Актуальность темы исследования. Электродинамические сепараторы с бегущим магнитным полем на основе линейных индукционных машин (ЛИМ) успешно применяются для извлечения цветных металлов из различных видов отходов производства и потребления (кабельный и автомобильный лом, отходы электро- и радиотехнической промышленности, отработанные формовочные пески литейного производства, твердые бытовые отходы и т.п.). Рассматриваемые технологические задачи можно разделить на два типа: в первом случае из потока обрабатываемых материалов выделяются металлические частицы, т.е. происходит разделение металлов и неметаллов, во втором происходит разделение проводящих частиц по физическим свойствам (сортировка лома цветных металлов, сепарация электронного лома и др.). При решении задач второго типа повышается эффективность последующих металлургических процессов: повышается качество выплавляемых сплавов, уменьшается энергопотребление, улучшаются экологические показатели. Для получения селективных концентратов сплавов цветных металлов электродинамические сепараторы практически не имеют альтернативы. В указанных случаях на сепарацию поступают дробленые материалы с крупностью частиц не более 40-50 мм. При этом ЛИМ сепаратора можно рассматривать как линейный асинхронный двигатель с вторичным элементом (ВЭ) малых размеров, в большинстве случаев меньшим половины полюсного деления т. С учетом возрастающих потребностей в сортировке лома и отходов цветных металлов разработка электродинамических сепараторов на основе ЛИМ с ВЭ малых размеров является актуальной.
Степень разработанности проблемы исследования. Как в нашей стране, так и за рубежом для электродинамической сепарации чаще всего используются сепараторы на основе индукторов с постоянными магнитами. Такие сепараторы отличаются малым энергопотреблением и позволяют извлекать металлические включения из потока смешанных отходов. Однако для индукционной сортировки лома и отходов цветных металлов такие сепараторы малоэффективны, так как не обеспечивают требуемой селективности разделения сплавов цветных металлов. Для решения такой задачи целесообразны электродинамические сепараторы на основе ЛИМ с подачей материалов по наклонной плоскости, позволяющие формировать требуемые траектории частиц разделяемых сплавов за счет подбора параметров как ЛИМ, так и механической части установки. К сожалению, разработке таких установок не уделяется достаточного внимания. В то же время физические процессы в ЛИМ с ВЭ малых размеров и в сепараторах на их основе имеют ряд особенностей, которые не позволяют использовать известные математические модели и методики расчета электродинамических сепараторов. Например, рассматриваемые ЛИМ характеризуются относительно малыми электромагнитными усилиями. При этом возрастает влияние на результаты сепарации механических сил, действующих на извлекаемые частицы. Методы расчета траекторий движения частиц с учетом совместного действия электромагнитных и механических сил также не разработаны.
Работа выполнялась на кафедре «Электротехника и электротехнологические системы» Уральского федерального университета в рамках госбюджетной НИР № Н975 42Б 00312/2 «Разработка научных основ и моделирование энергосберегающих электротехнологических и специальных электромеханических систем», а также по заказам предприятий ЗАО «НПФ «Металл-Комплект»» (г. Каменск-Уральский) и ЗАО «Южно-Уральский специализированный центр утилизации» (г. Миасс).
Цель исследования: разработка электродинамических сепараторов на основе линейных индукционных машин для обработки мелких фракций лома и отходов цветных металлов.
Для достижения данной цели решались следующие исследовательские задачи: разработка математических моделей и методик расчета как ЛИМ, так и электродинамического сепаратора в целом; выявление закономерностей протекания электромагнитных процессов в ЛИМ с малыми размерами ВЭ (менее 40 мм) и развитие теории таких машин; анализ факторов, влияющих на эффективность сепарации, при рассмотрении электродинамического сепаратора как электромеханической системы; разработка рекомендаций по проектированию и эксплуатации рассматриваемых сепараторов, а также апробация результатов исследований на опытных образцах.
Областью исследования в работе определены специальные электрические машины и электромеханические устройства технологического назначения.
Объектом исследования являются линейные индукционные машины с вторичными элементами малых размеров и электродинамические сепараторы на основе таких ЛИМ с подачей материалов по наклонной плоскости.
Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:
1. Разработаны алгоритмы и методики расчета электромагнитных сил, действующих на проводящие частицы в магнитном поле линейного индуктора, с учетом специфики физических процессов в ЛИМ с ВЭ малых размеров (менее 40 мм) на основе развития известных аналитических и численных методов расчета ЛИМ.
2. Разработаны математическая модель и методика расчета боковых электромагнитных сил, действующих на ВЭ малых размеров при входе их в магнитное поле ЛИМ и выходе из него.
3. Разработана математическая модель электродинамического сепаратора на основе ЛИМ с подачей материала по наклонной плоскости для расчета траекторий движения сепарируемых проводящих частиц с учетом совместного действия электромагнитных и механических сил.
4. Выявлены закономерности влияния на характеристики сепараторов различных параметров ЛИМ и механической части установок.
Теоретическая и практическая значимость работы:
1. Раскрыты особенности физических процессов в ЛИМ с ВЭ малых размеров и электродинамических сепараторах на их основе.
2. Разработаны методики и программы расчета тяговых и боковых электромагнитных сил с учетом специфики ЛИМ с ВЭ малых размеров.
3. Разработаны методика и программа расчета траекторий движения сепарируемых частиц в сепараторе на основе ЛИМ, предполагающие переход от решения нелинейных уравнений к решению линейных алгебраических уравнений за счет разбиения расчетных зон модели на участки малой длины, в пределах которых коэффициенты уравнений остаются постоянными.
4. Выявлены факторы, влияющие на эффективность сепарации. Получены рекомендации по выбору параметров ЛИМ и механической части установок.
5. Экспериментально подтверждены возможности индукционной сортировки сплавов цветных металлов и электронного лома.
6. Созданы опытные установки электродинамической сепарации, результаты исследований переданы предприятиям - партнерам.
Методология и методы исследований. В теоретической части работы использованы известные методы теоретической электротехники и теории электрических машин. Математические модели для расчета тяговых и боковых электромагнитных сил построены на основе решения полевых задач в двухмерной постановке. Решение системы нелинейных уравнений, описывающих движение сепарируемых проводящих частиц в сепараторе с учетом электромагнитных и механических сил, заменяется решением системы линейных уравнений, получаемой за счет разбиения зоны сепарации на участки малой длины. Методики расчетов реализованы в математических пакетах МаЙзсаб и Е1сЩ. Результаты расчетов проверены и дополнены данными экспериментальных исследований, полученных на опытных образцах сепараторов на основе ЛИМ.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Алгоритмы и методики расчета электромагнитных сил, действующих на проводящие частицы в магнитном поле линейного индуктора, с учетом специфики физических процессов в ЛИМ с ВЭ малых размеров (менее 40 мм).
2. Математическая модель и методика расчета боковых электромагнитных сил, действующих на ВЭ малых размеров при входе их в магнитное поле ЛИМ и выходе из него.
3. Математическая модель электродинамического сепаратора на основе ЛИМ с подачей материала по наклонной плоскости и методика расчета траекторий движения сепарируемых проводящих частиц с учетом совместного действия электромагнитных и механических сил.
4. Рекомендации по выбору параметров ЛИМ (полюсного деления и частоты) и механической части сепараторов (размеры плоскости подачи, угол ее наклона, скорость подачи, коэффициенты трения).
5. Рекомендации по подготовке лома и отходов цветных металлов, а также электронного лома к сепарации, полученные на основе анализа влияния различных факторов на селективность сепарации.
6. Результаты экспериментальных исследований опытных установок электродинамической сепарации и апробации технологий индукционной сортировки сплавов цветных металлов и сепарации электронного лома.
Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением результатов расчетов, полученных по разным методикам; сопоставлением с данными экспериментов; соответствием результатов расчетов физическому смыслу процессов в ЛИМ и сепараторе в целом.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях, семинарах, совещаниях. В том числе на II и III Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий» (Екатеринбург, 2011, 2014); X и XI Международных научно-технических конференциях «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» (Екатеринбург, 2011, 2012); 2-й и 4-й, Международных научно-технических конференциях «Эффективное и качественное снабжение и использование электроэнергии» (Екатеринбург, 2012, 2015); 7-й и 8-й Международных научно-технических конференциях «Система управления экологической безопасностью» (Екатеринбург, 2013-14); ХЕТУ Международной научно-технической конференции «Федоровские чтения» (Москва, 2014); Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2014); I и II Международной НТК «Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике» (Пермь, 2015, 2016).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 18 научных работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Содержит 137 страниц основного текста, 71 рисунок и 11 таблиц, список литературы, включающий 109 наименований и приложения.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
