книги из ГПНТБ / Эскин, Г. И. Ультразвук шагнул в металлургию

по принципу резонансного возбуждения пластин или стержней упругой струей жидкости, подающейся в соп­ ло излучателя под давлением в несколько атмосфер.

Рис. 1. Одна из принципиальных схем введения ультра­

Для ультразвуковой обработки газообразных про­ дуктов применяются исключительно аэродинамические излучатели, работающие на сжатом воздухе; это или динамические сирены с вращающимся ротором, или статические сирены (газоструйные свистки) с резона­ тором наподобие судейских свистков.

Конструкции различных ультразвуковых излучате­ лей подробно описаны в специальной литературе.

10

ГЛАВА I

ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА ПРИ ОБОГАЩЕНИИ МЕТАЛЛСОДЕРЖАЩИХ РУД

Трудно, почти невозможно назвать творение совре­ менной техники, в котором не был бы использован тот или иной металл, а перечисление сфер применения ме­ таллов займет многие и многие страницы. Однако в природной кладовой, из которой непрерывным пото­ ком идет металл в промышленность, он не лежит в ви­ де готовых слитков, а распылен, разбросан, рассыпан мельчайшими частицами. Их надо найти, извлечь и собрать воедино.

Обогащение руд полезных ископаемых — отрасль науки и техники, которая решает эту задачу. Обогати­ тельная индустрия занимает граничное положение между горнодобывающей промышленностью и метал­ лургией. Руда, содержащая незначительные количест­ ва металлов, на обогатительных фабриках превра­ щается в богатые концентраты, идущие в металлурги­ ческие печи.

Для обогащения применяются различные методы. Основной из них — флотация. Почти 90% добываемых в Советском Союзе руд цветных металлов обогащают именно этим способом.

Процесс флотации основан на различной смачивае­ мости минералов. Металлсодержащие породы, как правило, хуже смачиваются водой, чем пустая порода, не содержащая металлов.

12

Чтобы провести флотацию, необходимо измельчить добытую руду настолько, чтобы размер частиц руды соответствовал размеру полезных включений. Для ус­ корения процесса флотации в смесь измельченной ру­

и др.). Назначение флотационного реагента, поступаю­ щего в пульпу в определенной концентрации, — повы­ сить смачиваемость пустой породы (она идет в отва­ лы, так называемые «хвосты») и одновременно снизить смачиваемость металлсодержащей руды. Частички ми­ нералов прилипают к пузырькам воздуха и выносятся на поверхность пульпы в виде флотационной пены — это концентрат.

Простейшая схема флотации такова: пульпу, поме­ щенную в флотационную машину, интенсивно переме­ шивают и газируют, т. е. пропускают через нее мель­ чайшие пузырьки воздуха.

На некоторых этапах флотации может быть успешно применена ультразвуковая обработка.

Многие флотореагенты плохо растворимы в воде и избыточное их введение не только экономически невы­ годно, но и часто ухудшает процесс обогащения. По­ этому труднорастворимые флотореагенты применяют в виде водных эмульсий, что позволяет резко снизить их расход. Получение стойких эмульсий труднораствори­ мых реагентов стало возможно благодаря применению ультразвуковой энергии.

Эмульгирующее действие ультразвука легко наблю­ дать, если поместить в стеклянный сосуд две несмешивающиеся жидкости, например масло и воду, и обра­ батывать их мощным ультразвуком. Киносъемка со скоростью несколько тысяч кадров в секунду позволяет детально рассмотреть это захватывающее физическое

13

явление. Очевидно, каждый, кто хоть раз видел этот научный кинофильм, запомнит его очень хорошо.

На первых кадрах, когда действие ультразвука от­ сутствует, видна четкая граница раздела двух несмешивающихся сред. Однако достаточно включить ульт­ развуковой генератор и приступить к ультразвуковой обработке, как уже через несколько тысячных долей секунды начинается разрушение границы раздела, а через несколько секунд прозрачные до того жидкости начинают мутнеть—образуется эмульсия. Это явление было впервые обнаружено в 1927 г. Р. Вудом и А. Лу­ мисом [2] и в дальнейшем подробно изучалось различ­ ными учеными. Уже в ранних исследованиях, процесса эмульгирования было обращено внимание на особую роль растворенного в воде газа. В полностью дегазиро­ ванной воде эмульсию под действием ультразвука обра­ зовать невозможно.

Позднее К. Зольнер в Германии и И. Г. Полоцкий в СССР установили, что для эмульгирования в поле ультразвука необходимо развитие в жидкости ультра­ звуковой кавитации [2].

Сделаем отступление. Поскольку с явлением кавита­ ции, сопровождающим распространение в жидкости ультразвука достаточной мощности, нам придется часто встречаться, рассмотрим его несколько подробнее.

Слово кавитация происходит от латинского глагола covitas — делать пустым. При развитии кавитации в жидкости образуются разрывы, возникающие под дейст­ вием растягивающих усилий, создаваемых звуковой волной во время фазы разрежения.

Теоретически чистые жидкости способны выдержи­ вать очень высокие напряжения растяжения (порядка нескольких тысяч атмосфер). Однако реальные жидко­ сти разрываются уже при давлениях, равных или близ­

14

ких давлению упругости их паров. Оказывается, дело в том, что реальные жидкости ослаблены присутствием разного рода примесей, поверхности которых служат за­ родышами для развития кавитационных полостей. К. числу таких примесей, понижающих прочность жидко­ сти, обычно относят газовые пузырьки и твердые час­ тички.

В то же время известно, что газовые пузырьки не могут существовать длительное время в жидкости в сво­ бодном состоянии — большие пузырьки всплывают, а маленькие благодаря действию сил поверхностного на­ тяжения должны растворяться. Плодотворной явилась модель ядра кавитации Е. Н. Гарвея, согласно которой ядро (зародыш) кавитации образуется на твердой несмачиваемой частичке, имеющей трещину, заполненную нерастворенным газом [3,41]. Поскольку поверхность трещины несмачиваема, жидкость образует относитель­ но газа выпуклый мениск, и вследствие этого поверхно­ стное натяжение не будет способствовать растворению газовой примеси. Если рассматривается жидкость, сво­ бодная от твердых примесей, эта модель предполагает образование зародышей кавитации вблизи стенок сосу­ да, также имеющих микроскопические трещины. Суще­ ствуют и другие модели образования зародышей кави­ тации. Например, Р. В. Линдсей [3] допускает суще­ ствование в жидкости газовых пузырьков размером 0,1 мкм, которые не растворяются за счет образования на их поверхности мономолекулярного слоя жирных кислот. Д. Сетте [4] считает, что зародыши кавитации возникают под действием облучения жидкости космиче­ скими лучами, когда частицы высокой энергии (нейтро­ ны) пронизывают микроскопический пузырек, неспособ­ ный к росту и образованию кавитационной полости. Под действием нейтронов микроскопический пузырек

15

перегревается и за счет испарения со стенок начинает быстро расти и превращается в зародыш кавитации.

Изучение поведения газовых пузырьков (зародышей кавитации) в поле давления звуковой волны показыва­ ет, что в зависимости от своих начальных размеров они могут вести себя по-разному. Важным условием даль­ нейшего существования такого пузырька является соот­ ветствие его диаметра или радиуса так называемому ре­ зонансному размеру, т. е. соответствие собственной час­ тоты колебаний пузырька частоте приложенного поля ультразвука. Для воды, например, М. Г. Сиротюк [4] указал на существование очень простого соотноше­ ния между частотой звука /, кгц, и резонансным радиу­ сом пузырька R, см:

R f = 0,328.

Расчеты В. Е. Нолтинга и Е. А. Непайраса [3] по­ казали, что в случае, когда начальный радиус пузырька (зародыша) меньше резонансного, этот пузырек сомк­ нется до окончания цикла изменения давления и весь ход развития пузырька будет типично кавитационным— бурный рост из маленького зародыша и последующее захлопывание (кривая 2 на рис. 2,6). Если радиус заро­ дыша больше резонансного, захлопывания не произой­ дет и пузырек будет пульсировать в поле со сложным изменением своего размера (кривая 1 на рис. 2,6). На графиках этого рисунка показано поведение пузырька одного начального радиуса при двух частотах вынуж­ дающего ультразвукового поля (30 и 90 Мгц). Резонан­ сная частота пузырька лежит между этими частотами и равна 40 Мгц. Таким образом, в жидкости под действием ультразвукового поля существуют два типа кави­ тационных пузырьков: неустойчивые пузырьки, захлопы- вающиес-ш-в-фазе сжатия звуковой волны (кривая 2 на

16

A G ^ P 0 Р4т.

Меняя соотношение между звуковым давлением и внешним статическим давлением1, можно увеличить ка­ витационную эрозию на несколько порядков. Это пока­ зано в работах Б. А. Аграната, В. И. Башкирова и Ю. И. Китайгородского [5].

Исследование поведения (динамики) в ультразвуко­ вом поле одиночной кавитационной полости в теоретиче­ ском плане очень интересно, так как позволяет перейти к описанию кавитационного поля, т. е. совокупности ка­ витационных пузырьков, распределенных в объеме жид­ кости. Экспериментальные исследования и расчеты, вы­ полненные на основании покадровой обработки резуль­ татов скоростной киносъемки, позволили В. А. Акуличеву [4] описать закономерности такой элементарной ка­ витационной области с размерами меньше длины звуко­ вой волны и значительно больше размера одного кави­ тационного пузырька. Полагая, что все находящиеся в этой области пузырьки пульсируют в одной фазе, можно определить эффективность и размеры такой области че­ рез некоторый индекс К, который представляет собой произведение количества кавитационных пузырьков в об­ ласти п на максимальный объем одного кавитационного пузырька V, т. е. K=nV. Результаты измерения звуково­ го давления Рт , количества пузырьков п и индекса К в зависимости от вводимой мощности (напряжения на из­

1 Подробно об этом см. в гл. у.

18

некоторого предельного значения, а затем начинает па­ дать. Разгадка указанного явления может быть получе­ на при рассмотрении хода кривой изменения индекса кавитации. При приближении значения индекса К к

« } I I

i n 53'i

Ру § £

I I

Напряжение на излучателе, в

Рис. 3. Давление (а), концентрация кавитационных полостей (б), индекс кавитации (в) и отношение волновых сопротивлений воды до и после возникновения кавитации (г) в элементарной кавитационной области [4]

единице, т. е. при максимальном увеличении количества кавитационных пузырьков и развитии их объема, кави­ тационные полости вытесняют из кавитационной облас­ ти капельную жидкость, прижимаясь друг к другу. Это также хорошо видно на рис. 3,г, где показано отноше­ ние волнового сопротивления (произведения плотности жидкости на скорость звука в ней) спокойной жидкости и жидкости при развитии кавитации. При развитии ка­ витации это отношение постепенно падает от единицы до нуля. На предельные значения мощности ультра­ звука, излучаемые в жидкость при наличии кавитации,

19