эффект электромагнитного импульса - Магнитно

УДК 622.61
Магнитно-импульсная система
для предотвращения сводообразования и очистки от налипших сыпучих
материалов бункеров и других емкостей.
Борткевич С. П. (ООО НПП «МИТЭК»), Буховец Л. В. (ОАО «Беларуськалий»),
Вишняк Б. А. (ООО «ЗУМК – Инжиниринг», Матвиенко О. В. (ООО НПП «МИТЭК»)
АННОТАЦИЯ. Для обеспечения бесперебойного и равномерного выхода сыпучих
материалов из бункеров и емкостей различной конфигурации разработана и повсеместно
используется высокоэффективная магнитно-импульсная система для предотвращения
сводообразования, устранения зависаний и очистки стенок от налипших сыпучих
материалов.
Ключевые слова: технологический процесс, бункер,
установка, очистка, обрушение сводов и устранение зависаний.
магнитно-импульсная
Технологические процессы добычи и переработки руд в калийной отрасли
осложняются образованием сводов и зависанием руды и концентрата в бункерах и других
емкостях рудников и обогатительных фабрик. Зависание дисперсных солей и руд без
регулярного их обрушения, со временем приводит к кристаллизации, омоноличиванию и
заниманию значительного объема бункеров, что приводит к снижению коэффициента их
использования. До настоящего времени основными способами устранения зависаний и
очистки являлись ручная обработка путем нанесения ударов молотом по поверхности
бункера или применение электромеханических вибраторов.
Ручная очистка вследствие нанесения повреждений стенкам бункеров является
нежелательной и может рассматриваться только как аварийный режим эксплуатации
бункера. Кроме того, данный способ очистки как неэргономичный, малоэффективный, не
обеспечивающий бесперебойный и равномерный выход материала, должен быть
ликвидирован в условиях современного производства.
Использование электромеханических вибраторов для обрушения сводов сыпучих
материалов в калийном производстве также малоэффективно. Это связано с тем, что в
силу конструктивных особенностей бункеров и физико-механических свойств калийных
руд их истечение из бункера происходит в лучшем случае в так называемом режиме
трубообразования [1], когда над выпускным отверстием бункера существует достаточно
узкая зона движения загруженого материала, вокруг которой образуется застойные зоны,
где материал неподвижен. В худшем случае образуется свод (купол) над выпускным
отверстием, и выпуск материала из бункера вообще прекращается. В зонах застоя
калийные руды слеживаются, а при отрицательных температурах смерзаются, образуя
монолитные своды. Из-за большой массы зависших калийных руд и их высокой адгезии к
металлическим стенкам бункеров вибрация корпуса бункера с помощью
электромеханических вибраторов малоэффективна для их обрушения. В то же время,
создание вибраторами в очищаемой поверхности значительных внутренних
знакопеременных напряжений приводит к механическому разрушению как конструкций
крепления вибраторов к очищаемой поверхности, так и самой стенки бункера.
Основное назначение бункера – аккумулировать в себе достаточное количество
рудной массы, необходимое для обеспечения непрерывного дозирования заданного
значения весовой нагрузки в технологическом процессе. Так, эффективность процесса
измельчения в стержневой солемельнице зависит от определенного соотношения
количества подаваемой в мельницу руды и маточника, а также массы загруженных в нее
стержней. Соблюдение этих условий обеспечивает постоянство плотности слива
2
мельницы и его гранулометрического состава. Стабильность количества подаваемой из
расходного бункера в мельницу рудной массы обеспечивается весовым дозатором.
Слабым звеном этой технологической цепи является именно аккумулирующий
бункер, который по причине зависания на стенках рудной массы и прекращения ее подачи
в мельницу часто не обеспечивает непрерывность и эффективность процесса измельчения
руды.
Аналогичный процесс налипания на стенки и зависания материала, приводящий к
нарушению непрерывности производства, наблюдается на перегрузочных узлах
различных транспортных систем. Забивка течек перегрузочных узлов – это обычное
негативное явление. Частота остановок транспортных линий по этой причине очень
сильно зависит от свойств транспортируемого материала. Как правило, материал с
содержанием влаги более 1,0%, смешиваясь с пылевой фракцией, имеет очень высокую
склонность к налипанию с дальнейшим образованием сводов на стенках перегрузочных
течек.
Проблемной для многих производств является работа циклонов в составе
аспирационных систем. Освобождение циклонов от накопившейся пылевой фракции
требует продуманного и эффективного технического решения. В обогреваемых циклонах
процесс их освобождения от накопившейся пыли происходит при обеспечении
минимальной разницы в температурах окружающей циклон среды и материала,
находящегося в циклоне. В этом случае накопившаяся пыль под действием собственного
веса через специальные устройства (мигалки) выгружается на отводящий конвейер. Для
исключения влияния температуры окружающей среды на процесс выгрузки пыли в
помещении циклонов посредством дополнительного нагрева поддерживается
температура, близкая к температуре выгружаемого материала. Этот процесс является
достаточно энергоемким и, поэтому, затратным.
Наиболее эффективной технологией для решения проблем налипания, зависания и
сводообразования в бункерах, силосах, циклонах, течках и других емкостях в настоящее
время является магнитно-импульсная, основанная на использовании силового воздействия
импульсного магнитного поля на электропроводные материалы [2], [3]. Установки,
реализующие данную технологию, состоят из индукторов с якорями, подключенных к
импульсному источнику питания. В общем случае индуктор представляет собой плоскую
катушку, залитую механически прочным электроизоляционным компаундом в
изоляционном корпусе. Якорь выполнен из материала с высокой электропроводностью
(алюминий, медь) и расположен между индуктором и очищаемой поверхностью. При
пропускании через катушку индуктора импульсного тока в якоре наводятся вихревые
токи, возникает импульсная электромагнитная сила взаимного отталкивания якоря и
индуктора, в результате чего якорь оказывает силовое импульсное воздействие на
очищаемую поверхность.
Специалистами Научно-производственного предприятия «МИТЭК» (г. Николаев,
Украина) на основе магнитно-импульсного эффекта разработан новый способ очистки
поверхностей от различного рода отложений [4], суть которого заключается в следующем.
Очищаемую поверхность подвергают действию локальной упругой деформации,
возбуждаемой в этой поверхности одиночными механическими импульсами с амплитудой
колебаний, не превышающей значения, при котором механические напряжения в
очищаемой поверхности достигают предела усталости или предела циклической
прочности. Импульсы формируют с пологим передним и крутым задним фронтами,
длительность которых выбирается в зависимости от частотных характеристик очищаемой
поверхности в воздухе и в налипшем на очищаемую поверхность материале. В результате
воздействия на очищаемую поверхность такими одиночными механическими импульсами
в ней возникает локальная упругая деформация, а в толще налипшего материала –
напряжения сдвига. Совместное действие этих процессов нарушает целостность слоя
3
налипшего материала, разрушает адгезию материала к очищаемой поверхности и
приводит к ее очистке.
Устройство, реализующее данный способ очистки поверхностей, схематично
представлено на рис. 1.
Рис. 1. Устройство для очистки поверхностей от различного рода отложений:
1 – источник высоковольтного постоянного напряжения; 2 – накопительный
конденсатор; 3 – шунтирующий диод; 4 – тиристорный коммутатор; 5 – индуктор; 6 –
якорь; 7 – очищаемая поверхность; 8 – материал отложений; 9 – зазор; 10 – крепление
индуктора.
В этом устройстве якорь из высокопроводящего материала жестко закреплен на
очищаемой поверхности с зазором относительно индуктора. Такое исполнение
обеспечивает отсутствие механического препятствия очищаемой поверхности при
обратном ее перемещении под действием сил упругости и предохраняет индуктор от
механических воздействий, приводящих к его разрушению. В то же время, жесткое
закрепление якоря на очищаемой поверхности позволяет возбуждать в ней механические
импульсы, амплитуда и форма которых полностью определяются разрядным током,
протекающим через индуктор, и, следовательно, параметрами элементов разрядного
контура. При этом параметры элементов разрядного контура выбираются такими, чтобы
обеспечивать требуемое согласно разработанному способу очистки соответствие
длительности фронтов нарастания и спада механического импульса частотным
характеристикам очищаемой поверхности.
Данное техническое решение легло в основу разрабатываемых и производимых ООО
НПП
«МИТЭК» высокоэффективных
магнитно-импульсных
установок
ИМ,
предназначенных для:
- предотвращения и устранения зависаний материалов в металлических бункерах;
- очистки стенок металлических бункеров, силосов, различных перегрузочных
устройств и других поверхностей от зависших, налипших, примерзших сыпучих
материалов;
- встряхивания рукавов и электродов рукавных и электрофильтров с целью
регенерации фильтров;
- очистки стенок железнодорожных вагонов от налипших или примерзших
сыпучих материалов, в том числе, в составе вагоноопрокидывателей.
Области применения – во всех областях, использующих хранение и переработку
сыпучих материалов:
- металлургическая и горно-обогатительная (руда, шихта, концентрат, известняк,
уголь, формовочные смеси);
- пищевая (мука, комбикорма, сухое молоко);
4
- стройиндустрия (цемент, щебень, ПВХ композиция);
- газоочистка (отфильтрованные материалы).
С 1993 г. предприятием «МИТЭК» изготовлено и внедрено более 400 магнитноимпульсных установок ИМ на различных предприятиях Украины, России, Беларуси,
Словакии, Казахстана среди которых металлургические комбинаты «Азовсталь»,
«АрселорМиттал Кривой Рог», «Запорожсталь», Словацкий «U.S.Steel, s.r.o. Kosice»,
Алчевский МК, Днепровский МК, Енакиевский МЗ, Донецкий МЗ, Медногорский медносерный комбинат, Казахстанский «Казцинк», «Кузбасская топливная компания»,
«Беларуськалий», Запорожский «Укрграфит», «Воркутауголь», Михайловский ГОК,
хлебозаводы С.Петербурга, Киева, Харькова, Минска, кондитерские фабрики Луганска,
Днепропетровска, Донецка, цементные заводы, масло-сырзаводы, молокозаводы,
комбикормовые заводы и другие предприятия.
Установки ИМ применяются и на предприятиях по производству минеральных
удобрений, таких как «Аммофос», г.Череповец, «Фосфорит», г.Кингисепп, «Балаковские
минеральные удобрения», «Беларуськалий», пр. В частности, на последнем из
перечисленных предприятий внедрены и успешно эксплуатируются установки ИМ на
надшахтных приемных бункерах, накопительных бункерах отделения дробления,
перегрузочных бункерах, пр.
Установки ИМ имеют Сертификат соответствия СЕ № 812990007 по Директивам
электробезопасности и электромагнитной совместимости, Российский сертификат
соответствия ГОСТ-Р, Украинский сертификат соответствия УкрСЕПРО, разрешение на
применение магнитно-импульсных установок Федеральной службы по экологическому,
технологическому и атомному надзору России, разрешение ГОСПРОМНАДЗОРА
Республики Беларусь на применение установок ИМ на объектах, подконтрольных
ГОСПРОМНАДЗОРУ.
Схема оснащения бункеров магнитно-импульсной системой сводообрушения на
базе установки ИМ представлена на рис. 2.
Рис. 2 Схема оснащения бункеров магнитно-импульсной системой сводообрушения на
базе установки ИМ
В зависимости от емкости и конструкции бункера, толщины очищаемых стенок и
поверхностей, наличия ребер жесткости, физико-химических свойств и влажности
загружаемого материала на каждом из бункеров размещается от 1-го до 16-ти и более
исполнительных механизмов установки. При этом возможны различные варианты
конструкций крепления и размещения исполнительных механизмов на очищаемых
поверхностях. Кроме того, при высокой жесткости стенок (большая толщина, наличие
близко расположенных ребер жесткости) бункера с внутренней стороны оснащаются
дополнительными плоскими листами (вибролистами), имеющими по сравнению со
стенкой меньшую жесткость, на которые и производится силовое воздействие.
5
В состав базовой комплектации магнитно-импульсной установки ИМ входят
следующие блоки и элементы (рис. 3): силовой блок, пульт управления, кабель
управления, высоковольтные коаксиальные кабели, комплект исполнительных
механизмов, соединительные коробки.
Силовой блок, предназначенный для формирования мощных импульсов тока,
выполнен в виде пыле- и влагонепроницаемого шкафа и состоит из зарядного устройства,
емкостного накопителя энергии, блока тиристорных коммутаторов, систем управления и
защиты. Силовой блок выполнен многоканальным, при этом к каждому каналу могут
подключаться через соединительные коробки и высоковольтный коаксиальный кабель
один или два исполнительных механизма. Исполнительный механизм состоит из
индуктора и сталеалюминевой или сталемедной плиты. Пульт управления подключается к
силовому блоку при помощи кабеля управления.
Рис. 3. Состав базовой комплектации магнитно-импульсной установки
Установки ИМ выпускаются с различными энергетическими характеристиками,
определяющими максимально возможную величину механического импульсного
воздействия на очищаемую поверхность (от 0,6 кДж до 30,0 кДж), и с различным
количеством каналов (от одного до тридцати двух), определяющим число точек
импульсного воздействия, реализуемых одной установкой. Сила механического
воздействия и количество импульсов регулируются и выбираются достаточными для
гарантированного обрушения налипших материалов. При очистке поверхности (стенки
бункера) последовательно на каждый задействованный канал установки (пару
исполнительных механизмов) подается серия импульсов. Количество импульсов в серии и
интервал между ними регулируются: обычно 3 – 6 импульсов в серии и интервалом 3 – 8
секунд между импульсами. После последовательной подачи серий импульсов на все
задействованные каналы установка переходит в режим ожидания. Следующая подача
импульсов в исполнительные механизмы происходит согласно установленному режиму
работы (либо от ручного сигнала, либо от сигнала датчика, либо по установленной
программе). Примеры оснащения бункеров исполнительными механизмами установок
ИМ приведены на рис. 4 и рис. 5.
6
Рис. 4. Фотография размещения исполнительных механизмов установки ИМ на
бункере с доменным шлаком цементного производства
Рис 5. Фотография размещения исполнительных механизмов установки ИМ на
бункере с бокситом глиноземного производства
Основные преимущества магнитно-импульсных систем сводообрушения и очистки
на базе установок ИМ заключаются в следующем.
7









Более высокая эффективность магнитно-импульсных систем очистки, реализуемая
магнитно-импульсными установками ИМ, по сравнению с другими системами
(вибраторы, пневмообрушение) благодаря возможности согласования амплитудночастотных характеристик воздействующего импульса с физико-топологическими
параметрами бункера и сыпучего материала и, как результат, достижению
гарантированного обрушения налипшего материала с минимальными
энергетическими затратами;
Низкие эксплуатационные затраты. Магнитно-импульсные технологии по своей
сути являются энергосберегающими. Установленная мощность установок
составляет 0,5-4,0 кВА. Среднее потребление электроэнергии в рабочем режиме –
не более 0,2-0,5 кВт.час. В отличие от системы пневмообрушения не требуется
компрессоров и устройств подготовки (осушения) воздуха;
Повышение производительности труда, объемов выпускаемой продукции за счет
увеличения пропускной способности бункеров, конвейерных трактов, уменьшения
времени вынужденного простоя, связанного с ручной очисткой бункеров, течек,
загрузочных лотков агломашин, особенно в условиях использования шихтовых
материалов с высоким содержанием влаги;
Повышение качества, снижение брака готовой продукции благодаря
своевременному выходу материалов из бункеров, что способствует соблюдению
требований технологии производства;
Повышение безопасности труда за счет значительного уменьшения, в ряде случаев
случаях исключения необходимости применения ручного труда для очистки
бункеров и др. объектов. Конструктивное исполнение IP54 и бесконтактное
импульсное воздействие на стенку бункера обеспечивает возможность применения
установок ИМ в помещениях повышенной опасности;
Обеспечение целостности стенок бункеров при их очистке, в отличие от
применения эксцентриковых вибраторов или ручного труда;
Надежность и долговечность магнитно-импульсных систем за счет отсутствия в
исполнительных механизмах соударяющихся, вращающихся и трущихся частей,
применения оригинальных схемных решений, присутствия целого ряда защит от
нештатных режимов. Срок службы установок ИМ до капитального ремонта не
менее 10 лет. На практике при своевременном техническом обслуживании срок
эксплуатации значительно дольше;
Возможность функционирования установок ИМ как в ручном, так и в
автоматическом режимах, с реализацией различных алгоритмов работы, в
сопряжении с современными автоматизированными системами управления
технологическими процессами.
Магнитно-импульсные установки ИМ не оказывают вредного влияния на
чувствительные элементы контрольно-измерительной аппаратуры. Установки
имеют европейский сертификат СЕ по директивам электробезопасности и
электромагнитной совместимости, совместимы с различными тензометрическими
устройствами.
По сравнению с магнитно-импульсными установками других производителей
установки ИМ имеют следующие преимущества:
- наличие в исполнительных механизмах гарантированного зазора между индуктором
и жестко закрепленной на очищаемой поверхности стале-алюминиевой пластиной.
Благодаря такой конструкции реализуется запатентованный предприятием «МИТЭК»
способ полностью бесконтактного воздействия на очищаемую поверхность силовым
импульсом специальной формы, обеспечивающий как высокую эффективность
8
предотвращения сводообразования и очистки поверхности, так и надежность и
долговечность установок ИМ МИТЭК.
- существование типов установок ИМ, имеющих максимальную запасаемую энергию
до 30 кДж, которая в несколько раз превышает этот параметр в самых мощных установках
других предприятий. Благодаря этому установки ИМ МИТЭК применимы на сложных
объектах – бункера большой емкости (1000 тонн и выше) с мелкодисперсными и
увлажненными материалами.
Высокая эффективность в сочетании с надежностью и долговечностью, а также 20летний опыт работы и эксплуатации магнитно-импульсных установок ИМ позволяют
говорить о перспективности их использования для обрушения сводов и очистки
внутренних поверхностей бункеров и других емкостей в различных отраслях
промышленности.
Список литературы
1.
2.
3.
4.
Дженике Э. В. Складирование и выпуск сыпучих материалов. М., «Мир», 1968,
164 с. с ил.
Тютькин В. А. Магнитно-импульсный способ разрушения сводов и очистки
технологического оборудования от налипших материалов. – «Электротехника»,
2002, №11, с. 24-28.
Борткевич С. П., Матвиенко О. В. Магнитно-импульсная технология обрушения
сводов в портовых бункерах и очистки металлических поверхностей от
налипших сыпучих материалов. – «Портовые технологии и техника
мореплавания»: Сб. научных трудов. – 2007, 224 с.
Борткевич С. П., Гордиенко В. М., Иванов В. К., Матвиенко О. В. Способ для
очистки поверхностей от различного рода отложений и устройство для его
осуществления. – Патент РФ №2153403, М. Кл. В 08 В 7/02, 1998.
Сведения об авторах:
Борткевич Сергей Павлович
ООО НПП «МИТЭК», главный инженер
кандидат технических наук
Моб.тел. +38 067 945 78 12
Буховец Леонид Владимирович
1РУ ОАО «Беларуськалий», зам главного инженера по автоматизации
моб. тел.8.103 75, 29 688 26 44.
Вишняк Борис Андреевич
ООО «ЗУМК- Инжиниринг», начальник научно-технологического центра
кандидат технических наук
моб.тел. 8.103 75, 29 644 22 54.
Матвиенко Олег Владимирович
ООО НПП «МИТЭК», директор
тел./факс. +38 0512 212193.