Введение к работе
Актуальность работы. Развитие вторичной металлургии, а также все возрастающие потребности в переработке твердых металлосодержащих отходов обусловливают востребованность технологий и оборудования для сбора и обработки вторичных цветных металлов. Одной из таких технологий является электродинамическая сепарация - метод разделения немагнитных материалов по электропроводности, использующий силовое взаимодействие магнитного поля индуктора с вихревыми токами, наведенными этим полем в проводящих предметах или частицах.
С помощью электродинамической сепарации могут решаться следующие технологические задачи: извлечение лома цветных металлов из твердых бытовых или смешанных отходов; отделение металлической фракции от неметаллической в сложных отходах цветных металлов (отходы электро- и радиотехнической промышленности, электролампового производства, автомобильный лом и т.п.); очистка сыпучих материалов от металлических включений (например, очистка отработанных формовочных смесей от скрапа в литейном производстве); сортировка сложного цветного металлолома при подготовке его к металлургическому переделу: разделение лома по крупности, удельному весу, электропроводности (например: отделение кускового лома от стружки; разделение сплавов, отличающихся только легирующими добавками) и др. В большинстве случаев электродинамическая сепарация позволяет заменить ручной труд, а в ряде технологий не имеет альтернативы.
Как показывает зарубежный опыт, для решения указанных задач целесообразны электродинамические сепараторы с бегущим магнитным полем в которых извлекаемые металлические предметы играют роль вторичного элемента (ВЭ) индукционной электрической машины. Наиболее близким аналогом такого сепаратора является линейный асинхронный двигатель с коротким ВЭ.
Электродинамические сепараторы широко применяются во всех индустриально развитых странах. Среди производителей, выпускающих сепараторы и технологические линии на их основе можно отметить: "Metso Minerals" (Германия), "Coreco", "Combustion Power Company", "Occidetal Petroleum Corporation", "Garret" (США), "Coche Gidzutsu", "Javata Electric Machinery", "Shinko Electric" (Япония), "Gotswold Research" (Великобритания) и др. В нашей стране серийное производство электродинамических сепараторов практически отсутствует. Лишь ряд фирм (например, НПО «Эрга», г. Калуга; ГУЛ «Станкоснаб», г. Москва), предлагают электродинамические сепараторы с вращающимся магнитным полем на основе постоянных магнитов, имеющие ограниченную область применения. Отсутствие соответствующего отечественного оборудования и высокая стоимость импортных установок сдерживают развитие в нашей стране технологий сбора и обработки вторичных цветных металлов. Этим обусловлена актуальность исследования и создания электродинамических сепараторов с бегущим магнитным полем.
Начиная с конца 70-х годов, исследования и разработка электродинамических сепараторов проводятся на электротехническом факультете УГТУ-УПИ в содружестве с Уральским НИИ Академии коммунального хозяйства, ОАО «Уралэнергоцветмет» и рядом других организаций. Основное внимание в ука-
занных работах уделено электродинамическим сепараторам с бегущим магнитным полем на основе трехфазных линейных индукторов. В то же время было показано, что в случае обработки мелких фракций отходов целесообразно применение электродинамических сепараторов с вращающимся магнитным полем, результаты исследований которых и составили основу данной диссертации. Основными объектами изучения являлись электродинамические сепараторы с вращающимся магнитным полем, создаваемые на основе индукционных электрических машин. Работа выполнялась в рамках госбюджетной НИР «Разработка научных основ и моделирование энергосберегающих индукционных электротехнологических и электромеханических систем», а также по заказу ряда предприятий (НПФ «Металл-комплект», г. Каменск-Уральский; НПФ «По-лимер-Про» (г. Москва), ОАО «Уралпрогресс», г. Екатеринбург).
Цель диссертационной работы:
Разработка электродинамических сепараторов на основе вращающихся цилиндрических индукторов, обладающих улучшенными энергетическими и технологическими показателями.
Для достижения этой цели решаются следующие задачи:
Разработка математических моделей и методик расчета электродинамических сепараторов на основе вращающихся цилиндрических индукторов.
Выявление закономерностей распределения магнитного поля в рассматриваемых электродинамических сепараторах
Исследование влияния параметров индукторов и размеров извлекаемых металлических предметов на характеристики сепараторов.
Уточнение областей применения электродинамических сепараторов разных конструкций.
Разработка рекомендаций по выбору роторов серийно выпускаемых электрических машин в качестве индукторов сепараторов
Создание опытных установок электродинамической сепарации и их экспериментальные исследования с целью проверки теоретических положений и апробации технологий.
Реализация разработок электродинамических сепараторов с вращающимися цилиндрическими индукторами.
Методы исследования и достоверность результатов:
В теоретической части диссертационной работы использовались методы теории электромагнитного поля и теории электрических машин, математическая модель электродинамического сепаратора построена на основе решения полевых задач в двухмерной постановке. Основные результаты получены на основе вычислительных и физических экспериментов на опытных образцах сепараторов и индукторов, созданных в лаборатории. Достоверность математических моделей и результатов расчетов проверялась сравнением с экспериментальными данными и сопоставлением с расчетами по другим методикам, в том числе с использованием возможностей математических пакетов Elcut и Ansys.
Научная новизна: 1. Разработана математическая модель электродинамического сепаратора с вращающимся цилиндрическим индуктором на основе решения полевых задач
в двухмерной постановке, учитывающая основные особенности устройства: неравномерный воздушный зазор и ограниченные размеры ВЭ (а, Ъ < і).
Выявлены закономерности распределения магнитного поля в активной зоне рассматриваемых сепараторов в отличие от случая сепараторов с линейными индукторами, принятых в качестве прототипа. Показано, что дополнительный обратный магнитопровод не только усиливает, но и выравнивает магнитное поле в активной зоне.
Дана оценка физических эффектов, связанных с ограничением размеров ВЭ (извлекаемого предмета), приводящих к перераспределению вторичных токов и существенному искажению электромагнитных усилий.
Экспериментально и теоретически показано, что зависимости электромагнитных усилий от размеров извлекаемых проводящих предметов в случае цилиндрических индукторов имеют экстремум, местоположение которого с увеличением частоты магнитного поля смещается в сторону меньших размеров.
Практическая ценность:
Разработаны методики расчета сепараторов с вращающимися цилиндрическими индукторами, удобные для инженерной практики и основанные на решении двухмерных полевых задач. При сопоставлении различных путей расчета показано, что в случаях, когда размеры ВЭ меньше полюсного деления индуктора, целесообразно использование усредненного в пределах проводящей пластины значения магнитной индукции и аналитического выражения для расчета электромагнитного усилия, учитывающего ограничения размеров ВЭ.
Показано, что неравномерность распределения магнитного поля в активной зоне увеличивается с уменьшением диаметра и полюсного деления индуктора. При этом ограничиваются толщина слоя обрабатываемых материалов (производительность сепаратора) и диапазон размеров извлекаемых металлических предметов.
Теоретически и экспериментально показано влияние параметров индукторов (диаметр, полюсное деление и частота магнитного поля) и физических свойств ВЭ (размеры, электропроводность) на характеристики сепараторов (прежде всего, на удельное электромагнитное усилие).
Определены рациональные области применения различных конструкций электродинамических сепараторов. В частности, показано, что сепараторы на основе вращающихся цилиндрических индукторов, работающие на повышенной частоте целесообразно использовать при обработке материалов с крупностью менее 50 мм.
Созданы опытные образцы электродинамических сепараторов и индукторов, на которых выполнен большой объем экспериментальных исследований и проведена апробация ряда технологий, в том числе по заданию предприятий - заказчиков.
Исследованы возможности применения роторов серийно выпускаемых электрических машин как основы электродинамических сепараторов. По итогам тепловых испытаний ряда роторов при работе их в составе установки электродинамической сепарации показана возможность увеличения токовых нагрузок обмоток по сравнению с номинальными для электрических машин.
Реализация работы: Результаты исследований и техническая документация на установку для разделения лома медных сплавов по сортам передана в НПФ «Металл-Комплект» (г. Каменск-Уральский). По заказу предприятия «Полимер-Про» (г. Москва) путем расчетов и экспериментов на имеющихся в лаборатории установках была доказана возможность отделения частиц алюминиевой фольги от дробленых пластиковых отходов. Результаты исследований переданы заказчику. По заказу предприятия «Уралпрогресс» (г. Асбест) выполнены исследования по обогащению алюминиевых шлаков, определены параметры, требуемые для создания сепараторов. Созданные установки и методики расчета используются в учебном процессе кафедр «Электрические машины» и «Электротехника и электротехнологические системы» УГТУ-УПИ, прежде всего при выполнении УИРС и НИРС, в курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на научно-технических конференциях:
12-я Международная НТК «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Украина, Алушта; 2008).
Международная НТК «Электромеханические преобразователи энергии» (Томск; 2005).
3-я Международная НТК «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы» (Екатеринбург; 2007).
Всероссийская НТК «Актуальнее проблемы энерго- и ресурсосберегающих электротехнологий» (Екатеринбург; 2006).
Всероссийская НПК «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург; 2002- 2008).
Всероссийская НПК «Экологические проблемы промышленных регионов» (Екатеринбург; 2004,2006-2008).
НПК «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» (Екатеринбург; 2004-2008).
8-я НПК «Энергосберегающие техника и технологии» (Екатеринбург; 2005).
4-ая Межотраслевая НТК «Автоматизация и прогрессивные технологии» (Новоуральск; 2005).
10. Российско-Британский семинар «Экотехнологии 21 века» (Екатеринбург; 2007).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 35 печатных работ, в том числе в изданиях рекомендованных ВАК - 4.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех основных разделов, заключения и содержит 117 страниц текста, включает 50 рисунков, 1 таблицу, список литературы из 110 наименований и приложения.
