Введение. Технология переработки одного из самых сложных видов отходов металлопроизводства — шлифовального шлама — с целью вторичного использования его компонентов в порошковой металлургии и литейном производстве требует выполнения ряда последовательных этапов: отделение технологической жидкости (ТЖ), сушка, разрушение конгломератов, измельчение и разделение твёрдых частиц шлама [1–10]. Последние два этапа переработки шламов, как показал проведённый анализ, являются наиболее трудоемкими, а применяемые для их реализации технические средства и устройства, несмотря на их многообразие, малоэффективны по ряду технико-экономических показателей [1–15]. Последние достижения в области магнетизма позволяют решить эту проблему на качественно новом уровне, используя вращающееся электромагнитное поле (рис. 1).

Применение вращающегося электромагнитного поля (ВЭМП) для переработки шлифовальных шламов позволяет исключить контактное взаимодействие конгломератов со стенками рабочей камеры и применение металлических бил или других средств разрушения и измельчения. Таким образом снижается материалоёмкость технических средств, повышается эффективность процессов разрушения конгломератов и измельчение металлических частиц шлама [16][17].

С целью раскрытия особенностей и основных закономерностей переработки шламовых отходов в устройствах с вращающимся электромагнитным полем проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, результаты которых представлены в данной статье.

Материалы и методы. Шлам, подлежащий разрушению и измельчению, представляет собой совокупность конгломератов произвольной формы, состоящих на 80–85 % из металлической стружки, что позволяет охарактеризовать конгломерат как твердое тело, обладающее ферромагнитными свойствами [14].

При нахождении конгломератов во вращающемся электромагнитном поле, характеризуемом индукцией 𝐵=𝐵v𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡 и угловой скоростью ω, они совершают сложное движение, приводя систему в магнитовибрирующее состояние. При этом формируется магнитовибрирующий слой (МВС), в условиях которого происходит их контактное взаимодействие и, как следствие, разрушение и измельчение.

Энергетическое состояние конгломератов в магнитовибрирующем слое описывается зависимостью в виде:

(1)

где 𝑝𝑚 — магнитный момент; Ам2;  — градиент поля, А/м2.

На основе уравнения (1) установлены энергетические условия разрушения конгломератов:

(2)

где 𝐸адг — адгезионная прочность конгломератов, Дж.

Условие измельчения ферромагнитных частиц шлама со степенью 𝑍𝑢 = 𝐷Н ⁄ 𝐷К исходя из (1) имеет вид:

(3)

где σ — предел прочности при разрушении феромагнитных частиц; Па; Dн и Dк — начальный и конечный эквивалентные диаметры частиц, м; Е — модуль упругости частицы, Па.

Для проведения исследований влияния электромагнитного поля на энергетическое состояние магнитовибрирующего слоя был применен индукционный метод (рис. 2), основанный на установлении связи ЭДС, наводимой в индукционном датчике с магнитной индукцией вращающегося электромагнитного поля.

В качестве датчика выбрана катушка индуктивности. Для создания катушки изготовлен каркас шириной (Н) 25 мм и наружным радиусом (R2) 17,5 мм. Обмоточный провод — ПЭЛ (ГОСТ 2 773–78) с диаметрами: по меди D1 = 0,15 мм, в изоляции D = 0,18 мм. Площадь сечения провода S = 0,01767 мм2. Измеренное сопротивление катушки составило 14,8 Ом. Индуктивность — 0,82 мГн. Общее число витков — 139, длина провода — 15,27 м. Расчетное сопротивление катушки (1 м — 0,99 Ом) R = 15,27×0,99 = 15,1 Ом.

Индуктивный датчик 2 и кювета 3 помещались в цилиндрическую рабочую зону устройства с вращающимся электромагнитным полем (рис. 1). Ток в цепи индуктивного датчика контролировался мультиметром и при различных режимах составлял 4,3–11,4 А. Индукционная ЭДС измерялась вначале без частиц шламовых отходов, а затем с исследуемыми образцами шламовых отходов при выбранных параметрах устройства с ВЭМП.

Конгломераты шламовых отходов во вращающемся электромагнитном поле под действием момента, стремящегося повернуть их вокруг центра масс, совершают с одной стороны вращательное движение, с другой — поступательное в направлении движения внешнего вращающегося электромагнитного поля. Таким образом, поведение магнитных моментов конгломератов под действием пондеромоторных сил можно охарактеризовать в плоскости измерительного витка индукционного датчика XOY как колебательно-вращательное и колебательно- поступательное движение по гармоническому закону в магнитном поле (рис. 3).

Наведенная ЭДС, в соответствии с законом электромагнитной индукции, равна:

(4)

где ψ = NΦ — потокосцепление; N — число витков измерительной катушки.

Выразим магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром витка индукционного преобразователя L с радиусом R, в следующем виде:

Φ = 𝐵𝑆к, (5)

где 𝑆к — площадь контура катушки; 𝑆к = 𝜋𝑟2; 𝑟 — средний радиус контура катушки, 𝐵 — индукция вращающегося электромагнитного поля. При этом:

𝐵 = 𝐵0. (6)

Выражение для расчета ЭДС многовиткового индукционного преобразователя следующее:

(7)

Оценка влияния индукции на характер взаимодействия между частицами шлама во вращающемся электромагнитном поле проводилась по изменению относительного сигнала ЭДС, наведенного в индуктивном датчике, согласно соотношению:

(8)

где ε и ε0 — ЭДС в датчике со средой и без неё соответственно.

Результаты исследования. На рис. 4, 5 представлены результаты исследования индукционным методом влияния вращающегося электромагнитного поля на энергетическое состояние частиц шлама, а на рис. 6–8 — основные технологические закономерности процесса разрушения конгломератов в устройствах с вращающимся электромагнитным полем.

Обсуждение и заключения. Проведенные с применением индукционного метода экспериментальные исследования наглядно показали, что динамические характеристики конгломератов шламовых отходов зависят от индукции вращающегося поля. Как показано на рис. 4, изменение индукции поля до значения В1 способствует росту энергетической активности конгломератов в магнитовибрирующем слое. Процессы, обеспечивающие технологический эффект разрушения конгломератов шламовых отходов размером 10 мкм, протекают более интенсивно. Дальнейшее увеличение индукции от B1 до B2 приводит к снижению энергетической активности конгломератов в магнитовибрирующем слое, что и показал индукционный метод.

Это связано с тем, что при увеличении индукции уменьшается степень хаотизации конгломератов и из них начинают формироваться цепочные комплексы, образуя так называемые «магнитные струны», скорость и амплитуда колебаний которых меньше скорости и амплитуды колебаний отдельных конгломератов. При B > B2 «магнитные струны» за счет роста магнитостатического взаимодействия принимают устойчивый характер, значительно снижающий эффект магнитовибрирования конгломератов шламовых отходов, практически сводя его к нулю при высоком уровне индукции вращающегося электромагнитного поля.

Результаты исследований, представленные на рис. 6–8, позволили сделать следующие выводы: