CC BY
80
УДК 669.713.7
СОНОХИМИЧЕСКОЕ ДИСПЕРГИРОВАНИЕ КВАРЦА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТОВ КАВИТАЦИИ
1 2 2 В.А. Ершов1, В.В. Кондратьев2, А.Д. Афанасьев3
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Проведены экспериментальные исследования по процессам сонохимического измельчения кварца в водных средах. Главной задачей являлось обоснование целесообразности применения кавитационной обработки для повышения эффективности обогащения кварцевой руды. Исследования проводились с различными типами кварцевого сырья, в том числе с использованием кварцитов Иркутской области. Установлено, что существенного изменения гранулометрического состава проб после акустической и гидродинамической кавитаций не наблюдается. В результате анализа жидкой среды, в которой происходила обработка, обнаружены сферы кварца в незначительной концентрации. Отмечено, что при сонохимическом воздействии на кварц происходит эффект очищения поверхности зерен кварца от посторонних примесей. Ил. 2. Табл. 3. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: диспергирование; кварциты; акустическая кавитация; гидродинамическая кавитация; водные среды.
SONOCHEMICAL DISPERSING OF QUARTZ WITH THE USE OF CAVITATION EFFECTS V.A. Ershov, V.V. Kondratyev, A.D. Afanasyev
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
Experimental studies on the processes of sonochemical grinding of quartz in aqueous media were carried out. The main objective was to justify the feasibility of cavitation treatment in order to improve the quartz ore concentration efficiency. The studies were conducted with different types of silica raw materials, including the use of Irkutsk quartzites. It was established that there was no significant change in grain-size composition of samples after acoustic and hydrodynamic cavitations. The analysis of the liquid medium, where the treatment took place, resulted in the detection of a low concentration of quartz spheres. It is noted that the sonochemical impact on quartz causes the cleaning effect of quartz grain surfaces from impurities. 2 figures. 3 tables. 5 sources.
Key words: dispersing; quartzites; acoustic cavitation; hydrodynamic cavitation; aqueous media.
Диспергирование - измельчение твердых тел до частиц малых размеров. В зависимости от природы материала и характера его использования, к измельчению предъявляют разнообразные, но чаще всего вполне конкретные требования по дисперсности, чистоте, сохранности и др. Вместе с тем, непременным условием промышленного процесса измельчения должна быть его экономичность, разумная длительность, высокая производительность, простота устройства машины и надежность ее работы.
Процесс измельчения материала представляет собой сложное явление, в котором наряду с механическими существенное значение имеют физико-химические факторы и окружающая среда. Известно, что с ростом дисперсности затраты на помол увели-
чиваются, а начиная с некоторой предельной для данного материала дисперсности, дальнейшее измельчение становится невозможным. В связи с этим, каждому измельчителю в силу особенностей его устройства свойственен некоторый диапазон дисперсности измельчаемого порошка, при достижении которого помол наиболее эффективен и экономичен.
В свою очередь, пригодность мельниц для конкретной цели определяется свойствами измельчаемых материалов (прочность, абразивность, плотность, влажность, слипаемость, склонность к образованию агрегатов и др.).
Принято делить твердые тела на хрупкие и пластичные. К пластичным относят металлы, к хрупким -минералы типа алмаза, корунда, кварца, разрушение
1 Ершов Владимир Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизации производственных процессов, тел.: (3952) 405519, e-mail: [email protected]
Ershov Vladimir, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Automation of Industrial Processes, tel.: (3952) 405519, e-mail: v.ershov @ mail.ru
2Кондратьев Виктор Викторович, кандидат технических наук, начальник отдела инновационных технологий Физико-технического иститута, e-mail: [email protected]
Kondratyev Victor, Candidate of technical sciences, Head of the Department of Innovative Technologies of Physico-Technical Institute, e-mail: [email protected]
3Афанасьев Александр Диомидович, доктор физико-математических наук, профессор, e-mail: [email protected]
Afanasyev Alexander, Doctor of Physical and Mathematical sciences, Professor, Vice Rector for International Relations, e-mail: [email protected]
которых при нормальной температуре происходит при увеличении напряжений до разрушающих. Отличительной чертой хрупких тел считают присутствие сравнительно малой величины пластического деформирования, сосредоточенной в области максимальных напряжений.
По данным [1], пластическое деформирование при измельчении кварца приводит к изменению его кристаллической структуры. Кварц из кристаллического становится аморфным. Его плотность уменьшается и принимает значения промежуточные между плотностью кристаллической и аморфной модификации. При разрушении массивных образцов основная энергия расходуется на создание предельных упругих, а при разрушении микроскопических частиц - предельных пластических деформаций.
Для тонкого измельчения, как в промышленности, так и в лабораторной практике, чаще всего применяют мельницы четырех типов; вращающиеся барабанные, шаровые, вибрационные, дезинтеграторные и струйные. В большинстве из них материал разрушается при создании в частицах предельных напряжений путем сдавливания, удара или среза, что достигается либо воздействием на них мелющих тел, либо ударом частиц друг о друга.
В машинах другого класса разрушение производится посредством воздействия на материал окружающей среды - жидкости или газа. В этих машинах материал разрушается всесторонним сжатием частиц и последующим резким сбросом давления путем генерации в жидкости упругих волн и кавитацией.
Под кавитацией в жидкости принято понимать образование заполненных паром и газом полостей или пузырьков при локальном понижении давления в жидкости до давления насыщенных паров. Соотношение содержания газа и пара в полости может быть различным (теоретически от нуля до единицы). В зависимости от концентрации пара или газа в полости, их называют паровыми или газовыми [2]. В различных источниках пузырьки, заполненные паром и газом, называют кавитационной полостью, пузырем, сферой и т.п.
Согласно определению Бреннена, «Когда жидкость подвергается давлению ниже порогового (напряжению растяжения), тогда целостность ее потока нарушается, и образуются парообразные полости. Это явление называется кавитацией. Когда местное давление жидкости в некоторой точке падает ниже величины, соответствующей давлению насыщения при данной окружающей температуре, тогда жидкость переходит в другое состояние, образуя, в основном, фазовые пустоты, которые называются кавитацион-ными пузырями» [5].
В литературе употребляются такие термины, как захлопывание, схлопывание, аннигиляция, коллапс и т.п., которые обозначают одно явление - уменьшение радиуса пузырька до минимального или уменьшение радиуса полости, ее деформацию и распад на несколько пузырьков.
Установлено, что пузырьки, захлопываясь во время полупериодов сжатия, создают кратковременные (порядка 10-6 сек) импульсы давления (до
103Мн/м2»104кгс/см2) и сопровождаются адиабатическим нагревом газа до температуры порядка 104 °С. Отмечается, что после схлопывания полости в окружающей жидкости распространяется сферическая ударная волна, быстро затухающая в пространстве [3].
Процессы сонохимического диспергирования имеют преимущества по сравнению с обычными процессами механического измельчения, к которым относят:
• возможность работы в водных средах, в т.ч. в присутствии деионизированной воды;
• высокую производительность;
• сильное разрушающее воздействие на измельчаемые частицы;
• хорошую управляемость процесса.
Установки сонохимического диспергирования,
предложения по которым имеются на рынке оборудования, в основном специфичны и в силу сравнительно малой мощности генерируемых колебаний и малых длин упругих волн применяются для высокой гомогенизации смесей, эмульсий, пульп и разрушения мягких материалов или агрегатов уже измельченных частиц.
В настоящее время для развития отечественной микроэлектроники актуальной является разработка технологии и оборудования для диспергирования кварцевого сырья с достижением крупности частиц в пределах 5-45мкм.
В связи с этим проведены экспериментальные исследования по процессам сонохимического измельчения кварца в водных средах, которые включали отработку оптимальных параметров процесса - концентрацию твердых частиц в пульпе, начальный размер частиц, время обработки, количество циклов.
Экспериментальные исследования по процессам сонохимического измельчения кварца в водных средах проводились на установках, которые позволяют создавать кавитацию за счет гидродинамики и ультразвука.
Для создания акустической кавитации применялись ультразвуковые установки: диспергатор серии УЗД и аппарат серии УРСК-7Н-22.
Ультразвуковой диспергатор УЗДН-2Т выполнен на базе магнитострикционного преобразователя. Номинальные рабочие частоты 22 и 44 кГц. В промышленности применяется для диспергирования, эмульгирования, очистки и обезжиривания изделий и т.д.
Аппарат ультразвуковой серии УРСК-7Н-22 выполнен на базе пьезокерамического преобразователя. Номинальная рабочая частота 26,5 кГц. В основном применяется при различных хирургических операциях для ультразвуковой обработки.
Принцип работы ультразвуковых установок заключается в следующем: при включении сетевого выключателя питающее напряжение поступает на ультразвуковой генератор, который преобразует электрическую энергию промышленной частоты в энергию ультразвуковой частоты. Колебательная система, в свою очередь, преобразует эту энергию в механическую и передает ее посредством излучающего волновода в жидкость. Механическая энергия, распространяющая-
Эффективность процесса измельчения оценивали по изменению веса каждого класса пробы кварца. До и после обработки материал просушивался и классифицировался по крупности.
Таблица. 1
Химический состав образцов кварцитов и кварцев различных месторождений, %
ся в жидкой среде, вызывает в последней кавитаци-онный процесс, сопровождающийся образованием и «захлопыванием» кавитационных пузырьков, а также интенсивных потоков жидкости.
Компонентный состав Наименование месторождения
НП АН ЧЕ ПЕ ХР МЧ БА УВ ЯГ КР
&'02 99,18 98,54 98,91 98,61 99,07 99,05 98,95 98,73 98,37 98,89
А120З 0,07 0,63 0,31 0,49 0,29 0,31 0,38 0,56 0,74 0,41
Ре203 0,09 0,20 0,20 0,29 0,16 0,16 0,12 0,13 0,10 0,17
СаО 0,11 0,14 0,12 0,13 0,12 0,12 0,11 <0,01 <0,05 0,12
МдО 0,05 <0,05 <0,05 <0,05 <0,05 <0,05 <0,05 <0,05 <0,05 <0,05
ТЮ2 0,03 0,02 0,01 0,08 0,01 0,01 0,02 0,02 <0,05 0,04
Ыа*} 0,20 0,20 0,21 0,22 0,20 0,21 0,20 0,20 0,20 0,21
К20 0,19 0,07 0,04 0,06 0,03 0,03 0,01 0,21 0,33 0,04
МпО <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01
Рг05 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01
Ва+Св <0,02 <0,02 <0,02 <0,02 <0,02 <0,02 <0,02 <0,02 <0,02 <0,02
Бг 0,002 0,005 0,002 0,004 0,003 0,003 0,004 0,002 0,003 0,004
А/Ь <0,003 <0,003 <0,003 <0,003 <0,003 <0,003 <0,003 <0,003 <0,003 0,003
Итого 99,97 99,90 99,90 99,98 99,98 99,99 99,89 99,96 99,94 99,98
Примечание. Принятые сокращения НП - Новопавловское; АН - Антоновское; ЧЕ - Черемшанское; ПЕ - Первоураль-ское; ХР - г. Хрустальная; МЧ - Мамско-Чуйское; БА - Баническое; УВ - Уватское; ЯГ - Ягатское; КР - г. Караульная.
Для создания гидродинамической кавитации применялся диспергатор, работающий в замкнутом цикле. Кавитация создавалась путем пропускания пульпы содержащая частицы кварца крупностью -1 мм через кольцевидное отверстие, рабочий орган диспергатора, которое имеет узкий вход и значительно больший по размеру выход. Многие промышленные смесители основаны на этом принципе и могут управляться гидравлическими устройствами, контролирующими размер входного отверстия, что позволяет регулировать процесс работы в различных средах.
Исследования проводились с различными типами кварцевого сырья, в том числе с использованием кварцитов Иркутской области. Физико-химические характеристики кварцитов представлены в табл. 1.
На лабораторной установке проведена обработка кварцевого сырья гидродинамической кавитацией. Режимные характеристики опыта: отверстие рабочего органа диспергатора 1 мм; Т:Ж=3:1; вода дистиллированная; расход воды 1 л/мин; длительность работы 30 мин; диспергатор работал в замкнутом цикле.
На лабораторных установках УЗДН-2Т и УРСК-7Н-22 проведена обработка кварцевого сырья акустической кавитацией. Режимные характеристики опыта: вода дистиллированная; Т:Ж = 4:1; длительность работы 5, 10, 15, 30 мин; рабочая частота составляла 26,5 и 44 кГц ±7,5%.
В табл. 2 представлен гранулометрический состав проб кварца до и после сонохимического измельчения кварца в водных средах.
Таблица 2
Гранулометрический состав проб кварца до и после сонохимического измельчения кварца, г
Класс крупности, мм Акустическая кавитация Гидродинамическая кавитация
Диспергатор УЗДН-2Т Аппарат УРСК-7Н-22
до после ДО после до после
+3 102 99 49 47 - -
-3+2 28 26 13 17 - -
-2+1 64 68 29 27 - -
-1+0,5 36 36 14 13 44 45
-0,5 20 22 10 9 26 25
Из табл. 2 видно, что существенного изменения гранулометрического состава проб после акустической и гидродинамической кавитации не наблюдается.
Отмечено, что после кавитационной обработки кварца в гидродинамическом режиме содержание Fe2O3 в пробах составило 1,423% при содержании Fe2O3 в исходной пробе 0,092%. Причиной обогащения железом явилось попадание оксида железа в исследуемый материал из рабочей зоны конструкции диспергатора. На практике исключить негативное влияние возможно покрывая контактирующие поверхности прочными и сверхпрочными материалами: нержавеющей сталью, стеллитом или поликристаллическим алмазом (PCD).
При обработке кварца акустической кавитацией отмечалось загрязнение водной среды, образование устойчивой взвеси темно-серого цвета, а процесс сопровождался локальным разогревом материала в пределах 40 С по всему объему.
Обработанные пробы кварца исследовались под электронным (рис. 1) и просвечивающим (рис. 2) микроскопами.
В результате установлено, что при воздействии акустической кавитации происходит эффект очищения поверхности зерен кварца от посторонних примесей (табл. 3).
Химический анализ проб показал, что в крупном классе +1 мм содержание оксида железа составило 0,027% против 0,034% без кавитационной обработки, в классе крупности -0,5 +1 мм - 0,038% против 0,044% без кавитационной обработки.
Полученные результаты согласуются с известными исследованиями [4], которые проводили акустической кавитацией обработку кварцевых песков с карт намыва обогатительной фабрики и гравитационном концентрате. Авторы исследовали обработанные пески под бинокуляром и установили, что при воздействии происходит эффект очищения поверхности зерен кварца от пленок гидрослюд и каолинита, пропитанных гидроксидами железа, и собственно гидрокси-дов железа. При увеличении времени отмечено удаление части гидроксидов железа из зародышей и неровностей поверхности зерен кварца.
С помощью электронного просвечивающего микроскопа проводился анализ жидкой среды, в которой происходила обработка, и были обнаружены сферы кварца в незначительной концентрации (рис. 2).
Влияние кавитации на технологические процессы в области переработки минерального сырья давно привлекало внимание специалистов, но практическое воплощение результатов этих исследований сдерживается возможностями промышленности по созданию надежного и достаточно эффективного оборудования, способного работать в сложных условиях предприятий.
В настоящее время применение кавитации целесообразно для диспергирования асбеста, измельчения до коллоидного состояния слюды, гипса, серы, графита и т.д. Технологические процессы характеризуются
уменьшением энергетических затрат в 1,5-2 раза и сокращением времени их обработки в 2-3 раза. При этом отмечается, что при затратах энергии 5,5 кВт производительность установки при измельчении мела в пульпе до 0,5-1 мкм, при соотношении 50/50 (сухой мел/вода), составляет 1 м3/ ч.
Промышленное использование акустической и гидродинамической кавитации для диспергирования кварца в водных средах на данный момент невозможно, т.к. аппараты характеризуются высоким потреблением электроэнергии и малым объемом производства. В связи с этим интерес вызывает дальнейшее исследование ультразвуковой кавитации для очищения поверхности зерен кварца. Это позволит снизить потребность в опасных и вредных для здоровья веще-
ствах, применяемых на этапе очистки исходного материала в промышленных условиях.
Статья подготовлена с использованием результатов работ, выполненных в рамках программы
Библиограф
1. Schonert K. Advanches in the physical fundamentals of comminution // In: Advances in mineral Processing, 1986. Littleton. P. 28.
2. Перник А.Д. Проблемы кавитации. Л.: Судостроение, 1966. 439 с.
3. Geganken A. Using sonochemistry for the fabrication of na-nomaterials // Ultrasonics Sonochemistry, 2004. Vol. 11. Р. 47.
развития кооперации российских вузов и производственных предприятий (Постановление правительства Российской Федерации № 218).
ский список
4. Макавецкас А.Р., Башлыкова Т.В., Пахомова Г.А., Филиппов В.И., Лебедев Н.М. Влияние кавитации на технологические свойства рудного и нерудного минерального сырья // Цветные металлы. № 3. 2007.
5. URL:
http://ru.wikipedia.org/wiki/%CA%E0%E2%E8%F2%E0%F6%E8 %FF
УДК 669.782+669.017
ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СПЛАВОВ В УСЛОВИЯХ НЕРАВНОВЕСНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ
М.В. Константинова1, Е.А. Гусева2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический институт, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведены разнообразные примеры формирования структуры сплавов в условиях их неравновесного охлаждения. С учетом общих закономерностей фазовых превращений в сплавах в равновесных условиях, которые отражаются равновесными диаграммами состояния, продемонстрировано отличие в структуре сплавов, полученной в реальных условиях охлаждения, от их равновесной структуры. Это позволяет объяснять и прогнозировать строение различных сплавов, а также использовать эти знания на практике, при получении и обработке промышленных сплавов. Ил. 6. Библиогр. 8 назв.
Ключевые слова: диаграммы состояния; кристаллизация; фазовые превращения; перекристаллизация; переохлаждение; ликвация.
ALLOY STRUCTURE FORMATION IN A NONEQUILIBRIUM CRYSTALLIZATION AND RECRYSTALLIZATION M.V. Konstantinova, E.A. Guseva
National Research Irkutsk State Technical Institute, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The article presents various examples of alloy structure formation under conditions of their non-equilibrium cooling. Taking into account general regularities of phase transformations in alloys under equilibrium conditions, which are described by equilibrium phase diagrams, the authors illustrate the difference in the structure of the alloys obtained in natural conditions of cooling from their equilibrium structure. This allows to explain and predict the structure of various alloys, as well as to use this knowledge in practice, when producing and processing industrial alloys. 6 figures. 8 sources.
Key words: equilibrium diagrams; crystallization; phase transformations; recrystallization; supercooling; segregation.
Процессы при формировании структуры сплавов в реальных условиях охлаждения, когда отвод тепла производится с определенной скоростью, существенно отличаются от тех равновесных процессов, которые происходят в сплавах при бесконечно медленном охлаждении, по результатам которого строят равновесные диаграммы состояния. Равновесные процессы предполагают полное протекание диффузии, как в жидкой, так и в твердой фазе. В реальных условиях
происходит отставание процессов диффузии. Реальное строение сплавов может значительно отличаться от их структуры в равновесном состоянии, которая соответствует равновесной диаграмме состояния: могут появляться или исчезать отдельные структурные составляющие, может изменяться их состав.
При реальных скоростях охлаждения составы как твердой, так и жидкой фазы будут отличаться от равновесных. Поскольку в жидкой фазе диффузионные
1 Константинова Марина Витальевна, кандидат химических наук, доцент кафедры машиностроительных технологий и материалов, тел.: (3952) 405147, 89500537195, e-mail: [email protected]
Konstantinova Marina, Candidate of Chemistry, Associate Professor of the Department of Engineering Technologies and Materials, tel.: (3952) 405147, 89500537195, e-mail: [email protected]
2Гусева Елена Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроительных технологий и материалов, тел.: (3952) 405147, 89500616247, e-mail: [email protected]
Guseva Elena, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Engineering Technologies and Materials, tel.: (3952) 405147, 89500616247, e-mail: el.guseva @ rambler.ru
