Исследование электротехнологических процессов при переработке неликвидов абразивов с использованием оборудования высокого напряжения

Актуальность темы

В законодательных актах, нормативных и программных документах РФ, регулирующих отношения в области энергопотребления и энергосбережения, подчеркивается важность работ по созданию комплексных энергосберегающих и экологически чистых технологий межотраслевого применения для переработки промышленных отходов и возврата ценного сырья в производство. Это подтверждается решениями Международных и Российских научных конференций по проблемам развития исследований процессов, имеющих место в электрической технологии (электротехнологии) с использованием оборудования высокого напряжения, а также Федеральной программой «Критические технологии России», в которых указывается на перспективность использования электротехнологий в промышленности.

Важное место в этом направлении занимает проблема переработки отходов абразивной промышленности, которая в год выпускает около одного миллиона штук абразивных изделий для нужд металлургической, машиностроительной, автомобильной и других отраслей промышленности, где они используются при обработке различных материалов. Для своевременного удовлетворения запросов промышленности на эти инструменты и повышения эффективности их производства [1] важно использовать вторичные ресурсы в виде абразивного зерна, полученного из отработавших нормированный срок службы абразивных инструментов и отходов производства (неликвиды абразивов).

Традиционные механические методы дробления абразивных материалов характеризуются высокой металлоемкостью [2], интенсивным износом рабочих частей дробильного оборудования и повышенными энергетическими затратами [3], а термическая обработка абразивных изделий (отверждение, сушка, обжиг), где используются конвективные и радиационные способы передачи тепла, характеризуется большим непроизводительным расходом тепловой энергии [4].

В связи с этим необходим поиск новых подходов к решению данной проблемы. Перспективным здесь является использование методов электротехногии, связанных с использованием электрического высоковольтного импульсного разряда в газовых и жидких средах для измельчения материалов [5], а также с пропусканием электрического тока через изделие для его термической обработки. Они позволяют организовать экологически чистый технологический процесс при сравнительно небольших энергетических затратах, а также обеспечивают плавное дозирование энергии воздействия, что важно для управления технологическим процессом в целом. Так, при разогреве бетонной смеси паром изделие воспринимает всего 8−12% его энергии, а при электроразогреве токами сквозной проводимости этот показатель составляет 90−95% [6].

Однако внедрение указанных методов в абразивную промышленность сдерживается отсутствием сведений по электротехнологическим процессам, характеризующим комплексную переработку неликвидов абразивов, включая и технологию изготовления абразивных инструментов, с использованием электротехнического оборудования высокого напряжения.

В силу этого необходимо выполнить исследование электротехнологических процессов, имеющих место при измельчении неликвидов абразивов электрическим импульсным разрядом, а также термической обработки полуфабрикатов абразивных изделий с использованием прямого пропускания электрического тока высокого напряжения.

Для внедрения этих методов важно также разработать комплексную технологическую схему, произвести обоснованный выбор рациональных электротехнологических режимов переработки абразивов и параметров используемого при этом основного электротехнического оборудования высокого напряжения и на этой основе выработать рекомендации по совершенствованию традиционной технологии производства абразивов.

В связи с этим в данной работе выполнены научные исследования электротехнологических процессов и прикладные разработки по выявлению рациональных технологических режимов переработки неликвидов абразивов с использованием электротехнического оборудования высокого напряжения, позволяющие повысить эффективность измельчения и низкотемпературной обработки абразивов в производстве абразивных изделий.

Постановка данного исследования была предусмотрена планами НИР ИГЭУ, включенными в Федеральную целевую программу «Развитие совместных фундаментальных исследований, проводимых в высших учебных заведениях, Российской академии наук, отраслевых академиях наук и государственных научных центрах Российской Федерации» в 1998 — 2001 г. г. (проект № А0033, № гос. регистр. 1 990 002 247).

Цель работы. Целью данной работы является теоретическое и экспериментальное исследование электротехнологических процессов при измельчении абразивов электрическим высоковольтным импульсным разрядом, а также в технологии термической обработки абразивных изделий прямым пропусканием электрического тока высокого напряжения и разработке на этой основе рациональных технологических процессов при комплексной переработке неликвидов абразивов с использованием электротехнического оборудования высокого напряжения.

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

1. На основе анализа традиционных методов переработки твердых композиционных материалов и выполненных исследований разработаны технологические принципы и общая схема комплексной переработки неликвидов абразивов с использованием электротехнического оборудования высокого напряжения;

2. Разработана математическая модель и проведены экспериментальные исследования процессов разрушения неликвидов абразивов при многократном воздействии электрических импульсов высокого напряжения в воздушной среде;

3. Разработана математическая модель и проведены экспериментальные исследования низкотемпературных электротехнологических процессов, имеющих место при предварительном отверждении полуфабрикатов абразивных изделий на бакелитовой и керамической связках электрическим током высокого напряжения. Определены рациональные режимы этих технологических процессов;

4. Исследованы электрофизические характеристики абразивов, определяющие закономерности процесса их разрушения электрическим импульсным разрядом, а также тепловой обработки полуфабрикатов абразивных изделий электрическим током высокого напряжения;

5. На основе выполненных экспериментальных и теоретических исследований выбраны рациональные режимы измельчения неликвидов абразивов электрическим импульсным разрядом в воздушной и водной средах;

6. Исследованы технологические процессы и выбраны рациональные режимы работы электротехнического оборудования высокого напряжения при низкотемпературной обработке полуфабрикатов абразивных изделий пропусканием через них электрического тока.

Основные методы научных исследований. При решении поставленных задач используются методы физического и математического моделирования применительно к электрои теплофизическим процессам при воздействии на объект обработки электрического импульсного разряда и пропускании через него электрического тока высокого напряженияметоды экспериментального исследования процессов с использованием электротехнических установок высокого напряжения, а также методы математической статистики и вычислительной математики с применением ЭВМ для обработки результатов исследования.

Научная новизна работы:

1. Разработаны электротехнологические принципы комплексной переработки неликвидов абразивов с использованием оборудования высокого напряжения;

2. Физически обоснована и разработана математическая модель разрушения неликвидов абразивов на керамической связке электрическим импульсным разрядом в воздухе, определяющая степень влияния электрои тепло-физических характеристик абразивных материалов, параметров импульсов напряжения, а также размеров неликвидов на число импульсов, приводящих к нарушению целостности материала;

3. Разработана математическая модель электротехнологических процессов при термической обработке полуфабрикатов абразивных изделий током высокого напряжения с учетом неравномерности распределения температуры и напряженности электрического поля по слоям абразива, позволяющая рассчитывать и выбирать рациональное изменение воздействующего электрического напряжения и температуры абразива во времени в процессе его обработки;

4. Экспериментально получены электрофизические характеристики неликвидов абразивов и полуфабрикатов абразивных изделий при различных температурах и влажностях;

5. Установлена степень влияния соотношения объемов твердой (обрабатываемый материал) и жидкой (рабочая среда) фаз, диаметра отверстий классифицирующего устройства на эффективность электрогидравлического разрушения неликвидов абразивов на керамической связке.

Достоверность основных положений и выводов гарантирована обоснованностью выбора физических и математических моделей, необходимым объемом экспериментальных данных, обеспечивающим статистический анализ результатов, использованием современных методик измерения и соответствующей аппаратуры, адекватностью расчетных и экспериментальных данныхдостаточным качеством опытно-промышленных абразивных изделий, изготовленных из полученного в результате переработки неликвидов сырья.

Практическая ценность работы. На основе предложенных моделей и методов разработаны технологические принципы и последовательность операций для комплексной электротехнологической переработки неликвидов абразивов с использованием оборудования высокого напряжения.

На основе экспериментальных исследований процессов предварительного разупрочнения абразивов предложены практические способы повышения эффективности крупнокускового дробления неликвидов абразивов электрическим импульсным разрядом в воздухе. Определены рациональные режимы массового измельчения неликвидов абразивов электрическим импульсным разрядом в воде.

Разработаны технологические режимы электротепловой обработки полуфабрикатов абразивных изделий пропусканием через них электрического тока высокого напряжения, позволяющие поддерживать рациональный процесс низкотемпературной обработки абразивов.

Определены рациональные режимы работы и параметры электротехнического оборудования высокого напряжения при комплексной переработке неликвидов абразивов. Разработана расчетная методика определения параметров основного электротехнического оборудования высокого напряжения при электротепловой обработке абразивных изделий, позволяющая учитывать отсутствие электрических разрядов на границе раздела электрод-поверхность абразива.

Приведены рекомендации по использованию полученных результатов в технологии переработки неликвидов строительных, керамических и других материалов и изделий.

Реализация результатов работы. Научные и практические результаты работы внедрены в ОАО «Ивановские строительные материалы и абразивы» (ИСМА) и в учебный процесс ИГЭУ по дисциплине «Процессы электрофизической технологии».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Физически обоснованная математическая модель и результаты экспериментальных исследований процессов разрушения абразивов на керамической связке в воздухе при многократных воздействиях электрических высоковольтных импульсов;

2. Математическая модель и результаты экспериментальных исследований процессов при электротепловой обработке полуфабрикатов абразивов на бакелитовой и керамической связках током высокого напряжения, позволяющие учитывать неравномерность распределения температуры и напряженности электрического поля по слоям абразива, а также производить выбор рационального изменения воздействующего электрического напряжения и температуры абразива во времени в процессе его обработки;

3. Результаты экспериментальных исследований электрофизических характеристик абразивных изделий при различных температурах и влажностях, а также рациональных режимов электрогидравлического измельчения неликвидов абразивов на керамической связке;

4. Технологические режимы электротеплового отверждения полуфабрикатов абразивов с использованием электротехнического оборудования высокого напряжения.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VIII, IX и X Международных научно-технических конференциях «Состояние и перспективы развития электротехнологии» («Бенардосовские чтения», Иваново, 1997, 1999 и 2001 г. г.), на II Международном научно-техническом семинаре «Нетрадиционные технологии в строительстве» (Томск, 2001 г.), на Международной научно-технической конференции «Композиционные материалы в авиастроении и народном хозяйстве» (Казань, 2001 г.), а также на научных семинарах по электротехнике (ИГЭУ, Иваново, 1998 г.), в НИИ Электротехнологии при ИГЭУ (1998, 1999 и 2001 г. г.) и кафедре ВЭТФ ИГЭУ.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 16 печатных работ, а также подготовлено (в соавторстве) на правах рукописи 3 научных отчета по результатам работы в соответствии с ФЦП «Интеграция».

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 158 страницах основного текста, содержит 57 рисунков, 6 таблиц, состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографии, включающей 128 источников и 3 приложений. Общий объем работы составил 171 страницу.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Выполнен комплекс исследований, содержащий совокупность научных и методических положений, подтвержденных лабораторными и промышленными испытаниями, направленный на решение важной технической проблемысоздание комплексной энергосберегающей и экологически чистой технологии переработки отходов абразивной промышленности и возврата ценного сырья в производство с использованием электротехнического оборудования высокого напряжения.

2. На основе анализа современных способов переработки твердых композиционных материалов и выполненных исследований сформулирована основная концепция и разработана функциональная схема комплексной переработки неликвидов абразивов с использованием электротехнического оборудования высокого напряжения.

3. Выполненные экспериментальные исследования показали, что при многократном воздействии электрических импульсов высокого напряжения на неликвид абразива происходит постепенное прорастание канала разряда, а область, в которой развивался искровой канал, обуглена, что указывает на наличие в области канала разряда фазового перехода материала абразивного изделия.

На основе этой физической модели разработана математическая модель разрушения неликвидов абразивов на керамической связке электрическим импульсным разрядом в воздухе, определяющая степень влияния электрои тепло-физических характеристик абразивных материалов, параметров импульсов напряжения, а также размеров неликвидов на число импульсов, приводящих к нарушению целостности материала.

4. Экспериментальными исследованиями показано, что существенная интенсификация крупнокускового дробления неликвидов абразивов электрическим импульсным разрядом в воздухе возможна при использовании для их предварительного разупрочнения комбинированного воздействия механической нагрузки и высоковольтных импульсов, так как при этом наблюдается значительное снижение общего количества высоковольтных импульсов, разрушающих абразив.

5. Исследованы электрофизические характеристики различных видов неликвидов абразивов в областях воздействия слабых и сильных электрических полей. Отмечается, что удельное электрическое сопротивление неликвида зависит от вида абразивного материала и изменяется в переделках от.

1(Г Ом •м для кар

12 бида кремния и до 10 Ом-м для электрокорунда. При воздействии сильных электрических полей отмечается нелинейность вольт-амперной зависимости для абразивов на основе карбида кремния.

Показано, что при увеличении температуры (20−100 °С) и влажности образцов электрическое сопротивление образцов на основе электрокорунда снижаются на три порядка, в то время как у карбидокремниевых абразивов эти зависимости изменяются в пределах одного порядка измеряемых величин.

6. Экспериментально установлены рациональные соотношения обрабатываемого материала и воды в технологической камере при электрогидравлическом измельчении неликвидов абразивов, определен диаметр отверстий в классифицирующем устройстве, соответствующий при выходе готового продукта наиболее широко используемому в промышленности абразивному зерну по гранулометрическому составу. Показано, что при соотношении = 0,2+0,3 и диаметре отверстий классификатора 3 мм абразивные зерна с размерами 160+630 мкм составляют более 60% от общего количества. Выявлено, что в измельченной массе преобладают частицы с формой, близкой к изометрической, что важно для повышения качества абразивных инструментов.

7. Разработана математическая модель электротехнологических процессов при термической обработке полуфабрикатов абразивных изделий током высокого напряжения с учетом неравномерности распределения температуры и напряженности электрического поля по слоям абразива. Получены аналитические выражения, позволяющие рассчитывать и выбирать рациональное изменение воздействующего электрического напряжения и температуры абразива во времени в процессе его обработки.

Показано, что учет неравномерности распределения напряженности электрического поля по слоям полуфабриката абразива позволяет более точно определить температуру в образце и оценить влияние на напряженность поля и температуру его теплофизических параметров.

8. Выполненными экспериментальными и аналитическими исследованиями показано, что для обеспечения устойчивого процесса электротепловой обработки полуфабрикатов абразивов на бакелитовой связке нужно поддерживать такой режим нагрева образца, при котором наблюдается непрерывное возрастание электрического тока и температуры абразива. Определены рациональные режимы предварительного отверждения и предложена методика их расчета.

9. Выполненными экспериментальными исследованиями на модельных образцах и на промышленных полуфабрикатах абразивных изделий на керамической связке показано, что использование для их термической обработки электротеплового метода позволяет сократить время технологического процесса на этой стадии до 15−20 минут и осуществлять такую обработку абразивов непосредственно на месте штамповки полуфабрикатов.

10. Для выбора электротехнического оборудования при электротепловой обработке полуфабрикатов абразивов получены аналитические выражения, позволяющие рассчитывать режимы работы высоковольтного оборудования и его параметры (напряжение, потребляемая мощность) с учетом исходных технологических характеристик полуфабрикатов абразивов. Определен диапазон практического изменения напряжения источника питания.