2291

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

BUILDING MATERIALS

AND PRODUCTS

УДК 691.542

ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТНЫХ ДИСПЕРГАТОРОВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ (ОБЗОР)

Р.А. Ибрагимов, Е.В. Королев

Представлено современное состояние вопроса применения аппаратов с наружным электромагнитным полем в технологии получения строительных материалов. Обобщены конструктивные решения такого типа аппаратов, даны их классификация и области применения в различных промышленных технологиях. Показана эффективность использования аппаратов вихревого слоя в технологиях широкого спектра композиционных материалов. Представлены эффекты, полученные различными исследователями, и сформулировано, что научно обоснованное применение указанного способа обработки минеральных компонентов строительных материалов должно основываться на совершенствовании методик оценки возникновения и релаксации эффекта механоактивации, установлении и обобщении новых знаний о структурообразовании строительных композитов на активированных компонентах, оптимизации составов и режимов изготовления технико-экономически эффективных строительных материалов.

Ключевые слова: индукция, электромагнитное поле, вихревой слой, производство, строительные материалы, минеральные компоненты, минеральные вяжущие вещества, аппарат вихревого слоя, механоактивация

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

APPLICATION OF MAGNETIC DISPERSERS FOR PROCESSING MINERAL COMPONENTS OF BUILDING MATERIALS (REVIEW)

R.A. Ibragimov, E.V. Korolev

A current state of the issue of using devices with an external electromagnetic field in the technology of obtaining building materials is presented. The solutions of this type of apparatus are generalized, their classification and application areas in various industrial technologies are given. The efficiency of vortex layer apparatus application in technologies of a wide range of composite materials is shown. The effects obtained by various researchers are presented and it is formulated that the scientifically grounded application of this method of processing mineral components of building materials should be based on improving the methods for assessing the occurrence and relaxation of the effect of mechanical activation, establishing and generalizing new knowledge about the structure formation of building composites on activated components, optimizing compositions and modes of manufacturing techno-economically efficient building materials.

Keywords: induction, electromagnetic field, vortex layer, production, building materials, mineral components, mineral binders, vortex layer apparatus, mechanical activation

Процесс измельчения является часто ключевым процессом подготовки минеральных компонентов строительных материалов. Измельчение приводит не только к закономерному увеличению дисперсности, но и протеканию физико-химических процессов преобразования структуры поверхностных слоев обрабатываемого материала. При достаточной интенсивности таких процессов в научно-технической литературе такое измельчение получило наименование «механоактивация». Еще одной важной функцией измельчения является усреднение химического состава минеральных компонентов. Последнее особенно важно при использовании в технологии производства строительного материала вторичных ресурсов (отходов промышленности).

Внастоящее время в производстве строительных материалов в области тонкого и сверхтонкого измельчения исходных продуктов применяют мельницы: шаровые [1], вибрационные [2], струйные [3], роторные [4], валковые [5], электромагнитные [6–7].

Исходный продукт измельчается под действием ударных, сдавливающих, растирающих, раскалывающих усилий. При этом данные усилия формируются разнообразными измельчающими телами (шары, стержни, валки, ролики и др.) или размольными органами (роторы, диски, лопасти и др.).

Анализ мельниц различного типа показал, что основным критерием, определяющим конструкцию мельницы и способ измельчения, является механизм передачи энергии обрабатываемому материалу (рис. 1):

а) характеризуется как минимум 2 точками соприкосновения между частицей и сдавливающей средой или между частицами;

б) характеризуется 1 контактом между частицей и средой или между частицами; в) силы, ослабляющие межмолекулярные связи; г) измельчение термическим, химическим или электрическим способом.

Взависимости от механизма измельчения различают следующие виды напряжений, возникающих в обрабатываемых частицах (рис. 2).

Анализ научной литературы и патентной информации [10–17] позволяет сделать вывод, что наименьшие затраты при измельчении у тех мельниц, конструкции которых обеспечивают движение мелющих тел электромагнитным полем. В табл. 1 представлены характеристики различных мельниц, анализ которых демонстрирует преимущества указанного типа мельниц. В табл. 1 представителем мельниц, в которых движение мелющих тел обеспечивается электромагнитным полем, является аппарат вихревого слоя.

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

Рис. 1. Типы нагрузок на обрабатываемую частицу при измельчении [8]:

а– раздавливание; б – удар; в – напряжения от внешней среды;

г– напряжения от немеханического воздействия

в

Рис. 2. Виды напряжений в обрабатываемых частицах [9]:

а– напряжение в одной частице; б – напряжение в группе частиц;

в– напряжение в объеме обрабатываемого материала

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Согласно [18–20], конструкции мельниц, реализующих принцип электромагнитного привода мелющих тел, подразделяются на:

1)с электромагнитным полем переменного тока;

2)со стационарным электромагнитным полем постоянного тока;

3)со статическим магнитным полем постоянных магнитов.

Конструкции мельниц, использующих переменное магнитное поле, представлены в работах Д.Д. Логвиненко, О.П. Шелякова [10], В.В. Кафарова [21], Ю.М. Кузнецова, В.Н. Ляпунова [22], а также в патентах РФ на полезные модели №№: 68355, 69415, 112072, 45648, 53933; на изобретения №№: 48211; 168264; 179283; 192755; 237309; 325988; 355833; 764717; 856533; 1101291; 1329809; 2049562; 2049563; 2072256; 2072257; 2154602; 2170707; 2224586; 2224589; 2239493; 2243459; 2243601; 2248388; 2303021; 2342987, патенты ВОИС №№ 2007/114731, WO 2009061236, патент Великобритании № 2092464, патент Франции №1329266, патент Японии №20817/63.

В соответствии с [6–7] дана классификация данной группы по:

•виду источника магнитного поля: с плоскими (одно- и двухсторонними) индукторами; с кольцевыми индукторами (явно и неявно полюсного типа); с электромагнитами переменного тока специального исполнения;

•числу источников магнитного поля и способов их расположения относительно объема обработки продукта: с одним или двумя индукторами, расположенными по всей длине камеры измельчения;

•месту расположения источников магнитного поля: на внутренних, на наружных (или одновременно на внутренних и наружных) элементах устройства, образующих рабочий объем (камеру измельчения); на выносном магнитопроводе;

•виду магнитного потока: с постоянной и чередующейся полярностью, с постоянной и изменяющейся индукцией;

•режиму работы электромагнитов: непрерывного и импульсного типа; со встречным и согласным включением обмоток управления;

•форме камеры измельчения: цилиндрическая, кольцевая или специального исполнения;

•форме размольных элементов: сферические, цилиндрические, специального исполнения.

Электромагнитное поле влияет на характер движения мелющих тел и на интенсивность прикладываемых усилий к обрабатываемой среде. В конечном счете данное обстоятельство влияет на степень помола и на технологический эффект от измельчения.

В научной литературе имеется множество публикаций, посвященных преимуществам аппаратов с наружным электромагнитным слоем, большое количество изобретений на данный вид конструкций аппаратов. Тем не менее в промышленности используются и выпускаются в основном электромагнитные измельчители (ЭМИ) [23]

иаппараты вихревого слоя (АВС) [24].

Рассмотрим конструктивные особенности электромагнитного измельчителя-акти- ватора (рис. 3,а) [23]. На рис. 3,а позициями обозначено: 1 – трубчатый элемент из алюминия или текстолита; 2 – электромагнитные катушки; 3 – канал для отводящей тепло жидкости; 4 – кожух; 5, 6 – торцевые крышки; 7 – рабочая камера; 8 – сетчатые решетки; 9 – рабочие элементы; 10 – термодатчик; 11 – колодка; 12 – блок управления.

Данный активатор может быть использован для измельчения известняков, необходимых для производства цемента. Новым в данном устройстве является то, что индуктор и рабочая камера закреплены на крышке, при этом в рабочей камере дополнительно установлены сетчатые решетки, а рабочие элементы размещены между ними. Блок управления в данном устройстве обеспечивает электромагнитное поле с индукцией до 0,3 Тл в пределах всего контура рабочей камеры, при этом частота составляет от 400 Гц до 300 кГц.

В данном устройстве ферромагнитные тела не являются помольными телами, так как они создают в измельчаемом материале магнитные поля, благодаря которым и

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

происходит отрыв частичек по межмолекулярным связям. Таким образом осуществляется активация подаваемого материала.

На рис. 3,б показана схема аппарата вихревого слоя: 1 – цилиндр из немагнитного материала; 2 – индуктор; 3 – металлическая рубашка; 4 – цилиндрическая втулка; 5 – рабочие элементы.

Рис. 3. Аппараты с наружным электромагнитным слоем:

а – электромагнитный измельчитель-активатор; б – аппарат вихревого слоя

Впервые АВС предложили и разработали Д.Д. Логвиненко и О.П. Шеляков [10]. Первый в мире патент на АВС был получен Д.Д. Логвиненко [24].

Аппараты вихревого слоя реализуют способ измельчения, активации в вихревом слое рабочих элементов; по конструктивному исполнению рабочей камеры и индуктора могут условно делиться в соответствии с рис. 4.

Рис. 4. Примеры конструктивных типов исполнения АВС:

1 – реакционная камера; 2 – ферромагнитные элементы; 3 – магнитопровод; 4 – катушки; а – конструкция АВС с 1 тороидальным магнитопроводом с вырезом под цилиндрическую реакционную камеру; б – конструкция АВС с 2 тороидальными магнитопроводами

Отличием данного аппарата является то, что ферромагнитные элементы в реакционной камере могут находиться под влиянием трех и более магнитных полей, различающихся по направлению и частоте.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Известны аппараты, в которых воздействие на ферромагнитные элементы оказывают противоположно направленные электромагнитные поля. Данные поля в объеме рабочей камеры имеют свойство изменять свою интенсивность и полярность магнитного потока [25].

Существуют электромагнитные аппараты с наружным электромагнитным слоем и для жидкофазных процессов. Так, известен центробежно-вихревой аппарат для центробежно-вихревой обработки сырья для гомогенизации суспензий и получения сверхтонких порошков, в котором рабочая камера выполнена в виде чаши, в верхней части которой размещается вращающаяся магнитная головка, создающая постоянное магнитное поле с величиной напряженности, обеспечивающей центробежно-вихревое движение ферромагнитных элементов за счет их притяжения к магнитной головке. В данном устройстве рабочая камера выполнена в виде съемной чаши [17].

Устройства [13, 15, 17], предназначенные для жидкофазных процессов (обработка сточных вод, гомогенизация суспензий и т.д.), воздействуют на протекаемую через рабочую камеру суспензию потоком электромагнитного поля с находящимися ферромагнитными телами.

Вгруппе АВС [14, 26, 27] и в патенте №112072 приведенные конструкции позволяют варьировать уровнем энергий, действующих на помольные тела, что должно увеличить качество обрабатываемого материала.

Вданных аппаратах ферромагнитные частицы сменной вставки выполнены в виде стержней разных размеров.

При увеличении геометрического размера помольных тел повышается и энергия соударения данных частиц друг с другом и обрабатываемым материалом. При этом наличие большого количества помольных тел с малыми размерами способствует более интенсивному перемешиванию и диспергации.

Известны аппараты вихревого слоя с непрерывным технологическим процессом. Так, аппарат вихревого слоя (рис. 5, а) содержит реакционную камеру в виде трубы 1 из немагнитного материала, в рабочей зоне которой расположена выполненная из немагнитных материалов сменная вставка 2 с ферромагнитными частицами (иголками) 3. Труба 1 размещена в осевом канале индуктора 4 с зазором 5. Индуктор 4 снаружи имеет обечайку 6, а труба 1 фиксируется в его осевом канале с помощью установочных винтов 7. Индуктор 4 с трубой 1 заключен в кожух 8, соединенный с крышками 9, 10 через уплотнения 11 и 12. На крышке 10 есть патрубок 13 подвода среды. Крышка 10 снабжена патрубком 14 для подвода охлаждающей среды, сообщенным с коллектором 15. Между обечайкой 6 и кожухом 8 образован кольцевой зазор 16. Стенка коллектора 15, обращенная к индуктору 4, имеет кольцевую проточку 17, в которой плотно установлен торец обечайки 6. По обе стороны проточки 17 выполнены отверстия 18 и 19 для прохода среды в зазоры 5 и 16. Питание индуктора 4 производят через токовод 20, энергия к которому поступает от блока управления.

Совершенствование вышеприведенной конструкции рассматривается в работе В.Г. Обухова и др. [28]. Схема аппарата показана на рис. 5, б.

Установка электромагнитного поля содержит основную трубу из немагнитного материала 1, внутри которой расположена цилиндрическая сменная вставка 2 с ферромагнитными частицами (иголками) 3. Труба 1 размещена в осевом канале индуктора 4

сзазором 5. Индуктор 4 снаружи имеет обечайку 6, а труба 1 фиксируется в его осевом канале с помощью установочных винтов 7. Индуктор 4 с трубой 1 заключен в кожух 8, соединенный с крышками 9, 10 через уплотнения 11, 12. На крышке 10 расположен патрубок 13 подвода среды. Крышка 10 снабжена патрубком 14 для подвода охлаждающей среды, сообщенным с коллектором 15. Между обечайкой 6 и кожухом 8 образован кольцевой зазор 16. Стенка коллектора 15, обращенная к индуктору 4, имеет кольцевую проточку 17, в которой плотно установлен торец обечайки 6. По обе стороны проточки 17 выполнены отверстия 18 и 19 для прохода охлаждающей среды в зазоры 5 и 16. Сменная вставка 2 закреплена в трубе 1 двумя подшипниками 21, с помощью которых происходит вращение сменной вставки 2. В нижней части сменной вставки 2 расположено кольцо 22, выполненное из постоянных магнитов. Величина