СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ Российский патент 2000 года по МПК B02C19/18 

Настоящее изобретение относится к способу разрушения твердого вещества, например диэлектрических и/или полупроводниковых материалов, в частности строительных неорганических вяжущих и наполнителей, минеральных удобрений, полезных ископаемых, и может быть использовано в строительной, цементной, химической, горнообогатительной и других отраслях промышленности.

Известен способ электрогидравлического удара, согласно которому разрушаемый материал помещают в жидкость, в которой осуществляют высоковольтный электрический разряд. Недостатком этого способа также является необходимость использования жидкости, что в ряде случаев нежелательно или недопустимо, а также использование высоковольтной аппаратуры (1).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ разрушения твердых диэлектриков и полупроводников путем механического воздействия на разрушаемый материал с использованием средств разрушения и физического воздействия (2). Известный способ позволяет частично повысить интенсивность дробления и снизить энергоемкость процесса, однако вследствие того, что физическое воздействие оказывают прикладывая излучатели электрического поля УВЧ с противоположных сторон к куску разрушаемого материала при непосредственном контакте с ним, способ имеет очень ограниченное применение, т.к. его невозможно применить при измельчении или при дроблении с использованием дробилок или в любых других традиционных средствах измельчения.

Таким образом, известные способы либо связаны с применением жидких средств и требуют значительного потребления энергии, либо имеют очень ограниченное применение и технически не позволяют решить имеющиеся проблемы технологий разрушения материалов, т.к. используют сверхвысокое напряжение или высокочастотные поля, которые отрицательно действуют на человеческий организм.

Задачей настоящего изобретения является создание такого способа разрушения твердых диэлектриков и полупроводников, который обеспечивал бы увеличение производительности традиционного оборудования для измельчения при снижении энергоемкости процессов измельчения или при адекватных энергозатратах обеспечивал бы более высокую степень диспергирования материалов.

При исследовании процессов разрушения твердых тел авторами была обнаружена возможность интенсификации дробления и измельчения диэлектриков и полупроводников под воздействием знакопеременного частотно-модулированного потенциала, создаваемого, например, электронным или электромеханическим генератором. Традиционно считалось, что для разрушения материалов необходимо использование полей высоких энергий или токов большой величины, протекающих в разрушаемом материале в результате разряда. Однако, как показано в настоящем изобретении, эффективного и быстрого разрушения материалов можно достичь в отсутствие электрического тока, только путем приложения знакопеременного частотно-модулированного электрического потенциала. Обнаруженное явление можно частично объяснить исходя из электрофизической природы разрушения твердых тел. Учитывая, что при разрушении твердого тела часть затрачиваемой энергии расходуется на генерацию электрических зарядов как на его поверхности вследствие образования двойного электрического слоя контактной природы, так и в объеме - как проявление прямого пьезоэффекта, можно предположить, что указанные процессы подавляются при воздействии на разрушаемые материалы переменных электрических полей, а вследствие возникновения в разрушаемом материале явлений обратного пьезоэффекта и электрострикции могут быть усилены процессы их разрушения. Уподобляя микродефекты структуры твердого тела элементарным плоским конденсаторам, можно также предположить вероятное "расклинивающее действие" переменных электрических полей.

Таким образом, поставленная задача решена посредством создания способа разрушения твердых диэлектриков и полупроводников путем механического воздействия на разрушаемый материал с использованием средств разрушения и физического воздействия, в котором физическое воздействие осуществляют путем приложения к механическим средствам разрушения и находящихся в их рабочих объемах обрабатываемых материалам знакопеременного частотно-модулированного электрического потенциала. При этом знакопеременный частотно-модулированный электрический потенциал может быть подан от электронного или электромеханического генератора. Знакопеременный частотно-модулированный электрический потенциал может быть подан на средства разрушения через одиночный электрод. Посредством одиночного электрода может быть создано частично модулированное поле с несущей частотой в диапазоне от 10 Гц до 50 кГц. Знакопеременное частотно-модулированное поле может быть создано с частотой от 309 Гц до 10 кГц. Может быть использован потенциал величиной от 0,5 до 300 В. Может быть использован потенциал от 1 до 100 В. В том случае, если, например, разрушаемый материал подвергают дроблению в конусной дробилке, знакопеременный частотно-модулированный электрический потенциал может быть подан на ее рабочие органы и обрабатываемый материал. В качестве конусной дробилки может быть использована конусно-инерционная дробилка. Если разрушаемый материал подвергают измельчению в мельнице, например барабанной шаровой мельнице, знакопеременный частотно-модулированный электрический потенциал может быть подан на корпус мельницы и обрабатываемый материал.

В качестве разрушаемого материала могут быть использованы диэлектрики и полупроводники, выбранные из группы, включающей каменные и бурые угли, шунгиты, граниты, известняки, оксиды металлов, руды цветных и черных металлов, а также неорганические, в том числе вяжущие и наполнители, минеральные удобрения и т.д. строительные неорганические вяжущие могут быть выбраны из группы, включающей цементный клинкер, смеси гашеной извести и кварцевого песка, глиноземы и т. д. Руды цветных и черных металлов могут быть выбраны из группы, включающей железную руду, сульфидные медно-никелевые руды, силикатные никелевые руды, фосфориты и апатиты.

При измельчении твердых материалов в традиционных средствах дробления и измельчения с приложением к ним через одиночный электрод (ОЭ) знакопеременного частотно-модулированного потенциала частицы разрушаемого материала приобретают мгновенный одноименный по знаку заряд, вследствие чего происходит их отталкивание и интенсивное разрушение материала "изнутри". При этом достигается резкое увеличение выхода тонких фракций, однородности измельчения, сокращения времени измельчения материалов и, как следствие, снижение энергоемкости процесса в целом. Указанного технического эффекта невозможно достичь при использовании известных способов разрушения материалов с применением известных методов физического воздействия, поскольку все они основаны на воздействии переменного тока или создании поля, образованного двумя электродами, т.е. поля, линии напряженности которого замкнуты. При этом отсутствуют условия для приобретения частицами одноименных зарядов, как в случае потенциала, образованного одиночным электродом. В дополнение к этому, приложение знакопеременного частотно-модулированного потенциала усиливает разрушающее действие вследствие возникающих интенсивных колебаний в структуре материала, вызванных мгновенным изменением знака заряда частиц на противоположный.

Фиг. 1 - изображено влияние наложения переменного частотно-модулированного потенциала на изменение массовой доли Q (%) фракций различных размеров d (мм) оксида алюминия при его дроблении на лабораторной конусно-инерционной дробилке при неизменном времени процесса.

Фиг. 2 - изображена массовая функция распределения (ΔQ/Δd) частиц шунгита сухого вибропомола по эквивалентным диаметрам d (мкм) под воздействием знакопеременного частотно-модулированного электрического потенциала и без его воздействия.

Для осуществления изобретения разрушаемый материал помещали в соответствующие средства измельчения (например, дробилку, мельницу, бегун, дезинтегратор), на которые подавали знакопеременный частотно-модулированный электрический потенциал. Дробление и измельчения проводили как на лабораторном оборудовании, так и на промышленных установках, в рабочих объемах которых создавались электрические переменные поля.

Изменение производительности машин оценивалось по времени достижения определенной тонины помола, а механохимические характеристики - удельная поверхность, уплотняемость, химическая активность вяжущих веществ - по известным методикам.

Примеры.

Пример 1.

Проведено исследование процесса измельчения клинкера марки "ВЦ" в конусно/инерционной дробилке КИД-10 в АО "МеханобрТехноген", Санкт-Петербург. Величина подаваемого потенциала составила 14 В, несущая частота электрического поля находилась в диапазоне 19 - 1990 Гц. В результате испытаний получены следующие данные:
- производительность дробильного агрегата увеличилась на 15-20%,
- ситовой анализ показал увеличение доли мелких фракций более чем в 2 раза,
- удельная поверхность измельченного клинкера увеличилась на 29%,
- химическая активность вяжущего увеличилась на 17%.

Пример 2.

Проведено исследование процесса получения известково-кремнеземистого вяжущего в барабанной шаровой мельнице марки ШМБ в цехе силикатного кирпича АО "Стройматериалы", Белгород. В процессе испытаний проводили сравнение работы мельницы в обычном режиме и при наложении потенциала. Величина подаваемого потенциала составила 9 В, несущая частота электрического поля находилась в диапазоне 31-6700 Гц. Результаты работы оценивались по времени освобождения сырьевого бункера и по качеству размола извести.

Оценка времени освобождения бункера показывает, что в отсутствие потенциала бункер освобождается за 130 мин, а при потенциале - за 105 мин. Таким образом, измерение времени освобождения бункера составило 19,2%.

Качество размола можно проследить из таблиц 1 и 2.

Пример 3.

Проведено исследование процесса дробления каменного угля в щековой дробилке в цехе Пермского химико-механического завода, г. Пермь. В процессе испытаний проводили сравнение работы дробилки в обычном режиме и при подаваемом потенциале. Величина подаваемого потенциала составила 48 В, несущая частота электрического поля находилась в пределах 40-9710 Гц. Результаты работы приведены в таблице 3.

В результате испытаний обнаружено резкое увеличение выхода основной фракции при сохранении времени, необходимого для дробления.

Пример 4.

Проведено исследование процесса измельчения цемента на заводе TOURAN PORTLAND CEMENT CO., (Египет). Испытания проводили на барабанных мельницах для помола цемента. Величина подаваемого потенциала составила 12 В, несущая частота электрического поля выбиралась из интервала 40-4000 Гц. В результате испытаний получены следующие данные:
- производительность мельницы увеличилась на 14-22%,
- ситовой анализ показал увеличение доли мелких фракций, в среднем в 1,5 раза,
- удельная поверхность измельченного цемента увеличилась на 20%,
- химическая активность вяжущего увеличилась на 13%.

Пример 5.

Проведено исследование процесса измельчения минерального удобрения на комбинате "ФОСФОРИТ" г. Кингисепп, Ленинградская область. Испытание проводили путем измельчения фосфата кальция на барабанных мельницах. Величина подаваемого потенциала составила 12 В, несущая частота электрического поля варьировалась от 45 до 900 Гц. В результате испытаний получены следующие данные:
- производительность мельницы увеличилась на 33%,
- ситовой анализ показал увеличение доли мелких фракций, в среднем в 2,2 раза,
- удельная поверхность измельченного фосфата кальция увеличилась на 52%,
- уплотняемость (слеживаемость) снизилась на 15%.

Дифференциальные кривые распределения частиц по размерам показаны на фиг. 1.

Пример 6.

Проведено исследование процесса измельчения полезных ископаемых на горно-обогатительном комбинате, г. Старый Оскол.

Испытание проводили при дроблении железной руды на валковой дробилке. Величина подаваемого потенциала составила 15 В, несущая частота электрического поля выбиралась из диапазона 6000 Гц. В результате испытаний получены следующие данные:
- производительность оборудования увеличилась на 23%,
- ситовой анализ показал увеличение доли мелких фракций. Гистограмма ситового анализа приведена на фиг. 2.

Испытания предлагаемого изобретения показали, что способ согласно изобретению не оказывает вредного воздействия на окружающую среду, позволяет исключить выброс токсичных отходов или других загрязнений и не опасен для человека.

Кроме того, предложенный способ не требует больших капиталовложений в действующие технологии и может использоваться практически для любого типа разрушающего оборудования.

Источники информации
1. RU 2038150 C1, 27.06.95.

2. SU 659100 A1, 30.06.91.

Способ включает механическое воздействие на разрушаемый материал с использованием средств разрушения и физического воздействия, в котором физическое воздействие осуществляют путем приложения к механическим средствам разрушения и обрабатываемых в их рабочих объемах материалам знакопеременного частотно-модулированного электрического потенциала. Изобретение позволяет обеспечить увеличение производительности традиционного оборудования для измельчения при снижении энергоемкости процессов измельчения или при адекватных энергозатратах обеспечить более высокую степень диспергирования материалов. 12 з.п. ф-лы, 2 ил. 3 табл.

1. Способ разрушения твердых диэлектриков и полупроводников путем механического воздействия на разрушаемый материал с использованием средств разрушения и физического воздействия, отличающийся тем, что физическое воздействие осуществляют путем приложения к механическим средствам разрушения и обрабатываемых в их рабочих объемах материалам знакопеременного частотно-модулированного электрического потенциала. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что знакопеременный частотно-модулированный потенциал подают, например, от электронного или электромеханического генератора. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что знакопеременный частотно-модулированный электрический потенциал подают на средства разрушения через одиночный электрод. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что посредством одиночного электрода создают частотно-модулированное поле с несущей частотой от 10 Гц до 50 кГц. 5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что создают знакопеременное частотно-модулированное поле с частотой от 30 Гц до 10 кГц. 6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что используют потенциал величиной от 0,5 до 300 В. 7. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что используют потенциал от 1 до 100 В. 8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что разрушаемый материал подвергают дроблению в конусной дробилке, а знакопеременный частотно-модулированный электрический потенциал подают на ее рабочие органы и обрабатываемый материал. 9. Способ по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что в качестве конусной дробилки используют конусно-инерционную дробилку. 10. Способ по любому из пп.1 - 9, отличающийся тем, что разрушаемый материал подвергают измельчению в мельнице, например барабанной шаровой мельнице, а знакопеременный частотно-модулированный электрический потенциал подают на барабан мельницы и обрабатываемый материал. 11. Способ по любому из пп.1 - 10, отличающийся тем, что в качестве разрушаемого материала используют диэлектрики и полупроводники, выбранные из группы, включающей каменные и бурые угли, шунгиты, граниты, известняки, оксиды металлов, руды цветных и черных металлов, а также неорганические, в том числе строительные вяжущие и наполнители, минеральные удобрения и т.д. 12. Способ по любому из пп.1 - 11, отличающийся тем, что строительные неорганические вяжущие выбирают из группы, включающей цементный клинкер, смеси гашеной извести и кварцевого песка, глиноземы. 13. Способ по любому из пп.1 - 12, отличающийся тем, что руды цветных и черных металлов выбирают из группы, включающей железную руду, сульфидные медно-никелевые руды, силикатные никелевые руды, фосфориты и аппатиты.