Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние процесса разрушения композиционных материалов ударом 11
1.1 .Теория разрушения композиционных материалов ударом 12
1.2. Анализ конструкций машин, используемых для измельчения композиционных материалов 23
1.3.Разделение многокомпонентных смесей 32
1.3.1. Разделение сыпучих материалов электрическими методами 34
1.3.2. Разделение сыпучих сред в воздушном потоке 37
1.4. Основные задачи исследования 39
1.5.Выводы по первой главе 40
Глава 2. Разработка конструкции и исследование мельницы для разрушения спеков 41
2.1. Разработка ступенчатой мельницы для разрушения спеков 42
2.2. Описание конструкции многоступенчатой мельницы 43
2.3. Гранулометрический состав измельчения 46
2.4. Конструктивная и режимная оптимизация ступенчатой мельницы 59
2.5. Износ ударных элементов 66
2.6. Выводы по второй главе 72
Глава 3. Электрическая сепарация измельченных спеков 74
3.1. Индукционная зарядка частиц на вращающемся барабане 76
3.2. Кинетика индукционной зарядки частиц и расчет флуктуации заряда 83
3.3. Движение заряженных частиц в электрическом поле сепаратора 88
3.4. Метод построения траекторий частиц 91
3.5. Расчет основных параметров и характеристик сепаратора 98
3.6. Экспериментальная часть 103
3.6.1. Выбор основных узлов аппарата и последовательности операций... 103
3.6.2. Методика и результаты эксперимента 105
3.7. Конструктивная и режимная оптимизация барабанного электрического сепаратора 106
3.8. Выводы по третьей главе 113
Глава 4. Разработка технологии использования отходов производства синтетических алмазов 115
4.1. Вторичное использование графита 120
4.2. Утилизация металлического катализатора 123
4.3. Технологическая схема обработки спеков 126
4.4. Расчет ожидаемой экономической эффективности от внедрения новой технологии обработки по сравнению с существующей 127
4.5. Выводы по четвертой главе 132
Общие выводы 133
Библиографический список 135
Приложения
- Анализ конструкций машин, используемых для измельчения композиционных материалов
- Конструктивная и режимная оптимизация ступенчатой мельницы
- Движение заряженных частиц в электрическом поле сепаратора
- Расчет ожидаемой экономической эффективности от внедрения новой технологии обработки по сравнению с существующей
Введение к работе
Одними из наиболее энергоемких и трудоемких процессов в технологии производства дисперсных материалов являются операции дробления и измельчения. Техника и технология на протяжении всего своего существования остается объектом пристального изучения видных специалистов как в нашей стране, так и за рубежом /1-10/. Их работы направлены на дальнейшее совершенствование теоретических и практических предпосылок для создания перспективных методов расчета и конструкций измельчающих машин.
Производство дисперсных материалов с узким гранулометрическим составом является труднодостижимой задачей. Существующее для этой цели оборудование чрезвычайно громоздко, энергоемко, малоэффективно и не обеспечивает качество продуктов по многим показателям.
В ряде случаев при производстве дисперсных порошков необходимо обеспечить получение конечного продукта узкого гранулометрического состава. При разрушении композиционных материалов, каковыми являются многие полезные ископаемые, необходимо процесс дробления организовать таким образом, чтобы максимально обеспечить выход нужного продукта. Однако, существующее в настоящее время оборудование не позволяет получать продукты дробления как с минимальным разбросом частиц по крупности, так и извлекать из композита нужную фракцию.
Другим аспектом рассматриваемого вопроса является отделение нужного для дальнейших технологических операций материала из многокомпонентной смеси. При извлечении нужного материала остальные компоненты выбрасываются в отвал, нарушая экологические условия местности. Часто для обогащения применяются дорогостоящие и токсичные вещества — это различные кислоты, щелочи и их растворы. Все это требует тщательной очистки и, как правило, использования дорогостоящего оборудования.
Следует отметить, что одним из таких производств является выпуск синтетических алмазов с использованием высоких давлений и температуры.
Актуальность темы. Важной операцией в технологии производства синтетических алмазов является: послесинтезное разрушение алмазосодержащих спеков; отделение частиц алмаза от графита и металлического катализатора. Стадия разрушения и выделения алмаза из спеков представляет собой достаточно трудоемкий и энергоемкий процесс. Вопросами интенсификации процесса разрушения алмазосодержащих спеков и выделением алмаза из смеси занимаются многие научно-исследовательские организации как России, так и ближнего зарубежья, занятые разработкой технологии производства сверхтвердых синтетических материалов, таких как алмаз и эльбор. Существующая технология этого производства включает в себя дробление спеков, извлечение частиц алмаза мокрым способом в среде высокотоксичных кислот, таких как соляная, серная, азотная и другие используются для последующего растворения графита и металлического катализатора.
Следует отметить, что процесс разрушения алмазосодержащих спеков оказывает существенное влияние на последующее отделение частиц алмаза от графита и металлического катализатора. Эти два процесса взаимосвязаны и их необходимо рассматривать как одно целое при разработке новой технологии обогащения алмаза. Разработка техники избирательного разрушения алмазосодержащих спеков и последующее отделение частиц алмаза от смеси без применения высокотоксичных кислот является весьма актуальной задачей. Работа выполнялась в соответствии с планом научных исследований РАН (координационный план НИР РАН "Теоретические основы химической технологии", разделы 2.22.1, 2.22.4, 2.22.8, постановлением Правительства РФ № 1414 от 23.11.96 г.).
Цель работы. Разработка установки для избирательного разрушения алмазосодержащих спеков и разделения смеси без применения высокотоксичных кислот, а также методов расчета основных параметров процесса, внедрение в промышленность измельчителя ударного действия, а также технологии, обеспечивающей получение качественных алмазов и вторичного использования графита и металлического катализатора.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка и экспериментальное исследование процесса разрушения алмазосодержащих спеков однократным ударом с возрастающей интенсивностью нагружения.
2. Разработка конструкции измельчителя для разрушения алмазосодержащих спеков.
3. Математическая модель конструктивной и технологической оптимизации процесса измельчения спека в разработанной машине.
4. Математическая модель процесса разделения частиц алмаза и графита в поле высоких напряжений и разработка на этой основе сепаратора.
5. Схему аппаратурного оформления процесса разделения алмаза с применением высоких напряжений и получение зерен с улучшенными физико-механическими свойствами.
6. Технологию сухого разделения алмаза и продуктов синтеза.
7. Технологию вторичного использования графита, не перешедшего в алмаз, и металлического катализатора.
8. Промышленная реализация результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна. Впервые разработано оборудование и технология разрушения алмазосодержащих спеков в установке ударного действия с возрастающей интенсивностью нагружения и извлечения частиц алмаза сухим способом без применения высокотоксичных кислот. Предложена математическая модель конструктивной и технологической оптимизации процесса измельчения спеков.
Разработана математическая модель, позволяющая рассчитать движение частиц алмаза и графита в поле высоких напряжений, на поверхности цилиндрического барабанного сепаратора, а также проведена конструктивная и режимная оптимизация с применением метода статистического анализа результатов экспериментальных исследований.
Практическая ценность. В диссертации впервые выполнен комплекс исследований, позволяющих разработать технологию извлечения алмаза из алмазосодержащих спеков сухим способом, без применения высокотоксичных кислот. Установлена экономическая и экологическая целесообразность получения синтетических алмазов предлагаемым способом.
Приведены результаты экспериментальных исследований совмещенных процессов разрушения и разделения компонентов смеси.
Предложена технология вторичного использования графита и металлического катализатора, полученных в результате сухого разделения смеси.
Установлено, что при вторичном использовании графита можно повысить процентное содержание алмаза на 15-20 % за счет наличия ориентированных кристаллических структур.
Дана программа конструктивно-технологической оптимизации процессов разрушения и разделения алмазов из смеси, содержащей графит и металлический катализатор.
Реализация работы. Результаты экспериментальных исследований и конструкции машин используются на ОАО «ИСМА» г. Иваново при разрушении композиционных материалов (спеков) ударом с последующим разделением компонентов по видам.
Апробация работы. Основные научные положения, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований автором докладывались на Международных научно-технических конференциях «Информационная среда ВУЗа» 2001, 2002,2003, 2004 г. Иваново, региональных и внутривузовских научно-технических конференциях ИГАСА.
Публикация. По тематике диссертации опубликовано 6 научных статей, поданы две заявки для получения патента РФ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 151 страница печатного текста, содержит 41 рисунок и 13 таблиц.
Библиографический список включает 180 работ отечественных и зарубежных авторов.
Работа выполнена на кафедре "Производство строительных материалов" Ивановской государственной архитектурно-строительной академии.
Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность и благодарность научному руководителю д.т.н., профессору П.П.Гуюмджяну и научному консультанту к.т.н., доценту М.Л.Кашниковой, а также коллективу кафедры "ПСМ" за помощь в проведении экспериментальных работ и моральную поддержку. Кроме того, автор выражает благодарность доценту кафедры "Строительные конструкции" Д.А.Елину за предоставленную возможность использования программы для расчета конструктивной и режимной оптимизации измельчителя и сепаратора.
Анализ конструкций машин, используемых для измельчения композиционных материалов
При выборе машин для измельчения композиционных материалов и их конструировании, кроме дисперсности материала необходимо учитывать и его физико-механические свойства (твердость, абразивность, прочность). Следует обратить внимание и на такие немаловажные характеристики как термочувствительность, реакционная способность, степень загрязнения продукта намолом, возможность окисления при контакте с воздухом и другие показатели. Вместе с тем, непременным условием экономической целесообразности использования той или иной измельчающей машины является простота конструкции, надежность ее работы и долговечность. Такое многообразие требований, какие предъявляет промышленность к машинам, а также к дисперсности готового продукта, привело к созданию различных конструкций измельчителей.
Число типов измельчителей, отличающихся друг от друга по принципу работы, способу измельчения, по производительности и другим параметрам, очень велико. Такое разнообразие обуславливает необходимость их систематизации. Различные варианты систематизации приведены в монографиях различных авторов /70-74/. Самым известным является разделение мельниц по способу разрушения (удар, раздавливание, истирание и т.д.). В некоторых из них, например, вибрационных, шаровых струйных, ударно-отражательных и других мельницах, частицы материала разрушаются при непосредственном воздействии на него мелющих органов. В машинах другого класса частицы материала измельчаются при воздействии на него окружающей среды (газ, жидкость и т.д.). К машинам этого класса относятся магнитно-вихревые, кавитационные гидравлические и другие диспергаторы. Следует отметить, что в каждом конкретном случае название диспергатора соответствует способу генерации измельчающих полей.
Экспериментально установлено, что кавитационные магнитно-вихревые и ультразвуковые мельницы, в силу сравнительно малой производительности и мощности генерируемой энергии нашли применение лишь для диспергирования мягких материалов. В литературе приводится классификация машин по назначению — дробилки для грубого, среднего разрушения, мельницы для тонкого и сверхтонкого помола. В промышленности при производстве строительных материалов в основном применяются шаровые и трубные мельницы. Не менее распространены и другие машины, в которых процесс измельчения протекает под влиянием сжимающих и истирающих воздействий, такие как, валковые мельницы, бегуны. Следует отметить, что эти наиболее распространенные мельницы имеют низкий КПД (0,8 - 0,05 %) /75-77/. Сравнительно небольшая эффективность, ограниченная удельная производительность (2,2 10"5 + 2,7 10"5 кг/с на килограмм веса мельницы) обуславливает низкую экономичность вышеприведенных машин. Кроме этого, машины неинтенсивного принципа действия имеют большие габаритные размеры. В табл. 1.1. приводятся некоторые технические характеристики шаровых мельниц, используемых для производства цемента. /78/. При помоле цементного клинкера энергозатраты составляют до 40 кВт.ч/т при производительности 60 т/ч. При помоле более мягких материалов этот показатель удельных затрат мощности снижается и составляет от 17 кВт.ч/т до 30 кВт.ч/т на готовый продукт. Шаровые мельницы не нашли широкого применения при измельчении композиционных материалов ввиду их непригодности.
Устранение этих недостатков и повышение эффективности процесса измельчения возможно при переходе к ударному способу разрушения при скоростях нагружения выше 50 м/с. Ведение процесса разрушения при высоких скоростях возможно в мельницах ударного способа нагружения, в таких как дезинтегратор, центробежно-ударная и роторная мельницы, а также в других машинах аналогичного принципа действия. С экономической точки зрения более предпочтительным в этом плане является механический способ сообщения кинетической энергии разрушаемым частицам. Это подтверждается простотой конструкции мельниц ударного действия и возможностью ускорения более крупных кусков материала, а также энергетической целесообразностью механического способа разгона частиц /79-80/. Кроме этого, при ударном разрушении материалов возможно регулировать напряженное состояние внутри частицы и заранее прогнозировать процесс дробления /81/.
Известно, что стоимость мельниц ударного действия, отнесенная к единице производительности в 2,5 - - 10 раз ниже, чем вибрационных, шаровых и им подобных машин. Удельные энергозатраты электроэнергии у шаровых мельниц в 3,5 -=- 6,7 раз выше. Все это позволяет более широко внедрять мельницы ударного действия в производство дисперсных порошков.
Измельчение материалов в ударных мельницах осуществляется в результате соударения частиц о поверхность рабочего тела, которое может быть представлено неподвижным или подвижным рабочим органом, отражательной плитой или или другой частицей (при струйном измельчении). Напряжения, возникающие в разрушаемом теле при ударе, зависят, в основном, от относительной скорости в момент контакта частиц, а также от упругих свойств тел, принимающих участие в этом процессе. Напряжения, возникающие при разрушении композиционных материалов, когда взаимодействие отдельных зерен чисто механическое приводит к их расколу по плоскостям спаянности. Это плоскости, по которым взаимодействуют отдельные частицы композита.
Конструктивная и режимная оптимизация ступенчатой мельницы
Причем, этот экстремум более выражен при измельчении мягких материалов, например, графита. Снижение величины удельной поверхности при возрастании скорости диспергирования объясняется агломерацией мелких частиц.
По мнению авторов /4, 147/, агрегирование частиц, имеющее место после диспергирования частично обусловлено величиной накопленной материалом энергии. Увеличение скорости измельчения приводит к росту доли накопленной материалом энергии. Именно с накопленной энергией, в основном, связана агломерация мелких частиц в более крупные. Естественно, что немаловажную роль в этом процессе играет склонность материала абсорбировать на своей поверхности влагу, содержащуюся в воздухе.
На этом же графике (рис.2.10) приведен ход изменения удельной поверхности графита, измельченного в шаровой мельнице (кривая 1).
Разная- удельная поверхность порошка достигалась .. изменением продолжительности помола. Пропорциональное изменение удельной поверхности объясняется продолжительностью измельчения материалов в шаровой мельнице. При достижении определенной крупности в шаровой мельнице интенсивность измельчения резко падает. Измельчение происходит за счет трения шаров и частиц измельчаемого материала. Удельные расходы энергии при этом резко возрастают. Это свидетельствует о целесообразности дальнейшего измельчения.
Этот фактор объясняется тем, что подводимая кинетическая энергия шаров недостаточна для образования единицы поверхности. Этот фактор служит оценкой определения области применения не только шаровых мельниц, но и других помольных машин. С нашей точки зрения, экономическая целесообразность использования помольных машин в процессе измельчения должна оцениваться этим показателем. Границу эффективности измельчения можно расширить путем помола материалов в среде жидкости.
При измельчении материалов в среде жидкости, кроме механических воздействий на измельчаемую частицу оказывает влияние эффект Ребиндера. Жидкость, попав в микротрещины, которые имеются в частицах измельчаемого материала, вызывают ослабление структуры, что, в конечном счете, приводит к расколу. В данной работе не рассматривается механизм разрушения материала в жидкой среде.
Среди мельниц со ступенчатым корпусом и ротором большое распространение нашли устройства с внутренней классификацией, к их достоинствам следует отнести получение готового продукта узкого гранулометрического состава при относительно невысоких энергозатратах. Однако такие машины не пригодны для измельчения абразивных материалов вследствие недолговечности работы ударных элементов. Далее в этой работе будет рассмотрен вопрос износа элементов мельницы при разрушении абразивного материала, каковым являются алмазосодержащие спеки.
Совершенно другой вид классификации мы наблюдаем в разработанной нами ступенчатой мельнице. При движении со ступени на ступень мелкая фракция практически не разрушается. Измельчению подвергаются лишь крупные осколки спека. Благодаря такому конструктивному исполнению появляется возможность эффективно измельчать алмазосодержащие спеки, предотвратить переизмельчение и снизить относительный износ разгонных лопаток и контрударников. Если и происходит переизмельчение материала при движении со ступени на ступень, то путем изменения угловой скорости вращения ротора можно избежать этого явления. Важным атрибутом предложенного измельчителя является металлоемкость и энергоемкость. Этот фактор является предпочтительным при выборе типа измельчающей машины.
Как уже было отмечено, в основу работы ступенчатой мельницы заложен принцип одноразового нагружения частиц алмазосодержащего спека. Частица спека, ударившись о неподвижный контрударник, закрепленный на верхней части каждой ступени корпуса, падает на коническую часть этой ступени, сползает по ней и попадает в распределительную кольцевую зону следующей ступени. Кроме этого, по мере уменьшения линейного размера частиц диспергируемого материала, скорость их механического нагружения возрастает. Это конструктивное решение обуславливает высокое значение КПД мельницы на всех ступенях.
Для проведения конструктивной и режимной оптимизации нами был выбран метод математического планирования эксперимента /178/, в котором критерием отклика являлся выход частиц алмаза (процентное содержание частиц алмаза). В качестве независимых переменных нами были выбраны следующие конструктивные и технологические параметры /177/: Xi - скорость нагружения на 3 ступени ( м/с); х2 . производительность на входе в измельчитель (кг/час); х3 . количество неподвижных контрударников (отбойных планок), (ед.); Х4 - число ступеней измельчителя, (ед.). Перевод натуральных значений независимых переменных в кодированные приведен в табл. 2.3.
Для определения регрессионной модели процесса измельчения алмазосодержащих спеков проводились следующие работы: - предварительный эксперимент; - нахождение условий для проведения активного эксперимента; - проведение основного эксперимента с учетом матрицы планирования; - обработка результатов экспериментальных исследований и анализ полученной модели; Цель предварительного эксперимента заключалась в определении точности измерения всех выходных параметров. В качестве выходного параметра выбрано количество свободных частиц алмаза и доверительного объема его измерений, проверки гипотезы нормального распределения случайных величин выходного критерия У;. Для эксперимента был выбран насыщенный план, близкий к D-оптимальному, полученный путем поиска наилучшего подмножества точек, входящих в непрерывный план Коно. Анализ показал, что модели в виде полинома хорошо описывают технологический процесс измельчения сверхтвердых материалов, поэтому выбрана модель вида
Движение заряженных частиц в электрическом поле сепаратора
Для экспериментального исследования разделения порошковой смеси графита, металлического катализатора и синтетического алмаза нами разработана и изготовлена лабораторная установка барабанного сепаратора. Металлический барабан имел диаметр 500 мм и длину 600 мм. В качестве отклоняющегося высоковольтного электрода использовались либо цилиндр диаметром 200 мм, либо плоскость в виде квадрата с закругленными краями размером 600x600 мм. Кроме того, конструкцией предусмотрено использование зарядного коронирующего электрода в виде проволоки диаметром 0,2 мм и длиной 400 мм. Питающий бункер имел длину 400 мм с регулируемой шириной отверстия. Расстояние между электродами можно было изменять от 40 до 250 мм. В качестве источника высокого напряжения использовался стационарный высоковольтный генератор постоянного тока с плавным регулированием напряжения до 100 кВ.
Ввиду того, что исследуемая смесь является трехкомпонентной, нужно определить последовательность операций для ее разделения. Для решения этого вопроса, в соответствии с ранее изложенной методикой, с учетом флуктуации зарядов, нами построены траектории частиц графита (средний размер 50 мкм), металлического катализатора (средний размер 200 мкм) и синтетического алмаза (средний размер 150 мкм) в поле электродов. Наклонная плоскость - барабан, при расстоянии между электродами по перпендикуляру 200 мм и напряжении 40 кВ. Траектории частиц графита резко отличаются от траекторий частиц катализатора и алмаза, которые, в свою очередь, могут пересекаться, если частицы алмаза за время прохода барабаном активной зоны поля успеют набрать заряд и оторваться от барабана. Такое поведение траекторий позволяет разбить процесс разделения на две стадии: на первой стадии следует отделить графит от катализатора и алмаза, а на второй стадии разделить их между собой. При этом, на первой стадии процесса для увеличения дисперсии сепаратора и уменьшения спектральной ширины плоский электрод следует располагать строго вертикально. На второй стадии процесса следует увеличить напряжение между барабаном и плоскостью, плоский электрод отклонить на определенный выше угол, поставить дополнительный коронирующий электрод, увеличить скорость вращения барабана и между барабаном и приемником поставить заземленный отсекатель. Увеличение напряжения между электродами приведет к росту дисперсии сепаратора, т.е. уведет траектории частиц катализатора как можно дальше от барабана. Включение дополнительного коронирующего устройства увеличит время перезарядки диэлектрических частиц алмаза (тогда как для проводящих частиц оно ничтожно и составляет сотые доли секунды). Увеличение скорости вращения барабана приведет к тому, что частицы алмаза, не успев перезарядиться, попадут в нижнюю зону, находящуюся правее отсекателя, где электрического поля вообще нет, т.к. отсекатель и барабан заземлены. В то же время электрическое поле между наклонным высоковольтным электородом и отсекателем уведет траектории частиц катализатора еще дальше от вертикали.
Электрические величины измерялись на основе стендовой аппаратуры высоковольтного генератора постоянного тока. При этом высоковольтный электрод имел отрицательную полярность. Скорость вращения барабана измерялась стробоскопом. Определение степени извлечения материалов определялось на основе измерения весовых функций распределения частиц следующим образом. Вместо приёмных ячеек на дно сепаратора укладывались пластинки из фольгированного гетинакса, каждая шириной 20мм и длиной 400мм. По взвешиванию пластин до и после опыта определялся вес порошка на пластинке, причём для удержания порошка пластинка покрывалась тонким слоем технического вазелина. Если на пластинку попадали частицы катализатора и алмаза, то состав смеси определялся методом микроскопического счёта. Экспериментальные функции распределения строились на основе серии из пяти + шести опытов.
Отделение графита от алмаза и катализатора выполнено при напряжении между барабаном и плоскостью 15 кВ при скорости вращения барабана 100 об/мин. Степень извлечения графита составила 99,7%. На второй стадии производилось разделение катализатора и алмаза. В соответствии с известными рекомендациями /171/, смесь предварительно промывалась 0,5% раствором поваренной соли, затем подсушивалась при температуре 80 в течении 30 минут. Влажность воздуха при проведении экспериментов была равна 40%. Напряжение между электродами менялось от 10 до 100 кВ, скорость вращения барабана - от 100 до 240 об/мин. Расстояние между электродами можно изменить от 40 до 250 мм. Заметим, что при увлажнении алмаза его частицы становятся проводящими /172/ и их можно разделить по размеру в соответствии с их удельными зарядами.
Расчётная производительность экспериментальной установки порядка 8 кг/час, а удельное энергопотребление 0,7 квт-час/тонну. Таким образом, предложенные нами аппарат и порядок проведения операций позволяют с высокой эффективностью разделить исследованную порошковую смесь.
Как уже было отмечено, целью данного исследования являлось также определение оптимального режима разделения алмазов от продуктов синтеза. Для экспериментального исследования разделения порошковой смеси графита, металлического катализатора и синтетического алмаза была разработана и изготовлена лабораторная установка коронного барабанного сепаратора. Порошковая смесь получена в результате предложенной нами технологии измельчения алмазосодержащих спеков в установке ударно-отражательного действия. Далее смесь подвергается разделению с использованием сил электрического поля в сепараторе.
Зарядка частиц разделяемого материала происходила в зависимости от их электропроводности, и вследствие этого осуществлялось отделение пылевой фракции от более крупных частиц. Для осуществления технологической и конструкционной оптимизации нами использован метод математического планирования эксперимента. В качестве критерия оптимизации был выбран размер частиц. Для разделения полученной в мельнице порошковой смеси необходимо было определить оптимальные параметры режима работы барабанного сепаратора. Некоррелирующими и независимыми факторами выбраны следующие параметры установки: xi - расстояние между электродами (мм); Х2 . скорость вращения барабана (об/мин); Хз . напряжение между электродами (кВ); Х4 - производительность, толщина слоя (кг/ч). Перевод натуральных значений независимых переменных в кодированные приведен в табл. 3.2.
Расчет ожидаемой экономической эффективности от внедрения новой технологии обработки по сравнению с существующей
В современной промышленности, в основном, выделение алмазов из спеков осуществляется кислотным способом /179/. Графит и металлический катализатор растворяются с помощью кислот и химических реактивов с последующей нейтрализацией растворов до рН 9,5. Полное растворение графита и катализатора осуществляется в течение нескольких часов. В ходе отделения алмаза образуется большое количество кислых растворов, нейтрализация которых требует применения щелочи. Мелкие частицы алмаза становятся потерями при сливании смеси после размыва.
Существующие технологии выделения алмазов /179,180/: - кислотный (с использованием НС1, HNO3, H2SO4); - щелочно-солевой (с использованием КОН, KNO3, НС1, , H2SC 4, K2Cr207,Na2S03); - кислотный с использованием HN03; - кислотный без использования HNO3; - модифицированный с щелочной доработкой; - усовершенствованный с щелочной доработкой и др. Технология производства синтетических алмазов основана на следующих операциях/180/: - набивка смеси графит-металлический катализатор в контейнер, изготовленный из литографского камня; - синтез смеси под высоким давлением и высокой температурой (температура синтеза 1250-1300С и давление 4 ГПа); - измельчение алмазосодержащих спеков в щековой дробилке, а затем в молотковой мельнице; - химическая обработка полученного порошка в среде высокотоксичных кислот; - нейтрализация кислой среды щелочью и промывка частиц алмаза; - сброс нейтрализованной массы в сток. Химическая (кислотная) обработка в процессе отделения частиц алмаза от графита и металлического катализатора включает в себя следующие технологические операции: растворение графита и металлического катализатора в среде кислот, нейтрализацию кислой среды щелочью. После химической очистки частицы алмаза промывают водой, сушат и сдают в виде готовой продукции на склад. Остальная масса в виде водной — нейтрализованной кислотной суспензии отводится в сток. Обработка 1 кг спеков в среднем занимает 4,5 - - 5,0 часов.
Такая технология обработки спеков, существующая в отечественной практике, естественно, не удовлетворяет производство, так как нарушает санитарно-технические условия работы, загрязняет окружающую среду, нарушает экологию местности. Немаловажным является и то, что процесс разделения частиц алмаза и графито-катализаторной смеси требует больших производственных площадей.
Экспериментально было установлено, что при химическом способе обработки частиц металлического катализатора и графита происходит частичное растворение зерен алмаза в местах концентрации напряжения, т.е. на острых гранях. Частицы алмаза размером 20-10 мкм и ниже также растворяются в высокотоксичных кислотах или смываются в отвал вместе со сточными водами.
Обычно на 1000 карат алмазов по существующей технологии расходуется около 20 кг высокотоксичных кислот. В России на предприятиях по производству синтетических алмазов ежегодно производится 1,5 млн. карат алмазов марки АСО и АС32. Расход кислоты в среднем составляет от 30 до 45 тонн, общая стоимость которой - от 380 до 500 тыс.рублей.
После анализа и изучения существующей технологии производства искусственных алмазов нами было предложено использовать в процессе измельчения алмазосодержащих спеков принцип однократного ударного нагружения. Предварительные исследования показали, что для этой цели наиболее предпочтительным является разработанная нами ступенчатая мельница, конструкция которой подробно описана в главе 2 настоящей работы.
Анализ гранулометрического состава после измельчения алмазосодержащих спеков показал, что содержание мелкой фракции (менее 30 мкм) составляет от 10 до 15 %. В основном в этой фракции находятся частицы графита, т.е. продукта, который наиболее интенсивно измельчается. В связи с этим нами была предложена конструкция видоизмененной мельницы, в которой наряду с измельчением происходит процесс отделения наиболее мелкой фракции (рис.4.1). Такая установка была нами предложена, а затем изготовлена и исследована.
Установка работает следующим образом. Спеки, по загрузочному патрубку, поступают в распределительную кольцевую зону и попадают на первую ступень измельчения. Далее процесс измельчения строится аналогично процессу, происходящему в установке, описанной в первой главе настоящей работы. Тонкодисперсный продукт, содержащий в своем составе графит, металлический катализатор и алмазные частицы, попадает с третьей ступени через перфорированные отверстия торцевой крышки 5 в зону разделения. Под действием центробежных сил частицы, крупнее 10 мкм, движутся к внутренней поверхности классифицирующих планок 9 и через перфорированные отверстия 8 торцевой крышки отводятся в конический бункер 10, из которого удаляются с помощью центрального отверстия 13. Графит с размерами частиц 10-5 мкм двигается к осевому отверстию 12 и выходит из зоны разделения.
Изменением угла крепления классифицирующих лопаток можно регулировать границу разделения частиц графита. Было установлено, что при угле крепления этих лопаток 5 разделения практически не происходит, так как поступающая через отверстия 7 смесь остается в соответствующей зоне камеры разделения, вращается в ней под действием центробежных сил. При угле установки 50 весь материал, увлекаемый воздушным потоком, выходит через осевое отверстие 12. Оптимальным углом установки лопаток для разделения мелкодисперсного графита является угол 25 - 35.
