождается возникновением плазменных проводящих каналов. Процессы электроискрового измельчения твердых материалов известны давно, механизмы и закономерности этих процессов многократно описаны в научной литературе [5,6]. Если мы имеем дело с АВС для проведения жидкофазных и гетерогенных процессов, то необходимо вспомнить об эффектах Юткина [7] и Воробьевых [5]. На поверхности микровыступа электрическое поле усиливается во много раз по сравнению с моделью плоского конденсатора. Это приводит к электрическому разряду в жидкости на поверхности твердого обрабатываемого зерна. Плазма этого разряда, двигаясь по поверхности диэлектрика (в случае, если таковым является обрабатываемое сырье), для которого ток проводимости отсутствует, создает ток смещения. Этот ток проходит через микровыступ и создает в нем большую плотность тока. За счет этого и происходит электрический взрыв микровыступа на поверхности диэлектрика.

Для случая использования АВС в сухих процессах измельчения зернистых мате- риалов, промоделируем энергетический процесс, используя закон Пашена: пробойное напряжение Uпр зависит только от произведения Р•δ, а не отдельно от давления Р и зазора δ. В соответствии с законом Пашена предложена [8] простая формула для расчета пробойного напряжения плоского конденсатора:

Uпр = 24,5 Р•δ + 6,4(Р•δ)^0,5                                                  (1)

где Р − давление газа, атм; δ − расстояние между электродами, см; Uпр − в кВ.

В нашем случае, δ расстояние между двумя иголками, образующими микродугу, которая и является источником разрушения обрабатываемого в АВС зернистого материала. Если принять δ = 0,1 см, Р = 1 атм, то получим Uпр = 4,5 кВ для плоского конденсатора и в разы меньше для пары иголок, имеющих округлости торцевой поверхности  и основной

 

цилиндрической поверхности. То есть, при напряженности поля между иголками 1000 В/мм в воздухе при нормальных условиях мы уже можем наблюдать микродуги.

Продолжая аналогию с конденсатором, из курса физики известно соотношение: Wи = С•U²/2,                                                           (2)

где,  Wи – энергия в импульсе, Дж;

С – зарядная емкость конденсатора, Ф или Кл/В;

U – напряжение на паре иголок, образовавших «конденсатор», В.

Принятая аналогия уместна, так как энергия заряженного конденсатора зависит только от его емкости и от напряжения на нем. Форма конденсатора и распределение поля внутри него роли не играет.

Удельные энергозатраты (Эуд) на процесс помола (только за счет микродуг) : Эуд = Wи•n/m = С•U²•n/2•m                                                       (3)

где, Эуд [Дж•кг/м²];

n – количество импульсов (микродуг); m – масса измельченного продукта, кг.

Строго говоря, для каждой пары иголок, образующей микродуги, будут свои значения Сi и Ui.

Механизм образования микродуг можно также объяснить и разрывом контактов, в случае, когда иголки размыкаются. Электрическая дуга может возникать при пробое промежутка между контактами или при размыкании их. При размыкании контактов возникновению дуги между ними способствует образование на поверхности контактов раскаленных «точек», которые являются следствием значительных плотностей тока на небольших площадках «отрыва». Это вызывает образование дуги при разрыве контактов даже при довольно низком напряжении (порядка нескольких десятков вольт). Обычно полагают, что минимальными условиями возникновения на контактах хотя бы неустойчивой дуги являются ток около 0,5 А и напряжение 15 - 20 В [9]. Расходящиеся контакты можно представить, как конденсатор переменной емкости, который через сопротивление цепи заряжается и напряжение на нем растет от нуля до Umax.

Электрическая дуга является газообразным проводником тока. На этот проводник, так же, как и на металлический, действует магнитное поле, создавая силу, пропорциональную индукции поля и току в дуге. Магнитное поле, действуя на дугу, увеличивает ее длину и перемещает элементы дуги в пространстве. Электроимпульсная обработка зернистых материалов характеризуется импульсами тока длительностью более 100 мкс, при которых разряд по своим характеристикам относится к дуговому.

 

Физический механизм способа разрушения зернистых материалов за счет напряжений разрыва изнутри дает возможность достижения более низкой энергоемкости разрушения в сравнении с традиционными способами (в сопоставимых по применению условиях). Образование микродуг в рабочем объеме АВС наблюдается визуально, то есть это факт, присущий рассматриваемому процессу. Вторым фактом, подтверждающим предложенную к рассмотрению гипотезу о превалировании механизма микродуговой обработки материалов, является наблюдаемый процесс быстрого износа (утоньшения стенки) рабочей камеры АВС. Стенка рабочей камеры, выполненная из нержавеющей стали, «выгрызается» именно благодаря электроискровой, микродуговой обработке, а не только абразивным износом вращающихся иголок.

Микродуговое воздействие сопровождается рядом процессов, сопутствующих только такому воздействию: возникновением плотной низкотемпературной плазмы в канале разряда; электролизом жидкости; формированием сложной системы прямых и отраженных волн сжатия и растяжения, достигающих значительных величин, кавитационными и ультразвуковыми процессами. Одним из основных механизмов энергетических воздействий на минеральное сырье, в рассматриваемых устройствах, является процесс образования микротрещин вокруг канала пробоя, в том числе, вследствие воздействия нагретого расширяющегося газа в канале и истечения его из канала в случае выхода последнего на поверхность зернистого материала. Канал пробоя растет за счет вхождения в него области, ионизованной электронами лавины. Краткость по времени рассматриваемых энергетических импульсов воздействия, с учетом усиления их в местах микровыступов, как на иголках, так и на зернах обрабатываемого сырья, приводит к огромным давлениям, сосредоточенным в микрообъемах.

 

ВЫВОДЫ

Гипотеза о превалировании процесса микродуговой обработки измельчаемых веществ в энергетических эффектах аппаратов вихревого слоя с вращающимся электромагнитным полем представляется обоснованной в рамках современных знаний о механизмах электро-импульсных воздействий на измельчаемое зернистое сырье.

В практику переработки минерального сырья при обогащении все увереннее проникают технологии, предусматривающие применение разрядно-импульсной обработки минерального сырья в стадиях рудоподготовки. Именно такие, инновационные методы обеспечивают значительный скачок в сокращении энергозатрат на дезинтеграцию руд.

 

Список использованных источников:

1. Вершинин И.Н., Вершинин Н.П. Аппараты с вращающимся электромагнитным полем. – Сальск, ООО «Передовые технологии ХХІ века», Сальск-Москва, – 368 с.
2. Информационно-аналитические материалы: Мировые достижения развития методов, техники и технологий переработки минерального сырья. Серия: Обогащение минерального сырья. М.: Изд-во ВИМС, 2020. - 52 с.
3. Черных О.Л., Урванцев А.И. Оборудование для «сухих» способов рудоподготовки и обогащения//Добывающая промышленность, №5, октябрь 2021г., с.126-128.
4. Мищенко М.В., Боков М.М., Гришаев М.Е. Активация технологических процессов обработки материалов в аппаратах с вращающимся электромагнитным полем // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2-16. – С. 3508-3512; URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/ view?id=37809.
5. Воробьев А.А. Электрические разряды обрабатывают материалы, разрушают твердые тела/Изв. Томского политехнического института. Том 95, С.331-339.
6. Селективное разрушение минералов. / В.И. Ревнивцев и др., под ред. И.В. Ревнивцева - М.: Недра 1988 - 286 с. ил.
7. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986.- 253 с.
8. Аношин О. А., Белогловский А.А., Верещагин И. П. и др. Высоковольтные электротехнологии. − М.: из-во МЭИ, 1999. − 204 с.
9. Электрические и электронные аппараты. Учебное пособие. Часть I. Физические явления в электрических аппаратах. Сост. Р.Я. Кляйн. – Томск: Изд. ТПУ, – 73 с.

 

Статья опубликована в:

Energy effects in devices with a vortex layer//Proceedings of the International Conference “Scientific research of the SCO countries: synergy and integration” - Reports in English (March 12, 2025. Beijing, China, PRC), p.135-141.