Повышение эффективности электродинамических сепараторов с бегущим магнитным полем

Для решения ряда актуальных задач в области вторичной цветной металлургии находит применение 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. В частности, электродинамические сепараторы используются при сборе и обработке вторичных цветных металлов: для извлечения металлов из различных сыпучих смесей (смешанные твердые отходы производства и потребления, отработанные формовочные пески литейного производства, автомобильный и другие виды смешанного лома) — для сортировки лома и отходов цветных металлов по сортам и крупности при подготовке к металлургическому переделу. Кроме того, электродинамическая сепарация является одним из немногих способов обогащения алюминиевых шлаков. Во всех указанных случаях достигается комплексный эколого-экономический эффект, поскольку возвращаются в переработку вторичные металлы, появляются возможности утилизации неметаллических фракций отходов, улучшается качество выплавляемых металлов и сплавов, уменьшается вредное воздействие на окружающую среду металлургических процессов.

В мировой практике для решения указанных задач чаще всего используются электродинамические сепараторы с бегущим (вращающимся) 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. В зависимости от решаемой технологической задачи для возбуждения бегущего магнитного поля могут использоваться трехфазные линейные индукторы, либо вращающиеся цилиндрические индукторы с постоянными магнитами или электромагнитами.

К сожалению в нашей стране технологии и установки электродинамической сепарации не получили достаточного распространения. Случаи применения сепараторов с бегущим магнитным полем единичны, поскольку зарубежное оборудование дорого, а предлагаемые рядом отечественных производителей установки имеют узкие области применения и не всегда работоспособны. Востребованность рассматриваемых устройств в технологиях цветной металлургии делает актуальными исследования и разработку электродинамических сепараторов с бегущим магнитным полем. Такие разработки ведутся в Уральском государственном техническом университете — УПИ (ныне Уральском федеральном университете) в содружестве с Уральским НИИ Академии коммунального хозяйства, ОАО «Уралэнергоцветмет» и рядом других организаций. В последние годы разработаны математические модели и методики расчета сепараторов на основе линейных индукторов, показана возможность распространения такой методики на расчет сепараторов с вращающимися цилиндрическими индукторами, спроектированы и созданы первые промышленные установки электродинамической сепарации для обработки металлосодержащих отходов. Опыт разработки и эксплуатации электродинамических сепараторов показывает необходимость дальнейшего развития теории таких устройств и совершенствования их конструкций для повышения эффективности их работы. В частности остаются трудности при сепарации мелких фракций металлов (с крупностью кусков менее 40 мм), а также материалов с малой удельной электропроводностью (например, алюминиевых шлаков).

Исследования автора, результаты которых изложены в настоящей работе, направлены на решение указанных вопросов за счет совершенствования конструкций магнитной системы сепараторов с вращающимися индукторами, а также за счет оптимизации конструкции и параметров механических частей установок, отличающихся, прежде всего, способом подачи сепарируемых материалов и отвода продуктов разделения. Решение таких вопросов потребовало развития и апробации математической модели сепаратора с вращающимися индукторами с учетом появления дополнительных элементов магнитной системы (обратного магнитопровода и магнитных шунтов), а также создания методик расчета сепараторов, учитывающих совместное действие на извлекаемые проводящие тела электромагнитных и конкурирующих механических сил. В ходе работы были созданы и испытаны опытные образцы установок электродинамической сепарации, отличающиеся как конструкцией электромагнитного ядра, так и способами подачи и отвода материалов. Результаты экспериментальных исследований использованы для оценки достоверности методик расчета, проверки ряда теоретических положений, а также для апробации некоторых реальных технологий сепарации.

Основные исследования, результаты которых представлены в работе, 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-УральскийНПФ «Полимер-Про» (г. Москва), ОАО «Уралпрогресс», г. Екатеринбург) и др.

Таким образом, область исследования можно определить как специальные электрические машины и электромеханические устройства технологического назначения. Объектом исследования являются электродинамические сепараторы с бегущим магнитным полем на основе трехфазных линейных индукторов и вращающихся цилиндрических индукторов с постоянными магнитами (электромагнитами).

Цель диссертационной работы: Создание энергоэффективных устройств электродинамической сепарации для сбора и обработки лома и отходов вторичных цветных металлов.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Разработка и апробация математической модели электродинамических сепараторов с вращающимися цилиндрическими индукторами при наличии дополнительных элементов магнитопровода.

2. Исследование влияния конструкции и размеров дополнительных элементов магнитопровода на характеристики магнитного поля в зоне сепарации и на показатели электродинамического сепаратора.

3. Разработка методик расчета электродинамических сепараторов с учетом совместного действия электромагнитных и конкурирующих механических сил.

4. Исследование влияния конструкции и параметров механической части устройств электродинамической сепарации на энергетические характеристики сепараторов.

5. Получение практических рекомендаций по разработке электродинамических сепараторов, предназначенных для обработки мелкой фракции металлосодержащих отходов и сепарации материалов с малой электропроводностью.

6. Создание опытных образцов электродинамических сепараторов, их экспериментальные исследования, включая апробацию конкретных технологических операций по заказам предприятий.

Методы исследования и достоверность результатов:

В теоретической части диссертационной работы использовались методы теории электромагнитного поля и теории электрических машин. Математическая модель электродинамического сепаратора с вращающимся цилиндрическим индуктором построена на основе решения полевых задач в двухмерной постановке. Расчеты сепараторов с учетом совместного действия электромагнитных и конкурирующих механических сил базируются на решении уравнений движения и уравнений энергетического баланса извлекаемых проводящих тел. Основные результаты получены на основе вычислительных методов с использованием возможностей математических пакетов.

Е1си1 и Майтсас! и физических экспериментов на опытных образцах сепараторов и индукторов, созданных в лаборатории. Достоверность математических моделей и результатов расчетов проверялась сравнением с экспериментальными данными.

Научная новизна:

1. С учетом особенностей электромагнитных процессов в электродинамических сепараторах на базе вращающихся цилиндрических индукторов с дополнительными элементами магнитопровода обоснован выбор их математической модели, основанной на решении полевых задач в двухмерной постановке.

2. Выявлены закономерности распределения магнитного поля в активной зоне рассматриваемых сепараторов при установке обратного магнитопровода и магнитных шунтов. Показано, что при рабочих зазорах более 5 мм влияние высших гармоник поля на электромагнитное усилие извлечения не превышает 5−7%.

3. На основе решения уравнений движения и уравнений энергетического баланса для извлекаемых проводящих тел разработаны методики расчета сепараторов с учетом совместного действия электромагнитных и конкурирующих механических сил для различных типов индукторов и способов подачи сепарируемых материала.

4. Выявлены закономерности изменения требуемого удельного электромагнитного усилия при изменении параметров механической части сепаратора. Показана необходимость и возможность оптимизации сепараторов с целью повышения их энергоэффективности.

Практическая ценность:

1. Разработана методика электромагнитного расчета сепараторов с вращающимися цилиндрическими индукторами и дополнительными элементами магнитопровода. Выполнена апробация методики путем сопоставления с данными экспериментов, показавшего хорошее качественное и количественное совпадение зависимостей (погрешности расчета электромагнитного усилия в широком диапазоне изменения параметров не превышают 15−20%).

2. Для усиления магнитного поля в активной зоне сепараторов с вращающимися индукторами предложены конструкции, имеющие дополнительные элементы магнитопровода (обратный магнитопровод и (или) магнитные шунты). Показано, что их применение ведет к существенному (в несколько раз) увеличению электромагнитного усилия извлечения.

3. Теоретически и экспериментально показано влияние размеров дополнительных магнитопроводов и магнитных шунтов на характеристики сепараторов (прежде всего, на удельное электромагнитное усилие).

4. Выполнены исследования сепараторов с различными типами индукторов и способов подачи сепарируемых материалов с учетом совместного действия электромагнитных и конкурирующих механических сил. Показаны пути снижения удельных электромагнитных усилий и повышения энергоэффективности сепараторов за счет выбора параметров механической части установок.

5. В результате исследований определены требования к электродинамическим сепараторам, предназначенным для обработки мелких фракций отходов и материалов с низкой электропроводностью. Показано, что наиболее эффективно применение сепараторов с вращающимися индукторами, создающими бегущее магнитное поле повышенной частоты (100 — 800 Гц).

6. Созданы опытные образцы электродинамических сепараторов с различными типами индукторов, на которых выполнен большой объем экспериментальных исследований и проведена апробация ряда технологий, в том числе по заданию предприятий — заказчиков.

Реализация работы: Основные рекомендации, полученные в работе воплощены в опытных установках электродинамической сепарации, созданных в лаборатории УГТУ-УПИ, и предоставлены заинтересованным предприятиям. В частности, результаты исследований установок для разделения лома медных сплавов по сортам переданы в НПФ «Металл-Комплект» (г. Каменск-Уральский). Предприятию «Полимер-Про» (г. Москва) переданы результаты расчетов и экспериментов на имеющихся в лаборатории установках, доказывающие возможность отделения частиц алюминиевой фольги от дробленых пластиковых отходов и предложения по созданию сепараторов. По заказу предприятия «Уралпрогресс» (г. Асбест) выполнены исследования по обогащению алюминиевых шлаков, определены параметры, требуемые для создания сепараторов. Созданные установки и методики расчета используются также в учебном процессе кафедр «Электрические машины» и «Электротехника и электротехнологические системы» УГТУ-УПИ (УрФУ), прежде всего при выполнении УИРС и НИРС, в курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на научно-технических конференциях:

1. 12-я Международная НТК «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Украина, Алушта- 2008).

2. Международная НТК «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы» (Екатеринбург- 2007, 2011).

3. Международная НТК «Успехи современной электротехнологии» (Саратов, 2009).

4. Международная НТК «Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах» (Севастополь, Украина, 2010).

5. Международная НПК «Инновационная энергетика — 2010» (Новосибирск, 2010).

6. Всероссийская НТК «Актуальнее проблемы энергои ресурсосберегающих электротехнологий» (Екатеринбург- 2006, 2011).

7. Всероссийская НПК «Энергои ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург- 2010).

8. Всероссийская НПК «Экологические проблемы промышленных регионов» (Екатеринбург- 2004, 2006, 2008).

9. Межвузовская НПК «Автоматизированные информационные и электроэнергетические системы» (Краснодар, 2010).

10. НПК «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» (Екатеринбург- 2003;2010).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 24 печатные работы, в том числе в изданиях рекомендованных ВАК — 5.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти основных разделов, заключения и содержит 129 страниц текста, включает 73 рисунка, 5 таблиц, список литературы из 89 наименований.

Основные результаты представляемой диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Выполнен патентно-библиографический обзор и показана актуальность разработки устройств электродинамической сепарации в бегущем магнитном поле, применяемых на различных стадиях заготовки и производства вторичных цветных металлов. Обоснована необходимость совершенствования сепараторов с целью повышения их эффективности, в первую очередь, сепараторов, предназначенных для обработки мелких фракций лома цветных металлов (с размерами менее 40 мм) и для обработки материалов с низкой электропроводностью.

2. Проанализированы особенности электромагнитных процессов в электродинамических сепараторах с вращающимися цилиндрическими индукторами и дополнительными элементами магнитной системы (обратный магнитопровод и (или) магнитные шунты) и обоснован выбор их расчетной модели. Разработана методика электромагнитного расчета таких сепараторов, сочетающая численные методы расчета магнитных полей сложной конфигурации (пакет Е1сЩ) и расчет электромагнитных усилий по аналитическим выражениям, полученным при решении более простой задачи в двухмерной постановке. При этом исходной величиной для расчета электромагнитного усилия является амплитуда индукции магнитного поля в месте расположения проводящей пластины, определяемая при расчете поля.

3. Выполнена проверка достоверности рассчитываемых характеристик сепаратора на основании сравнения с экспериментальными данными ряда лабораторных установок, показавшая, что в широком диапазоне изменения параметров погрешности расчетов электромагнитных усилий не превышают 15−20%.

4. Показаны возможности усиления магнитного поля в активной зоне сепараторов за счет установки дополнительных элементов магнитной цепи (обратного магнитопровода и (или) магнитных шунтов), приводящего к увеличению электромагнитного усилия извлечения в несколько раз.

5. Проанализированы искажения магнитного поля при наличии дополнительных элементов магнитной цепи, показано, что для исследованных сепараторов при расстояниях от поверхности индуктора более 5 мм, характерном для работы реальных устройств, возмущение усилия от действия высших гармоник не превышает 5−7%. Дана оценка влияния размеров дополнительного магнито-провода и магнитных шунтов на характеристики сепараторов с вращающимися цилиндрическими индукторами.

6. Показано, что применение дополнительных элементов магнитопровода позволяет использовать при сепарации меньшие рабочие частоты магнитного поля. Отмечено, что при малых размерах проводящих тел (Ъ < 40 мм) и низкой электропроводности экстремумы зависимостей достигаются при частотах выше 400 Гц, и в большинстве случаев электромагнитные усилия в рассматриваемых сепараторах монотонно увеличиваются с ростом частоты.

7. Обоснована необходимость системного подхода к расчету электродинамических сепараторов как сложного электромеханического устройства с учетом совместного действия электромагнитных и конкурирующих механических сил. Показано изменение характера механических сил сопротивления при изменении способов подачи и отвода сепарируемых материалов. Предлагается проектирование сепараторов выполнять на основе взаимосвязанных электромагнитного расчета и расчета процессов массопереноса, в простых случаях сводимого к решению уравнений движения извлекаемых проводящих тел.

8. На основе решения уравнений движения и уравнений энергетического баланса для извлекаемых проводящих тел разработаны методики расчета сепараторов с учетом совместного действия электромагнитных и конкурирующих механических сил для различных типов индукторов и способов подачи сепарируемых материала. Выявлены закономерности изменения требуемого удельного электромагнитного усилия при изменении параметров механической части сепаратора. Показана необходимость и возможность оптимизации сепараторов с целью повышения их энергоэффективности.

9. Выполнены теоретические исследования сепараторов с различными типами индукторов и способами подачи сепарируемых материалов с учетом совместного действия электромагнитных и конкурирующих механических сил. Показаны пути снижения удельных электромагнитных усилий для сепараторов, предназначенных для обработки мелких фракций и материалов с низкой электропроводностью.

10. При непосредственном участии автора созданы опытные образцы электродинамических сепараторов с различными типами индукторов, на которых выполнен большой объем экспериментальных исследований и проведена апробация ряда технологий, в том числе по заданию предприятий — заказчиков.

Основная часть исследований выполнялась в интересах заинтересованных предприятий для оценки возможностей реализации ряда технологических операций (сортировка медьсодержащих сплавов, извлечение металла из отходов, обогащение алюминиевых шлаков). Результаты исследований и предложения по созданию промышленных образцов сепараторов переданы на предприятия: НПФ «Металл-комплект», г. Каменск-УральскийНПФ «Полимер-Про», г. МоскваОАО «Уралпрогресс», г. Асбест.

Кроме того, 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.

Результаты исследований отражены в 24 публикациях [41, 43, 54−55, 63, 67, 72−89]. Непосредственное участие автора заключалось в создании опытных установок, подготовке и проведении экспериментов, выполнении расчетов на ЭВМ, анализе и систематизации полученных результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.