Экономное измельчение
Опубликовано Редактор 30-11-2003 (2203 прочтений)
Попробуйте-ка буквально голыми руками, пользуясь одними лишь камнями, изготовить каменный топор, каменный нож или каменный наконечник для копья, и вы убедитесь в том, что ваши пещерные предки были весьма искусными мастерами, точно соразмерявшими силу и направление удара с внутренней структурой обрабатываемого материала. С появлением же металлических орудий труда, а затем машин и механизмов первобытное искусство обработки камня камнем было забыто вроде бы за ненадобностью. Тем не менее сейчас проблема эффективного разрушения различных материалов, прежде всего различных твердых полезных ископаемых, вновь стала весьма актуальной.
Эту проблему — разумеется, на современной, научной основе — успешно решают сотрудники Всесоюзного научно-исследовательского и проектного института «Механобр», расположенного в Ленинграде на Васильевском острове. Это головной институт одного из недавно созданных в нашей стране межотраслевых научно-технических комплексов — МНТК.
Прежде всего — энергия
Когда мы приносим домой из магазина пакет с отсыревшей и затем затвердевшей в камень поваренной солью, то мы, чертыхнувшись, принимаемся за нелегкую и неприятную работу: сначала разбиваем соляной кирпич молотком на крупные куски, затем эти куски растираем в ступке, потом с помощью сита отделяем оставшиеся комки, которые либо выбрасываем, либо перетираем вновь и вновь, пока вся соль не превратится в мелкий порошок, совершенно однородный на ощупь.
Пользуемся мы дома и другими широко известными приемами измельчения твердых тел: раскалываем щипцами крупные куски сахара-рафинада, измельчаем в мельнице кофейные зерна, с помощью мясорубки готовим фарш для котлет, трем на терке сухари и овощи. А так как измельчение вручную даже не очень твердых материалов — занятие и нудное, и утомительное, то кофемолки и кухонные комбайны, в которых всю работу берет на себя электродвигатель, идут буквально нарасхват.
Но любые домашние приспособления для измельчения пищевых продуктов — лишь миниатюрные прототипы гигантских дробилок и мельниц, работающих буквально в любой отрасли народного хозяйства. Это, конечно, и пищевая промышленность, где мельницы необходимы для изготовления муки и круп, и промышленность медпрепаратов, производящая порошки, из которых затем прессуют таблетки, и целлюлозно-бумажная промышленность, где волокна целлюлозы перетираются, прежде чем стать бумагой. Главным же потребителем различных измельчающих устройств служит промышленность строительных материалов и горно-обогатительная промышленность.
В одной только нашей стране ежегодно приходится измельчать до трех миллиардов тонн минерального сырья, на что расходуется более 5 % всей производимой электроэнергии. Причем эти энергозатраты непрерывно растут, потому что в связи с переходом на все более и более бедные руды приходится непрерывно повышать степень измельчения сырья, от которой зависит степень извлечения ценных компонентов.
Например, если еще не так давно минералы измельчали перед переработкой до кусочков размером около 0,2 мм, то современная технология переработки мелковкрапленных руд требует, чтобы сырье было измельчено до частиц размером около 0,1 мм, а в ближайшем будущем средний размер частиц должен сократиться еще в несколько раз. Заметим, что энергия, затрачиваемая на измельчение, прямо пропорциональна вновь образующейся поверхности, которая, как известно, обратно пропорциональна квадрату диаметра частиц.
Когда не выдерживает сталь
Непрерывный рост энергозатрат — далеко не единственное, что делает решение проблемы измельчения твердых материалов одной из важнейших народнохозяйственных задач. Дело в том, что при существующих способах измельчения минерального сырья увеличение объема производства при одновременном использовании более бедных руд сопровождается еще и увеличением единичных мощностей установок, а значит, и увеличением металлоемкости конструкций.
Но гигантские измельчительные установки не только омертвляют металл, они его в буквальном смысле слова пожирают миллионами тонн в год. Действительно, барабаны промышленных мельниц наполняются стальными шарами или стержнями, которые, перекатываясь, дробят и измельчают куски минералов. Но даже самая прочная сталь в этих жесточайших условиях истирается, превращается в пыль. В результате при измельчении тонны руды истирается в среднем около килограмма металла, и в целом по стране теряется ни много ни мало — около 3 млн. тонн металла в год, около 2 % всего производимого количества.
И естественно, значительная часть измельченного материала тоже превращается в тончайшую пыль; это приводит к значительным потерям минерального сырья.
Иногда же ситуация оказывается совершенно парадоксальной. Например, одна тонна молибдена добывается из 3 тыс. тонн руды. В результате для .того, чтобы получить одну тонну этого весьма ценного металла, используемого в качестве легирующей добавки, приходится расходовать... около трех тонн легированной стали!
Но куда ни шло, если ценой потери тонн не очень дорогой стали удается добывать тонны дефицитного молибдена. А если нужно измельчать вроде бы копеечное сырье? Скажем, металлическую стружку, отходы керамики, резины и всего прочего, называемого вторичными материалами и обычно попадающего на свалку? Ведь может наступить время, когда нынешние свалки придется разрабатывать так же тщательно, как ныне разрабатываются природные месторождения полезных ископаемых. Но сейчас далеко не всегда экономически целесообразно перерабатывать отходы: слишком еще дорого обходится измельчение, без которого и в этом случае не обойтись.
Где тонко, там и рвется
Подавляющее большинство промышленных установок, предназначенных для измельчения твердых тел, работает по принципу «сила есть — ума не надо» (еще одна присказка, отражающая забвение опыта людей каменного века). Логика всех этих устройств проста и в общем-то одинакова: если материал оказывает сопротивление внешнему воздействию, надо нажать на этот материал посильнее. К чему это приводит, мы уже знаем: непомерно расходуется энергия, теряется металл. Причем, естественно, чем тверже материал, тем хуже ситуация — скажем, на измельчение абразивов затрачивается в 10 раз больше энергии, чем на измельчение руды, а потери металла на истирание возрастают в 20 раз. Некоторые же материалы (твердые сплавы, эльбор, алмаз) вообще невозможно измельчать обычными методами, потому что тут уже не мельница перемалывает материал, а материал перемалывает мельницу...
Раздавить, расколоть, сломать, срезать, истереть — вот набор традиционных методов измельчения, разрушения. Можно ли в этой области изобрести, а тем более открыть что-либо принципиально новое?
Конечно, можно — ведь изобретатели всегда начеку. Например, если поместить кусок минерала под воду и обрушить на него высоковольтный электрический разряд, то под действием электрогидравлического удара этот кусок мгновенно разлетится вдребезги. Вдребезги, но не в мелкую пыль, потому что электрический разряд происходит точно по границам, раздела фаз — там, где легче пройти электричеству, где слабее всего связь между зернами. При этом, разумеется, и инструмент не изнашивается, потому что инструмента тут в обычном понимании этого слова попросту нет.
Электроимпульсный метод разрушения минералов эффективен, но его пока невозможно использовать для крупнотоннажного производства, в частности из-за его высокой энергоемкости. Во всяком случае, сейчас и в обозримом будущем. А вот так называемая взрывная дезинтеграция уже находит некоторое практическое применение, например для выделения из пустой породы вкраплений драгоценных камней вроде изумрудов.
Суть наиболее деликатной разновидности этого метода заимствована из... пищевой промышленности. Люди старшего поколения должны помнить вкусные хрустящие кукурузные хлопья, которые почему-то вдруг совершенно исчезли из продажи. Это были небольшие румяные листочки — действительно хлопья, немного напоминающие по виду современные картофельные «чипсы», но только изготовленные из цельных зерен кукурузы.
Готовили кукурузные хлопья так: зерна загружали в автоклав с некоторым количеством воды, автоклав нагревали до определенной температуры, пока давление пара не становилось достаточно большим, потом давление резко сбрасывали, и зерна, наполненные перегретой водой, взрывались изнутри под действием мгновенно образовавшегося пара. Если такую же операцию произвести не с кукурузными зернами, а с кусками минерала, то пар разорвет их точно по границам раздела фаз — там, куда смогла проникнуть вода.
Теория и практика
Электроимпульсный метод разрушения и метод взрывной дезинтеграции имеют одну важную общую особенность: они основаны не на воздействии на материал извне, а на воздействии как бы изнутри, причем в точности по границам раздела фаз. Так же действовали и люди каменного века, выискивавшие в кусках камня слабину — трещины, неоднородности. Точно так же поступают и современные каменотесы и скульпторы, которые сообразуют каждый удар со структурой материала.
Практически любое твердое тело кажется монолитным только на первый взгляд. Минералы состоят из кристаллов, связанных между собой сравнительно мягкой пустой породой; металлы построены из кристаллических зерен, между которыми связь существенно ослаблена; даже монокристаллические материалы не бывают совершенно однородными, потому что в их структуре практически всегда есть многочисленные дефекты. Наконец, хотя керамика и кажется совершенно однородной, но на самом деле она сложена из зерен кристаллитов.
Все это представляется вроде бы совершенно очевидным. И трудно поверить, что теория разрушения материалов, на основе которой проектировались и создавались многотонные дробилки и мельницы, исходила из предположения, что все реально встречающиеся твердые тела идеально однородны. Отсюда и «силовой» подход к процессу разрушения, отсюда и проблемы, о которых мы говорили. Только лет 15 назад теория разрушения стала учитывать реальные особенности реальных материалов, их атомно-молекулярную структуру. Одним из энтузиастов нового подхода стал член-корреспондент АН СССР В. И. Ревнивцев, генеральный директор МНТК «Механобр» — последователь академика П. А. Ребиндера, создателя физико-химической механики.
Результатом исследований в этом направлении, первоначально имевших чисто академический, фундаментальный характер, явились реальные конструкции, спроектированные и изготовленные коллективом «Механобра».
Сжать и скрутить
Даже маленькая кофейная мельница производит немало шума. А вот солидные конусные инерционные дробилки, созданные в «Механобре», лишь негромко гудят, а если положить руку на опору работающего агрегата, то не ощущается никакой вибрации. Вместе с тем эти дробилки творят буквально чудеса.
Например, сверху в дробилку засыпают отработанные резцы из твердого сплава, способного одолевать самую крепкую сталь. Проходит мгновенье, и снизу из дробилки начинает струиться невзрачный серый порошок, совершенно однородный на ощупь и пригодный для того, чтобы из него методом порошковой металлургии делать новые резцы. Из какого такого сверхтвердого материала изготовлена дробилка? Из совершенно обычной стали — той самой стали, для обработки которой резцы и предназначены...
В основе чуда лежит принцип так называемого принудительного самоизмельчения. Вообще говоря, этот принцип известен человеку с незапамятных времен (видите, в который уж раз приходится поминать добрым словом наших предков): ведь первые орудия труда делались из камня, который камнем же и обрабатывался. Известен этот принцип и современным ювелирам: алмазы они обрабатывают алмазными инструментами. Положите в холщовый мешочек несколько кусков сахара и начните мешочек мять руками. Спустя некоторое время вы обнаружите в мешочке сахарную мелочь — куски перетерли сами себя. Именно так и работают конусные инерционные дробилки, способные измельчать материалы любой твердости, вплоть до алмаза.
Но это еще не все: мало заставить материал саморазрушаться, нужно еще так организовать процесс, чтобы энергия расходовалась по-умному, только на разрушение материала по слабым границам раздела фаз, по дефектам кристаллической структуры. Механическую энергию нужно как бы «закачивать» в глубь материала, чтобы она затем, выделяясь, разрывала его изнутри подобно энергии пара или электрического разряда.
Строго дозированное импульсное давление со сдвигом — так называется ключик, открывающий любой, даже самый тугой замок, на который заперты в минерале его ценные компоненты. Когда твердое тело сжимается, внутри него накапливается потенциальная энергия; когда же нагруженное тело еще и скручивается, подобно белью, из которого отжимают воду, потенциальная энергия высвобождается, причем не где попало, а только там, где уже есть слабина. Материал разрушается не в пыль, а. в порошок, состоящий из частиц строго определенных размеров или, как говорят специалисты, определенного гранулометрического состава.
Невидимые связи
Парадоксально, но факт: разрушение твердых тел происходит тем эффективнее, чем воздействие, так сказать, менее навязчиво. Вовсе не обязательно сдавливать и скручивать образец как можно сильнее, вполне достаточно, чтобы не очень сильное сдавливание и скручивание повторялись многократно, в ритме быстрой вибрации. При этом с. каждым циклом дефекты, первоначально имевшиеся в материале, растут, и рано или поздно наступает момент, когда образец как бы сам собой рассыпается. Такие усталостные разрушения давно известны металлургам, и надо было сделать лишь еще один шаг, чтобы превратить их из врага в союзника.
Конусные инерционные дробилки и другие аналогичные, устройства как раз и используют вибрационный принцип разрушения. Чтобы вибрация стала эффективным помощником, она должна быть не случайной, а строго организованной во времени и в пространстве. Для этого исполнительные органы механизмов должны совершать сложные возвратно-поступательные движения, строго согласованные между собой не только по амплитуде и частоте, но и по фазе.
Чтобы создать такую сложносогласованную вибрацию, кажется совершенно естественным использовать либо один общий двигатель, приводящий в движение жестко связанные между собой вибраторы, либо несколько двигателей, но тоже жестко связанных друг с другом сложной системой передач.
Но вот мы видим еще одно чудо: так называемую виброщековую дробилку, предназначенную для измельчения отслуживших свой срок бетонных строительных панелей. Этот агрегат представляет собой две стальные плиты, как бы хлопающие в ладоши. Каждая плита приводится в движение своим электромотором; моторы расположены на общем основании. И только. Между ними нет никаких передач. И вместе с тем, когда двигатели включаются, они начинают работать строго согласованно, строго синхронно и синфазно.
Не будь такой синхронности и синфазности, дробилка просто бы не смогла работать: попробуйтека хлопнуть в ладоши, двигая ими не навстречу друг другу, а покачивая одновременно слева направо и справа налево в одном ритме. Разумеется, никаких аплодисментов не получится и в том случае, если двигать руками в разном ритме. А мощная дробилка от такой несогласованности движений может и сломаться.
Секрет щековой дробилки «Механобра» заключается в том, что в ней используется явление, называемое самосинхронизацией. Всем известно явление резонанса, когда одно колеблющееся тело передает свою энергию другому, лишь слабо связанному с ним телу. При условии, что собственные частоты колебаний этих тел одинаковы. Но о резонансе вращающихся тел вроде бы не может быть и речи, поскольку тут нет никаких колебаний в обычном смысле этого слова. И все же явление, подобное резонансу, у вращающихся тел было обнаружено. Это произошло совершенно случайно в «Механобре» еще в 1948 году.
Дело было так. Два независимых электродвигателя приводили в движение две независимые установки, укрепленные на одном общем фундаменте. Однажды провода, питавшие электроэнергией один из моторов, оборвались. Но это заметили только несколько часов спустя: обесточенный двигатель продолжал исправно вращаться как бы сам собой; приводя в движение связанную с ним установку!
Теория явления самосинхронизации вращающихся тел была детально разработана в трудах сотрудников «Механобра»; она позволяет создавать сложнейшие вибрационные устройства и вместе с тем гасить вибрацию там, где она не нужна. Именно поэтому конструкции, созданные в «Механобре», могут считаться чемпионами «вежливого» разрушения: с помощью вибрации они разрушают прочнейшие материалы и вместе с тем вокруг себя никакой вредной вибрации не создают.
Что, где и когда
Конусно-инерционные дробилки «Механобра» способны измельчать буквально все, что угодно: руду, металлическую стружку, керамику, алмазы, резцы, радиодетали... Одни дробилки умещаются на письменном столе, другие имеют диаметр несколько метров. Их производительность заметно превышает производительность существующих ныне устройств аналогичного назначения, а энергозатраты в несколько раз меньше. И все потому, что в основу этих конструкций заложены совершенно новые, научно обоснованные принципы: принудительное самоизмельчение, деформация со сдвигом, самосинхронизация.
Детища «Механобра» успешно работают на многих предприятиях нашей страны: ленинградском заводе «Инструмент», Челябинском абразивном производственном объединении, московском ГПЗ-2, комбинате «Североникель». Лицензии на конусно-инерционные дробилки проданы в США, Японию, Болгарию.
В работе МНТК «Механобр» участвуют 24 предприятия и организаций различных министерств и ведомств, при крупных машиностроительных предприятиях (например, производственном объединении «Уралмаш») создаются инженерные центры. МНТК «Механобр» получил право самостоятельно вести переговоры с зарубежными фирмами и создавать с ними совместные предприятия.
И все же еще рано бить в литавры: МНТК «Механобр», остается пока еще только на бумаге. Есть научно-исследовательский и проектный институт, укомплектованный знающими и талантливыми специалистами, сказавшими принципиально новое слово в важнейшей области современной технологии; есть специальное конструкторское бюро и небольшое опытное производство. Но у института нет испытательного полигона и нет реального завода, без которых сама идея МНТК оказывается обесцененной.
Кто будет серийно выпускать новую технику вместо монстров, которыми до сих пор оборудовано подавляющее большинство технологических линий? Ко всякому новшеству у нас до сих пор относятся без особого энтузиазма: ведь проще все делать по старинке, ничего не меняя. Парадоксально, но «Механобру» оказалось легче заключить соглашение с одной крупной зарубежной фирмой, чем с каким-либо отечественным предприятием!
А правде надо смотреть в глаза: в СССР удельный расход электроэнергии на измельчение различных материалов в среднем на 20—30 % превышает расход энергии на те же цели в США или Канаде; расход металла вследствие износа выше, чем за рубежом, примерно в 2 раза, а производительность труда оказывается ниже в 4—5 раз... И очень обидно сознавать: все это происходит несмотря на то, что именно в нашей стране впервые в мире были сделаны замечательные изобретения и открытия, способные совершить переворот во многих областях современного производства и дать огромный экономический эффект.
В. БАТРАКОВ,
специальный корреспондент
"Химия и жизнь" 5/1987
