Введение к работе
Актуальность темы. В материалах, сырьевых и рабочих средах различных отраслей промышленности почти всегда присутствуют железистые примеси как природного, так и техногенного происхождения (преимущественно последствия износа и коррозии оборудования). Ухудшая качество рабочих сред (материалов, сырьевых компонентов), а также изделий, эти примеси к тому же снижают безопасность и сокращают срок службы техногенных объектов, повышая риски возникновения повреждений, отказов машин и механизмов, и даже создают угрозу здоровью человека, в частности при наличии таких примесей в пищевых средах.
То, что проблема своевременного контроля и удаления этих примесей,
затрагивающая самые разные отрасли промышленности, действительно остро
нуждается в эффективном решении, подтверждается наличием ряда федеральных
документов. В частности, это постановление №85 Госгортехнадзора от 2003 г.,
затрагивающее вопрос о безопасности производственных объектов по хранению,
переработке и использованию растительного сырья, а также имеющаяся
обширная нормативно-метрологическая база (более полусотни ГОСТов),
регламентирующая содержание и контроль ферропримесей в природных и
технологических средах стройиндустрии, пищевой промышленности,
энергетики, машиностроения, черной металлургии и пр. Потому развитие направления по удалению ферропримесей магнитной сепарацией приобретает в последнее время все большее значение, что проявляется в разработке и прогрессирующем использовании в разных отраслях промышленности аппаратов магнитного выделения ферропримесей: магнитных сепараторов, фильтров и пр.
А это, кроме контроля той или иной среды для получения данных о содержании в них ферропримесей, требует и развернутого контроля основных параметров и характеристик рабочих зон сепарации, а также систематического контроля результативности сепарации.
Современный уровень развития работ в этом направлении достигнут благодаря исследованиям, выполнявшимся в целом ряде организаций: МЭИ, МИСИ, МГУПИ, ГИАП, Siemens (KWU), ВНИИАМ, ВТИ, МГУПП, СКГМИ, ЛПИ, ЦКТИ, ВПИ, КПИ, УИИВХ, ВНИИЗ, General Electrics, Spectro Inc. и пр. Однако имеющиеся разработки, касающиеся контроля сред, параметров и характеристик рабочих зон сепарации, а также их эксплуатационной
результативности, нуждаются в дальнейшем существенном развитии и совершенствовании, на что и направлена данная работа.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР по гранту Минобразования РФ (ТОО-13.0-711) по фундаментальным исследованиям в области технических наук, а также по Гранту Президента РФ (МК-115.2007.8).
Цель работы состоит в повышении эффективности контроля содержания и выделения ферропримесей при магнитной сепарации различных сред, путем развития теории и совершенствования методов магнитного контроля.
Задачи исследования:
Разработать способ операционно-функционального магнитоконтроля содержания ферропримесей, обеспечивающий повышение точности и достоверности результатов измерений.
Разработать модель операционно-функционального магнитоконтроля, описывающую физические процессы магнитоконтроля.
Получить зависимости для магнитной силы притягивания феррочастиц в рабочей зоне сепарации с учетом наиболее значимых параметров реальных частиц.
Проанализировать условия магнитного захвата феррочастиц при сухой и мокрой магнитной сепарации.
Определить основные параметры рабочих зон сепарации и получить соответствующие характеристики, позволяющие диагностировать пассивные части этих зон.
Получить ключевые зависимости, характеризующие режимы магнитной сепарации (скоростной, температурный и пр.).
Внедрить основные результаты работы в промышленности.
Научная новизна работы.
. Разработана модель операционно-функционального магнитоконтроля ферропримесей рабочих сред (материалов и сырьевых компонентов), основывающаяся на аналитической экстраполяции получаемой зависимости убывания масс выделяемых ферропримесей от числа проводимых операций. . Установлены закономерности изменения магнитной силы притягивания феррочастиц различных размеров от их расстояния до рабочей поверхности с учетом зависимых от этого расстояния параметров поля и магнитной восприимчивости частицы. . Определены условия применимости классического выражения магнитной
силы захвата феррочастиц: при расстояниях не менее чем собственный размер
частиц и с учетом корректирующего коэффициента (3,6).
. Определены условия захвата феррочастиц с учетом роли доминирующих
конкурентных сил при сухой и мокрой магнитной сепарации.
. Установлены предельные значения для скорости среды в рабочей зоне
сепарации в зависимости от уточненного критического числа Рейнольдса,
кинематической вязкости среды, диаметра гранул.
. Установлена взаимосвязь между средней скоростью потока в порах
матричной рабочей зоны и скоростью фильтрования с учетом фактора
извилистости пор.
. Установлены основные параметры безматричных рабочих зон сепарации,
определяющие эффективность работы магнитных сепараторов.
. Разработаны новые способы диагностики пассивных частей зон сепарации: по
прямым данным зависимой от расстояния индукции (используя специальную
визуализацию магнитных силовых линий) с выявлением излома характеристики
индукции, по получаемым характеристикам силового фактора, по данным
прямого силового воздействия (при реализации принудительного перемещения
модельной феррочастицы).
. Определены основные параметры матричных рабочих зон сепарации, в том
числе на основании усовершенствованной, экспериментально подтвержденной
модели «поканального намагничивания гранулированной матрицы». Введено
понятие и аналитически установлено значение (1,44) фактора «сращивания
жгута» каналов, на основе чего предложен новый подход к описанию кривой
намагничивания матрицы.
. Установлены зависимости размагничивающего фактора матричной рабочей
зоны от ее относительного габарита, снижающего эффективность захвата
ферропримесей за счет ухудшения до 40% магнито-сорбционных свойств такой
зоны.
Практическая ценность работы.
. Разработки по контролю ферропримесей сыпучих сред положены в основу создаваемого нового стандарта (ГОСТ Р 55575-2013) и включены в Программу национальной стандартизации РФ. . Предложены, апробированы и рекомендованы к применению:
- опытно-расчетный метод магнитоконтроля содержания ферропримесей в различных средах, основанный на полученных с помощью разработанной модели операционно-функционального магнитоконтроля зависимостях убывания
масс выделяемых ферропримесей;
опытно-расчетный метод определения доли и содержания магнитоактивной фракции примесей в случаях контроля с традиционным определением концентрации железа (без выделения масс ферропримесей). В развитие известной модели с использованием двух и/или трех точек экспоненциального поглощающего экрана, предложен алгоритм совершенствования «трехточечного» варианта с использованием сравнительного тестирования дополнительных пошаговых опытных данных;
- методики определения параметров и характеристик рабочих зон захвата (магнитных сепараторов, фильтров, анализаторов) безматричного и матричного типа по специально получаемым данным: индукции с выявлением «излома» получаемой пошаговой характеристики, силового фактора, прямого силового воздействия (при реализации приема принудительного перемещения модельной феррочастицы), индукции и напряженности (при использовании потокоизмерительных петель) в приконтактных зонах гранул, средней индукции в матрице, размагничивающего фактора матрицы и ее эффективных каналов. . Осуществлены опытные и промышленные внедрения разработанных и запатентованных методов и средств магнитоконтроля, а также новых образцов аппаратов магнитной сепарации многочисленных рабочих сред разнопрофильных производств стройиндустрии, пищевой и полимерной промышленности и пр. Экономия от внедрения составила свыше 40 млн. руб. . Новизна разработок подтверждена 12-ю патентами РФ на изобретения и 1-им патентом на полезную модель.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
. Модель операционно-функционального магнитоконтроля ферропримесей
рабочих сред (материалов, сырьевых компонентов), основывающаяся на
аналитической экстраполяции зависимости убывания масс выделяемых
ферропримесей от числа проводимых операций.
. Результаты экспериментальных исследований и основные закономерности
силового воздействия на феррочастицы в рабочей зоне сепарации.
. Результаты анализа особенностей магнитного захвата феррочастиц при сухой
и мокрой магнитной сепарации.
. Результаты экспериментальных и теоретических исследований по
определению основных параметров рабочих зон сепарации, режимов сепарации.
. Результаты практической реализации предложенных методов контроля,
технических решений, совокупное применение которых в технологии магнитной
сепарации способствует повышению ее эффективности.
Личный вклад автора в работу. Работа является результатом многолетних теоретических и экспериментальных исследований автора в области контроля в технологии магнитной сепарации различных сред (материалов, сырьевых компонентов). Автор разработала модель операционно-функционального магнитоконтроля, ей принадлежат новые научные идеи по созданию и реализации усовершенствованного метода магнитоконтроля феррофракции различных рабочих сред. Автор предложила новые способы диагностики рабочих зон сепарации, определения их ключевых характеристик. Она явилась инициатором разработок, отраженных в новом ГОСТ, патентах на изобретения и материалах научного открытия. В опубликованных работах представлены результаты, выполненные лично автором и в соавторстве с коллегами, где автору принадлежат постановка задач, пути их решения, получение и обобщение результатов. При внедрении результатов автор всегда выступала организатором и разработчиком, принимала непосредственное участие в испытаниях разработок.
Реализация (внедрение) результатов работы. Подтверждены
включением в Программу национальной стандартизации РФ для создания нового
ГОСТа, актами (частично представлены в приложении): ОАО «Лыткаринский
завод оптического стекла», ЧАО «Интеркерама», ОАО «Роберт Бош Саратов»,
ОАО «Красный Октябрь», ООО «Одинцовская кондитерская фабрика», ОАО
«Раменский комбинат хлебопродуктов», ОАО «Лобненский завод строительного
фарфора», ОАО «Волховский комбикормовый завод», ОАО «Компания МАЙ»,
ЗАО «Солнечногорский завод ЕВРОПЛАСТ», Центральный институт
авиационного моторостроения им.Баранова, ОАО «Керамический завод Сокол», завод по производству кабеля ООО «ТД Паритет», ЗАО «Терна Полимер», ООО «SACMI MOSCA», ООО «Дмитровская плитка», и др. – более 50 предприятий. Экономия от внедрения составила более 40 млн. руб.
Реализация и внедрение результатов работы на разнопрофильных предприятиях отмечены премией Правительства РФ в области науки и техники для молодых ученых «за исследование и разработку новых методов магнитофоретической очистки жидкостей и сыпучих сред от феррозагрязнений при эксплуатации машин в производстве хлебных, полимерных и керамических изделий» (2009г.), золотой медалью международного салона промышленной собственности «Архимед» (2009г.) и соответствующим дипломом «за значимый
вклад в международное развитие науки и технологии». Автор удостоена также именной почетной медали «За заслуги в деле возрождения науки и экономики России», почетного диплома «За активную работу по развитию изобретательства в г.Москве», почетной грамоты победителя молодежного инновационного конвента Центрального федерального округа (2009г.).
Результаты работы использованы также в НИР, выполнявшихся автором по гранту Минобразования РФ (ТОО-13.0-711) по фундаментальным исследованиям в области технических наук, а также по Гранту Президента РФ для поддержки молодых кандидатов наук (МК-115.2007.8), материалах установленного нового физического явления (опубликованного в престижных физических изданиях) в области магнетизма дискретных сред, в учебных курсах, выполнении (под руководством автора) кандидатских диссертаций.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и
обсуждались на международных конференциях «International Conference of
Materials Science and Mechanical Engineering» (Куала Лумпур, Малайзия, 2013 и
Тайпей, Тайвань, 2014), на международной научно-практической конференции
«Общество, современная наука и образование: проблемы и перспективы»
(Тамбов, 2012), на 10-й юбилейной международной научно-практической
конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энерго- и
ресурсосбережение», (Туапсе, 2008), на 8-й международной конференции
«Multiphase Flow in Industrial Plants» (Альба, Италия, 2002г.), на научно-
практическом семинаре при МГУПП по актуальным вопросам
продовольственной безопасности (Москва, 2010), на международных
конференциях «РеПласт» (Москва, 2005, 2007гг.), на научно-практической
конференции «Индустрия пластмасс: сырье, оборудование, современные
технологии получения и переработки» (Москва, 2007), на Всероссийской научно-
технической конференции «Современные проблемы экологии» (Тула, 2008), на
Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и
технологии НМТ-2008» (Москва, 2008), на Всероссийской научно-технической
интернет-конференции «Экология и безопасность в техносфере» (Орел, 2008),
на научно-практических семинарах в рамках выставки «Зерно-комбикорма-
ветеринария» (Москва, 2008, 2010 гг.) и др.
Результаты работы также докладывались в различных организациях, в частности, в университетах Европы гг. Грац (Австрия), Болонья, Падова (Италия) во время научных стажировок, на заседании Совета директоров при префекте ВАО г. Москвы (Правительство Москвы, 2008), на Первом молодежном
инновационном конвенте Центрального федерального округа (г.Дубна, 2009),
при обсуждении НИР, выдвинутой в соавторстве на соискание Премии
Правительства РФ 2009г. в области науки и техники для молодых ученых: ОАО
НИИТ Автопром, АНО «Инновационный центр ВАО г.Москвы», МГУПП, ООО
«Ле-гранд», ООО «ПКФ Тара», ЗАО «Хлебокомбинат ПЕКО», МЭИ, завод
полимерного машиностроения «Тригла», МАДИ и др. Результаты
фундаментальных исследований, приведших к установлению нового
физического явления, докладывались в Научном центре «Нелинейной волновой механики и технологии РАН», МГУ им. М.В.Ломоносова и др.
Публикации. Результаты работы опубликованы в 118 научных статьях и докладах, из них 68 работ в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов докторских диссертаций, в т.ч. цитируемых Web of Science и Scopus, 13 патентах РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 10 глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы составляет 290 страниц, включая 112 рисунков, 16 таблиц, 456 ссылок на литературные источники и 22 приложения.
