CC BY
11
ЛИПАНОВ А.М., ДЕНИСОВ В.А., БРАТУХИНА Ю.В., ЖИРОВ Д.К.
УДК 620.22(043)
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ В ТЕХНОЛОГИЯХ ПЕРЕРАБОТКИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ
ЛИПАНОВ А.М., ДЕНИСОВ В.А., *БРАТУХИНА Ю.В., ЖИРОВ Д.К.
Институт прикладной механики УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т.Барамзиной, 34 *Вятский государственный университет, 610000, г. Киров, ул. Московская, 36
АННОТАЦИЯ. По показателям энергоэффективности в области переработки сырья Россия отстает от развитых зарубежных стран более чем в 10 раз. Поиски новых подходов к обоснованию механических, термофлуктуационных и других способов разрушения минерального сырья, создание методов расчета по показателю энергоэффективности устройств для промышленной переработки сырья повысят КПД, который составляет (0,1^0,01) %.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: энергоэффективность, многокомпонентное сырье, термофлуктуации, деформация, частица, энергетический барьер.
Показатели энергоэффективности в развитых странах Европы, США, Японии являются одним из центральных вопросов государственной экономической политики. По показателям энергоэффективности образования отходов на единицу продукции Россия отстает от развитых зарубежных стран более чем в 10 раз [1].
Все виды минерального сырья природного или техногенного образований в той или иной степени характеризуются структурной неоднородностью, которая определяется многокомпонентностью их состава, наличием стохастически распределенных микродефектов, различием химических, физических и механических свойств отдельных компонентов.
Структурная неоднородность частиц минерального сырья определяет многоплановые теоретические и прикладные исследования по механике их управляемого разрушения при переработке с позиции показателей энергоэффективности технологий по производству различных по назначению конечных продуктов.
Теоретически обоснованные модели управляемого разрушения структурно-неоднородных материалов, основу которых составляют существенно развитие теории дислокаций и теории трещин, не позволяют производить инженерные расчеты по определению параметров устройств для переработки различных видов сырья с позиции энергоэффективности. Определенные различными методами расчета теоретические значения прочности кристаллов различных видов минерального сырья дают величины, превышающие их техническую прочность в 100... 1000 раз [2].
При динамическом (ударном) разрушении частиц существенное значение имеет скорость их нагружения. Влияние скорости нагружения на механические свойства частиц измельчаемого (разрушаемого) сырья при теоретических исследованиях определяется введением в расчетные уравнения вязкостных сил, пропорциональных градиенту скорости движения среды. Модели разрушения частиц различных материалов, в частности, горных пород, при учете вязкостных сил позволяют сводить расчеты к линейным вязко-упругим средам, для которых физические соотношения между напряжениями и деформациями записываются в форме [3]
= ЕуЫ ' ек1 ; еу = Щк1аЫ , (1)
где сгр, е] - составляющие тензоров напряжений и деформаций; £*и, Я*ы - линейные интегральные операторы Вольтера II рода, имеющие вид
I
Кш • еш = Е0Ы • еш О) +1 Еш О, т)еш (т)dт, (2)
о
í
К* • = Кш • «) + \ К]к1 (т)dт , (3)
где ЕушО - тензор функции релаксации; ЯуЫ (^) - тензор функций ползучести; Е°к/ и Ккк1
- мгновенно упругие постоянные анизотропного тела.
Однако введение вязкостных сил в модели динамического разрушения материалов не объясняют причин резкого изменения их прочностных характеристик при скоростях деформирования, характерных для ударных нагружений. Приведенные в таблице данные по статической и динамической прочности горных пород показывают, что расхождение статической вщ вdyn и динамической прочности достигает 13 раз [4].
Таблица
Прочность горных пород на отрыв
о
Порода Статическая прочность, МПа Динамическая прочность, МПа Отношение
Известняк Бедфорд 0,42 2,73 6,5
Мрамор Иэль (перпендикулярно напластованию) 0,21 1,89 9,0
Мрамор Иэль (параллельно напластованию) 0,63 4,90 7,8
Гранит 0,70 3,90 5,7
Таконит 0,49.. .0,70 9,20 13,0
Применение закона Гука в силовом подходе к механике разрушения, согласно которому отклик прямо пропорционален внешнему возмущению, не позволяет связать предельные разрывные деформации межатомных связей частиц с теоретической прочностью, определяемой через силы взаимодействия между атомами. Различие минералов природного или техногенного образований находит свое объяснение в существовании дефектов (трещин, дислокаций, хаотичности их расположения и скопления), распределения которых обуславливает необходимое увеличение напряжения разрушения до величины, приближающейся к прочности межатомных связей.
Неадекватность в теоретических и практических результатах, получаемых с использованием силового подхода в вопросах затрат энергии на разрушение материалов определили разработку теории термофлуктуационного подхода к кинетике деформаций и разрушения частиц под действием механических напряжений [5].
Термофлуктуационный подход к кинетике разрушения частиц (тела) основан на непропорциональности отклика возмущающей силе, величина которой определяется тепловым расширением частиц при их деформации и разрушением, их теплопроводностью, диссипацией энергии и другими явлениями.
Теоретически термофлуктуационный подход к прочности и деформируемости твердых тел базируется на эмпирической формуле, связывающей величину разрывного напряжения в/ с температурой Т и временем ту до разрушения частицы:
тг = то ехР кт , (5)
где то = (10 ...10 ) с; ио и у - энергия активации и активационный объем разрушения (объем частицы); к - константа Больцмана.
ЛИПАНОВ А.М., ДЕНИСОВ В.А., БРАТУХИНА Ю.В., ЖИРОВ Д.К.
Наряду с формулой (4) эмпирически была определена связь между скоростью стационарной ползучести ёс, температурой Т и величиной напряжения а:
= *. ехр- • (5)
К,!
где ёа = •
Уравнения (4) и (5) оказались справедливыми для твердых тел с электронными, ионными, ковалентными и дисперсионными силами связей между атомами [5,6].
Обоснованный механизм термофлуктуационного разрушения противоречит силовому подходу, согласно которому разрывают межатомные связи и разрушают частицы перерабатываемого сырья только механические силы.
Однако, не отрицая «участие» термофлуктуаций в механике деформирования и разрушения частиц поликристаллической структуры природного или техногенного образований, являются системой, состоящей из множества кристаллических зерен, размеры, форма и ориентация кристаллографических осей которых имеет случайных характер. Если приять первоначальное состояние поликристалла по механическим свойствам равным константе, то его можно рассматривать как однородное и изотропное тело. Если величина механической энергии, переданная частице, определяет упругую деформацию, то ее атомы, выведенные из исходных равновесных положений, после снятия нагрузки возвратятся в исходные положения. При необратимой деформации, атомы из одной (первоначальной) конфигурации перейдут в другую, отделенную от первоначальной энергетическим барьером. Переход атомов, определяющих структуру частицы из одного энергетического барьера, полученной через механический контакт частицы с источником энергии. Переход атомов из одного энергетического барьера на другой возможен только по достижению напряжениями в частице критических значений, при которых работа деформаций определяется высотой энергетического барьера. Высота энергетического барьера определяет величину термофлуктуаций. При достижении критических значений напряжений в частице, определяющих критический энергетический барьер состояния, она будет разрушаться.
Величина энергии, получаемой частицами через механический контакт (удар) при их разрушении определяется формой частицы, ее размерами, структурой кристаллических решеток, неоднородностью компонентов и условиями контакта и другими факторами, индивидуально присущими каждой частице перерабатываемого массопотока. Игнорирование индивидуальности условий разрушения частиц по величине необходимой энергии определяет низкую эффективность работы действующих во всех отраслях промышленности устройств.
Низкую энергоэффективность работы устройств определяют:
- недостаточность теоретической и экспериментальной проработки вопросов по величине энергоэффективности при реализации различных способов механического разрушения частиц минерального сырья, как проблемы измельчаемости в конкретных конструкциях устройств и технологий;
- отсутствие инженерных методов и способов расчета энергосберегающих устройств в функции способов механического разрушения частиц и физико-химических показателей, определяющих негомогенность их строения;
- многообразие технологических требований к конечным продуктам переработки по гранулометрическому составу, химической активности, поверхностной энергии и т.д.
Поиски новых подходов к обоснованию механических, термофлуктуационных и других способов разрушения частиц минерального сырья, создание методов расчета по показателю энергоэффективности устройств для промышленной переработки сырья будут определять повышение их КПД, который составляет (0,1^0,01) % [7].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Задачи снижения энергоемкости экономики России, создание комфортной среды обитания // Строительная газета. 2008. №23 (998).
2. Писаренко Г.С., Лебедев А.А. Сопротивление материалов деформированию и разрушению при сложном напряженном состоянии // Киев, «Наукова думка», 1969. С.7-9.
3. Каминский А.А. Механика разрушения вязко-упругих тел. Киев : Наукова думка, 1980. С. 23-35.
4. Rinehart I.S. Dynamic fracture strength of rocks // Proc.7th Sump. Rock Mech., RA State Univ. Park, PA, 1965.
5. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М. : Наука, 1974. 560 с.
6. Степанов В.А., Песчанская Н.И., Шпейзман В.И. Прочность и релаксационные явления в твердых телах. Л. : Наука, 1984. 326 с.
7. Гийо Р. Проблема измельчения материалов и ее развитие / пер. с франц. Г.Г.Мунц. М. : Изд. литературы по строительству, 1964. С.21.
ENERGY EFFICIENCY IN MINERALS PROCESSING TECHNOLOGIES
Lipanov A.M., Denisov V.A., *Bratukhina Y.V., Zhirov D.K.
Institute of Applied Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia *Vyatka State University, Kirov, Russia
SUMMARY. In terms of energy efficiency in materials processing field, Russia is behind developed foreign countries more than 10 times. Search a new approaches to the grounding of mechanical, thermofluctuation and other minerals fracturing methods, develop a calculation methods, in term of energy efficiency of devices for industrial materials processing of materials will rise their (devices) coefficient of efficiency, which equal to (0. R0.01) %.
KEYWORDS: energy efficiency, multicomponent materials, thermofluctuations, deformation, particle, energy barrier.
Липанов Алексей Матвеевич, академик РАН, директор ИПМ УрО РАН
Денисов Валерий Алексеевич, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник ИПМ УрО РАН, тел.: (3412) 20-35-14, e-mail: [email protected]
Братухина Юлия Викторовна, старший преподаватель ВятГУ, соискатель ученой степени кандидата технических наук ИПМ УрО РАН, e-mail: [email protected]
Жиров Дмитрий Константинович, аспирант ИПМ УрО РАН, e-mail: [email protected]
