Технология

Подпись: О тонком и сверхтонком измельчении материалов В настоящее время существует огромное количество аппаратов для дробления, измельчения и диспергирования вообще. Некоторые из них довольно успешно используются в промышленности и являются апробированными. Однако, требования к качеству продукта (крупность, чистота и т.д.) измельчения повышаются, и уже не первый десяток лет встает вопрос – а есть ли предел, порог механического измельчения; до какой тонины помола процесс измельчения может конкурировать с процессом синтеза дисперсных частиц. Не буду проводить обзор существующих аппаратов и области их применения – об этом достаточно много написано и будут еще писать… Скажу одно – при тонком измельчении 1 мкм и менее на данный момент есть (условно конечно) критический размер частиц, после которого все разработанные измельчители не способны давать продукт в промышленных масштабах. Вы можете сказать: как… ведь планетарные мельницы, роторные аппараты дают продукт размером менее 1 мкм. А я отвечу: производительность по готовому классу для промышленного производства не достаточна, а загрязнение продукта материалом мелящих тел (мельница, в связи с эффектом упрочнения материала с уменьшением размера частиц, начинает молоть саму себя) ставит под сомнение саму идею получения микропорошков, а уж тем более нанопорошков, механическим способом. Однако, газ, нефть и прочее сырье для синтеза материалов дорожает с каждым днем, поэтому к вопросу будут возвращаться еще не раз. Принципиальная неприятность исследователя тонкого и сверхтонкого измельчения заключается в том, что процесс становиться существенно неустановившимися. К примеру, малейший дебаланс в конструкции планетарной мельницы приводит к возникновению при высоких скоростях вращения неуравновешенных сил инерции. Неустановившиеся нестационарные процессы это то, чего ПАХТ так боится и прячет в «коэффициенты» и разного рода «потери», то что трудно исследовать, спрогнозировать и описать. Если нестационарные процессы могут так интенсивно влиять, то напрашивается вывод – их нужно использовать, привлечь на свою сторону. Самым ярким примером служит кавитация. Особенности электрогидравлического преобразования энергии Электрогидравлический эффект (эффект Юткина) заключается в прямом преобразовании электрической энергии, запасенной в конденсаторной батарее, в механическую работу, совершаемую над жидкостью. При высоковольтном импульсном электрическом разряде (ВИЭР) запасенная энергия в течение 10-100 мкс выделяется в относительно небольшом объеме жидкости. В результате образуется канал разряда. Около 50% энергии расходуется на нагрев содержимого канала. Нагрев вызывает испарение жидкости в канал, давление в канале повышается до нескольких тысяч атмосфер и поверхность канала (разрядной полости) расширяется со скоростью соизмеримой со скоростью звука в жидкости. Высокоскоростное расширение полости вызывает возникновение и распространение волн сжатия, давление на фронте которых достигает тысяч атмосфер. По мере расширения полости давление в ней и скорость расширения снижается. Когда давление становиться меньше давления в окружающей среде начинается схлопывание. Уменьшение объема полости приводит к повышению давления в ней, что приводит к новому скачку скорости движения поверхности. Полость пульсирует излучая высокоамплитудные волны сжатия. Полость работает как некий трансформатор мощности, накапливающий энергию и высвобождающий ее за очень короткий промежуток времени. ЭГЭ - процесс энергоемкий. Энергия, необходимая на один разряд, составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч джоулей w=(u2c)/2, где u,c – напряжение заряда и емкость конденсаторной батареи соответственно. Если принять во внимание потери, связанные с несовершенством электросхемы и гидравлические потери, то выходит, что ВИЭР есть (как сказал один из моих научных недоброжелателей) «сильное хлопанье лопатой по воде» с целью изменения состояния вещества, находящегося в ней. Однако, главное преимущество ЭГЭ не энергоемкость а возможность преобразования большого количества энергии в работу за очень короткое время, т.е. высокая мощность воздействия. Величиной мощности легко управлять, изменяя время выделения энергии. Кроме того, использование всего комплекса гидродинамических явлений, сопровождающих ВИЭР, (а именно: ударные волны, высокоскоростные течения, квазистатическое давление в жидкости в случае разряда в закрытом объеме, кавитация) одновременно позволит направить всю полученную мощность на объект воздействия. О механизме электрогидроимпульсного и (или) кавитационного измельчения Основная задача измельчителя – создать в частице материала напряжение, превышающее предел прочности вещества, создать пластическую деформацию/новую поверхность частицы и отвести осколки частицы друг от друга. В традиционных механических измельчителях критическое напряжение достигается за счет удара и истирания мелящим телом. Электрическая энергия преобразуется в кинетическую энергию движущегося мелящего тела, отдающего энергию при ударе частице и окружающей среде в виде тепла. С уменьшением размера частиц растет количество энергии необходимой на образование новых поверхностей. Это в свою очередь приводит к необходимости совершать удар при все больших скоростях и т.д. Для охлаждения и дезагрегации частиц используют дисперсионную среду – воду. В электрогидравлических аппаратах электрическая энергия передается частице в виде серии импульсов сжатия и разрежения. При прохождении фронта сжатия через частицу в ней возникают напряжения, превышающие предел прочности любого известного материала, и образуются трещины. Во фронте разрежения трещины раскрываются и частица разрушается. Поскольку носителем энергии является жидкость, то нет необходимости применения мелящих тел (дополнительных потерь энергии) и решается вопрос дезагрегации осколков. В некоторых условиях, о которых будет сказано далее, при ВИЭР возможно возникновение кавитационной области. Рост и интенсивное захлопывание кавитационных полостей в объеме жидкости и поверхности твердых частиц приводит к образованию еще более мощных импульсов сжатия. ПРЕДЛАГАЕМ ПРИОБРЕСТИ НОВОЕ УСТРОЙСТВО Новый способ и устройство для тонкого и сверхтонкого измельчения твердых порошковых материалов Развитие передовых технологий в области электроники, медицины, химической технологии, развитие нанотехнологий, приводит к повышению требований к чистоте и степени измельчения порошковых сырьевых материалов. Например, для производства высококачественных красок на основе металлоокисных пигментов, таких как двуокись титана, оксид цинка, размер частиц должен достигать 1 мкм и менее. Перспективным направлением конверсии газов и создания низкотемпературных топливных элементовявляется процесс катализа на поверхности частиц искусственного алмаза, размер которых должен быть близок к коллодиному. Нанопорошки металлов, таких как железо, золото, активно используются в медицине. Требования к чистоте и широте гранулометрического состава указанных выше порошков весьма высоки. Современные технологии получения сверхтонких частиц недостаточно эффективны. Процессы высокотемпературного синтеза весьма энергоемки, что в разгар мирового топливного кризиса ставит под сомнение их перспективность. Принцип действия современных устройств для измельчения основывается на ударе и истирания частиц мелящими телами. Уменьшение размера частиц приводит к увеличению времени измельчения, повышению энергоемкости, загрязненности и себестоимости продукта. Сущность изобретения Сверхмощное бесконтактное воздействие на твердые частицы водной суспензии. Воздействие осуществляется путем создания высоковольтного импульсного электрического разряда в воде. Разряд сопровождается возникновением мощных ударных волн, высокоскоростных течений и кавитацией жидкости, приводящих к тонкому и сверхтонкому измельчению твердых порошковых материалов. Вводимая энергия, мощность легко регулируема. Предел тонины измельчения частиц отсутствует. Область применения: химическая технология, машиностроение, горно-добывающая промышленность, медицина. Описание изобретения Действие способа и устройства основывается на использовании эффекта Юткина. Высоковольтный импульсный электрический разряд в жидкости сопровождается возникновением плазменного канала разряда. Давление в канале разряда достигает 5 тыс. атм., температура 5 000 ºК. Под действием высоких давлений канал расширяется со скоростью порядка скорости звука в жидкости. Высокоскоростное расширение разрядной полости сопровождается излучением ударных волн амплитудой 5 тыс. атм. и шириной фронта сжатия порядка 1мкм. При прохождении фронта сжатия ударной волны через частицу материала в нем возникают напряжения, превышающие предел прочности самых твердых материалов (сталь, карбиды, искусственный алмаз и т.д.) и образуется система микротрещин. Во фронте разрежения ударной волны трещины раскрываются. Дисперионная среда, в качестве которой может выступать вода с растверенными поверхностно активными веществами, способствует расклиниванию трещин и отводу осколков, препятствует вторичной агрегации. Расширяющаяся разрядная полость представляет собой сферический поршень, движущийся со скоростями близкими к скорости звука. Движение стенок полости вызывает движение прилегающих слоев жидкости. В результате расположенные в жидкости частицы разрушаются под действием сил инерции и в результате высокоскоростного столкновения друг с другом и стенками разрядной камеры. При наличии свободной поверхности жидкости в камере ударно-волновые поцессы сопровождаются возникновением интенсивной импульсной кавитации жидкости. Захлопывающиеся кавитационные полости в объеме жидкости и неровностях твердых частиц излучают еще более мощные импульсы сжатия, приводящие к более эффективному разрушению частиц и отводу осколков друг от друга. Наличие в конструкции камеры местного гидродинамического сопротивления типа трубки Вентури способствует более полному преобразованию энергии разряда в механическую работу. Нестационарно сжатый объем жидкости в разрядной камере обладает высокой потенциальной энергией, которая преобразуется в кинетическую энергию струи жидкости в местном сопротивлении. При внезапном расширении потока в диффузорной части сопротивления возможно дополнительное разрушение частиц в результате возникновения мощных вихревых потоков и гидродинамической кавитации. Технология разрабатывается на кафедре Теоретической механики и сопротивления материалов УГХТУ (г. Днепропетровск, Украина, E-mail: dafedin@mail.ru). Внешний вид устройства показан на рисунке. В таблице приведены основные технические характеристики установки. Установка состоит из зарядного устройства с повышающим трансформатором, выпрямителем и батареей конденсаторов, количество и емкость которых растет с увеличением количества вводимой энергии. Общий вид установки Грансостав порошка искусственного алмаза до и после обработки Испытания установки при сверхтонком измельчении микропорошка искусственного алмаза производилось при участии сотрудников фирмы ТОВ «Алит» (Украина, г. Житомир). Измельчение осуществлялось с целью максимального выхода субмикропорошка зернистостью 1/0 мкм. Согласно результатам растровой микроскопии диаметр частиц в исходном алмазном порошке составил 3 – 8 мкм (см. рис. 2). Частицы размером менее 1 мкм полностью отсутствовали. После обработки порошка в электрогидроимпульсной установке разрядами в количестве 1000 (17 мин обработки при частоте разрядов 1 Гц) количество чатсиц фракции -1+0 мкм составило 67,3 %. Напряжение питания, В 220 Частота питающего напряжения, Гц 50 Напряжение заряда конденсаторов, кВ 40 Выпрямительная схема Однополупериод Емкость конденсаторов, мкФ 1,8 Индуктивность, Гн 1,0∙10-6 Объем разрядной камеры, л 1 – 1,5 Потребляемая мощность, кВт 0,374 Применение технологии Разрушение неметаллических материалов любой крепости (прочности); разрушение, дробление и измельчение хрупких неметаллических материалов любой крепости (прочности). Преимущества технологии Электроразрядная технология обеспечивает полную автоматизацию и дистанционное управление процессов разрушения дробления и измельчения; оборудование может использоваться в стационарном или мобильном вариантах; достигается снижение энергозатрат по сравнению с традиционно используемыми методами; разрушение, дробление и измельчение могут производиться в комплексе от одного энергоисточника; происходит очистка поверхности частиц исходного материала; возможно получение устойчивых водных суспензий. Внедрение электроразрядной технологии производится после получения положительных результатов экспериментальной проверки на промышленных образцах Заказчика в условиях Исполнителя. ЛИТЕРАТУРА 1. Пат. 63176 А Україна, МКИ В 02С 19/18. Пристрій для одержання тонко дисперсних систем / Б.В.Виноградов, В.І. Ємельяненко, Д.О.Федін (Україна) Український державний хіміко-технологічний університет. – №2003021226; Заявл. 11.02.2003; Опубл. 15.01.2004; Бюл. №1. 2. Пат. 60736 А Україна, МКИ ВО2С19/18. Спосіб для одержання тонко дисперсних систем / Б.В.Виноградов, В.І.Ємельяненко, Д.О.Федін (Україна) Український державний хіміко-технологічний університет. – №2003021241; Заявл. 11.02.2003; Опубл. 15.10.2003; Бюл. №10.