CC BY
92
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Dmitriev V.G., Gurzadyan G.G., Nikogosyan D.N. Handbook for nonlinear optical crystals, 3rd ed. - Berlin: Springer, 1999. - V. 64. -413 p.
2. Allakhverdiev K.R., Guliev R.I., Salaev E.Y., Smirnov V.V. Investigation of linear and nonlinear optical properties of GaSxSe1-x crystals // Sov. J. Quantum Electron. - 1982. - V. 12. - P. 947-949.
3. Suhre R., Singh N.B., Balakrishna V., Fernelius N.C., Hopkins F.K. Improved crystal quality and harmonic generation in GaSe doped with indium // Optics Letters. - 1997. - V. 22. - № 11. -P. 775-777.
4. Zhang D.H.-Z., Kang Z.-H., Jiang Yu., Gao J.-Yu., Wu F.-G., Feng Z.-S., Andreev Yu.M., Lanskii G.V., Morozov A.N., Sachko-va E.I., Sarkisov S.Yu. SHG phase matching in GaSe and mixed GaSe1-xSx, x<0.412, crystals at room temperature // Optics Express.
- 2008. - V. 16. - № 13. - P. 9951-9957.
5. Feng Z.-S., Kang Z.-H., Wu F.-G., Gao J.-Yu., Jiang Yu., Zhang H.-Z., Andreev Yu.M., Lanskii G.V., Atuchin V.V., Gavrilova T.A. SHG in doped GaSe: In crystals // Optics Express. - 2008.
- V. 16. - №13. - P. 9978-9985.
6. Fernelius N.C. Properties of gallium selenide single crystal // Prog. Crystal growth and Charact. - 1994. - V. 28. - P. 275-353.
7. Байдуллаева А., Власенко З.К., Даулетмуратов Б.К., Ку-зан Л.Ф., Мозоль П.Е. Спектры комбинационного рассеяния света монокристаллов GaSe, подвергнутых воздействию лазерного облучения // Физика и техника полупроводников. - 2005.
- Т. 39. - №4. - С. 405-408.
8. Andreev Yu.M., Kokh K.A., Lanskii G.V., Morozov A.N. Structural characterization of pure and doped GaSe by non-linear optical method // J. Crystal Growth. - 2011. - V. 318. - P. 1164-1166.
9. Andreev Yu.M., Atuchin V.V., Lanskii G.V., Morozov A.N., Pokrovsky L.D., Sarkisov S.Yu., Voevodina O.V. Growth, real structure and applications of GaSe1-xSx crystals // Mat. Sci. Eng. B. - 2006. -V. 128. - P. 205-210.
10. Andreev Yu.M., Butuzov V.V., Verozub G.A., Gribenyukov A.I., Davydov S.V., Zakharov V.P. Generation of the Second Harmonic of Pulsed CO2-Laser Radiation in AgGaSe2 and ZnGeP2 Single Crystals // Laser Physics. - 1995. - V. 5. - No. 5. - З. 1014-1019.
11. Химия и технология редких и рассеянных элементов / 2-е изд. под ред К.А. Большакова. Ч. 1. - М.: Высшая школа, 1976. -368 с.
Поступила 01.11.2011 г.
УДК 661.832.321
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ НА ПРОЦЕСС ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ГАЛУРГИЧЕСКОГО ХЛОРИДА КАЛИЯ
К.Г. Кузьминых, В.З. Пойлов, О.К. Косвинцев*
ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
*Березниковский филиал ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
E-mail: [email protected]
Изучено влияние параметров ультразвуковой обработки (интенсивность воздействия, продолжительность, объем обрабатываемой суспензии) на гранулометрический состав галургического хлорида калия. Установлено, что при увеличении интенсивности ультразвукового воздействия и продолжительности обработки происходит уменьшение среднего размера кристаллов, а при увеличении объема обрабатываемой суспензии эффективность ультразвукового воздействия уменьшается.
Ключевые слова:
Хлорид калия, ультразвуковая обработка, интенсивность акустического воздействия, продолжительность, средний размер.
Key words:
Potassium chloride, ultrasonic machining, intensity of acoustical affecting, duration, average size.
Технический хлорид калия, получаемый методом кристаллизации (галургическая технология), имеет широкий спектр применения. Основное применение хлорида калия - это сельское хозяйство, где его используют в качестве минерального удобрения. В промышленности он используется также как сырье при производстве химических продуктов (сульфата калия, гидроксида калия и многих других), заменителей кожи, синтетического каучука, хлебопекарных и кормовых дрожжей, лечебно-профилактической соли. Иногда применяется в качестве добавки к поваренной соли («соль с пониженным содержанием натрия») [1]. В зависимости от области применения КС1 должен обладать определенным набором характеристик. Основными характеристиками кристалли-
ческого КС1 являются содержание основного вещества и гранулометрический состав. Галургическая технология получения КС1 обеспечивает необходимую чистоту продукта. При данном способе получения размер кристаллов зависит от режима работы вакуум-кристаллизационной установки (ВКУ), имеющей ограниченные возможности варьирования гранулометрического состава. В связи с этим становится актуальной проблема разработки способа получения галургического КС1 с заданным гранулометрическим составом и возможностью оперативного перехода на производство продукта с различным размером кристаллов.
Получаемый на ОАО «Уралкалий» БКПРУ-4 в 7-ступенчатой ВКУ КС1 имеет средний размер кристаллов 0,57 мм, что не соответствует требова-
ниям широкого спектра потребителей. Для привлечения дополнительных потребителей предприятие заинтересовано в производстве KCl с меньшим размером кристаллов при минимальных затратах и возможностью оперативного перехода на производство продукта с другими характеристиками.
Существуют следующие способы уменьшения размеров кристаллов: изменение режимов работы ВКУ; введение на стадии кристаллизации добавок, блокирующих рост кристаллов; измельчение крупнокристаллического KCl до необходимых размеров.
При изменении режима работы на ВКУ заданный размер частиц достигается за счет изменения скоростей зародышеобразования и роста кристаллов [2]. Недостатком данного способа является невозможность получения хлорида калия с широким диапазоном гранулометрического состава.
Введение добавок, блокирующих рост кристаллов, приведет к загрязнению, как готового продукта, так и циркулирующего раствора, что создаст проблемы при переходе на выпуск продукта с другим гранулометрическим составом.
Наиболее простым способом уменьшения размеров является измельчение крупнокристаллического кристаллизата. Твердый материал можно измельчать до необходимо размера механическими способами [3], термическим, электрическим способами [4]. Механическое измельчение при его широком распространении имеет ряд недостатков: громоздкость, сложности с варьированием гранулометрического состава измельченного материала, износ оборудования и загрязнение готового продукта истирающимся материалом мельниц и дробилок. Термический и электрический способы имеют высокую энергоёмкость.
В настоящее время в препаративной химии, фармацевтике и нанотехнологиях для диспергации материалов широко используют ультразвук [5]. Однако данных по измельчению KCl в ультразвуковом поле в литературных источниках нет. В связи
с этим представляют практический интерес исследования, направленные на изучение влияния параметров ультразвуковой обработки (продолжительность обработки, интенсивность ультразвукового воздействия, объем обрабатываемой суспензии) на гранулометрический состав KCl.
Экспериментальные исследования по влиянию ультразвуковой обработки (УЗО) на изменение гранулометрического состава кристаллов KCl проводили с использованием экспоненциального излучателя с частотой ультразвуковых волн 22 кГц. Выбор типа излучателя обусловлен его широким распространением в промышленности и простым способом монтажа в промышленные аппараты [6,
7].
В качестве исходного материала использовали галургический хлорид калия, производимый на БКПРУ-4 ОАО «Уралкалий». Эксперименты проводили следующим образом: навеску исходного KCl и насыщенный раствор KCl вводили в термо-статируемый кристаллизатор с рубашкой. Соотношение жидкой и твердой фаз составляло 5:1 (вес.). Условия исследований были максимально приближены к производственным: температура суспензии составляла 25 °С, которую поддерживали за счет циркуляции воды в рубашке. В качестве жидкой фазы использовали насыщенный раствор KCl при данной температуре, объем жидкой фазы составлял 100 и 200 мл. Суспензию при постоянном механическом перемешивании подвергали УЗО заданной мощности в течение определенного времени. Для создания однородного состава суспензии по всему объему её перемешивали лопастной мешалкой. В процессе исследования продолжительность обработки составляла 2, 4 и 8 мин. при трех различных интенсивностях УЗО. Для создания акустических колебаний использовали ультразвуковой низкочастотный диспергатор УЗДН-1 У4.2.
Суспензию после каждого опыта фильтровали под вакуумом при давлении 30 кПа с последующей промывкой осадка ацетоном. Промытые кристал-
Рис. 1. Схема лабораторной установки для исследования процесса диспергации хлорида калия при УЗО: 1) генератор ультразвука; 2) регулятор мощности; 3) регулятор частоты; 4) лопастная мешалка; 5) экспоненциальный излучатель ультразвука; 6) термостатируемый кристаллизатор срубашкой; 7) жидкостный термостат; 8) контактный термометр; 9) термометр
лы сушили до постоянного веса, после чего определяли гранулометрический состав при помощи ситового анализа. Схема лабораторной установки представлена на рис. 1.
В таблице представлены результаты определения гранулометрического состава KCl после обработки суспензии в объеме жидкой фазы 100 и 200 мл. В таблице: Iи t - интенсивность и продолжительность акустического воздействия; dcp - средний размер кристаллов KCl.
Таблица. Гранулометрический состав KCl после УЗО
I, Вт/см2 t, мин Содержание фракции (%) со средним размером (мм) dcp, мм
0,08 0,238 0,473 0,815 1,125 1,325
Исходный KCl 0,14 3,46 69,04 25,2 1,49 0,67 0,57
Объем жидкой фазы 100 мл
15 2 0,12 5,23 71,20 21,18 1,70 0,58 0,55
4 1,05 9,79 66,08 21,42 1,22 0,45 0,53
8 7,21 16,09 54,79 20,06 1,34 0,50 0,49
20 2 4,35 11,82 65,64 16,83 1,07 0,29 0,49
4 4,92 13,44 64,39 15,80 1,13 0,31 0,49
8 9,49 18,10 55,62 15,22 1,19 0,38 0,46
25 2 3,04 8,71 63,91 22,01 1,91 0,42 0,53
4 9,06 18,91 59,81 11,25 0,58 0,39 0,44
8 18,60 27,57 49,06 4,64 0,12 0,02 0,35
Объем жидкой фазы 200 мл
15 2 0,31 3,65 67,88 25,60 1,74 0,82 0,57
4 2,30 4,71 64,84 25,72 1,83 0,60 0,56
8 3,90 7,36 65,85 21,18 1,41 0,31 0,52
20 2 2,61 6,16 64,82 24,38 1,54 0,49 0,55
4 3,30 6,10 61,61 26,29 1,87 0,82 0,55
8 7,88 12,59 60,32 17,50 1,35 0,37 0,48
25 2 1,83 4,52 63,02 28,19 1,69 0,76 0,57
4 3,29 7,89 61,68 25,06 1,46 0,62 0,54
8 7,64 14,83 59,18 17,03 1,07 0,26 0,48
Полученные результаты свидетельствуют о том, что при увеличении интенсивности акустического воздействия и продолжительности обработки происходит уменьшение среднего размера кристаллов KCl. Наименьшее значение среднего размера кристаллов (0,35 мм) достигается при УЗО в течение 8-ми мин. и интенсивности акустического воздействия 25 Вт/см2. При диспергации в течение двух минут независимо от параметров обработки происходит незначительное уменьшение среднего размера кристаллов KCl.
Для получения кристаллов со средним размером менее 0,45 мм при интенсивности акустического воздействия 25 Вт/см2продолжительность диспергирования должна составлять не менее 4-х мин. При продолжительности обработки более 8-ми мин. в продукте образуется повышенное содержание пылевидных фракций со средним размером 0,08 мм, которое может составлять 18 %. Большое содержание пылевидных фракций является нежелательным, т. к. создает дополнительные затраты на стадиях фильтрования и сушки продукта. Так же высокое содержание пыли приводит к потерям продукта при погрузке, транспортировке
и хранении. В связи с этим с технологической и экологической точек зрения оптимальным является продолжительность обработки от 4 до 8 мин. при интенсивности акустического воздействия 25 Вт/см2.
Как отмечают авторы [5, 8] на эффективность диспергирования веществ основное влияние оказывает кавитация. Разрушение твердых частиц происходит под действием ударных волн, возникающих при захлопывании кавитационных полостей. При увеличении объема суспензии количество кавитационных полостей и ударных волн, приходящихся на один кристалл, уменьшается (при условии, что остальные параметры обработки не изменяются). Поэтому при увеличении объема жидкой фазы (при прочих одинаковых параметрах обработки) эффективность ультразвуковой дисперга-ции снижается. Так при диспергации KCl в объеме жидкой фазе 100 мл минимальное значение среднего размера кристаллов составляет 0,35 мм, а при объеме жидкой фазы 200 мл - 0,48 мм.
Независимо от объема обрабатываемой суспензии и параметров УЗО в продукте преобладает фракция со средним размером 0,473 мм. При объеме жидкой фазы 100 мл содержание данной фракции уменьшается на 20 %, по сравнению с исходным KCl, а при 200 мл - на 10 %. При малом объеме обрабатываемой суспензии наблюдается существенное снижение не только фракции со средним размером 0,473 мм, но и фракции - 0,815 мм.
Для исследования процесса диспергации KCl во времени был проведен следующий эксперимент: на поверхность экспоненциального ультразвукового излучателя наносили небольшое количество насыщенного раствора KCl, в который помещали несколько кристаллов KCl. Суспензию подвергали УЗО при интенсивности акустического воздействия 20 Вт/см2. Процесс диспергации снимали на видеокамеру. На рис. 2 представлены фотографии кристаллов в различные промежутки времени обработки.
Анализ фотографий в различные промежутки времени показывает, что за первые 30 с обработки происходит незначительное уменьшение размеров кристаллов (рис. 2, б), удаление мелких частиц с поверхности кристаллов, разрушение кристаллизационных мостиков с низкой энергией связи. При дальнейшей обработке происходит увеличение эффективности диспергации. Так при обработке в течение 45 с количество крупных кристаллов в суспензии существенно снижается (рис. 2, в). На данном этапе происходит разрушение агломератов за счет проникновения ударных волн внутрь агломератов. При этом скорость измельчения увеличивается за счет увеличения числа соударений кристаллов друг о друга.
Как отмечают авторы [5, 9] на поверхности частиц, имеющих неровности, микротрещины, сростки, при УЗО образуются зародыши кавитационных пузырьков. Под действием звукокапиллярного эффекта и микропотоков жидкость проникает
в трещины и поры, где при схлопывании кавитационных пузырьков образуются ударные волны, которые способствуют разрушению материала. При этом сначала происходит отщепление выступов, неровностей, сростков. На данном этапе обработки происходит сглаживание поверхности частицы. В дальнейшем при проникновении вглубь частицы кавитационных пузырьков и ударных волн происходит разрушение материала.
На рис. 3 представлены фотографии кристаллов KCl до и после УЗО в объеме жидкой фазы 100 мл в течение 8-и мин. при интенсивности акустического воздействия 25 Вт/см2 (фотографии сделаны на оптическом микроскопе Carl Zeiss Axio Imager-2).
На фотографии (рис. 3, а) кристаллов KCl, не подвергнутых УЗО, видно, что они представляют собой агломераты неправильной формы в виде сростков отдельных кристаллов различного размера. Наблюдается наличие срощенных граней кристаллов кубической формы, агломераты имеют малый объем пустот. На поверхности агломератов, хотя и присутствуют дефекты (впадины, трещины, выступы, шероховатости), большая их часть имеет сглаженную форму. Так же сглаженную форму имеют и края агломератов.
На фотографии KCl, подвергнутого УЗО (рис. 3, б), видно, что в продукте образуются пылевидные фракции. Кристаллы при обработке приобретают шероховатую поверхность. Количество выступов и трещин на поверхности кристаллов увеличивает-
ся, по сравнению с исходным материалом. Края агломератов после обработки имеют не только сглаженную форму, но и края с острыми углами. Образование острых углов при УЗО обусловлено отщеплением частиц, составляющих агломераты.
Выводы
1. При ультразвуковой обработке в изотермических условиях галургического хлорида калия в среде насыщенного раствора происходит измельчение кристаллов. С увеличением интенсивности акустического воздействия и продолжительности обработки наблюдается уменьшение среднего размера кристаллов.
2. Интенсивность акустического воздействия не должна превышать 25 Вт/см2, а продолжительность обработки - 8 мин, иначе в продукте будет содержаться повышенное количество пылевидной фракции со средним размером 0,08 мм.
3. С увеличением объема суспензии при одинаковых параметрах обработки эффективность ультразвуковой диспергации снижается.
4. На начальном этапе ультразвуковой обработки происходит удаление мелких частиц с поверхности кристаллов и разрушение кристаллизационных мостиков с низкой энергией связи. При дальнейшей обработке интенсивность дис-пергации увеличивается за счет проникновения ударных волн внутрь агломератов хлорида калия и увеличения числа соударений кристаллов друг с другом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 4568-95. Калий хлористый. Технические условия. - М.: Изд-во стандартов, 1996. - 16 с.
2. Матусевич Л.Н. Кристаллизация из растворов в химической промышленности. - М.: Химия, 1963. - 304 с.
3. Сиденко П.М. Измельчение в химической промышленности.
- М.: Химия, 1977. - 368 с.
4. Серго Е.Е. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. - М.: Недра, 1985. - 285 с.
5. Агранат Б.А., Дубровин М.Н., Хавский Н.Н., Эскин Г.И. Основы физики и техники ультразвука. - М.: Высшая школа, 1987,
- 352 с.
6. Новицкий Б.Г. Применение акустических колебаний вхими-ко-технологических процессах (процессы и аппараты химиче-
ской и нефтехимической технологии). - М.: Химия, 1983. -192 с.
7. Хмелев В.Н, Леонов ГВ., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н., Шалунов А.В. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйстве. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2007. - 400 с.
8. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / под ред. И.П. Голями-на. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с.
9. Ультразвуковая технология / под ред. Б.А. Аграната. - М.: Металлургия, 1974. - 503 с.
Поступила 01.02.2012 г.
УДК 537.528:537.529:622.233
ШПУРОВОЕ РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД И БЕТОНА
Н.А. Иванов, М.И. Пивоваров, Н.В. Войтенко, А.С. Юдин
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Исследованы процессы шпурового разрушения горных пород и бетона с использованием электровзрывного полиэтиленового картриджа. Приведены результаты лабораторных измерений тока, напряжения; произведен расчет сопротивления канала разряда идинамики энерговыделения в нем при инициировании разряда взрывающимся проводником как в воде, так и в полиэтиленовом капилляре. Установлено, что в канале капиллярного разряда выделение энергии в первый полупериод колебаний тока на-15 % выше, чем в канале разряда в воде. Показано, что при запасенной энергии в емкостном накопителе -30 кДж происходит электроразрядное разрушение образцов размером до 100x60x60 см.
Ключевые слова:
Электровзрыв, электроразрядное разрушение, капиллярный разряд, негабарит, передающая среда, электровзрывной полиэтиленовый картридж.
Key words:
Elecrtoburst, plasma blast technology, capillary discharge, oversize, transfer media, polyethylene elecrtoexplosive cartridge.
Введение
В горнодобывающей промышленности и строительстве существует проблема, связанная с ограничением использования взрывчатых веществ для разрушения твердотельных крупногабаритных блоков естественного и искусственного происхождения (глыб горных пород, бетонных блоков и изделий) - «негабаритов». Взрывчатые вещества экологически небезопасны, требуют эвакуации персонала из места проведения взрывных работ, осколки при взрывах могут повреждать коммуникации и строения. При разрушении прочных горных пород (гранит, известняк) механические способы малоэффективны и дорогостоящи. Возможным решением проблемы является применение электрораз-рядного разрушения горных пород. Широкое распространение получил элекроразрядный способ с применением ёмкостного генератора импульсных токов [1-3], где в качестве среды, передающей ударную волну, используется вода. С одной стороны, её недостаток - низкая по сравнению с разрушаемым материалом акустическая жёсткость, что уменьшает коэффициент передачи волны давления
от канала разряда в разрушаемый материал, а также проблема её удержания в горизонтальных шпурах. С другой стороны, вода пластична, поэтому нет потерь энергии на измельчении в приканальной области. Другим фактором, определяющим эффективность разрушения, является скорость ввода энергии от накопителя в канал разряда, которая косвенно зависит от материала, находящегося с разрядным каналом в непосредственном контакте.
Таким образом, поиск доступного материала, позволяющего более эффективно доставлять энергию накопителя в разрушаемый материал, является актуальной задачей.
Целью настоящей работы является исследование электровзрывного разрушения «негабаритов» с использованием в качестве передающей среды пластичного, не измельчаемого вблизи разрядного канала материала - полиэтилена с более высокой по сравнению с водой акустической жесткостью.
Механизм разрушения электровзрывом
Прочность горных пород и бетона, как и всех других хрупких материалов, на растяжение значи-
