Электродинамические сепараторы на основе линейных индукционных машин для обработки мелких фракций лома цветных металлов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат наук Багин Дмитрий Николаевич

• Багин Дмитрий Николаевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Багин Дмитрий Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

1. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ОБЪЕКТ И ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Технологические задачи, решаемые с помощью электродинамической сепарации

1.2. Варианты конструктивных исполнений сепараторов

1.3. Выводы по разделу

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ МАШИН СО ВТОРИЧНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ МАЛЫХ РАЗМЕРОВ

2.1. Особенности рассматриваемых линейных индукционных машин

2.2. Выбор и совершенствование математических моделей ЛИМ с

ВЭ малых размеров

2.3. Расчет боковых электромагнитных усилий, действующих на сепарируемые частицы на краях активной зоны ЛИМ

2.4. Оценка боковых электромагнитных сил и сил отталкивания

2.5. Выводы по разделу

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО СЕПАРАТОРА КАК ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

3.1. Трехзонная модель электродинамического сепаратора на основе системы ЛИМ - наклонная плоскость

3.2. Пятизонная модель электродинамического сепаратора с учетом дополнительных электромагнитных сил

3.3. Апробация методики расчета траекторий движения сепарируе-

мых проводящих частиц

3.4. Выводы по разделу

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СЕПАРАТОРОВ НА ОСНОВЕ ЛИНЕЙНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ МАШИН

4.1. Расчеты сепараторов для индукционной сортировки лома цветных металлов

4.1.1. Анализ факторов, влияющих на качество сортировки металлов

4.1.2. Повышение эффективности сепараторов для индукционной сортировки лома цветных металлов

4.1.3. Оценка влияния на показатели сепаратора искажений формы и размеров ВЭ, а также ориентации их в бегущем магнитном поле

4.2. Оценка характеристик установок для сепарации электронного лома

4.3. Повышение эффективности сепарации за счет выбора рациональных параметров механической части установок

4.4. Выводы по разделу

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

5.1. Описание опытных установок электродинамической сепарации

и методик экспериментов

5.2. Результаты экспериментальных исследований электродинамических сепараторов

5.2.1. Измерение магнитных полей ЛИМ и оценка влияния неравномерности распределения поля на электромагнитные усилия

5.2.2. Влияние параметров наклонной плоскости сепаратора

5.2.3. Оценка влияния возможных искажений формы и размеров сепарируемых частиц

5.3. Практическая реализация разработок

5.4. Выводы по разделу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электродинамические сепараторы на основе линейных индукционных машин для обработки мелких фракций лома цветных металлов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность избранной темы. Одним из эффективных применений линейных индукционных машин (ЛИМ) является использование их в качестве основы электродинамических сепараторов, находящих применение при решении целого ряда технологических задач, связанных со сбором и обработкой вторичных цветных металлов. Как показано в [1-9], электродинамические сепараторы с бегущим магнитным полем успешно применяются для извлечения цветных металлов (прежде всего, алюминия и меди) из различных видов отходов производства и потребления (кабельный и автомобильный лом, отходы электро- и радиотехнической промышленности, отработанные формовочные пески литейного производства, твердые бытовые отходы и т.п.). При использовании такой сепарации решается сразу несколько эколого-экономических проблем: возвращаются в хозяйственный оборот цветные металлы и создаются условия для переработки отходов с целью получения товарных продуктов. В большинстве указанных случаев решается задача выделения металлических включений из многокомпонентных смесей материалов. При этом извлекаемые металлические тела играют роль вторичных элементов (ВЭ) линейной индукционной машины. Одной из особенностей такой машины является существенная зависимость развиваемых электромагнитных усилий извлечения от крупности металлических включений (от размеров ВЭ).

Степень разработанности темы исследования. Ранее в работах [1, 5, 7] отмечалось, что в электродинамических сепараторах на основе ЛИМ, работающих на частоте 50 Гц, основные потери металла приходятся на включения крупностью менее 40 мм. Поэтому исследование и разработка установок для электродинамической сепарации мелких фракций металлосо-держащих отходов являются актуальными. Потребность в таких установках все более увеличивается в связи с необходимостью сортировки дробленого лома цветных металлов при подготовке его к металлургическому переделу, а также с созданием производств по переработке электронного лома. В последнем случае необходимость раскрытия отдельных материалов, содержащихся в электронных устройствах, требует измельчения электронного

лома с последующим разделением его на фракции материалов. Для получения селективных концентратов цветных металлов при обработке электронного лома электродинамическая сепарация практически не имеет альтернативы.

К сожалению, задачам электродинамической сепарации дробленого и измельченного лома цветных металлов в литературе уделяется недостаточное внимание. Это и определило цель диссертационной работы: разработка электродинамических сепараторов на основе линейных индукционных машин для обработки мелких фракций лома и отходов цветных металлов. Задачами работы явились: разработка математических моделей и методик расчета как ЛИМ, так и электродинамического сепаратора в целом; выявление закономерностей протекания электромагнитных процессов в ЛИМ с малыми размерами ВЭ (менее 40 мм) и развитие теории таких машин; анализ факторов, влияющих на эффективность сепарации, при рассмотрении электродинамического сепаратора как электромеханической системы; разработка рекомендаций по проектированию и эксплуатации рассматриваемых сепараторов, а также апробация результатов исследований на опытных образцах. Работа выполнялась на кафедре «Электротехника и электротехнологические системы» Уральского федерального университета в рамках госбюджетной НИР № Н975 42Б 00312/2 «Разработка научных основ и моделирование энергосберегающих электротехнологических и специальных электромеханических систем», а также по заказам предприятий ЗАО «НПФ «Металл-Комплект»» (г. Каменск-Уральский) и ЗАО «ЮжноУральский специализированный центр утилизации» (г. Миасс).

Область исследования можно определить как специальные электрические машины и электромеханические устройства технологического назначения.

Объектами исследования являются линейные индукционные машины со вторичными элементами малых размеров и электродинамические сепараторы на основе таких ЛИМ с подачей материалов по наклонной плоскости.

Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:

1. Разработаны алгоритмы и методики расчета электромагнитных сил, действующих на проводящие частицы в магнитном поле линейного индуктора,

с учетом специфики физических процессов в ЛИМ с ВЭ малых размеров (менее 40 мм) на основе развития известных аналитических и численных методов расчета ЛИМ.

2. Разработаны математическая модель и методика расчета боковых электромагнитных сил, действующих на ВЭ малых размеров при входе их в магнитное поле ЛИМ и выходе из него.

3. Разработана математическая модель электродинамического сепаратора на основе ЛИМ с подачей материала по наклонной плоскости для расчета траекторий движения сепарируемых проводящих частиц с учетом совместного действия электромагнитных и механических сил.

4. Выявлены закономерности влияния на характеристики электродинамического сепаратора различных параметров ЛИМ и механической части сепараторов.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- раскрыты особенности физических процессов в ЛИМ с ВЭ малых размеров и электродинамических сепараторах на их основе;

- разработаны методики и программы расчета тяговых и боковых электромагнитных сил с учетом специфики ЛИМ с ВЭ малых размеров;

- разработаны методика и программа расчета траекторий движения сепарируемых частиц в сепараторе на основе ЛИМ, предполагающие переход от решения нелинейных уравнений к решению линейных алгебраических уравнений за счет разбиения расчетных зон модели на участки малой длины, в пределах которых коэффициенты уравнений остаются постоянными;

- выявлены факторы, влияющие на эффективность сепарации;

- получены рекомендации по выбору параметров ЛИМ и механической части сепараторов;

- экспериментально подтверждены возможности индукционной сортировки сплавов цветных металлов и электронного лома;

- созданы опытные установки электродинамической сепарации, результаты исследований переданы предприятиям - партнерам.

Методы исследований

В теоретической части работы использованы известные методы теоретической электротехники и теории электрических машин. Математические модели для расчета тяговых и боковых электромагнитных сил построены на основе решения полевых задач в двухмерной постановке. Решение системы нелинейных уравнений, описывающих движение сепарируемых проводящих частиц в сепараторе с учетом электромагнитных и механических сил, предложено заменять решением системы линейных уравнений, получаемой за счет разбиения зоны сепарации на участки малой длины. Методики расчетов реализованы с помощью математических пакетов Mathcad и Е1си1 Результаты расчетов проверены и дополнены данными экспериментальных исследований, полученных на опытных образцах сепараторов на основе ЛИМ.

Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением результатов расчетов, полученных по разным методикам; сопоставлением с данными экспериментов; соответствием результатов расчетов физическому смыслу процессов в ЛИМ и сепараторе в целом.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Алгоритмы и методики расчета электромагнитных сил, действующих на проводящие частицы в магнитном поле линейного индуктора, с учетом специфики физических процессов в ЛИМ с ВЭ малых размеров (менее 40 мм).

2. Математическая модель и методика расчета боковых электромагнитных сил, действующих на ВЭ малых размеров при входе их в магнитное поле ЛИМ и выходе из него.

3. Математическая модель электродинамического сепаратора на основе ЛИМ с подачей материала по наклонной плоскости и методика расчета траекторий движения сепарируемых проводящих частиц с учетом совместного действия электромагнитных и механических сил.

4. Рекомендации по выбору параметров ЛИМ (полюсного деления и частоты) и механической части сепараторов (размеры плоскости подачи, угол ее наклона, скорость подачи, коэффициенты трения).

5. Рекомендации по подготовке лома и отходов цветных металлов, а также электронного лома к сепарации, полученные на основе анализа влияния различных факторов на селективность сепарации.

6. Результаты экспериментальных исследований опытных установок электродинамической сепарации и апробации технологий индукционной сортировки сплавов цветных металлов и сепарации электронного лома.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях, семинарах, совещаниях. В том числе на II и III Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий» (Екатеринбург, 2011, 2014); X и XI Международных научно-технических конференциях «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» (Екатеринбург, 2011, 2012); 2-й и 4-й Международных научно-технических конференциях «Эффективное и качественное снабжение и использование электроэнергии» (Екатеринбург, 2012, 2015); 7-й и 8-й Международных научно-технических конференциях «Система управления экологической безопасностью» (Екатеринбург, 2013, 2014); ХЫУ Международной научно-технической конференции «Федоровские чтения» (Москва, 2014); Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2014); I Международной НТК «Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике» (Пермь, 2015).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 научных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Содержит 137 страниц основного текста, 71 рисунок и 11 таблиц, список литературы, включающий 109 наименований и приложения.

1. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ОБЪЕКТ И ПРЕДМЕТ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Технологические задачи, решаемые с помощью электродинамической сепарации

Электродинамическая сепарация - метод разделения немагнитных материалов, использующий силовое взаимодействие магнитного поля индуктора с вихревыми токами, наведенными этим полем в проводящих предметах или частицах находит все большее применение для решения ряда актуальных задач в области переработки твердых отходов производства и потребления, а также в технологиях вторичной цветной металлургии [1-12]. Анализ литературных источников позволяет выделить ряд направлений использования электродинамических сепараторов с бегущим магнитным полем [1, 6, 10-15]:

- извлечение лома цветных металлов из твердых бытовых или смешанных производственных отходов;

- отделение металлической фракции от неметаллической в сложных отходах цветных металлов (отходы электро- и радиотехнической промышленности, кабельный лом, отходы электролампового производства, автомобильный лом и т.п.);

- сортировка лома цветных металлов (по крупности или по сортам и видам сплавов) при подготовке его к металлургическому переделу;

- очистка сыпучих материалов от металлических включений (например, очистка отработанных формовочных песков от скрапа в литейном производстве, защита технологических смесей промышленности от попадания металла и т.п.);

- выделение алюминиевых сплавов из дробленого электронного лома;

- обогащение алюминиевых шлаков.

Указанные технологические задачи условно можно разделить на две группы. К первой группе относятся задачи, связанные с извлечением металли-

ческих включений из твердых отходов и сыпучих технологических смесей. В этом случае необходимо просто вывести металлические предметы из потока непроводящих материалов. Ко второй группе относятся более сложные задачи сортировки металлов и шлаков по их физическим свойствам.

Извлечение цветных металлов из твердых металлосодержащих отходов не только позволяет получить относительно дешевое сырьё для вторичной металлургии, но и создает предпосылки для полезного использования остальных компонентов отходов с целью получения полезных продуктов или энергии. С учетом этого электродинамические сепараторы стали обязательной частью технологических линий по комплексной переработке многокомпонентных твердых отходов, в частности твердых бытовых отходов (ТБО), в которых массовая доля цветных металлов может достигать 2% [11]. Разработка таких сепараторов наиболее активно велась в 70-е и 80-е годы ХХ века [4-5, 7-8, 11, 15-17]. Можно отметить, что к тому же периоду относятся разработки кафедры «Электротехника и электротехнологические системы» УрФУ (ранее УПИ). В частности, созданный УПИ в содружестве с Уральским НИИ Академии коммунального хозяйства электродинамический сепаратор на базе ЛИМ был установлен на Ленинградском заводе по механизированной переработке бытовых отходов [5, 18]. Позднее совместно с АО «Уралэнергоцветмет» было подготовлено серийное производство таких сепараторов [19]. Электродинамические сепараторы с бегущим магнитным полем на основе ЛИМ легко встраиваются в существующие технологические линии, отличаются конструктивной простотой и надежностью, не требуют предварительной подготовки отходов. В то же время опыт эксплуатации таких сепараторов показал, что при питании ЛИМ от стандартной сети с частотой 50 Гц надежно извлекаются только металлические включения крупностью более 40 мм [1, 7, 19]. Поскольку на долю мелкой фракции приходится до 20-25% от общей массы металлов, содержащихся в ТБО, разработка сепараторов, рассчитанных на извлечение металлических включений с размерами менее 40 мм, является актуальной. Ранее в УрФУ при разработке электродинамических сепараторов для мусороперерабатывающего завода, проектируе-

мого ОАО «Стройтехника» (г. Новочебоксарск), рассматривались возможности применения ЛИМ для электродинамической сепарации мелкой фракции ТБО [20]. При этом было предложено предварительно сортировать отходы по крупности и использовать один из двух вариантов сепаратора: на основе односторонней ЛИМ с повышенной частотой бегущего магнитного поля (200-400 Гц), либо на основе двухсторонней ЛИМ. К сожалению, предложенные варианты сепарации не были реализованы. Можно отметить, что в настоящее время разделение отходов на потоки (в частности, выделение мелкой фракции (отсева)) становится одним из направлений совершенствования промышленной переработки ТБО [21-22]. Это позволяет надеяться на востребованность электродинамических сепараторов для извлечения из отходов цветных металлов с размерами менее 40 мм и обусловливает необходимость дальнейшего исследования таких сепараторов.

Широкое применение электродинамические сепараторы с бегущим магнитным полем находят в технологиях вторичной цветной металлургии [1-3, 6, 9, 13, 19, 23-35], развитие которой можно отнести к стратегическим направлениям развития экономики. Вторичное использование металлов позволяет сократить потребление природных ресурсов, стоимость которых постоянно возрастает из-за истощения запасов первичного сырья и увеличения транспортных расходов [36-37]. В то же время при использовании вторичного сырья для производства полезных продуктов существенно снижается энергоемкость металлургических процессов и улучшаются их экологические показатели [3, 36-38]. Например, на получение алюминия из вторичного сырья тратится в 20 раз меньше энергии, чем на электролитическое получение его из криолит-глиноземных расплавов. Значительно уменьшается количество пылегазовых выбросов в атмосферу, сточных вод и разнообразных видов твердых отходов (хвосты обогащения, шламы, шлаки и др.). По указанным причинам производство вторичных цветных металлов непрерывно растет и становится соизмеримым с производством металлов из минерального сырья. Сказанное иллюстрируется данными таблицы 1.1 [36].

Таблица 1.1 - Доля рециклинга в производстве металлов и уровень экономии

энергии (по оценкам за 2012 г.), %

Полезный компонент США ЕС Экономия энергии

Алюминий 36 39 95

Медь 35 32 85

Цинк 53 20 60

Свинец 83 74 60

Источниками вторичных цветных металлов являются промышленные и технологические отходы, а также амортизационный лом, доля которого все время увеличивается (например, по данным [38] доля амортизационного лома алюминия превысила 40% всего вторичного сырья). Предполагается, что мировой сбор амортизационного лома алюминия к 2020 г. удвоится.

Указанные мировые тенденции вполне можно распространить на Россию [39-40, 42], поэтому проблемы развития отечественной вторичной цветной металлургии являются актуальными. К сожалению, в нашей стране доля вторичного сырья в производстве металлов пока не значительна. Например, в 2012 г. производство первичного алюминия в России составляло около 5 млн т, а вторичного - только 0,55 млн т (11 %) [42]. При этом значительная часть амортизационного лома, попадающего в смешанные твердые отходы производства и потребления, безвозвратно теряется в связи с отсутствием производств по сортировке и переработке отходов. Отмечается также отсутствие отечественных технологий и оборудования для сбора и обработки лома и отходов цветных металлов, технологическая отсталость подотрасли в целом [39, 42-43].

Одним из путей решения указанных проблем является разработка и широкое применение в технологиях вторичной цветной металлургии методов и установок электродинамической сепарации [1, 3, 6, 13, 28-30, 35]. О возможно-

сти извлечения цветных металлов из твердых металлосодержащих отходов было сказано выше. Не менее актуальной является задача индукционной сортировки лома цветных металлов при подготовке его к металлургическому переделу, связанная с тем, что значительная часть лома поступает на переработку в неразделанном и несортированном виде. Непосредственная плавка такого лома сопровождается рядом нежелательных явлений, таких как [35, 39-40, 42-43]:

- потери легирующих добавок (в первую очередь, легкоплавких: олова, свинца, цинка);

- выпуск низкокачественных сплавов (например, для алюминия основными загрязнителями являются железо, кремний, марганец; концентрация железа в деформируемых алюминиевых сплавах не должна превышать 0,5-0,8%);

- повышение энергозатрат, связанное как с увеличением времени плавки, так и с расходами на последующую очистку расплавов;

- ухудшение свойств шлака и выделение вредных выбросов, обусловленные наличием в металлоломе неметаллических включений (резина, пластмассы и т.п.);

- потери основного металла на угар при плавке металлолома с фрагментами, существенно отличающимися по размерам (например, стружки и кускового лома).

Потери металла при плавке несортированного лома могут достигать 20 % (на примере алюминиевых сплавов) [39-41], в то время как оценки Организации европейских производителей алюминия (EAA - The Europen Aluminium Association) показывают, что при оптимальной загрузке скрапа потери металла не должны превышать 2-3% [38].

Электродинамическая сепарация позволяет сортировать лом и отходы металлов как по крупности (например, отделение кускового лома от стружки), так и по сортам и видам сплавов, а также отделять от металлов неметаллические фракции [1, 3, 6, 13, 19, 23-30]. Отметим, что при переработке амортизационного лома операциям сортировки металлов, как правило, предшествуют операции дробления, необходимые для раскрытия материалов. При этом значи-

тельную часть дробленого лома составляют фракции с размерами менее 50 мм. Поэтому при разработке установок электродинамической сепарации лома цветных металлов также должны решаться задачи расчета и проектирования ЛИМ с ВЭ малых размеров.

Наиболее быстро растущей составляющей твердых отходов, содержащих цветные металлы, являются отходы электро- и радиотехники: электронный лом (отслужившие свой срок компьютеры, телефоны, радиотехнические изделия, электронные блоки электротехнических установок), кабельный и проводниковый лом, отходы производства электро- и радиотехнических изделий, отходы электролампового производства и т.д. Такие отходы представляют собой многокомпонентные смеси различных металлов (медь, алюминий, железо, золото, серебро и др.) и изоляционных материалов (пластмассы, резина, стекло, керамика) [3, 10, 45-54]. Электронный лом характеризуется повышенным содержанием благородных и редких металлов, применяемых главным образом для повышения надежности контактных соединений. Например, в печатных платах массовая доля благородных металлов может достигать 0,2-0,3%, а в ряде транзисторных сборок - 1,0 % [45-46]. Это обстоятельство является главным стимулом для утилизации электронного лома и обеспечивает рентабельность его переработки.

Наиболее дешевым способом обработки отходов электро- и радиотехники является их сжигание (отжиг) без предварительной механической подготовки. Расход топлива при этом не велик, так как часть энергии обеспечивается за счет горения органических компонентов изоляции. В качестве товарного продукта получается «черновой металл», направляемый на металлургическую переработку. Такая технология характеризуется выбросами в окружающую среду большого количества загрязняющих веществ (в том числе токсичных органических соединений и тяжелых металлов). Альтернативой является комплексная технология переработки такого лома, предполагающая разделение электронного лома на фракции материалов.

Отличительной чертой отходов электро- и радиотехники является то, что в

большинстве случаев материалы содержатся в них в виде сростков. Это обусловливает необходимость дробления и измельчения отходов для раскрытия отдельных материалов с последующим разделением их на фракции методами классификации и обогащения. В настоящее время для разделения измельченного электронного лома на фракции применяют такие методы обогащения, как пневмосепарация и электростатическая сепарация [3, 10, 48-50]. Основным недостатком этих методов является невозможность получения селективных концентратов металлов. Из-за сложного состава металлического концентрата, последующие металлургические процессы (пиро-, либо гидрометаллургические) получаются многостадийными, что делает их энерго- и ресурсозатратными. К тому же металлургические процессы сопровождаются пыле- и газообразованием, что приводит к выбросу в атмосферу загрязняющих веществ и потере части металлов.

Возможность получения селективных концентратов металлов при обработке отходов электро- и радиотехники появляется при использовании электродинамической сепарации. При этом для разделения материалов используются различия в их удельной электропроводности и удельном весе [51-54, 61-62]. Получение с помощью электродинамической сепарации селективных концентратов металлов существенно повышает ценность продуктов разделения как вторичного сырья. При этом снижаются затраты на последующие металлургические переделы, уменьшаются потери металла (как основного, так и легирующих добавок), улучшаются экологические показатели металлургических процессов, появляется возможность получения из вторичных металлов высококачественных сплавов. В частности, при переработке электронного лома после отделения ферромагнитных материалов и изоляции одной из актуальных задач является выделение из коллективного металлического концентрата сплавов алюминия. Как показано в [45, 60], наличие в ломе сопутствующих металлов (прежде всего, алюминия) при использовании пирометаллургических методов (например, при плавке электронного лома на медный коллектор) затрудняет объединение драгоценных металлов (прежде всего золота) в медный коллектор.

Предварительное удаление алюминия позволяет избежать указанных трудностей, сократить объем переплавляемого материала и потери металлов. При гидрометаллургической переработке электронного лома удаление из него сопутствующих металлов на стадии подготовки позволяет сократить объемы применяемых для выщелачивания сильных кислот. Объемная доля алюминиевых сплавов в разных видах электронного лома может превышать 50 %. Поэтому извлечение алюминиевых сплавов из электронного лома, существенно упрощающее технологии дальнейшей переработки лома и снижающее энерго- и ре-сурсоемкость процессов, является актуальной задачей.

Необходимость дробления и измельчения электронного лома для раскрытия материалов приводит к тому, что крупность частиц цветных металлов не превышает 20 мм [49, 51, 53-54]. Это означает, что при разработке электродинамических сепараторов вновь возникают задачи расчета ЛИМ с ВЭ малых размеров.

Таким образом, применение электродинамических сепараторов с бегущим магнитным полем в технологиях сбора и обработки вторичных цветных металлов позволяет получить значительный экономический и экологический эффекты. При этом во многих случаях требуется электродинамическая сепарация мелких фракций лома и отходов, что обусловливает необходимость исследования и разработки сепараторов на основе ЛИМ с ВЭ малых размеров.

1.2. Варианты конструктивных исполнений сепараторов

Электродинамические сепараторы представляют собой сложную электромеханическую систему, включающую электромагнитное ядро - индуктор, возбуждающий магнитное поле в активной зоне (зоне сепарации), и механическую часть, прежде всего, обеспечивающая подачу сепарируемого материала в зону сепарации и отвод из нее продуктов разделения. В электродинамических сепараторах могут использоваться различные магнитные поля: стационарные, пульсирующие, импульсные и бегущие.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Багин Дмитрий Николаевич, 2016 год

// / /1

¿ Ь, мм -

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Рисунок 2.23 - Оценка электромагнитных усилий отталкивания при изменении размера ВЭ Ь и его толщины й = 1, 3 и 5 мм (цифры на графике)

Возможности учета боковых электромагнитных сил и сил отталкивания при расчете траекторий движения частиц показаны в разделах 3 и 4.

2.5. Выводы по разделу 2

1. Выявлены отличительные особенности ЛИМ с ВЭ малых размеров при Ь < 0,5т и электродинамических сепараторов на их основе:

- преимущественно одноконтурное распределение вторичных токов, для которого возможен упрощенный учет поперечного краевого эффекта с помощью поправочного коэффициента кпоп по (2.2);

- существенное снижение удельных электромагнитных сил при уменьшении размеров частиц, обусловливающее рост влияния механических сил на результаты сепарации;

- необходимость учета боковых электромагнитных усилий, действующих на проводящие частицы при входе в магнитное поле и выходе из него;

- в случае сортировки измельченных металлоотходов целесообразно работать на линейной части характеристик Етф ЛИМ, что обусловливает выбор пониженной частоты (например, 50 Гц);

- нарушение для ЛИМ с ВЭ малых размеров при Ь < 0,5т соответствия между видом механических характеристик ЛИМ и обобщенным параметром -электромагнитной добротностью е;

- возможность представления механических характеристик ЛИМ при Ь < 0,5т линейной зависимостью при слабом влиянии ВЭ на процессы в индукторе;

- необходимость учета неравномерности распределения магнитного поля в активной зоне ЛИМ сепаратора, влияние которой на развиваемые электромагнитные усилия возрастает с уменьшением размеров ВЭ.

2. Обоснован выбор математических моделей и методик расчета ЛИМ с ВЭ малых размеров с учетом указанных особенностей. Показана, целесообразность использования двухмерных математических моделей при определенной корректировке алгоритмов расчета, основанной на допущении о одноконтурном распределения вторичных токов: на основе метода конечных элементов (в пакете Е1си1-5.5) при учете поперечного краевого эффекта с помощью коэффициента кпоп по (2.2), либо с помощью аналитического метода, разработанного в УрФУ, при использовании эквивалентной плотности тока ЛИМ, определяемой значением магнитной индукции в месте расположения ВЭ, для учета неравномерности распределения магнитного поля ЛИМ.

3. Разработаны математические модели и получены выражения для расчета боковых электромагнитных усилий, возникающих при входе проводящих частиц в магнитное поле ЛИМ и выходе из него в направлении, поперечном по отношению к направлению бегущего магнитного поля. Показано соответствие расчетных значений боковых усилий данным экспериментов. Выявлено, что боковые электромагнитные силы имеют наибольшие значения в области размеров ВЭ от 10 до 40 мм и возрастают с увеличением скорости движения частиц.

4. Оценка боковых электромагнитных сил и сил отталкивания показала, что их удельные значения сопоставимы с удельными значениями механических сил, действующих на сепарируемые частицы. Этим обусловлена необходимость учета таких сил при расчете траекторий движения частиц в сепараторах.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО СЕПАРАТОРА КАК ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

3.1. Трехзонная модель электродинамического сепаратора на основе системы ЛИМ - наклонная плоскость

Установка электродинамической сепарации, выбранная в качестве объекта исследования, схематично показана на рисунке 3.1. Помимо двухстороннего линейного индуктора 1, создающего бегущее магнитное поле, она включает наклонную плоскость 4, по которой сепарируемые частицы 3 поступают в активную зону, устройство подачи материала 2 (загрузочный бункер с питателем, конвейер и т.п.) и приемники продуктов разделения 5, располагаемые в конце наклонной плоскости.

Рисунок 3.1 - Схема электродинамического сепаратора на основе ЛИМ для сортировки лома цветных металлов по видам сплавов

Очевидно, что характер движения сепарируемых частиц по наклонной плоскости и итоговое отклонение их от линии подачи зависят от совместного

действия на частицу как электромагнитных, так и конкурирующих с ними механических сил, определяемых как параметрами линейного индуктора, так и свойствами механической части установки. Поэтому для расчета траекторий движения извлекаемых металлических частиц следует моделировать электродинамический сепаратор как сложную электромеханическую систему на основе уравнений движения частиц, включающих как электромагнитные, так и механические силы. В рассматриваемых сепараторах для индукционной сортировки металлов, прежде всего, следует учитывать силы гравитации и трения. Другие механические силы (в частности, сила сопротивления среды) могут быть учтены при расчетах корректировкой сил трения (например, увеличением коэффициента трения к^). Такой подход ранее был предложен в [12, 68]. Однако в указанных работах рассматривались только простые случаи решения задачи, не полностью отражающие всю сложность движения проводящих частиц в электродинамическом сепараторе. В данном разделе на основе обозначенного подхода математическая модель электродинамического сепаратора как электромеханической системы уточняется и развивается.

На рисунке 3.2 схематично показаны силы, действующие на извлекаемую проводящую частицу при движении ее в активной зоне ЛИМ. Очевидно, что соотношение таких сил и формируемые траектории движения частиц будут зависеть от многих факторов: начальной скорости движения частиц (скорости конвейера) Ук, размеров плоскости подачи (от точки подачи материала до индуктора Ь0, под индуктором ¿и, от индуктора до приемников продуктов разделения ¿п), угла наклона плоскости подачи а, коэффициента трения к^. В общем случае силы являются переменными во времени. Электромагнитная сила в активной зоне индуктора, неизменна по направлению, но зависит от скорости движения частицы и ее положения в индукторе (при неравномерном распределении поля). В то же время сила трения Етр, оставаясь неизменной по величине, меняет направление вслед за изменением траектории частицы. С учетом сказанного движение проводящих частиц в сепараторе описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений.

Рисунок 3.2 - Схема сил, действующих на частицы в рассматриваемом

электродинамическом сепараторе

Как показано на рисунке 3.2, пространство, в котором движутся сепарируемые частицы, можно разделить на три зоны с длиной Ь0, Ьи и Ьи. Рассмотрим процессы в каждой из этих зон.

До индуктора на расстоянии Ь0 частица движется по линии подачи в направлении оси у равноускоренно с ускорением ау, определяемым скатывающей силой силой трения ^ и массой частицы т:

(Р )

ау=—-- = -сова). (3.1)

т

Нетрудно записать уравнение, связывающее параметры движения на этом участке:

О.. • ? А

¿0=^0+-^, (3.2)

решая которое можно найти время за которое частица проходит отрезок Ь0, и скорость частицы на входе в активную зону индуктора Ки0:

К + ^¡V^+IL,- g • (sin a - ^р • cos a)

t0=—^^----1 , (3.3)

g • (sin a - к • cos a)

Vh0= д/VC2 + 2LO • g•(sina~ктр •cosa) • (3.4)

В активной зоне индуктора (на отрезке LH) движение проводящей частицы определяется совместным действием трех сил F,M, FCK и F^, две из которых (FjM и Frp) изменяются во время движения. Траектория движения частицы становится криволинейной. С учетом этого движение частицы в активной зоне удобно описывать через проекции сил, ускорения и скорости на оси х и y, определяемые в каждой точке траектории через угол в, как показано на рисунке 3.2. Модуль и угол вектора (по отношению к оси у) результирующей силы F, изменяющиеся во времени, находятся из выражений:

F(t) = >ск2+ F3M(t)2-Fw ; e(t) = arctg() . (3.5)

—ск

Значения угла в в ходе расчета траектории движения частиц могут уточняться. С учетом (3.5) проекции ускорения частицы на оси х и y для этой зоны можно записать так:

J73M(t)-F

=—-— = Fm(t)-k -g-cosa-sinP(0, (3.6)

т

F -F

ак=—-— = g-(sma-k-cosa-cosp(t)) , (3.7)

m

где m - масса частицы; Fm = F3M/m - удельное электромагнитное усилие.

Уравнения, связывающее ширину индуктора Ьи и отклонение частицы от линии подачи под индуктором Ви с параметрами движения частицы в активной зоне, получаются в виде:

4 = |<7и0 + аиу 't)dt= JVho + g-t-(sina-kтр-cosa-cosP(t))]dt, (3.8)

0 0

'к 'и

К = \аш ■ t- dt = J fm(t) -Kp-g- cosa • sin P(0 } ■ dt , (3.9)

о 0

где ¿и - время пребывание частицы в активной зоне.

Если решить уравнение (3.8) относительно времени ¿и, то подстановка ¿и в (3.9) позволяет найти отклонение извлекаемой проводящей частицы от линии подачи Ви, достигаемое в активной зоне индуктора. Аналитическое решение нелинейных уравнений (3.8)-(3.9) затруднительно. Поэтому предлагается разделить исследуемую зону сепаратора на n участков длиной ALH = LJn и полагать электромагнитное усилие F3U, результирующее усилие F и угол в неизменными в пределах малого участка. Такой подход позволяет устранить в уравнениях (3.5)-(3.9) зависимости от времени. Например, для первого участка в активной зоне индуктора получаем вместо (3.8)

а ■t2

А(ЗЛО)

из решения которого находим время пребывания частицы на этом участке:

_-Гио+ д/^Ио +2АЬи\ -g(sinа-ктр -cosa-cospи1)

- Т^ у ñ Ñ • (ЗП)

g(sma - kw cosa • cospHl)

Отметим, что входящий в (3.11) угол ри1 уточняется в ходе решения методом последовательных приближений с использованием выражения

ри1 = Ри1вх +Ри1вых р щ

За первое приближение ри1вх можно принять значение, рассчитанное по (3.5).

За время ?и1 частица движется равноускоренно в направлении движения бегущего магнитного поля (по оси х) с ускорением аих\.

ашх =Fm-kTV-g- cosa • sin (Зи1, (3.13)

преодолевая расстояние Ви1:

а ■t2

. (3.14)

Далее нетрудно определить проекции скорости движения такой частицы на выходе из первого участка активной зоны и угол ри1вых:

> (3-15)

(3.16)

PHlBbIX=arctg(^). (3.17)

Уиу\

Величины, рассчитанные по (3.15)-(3.17) становятся начальными условиями для отыскания параметров движения частицы под индуктором на втором участке.

В общем случае для /-го участка под индуктором уравнения имеют вид:

аш1 =^ш-£тр-£-со8а-8тРш, (3.18)

a1фi=g^(sma-kтp^cosa^cos$1íi) , (3.19)

х _ - Уиу4-1 + У^иУ1 + 2А^и1 • g(81Па ~ ктр • СОБа • СОБ^их ) ^

ш g(sinа-^тp соБа-созРщ) '

^ИХ/ '^Ш 5 0-21)

= Гщу,,--1 + «ИУ1 • 'ш > (3-22)

ршвых=агс1^), (3.23)

Р^ = Ри/вх + Ршвых ^ р

а .-г2-

• (3.25)

Отметим, что значение входящего в (3.18) удельного электромагнитного усилия ¥т в ходе расчетов уточняется с учетом изменения скорости движения частиц и их положения под индуктором. В частности, с учетом линейности механической характеристики рассматриваемых ЛИМ (см. рис. 2.10) пересчет усилия производится по формуле:

Г = Г

гт1 ~ гт0

г V л

\ _ иХ1

V V0 )

(3.26)

где ^о - пусковое удельное электромагнитное усилие; У0 = 2/- скорость бегущего магнитного поля ЛИМ.

По результатам расчетов может быть найдено итоговое отклонение частицы от линии подачи при движении под индуктором Ви (суммированием отклонений по (3.25) на отдельных участках) и построена траектория движения частицы в активной зоне ЛИМ.

При выходе из индуктора частицы продолжают свое движение по наклонной плоскости по инерции с учетом возмущающего действия скатывающей силы и силы трения. Поскольку такое движение остается криволинейным и описывается нелинейными уравнениями движения, то целесообразно использовать тот же прием, что и для второй зоны. Делим расстояние от индуктора до приемников Ьп на т участков длиной Д£п = Ьп1ш и полагаем угол в неизменным в пределах малого участка. Уравнения, описывающие движение частицы на каждом участке после индуктора, аналогичны уравнениям (3.18)-(3.25), но не содержат электромагнитного усилия. Для у-го участка получаем:

а

год

= -кТр -^-соза-втр

ЧТ

(3.27)

ашп = § • (вт а - к • соБа • сс^рл ,

(3.28)

К

ЧУ,./-

,7-1 + ' " С08(Х ' С08РЧ )

g(sinа - к^ со$а • собР^ )

щ

(3.29)

^год ^пл'. /-! ^год '

(3.30)

(3.31)

Рп/вых =аг^(-^),

(3. 32)

в

п

Рп/вх+Р п/вых

2

(3.33)

а -г1

в = V t I Щ

Щ год' п/ 2

(3.34)

По результатам расчетов определяется траектория движения частицы в зоне за индуктором и дополнительное отклонение частицы от линии подачи Вп суммированием частичных отклонений по (3.34). Результирующее отклонение частицы от линии подачи в конце наклонной плоскости складывается из отклонений, получаемых во второй (длиной Ьи) и третьей (£п) зонах сепаратора

В = ВИ+ВП. (3.35)

3.2. Пятизонная модель электродинамического сепаратора с учетом дополнительных электромагнитных сил

Расчеты электродинамических сепараторов на основе системы ЛИМ -наклонная плоскость по методике, изложенной в разделе 3.1, показали, что в ряде случаев расчетные траектории движения частиц и их результирующие отклонения существенно отличаются от полученных экспериментально. Это обстоятельство потребовало доработки математической модели сепаратора. Основные изменения модели связаны с учетом дополнительных электромагнитных сил, которые ранее не принимались во внимание: боковых сил, возникающих при входе частиц в поле индуктора и выходе из него, а также сил отталкивания (нормальных к поверхности индуктора), появляющихся при несимметричном расположении частиц по высоте зазора (ближе к нижнему индуктору). Уточненная модель сепаратора, содержащая пять зон, отличающихся характером сил, действующих на извлекаемую проводящую частицу, приведена на рисунке 3.3.

Как следует из оценки физических процессов в ЛИМ и из решений, приведенных в разделе 2.3, боковые электромагнитные силы действуют на проводящие частицы в краевых зонах ЛИМ на достаточно большом протяжении как под индуктором, так и за его пределами. Учет таких распределенных сил при расчете траекторий движения частиц весьма сложен. Поэтому для упрощения расчетов предложено ограничить действие боковых электромагнитных сил узкими зона-

ми у входного и выходного края индуктора (за его пределами) с шириной, равной зазору между индукторами 5 (зоны II и IV на рис. 3.3). При таком подходе действие боковых электромагнитных сил накладывается на действие только механических сил (скатывающей и трения) и может быть учтено введением в указанных краевых зонах усредненных боковых сил, сосредоточенных на узких участках длиной 5.

I

I

11 р* 1 СК л: I

1 и

'-'о ' \ ¥ * ск 1 III

?И г II

IV

V1« ■■^ск 1 ■ V

1 ^пх

1' гп .V

=4- В -

+ #

Рисунок 3.3 - Расчетная модель сепаратора на основе ЛИМ с учетом действия

боковых электромагнитных сил

Интегрируя выражение (2.29) для бокового электромагнитного усилия по координате х и, приводя его к длине 5, получаем:

2 ^ ^

77 1 [т7Л D 2 "1-d-c -8 -Ь

= я ' J 6 •у= 0--л--cos<p2x

X

§ J v 4

и 0 т

е-2а!сЬ _ у _ jy

а

Г у \ ~ (3-36)

V

со-sin ---cos<^2

cS

с 2

Выражение (3.36) приведено для зоны выхода, где составляющая боковой силы, соответствующая ЭДС трансформации F6ro и выталкивающая частицы из поля, направлена в направлении их движения, а составляющая, соответствующая ЭДС движения F6V, оказывает тормозное действие. Как отмечалось ранее в разделе 2.3, на входе в индуктор обе составляющие бокового усилия будут препятствовать входу проводящей пластины в активную зону индуктора.

Введение в расчетной модели двух дополнительных зон требует соответствующей корректировки методики расчета. В зоне I это отражается только на расчетной длине зоны, которая уменьшается на величину зазора:

L0v=L0-b. (3.37)

В зоне II расчеты проводятся по выражениям, аналогичным (3.1)-(3.4), только при определении ускорения учитывается боковое усилие:

ayii = (FcK ^ = g ■ (sin а - £тр • cos a - F6^m) , (3.38)

где Ffox^ = F^Jm - удельное боковое электромагнитное усилие на входе в индуктор.

Расчеты параметров движения частиц в активной зоне ЛИМ (зоне III) остаются неизменными. С учетом тормозного действия боковой электромагнитной силы меняется только скорость частицы при входе в зону.

В зоне IV действие боковой электромагнитной силы учитывается при определении проекции ускорения на ось y. При этом знак удельного бокового

усилия зависит от соотношения ее составляющих, которое связано, прежде всего, со скоростью движения частиц в зоне выхода

ay\N - 8 ' (si11 a~KV' C0S a ' C0S ßiv - ^бвых,m ) • (3.39)

Остальные параметры движения в зоне IV определяются по выражениям, подобным (3.28)-(3.34). В зоне V за пределами линейного индуктора алгоритм расчета не изменяется, только расчетный размер зоны уменьшается на величину воздушного зазора

LVp=Ln-5. (3.40)

Расчет нормальных электромагнитных сил, действующих на частицу, с учетом всех особенностей рассматриваемых ЛИМ со ВЭ малых размеров возможен только при решении полевой задачи в трехмерной постановке. Как отмечено в разделе 2.2, целесообразно совмещение решения полевой задачи в двухмерной постановке с расчетом вторичных токов по электрической схеме замещения ВЭ, присоединяемой к основному решению. Такая возможность показана на примере использования программного пакета Elcut при расчете электрических сопротивлений участков ВЭ по выражениям (2.12) и (2.2). Алгоритм такого расчета показан на рисунке 2.15.

Действие на частицу нормальных электромагнитных сил (сил отталкивания) учитывается при расчете параметров движения проводящих частиц в активной зоне ЛИМ (зона III на рис. 3.3). Силы отталкивания F3Mn противодействуют составляющей силы гравитации, нормальной к плоскости подачи материала, поэтому могут быть учтены при определении силы трения в зоне III. Запишем выражение для силы трения с учетом силы отталкивания:

FTp=kTp-(m-g-cosa-F3Mn) (3.41)

и преобразуем его к виду

F

FTp=kTp-m-g-cosa-(l--. (3.42)

m-g-cosa

Из (3.42) нетрудно видеть, что учет нормальных электромагнитных сил (сил отталкивания) при расчете параметров движения частиц в сепараторе в рамках предлагаемой пятизонной модели может быть произведен введением для зоны III эквивалентного коэффициента трения

F3Mn

^тр,экв = ^тр ■ (1 ' )• (3.43)

m-g- cosa

Указанный способ учета электромагнитных сил отталкивания не требует изменения предложенной методики расчета электродинамических сепараторов на основе ЛИМ и позволяет распространить ее на сепараторы, использующие односторонние линейные индукторы, где проявление сил отталкивания более явно.

3.3. Апробация методики расчета траекторий движения сепарируемых проводящих частиц

Для оценки достоверности предложенных моделей и методик расчета сепараторов выполнялись сопоставления расчетных характеристик с данными экспериментов. Примеры таких сопоставлений приведены на рисунках 3.4-3.5. На рисунке 3.4 показаны траектории движения сепарируемых частиц по плоскости подачи на выходе из индуктора. Исследовался лабораторный образец сепаратора на основе двухполюсной двухсторонней ЛИМ, имеющей следующие данные: полюсное деление т = 75 мм, немагнитный зазор 5 =12 мм, удаление ВЭ от поверхности индуктора И = 5 мм, ширина индуктора Ьи = 100 мм, начальное положение ВЭ на плоскости Ь0 = 50 мм, угол наклона плоскости а = 45о, амплитуда магнитной индукции Вт = 0,08 Тл. На рисунке 3.4,а показаны траектории для квадратных алюминиевых пластин разных размеров (1 - 10*10*0,2 мм; 2 -

15*15*0,2 мм; 3 - 20*20*0,2 мм), на рисунке 3.4,б - для круглых алюминиевых пластин толщиной й = 2 мм при разном диаметре (1 - 25 мм, 2 - 40 мм).

а б

Рисунок 3.4 - Сопоставление расчетных (линии) и экспериментальных (точки) траекторий движения алюминиевых частиц в сепараторе с т = 75 мм

На рисунке 3.5 приведены характеристики сепаратора на основе шести-полюсной двухсторонней ЛИМ, характеризующегося следующими данными: полюсное деление т = 60 мм, немагнитный зазор 5 = 30 мм, удаление пластин от поверхности индуктора И = 5 мм, ширина индуктора Ьи = 125 мм, размер плоскости за индуктором Ьп = 400 мм, угол наклона плоскости подачи а = 30о, амплитуда магнитной индукции Вт = 0,07 Тл. В качестве ВЭ использованы квадратные пластины из медных сплавов Л90 и Л63 с размерами 40*40*3 мм.

Д мм

J к.

1

11 ^— 1 1 ^— 1 г .

Л63

¿0 > мм

О 50 100 150 200

Рисунок 3.5 - Расчетные (линии) и экспериментальные (точки) отклонения частиц от линии подачи в зависимости от их начального положения на плоскости

Можно отметить хорошее качественное совпадение расчетных и экспериментальных зависимостей. Погрешности расчетов не превышают 15-20 %. Полученные результаты позволяют рекомендовать разработанные математические модели и методики расчета сепараторов на основе ЛИМ, учитывающие совместное действие электромагнитных и механических сил, для исследования и проектирования рассматриваемых электродинамических сепараторов.

Приведенная методика использовалась при расчете характеристик опытно-промышленной установки электродинамической сепарации СЭЛД-П. Например, на рисунке 3.6 показаны траектории движения проводящих частиц в рассматриваемом сепараторе СЭЛД-П для следующих данных: размеры плоскости подачи в соответствии с рисунком 3.2 Ь0 = 130 мм и Ьи = 300 мм, угол наклона плоскости а = 30о. Удельные электромагнитные усилия, развиваемые ЛИМ для частиц разных металлов, соответствуют данным электромагнитных расчетов (см., например, рис. 4.10): Ет = 2 (кривые показаны черным цветом), 5 (синие кривые), 10 (зеленые кривые) и 40 Н/кг (красные кривые). Оценивалось влияние на характеристики сепаратора разных коэффициентов трения к^ = 0,2; 0,3 и 0,4 (цифры на графиках), зависящих от выбора материала наклонной плоскости. Сплошными линиями показаны траектории, получаемые при неограниченной длине линейного индуктора. Траектории, показанные пунктиром, соответ-

ствуют реальной длине индукторов СЭЛД-П (2рт = 132 мм) и учитывают выход высокопроводящих частиц не через боковую сторону индуктора, а через торец. Расчеты подтверждают сложный характер траекторий: прямолинейное движение до индуктора переходит в криволинейное с нарастанием угла в в активной зоне, а при выходе из зоны индуктора - в движение по кривой с уменьшением р. Можно отметить, что траектории движения частиц и результирующие их отклонения от линии подачи существенно зависят от соотношения электромагнитных и механических сил. Для того же сепаратора СЭЛД-П рассчитаны траектории движения частиц без учета (сплошные линии) и с учетом (пунктир) боковых электромагнитных сил, показанные на рисунке 3.7 (для ¥т = 40 Н/кг и нескольких значений Ь0).

-100 О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

■ ■ ' О л;, мм

1 1 V 1

\ \ СЧ N Ч Л 4 ч ^^

Ч\Л\ У\л \ ^ V V \ \ч>л >■ ч ч N Ч ч > ч к ч \ ч Ч ^ч^ Ч Ч. ч ч ^ ч ч ч ч ч ч

\ V V \ V \ \\\ \\ ч ^ ч 4 ч ч \ \ ч ч ч N Ч N \ N Ч

у У мм -§00- йт? = 2 Н/кг > \\\ 71 = 5 Н/кг Л \ Й71 = 10 Н/ к КГ * ч \ \ \ к к =0,2 л =0,3 1 =40 Н/кг * =0,4

Рисунок 3.6 - Траектории движения частиц при различных значениях удельных электромагнитных усилий и коэффициентах трения кр = 0,2; 0,3 и 0,4

Рисунок 3.7 - Оценка влияния боковых электромагнитных усилий ЛИМ на траектории движения сепарируемых частиц

Во всех рассмотренных случаях учет боковых электромагнитных сил приводит к увеличению итогового отклонения частиц от линии подачи. Это объясняется тем, что при относительно больших скоростях перемещения частиц в направлении оси у (на входе в линейный индуктор Уу = 0,4-0,8 м/с, на выходе - Уу > 1,0 м/с) боковые силы противодействуют скатывающей силе (это видно, например, из рис. 2.20). Такое противодействие приводит к некоторому увеличению времени пребывания частиц в зоне сепарации и соответствующих отклонений частиц в направлении оси х.

Поскольку скорость частиц на входе в индуктор зависит от величины Ь0, то с ростом влияние боковых сил возрастает. Для рассмотренных вариантов зависимость относительного увеличения итоговых отклонений частиц 5в от Ь0 приведена на рисунке 3.8.

__—

Lq , мм

О 50 1 00 150 200 250 300

Рисунок 3.8 - Зависимость 5В (L0)

Другие примеры расчета траекторий движения частиц в электродинамическом сепараторе приведены в разделе 4, посвященном теоретическим исследованиям установок.

3.4. Выводы по разделу 3

1. На основе анализа физических процессов в электродинамическом сепараторе на основе ЛИМ с подачей обрабатываемого материала по наклонной плоскости показана необходимость расчета сепаратора как сложной электромеханической системы, в которой конечный результат зависит от совместного действия на частицы электромагнитных и механических сил.

2. Разработаны математические модели сепаратора как сложной электромеханической системы, предполагающие разбиение рабочей области сепарации на отдельные зоны (три или пять), отличающиеся набором сил, действующих на проводящие частицы. Показано, что рассматриваемые силы и параметры движения частиц связаны системой нелинейных уравнений.

3. Разработана методика расчета траекторий движения извлекаемых частиц и отклонения их от линии подачи, предполагающая переход от решения нелинейных уравнений к решению линейных алгебраических уравнений за счет

разбиения расчетных зон модели на участки малой длины, в пределах которых коэффициенты уравнений остаются постоянными. Практически такой подход предполагает кусочно-линейную аппроксимацию реальной траектории движения частиц.

4. Разработана методика учета влияния дополнительных электромагнитных сил (боковых и сил отталкивания) на параметры движения частиц и траектории их движения. На конкретном примере показано, что учет боковых электромагнитных сил корректирует траектории движения частиц на 3-5%.

5. Апробация методик при расчете опытных установок показала достоверность расчетов траекторий и возможность использования их при теоретических исследованиях сепараторов.

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ

СЕПАРАТОРОВ НА ОСНОВЕ ЛИНЕЙНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ МАШИН

4.1. Расчеты сепараторов для индукционной сортировки лома

цветных металлов

4.1.1. Анализ факторов, влияющих на качество сортировки металлов

Как было показано в разделе 1, одной из актуальных технологических задач в области вторичной цветной металлургии является сортировка лома цветных металлов по видам и маркам сплавов. Опыт промышленно развитых стран показывает, что для решения данной задачи целесообразны электродинамические сепараторы [23-27, 32-34]. В УрФУ исследования таких сепараторов в течение ряда лет выполняются в содружестве с НПФ «Металл-Комплект» (г. Каменск-Уральский).

В нашей стране при сортировке металлолома преобладает ручной труд. Применение электродинамических сепараторов позволяет механизировать подготовительные операции и в ряде случаев не имеет альтернативы. Например, практически невозможна ручная сортировка медных (или алюминиевых) сплавов по визуальным признакам. Применение гравитационных методов (например, сепарация в тяжелых жидкостях) осложняется близостью удельных весов указанных групп сплавов. В то же время наличие тех или иных легирующих добавок обусловливает существенные различия удельных электропроводностей металлов и сплавов, что служит предпосылкой для их сортировки по электропроводности. Например, на рисунках 4.1 и 4.2 показаны удельные электропроводности различных сплавов цветных металлов, собранные из литературных и Internet - источников. Большая часть данных заимствована из [92-93].

Очевидно, что надежное разделение сплавов при близких форме и размерах кусков достигается при значительных отличиях в их электропроводности. В ряде публикаций указывается уровень такого отличия - около 30% [24].

Рисунок 4.1 - Удельные электропроводности сплавов на основе меди

Проведенные ранее в УрФУ исследования сортировки медных сплавов в целом подтверждают такую оценку [67-68]. В указанных работах выполнены экспериментальные оценки возможности такой сортировки как на сепараторе с вращающимся индуктором [67], так и на сепараторе с линейными индукторами [68]. При этом использовались образцы медных сплавов, предоставленные предприятием - заказчиком (НПФ «Металл-Комплект»). Физические свойства таких сплавов, показаны в таблице 4.1. По уровню удельной электропроводности у

представленные материалы соответствовали всему диапазону, показанному на рисунке 4.1. Образцы имели преимущественно форму квадрата со стороной 40 мм при толщине 3-4 мм.

Рисунок 4.2 - Удельные электропроводности алюминиевых сплавов

В последней колонке таблицы указаны номера приемников, в которые перемещались сортируемые сплавы при опытах на сепараторе с вращающимся индуктором, схематично показанном на рисунке 1.5,в [67]. Приемники располагались с шагом 50 мм, превышающем размеры образцов. Скорость конвейера, подающего материал, составляла 1,5 м/мин. Нетрудно видеть, что сплавы разделились по приемникам в строгом соответствии со значениями у.

Таблица 4.1 - Физические свойства сортируемых медных сплавов

№ Металлы и сплавы Удельная Плотность № при-

п/п электропроводность у, МСм/м р, г/см3 См^м2/г емника

1 Медь (технически чистая) 58,0 8,90 6,52 I

2 Медь кадмиевая (Сё < 1%) 48,0 8,89 5,40 I

3 Бронза Бр.Х0,5 35,0 8,90 3,93 II

4 Латунь Л90 25,0 8,85 2,82 III

5 Латунь ЛС59-1 15,4 8,50 1,81 IV

6 Латунь Л63 14,5 8,47 1,71 IV

7 Латунь ОЦС4-4-2,5 11,5 9,02 1,27 V

8 МН19 3,5 8,90 0,39 VI

9 МНЖМц (мельхиор) 2,4 8,90 0,27 VI

Для характеристики качества сортировки целесообразно ввести коэффициент селективности ксел, начальное значение которого можно определить как отношение показателей у/р соответствующих сплавов. Значения ксел, соответствующие парам материалов из таблицы 4.1, приведены в таблице 4.2. Из таблицы 4.2 видно, что для сплавов, попавших в различные приемники, ксел > 1,3. Указанные коэффициенты являются идеализированной оценкой селективности разделения, поскольку конечный результат индукционной сортировки будет зависеть не только от свойств сплавов, но и от многих других параметров электрической и механической частей сепаратора, влияющих на траектории полета пластин.

Таблица 4.2 - Значения коэффициентов селективности для пар сплавов из

таблицы 4.1

Пары сплавов 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9

kсел, °.е. 1,21 1,37 1,39 1,56 1,06 1,35 3,25 1,44

Недостатком сепаратора с вращающимся индуктором является возмущающее воздействие на траектории движения частиц центробежных сил, которое

возрастает при увеличении скорости конвейера. К возмущающим факторам следует добавить отклонения формы и размеров реальных кусков металлов от принятых для исследования образцов. Указанные факторы приводят к снижению селективности сортировки. С учетом кратковременности взаимодействия вращающегося индуктора с проводящими пластинами компенсация подобных возмущений возможна только за счет увеличения мощности индуктора.

Как уже отмечалось в разделе 1, возможности для формирования траекторий движения сортируемых сплавов увеличиваются в электродинамических сепараторах на основе ЛИМ при подаче материалов по наклонной плоскости. В таких установках траектории движения материалов зависят как от параметров ЛИМ (амплитуда индукции Вт, полюсное деление т, частота /), так и от параметров механической части сепаратора (от размеров и материала плоскости, угла ее наклона и т.д.). Сказанное подтверждается данными, приведенными в [68], где показано, что при одних параметрах установки достигаются необходимые для сортировки отклонения сплавов от линии подачи, при других нет.

Требования к сепараторам ужесточаются при индукционной сортировке алюминиевых сплавов, поскольку диапазон изменения удельных электропро-водностей для них уже (примерно 1:3), чем у медных сплавов (1:20). По уровням удельной электропроводности, приведенным на рисунке 4.2, алюминиевые сплавы условно можно разделить на 4 группы, показанные в таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Группы алюминиевых сплавов по уровню средней электропроводности

№ п/п Наименование группы Удельная электропроводимость у, МСм/м Средняя удельная электропроводимость у, МСм/м

1 Технически чистый алюминий (А5, А7, А5Е, А8К, А6, А85, АД1, АД0) 32,0 - 38,0 35

2 Деформируемые сплавы (АД31, Д16, АМц, Д1) 24,0 - 32,0 28

3 Алюминиевые ковочные сплавы (АК4, АК7, АК9, АК12, АК12ММгН) 18,0 - 22,0 20

4 Литейные сплавы (АМг5, АЛ1 - АЛ26) 12,0 - 18,0 15

В таблице 4.4 показаны коэффициенты селективности выделенных групп алюминиевых сплавов, определенные по средним удельным электропроводно-стям, указанным в таблице 4.3. Как видно, значение одного из коэффициентов оказывается меньше чем 1,3. Для конкретных сплавов на границах групп значения ксел могут еще уменьшаться. Близость физических свойств разделяемых алюминиевых сплавов обусловливает задачу разделения их при начальных коэффициентах селективности ксел < 1,3.

Таблица 4.4 - Коэффициенты селективности для групп алюминиевых сплавов из таблицы 4.3

Группы сплавов 1-2 2-3 3-4

kсел, °.е. 1,25 1,40 1,33

Таким образом, выполненный анализ определяет одну из основных задач исследований сепараторов на основе ЛИМ: количественную оценку эффективности индукционной сортировки металлов и сплавов и выбор параметров установок с учетом требований селективности. Такие исследования возможны на основе разработанных математических моделей и методик расчета ЛИМ и сепаратора в целом.

4.1.2. Повышение эффективности сепараторов для индукционной сортировки лома цветных металлов

Электродинамические сепараторы относятся к видам непрерывно работающего электрооборудования, поэтому одним из критериев при их создании является обеспечение минимума энергопотребления при заданных технологических характеристиках. При проектировании ЛИМ сепараторов в качестве критериев оптимальности целесообразно использовать такие показатели, как: Ет = ¥эм/т [Н/кг или м/с ] (отношение пускового электромагнитного усилия к

массе извлекаемой частицы) и Ет8 = Ет/8 [НУ(кгкВА)] (отношение удельного усилия к потребляемой ЛИМ мощности). Первый показатель определяет возможность достижения максимальных ускорений при извлечении металла и работоспособность сепаратора, второй - его энергоэффективность.

Ранее в работах [12, 94] было показано, что полную мощность, потребляемую ЛИМ из сети, можно в первом приближении рассчитать по выражению:

s = 0A-\0~ef'lu'2Lujlm2 к

f h т2 к 2t2n]

\0tz-n- + 3,4—--h -TV, (4.1)

m ■ L, к,, ■ 8„

w у U -"JU ~э у

где l и L - длина и ширина активной зоны индуктора; Ьп и hn - ширина и глубина паза; tz - зубцовое деление; J1m - амплитуда линейной плотности тока одного индуктора; кw - обмоточный коэффициент; kLl - коэффициент, учитывающий насыщение магнитопровода; коэффициент N принимает значение 1 или 2 соответственно при одностороннем или двухстороннем возбуждении индуктора; коэффициент 3,4 перед вторым слагаемым в скобках соответствует двухслойной обмотке, при однослойной - следует подставлять 6,7.

Можно отметить, что выражение (4.1) не учитывает мощность, вносимую ВЭ, что для рассматриваемого случая ЛИМ с ВЭ малых размеров вполне приемлемо.

Рассчитав электромагнитное (Рэм) и удельное электромагнитное (^)усилия по методикам, описанным в разделе 2.2, можно с учетом (4.1) определить показатель FmS. Например, на рисунке 4.3 показан пример расчета такого показателя в зависимости от полюсного деления индуктора т для двух воздушных зазоров (5 = 20 и 30 мм - цифры на графиках) проектируемой двухсторонней ЛИМ. Использованные при расчетах значения т = 0,066; 0,132 и 0,198 м соответствуют одному из штампов, имеющихся на предприятии - изготовителе ЛИМ. В качестве ВЭ принимались пластины из алюминиевых сплавов (у = 20 МСм/м, р = 2,7 г/см3) двух размеров: 40*40*4 мм (сплошные линии) и 20*20*4 мм (пунктир). Расчеты соответствуют длине индуктора LH = 0,396 мм, кратной

числу полюсов р ЛИМ для выбранных вариантов т. Амплитуда линейной плотности тока (на два индуктора) J1m = 150 кА/м.

FmS, Н/(кг кВА)

ю

30 < -

—__ ------

0,9

0,7

0,6

ч \V\ \\\

Ч X. \ ч х ч V4 . 30

ч Чи V4 Nn X \ > . N

20 ■ч

0,05

0,1

0,15

X, м

0,05

0,1

0,15

X, м

а

б

Рисунок 4.3 - Оценка показателя энергоэффективности Ет8 двухсторонней ЛИМ в абсолютных (а) и относительных (б) единицах

Видно, что для рассматриваемых вариантов ЛИМ значение показателя ¥т$ снижается с ростом полюсного деления, что более заметно при уменьшении воздушного зазора и крупности ВЭ. При проектировании сепаратора для извлечения алюминиевых сплавов из потока немагнитных материалов (например, ТБО) можно рекомендовать вариант ЛИМ с т = 0,066 м. Однако при расчете сепараторов для индукционной сортировки лома цветных металлов такой оценки недостаточно. В этом случае более важной является оценка селективности сепарации. При этом селективность разделения сплавов будет зависеть не только от параметров ЛИМ, но и от свойств ВЭ (извлекаемых металлических частиц).

Одним из параметров, влияющих на характеристики сепаратора, является толщина ВЭ. На рисунке 4.4 приведены зависимости удельных электромагнитных усилий ¥т от толщины алюминиевых пластин й при разной их крупности (Ь/т = 0,15; 0,30; 0,50 и 0,70) для ЛИМ с т = 0,066 м при у = 29 МСм/м. Приведенные зависимости показывают, что значения удельных электромагнитных усилий изменяются с изменением толщины ВЭ, тем больше, чем больше относитель-

ный размер пластин Ь/т. Это означает, что при заданном размере пластин Ь увеличение полюсного деления т позволит уменьшить разброс значений Ет.

Н/кг

100

60

20

0,70

0,50

0,30

0,15

0,9

0,85

>

0,70^ ч 0,50

\

8 Л, ММ

8 (/, ММ

а

б

Рисунок 4.4 - Зависимости удельного усилия Ет от толщины пластин в абсолютных (а) и относительных (б) единицах

Сказанное подтверждается характеристиками на рисунке 4.5, где показаны зависимости удельного усилия Ет от частоты f для алюминиевых пластин размером 40*40 мм при изменении их толщины от 2 до 10 мм (цифры на графиках). Выделенные цветами секторы соответствуют группам алюминиевых сплавов, показанным в таблице 4.3 (1 - серый, 2 - розовый, 3 - синий, 4 - зеленый).

О 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50

а б

Рисунок 4.5 - Оценка влияния толщины извлекаемых частиц на характеристики ЛИМ для двух значений полюсного деления: 0,066 м (а) и 0,132 м (б)

Как видно на рисунке 4.5,а, границы секторов для 1 и 2 групп сплавов при значении т = 0,066 м практически сливаются. Это значит, что при наличии других возмущающих факторов (например, отклонения размеров и формы частиц от заданных значений) будет наблюдаться взаимозасорение указанных фракций. В случае ЛИМ с т = 0,132 м просветы между секторами увеличиваются, что повышает надежность сортировки.

Для оценки влияния различных факторов на характеристики сепараторов для индукционной сортировки сплавов можно использовать коэффициенты селективности £сел, начальные значения которых были приведены ранее в таблицах 4.2 и 4.4. Например, такой показатель использован при обосновании рабочей частоты ЛИМ сепаратора и выборе крупности частиц сортируемых сплавов. Зависимости коэффициента селективности от частоты для ЛИМ с полюсным делением т = 0,132 м для рассматриваемых 4 групп алюминиевых сплавов приведены на рисунке 4.6 (цифры 1-2, 2-3, 3-4 означают сравнение соответствующих групп сплавов). Зависимости для толщины пластин й = 2 мм показаны сплошными линиями, для толщины й = 10 мм - пунктиром.

Нетрудно видеть, что с ростом частоты коэффициенты селективности снижаются. Это обусловлено выходом рабочих точек на нелинейные участки зависимостей ¥тф„ подобных показанным на рисунке 2.8. С учетом этого рекомендуется работа ЛИМ на частоте 50 Гц при питании от стандартной сети. Такой вариант сепаратора выгоден и потому, что для питания ЛИМ не требуется преобразователь частоты.

Рисунок 4.6 - Влияние частоты поля на селективность разделения алюминиевых сплавов

Оценка коэффициентов селективности позволяет определить целесообразную крупность частиц сортируемых сплавов, которую нужно обеспечить при подготовке лома и отходов цветных металлов (дроблении и сортировке их по крупности). Например, на рисунке 4.7 приведены зависимости коэффициентов селективности от толщины ВЭ для сортировки рассматриваемых групп алюминиевых сплавов для варианта ЛИМ с т = 0,132 м и f = 50 Гц при размерах квадратных пластин а = Ь = 40, 50, 60 мм (цвета линий: черный, красный и синий соответственно). Как видно на рисунке 4.7, коэффициенты селективности существенно снижаются при увеличении размеров и толщины ВЭ (извлекаемых пластин), что уменьшает надежность сортировки сплавов.

Для рассматриваемого случая сортировки алюминиевых сплавов при указанных параметрах ЛИМ рекомендуется крупность частиц не более 40 мм. Нетрудно видеть, что при дальнейшем уменьшении размеров ВЭ коэффициенты селективности приближаются к их начальным значениям.

Выполненные исследования, результаты которых приведены также в [76], показывают, что при проектировании электродинамических сепараторов необходимо кроме традиционных для подобных задач критериев оптимальности (удельное усилие на единицу потребляемой мощности Е^) учитывать специальные технологические показатели (степень извлечения металла или уровень селективности), определяемые типом решаемой технологической задачи. Учет таких показателей позволяет выбрать ЛИМ, оптимальные по энергоэффективности, при достижении необходимых функциональных свойств сепаратора.

й, мм

1 -I-------

О 2 4 6 В 10

Рисунок 4.7 - Влияние размеров частиц на селективность разделения сплавов

4.1.3. Оценка влияния на показатели сепаратора искажений формы и размеров ВЭ, а также ориентации их в бегущем магнитном поле

Операции дробления лома и отходов сепарируемых цветных металлов и последующей сортировки их по крупности не позволяют получить частицы строго определенной формы и размеров. Поэтому одной из задач исследования является оценка влияния на показатели сепараторов искажений формы и размеров ВЭ, а также ориентации их в бегущем магнитном поле.

Влияние размера ВЭ на удельные электромагнитные усилия ЛИМ обсуждалось ранее в разделе 2.1. Например, на рисунке 2.6 приведены зависимости ¥т(Ъ) для разных полюсных делений. Подобные же зависимости для рассмотренной в разделе 4.1.2 ЛИМ с т = 0,132 м для алюминиевых сплавов I и IV групп с удельной электропроводностью соответственно у = 35 МСм/м (сплошные линии) и у = 15 МСм/м (пунктир) показаны на рисунке 4.8. Расчеты выполнены при частоте/=50 Гц и амплитуде линейной плотности тока (на два индуктора) 3\т = 150 кА/м. Толщина пластин й изменялась от 2 до 10 мм (цифры на графиках).

О 10 20 30 40 50 60 о 10 20 30 40 60 60

а б

Рисунок 4.8 - Оценка влияния размеров ВЭ на удельное электромагнитное усилие (а) и относительный разброс усилий при изменении толщины ВЭ (б)

Зависимости на рисунке 4.8,а подтверждают тенденцию снижения электромагнитных усилий при уменьшении крупности частиц. В то же время видно, что при рекомендуемых для сортировки сплавов размерах частиц дробленого лома от 40 до 20 мм на данной установке развиваются достаточно большие

усилия. Показанные на рисунке 4.8 результаты подтверждают нецелесообразность работы сепаратора при крупности более 40 мм. На рисунке 4.8,б нетрудно видеть, что разброс усилий при изменении толщины ВЭ при крупности 60 мм составляет от 12 % (при у = 15 МСм/м) до 37 % (при у = 35 МСм/м). При размерах ВЭ менее 40 мм такой разброс не превышает 5-10 %, что соответствует близости траекторий частиц сплавов, входящих в одну группу по электропроводности и служит предпосылкой для индукционной сортировки.

Практический интерес представляет оценка влияния формы ВЭ и ориентации их в бегущем магнитном поле. На рисунке 4.9 приведены результаты расчетов удельных электромагнитных усилий, действующих на пластины квадратной (а*Ъ*й = 40*40*4 мм) и прямоугольной формы при неизменной площади пластин. Расчеты выполнены для выбранной ранее ЛИМ с т = 0,132 м для алюминиевых сплавов всех четырех групп (удельная электропроводность сплавов показана цифрами на графиках).

Рш > Н/к1 т ' г 35

28

/ 20 15

/ У7

а*Ь, мм

0,020x0,080 0,032х0,050 0,040x0,040 0,050x0,032 0,080x0,020

Рисунок 4.9 - К оценке влияния формы частиц при индукционной сортировке алюминиевых сплавов

Результаты расчетов, приведенные на рисунке 4.9, показывают, что отклонение формы пластин от базовой квадратной приводит к снижению удельного электромагнитного усилия. Значительные отклонения от правильной квадрат-

ной формы обусловливают взаимозасорение фракций разных сплавов. Селективность разделения обеспечивается в случаях, когда значения удельных усилий превышают граничные значения, показанные пунктиром. В рассмотренном примере при базовом размере 40*40 мм этому условию соответствуют пластины с отклонениями размеров на уровне 10-15 %. Результаты, приведенные на рисунках 4.8 и 4.9, означают возможность сепарации дробленого лома алюминиевых сплавов класса крупности +35-45 мм. Сделанные выводы вполне согласуются с результатами экспериментов, приведенными в разделе 5. На практике полученные оценки определяют требования к подготовке дробленого лома к сортировке по крупности или требования к раскрою полосовых отходов на пластины крупностью около 40 мм.

4.2. Оценка характеристик установок для сепарации электронного лома

Как уже отмечалось, одной из особенностей электронного лома является то, что материалы находятся в нем в виде сростков. Поэтому основная задача, решаемая при дроблении такого лома - это раскрытие материалов. С учетом постоянного уменьшения размеров электронных приборов и устройств очевидна тенденция к уменьшению размеров зерен дробленого электронного лома. После дробления и грохочения лома, поступающего на переработку в настоящее время, самая крупная фракция соответствует классу +10-20 мм [49]. Такими же размерами характеризуется отсев дробленого лома цветных металлов.

Как следует из рисунка 4.8, на котором приведены характеристики ЛИМ для индукционной сортировки сплавов алюминия, при крупности сепарируемых частиц менее 20 мм удельные электромагнитные усилия существенно снижаются. При этом возрастает влияние на процессы сепарации механических сил, и отличия в траекториях движения частиц сплавов с разной электропроводностью уменьшаются. В то же время можно отметить, что уменьшается разброс характеристик, обусловленный изменениями толщины частиц. Из рисунка 4.8,б следует, что при Ъ < 20 мм такой разброс характеристик не превышает 5 %.

При обработке дробленого электронного лома основная задача состоит в выделении из смеси металлов алюминиевых сплавов [51,53]. Поскольку в ходе предшествующей магнитной сепарации из электронного лома удалены ферромагнитные включения задача сводится к отделению сплавов алюминия от сплавов меди. В таблице 4.5 показаны свойства некоторых алюминиевых и медных сплавов, содержащихся в электронном ломе, а на рисунке 4.10 приведены зависимости удельных электромагнитных усилий от размера частиц в интересующем нас диапазоне крупности (номера кривых соответствуют позициям табл. 4.5).

Таблица 4.5 - Физические свойства цветных металлов, содержащихся

в электронном ломе

№ п/п Металлы и сплавы Удельная электропроводность у, МСм/м Плотность -5 г/см3 л Смм /г

1 Латунь Л63 14,50 8,47 1,71

2 Латунь Л090-1 18,50 8,80 2,10

3 Латунь Л90 25,00 8,85 2,82

4 Медь (технически чистая) 56,00 8,90 6,29

5 Сплавы алюминия (литейные) 20,00 2,7 7,41

6 Сплавы алюминия (деформируемые) 28,00 2,7 10,37

Расчеты выполнены для ЛИМ опытно-промышленной установки сепарации электронного лома СЭЛД-П, созданной в УрФУ по заказу АО «ЮжноУральский специализированный центр утилизации» (г. Миасс) при следующих параметрах: частота / = 50 Гц; полюсное деление т = 66 мм; зазор 5 = 18 мм; амплитуда магнитной индукции Вт = 0,23 Тл; толщина частиц й = 5 мм; ширина линейного индуктора Ьи = 120 мм; размеры плоскости Ь0 = 130 мм (до индуктора) и Ьп = 300 мм (после индуктора); угол наклона плоскости а= 30о.

Расчетное электромагнитное усилие, требуемое для выведения частиц за разделитель в конце плоскости подачи, составляет около 12 Н/кг (пунктир на

рис. 4.10). Нетрудно видеть, что при размерах частиц 10-20 мм за разделитель будут перемещаться практически все частицы алюминиевых сплавов и крупные частицы проводниковой меди (таких в пробах электронного лома было мало). Усилия, действующие на частицы медных сплавов, недостаточны для выведения их за разделитель, что служит теоретической предпосылкой для решения поставленной задачи разделения алюминиевых и медных сплавов.

60

50

40

30

20