Full Text

Введение. Одной из актуальных задач в развитии экономики нашей страны является создание отрасли переработки отходов, прежде всего твердых коммунальных отходов и близких к ним по компонентному составу смешанных промышленных отходов [1-3]. Стратегия развития отрасли предполагает уменьшение доли полигонного захоронения таких отходов и максимальную степень извлечения из них компонентов, пригодных для использования в качестве вторичного сырья: металлов, пластмасс, макулатуры и т.п. Аналогичные задачи возникают при переработке лома выведенных из эксплуатации транспортных средств, лома электротехнического и электронного оборудования и других видов металлосодержащих отходов [4-6]. Становление отрасли переработки твердых отходов предполагает развитие российской технологической и машиностроительной базы, обеспечивающей создание высокотехнологичного оборудования, в том числе обладающего экспортным потенциалом [2]. Наиболее ценными материалами, использование которых в качестве вторичного сырья позволяет улучшить экономические показатели переработки твердых отходов, являются черные и цветные металлы. При этом для извлечения черных металлов используются магнитные сепараторы - железоотделители шкивного или подвесного типов, которые выпускаются серийно [7-8]. При установке в технологическую линию необходимого числа железоотделителей (от 1 до 4) достигается уровень извлечения металла до 100 % независимо от размера частиц. Более сложной и менее изученной является задача извлечения из потока твердых отходов цветных металлов. Для решения такой задачи в зарубежной практике используются электродинамические сепараторы с бегущим магнитным полем (по принятой за рубежом терминологии: eddy-current separators - вихретоковые сепараторы) [9-12]. Создание и совершенствование таких сепараторов являются актуальными задачами. В течение многих лет разработка электродинамических сепараторов проводится на кафедре «Электротехника и электротехнологические системы» Уральского федерального университета. Накоплен опыт создания и эксплуатации установок для различного применения [12-17]. В данной статье излагаются некоторые результаты исследований электродинамических сепараторов, выполненных в последние годы. Содержание и результаты исследований. В различных технологических схемах обработки металлосодержащих отходов и амортизационного лома магнитная сепарация предшествует электродинамической, поэтому на вход электродинамических сепараторов поступает материал без ферромагнитных включений. После этого с помощью электродинамической сепарации могут решаться два типа технологических задач: - извлечение цветных металлов из потока твердых отходов; - сортировка цветных металлов по видам и маркам сплавов. При решении первой технологической задачи, как правило, требуется высокая производительность установок. В этом случае целесообразна подача материала по ленте конвейера, как показано на рис. 1. В таких электродинамических сепараторах бегущее (вращающееся) магнитное поле создается с помощью линейных индукторов (рис. 1, а, б), а также с помощью индукторов с вращающимися магнитами либо электромагнитами (рис. 1, в), Рассмотрим работу сепаратора на примере установки с односторонним линейным индуктором. Подаваемый по ленте конвейера 1 поток сыпучих материалов, включающий частицы неметаллов 2 и металлов 3, проходит через активную зону линейного индуктора 4. Под действием электромагнитных сил частицы металлов выносятся в поперечном от конвейера направлении и собираются в приемник 5, неметаллические частицы перемещаются в приемник 6. В результате сепарации на установках, показанных на рис. 1, в качестве полезного продукта получается коллективный концентрат цветных металлов. Такие сепараторы применяются для удаления цветных металлов из твердых коммунальных отходов и близким к ним по составу смешанных промышленных отходов [9, 11-13, 16-17]. Al Al а б в Al Рис. 1. Варианты электродинамических сепараторов с подачей материалы по ленте конвейера Более сложной является задача индукционной сортировки цветных металлов и сплавов, где на первый план выходит возможность получения селективных концентратов целевых продуктов. При решении этой задачи целесообразно использовать электродинамический сепаратор на основе линейных индукторов с подачей материалов по наклонной плоскости. Такой сепаратор схематично показан на рис. 2. Иное Сплавы меди Сплавы алюминия R Рис. 2. Сепаратор на основе двухстороннего линейного индуктора с подачей материала по наклонной плоскости Обрабатываемая смесь материалов подается в зону сепарации вдоль линии подачи узким потоком, ширина которого определяется крупностью частиц в исходной смеси. При этом частицы разных металлов и сплавов находятся в равных начальных условиях, что недостижимо при подаче материала в потоке по ленте конвейера. Влияние механических взаимодействий сепарируемых частиц уменьшается, и их траектории в большей степени определяются электромагнитными силами, величина которых зависит от физических свойств металлов и сплавов (прежде всего, удельной электропроводности g и плотности r). Частицы металлов с разными физическими свойствами (например, сплавы меди и сплавы алюминия), приобретая разные траектории, будут собираться в разные приемники продуктов разделения. Частицы неметаллов не взаимодействуют с магнитным полем и собираются отдельно. Появляется возможность селективного сбора металлов и сплавов. Установки такого типа могут использоваться для обработки дробленого автомобильного лома, а также электронного и кабельного лома [10, 14-15]. Опыт разработки и эксплуатации электродинамичеких сепараторов, накопленный в Уральском федеральном университете, позволил выявить ряд проблем, требующих решения. В установках первого типа (см. рис. 1) имеются ограничения по крупности извлекаемых из твердых отходов металлических включений. Например, из потока отходов не извлекаются алюминиевые частицы крупностью менее 40 мм [13]. Объясняется это тем, что с уменьшением размеров металлических частиц удельное электромагнитное усилие Fm (отношение электромагнитного усилия, действующего на извлекаемую металлическую частицу к ее массе) существенно снижается и может не достигать требуемого для сепарации усилия Fm, треб. На рис. 3 представлены зависимости требуемых удельных усилий от скорости и ширины конвейера, подающего отходы. Расчеты выполнены по методике, описанной в [12], основанной на решении уравнений движения металлических частиц под действием электромагнитных и конкурирующих с ними механических сил. Предполагается, что при одностороннем выходе металла частица в худшем случае должна пройти расстояние, равное ширине конвейера Вк. Полученные для таких условий кривые показаны на рис. 3 сплошными линиями. Необходимо отметить, что требуемые для сепарации усилия быстро растут с увеличением производительности установок, т.е. ширины конвейера и скорости подачи. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,2 0,8 0,3 Vк, м/с Fm, треб, Н/кг 50 40 30 20 10 0 Рис. 3. Зависимости требуемых удельных усилий Fm,треб от скорости Vк и ширины (Вк = 1,2; 0,8; 0,3 м) конвейера, при коэффициенте сопротивления среды kтр = 0,6 Одним из путей увеличения доли извлекаемых из отходов металлов является использование линейных индукторов с обмотками, создающими встречно бегущие магнитные поля, движущиеся от центра индуктора [18]. Пример такой установки показан на рис. 4. Разбегающиеся магнитные поля обеспечивают выход металла из потока отходов в обе стороны от конвейера. При этом в худшем случае извлекаемая частица должна проходить расстояние, равное половине ширины конвейера Вк/2. Это приводит к снижению требуемых для сепарации удельных усилий, а следовательно, к увеличению выхода металла за счет извлечения мелкой фракции. На рис. 3 зависимости, соответствующие двухстороннему выходу металла, показаны пунктирными линиями. Можно видеть, что наибольший эффект предлагаемое решение дает при большой производительности установки (большие ширина ленты и скорость конвейера). Al Al Al Fэм, л Fэм, п Рис. 4. Схема электродинамического сепаратора на основе линейного индуктора со встречно бегущими магнитными полями В электродинамических сепараторах, предназначенных для индукционной сортировки металлосодержащих отходов и лома цветных металлов, необходимо обеспечивать как максимальное извлечение целевого металла, так и селективность разделения. При этом качество сепарации можно характеризовать такими технологическими показателями, как степень извлечения целевого металла в концентрат (e) и содержание его в концентрате (b). Стремление повысить качество получаемых концентратов вступает в противоречие с другими характеристиками сепараторов. Например, необходимая для повышения селективности подача исходного материала потоком узкой ширины ограничивает производительность установок. При этом самое простое решение для повышения производительности, связанное с увеличением ширины подающего желоба bж, ведет к снижению технологических показателей. Изложенное подтвердилось в ходе экспериментальных исследований на ряде установок, подобных показанной на рис. 2, в лаборатории УрФУ. Для имитации сепарируемых отходов в экспериментах использовалась смесь алюминиевых частиц и частиц изоляции крупностью менее 10 мм. Смесь подавалась в рабочую зону устройства вдоль линии подачи по желобам разной ширины (bж = 10, 20 и 30 мм). Варьируемым в ходе опытов параметром являлось расстояние от линии подачи до разделителя потока R (как показано на рис. 2). Для трехфазной обмотки четырехполюсного линейного индуктора, создающей магнитное поле, бегущее в одном направлении, использована схема укладки катушек отдельных фаз обмотки в индукторе экспериментальной установки: ААZZBBXXCCYYAAZZBBXXCCYY (здесь А, В, С - начала катушек соответствующих фаз; X, Y, Z - их концы). При испытаниях большая часть алюминиевых частиц под действием электромагнитных сил перемещалась за разделитель, попадая в концентрат целевого продукта, большая часть частиц изоляции не доходила до разделителя потока, попадая в хвосты обогащения. По результатам неоднократно повторенных опытов с использованием методов математической статистики определялись степень извлечения алюминия в концентрат e и содержание алюминия в концентрате b. Пример результатов экспериментов для одной из установок приведен на рис. 5. R, мм 20 20 20 e, % b, % 10 15 20 25 30 35 40 45 50 100 90 80 70 60 50 40 Рис. 5. Зависимость технологических показателей опытного сепаратора от положения разделителя потока при разной ширине желоба (цифры на графиках, мм) Нетрудно видеть, что при подаче исходного материала по узкому желобу (bж = 10 мм) достигались высокие технологические показатели (степень извлечения металла в концентрат (сплошные линии) и содержание его в концентрате (пунктир) на уровне 95-100 %). Можно отметить, что подобные показатели были получены при заводских испытаниях опытно-промышленной установки для сепарации дробленого электронного лома, где также осуществлялась подача материала потоком шириной 10 мм [19]. При увеличении ширины желоба (bж = 20 или 30 мм) технологические показатели экспериментальной установки заметно ухудшались. Подобные же результаты получены на других установках, в том числе в случае сепарации реального электронного лома, представленного заинтересованным предприятием. В целом результаты экспериментов показали, что увеличение производительности сепараторов за счет увеличения объема подаваемого в рабочую зону сепарируемого материала приводит к снижению технологических показателей сепарации, ухудшению качества разделения материала. Это объясняется увеличением сил сопротивления движению металлических частиц при увеличении ширины потока и увеличением числа столкновений частиц. Возможность повышения производительности установок без потери качества сепарации появляется при использовании в сепараторах линейных индукторов с разбегающимися магнитными полями (РБМП). Для той же установки с четырехполюсным линейным индуктором создание разбегающихся магнитных полей достигается при разбиении трехфазной обмотки на две секции (левую и правую, подобно рис. 4) и соответствующем изменении схемы укладки катушек отдельных фаз обмотки: BBZZAAYYCCXXAAZZBBXXCCYY. Такая схема обмотки обеспечивает движение разбегающихся магнитных полей непосредственно от оси индуктора. При этом поток входящего в сепаратор материала автоматически делится пополам и частицы металла отклоняются от линии подачи в разные стороны. Технологические показатели сепарации, достигнутые при испытаниях такого варианта установки, для ширины желоба bж = 20 мм показаны на рис. 6. Нетрудно видеть, что применение линейных индукторов со встречно бегущими магнитными полями и двухсторонним выходом металлических частиц позволило достичь высоких технологических показателей (на уровне 95-100 %), существенно лучших, чем в случае сепараторов с однонаправленным бегущим магнитным полем (с односторонним выходом сепарируемых частиц). R, мм e, % b, % 10 15 20 25 30 35 40 45 50 100 90 80 70 60 50 40 БМП РБМП Рис. 6. Сравнение технологических показателей опытного сепаратора при ширине желоба bж = 20 мм для случаев однонаправленного (БМП) и разбегающихся (РБМП) магнитных полей Необходимо отметить, что для создания встречно бегущих магнитных полей можно использовать различные варианты схем укладки трехфазных обмоток. Например, для рассмотренного четырехполюсного линейного индуктора, создающего разбегающиеся магнитные поля, такие варианты обмоток приведены в таблице. В рассмотренных вариантах фиксировалась схема укладки катушек на правой половине индуктора и изменялось чередование фаз на левой половине. Варианты схем укладки обмоток линейного индуктора Характер поля Вариант Схема укладки обмотки Бегущее магнитное поле AAZZBBXXCCYYAAZZBBXXCCYY Встречно бегущие (разбегающиеся) магнитные поля 1 YYCCXXBBZZAAAAZZBBXXCCYY 2 CCXXBBZZAAYYAAZZBBXXCCYY 3 XXBBZZAAYYCCAAZZBBXXCCYY 4 BBZZAAYYCCXXAAZZBBXXCCYY 5 ZZAAYYCCXXBBAAZZBBXXCCYY 6 AAYYCCXXBBZZAAZZBBXXCCYY Выполненные исследования позволили выявить существенную зависимость характера распределения бегущих магнитных полей и электромагнитных усилий по длине линейного индуктора от схемы укладки катушек. Положительные результаты для рассмотренных электродинамических сепараторов, показанные на рис. 3 и 6, получены для схемы обмотки индукторов по варианту 4. Этот вариант отличается тем, что трехфазная обмотка, состоящая из двух секций, занимающих левую и правую половины линейного индуктора и создающих встречно направленные бегущие магнитные поля, характеризуется симметричным расположением катушек отдельных фаз относительно поперечной оси индуктора и противоположным направлением токов в этих фазах. В ходе исследований выявлено, что при использовании в линейных индукторах со встречно бегущими магнитными полями других схем обмоток возможно появление в центральной зоне индуктора искажений магнитного поля и соответствующих искажений электромагнитных усилий, в том числе появление в центре индуктора зоны, в которой отсутствует электромагнитное усилие («мертвой» зоны). Применение таких схем обмоток в электродинамических сепараторах нежелательно. Выводы. Таким образом, результаты исследований электродинамических сепараторов на основе линейных индукторов со встречно бегущими (разбегающимися) магнитными полями показали перспективность их практического использования как при извлечении металлов из потока отходов, так и при индукционной сортировке металлосодержащих отходов и амортизационного лома. В то же время в ходе исследований выявлены особенности электромагнитных процессов в рассматриваемых установках, обусловливающие необходимость тщательного выбора вариантов схем трехфазных обмоток, создающих встречно бегущие магнитные поля.

About the authors

A. Yu Konyaev

Ural Federal University

Zh. O Abdullaev

Ural Federal University

D. N Bagin

Ural Federal University

M. E Zyazev

Ural Federal University

References

Statistics

Views

Abstract - 22

PDF (Russian) - 14

Refbacks

• There are currently no refbacks.