Фізико-технічні процеси електроімпульсного диспергування струмопровідного матеріалу при утилізації виробничих відходів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут»

Спеціальність 05.03.07 - процеси фізико-технічної обробки

УДК 629.7.002:621.9.048

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ФІЗИКО-ТЕХНІЧНІ ПРОЦЕСИ ЕЛЕКТРОІМПУЛЬСНОГО ДИСПЕРГУВАННЯ СТРУМОПРОВІДНОГО МАТЕРІАЛУ ПРИ УТИЛІЗАЦІЇ ВИРОБНИЧИХ ВІДХОДІВ

Кручина Вікторія

Віталіївна

Харків - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Нечипорук Микола Васильович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», професор кафедри хімії, екології та експертизних технологій.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Долматов Анатолій Іванович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», завідувач кафедри технології виробництва двигунів літальних апаратів;

кандидат технічних наук, доцент Савченко Микола Федорович Харківський національний економічний університет, доцент кафедри техніки та технології.

Захист відбудеться « 11 » червня 2010 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий «_5_» травня 2010 р..

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради О.М. Застела

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Для машинобудування і, зокрема, авіаційної та космічної галузей характерна широка номенклатура деталей складної конфігурації з безліччю внутрішніх порожнин, на які необхідно наносити покриття. Не дивлячись на те, що розробляються й упроваджуються нові технології нанесення покриттів на деталі машин, літаків і ракет (вакуумне напилення, детонаційне напилення та ін.), технологія нанесення покриттів методом гальваніки із використанням електролітів все ще широко застосовується. У процесі нанесення покриттів гальванічним методом утворюється значна кількість відходів, а саме - шламів і гальваностоків. Неорганізоване складування відходів гальванічних виробництв авіаційних підприємств призводить до забруднення гідросфери і земельних ресурсів токсичними речовинами - іонами важких металів (мідь, хром, кадмій, нікель тощо).

У сучасних умовах на перший план висуваються розроблення і впровадження технологічних процесів утилізації відходів виробництва із забезпеченням регенерації цінних матеріалів.

Для вирішення поставленого вище завдання пропонується використовувати електроімпульсний метод утилізації гальваностоків. Проте, фізико-технічні процеси електроімпульсного диспергування струмопровідного матеріалу при утилізації відходів гальванічних і металообробних виробництв у одностадійному процесі мало вивчені.

Таким чином, завдання створення технології переробки й утилізації рідких (відпрацьовані розчини) і твердих (стружка) відходів, що утворюються в процесі знешкодження промислових стоків гальванічних виробництв, а також відходів металообробних виробництв, є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. У дисертації використані дослідження, виконані здобувачем у рамках реалізації держбюджетних тем Міністерства освіти і науки України:

- «Основи математичного моделювання та прогнозування безпеки техногенних об'єктів АРКТ», ДР № 0100U002200 (2000 - 2002 рр.);

- «Математичне моделювання процесів утилізації літальних апаратів та об'єктів спецтехніки», ДР № 0106U001030 (2006 - 2008 рр.);

- «Математичне моделювання етапів життєвого циклу аерокосмічних виробів та методика визначення чисельних критеріїв безпеки», ДР № 0106U001029 (2006 -2008 рр.).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є вирішення важливої народно-господарчої задачі вдосконалення процесу утилізації виробничих відходів гальванічних цехів і металообробних виробництв на основі електроімпульсного диспергування струмопровідних матеріалів.

Для досягнення цієї мети в дисертації сформульовано і вирішено такі задачі:

§ визначено енергетичні параметри і продуктивність процесу утилізації відходів гальванічних і механообробних цехів;

§ чисельно змодельовано електроімпульсний процес диспергування відходів механообробних цехів;

§ експериментально досліджено вплив енергетичних параметрів процесу утилізації рідких відходів гальванічних ділянок авіаційного виробництва на диспергування відходів механообробних цехів;

§ обґрунтовано рекомендації щодо вибору параметрів процесу і устаткування з утилізації відходів механообробних і гальванічних цехів аерокосмічної галузі.

Об'єкт дослідження - фізико-технічні процеси електроімпульсного диспергування струмопровідних матеріалів для утилізації типових представників гальваностоків і відходів виробництв металообробної промисловості.

Предмет дослідження - моделі й метод електроімпульсної утилізації відходів металообробної промисловості.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети в роботі виконано теоретичні й експериментальні дослідження.

Виконані теоретичні дослідження ґрунтуються на загальних положеннях механіки суцільного середовища, теорії математичної статистики. Рішення поставлених задач реалізовано на персональній електронно-обчислювальній машині. Отримані результати розроблених методик збігаються з результатами експериментальних досліджень. Експериментальні дослідження проведені на спеціалізованому устаткуванні з використанням сучасної реєструючої і вимірювальної апаратури. Характер диспергування електродних матеріалів визначався за допомогою растрової електронної мікроскопії, активація води - з використанням куметра ВМ-560 і LCR вимірника INSTER LSR-819. Дослідження розподілу диспергованих частинок відповідно до їх розміру виконано з використанням автоматизованого лазерного вимірника частинок.

Склад забруднень і їх концентрація визначені за атестованими методиками виконання вимірювань, допущеними до використання Мінприроди України.

Наукова новизна одержаних результатів. Найістотнішими елементами наукової новизни є такі результати.

1. Запропоновано математичну модель, що враховує зв'язок просторово-часового розподілу густини теплового потоку із зміною розміру розрядної лунки, що дозволяє не тільки досягти збігу результатів теоретичної моделі (kте) з експериментальними даними (kее) за коефіцієнтом ерозії (сталь 20: kте = 17,66·10-9 мм3/Дж, kее = 13,6·10-9мм3/Дж; алюмінієвий сплав Д16: kте = 40,5·10-9 мм3/Дж, kее = 38,8·10-9 мм3/Дж), а й отримати теоретичний профіль лунки, близький до експериментального.

2. Запропоновано математичну модель визначення виходу диспергованого матеріалу залежно від фізичних і технологічних параметрів процесу утилізації і доведено її адекватність.

3. Вперше встановлено, що головним механізмом диспергування є плавлення та випаровування. Термопружне руйнування маловірогідне, що підтверджується дослідженням фрагментів зруйнованого і викинутого матеріалу, де відсутні частинки з явним термопружним сколом.

4. Вперше введено характеристичний критерій електромагнітної обробки води Ю, який відображує вплив електромагнітної обробки води на швидкість коагуляції та осадження диспергованого матеріалу в осад. Виявлено зміну тангенса кута діелектричних втрат і діелектричної проникності води залежно від введеної в розряд енергії.

5. На основі патенту розроблено нову конструкцію реактора з горизонтальними електродами, що забезпечує його ефективну роботу в широкому діапазоні енерготехнологічних параметрів.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Результати теоретичних і експериментальних досліджень дозволили розробити рекомендації щодо удосконалення електроімпульсного процесу утилізації гальваностоків і відходів механічного виробництва в одностадійному процесі, що підвищує коефіцієнт використання конструкційних матеріалів.

2. Розроблено рекомендації і наведено схемні рішення підвищення ефективності утилізації гальванічних стоків на 65…86 % шляхом накладення на розрядну область реактора магнітного поля напруженістю 800…1200 Е.

3. На основі проведених експериментів розроблено рекомендації щодо визначення раціональних фізичних і технологічних параметрів процесу утилізації гальваностоків і відходів механічної обробки, що забезпечують високу продуктивність і якість очищення відходів. Частота проходження імпульсів f = 1000 Гц, ємність конденсаторної батареї С = 20 мкФ, площа електродів реактора S = 0,003 м2, витрата прокачуваної води V = 0,4 м3/год, висота завантаження реактора Н = 0,04 м.

4. Запропоновано інженерну методику визначення маси диспергованого матеріалу залежно від фізичних і технологічних параметрів процесу утилізації.

5. Дослідження залежностей енерговитрат на утилізацію від фізичних і технологічних параметрів дозволило знайти питомі витрати на утилізацію відходів гальванічних цехів (по хрому) до концентрації ГДК (0,01 мг/дм3) з ефективністю 99%: для сталевої стружки - 4 кВтгод/м3, для алюмінієвої - 6 кВтгод/м3.

6. Експериментально виявлено збільшення діелектричної проникності й тангенса кута діелектричних втрат від густини енергії, яку підводять до реактора, що сприяє прискоренню процесу утворення активного коагулянту. Первісне значення тангенса кута діелектричних втрат відновлюється за 24 години, діелектрична проникність за 24 години змінюється приблизно на 1 %.

Результати досліджень дисертаційної роботи включено в програму курсу «Методи і засоби захисту біосфери» Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ».

Технічні рішення і методика утилізації відходів реалізовані на ДП ХМЗ «ФЕД», розрахункова економія витрат на очищення води становитиме 335968 грн на рік.

Особистий внесок здобувача.

Постановку задач, положення й результати теоретичних та експериментальних досліджень дисертації розроблено, сформульовано й отримано особисто автором. Експериментальну установку розроблено, експерименти і їх оброблення проведено особисто здобувачем. Теоретичні узагальнення, розроблення математичних моделей, аналіз і інтерпретація отриманих даних, висновки по роботі виконано безпосередньо здобувачем.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на Міжнародній науково-технічній конференції «Інтегровані комп`ютерні технології в машинобудуванні» ІКТМ`2006, ІКТМ`2007, ІКТМ`2009 (м. Харків, 2006, 2007, 2009 рр.), на Х ювілейній міжнародній науково-практичній конференції «Людина і космос» (м. Дніпропетровськ, 2008 р.), на XI міжнародній науково-практичній конференції «Людина і космос» (м. Дніпропетровськ, 2009 р.), на міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми створення та забезпечення життєвого циклу авіаційної техніки» (м. Харків, 2006, 2008, 2009 рр.)

Публікації. Основні результати роботи опубліковано в 7 статтях у спеціалізованих виданнях ВАК України, зокрема 4 без співавторів. Отримано 2 патенти України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел, 5 додатків, викладена на 191 сторінці друкарського тексту, у тому числі основний текст на 118 сторінках, містить 20 таблиць, 66 рисунків. Перелік використаної літератури має 185 найменувань на 19 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету досліджень, визначено наукову новизну, практичне значення одержаних результатів, а також особистий внесок здобувача.

У першому розділі визначено передумови необхідності утилізації відходів гальванічних ділянок авіаційного виробництва, а також виконано аналіз сучасних технологічних процесів утилізації рідких відходів гальванічних цехів, що містять іони важких металів, зокрема Cr(VI) і Cr(III). Розглянуто процеси утилізації рідких відходів, проаналізовано їх можливості та недоліки. На основі огляду існуючих процесів утилізації гальванічних стоків зроблено висновок про те, що альтернативою існуючих технологій є фізичні методи з використанням високих температур, електричних і магнітних полів, електричних розрядів, УВЧ, УФ- і іонізуючих випромінювань. Таким є електроімпульсний метод диспергування струмопровідного матеріалу у воді, розроблений Інститутом проблем машинобудування НАН України ім. А.М. Підгорного (ІПМаш). Сформульовано мету і завдання дисертаційної роботи.

У другому розділі розглянуто експериментально-теоретичні аспекти електроімпульсного процесу диспергування, особливості виникнення і розвитку розряду, проведено чисельне моделювання дії імпульсного електричного розряду на металеві електроди.

Суть електроімпульсної обробки полягає у збудженні електроімпульсних розрядів у зернистому електропровідному шарі електророзрядного реактора (металеві гранули, шматочки стружки довільної форми тощо), через який пропускаються гальванічні стоки, що очищаються.

Зернистий шар електропровідних частинок є одночасно елементом електричної схеми реактора і сировиною технологічного процесу. Його диспергування зрештою приводить до утворення активного коагулянту, що сорбує забруднення. При роботі реактора реалізується послідовно-паралельна схема індивідуальних розрядів у завантаженні. Кількість послідовних ланцюгів розряду залежить від міжелектродної відстані, середнього розміру частинок завантаження, а напруга пробою міжелектродного зазору залежить від матеріалу і стану поверхні гранул матеріалу засипки. Для визначення величини напруги пробою Uпр проводилися прямі вимірювання.

Кількість точок пробою між сусідніми елементами завантаження в послідовному ланцюзі розряду (при максимальній відстані між електродами реактора 140 мм), яка визначена за напругою пробою, дорівнює від 11 до 33 залежно від розміру елементів.

Кількість паралельних розрядних ланцюгів, що одночасно існують протягом одного розряду конденсатора, можна визначити, використовуючи результати дослідження багатоконтурного електроімпульсного верстата. Принципову схему розрядних ланцюгів в генераторі зображено на рис. 1, коли джерелом ЕДС є конденсаторна батарея. На схемі прийняті такі позначення: - ємність конденсаторної батареї; - максимальна напруга конденсаторної батареї; - активний опір усього генеруючого контуру разом із джерелом живлення; I1 - розрядний струм впослідовному розрядному каналі; - опір одного розрядного проміжку між елементами засипки; - падіння напруги в розрядному проміжку при пробої; - напруга на електродах реактора у момент пробою; - опір одного розрядного ланцюга, - кількість розрядних проміжків одного послідовного ланцюга. За результатами розрахунків кількість паралельних ланцюгів розряду дорівнює 8 - 14.

Розглянуто нестаціонарний процес короткочасної дії одиничного іскрового розряду, що ініціюється безпосереднім контактом двох металевих електродів. Припускається, що в процесі іскрового розряду тривалістю tp = 10…30 мкс та енергією W = 0,009…0,05 Дж на поверхню електрода у вигляді круга радіусом r0 = (15…50)·10-4 см діє незмінний тепловий потік від поверхневого джерела тепла. Початковий радіус розрядної лунки r0 визначався за формулою Герца, при тиску в газовому «пузирі» (3…8)·108 Па. Для моделювання теплових процесів у матеріалі електрода використовувалась вісесиметрична математична модель нелінійної нестаціонарної задачі теплопровідності, що описується рівнянням

,

де - температура матеріалу електрода; - час; , - коефіцієнт теплопровідності й питома об'ємна теплоємність матеріалу, що залежать від температури.

Розміри області, що розглядається, вибираються чималими: r?, z? ?1 мм порівняно з розміром r0, щоб змінами температури на поверхнях r = r? і z = z? можна було нехтувати.

Крайові умови 1-го роду приймались постійними на поверхні електроду (без плями):

T (r, z, 0) = 293 К.

Задача розв'язувалась при крайових умовах 2-го роду на поверхні плями

,

де

- інтенсивність теплового потоку на проміжку часу 0…tp.

На решті поверхонь приймались умови конвективного теплообміну (крайові умови 3-го роду)

,

де Tср=293 К - температура навколишнього середовища; б - коефіцієнт теплообміну, що дорівнює 7500 Вт/м2•К.

У процесі взаємодії теплового потоку з матеріалом електродів спостерігаються фазові перетворення, що пов'язані з плавленням і випаровуванням металу. Ці процеси пов'язані з поглинанням певної кількості тепла і . Вирішення задачі теплопровідності з урахуванням фазових перетворень спричиняють значні труднощі. Було використано методику моделювання фазових переходів в об'ємі матеріалу в інтервалі температур

,

а також

шляхом поглинання тепла фазового переходу збільшеною теплоємністю матеріалу.

Збільшене значення теплоємності матеріалу, яке б компенсувало і , може бути визначено з таких умов:

,

.

Вирішення задачі здійснювалось з використанням комплексу програм KROK, розробленого ІПМаш, що реалізує рішення нелінійних нестаціонарних задач у вісесиметричній постановці.

Результати чисельних розрахунків подано у вигляді кривих (рис. 2), що відображують профілі поверхонь з постійною температурою залежно від поточного часу для досліджуваних матеріалів (сталь і алюміній). Розроблена модель дозволяє з високою точністю одержати питомий

об'єм матеріалу. У той же час одержані теоретична та експериментальна картини лунки відрізняються, оскільки не враховується просторово-часове змінення густини теплового потоку. Тому було проведено розрахунки із змінною густиною теплового потоку, яка зменшується, із зростанням розміру зони його дії. У цьому випадку крайові умови 2-го роду мають вигляд

,

де ,

r(t) - радіус поверхневого джерела тепла, залежно від часу. Результати розрахунків подано на рис. 2. На рис. 3 видно, що експериментальні і теоретичні профілі лунок, відповідних температурі плавлення матеріалу, практично збігаються, за виключенням зони, де відбувається неповний викид матеріалу (периферія). Розрахункові криві відповідають початковим даним: енергія імпульсу W = 0,05 Дж, радіус плями r0 = 0,025•10-3 м, час підведення енергії (тривалість імпульсу) tp = 30•10-6с, що відповідає потужності теплового потоку q = 84,9•106 Вт/см2.

Профілограми температур дозволяють визначити об'єми матеріалу, схильного до плавлення (Vпл), а також питому величину коефіцієнту об'ємної ерозії k = Vпл/W. У табл. 1 дано усереднені значення розмірів лунок (по п'яти вимірюванням) і результати розрахунків, виконаних для досліджуваних матеріалів при W = 0,05 Дж; r0 = 0,025•10-3 м; tp = 30•10-6с.

Таблиця 1 Характеристики лунки матеріалу, що досяг температури плавлення

Матеріал електрода	Розмір лунки, см	Dл/hл	Vпл,10-9, см3	kет, 10-6, см3/Дж	kее,10-6, см3/Дж
	Dл	hл
Сталь 20	0,0208	0,0039	5,33	883	17,66	13,6
Д16	0,056	0,0059	4,34	2025	40,5	38,8

Оброблення результатів математичного моделювання проплавленої зони матеріалу показують, що залежність об'єму металу, прогрітого до температури плавлення, від енергії, що вкладається, може бути описано рівнянням

,

де - прихована теплота плавлення; - температуропроводність; - температура плавлення; - енергія, що вкладається.

Розходження результатів чисельного моделювання із результатами експерименту, за розміром об'єму розрядної лунки становлять 17…25%.

Розрахунок температурних напружень, виконаний для сталевого електрода на фіксованому радіусі r = 73 мкм, показав, що вони не перевищують межу міцності для сталі 20.

Результати проведених розрахунків енергії Гіббса для хімічних процесів, що протікають при електроімпульсній обробці стічних вод, вказують на визначальну роль енергетичних дій при електроімпульсному процесі на вірогідність здійснення реакції взаємодії диспергованого матеріалу та забруднень.

У третьому розділі описано устаткування й умови проведення досліджень, експериментальну установку, експериментальні методики визначення параметрів одиничного розряду, характеристик води, що очищується.

Вивчення процесу диспергування матеріалів і утилізації промислових відходів у стічних водах для отримання коагуляції проводилося на лабораторній установці. Для удосконалення існуючого технологічного устаткування була розроблена конструкція електророзрядного реактора з горизонтально розташованими електродами (рис. 5). Електроімпульсний процес утилізації гальванічних відходів припускає здійснення диспергування металу електропровідного завантаження, активацію води, деструкцію забруднень в одностадійному процесі. Для визначення форми, розмірів лунки і коефіцієнта викиду (ерозії) матеріалу використана методика одиничної лунки. При вимірюванні струму в ланцюзі одиничного розряду використовувався модифікований струмовий трансформатор (пояс Роговського, чутливість якого дорівнює = 0,016 А/В). Напруга розряду вимірювалась за допомогою одиничного дільника напруги.

Значення опору розрядного проміжку в імпульсному одиничному розряді визначалися для кожного моменту часу по осцилограмах U(t) і I(t). За цими результатами отримано графічні залежності зміни опору розрядного проміжку у функції струму розряду від часу R(t). У всіх випадках мінімальне значення розрядного опору не перевищує 0,2 Ом.

У четвертому розділі проведено експериментальні дослідження з визначення маси диспергованого матеріалу і енерговитрат залежно від частоти імпульсів струму f (Гц), ємності розрядного конденсатора C (мкФ), висоти шару металу в електророзрядному реакторі H (см), площі електродів S (см2) і швидкості витрати прокачуваної води V (м3/год).

Подано регресійну модель процесу диспергування матеріалу. Вираз для математичної моделі процесу диспергування сталі має такий вигляд:

y= - 0,354 + 0,245f + 0,29C + 0,552H + 0,188S + 0,395V - 0,242f2-

- 0,188C2 - 0,514H2 - 0,196S2 - 0,388V2 - 0,056fC + 0,314fS + 0,1CS,

для алюмінію -

y= - 0,448 + 0,342f + 0,563C + 0,58H + 0,214S + 0,457V - 0,247f2- 0,292C2 - 0,668H2 - 0,183S2 - 0,544V2 - 0,03fC + 0,157fS + 0,04CS,

де f, C, H, S, V - відносні значення чинників, отриманих шляхом ділення поточних значень на відповідні їм максимальні значення.

На рис. 6 показано типові мікрофотографії лунок, отриманих за допомогою растрового електронного мікроскопа РЕМ-106 на електродах зі сталі й алюмінію при розряді в рідині, а відповідні їм поперечні профілі зображено на рис. 7.

Показані на фотографіях лунки характеризуються малою глибиною і нерівним дном. Діаметр лунок - 150...200 мкм, глибина - 15…32 мкм. Лунки обрамлені досить чітким валом шириною 5...10 мкм, висота його не перевищує 2...2,5 мкм.

На дні лунок є характерні виступи і напливи металу, що мають вид острівців неправильної форми. Це можна пояснити тим, що електричний розряд у даному процесі не має достатньої ефективності для викиду всіх частинок розплавленого і випареного металу. Крім мікронерівностей на поверхні лунки, при сталевій засипці необхідно відзначити наявність крапель металу у формі сферичних утворень, що оточують лунку. Це можна пояснити тим, що метал, який викидається з лунки і потрапляє на поверхню електрода, приварюється до нього у вигляді крапель. Об'єм металу у формі сферичних крапель, що приварилися на поверхні електроду і зменшили коефіцієнт викиду, становить до 15...20 % від об'єму металу, викинутого з лунки. Сферичні утворення і бризки часто витягнуті в напрямі від центра лунки, а іноді спостерігаються на значному віддаленні від периферії лунки (аж до (1,5…2)·rлунки). Дуже часто на днищі основної розрядної лунки спостерігаються як одиничні (при малих енергіях розряду), так і скупчення (при підвищених енергіях розряду) мікролунок. Наявність у кратері лунки мікролунок дає можливість припустити, що виникнення і розвиток розряду в його початковій стадії може здійснюватися за механізмом «об'ємного розряду» за рахунок джоулева тепла. На рис. 8 показано фотографії типових мікролунок і рельєф внутрішньої поверхні мікролунки. Дослідження геометричних розмірів і рельєфу внутрішньої поверхні мікролунок проводилося скануванням у контактній моді скануючим зондуючим мікроскопом Solver PRO NT-MDT.

Для різних матеріалів за однакових умов розряду діаметр і глибина мікролунок мало відрізняються один від одного і мають значення: діаметр лунок лежить у межах 2…15 мкм, а глибина лунок становить 50…300 нм, об'єм одиничних мікролунок - 0,144…23,2 мкм3.

Дослідження складу кінцевого продукту в процесі утилізації відходів проводилося за допомогою растрового електронного мікроскопа РЕМ-106 з автоматизованим записом зображення на комп'ютері.

Результати аналізу дисперсного складу досліджуваних порошків у пробних об'ємах суспензій наведено на графіках рис. 9 при різній энергії, що підводилася до реактора.

З наведених даних випливає, що за інших рівних умов характер диспергування металу залежить від властивостей металу. Найбільший вміст дрібнодисперсних фракцій спостерігається у сталі, а потім - у алюмінію. Закономірно зміщується і верхня межа розмірів частинок, яка виявляється найбільшою у алюмінія. Наведені результати показують, що із зростанням температури плавлення матеріалу середній діаметр диспергованих частинок зменшується. Наведені дані добре узгоджуються з результатами розрахунку розміру сталевих сферичних крапель при диспергуванні рідкого металу водою високого тиску за формулою

де - критична швидкість струменя води, м/с;

- максимальний діаметр краплі розплаву, м;

- коефіцієнт поверхневого натягу розплаву при температурі рідкого розплаву, Н/м. утилізація відходи гальванічний електроімпульсний

При швидкості розлітання крапель з лунки 100...500 м/с отримано

=145·10-6 м, =0,356·10-6 м.

Проведені вимірювання діелектричної проникності (е) (рис. 10) і тангенса кута діелектричних втрат (tgд) (рис. 11) показують, що вони зростають із збільшенням енергії, що підводиться до реактора. Змінення е і tgд приводить до збільшення скорості коагуляції та осадження диспергента із суспензії. При W=0,046 Дж/см3 випад осаду відбувався протягом t=46,3 хв, а при W=0,084 Дж/см3 - протягом часу t=24,1 хв.

Зміна таких властивостей води, як тангенс кута діелектричних втрат, діелектрична проникность, а також залежність швидкості коагуляції і випадання диспергованого металу в осад дозволяє ввести поняття характеристичного критерію електромагнітної обробки води:

- за зміною кута діелектричних втрат води, Ю1;

- зміною діелектричної проникності води, Ю2.

Вказані характеристики води пов'язані між собою і сумісно впливають на воду, що піддається електромагнітній обробці. Їх сумісний вплив на активацію води пропонується подати у вигляді їх добутку.

Значення наведених вище показників дано в табл. 2.

Таблиця 2 Характеристичний критерій електромагнітної обробки води

P, Вт	Характеристичний критерій електромагнітної обробки води
	Ю1	Ю2	Ю = Ю1·Ю2
700	1,069	1,083	1,158
960	1,74	1,16	2,018
1260	1,84	1,21	2,226

Вивчення процесу очищення проводилося на реальних стоках заводу ДП ХМЗ «ФЕД». Було встановлено вплив параметрів електричного ланцюга генератора електророзрядного реактора на ступінь очищення. Питомі енерговитрати на утилізацію хрому з відходів гальванічних цехів до концентрацій ГДК = 0,01 мг/дм3 (ефективність 99%) для сталевої стружки (сталь 20) - 4 кВт год/м3, а для алюмінієвої (Д16) - 6 кВт год/м3.

У п'ятому розділі дисертації представлено алгоритм щодо визначення технологічних параметрів утилізації в одностадійному процесі відходів гальванічних цехів (що відрізняються за хімічним складом) і механообробних виробництв. Розроблено логічну модель технологічного процесу утилізації відходів гальванічних і механообробних цехів.

Технічні рішення і методику утилізації відходів впроваджено на ДП ХМЗ «ФЕД». За матеріалами роботи отримано два патенти України.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі на підставі виконаних наукових досліджень і узагальнення результатів теоретичних і експериментальних досліджень вивчені фізико-технічні процеси електроімпульсного диспергування струмопровідного матеріалу у воді при утилізації виробничих відходів. Відповідно до поставленої мети були отримані такі наукові та практичні результати.

1. Вдосконалено процес електроімпульсної утилізації виробничих відходів гальванічних і механообробних цехів, що дозволяє комплексно переробляти рідкі відходи гальванічних ділянок і стружку механообробних виробництв і підвищити ефективність використання матеріальних ресурсів.

2. Запропонована математична модель і побудована сітчаста номограма дозволяють визначити раціональні значення технологічних параметрів реактора, що забезпечують максимум маси диспергованого матеріалу.

3. Вперше застосован реактор з горизонтальними електродами, переваги якого полягають в інтенсифікації та стабілізації роботи реактора, зменшенні ерозії електродів і збільшенні ресурсу їх роботи.

4. На підставі теоретичного аналізу фізичного контакту елементної стружки в електророзрядному реакторі пристрою утилізації визначено, що фактичні об'єми зон проплавлення елементів у процесі їх диспергування залежать від матеріалу стружки та енергії розряду і становлять 126,2·10-6…706,1·10-6 мм3 (для сталі) і 369,4·10-6…1693·10-6 мм3 (для алюмінію), а також визначені коефіцієнти ерозії, підтверджені експериментом. Врахування просторово-часового розподілу густини теплового потоку дозволяє не тільки досягти збігу результатів теоретичної моделі з експериментальними даними за коефіцієнтом ерозії (сталь 20: kет = 17,66·10-9 мм3/Дж, kее = 13,6·10-9 мм3/Дж; Д16: kет = 40,5·10-9 мм3/Дж, kее = 38,8·10-9 мм3/Дж), а й отримати теоретичний профіль лунки, близький до експериментального.

5. Показано, що при завантаженні реактора сталевою стружкою зі сталі 20 у результаті диспергування матеріалу 30% стружки перетворюється в порошок, а 70% - в активну коагуляційну суміш у вигляді оксидів і гідроксидів заліза.

6. Встановлено, що питомі енерговитрати на утилізацію хрому з відходів гальванічних цехів до концентрації ГДК = 0,01 мг/дм3 (ефективність 99%) для сталевої стружки (сталь 20) - 4 кВт год/м3, а для алюмінієвої (Д16) - 6 кВт год/м3.

7. Визначено раціональні технологічні параметри, що забезпечують близькі до максимуму маси диспергованого матеріалу (частота проходження імпульсів f = 1000 Гц, ємність конденсаторної батареї С = 20 мкФ, площа електродів реактора S = 0,003м2 і витрати прокачуваної води V = 0,4 м3/год, висота завантаження реактора Н = 0,04 м). Проведені оціночні розрахунки діючих температурних напружень показали низьку вірогідність термопружного руйнування матеріалу в зоні електродної плями для сталі і алюмінію, а головним механізмом диспергування є плавлення та випаровування.

9. У процесі диспергування стружки із хромовмісних гальванічних стоків активно виділяється хром, наприклад, на 1 кг диспергованої сталевої стружки (сталь 20) виділяється 0,34 кг хрому.

10. Запропонований алгоритм визначення параметрів процесу утилізації відходів гальванічних і механообробних цехів дозволяє враховувати як хімічний склад рідких відходів гальванічних цехів, так і характеристики відходів цехів механообробки.

11. Подано подальший розвиток методу утилізації, що дозволяє підвищити ефективність використання матеріальних ресурсів за рахунок утилізації відходів гальванічних цехів і механообробних виробництв. Практичні результати дисертаційної роботи впроваджені на ДП ХМЗ «ФЕД», де згідно з розрахунками забезпечено економію витрат на очищення води 335968 грн в рік, а також в учбовому процесі кафедри «Хімії, екології та експертизних технологій» Національного аерокосмічного університету ім. М.Є Жуковського «ХАІ».

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гайдукова В.В. Обезвреживание отходов гальванического производства электроимпульсным (плазменным) методом / В.В. Гайдукова // Авационно-космическая техника и технология : сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 23. - Х., 2001. - С. 257 - 259.

2. Кручина В.В. К вопросу переработки сточных вод гальванического производства аэрокосмической отрасли / В.В. Кручина // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов : сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 1(48). - Х., 2007. - С. 146 - 153.

3. Кручина В.В. Обоснование химических реакций при электроимпульсной очистке сточных вод / В.В. Кручина // Екологічна безпека: проблеми і шляхи вирішення : ІІІ міжнар. наук.-практ. конф. : зб. наук. ст. - 2007. - Т. 1. - С. 410 - 413.

4. Численное моделирование воздействия дугового разряда на металлические электроды / В.Н. Кобрин, Н.В. Нечипорук, В.Ф. Гайдуков, В.В. Кручина // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов : сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 4(51). - Х., 2007. - С. 55 - 66.

5. Исследование влияния энерготехнологических параметров на производительность диспергирования металла в воде / В.В. Кручина, В.Ф. Левченко , В.Ф. Несвит, С.В. Верютин // Вісті академії інженерних наук України: «Машинобудування і прогресивні технології». - 2007. - №3(33). - С. 259 - 269.

6. Кручина В.В. Диспергирование металла из единичных лунок в электроразрядном реакторе / В.В. Кручина // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов : сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 5(56). - Х., 2008. - С. 126 - 132.

7. Электроимпульсная активация воды в процессах очистки промышленных стоков / Н.В. Нечипорук, С.В. Олейник, В.Ф. Гайдуков, В.В. Кручина // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов : сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 1(57) - Х., 2009. - С. 84 - 93.

8. Пат. 32931 Україна МПК7 (2006) С02F 1/46. Спосіб очищення стічних вод / Кручина В.В., Левченко В.Ф., Гайдуков В.Ф.; власник Національний аерокосмічний ун-т ім. М.Є. Жуковського «ХАІ». - № u 2008 00176; заявл. 03.01.08; опубл. 10.06.08, Бюл. № 11. - 5 с.

9. Пат. 37842 Україна МПК7 (2006) В 01 F 3/00. Реактор електроімпульсного диспергування матеріалів / В.В. Кручина, В.Ф. Левченко, Ю.В. Левченко, В.Ф. Гайдуков; власник Національний аерокосмічний ун-т ім. М.Є. Жуковського «ХАІ». - № u 2008 08884; заявл. 07.07.08; опубл. 10.12.08, Бюл. № 23. - 4 с.

У працях, виконаних у співавторстві, автору належать:

[4] - постановка задачі, розробка моделі, підготовка вихідних даних для проведення досліджень, проведення аналізу та обговорення результатів досліджень, написання статті;

[5] - участь у проведенні досліджень, обговорення і аналіз результатів досліджень, написання статті;

[7] - розроблення методики, участь у проведенні експериментів, обговорення результатів досліджень, написання статті;

[8] - патентний пошук, участь у проведенні досліджень, аналіз результатів, оформлення патенту;

[9] - патентний пошук, участь у проведенні досліджень, аналіз результатів, оформлення патенту.

АНОТАЦІЯ

Кручина В.В. Фізико-технічні процеси електроімпульсного диспергування струмопровідного матеріалу при утилізації виробничих відходів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.07 - процеси фізико-технічної обробки.

Дисертація присвячена дослідженню процесу комплексної утилізації відходів гальванічних цехів і виробництв металообробки методом електроімпульсного диспергування струмопровідного матеріалу у воді.

За результатами теоретичних і експериментальних досліджень проведено уточнення моделі нелінійної, нестаціонарної, осесиметричної задачі теплопровідності з поверхневим джерелом тепла. Створено математичну модель і побудовано сітчасту номограму для визначення раціональних параметрів, що забезпечують максимальну масу диспергованого матеріалу. Теоретично досліджено можливість термомеханічного руйнування матеріалів під дією імпульсного електричного розряду. Показано, що при електроімпульсних процесах утилізації шкідливих відходів спостерігається активація води, спричинена впливом на останню чинників розряду. На основі проведених досліджень розроблено алгоритм визначення параметрів утилізації, розроблено нове обладнання для проведення процесу електроімпульсного диспергування. Результати роботи впроваджено на ДП ХМЗ «ФЕД», очікувана економія витрат становить 335968 грн в рік.

Ключові слова: електроімпульсне диспергування, утилізація відходів, гальванічне виробництво, електродна пляма, активація.

Кручина В.В. Физико-технические процессы электроимпульсного диспергирования токопроводящего материала при утилизации производственных отходов. - Рукопись.

Диссертация на соискние ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07 - процессы физико-технической обработки.

Диссертация посвящена исследованию процесса комплексной утилизации отходов гальванических цехов и производств металлообработки методом электроимпульсного диспергирования токопроводящего материала в воде.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований проведено уточнение модели нелинейной нестационарной осесимметричной задачи теплопроводности с поверхностным источником тепла. Выполненный анализ производительности процесса (объем зоны проплавления или количество выброшенного из лунки материала) имеет линейную зависимость от энергии разряда и зависит от характеристик материала. Создана математическая модель и построена сетчатая номограмма для определения рациональных параметров, обеспечивающих максимальную массу диспергированного материала.

Теоретически исследована возможность термомеханического разрушения материалов под действием импульсного электрического разряда. Изучение рельефа разрядных лунок и морфологии порошков диспергируемого материала показало, что сколов в материале в условиях рассматриваемых процессов не наблюдается. Частицы порошков имеют сферическую форму. Наличие микролунок на поверхности основной лунки единичных разрядов показывает, что развитие искрового разряда начинается по механизму объемного разряда с последующим развитием его в поверхностный разряд.

Показано, что при электроимпульсных процессах утилизации вредных отходов наблюдается активация воды, вызванная влиянием на нее факторов разряда и приводящая к изменению диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь.

На основе проведенных исследований разработан алгоритм определения пареметров утилизации, дающих возможность учитывать характеристики отходов, и разработано новое оборудование для проведения процесса электроимпульсного диспергирования. Результаты работы внедрены на ГП ХМЗ «ФЭД», ожидаемая экономия затрат составляет 335968 грн в год.

Ключевые слова: электроимпульсное диспергирование, утилизация отходов, гальваническое производство, электродное пятно, активация.

Kruchina V.V. Physical-technical processes of electro-impulse dispersion of electrically conductive material to recycling industrials wastes. - Manuscript.

Dissertation on competition of the academic degree of the candidate of engineering science of 05.03.07 specialty - processes of Physical-technical treatment - N. Zhukovsky National Aerospace University “KhAI”, Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkov, 2010.

The paper is devoted to studying process of complex recycling wastes of galvanic shops and metal processing industry by means of electro-impulse dispersion of electrically conductive material in water. Specifying model of non-liner, non-stationary, axis-symmetrical problem of thermal conduction with surface heat source was conducted by experimental results. Mathematical model for determination rational parameters ensuring maximum mass of dispersed material was created. Possibility of thermal-mechanical deterioration of material under impulse electrical discharge was studied. Relief of discharge pits and morphology of dispersing material powder were investigated. It was shown that water activation due to discharge influence occurs at electro-impulse processes of recycling. The algorithm of recycling parameters determination was worked out based on conducted researches.

Key words: electro-impulse dispersion, recycling, galvanic production, electrode spot, efficiency.

Размещено на Allbest.ru