Full Text

Введение. В последние годы в нашей стране большое внимание уделяется развитию производств по промышленной переработке твердых отходов производства и потребления с целью уменьшения доли полигонного захоронения таких отходов и достижения максимальной степени извлечения из них компонентов, пригодных для использования в качестве вторичного сырья [1-2]. Многие виды таких отходов содержат металлические включения. Извлечение металлов необходимо при любом способе утилизации отходов, поскольку является условием надежной работы технологического оборудования и обеспечивает качество товарных продуктов переработки, а реализация металлов в качестве наиболее ценного вторичного сырья существенно улучшает экономические показатели производств. Для извлечения металлических включений из потоков сыпучих материалов чаще всего применяются электромагнитные методы: магнитная сепарация для удаления черных (ферромагнитных) металлов и электродинамическая сепарация для сбора цветных металлов [3-7]. Можно отметить, что магнитные сепараторы - железоотделители применяются во многих отраслях промышленности, поэтому хорошо изучены и выпускаются серийно [5-6]. В то же время электродинамические сепараторы (по принятой за рубежом терминологии: eddy-currentseparators - вихретоковые сепараторы), хотя и известны давно [7-8], свое применение получили только в конце ХХ в. в связи с развитием отрасли переработки отходов [7, 9-14]. Существует несколько конструктивных исполнений электродинамических сепараторов, отличающихся способом возбуждения магнитного поля (импульсные, вращающиеся, бегущие и др.) и способами подачи обрабатываемых материалов. Наибольшее распространение в последние годы получили сепараторы с вращающимися индукторами на основе постоянных магнитов, встроенными в шкив конвейера, перемещающего отходы [10-12]. Сепараторы такого типа отличаются малым энергопотреблением. В ряде случаев конкуренцию им могут составить сепараторы на основе трехфазных линейных индукторов, устанавливаемых под лентой конвейера. Эти сепараторы отличаются высокой производительностью и хорошо встраиваются в готовые технологические линии.Исследованием и разработкой таких сепараторов совместно с заинтересованными предприятиями занимается кафедра электротехники УрФУ [13-20]. Один из подходов, используемых при исследованиях, обсуждается в данной статье. Содержание и результаты исследований. Устройство рассматриваемого электродинамического сепаратора схематично показано на рис. 1. Обрабатываемые сыпучие материалы, перемещаясь по конвейеру, попадают в активную зону линейного индуктора, установленного под лентой. Бегущее магнитное поле, создаваемое обмоткой индуктора, воздействует на проводящие немагнитные частицы, заставляя их перемещаться в поперечном по отношению к движению ленты направлении (по оси y). Такие частицы выносятся из потока материалов и собираются сбоку от конвейера. При высокой производительности сепараторов (большие ширина ленты и скорость конвейера) целесообразно использовать двухсторонний выход металлов, применяя линейные индукторы с разбегающимися магнитными полями [13, 19]. По сути, электродинамический сепаратор представляет собой линейную индукционную машину (ЛИМ), работающую по принципу асинхронного двигателя. При этом извлекаемая проводящая частица выполняет роль вторичного элемента такого двигателя. x z y Рис. 1. Схема электродинамического сепаратора на основе линейного индуктора с подачей материалов по ленте конвейера Конечный результат сепарации зависит от значений как электромагнитных сил Fэм, так и механических сил сопротивления движению Fсопр. В простейшем случае при подаче материала разреженным потоком сила сопротивления близка к силе трения, определяемой по известному выражению: . (1) Коэффициент трения в (1) зависит от типа ленты конвейера. Например, в случае резинотканевой ленты kтр = 0,35…0,40. В установках большой производительности сепарируемый материал подается толстым слоем и к силе трения добавляется сила сопротивления среды, зависящая от физических свойств материала, от плотности потока, от скорости движения извлекаемых частиц. Указанные механические силы направлены в одну сторону, поэтому эффект сопротивления среды можно учесть за счет увеличения в (1) величины kтр. Конкретные значения kтр для реальных сред целесообразно определять экспериментально. Например, при разработке сепараторов для обработки твердых коммунальных отходов в ходе экспериментов были получены значения коэффициента на уровне 0,6-0,8 [13]. Очевидно, что извлекаемая из потока проводящая частица начинает свое движение при условии Fэм > Fсопр. При этом частица участвует в двух движениях: переносится лентой конвейера со скоростью Vк в направлении оси x и движется ускоренно под действием результирующей силы (Fэм - Fсопр) в направлении оси y. В результате формируются криволинейные траектории движения частиц, как показано на рис. 2. Время пребывания частиц в зоне сепарации tи определяется шириной индуктора Lи и скоростью конвейера Vк. За это время высокопроводящие частицы успевают переместиться за пределы ленты (траектория 1), частицы металлов с малой электропроводностью или частицы малых размеров могут не достичь края ленты (траектория 2) и не извлекаются из потока. Частицы неметаллов в зоне сепарации не отклоняются от линии движения на конвейере (траектория 3). Параметры движения извлекаемой проводящей частицы в зоне сепарации (ускорение под действием электромагнитной силы, скорость, перемещение), определяющие ее траекторию, можно найти из решения уравнения движения, которое определяется выражением: . (2) Рис. 2. Модель сепаратора для расчета траекторий движения извлекаемых частиц В общем случае сила сопротивления и электромагнитная сила зависят от скорости движения частицы, что делает уравнение (2) нелинейным. При малых скоростях движения частиц (менее 1-2 м/с) силы сопротивления не зависят от скорости, и можно принимать kтр = const. В ряде случаев можно принять допущение о постоянстве электромагнитной силы, развиваемой в сепараторе. Такое допущение приемлемо, когда скорость частицы V существенно уступает скорости бегущего магнитного поля V0 (ЛИМ работает в режиме, близком к режиму пуска, при скольжении, близком к s = 1). Как показано в [17], при таких допущениях удается связать отклонения извлекаемой частицы от линии подачи B с действующим на нее электромагнитным усилием простым аналитическим выражением, которое удобно использовать при многовариантных поисковых расчетах (например, при сопоставлении вариантов конструкции сепаратора по величине требуемых для извлечения усилий): , (3) где Fm - удельное электромагнитное усилие (усилие, отнесенное к массе частицы), Н/кг или м/с3, Fm = Fэм/m. В то же время указанное допущение сужает область использования методики. Для уточнения траекторий движения частиц при расчетах следует учитывать зависимость электромагнитного усилия от скорости движения частиц в направлении бегущего поля (по оси y). Такая зависимость определяется видом механической характеристики ЛИМ. При больших немагнитных зазорах, характерных для электродинамических сепараторов, и малом размере частиц ЛИМ имеет мягкую механическую характеристику, приближающуюся к прямолинейной. При этом изменение усилия можно приближенно определять по выражению: , (4) где Fэм0 - пусковое усилие, V0 - скорость бегущего магнитного поля, V0 = 2τf, τ - полюсное деление индуктора, Vy - текущая скорость частицы в направлении движения поля. В случае ЛИМ с малым количеством полюсов (2р = 2, 4, 6) распределение магнитного поля и электромагнитных усилий по длине ЛИМ существенно неравномерно, поэтому необходимо дополнительно учитывать изменение электромагнитных сил по длине индуктора с учетом положения частиц над ним. Указанная зависимость электромагнитного усилия от скорости и положения частицы делает уравнение (2) нелинейным, что затрудняет его аналитическое решение. С учетом изложенного для расчета траектории движения проводящих частиц в рассматриваемых сепараторах предлагается разбить активную зону ЛИМ на участки шириной ΔL = Ln/n (на рис. 2 число таких участков разбиения n = 5, на практике целесообразно иметь n ≥ 10) и полагать, что электромагнитное усилие в пределах каждого участка остается постоянным. При таком подходе на каждом шаге решается линейное уравнение с определением параметров движения (составляющие скорости и перемещения) в конце участка. По этим параметрам, являющимися начальными для следующего участка, корректируется электромагнитное усилие, и решение повторяется. Для первого участка начальными условиями являются следующие параметры: - положение частицы: x = 0, y = 0; - начальная скорость частицы Vx=0 = Vк и проекции скорости Vx = Vк; Vy = 0); - пусковое электромагнитное усилие Fэм0, соответствующее положению частицы над линейным индуктором. С учетом изложенного для первого участка получаем следующий порядок расчета: - время прохождения участка ΔL при движении ленты конвейера: , (5) - ускорение частицы в направлении бегущего магнитного поля: , (6) - составляющие скорости в конце 1-го участка: , , (7) - перемещение частицы (по осям x и y): , . (8) С учетом полученных параметров корректируется значение электромагнитного усилия по (4). При этом с учетом нового положения частицы над индуктором уточняется значение Fэм0. Новое значение усилия вместе со значениями скорости и перемещения, определенных по (7) и (8), составляют начальные условия для второго участка. Аналогично определяются параметры движения частицы на втором участке: - ускорение частицы на 2-м участке: , (9) - составляющие скорости в конце 2-го участка: , , (10) - перемещение частицы от исходного положения , . (11) С учетом новых параметров движения частицы снова уточняется значение электромагнитного усилия. Далее расчеты повторяются для последующих участков индуктора до выхода частицы за пределы ленты или индуктора. Представленная методика расчета траекторий сепарируемых частиц была использована при исследовании характеристик опытно-промышленного образца электродинамического сепаратора, разработанного и созданного в УрФУ совместно с АО «Уралэнергоцветмет» [13, 18]. Односторонний линейный индуктор, составляющий основу сепаратора, имеет следующие основные параметры: количество полюсов 2р = 8 (крайние полюсы - укороченные); полюсное деление τ = 0,186 м; питание от стандартной сети (напряжение Uл = 380 В, частота f = 50 Гц); удаление извлекаемой частицы от поверхности индуктора h = 0,01 м; скольжение s = 1; амплитуда линейной плотности тока Jпm = 110 кА/м. Расчету траекторий движения сепарируемых частиц предшествуют электромагнитные расчеты ЛИМ сепаратора, выполняемые по методике, разработанной в УрФУ и учитывающей ограниченность размеров вторичного элемента (сепарируемой частицы) [15]. В ходе исследований определялись удельные электромагнитные усилия, действующие на частицы алюминиевых сплавов: деформируемых (средняя удельная электропроводность γ = 27МСм/м, плотность ρ = 2,71 г/см3) и литейных (γ = 21 МСм/м, ρ = 2,68 г/см3), наиболее часто встречающихся в таких видах отходов, как автомобильный лом или коммунальные отходы. Оценка усилий выполнена для плоских квадратных частиц со стороной b. Толщина частиц изменялась от 1 до 10 мм (для деформируемых сплавов) и от 3 до 30 мм (для литейных сплавов). Результаты расчетов представлены на рис. 3. Как видно на рис. 3, электромагнитные усилия в ЛИМ электродинамического сепаратора существенно зависят от размера частиц. Как показывает опыт, извлечение из потока отходов алюминиевых включений крупностью более 60 мм трудности не вызывает. Поэтому исследования выполнены для частиц меньших размеров. В целом электромагнитные расчеты позволили определить диапазон удельных электромагнитных усилий Fm= 0…50 Н/кг, характерных для рассматриваемой установки. Рис. 3. Зависимость удельного электромагнитного усилия от крупности частиц из деформируемых (сплошные линии) и литейных (пунктир) алюминиевых сплавов при разной их толщине (цифры на графиках, мм) Расчеты траекторий движения частиц и отклонений их от линии подачи по методике, приведенной выше, выполнены для варианта сепаратора, имеющего следующие параметры: ширина индуктора Lи = 0,35 м, скорость конвейера Vк = 1 м/с, ширина ленты конвейера Вк = 1 м, коэффициент трения kтр = 0,4 [13, 18]. Для сравнения отклонения частиц при заданных удельных электромагнитных усилиях определены также без учета нелинейности уравнения (2) по выражению (3). Сравнение результатов расчетов показано на рис. 4. Рис. 4. Расчетные отклонения частиц от линии подачи без корректировки (пунктир) и с корректировкой усилия (сплошная линия) Как видно на рис. 4, ошибка в оценке отклонений частиц без корректировки усилия нарастает с увеличением удельного электромагнитного усилия. В данном случае при Fm = 50 Н/кг она составляет 30 %. Расчеты показывают, что подобная ошибка увеличивается с уменьшением полюсного деления ЛИМ, т.е. с уменьшением скорости бегущего магнитного поля. Это означает, что оценка отклонений сепарируемых частиц по выражению (3) не всегда корректна. Расчеты траекторий частиц по предлагаемой методике выполнены для двух вариантов сепаратора: с односторонним выходом металла и с двухсторонним выходом, достигаемым за счет использования линейных индукторов с разбегающимися магнитными полями. На рис. 5 представлены траектории частиц для сепаратора с односторонним выходом металла. Рис. 5. Траектории движения частиц в сепараторе с односторонним выходом металла при ширине индуктора 0,35 м, скорости ленты конвейера 1 м/с, ширине ленты 1 м и коэффициенте трения 0,4 (цифрами показаны значения Fm) В худшем случае в таком сепараторе частица должна преодолеть расстояние, равное ширине ленты конвейера Вк = 1 м. Сплошными линиями показаны траектории движения частиц, которые извлекаются при указанных параметрах сепаратора, а пунктирными линиями - траектории частиц, которые не извлекаются. Как видно на рис. 4, при расположении частиц на краю ленты (на входном краю индуктора) расстояние Вк = 1 м способны преодолеть только те из них, на которые воздействует усилие, большее Fm = 23 Н/кг. Такому условию соответствует только часть частиц алюминиевых сплавов крупностью более 50 мм (см. рис. 3). Очевидно, что при расположении частиц ближе к центру ленты и ближе к выходному краю индуктора граничное значение удельного электромагнитного усилия будет уменьшаться. Например, для извлечения частиц, расположенных в 100 мм от противоположного края ленты, достаточно усилия Fm = 7 Н/кг. Из такого положения на ленте могут извлекаться алюминиевые частицы крупностью более 30 мм. В целом выполненные исследования показывают, что рассматриваемый вариант сепаратора не позволяет извлекать мелкие фракции металлов. Рис. 6. Траектории движения частиц в сепараторе с двухсторонним выходом металла Одним из способов улучшения технологических показателей рассматриваемых сепараторов является использование линейных индукторов, создающих разбегающиеся магнитные поля [13, 19]. В этом случае обеспечивается выход металла в обе стороны от конвейера, а сепарируемым частицам в худшем случае необходимо преодолеть расстояние, равное 0,5Вк. Результаты расчетов траекторий частиц для такого случая при сохранении остальных параметров установки показаны на рис. 6. Нетрудно видеть, что количество частиц, извлекаемых за пределы ленты, увеличивается, а граничное значение удельного электромагнитного усилия, при котором прекращается сепарация частиц, снижается до Fm = 13 Н/кг. Это означает, что алюминиевые частицы, расположенные у центра ленты, будут извлекаться только при крупности более 40 мм. Как и ранее, при расположении частиц ближе к краю ленты требуемое удельное усилие снижается, и могут сепарироваться частицы крупностью более 30 мм. Выводы. Таким образом, выполненные исследования показали, что предложенная методика расчета электродинамических сепараторов позволяет рассчитывать траектории движения сепарируемых частиц и оценивать работоспособность установок. Оценки, полученные при расчетах опытно-промышленного сепаратора, совпадают с результатами заводских испытаний[13, 19]: надежно извлекаются алюминиевые частицы крупностью более 50 мм (при одностороннем выходе металла) и более 40 мм (при двухстороннем выходе). Такой результат позволяет рекомендовать предложенную методику расчета сепараторов для практического использования.

About the authors

A. Yu Konyaev

Ural Federal University

D. N Bagin

Ural Federal University

E. O Lapteva

Ural Federal University

References

Statistics

Views

Abstract - 23

PDF (Russian) - 7

Refbacks

• There are currently no refbacks.