Теоретические основы процесса электродинамической сепарации

По физическим свойствам цветные металлы относятся к неферро­магнитным электропроводным веществам, поэтому при изменении про­низывающего их магнитного потока в них возникают вихревые токи, которые являются индукционными и возрастают с увеличением скоро­сти изменения магнитного потока. В отличие от электрического тока в проводах вихревые токи замыкаются непосредственно в проводящей массе, образуя вихреобразные контуры. Эффектом взаимодействия кон­туров тока с породившим их магнитным потоком является выталкива­ние неферромагнитных металлов из магнитного поля (из зоны сепара­ции). В процессе электродинамической сепарации, таким образом, ис­пользуется силовое взаимодействие магнитного поля и индуцирован­ных в проводниках вихревых токов.

Для извлечения из ТБО цветных металлов чаще всего используется электродинамическая сепарация в бегущем или вращающемся магнит­ном поле, которое, подобно вращающемуся магнитному полю асин­хронной машины, может создаваться обмоткой трехфазного тока (ли­нейные асинхронные двигатели ЛД) или при относительном перемеще­нии барабана (ленты) и многополюсной магнитной системы (рис. 5.45).

Общий вид электродинамического сепаратора в виде линейного дви­гателя, установленного под конвейерной лентой, транспортирующей ТБО, показан на рис. 5.46, в виде вращающегося магнитного ролика, встроенного в приводной барабан ленточного конвейера - на рис. 5.47.

Бегущее магнитное поле порождается электрическим полем (током смещения): электромагнитная система с обмоткой трехфазного тока со­здает синусоидальное бегущее поле при наложении трех синусоидаль­ных полей, сдвинутых относительно друг друга на угол 2/3π; в каждой точке электромагнитной системы трехфазного тока бегущее поле созда­ется за счет смещения фаз обмотки относительно друг друга.

Общий вид индуктора линейного двигателя промышленного типа с уложенной в пазы обмоткой трехфазного тока, создающей бегущее ма­гнитное поле, показан на рис. 5.48 (ширина активной части индуктора - 260 мм, длина - 726 мм, полюсный шаг - 66 мм, число пазов - 65, ско­рость бегущего магнитного поля 6,6 м/с, мощность двигателя - 10 кВт).

На рис. 5.49 дана характеристика магнитного поля на поверхности индуктора линейного двигателя и на различном расстоянии от его поверхности.

Магнитную индукцию В₇ на различном расстоянии от поверхности индуктора рассчитывают по формуле:

Из рис. 5.49 следует, что с увеличением расстояния по высоте от по­верхности сепаратора магнитная индукция резко снижается (с 0,19 Тл до 0,12 Тл уже на высоте 10 мм над поверхностью сепаратора промыш­ленного типа), в связи с чем существенное влияние на результаты сепа­рации должны оказывать правильный выбор толщины конвейерной ленты и обеспечение по возможности однослойной подачи ТБО в рабо­чую зону индуктора. Из рисунка также видно, что магнитная индукция существенно снижается по периферической зоне сепаратора («краевой» эффект). Как показали исследования, магнитная индукция зависит, кро­ме того, от мощности линейного двигателя (снижение мощности двига­теля в десять раз приводит к снижению величины магнитной индукции на поверхности двигателя в два раза).

а) б)

а - сепарация происходит; б - сепарация отсутствует

На рис. 5.50 показана типовая осциллограмма процесса электроди­намической сепарации диа- и парамагнитных веществ, позволяющая определить формы и измерить амплитуду электрических сигналов, воз­никающих в процессе сепарации; схема измерения параметров электро­магнитного поля во время прохождения через индуктор цветных метал­лов показана на рис. 5.51 (методика измерений основана на использова­нии серийного металлоискателя МП-2С, генератор частоты которого за­менен на индуктор линейного двигателя ЛД).¹

Как видно из рис. 5.50, осциллограмма процесса электродинамиче­ской сепарации цветных металлов имеет вид синусоидальных колеба­ний с ярко выраженными максимальными Е_тах и минимальными Е_т!п амплитудами ЭДС индукции. В отсутствие металла характеристикой магнитного поля во времени являются синусоидальные колебания с постоянной амплитудой Е, условно принятой за единицу (действующее значение Е в отсутствии металла равно 0,3 В). При прохождении образ­ца цветного металла через контролируемую датчиком зону за время Х₂ появляется кратковременный импульс (с амплитудой, пропорциональ­ной массе и поверхности металла), характеризующий возмущение, ко­торое создает образец в бегущем поле, разрушая первичный магнитный поток. Система приходит в равновесие при удалении образца цветного металла из магнитного поля: либо под действием силы, достаточной для выброса образца за пределы индуктора (рис. 5.50, а - сепарация происходит), либо с помощью движущейся конвейерной ленты (рис. 5.50, б - сепарация отсутствует).

Возбуждение и сила индуцированных в проводнике токов зависят как от параметров первичного магнитного поля, так и от физических свойств проводника, его размеров и формы.

По способности подвергаться электродинамической сепарации цветные металлы характеризуются параметром а/р - отношением элек­трической проводимости к плотности: чем выше это отношение, тем легче, при прочих равных условиях, извлекается металл электродинамической сепарацией (табл. 5.7).

Плоские частицы легче поддаются действию отклоняющих сил и, следовательно, легче отделяются от неметаллических материалов. Од­нако в ТБО содержится довольно много металлических частиц сфери­ческой или цилиндрической формы, которые хуже поддаются действию отклоняющих сил из-за того, что под влиянием вихревых токов они на­чинают совершать вращательное движение. Сепарация, основанная на использовании вихревых токов, осуществляется тем труднее, чем мень­ше размеры сепарируемых частиц.

Результатом взаимодействия магнитного поля и вихревых токов, индуцируемых в частицах цветного металла, является возникновение выталкивающей электродинамической силы, действующей на цветной металл.

При рассмотрении схемы сил, действующих на частицу цветного металла при его перемещении в магнитном поле, для упрощения допус­кается (рис. 5.52), что магнитное поле создается сильными постоянными (например, самарий-кобальтовыми или феррито-бариевыми) магнитами, расположенными под немагнитной декой, установленной под углом к го­ризонту, а проводник I представляет собой кольцо, диаметр которого значительно меньше магнита. Максимальная ЭДС возникает, когда про­водник пересекает границу между соседними магнитными пластинами противоположной полярности (переход из зоны над северным полюсом в зону над южным). Магниты наклонены к оси деки под углом 45°.

Когда проводник 1 проходит последовательно зону южного полюса магнита и зону северного, в нем возбуждаются вихревые токи, направ­ленные по часовой стрелке (см. рис. 5.52, а). В итоге на проводник 1 дей­ствует результирующая сила F₁, которая находится в плоскости магнита 2 и направлена перпендикулярно магнитным полосам. Силу F₁, можно раз­ложить на две составляющие:F_х. и перпендикулярную к ней F_у.

Аналогично, когда проводник 1 движется из зоны над северным по­люсом в зону над южным, в нем возбуждается вихревой ток, направлен­ный против часовой стрелки. В результате на проводник 1 действует си­ла F₂ которую также можно разложить на F_х и F_у (см. рис. 5.52, б).

Составляющие F_х сил F₁, и F₂ замедляют скорость движения частицы, поскольку они противоположны вектору V. Однако составляющие F_х ма­лозначимы в сравнении с силой тяжести, воздействующей на частицу.

Решающее влияние на движение частицы оказывают составляющие F_у сил F₁, и F₂, поскольку они действуют последовательно в одном на­правлении и перемещают частицу (проводник 1) в боковом направле­нии из потока немагнитных материалов. Смещение проводника в боко­вом направлении пропорционально отношению его электрической про­водимости к плотности.

В результате, как показано на рис. 5.52, в, смесь материалов 3, по­падая в рабочую зону, разделяется на компоненты, при этом непроводя­щие материалы 4 собираются в бункере 5 и частично 6, а проводящие компоненты, в которых возбуждаются вихревые токи, — в бункере 8 и частично в бункере 7.

Боковое смещение p зависит от ширины зоны сепарации 2b, вдоль которой перемещается проводник от северного полюса к южному (см. рис. 5.52, г). Кривая 9 характерна для проводников плоской формы. Верхняя часть кривой 9 показывает, что боковое смещение стремится к определенному значению, когда зона сепарации 2b намного превышает полюсный шаг т(в этом случае разделять можно не только смесь нефер­ромагнитных электропроводных веществ и неэлектропроводных, но и сами цветные металлы по видам). Нижняя часть кривой 9 показывает, что когда2b намного меньше т, боковое смещение пропорционально 2b ². В общем случае боковое смещение неферромагнитного электро­проводного вещества существенно зависит от размеров индуктора.

На рис. 5.53 дана иллюстрация поведения частицы цветного ме­талла в бегущем магнитном поле, создаваемом обмоткой трехфазного тока, распределенной в пазах сердечника. На рис. 5.53, а изображен индуктор с шестью пазами на полюсное деление (сепаратор промыш­ленного типа) и распределение магнитного потока вдоль его поверх­ности в момент времени t. Если в бегущее магнитное поле ЛД 1 по­местить (рис. 5.53, б, в) образец в виде диска 2 из диамагнитного или парамагнитного вещества (алюминия, меди), то в нем индуцируется электродвижущая сила (ЭДС индукции) Е и возникают вихревые то­ки i, которые вступают во взаимодействие с первичным магнитным потоком, изменяя его индукцию. В итоге появляется сила F₁, имею­щая направление, определяемое по правилу левой руки, и приводя­щая диск в движение.

а — распределение магнитного потока вдоль индуктора ЛД; б — силы, возникающие при перемещении частицы по поверхности сепаратора; в — перемещение частицы цветного металла дискообразной формы по поверхности сепаратора; 1 —линейный двигатель; 2 — образец цветно­го металла; 3 — конвейерная лента

ЭДС индукции в образце при его пересечении магнитными линия­ми пропорциональна индукции магнитного поля, скорости бегущего магнитного поля и размерам образца:

Е=В·V·1,

где В - магнитная индукция, Тл;

V - скорость бегущего магнитного поля, м/с;

1 — активная длина образца, м.

Скорость движения бегущего магнитного поля, соответствующего движению волны магнитной индукции В, равна:

Величина ЭДС пропорциональна магнитной индукции того участка магнитного поля, который в данный момент пересекает образец. Ток i в проводнике будет запаздывать по фазе относительно вызывающей его ЭДС на угол ϕ. Отсюда в момент, когда магнитный поток имеет макси­мальное значение и ЭДС, индуцированная в проводнике, максимальна, ток ещё не достигает максимума, а продолжает возрастать. Поэтому силу взаимодействия между током в образце и магнитным полем теоретичес­ки рассчитать очень сложно. В общем виде эта сила пропорциональна то­ку и магнитной индукции, а также зависит от размеров и формы образца:

F=i · B · l, Н

Можно также утверждать, что сила F пропорциональна магнитному моменту М вещества и градиенту индукции магнитного поля grad В (в неоднородном магнитном поле образец с индуцированным током будет втягиваться в область более сильного поля):

F = M-grad В

Для проведения электродинамической сепарации необходимо, что­бы неферромагнитное электропроводное тело (диск) было вынесено из зоны сепарации, т.е. электропроводному телу должно быть сообщено ускорение а.

В общем виде уравнение движения неферромагнитного электро­проводного тела в бегущем магнитном поле имеет вид:

т·а = F- F_сопр – m · g,

где m - масса неферромагнитного электропроводного тела, кг;

а - ускорение, сообщенное неферромагнитному электро­проводному телу, м/с²;

F_сопр ^_ сила сопротивления, Н;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

F - выталкивающая электродинамическая сила, возникающая при взаимодействии электропроводного тела с бегущим магнитным полем, Н.

Сила сопротивления при проведении электродинамической сепара­ции в основном определяется силами трения между образцом 2 и по­крытием ЛД (конвейерной лентой 3). Сила трения, препятствующая вы­носу образца из зоны сепарации, приложена к образцу проводника вдоль поверхности его соприкосновения и всегда направлена в сторону, противоположную его перемещению.

Электродинамическая сепарация осуществляется в случае, если вы­талкивающая электродинамическая сила преодолевает силу трения и силу тяжести и сообщает образцу движение. Сила трения не зависит от площади проводящего тела, а зависит от качества обработки поверхно­стей образца и покрытия индуктора ЛД.

Результирующая сила F, действующая на образец, складывается из двух сил: силы F₁, которая действует в направлении бегущего магнитно­го поля и, собственно, определяет выталкивание неферромагнитного электропроводного вещества из зоны сепарации, и силы F_в, которая обусловливает возникновение вращающего момента (направлен против часовой стрелки).

Теоретическое вычисление силы F, как отмечено, затруднено, по­этому при изучении процесса электродинамической сепарации целесо­образно силу, действующую на образцы цветного металла, помещенные в бегущее магнитное поле, определять экспериментально.

На рис. 5.54 показан общий вид экспериментальной установки для измерения выталкивающей электродинамической силы. Установка со­стоит из линейного двигателя 1, создающего бегущее магнитное поле; испытуемого образца цветного металла 2; динамометра 3 с самописцем 4, записывающим величину силы на масштабно-координатную бумагу 5.

1 - лабораторный линейный асинхронный двигатель (мощность 1 кВт); 2 - образец цветного металла; 3 - динамометр; 4 - самописец;

- масштабнокоординатная бумага „

Покрытие индуктора: а — гетинакс; б — конвейерная лента;

2, 3 и 4 - диаметр образцов, соответственно, 60, 50, 40 и 30 мм

Экспериментальные кривые зависимости электродинамической си­лы Р от удельного давления (1 образцов алюминия (отношение массы образца к площади поперечного сечения) имеют четко выраженный максимум (рис. 5.55): извлекающая способность сепаратора снижается как с ростом, так и с уменьшением удельного давления выше или ниже определенного значения и во многом зависит от коэффициента трения поверхности разделения; так, выталкивающая сила существенно снижается при замене гетинакса в качестве покрытия индуктора на резино­вую ленту. Снижение извлекающей способности сепаратора с ростом удельного давления образцов объясняется возрастанием влияния силы тяжести.

Выталкивающая сила F зависит, при прочих равных условиях, от геометрических размеров и формы образца (от площади поперечного сечения образца и от его высоты). Геометрию образца данного металла условно можно характеризовать как отношение его диаметра к высоте, что допустимо, поскольку в ТБО часто встречаются неферромагнитные электропроводные компоненты цилиндрической формы (разнообраз­ные баллончики, банки и т.п.).

Кривые зависимости электродинамической силы от отношения диаметра образца к его высоте (на примере алюминия и бронзы) имеют максимум, на абсолютную величину которого влияют (рис. 5.56 и 5.57):

а) 6)

а — при использовании конвейерной ленты толщиной 8 мм;

б — при использовании конвейерной ленты толщиной 8 мм с бумажной подложкой;

1 — алюминий; 2 — бронза;

--------------------- - постоянный режим сепарации;

- - - - - - - - - - - - - - импульсный режим сепарации

• вид металла (параметр о/р);
• расстояние от индуктора до образца;
• коэффициент трения поверхности разделения;
• режим работы сепаратора (постоянный или импульсный).

Из рис. 5.56 и 5.57 следует; что замена конвейерной ленты толщи­ной 8 мм на ленту 4 мм способствует повышению силы F в 1,5-2 раза при постоянном режиме работы индуктора промышленного типа ЛД и в 3,5-4 раза при импульсном режиме его работы, причем значительно расширяется область сепарации как алюминия, так и бронзы. В то же время снижение коэффициента трения на ленте толщиной 4 мм способ­ствует увеличению силы F только для бронзы (рис. 5.57).

а — при использовании конвейерной ленты толщиной 4 мм; б — при использовании конвейерной ленты толщиной 4 мм с бумажной подложкой; 1 — алюминий; 2 — бронза

--------------------- - постоянный режим сепарации;

- - - - - - - - - - - - - - импульсный режим сепарации

Таким образом, при неизменных физических свойствах (отношение удельной проводимости о к плотности р) способность металла подвергать­ся электродинамической сепарации зависит от его размера и формы (отно­шения диаметра образца к его высоте), а для сепаратора данной конструк­ции - от режима его работы (постоянного или импульсного). Импульсный режим работы повышает извлекающую способность индуктора. Иными сло­вами, с целью интенсификации процесса сепарации электродинамическую силу можно направленно регулировать путем импульсной подачи тока в об­мотку линейного двигателя. Увеличение выталкивающей силы объясняется резким возрастанием тока при его импульсной подаче в обмотку индуктора.

Экспериментально установлено, что при неизменном полюсном шаге выталкивающая сила тем больше, чем больше площадь контакта образца с поверхностью сепаратора. При размерах образца меньше по­люсного шага величина выталкивающей силы зависит от местоположе­ния образца (от конкретного участка поля). При размерах образца менее 1/2 полюсного шага образец за счет действия сил переменной величины начинает испытывать вращательное движение в направлении, противо­положном бегущему магнитному полю.

Поскольку образец цветного металла в потоке ТБО может занимать любое произвольное положение на конвейерной ленте, в том числе та­кое, когда выталкивающая сила принимает наименьшее значение и мо­жет быть недостаточной для осуществления сепарации, в реальных ус­ловиях процесс следует осуществлять в несколько стадий, устанавливая сепараторы на разных конвейерах (при перегрузке образец займет иное, более благоприятное положение на ленте другого конвейера, что будет способствовать его извлечению из потока).

При любом положении образца импульсный режим работы сепара­тора обеспечивает большую величину выталкивающей силы.

На рис. 5.58 показана извлекающая способность промышленного электродинамического сепаратора применительно к алюминию в зави­симости от размеров образцов, соотношения их диаметров и высот, а также скорости конвейерной ленты. Область, в которой сепарация цвет­ных металлов не происходит, на рисунке заштрихована. Как следует из рис. 5.58, достаточно эффективно извлекается алюминий размером бо­лее 40 мм, при этом извлечение металла зависит от его подачи в зону се­парации, определяемой скоростью конвейерной ленты, транспортирую­щей ТБО.

------------------ — постоянный режим сепарации;

- - - - - - - - - - - — импульсный режим сепарации;

-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.- — сепарация отсутствует (при любом режиме)

Механизм влияния на показатели обогащения скорости подачи металла в зону сепарации связан с изменением ЭДС при пересечении образцами алюминия бегущего магнитного поля с различной скоростью. Как видно из рис. 5.59, с возрастанием скорости транспортирования об­разцов алюминия конвейерной лентой индуцируемая ЭДС повышается (по оси абсцисс отложено отношение диаметра образца D к его высоте h, по оси ординат - амплитудное значение Е = E_max - E_min, взятое по осцил­лограмме процесса электродинамической сепарации).

Резкий перегиб кривых свидетельствует, что условия сепарации не обеспечивают воз­никновение силы, достаточной для выброса образца за пределы индук­тора (сепарация отсутствует). В условиях импульсного режима сепарации при отношениях D / h > 2 индуцируемая ЭДС заметно меньше, чем при постоянном режиме, что объясняется резким возрастанием тока при его импульсной подаче в обмотку линейного двигателя и приводит к увеличению выталкивающей силы. Положительный эффект импульсного режима при сепарации связан также с уменьшением времени сепарации, т.е. повышением ее скорости.