Способ кавитационной обработки материалов

Изобретение относится к кавитационной обработке материалов и может быть использовано для измельчения минерального сырья, получения тонкодисперсных красок и эмалей, разжижения масел, высокомолекулярных углеводородов, получения различных металлов и сплавов, несовместимых в природе естественным путем. Способ включает создание циклично чередующихся растягивающих и сжимающих напряжений в объеме жидкой среды колебаниями низкой частоты при соотношении частоты к амплитуде от 5 до 1000. Воздействие осуществляют посредством активатора, выполненного в форме стакана, имеющего соотношение высоты к наружному диаметру 1,4-3,0, установленного в объеме реактора кверху дном, при отношении внутреннего диаметра реактора к наружному диаметру активатора, равном 1,0001-1,02, и объема полости активатора к объему полости реактора, равном 0,3-0,6. Технический результат состоит в более простом, безопасном и менее энергоемком достижении явления кавитации в среде обрабатываемого материала. 1 ил.

 

Изобретение относится к области кавитационных технологий, а именно к процессу кавитации, возбуждаемому в жидкой среде, для обработки различных материалов, и может быть использовано, например, для измельчения минерального сырья, получения тонкодисперсных красок и эмалей, разжижения масел, высокомолекулярных углеводородов, получения различных металлов и сплавов, несовместимых в природе естественным путем и др.

Известен способ возбуждения кавитации в жидкой среде (RU 2284437, публ. 2006 г.). Способ состоит в возбуждении кавитации в жидкой среде, заключенной в замкнутый объем путем создания чередующихся растягивающих и сжимающих напряжений в режиме циклической нагрузки, создаваемой изменением этого объема. Для создания таких усилий через жидкую среду пропускают переменный электрический ток, частота которого больше частоты приложения циклической нагрузки по меньшей мере в четыре раза.

Поскольку жидкости в замкнутом объеме практически несжимаемы, для достижения сжимающих напряжений в жидкости потребуется максимальная нагрузка на электродвигатель и на величину тока нагрузки. Это означает большое энергопотребление в лучшем случае и аварийное - в худшем. Кроме того, заложенная в способе технологическая схема требует управления синхронизацией электродвигателя в режиме сжимающих напряжений на стадии ослабления механической нагрузки с подачей электричества на электроды, причем с частотой, по крайней мере в четыре раза превышающей механическую частоту «сжатие-растяжение». Такая схема потребует сложного аппаратурного оформления.

Задача настоящего изобретения состоит в повышении его технологичности. Для этого способ кавитационной обработки материалов так же, как и известный, включает создание циклично чередующихся растягивающих и сжимающих напряжений в объеме жидкой среды обрабатываемого материала. Однако в отличие от известного способа циклично чередующиеся растягивающие и сжимающие напряжения в обрабатываемом материале создают колебаниями низкой частоты при соотношении частоты к амплитуде от 5 до 1000, которые осуществляют посредством активатора, выполненного в форме стакана, имеющего соотношение высоты к наружному диаметру 1,4-3,0, установленного в объеме реактора кверху дном при отношении внутреннего диаметра реактора к наружному диаметру активатора, равном 1,0001÷1,02, и объема полости активатора к объему полости реактора равном 0,3÷0,6.

Заявленный способ кавитационной обработки реализуется посредством простых геометрических соотношений системы «активатор-реактор». Зазор между внешней стенкой активатора и внутренней стенкой реактора подобран таким образом, чтобы при движении активатора вниз весь объем жидкости не мог бы из полости активатора перелиться вверх. Этим достигается некое напряжение сжатия и запас энергии, а при движении активатора вверх некий объем жидкости не смог бы перетечь вниз, тем самым достигаются напряжения растяжения (отрицательные давления) в объеме жидкости, которые могут достигать довольно больших величин. При достижении отрицательных давлений, превышающих объемную прочность жидкости в наиболее слабых ее местах, таких как неоднородности структуры, газовые пузыри, твердые включения и т.д., образуются разрывы жидкости (кавитационные пузырьки), которые при захлопывании в окружающей среде порождают ударную волну. Локальное давление достигает весьма больших значений сотен и тысяч атмосфер, что и способствует максимальной гомогенности смешивания материалов, их диспергированию и активации. При этом, изменяя соотношение напряжения и тока, можно варьировать вводимую в жидкость энергию. Реализация заявленного способа проста, что свидетельствует в пользу его технологичности.

При соотношении внутреннего реактора к наружному диаметру активатора менее 1,0001 движение активатора в вязком материале может быть затруднено, а при соотношении более 1,02 резко снижается интенсивность кавитационных процессов. Указанный эффект возникает при уменьшении соотношения между высотой и наружным диаметром активатора, увеличение же соотношения более 3,0 не приводит к дальнейшему улучшению свойств обработанного материала. Резко снижаются свойства материала при уменьшении соотношения объема полости активатора к объему полости реактора менее 0,3, увеличение указанного соотношения более 0,6 ведет к падению производительности установки.

Новый технический результат, который может быть достигнут заявляемым способом, заключается в более простом, безопасным и менее энергоемком достижении явления кавитации в среде обрабатываемого материала.

Изобретение иллюстрируется рисунком, на котором изображена технологическая установка для реализации заявленного способа. Установка содержит реактор 1, установленный в нем в положении кверху дном, активатор 2, выполненный в форме стакана, с отверстием 3 для стравливания газов.

Способ реализуют следующим образом. Обрабатываемый материал в виде жидкой среды загружают в реактор 1 с внутренним диаметром 300 мм и высотой 800 мм, погружают в него активатор 2, выполненный в форме стакана с диаметром наружной поверхности 295 мм и высотой 440 мм. В результате цикличного движения активатора вниз, вверх с частотой 50 Гц и амплитудой 2 мм, осуществляемого, например, дебалансным вибратором (на рисунке не показан), в обрабатываемом материале возникает ударная волна, способствующая максимальной гомогенности смешиваемых материалов, их диспергированию и активации.

Пример обработки краски, состоящей из пигмента с частицами 30 мкм и неоднородной массы пленкообразующего - лака, показал, что после обработки в течение одного часа получена однородная масса с частицами пигмента 2 мкм. То есть степень перетира снизилась с 30 до 2 мкм, что соответствует качеству красок мировых образцов.

Способ кавитационной обработки жидкой среды, включающий создание циклично чередующихся растягивающих и сжимающих напряжений в объеме жидкой среды, отличающийся тем, что циклично чередующиеся растягивающие и сжимающие напряжения в объеме жидкой среды создают колебаниями низкой частоты при отношении частоты, выраженной в Гц, к амплитуде, выраженной в мм, от 5 до 1000, при этом колебания осуществляют посредством активатора, выполненного в форме стакана, имеющего отношение высоты к наружному диаметру 1,4-3,0, установленного в объеме реактора кверху дном, при отношении внутреннего диаметра реактора к наружному диаметру активатора, равном 1,0001-1,02, и отношении объема полости активатора к объему полости реактора, равном 0,3-0,6.