Изобретение относится к способам обработки различных материалов, использующим воздействие на обрабатываемый материал факторов, сопровождающих мощный электрический разряд в воде (электрогидравлический (ЭГ) эффект).
Известен способ ЭГ обработки металлургических шлаков для выделения из них металлов, состоящий в том, что обрабатываемый материал загружается в бункер, под действием собственного веса перемещается в заполненную водой зону разрядных электродов и подвергается ЭГ обработке [1]. Известный способ не нашел промышленного применения из-за низкой производительности и высокой энергоемкости не только при дроблении шлаков, но и при обработке любого другого минерального сырья, содержащего растворимые соединения, а также пористых материалов. К такому сырью относятся металлургические отходы, отдельные виды руды, гравийно-песчаная масса из засушливых регионов, старый кирпич или бетон, многие виды волокнистых материалов.
Известен также способ ЭГ обработки материалов, преимущественно сельскохозяйственных продуктов, состоящий в том, что материал, подлежащий обработке, помещается между двумя сетчатыми транспортерами, загружается в рабочую жидкость, заполняющую камеру для ЭГ обработки, и проходит последовательно над искровыми разрядными промежутками между электродами, где и подвергается ЭГ обработке. Рабочая жидкость подается в ванну через входной штуцер и, проходя в противотоке к обрабатываемому материалу, выходит через выходной штуцер [2].
Недостатком указанных способов является низкая производительность, обусловленная высокой энергоемкостью процесса. Осуществить искровой разряд в рабочей жидкости, быстро приобретающей высокую электропроводность из-за растворения в ней содержащихся в обрабатываемых материалах солей и растительных кислот, можно только при очень коротких искровых межэлектродных промежутках. Объем зоны воздействия технологически полезных факторов, сопровождающих искровой разряд в жидкости, пропорционален кубу длины искрового промежутка между электродами, и при коротких промежутках он очень невелик. При попытке поднять производительность, увеличивая длину межэлектродного промежутка, проводящий канал в жидкости не образуется и энергия, запасаемая в конденсаторах, подключенных к электродам, вместо того, чтобы расходоваться на образование кратковременного, но мощного взрыва, сравнительно медленно рассеивается в межэлектродном промежутке, лишь незначительно нагревая рабочую жидкость и не создавая никакого технологически полезного эффекта. При попытке обеспечить нормальный пробой длинного межэлектродного промежутка в высокопроводящей воде посредством увеличения рабочего напряжения свыше уровня в 50 кВ усложняется и удорожается система электропитания ЭГ установки. Данную проблему можно решить, если предварительно удалить из обрабатываемого материала вещества, которые, переходя в рабочую жидкость ЭГ установки, повышают ее проводимость.
Известен способ обработки материала (гравийно-песчаной смеси для заполнителей тяжелого бетона), заключающийся в том, что обрабатываемый материал подвергают промывке, удалению промывочной жидкости (обезвоживанию) и обработке [3]. Цель промывки гравийно-песчаной смеси состоит в максимальном снижении глинистых частиц в щебне для заполнения тяжелых бетонов. Однако известный способ не обеспечивает высокого качества обработанного материала, так как при механическом дроблении получается значительное количество зерен щебня, имеющих крайне нежелательную пластинчатую или игловидную форму.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение качества обработанного материала при высокой производительности процесса. Высокое качество обработки достигается за счет применения ЭГ воздействия на обрабатываемый материал, а высокая производительность, позволяющая конкурировать с другими методами, обеспечивается посредством снижения энергоемкости за счет увеличения объема зоны электрогидравлического воздействия.
Данный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении известного способа, согласно которому обрабатываемый материал подвергают промывке, удалению промывочной жидкости и обработке, причем промывку осуществляют промывочной жидкостью с удельной проводимостью до 2·10-1 (Ом·м)-1 и температурой 0...50°С, выдерживают обрабатываемый материал в промывочной жидкости до полного влагонасыщения, при этом после удаления промывочной жидкости обрабатываемый материал помещают в рабочую жидкость и обработку осуществляют путем электрогидравлического воздействия при начальной амплитуде напряжения 0,4...1,0 кВ на 1 мм длины межэлектродного промежутка.
Кроме того, при промывке обрабатываемый материал дополнительно перемешивают.
Кроме того, промывку обрабатываемого материала осуществляют путем его орошения промывочной жидкостью.
Кроме того, промывку обрабатываемого материала осуществляют путем его погружения в промывочную жидкость.
Кроме того, в качестве промывочной жидкости используют водный раствор поверхностно-активного вещества.
Кроме того, в качестве промывочной жидкости используют смесь воды и органического растворителя, например, из группы спиртов или ароматических углеводородов.
Кроме того, в качестве рабочей жидкости используют водный раствор поверхностно-активного вещества.
Кроме того, в качестве рабочей жидкости используют смесь воды и органического растворителя.
Кроме того, в качестве промывочной жидкости используют отработанную в ходе электрогидравлической обработки рабочую жидкость.
По ходу описания применяются термины "промывочная жидкость" и "рабочая жидкость". "Промывочная жидкость" - это жидкость, которая используется для промывки и насыщения обрабатываемого материала. "Рабочая жидкость" - это жидкость, в которой непосредственно осуществляется процесс ЭГ обработки, то есть через которую проходят разряды. При осуществлении предложенного способа эти жидкости находятся в разных емкостях (камерах, ваннах). Чаще всего основой этих жидкостей является вода, но в некоторых случаях, особенно при обработке растительного или животного сырья, могут использоваться и другие жидкости. Это могут быть водные растворы поверхностно-активных веществ, либо органические растворители: спирты, ароматические углеводороды, хлорорганические соединения и т.п., либо их смеси с водой.
Технический результат достигается за счет того, что промывка материала удаляет с его поверхности большую часть солей и других соединений, которые, в случае растворения в рабочей жидкости ЭГ установки, затруднили бы протекание искрового разряда в оптимальном с точки зрения энергозатрат режиме. Если удельная проводимость промывочной жидкости не превышает 2·10-1 (Ом·м)-1, то остатки промывочной жидкости, попадая вместе с материалом в ЭГ установку, не ухудшают характеристики рабочей жидкости.
Кроме того, благодаря тому, что материал при промывке выдерживают в промывочной жидкости до полного насыщения, эффективность действия ударной волны на такие пористые материалы, как кирпичные и бетонные отходы, растительные волокна и солома, значительно повышается, то есть, повышается производительность процесса. Экспериментально установлено, что за время выдержки обеспечивается полное растворение и удаление из материала нежелательных солей и соединений во всем технически целесообразном диапазоне температур промывочной воды (≈0...50°С). Нижний предел температур ограничен точкой замерзания воды, верхний - началом деструктивных процессов, развивающихся в органическом сырье под воздействием высокой температуры.
Проведение обработки при начальной амплитуде напряжения U на межэлектродном промежутке 0,4...1,0 кВ на 1 мм длины межэлектродного промежутка L обеспечивает высокую производительность процесса, так как при этом длина работоспособного межэлектродного промежутка в жидкости при оптимальных для ЭГ обработки напряжениях наиболее велика, а следовательно, наибольшим будет и объем зоны ЭГ воздействия. При U/L<0,4 кВ/мм проводящий канал не образуется даже в жидкости с очень низкой проводимостью. При U/L>1 кВ/мм обработка возможна в рабочей жидкости с большой удельной проводимостью, но из-за малой длины межэлектродного зазора объем зоны ЭГ воздействия и, соответственно, производительность, сильно снижаются. Повышение же рабочего напряжения удорожает ЭГ установку и увеличивает ее габариты.
Дополнительное перемешивание материала во время предварительной обработки ускоряет насыщение материала промывочной жидкостью и растворение нежелательных солей и соединений.
Промывка обрабатываемого материала посредством его орошения промывочной жидкостью целесообразна при обработке волокнистых материалов растительного происхождения, поскольку при этом не остается непромытых участков.
Промывка обрабатываемого материала посредством его погружения в промывочную жидкость целесообразна при обработке кусковых материалов, например горных пород или отходов бетона, поскольку при этом достигается более полное насыщение пор материала жидкостью.
Использование в качестве промывочной жидкости водного раствора поверхностно-активного вещества улучшает смачивание поверхности обрабатываемого материала, и, тем самым, удаление солевых загрязнений, а также снижает энергозатраты на дробление.
Использование в качестве промывочной жидкости смеси воды и органического растворителя способствует повышению производительности процесса, если его целью является удаление жировых загрязнений с поверхности материала, либо экстракция плохо растворимых в воде веществ.
Использование в качестве рабочей жидкости водного раствора поверхностно-активного вещества снижает энергозатраты на дробление.
Использование в качестве рабочей жидкости смеси воды и органического растворителя повышает производительность процесса, если его целью является удаление жировых загрязнений с поверхности материала, а при экстракции плохо растворимых в воде веществ является единственным способом осуществления процесса.
Использование в качестве промывочной жидкости отработанной в ходе электрогидравлической обработки рабочей жидкости снижает потребление дефицитной низкопроводящей жидкости.
Существо предложенного способа иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 в качестве примера реализации предложенного способа в конкретном устройстве представлен чертеж ЭГ установки для обработки кусковых материалов, например для дробления горных пород, с предварительной промывкой материала посредством его погружения в промывочную жидкость.
На фиг.2 в качестве другого примера реализации предложенного способа в конкретном устройстве представлен чертеж ЭГ установки для обработки волокнистых материалов, например льна, конопли или шерсти, с предварительной промывкой материала посредством его орошения промывочной жидкостью.
Согласно схеме процесса, представленной на фиг.1, обрабатываемый материал 7, например валунно-гравийная смесь, загружается в корпус 2 устройства для промывки 3, заполненный проточной промывочной жидкостью 4. Экспериментально установлено, что положительный эффект от промывки достигается если удельная проводимость промывочной жидкости не превышает 2·10-1 (Ом·м)-1.
После того как содержащиеся на поверхности обрабатываемого материала растворимые химические соединения, например пыль, содержащая минеральные удобрения или соль, растворятся в промывочной жидкости 4, обрабатываемый материал 7 извлекают из промывочного устройства посредством ковшового конвейера 5 и удаляют промывочную жидкость 4. Время промывки должно быть достаточным для растворения указанных соединений. Оно уменьшается с повышением температуры промывочной жидкости и с повышением интенсивности перемешивания обрабатываемого материала при промывке. Время промывки должно быть также достаточно для полного насыщения обрабатываемого материала промывочной жидкостью. Под термином "полное насыщение" подразумевается такое состояние обрабатываемого материала, когда дальнейшее выдерживание его в жидкости, уже не приводит к заметному (более чем на 20%) увеличению влагосодержания. Количество загружаемого в корпус 2 обрабатываемого материала М должно быть не менее требуемого времени промывки Т, помноженного на производительность ЭГ установки П. Например, если требуемое время промывки Т=0,5 часа, а производительность ЭГ установки П=10 т/час, то в корпусе 2 должно постоянно находиться не менее Т×П=0,5×10=5 т обрабатываемого материала.
На представленном примере промывочная жидкость 4 удаляется за счет того, что сама стекает обратно в корпус 2 через предусмотренные для этого отверстия 6 в ковшах 7 конвейера 5. При использовании предложенного способа для обработки сельскохозяйственных продуктов промывочная жидкость 4 может также удаляться посредством отжима промытого обрабатываемого материала 1 между валками (фиг.2) или центрифугированием. Для реализации предложенного способа промытый обрабатываемый материал не требуется обезвоживать досуха. После указанных выше в качестве примера приемов удаления промывочной жидкости ее содержание в обрабатываемом материале становится во много раз меньше того количества рабочей жидкости, которое требуется для ЭГ обработки этого количества материала. Поэтому, смешиваясь с рабочей жидкостью, остатки промывочной жидкости не повышают значительным образом ее проводимости.
Далее обрабатываемый материал поступает в устройство для ЭГ обработки 8. В примере, представленном на фиг.1, это ЭГ дробилка, содержащая заполненную рабочей жидкостью 9 камеру (корпус) 10, высоковольтный рабочий электрод 11, низковольтный электрод, в качестве которого используется решетка 12, и конвейер 13 для удаления готового продукта. Между рабочим электродом 11 и заземленной решеткой 12 прикладывается импульсное высокое напряжение, начальная амплитуда которого составляет 0,4...1,0 кВ на 1 мм длины межэлектродного промежутка.
Поскольку ЭГ обработка почти всегда вызывает дробление или расщепление обрабатываемого материала, содержащиеся в толще материала растворимые соединения переходят в рабочую жидкость. Поэтому проводимость рабочей жидкости постепенно увеличивается и, когда она достигнет примерно 7·10-2 (Ом·м)-1, нормальное развитие, завершающееся образованием проводящего канала и мощным взрывом, получает примерно только половина разрядов, производительность установки существенно снижается и рабочую жидкость необходимо заменять. Обычно смена рабочей жидкости производится непрерывно, причем пригодность рабочей жидкости определяется посредством контроля ее удельной проводимости.
Поскольку максимально допустимая проводимость рабочей жидкости меньше, чем максимально допустимая проводимость промывочной жидкости, такая отработавшая в разрядной части ЭГ установки рабочая жидкость еще может быть эффективно использована для промывки сырья. Это существенно сокращает общий расход жидкости для обработки.
В представленной в качестве примера ЭГ дробилке отработавшая рабочая жидкость 9, использованная в качестве рабочей жидкости, по трубопроводу 14 перекачивается насосом 15 в корпус 2 промывочного устройства 3. Если ЭГ обработка применяется для мойки, использование этого приема нецелесообразно, так как увеличит загрязнение сырья.
При реализации предложенного способа в установке для обработки растительного сырья используется другой набор оборудования (фиг.2). Предварительно разрыхленный обрабатываемый материал 1, например лен или конопля, по лотку 16 широкой лентой подается на конвейер 17 для промывки. Лента 18 конвейера 17 для обеспечения беспрепятственного стока промывочной жидкости 4 выполняется, например, из сетки. В начале конвейера 17, над ним, установлено орошающее устройство 19, разбрызгивающее жидкость 4 на обрабатываемый материал 1. Проходя через слой материала 1, жидкость 4 растворяет находящиеся на его поверхности соли и другие растворимые соединения, большей частью это следы минеральных удобрений, и, просачиваясь через сетчатую ленту 18 конвейера 17, стекает в корпус 2. Попутно происходит насыщение материала промывочной жидкостью.
Применительно к волокнистым материалам растительного происхождения время нахождения сырья на конвейере 17 под орошающим устройством 19 должно составлять 1...20 минут. При меньшем времени не удается хорошо промыть сырье, тем более что повышение напора промывочной жидкости приводит к вымыванию сырья с ленты 18. При большем, чем 30 минут времени промывки сырья, возможна потеря прочности волокон, что приводит к их недопустимому укорачиванию в ходе ЭГ обработки.
Длина орошающего устройства 19, измеренная вдоль конвейера 17, меньше длины конвейера 17. Поэтому после выхода обрабатываемого материала 1 из-под струй 20 жидкости 4 он освобождается от этой жидкости, так как она имеет возможность свободно стекать через сетчатую ленту 18 конвейера 17. Для сокращения длины конвейера 17, в конце него установлен валик 21, дополнительно отжимающий жидкость 4 из материала 1. В полном удалении жидкости 4, например, посредством высушивания, нет необходимости. Также нет необходимости в рыхлении материала 1 после отжима, так как он будет все равно разрыхлен при ЭГ обработке. Далее, масса материала 1, подвергшегося предварительной обработке, поступает в камеру 10 для ЭГ обработки.
В качестве промывочной жидкости в описанном процессе целесообразно использовать не чистую воду, а водные растворы поверхностно-активных веществ, не увеличивающих проводимость раствора. Аналогично примеру, изображенному на фиг.1, в качестве промывочной жидкости 4 можно использовать отработавшую в электрогидравлической установке рабочую жидкость 9. Для этого отработавшая жидкость 9 с выходного конца камеры 10 насосом 15 подается на вход орошающего устройства 19.
Подвергнутый промывке обрабатываемый материал не только освобождается от большей части поверхностных загрязнений, в том числе от растворимых солей и соединений, но и насыщается жидкостью, а также размачивается. Из материала вытесняются воздушные пузырьки, поглощающие ЭГ ударную волну и снижающие тем самым кпд ЭГ обработки. Размачивание также снижает энергозатраты на ЭГ обработку. Суммарный эффект от удаления воздуха и предварительного размачивания выражается приблизительно в 13...18-процентном увеличении производительности ЭГ процесса.
Промывочная жидкость 4 работает либо по открытому циклу, когда после предварительной обработки материала 1 она удаляется из установки, либо, как показано на фиг.2, по замкнутому циклу с частичным освежением на каждом обороте.
Разработка предложенного способа была основана на следующих экспериментально установленных фактах.
Первый состоит в том, что для большинства технологических применений ЭГ эффекта не требуется высокой плотности энергии ударной волны. Поэтому для повышения производительности процесса объем зоны действия ударной волны, то есть длина искры, должны быть как можно больше, несмотря на то, что при этом линейная плотность энергии ударной волны снижается.
Второй состоит в том, что получение достаточно длинных (50...120 мм) искр при технически целесообразной сравнительно невысокой (≈ 50 кВ) начальной амплитуде напряжения возможно только при низкой (не свыше 7·10-2 (Ом·м)-1) проводимости рабочей жидкости. Указанные цифры в пересчете на единицу длины межэлектродного промежутка соответствуют начальной амплитуде напряжения в 0,4...1,0 кВ/мм.
Третий состоит в том, что проведенные автором измерения показали, что вода с низкой электропроводностью, пригодная для электрогидравлических установок, имеется далеко не везде. Подземные воды составляют значительную часть не только Российских, но и общемировых источников пресной воды. Практически всегда они сильно минерализованы и имеют высокую электропроводность. Поверхностная вода из многих озер и нижних участков течения рек обычно также имеет высокую электропроводность. Вода из указанных источников либо совсем не пригодна для ЭГ установок, либо теряет пригодность при ничтожно малом добавлении солей из обрабатываемого материала.
Поэтому обеспечение ЭГ установок особо пресной водой с низкой электропроводностью в объемах до нескольких тысяч кубометров в сутки является весьма серьезной проблемой.
Четвертый состоит в том, что предварительная промывка материала даже высокопроводящей жидкостью, гораздо более доступной, все же уменьшает количество растворимых веществ и соединений, вносимых материалом в рабочую жидкость ЭГ установки, увеличивая тем самым продолжительность использования и, снижая общий расход рабочей жидкости с низкой электропроводностью, которую зачастую приходится готовить специально.
Пятый состоит в том, что нет необходимости в полном удалении высокопроводящей промывочной жидкости из промытого материала - достаточно обеспечить ее свободное стекание в течение времени, порядка времени промывки.
Шестой факт состоит в том, что рабочая жидкость, уже непригодная по своей удельной проводимости для использования в ЭГ установке, тем не менее, может быть эффективно использована в качестве жидкости для предварительной обработки. Седьмой состоит в том, что предварительное насыщение пористого материала жидкостью снижает затухание ударной волны в материале и повышает тем самым производительность процесса на 6...9% для старого кирпича и бетона, и на 13...17% для волокнистых материалов, таких как лен, конопля, джут. Повышение производительности процесса косвенно означает также снижение расхода рабочей жидкости.
Пример использования предложенного способа в ЭГ установке для обработки волокон льна с целью их расщепления на более ценные и мягкие элементарные волокна.
В качестве промывочной и рабочей жидкостей используется вода. Удельная проводимость промывочной воды на входе в орошающее устройство - 2·10-1 (Ом·м)-1. После обработки при расходе 20 литров на килограмм сырья ее удельная проводимость увеличивается до 3·10-1 (Ом·м)-1. После удаления основной части промывочной воды посредством свободного стекания с сырьевой массы, содержание ее остатков составляет 2 литра на килограмм сухого сырья. При загрузке промытой сырьевой массы в камеру для ЭГ обработки с водой проводимостью 1·10-2 (Ом·м)-1 в количестве 20 литров воды на 1 кг сырья проводимость воды увеличивается до 4·10-2 (Ом·м)-1. Такая вода еще может без замены использоваться в ЭГ установке в течение времени, достаточного для обработки всей загруженной порции материала, который продолжает выделять растворимые вещества в ходе обработки. При этом обеспечивается гарантированное развитие искровых пробоев в диапазоне изменения начальной амплитуды напряжения 0,4...1,0 кВ/мм длины межэлектродного зазора. Если же в воду с той же исходной проводимостью поместить непромытое сырье, то ее проводимость возрастет до 1,1·10-2 (Ом·м)-1, то есть она станет непригодной для ЭГ установки. Ее потребуется либо заменить, либо разбавить свежей водой, то есть осуществить ту же промывку, но более дефицитной жидкостью.
Источники информации.
1. Л.А.Юткин. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение, 1986, стр. 195.
2. А. с. СССР №298168. Машина для очистки твердых, волокнистых и эластичных материалов. - Л.А.Юткин, Л.И.Гольцова, - Заявлено 23.06.65.
3. Патент СССР №1822400 от 15.06.93, МПК С 04 В 20/10.
Изобретение предназначено для обработки различных материалов - минерального сырья или сельскохозяйственных продуктов. Способ обработки материала заключается в том, что обрабатываемый материал подвергают промывке, удаляют промывочную жидкость, при этом обрабатываемый материал промывают промывочной жидкостью с удельной проводимостью 2·10-1 (Ом·м)-1 и температурой 0...50°С, выдерживают его до полного влагонасыщения, при этом после удаления промывочной жидкости обрабатываемый материал помещают в рабочую жидкость и обработку осуществляют путем электрогидравлического воздействия при начальной амплитуде напряжения 0,3...1,0 кВ на 1 мм длины межэлектродного промежутка. Обрабатываемый материал может быть предварительно перемешан. Промывка обрабатываемого материала может быть осуществлена путем его орошения промывочной жидкостью. Промывка обрабатываемого материала может быть осуществлена путем его погружения в промывочную жидкость. В качестве промывочной жидкости может быть использован водный раствор поверхностно-активного вещества или смесь воды и органического растворителя или отработанная в ходе электрогидравлической обработки рабочая жидкость. Изобретение позволяет повысить качество обработанного материала. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.
| Способ переработки гравийно-песчаной смеси для тяжелого бетона | 1991 |
|
SU1822400A3 |
