Файл: Эскин, Г. И. Ультразвук шагнул в металлургию.pdf

От величины волнового сопротивления среды зави­ сит и значение удельной мощности ультразвука, вво­ димого в ту или иную среду. Чем больше плотность среды и скорость ультразвука, тем более высокую удельную мощность ультразвука можно получить в этой среде.

По аналогии с электрической мощностью интенсив­ ность ультразвука, т. е. мощность N единицы поверх­ ности излучения F, равна половине произведения ампли­ туды звукового давления на колебательную скорость:

Здесь звуковое давление играет роль напряжения, а колебательная скорость— силы тока.

При возбуждении колебаний в твердых телах лег­ че измерить амплитуду смещения излучателя, поэтому выражение мощности можно представить в виде

В жидкости или газе напротив, удобнее мерить зву­ ковое давление Р т, поэтому для этих сред выражение удельной мощности приобретает несколько иной вид:

Известно, что жидкость легко выдерживает боль­ шие давления сжатия и весьма чувствительна к растя­ жению. Уже при давлениях Рт порядка 1—2 ат такая жидкость, как водопроводная вода, начинает «разры­ ваться» с возникновением необыкновенно интересного явления кавитации, играющего важную роль при воз­

8

действии ультразвука на жидкость. Основным законо­ мерностям кавитации посвящены главы I, II, V, X и XI.

При развитии кавитации происходит как бы «раз­ рыхление» жидкости и падение волнового сопротивле­ ния, что затрудняет передачу в жидкость мощного ультразвука.

Для возбуждения ультразвуковых колебаний необ­ ходимо иметь источник электрической энергии в виде высокочастотного генератора и преобразователь элект­ рических колебаний в упругие колебания.

Для ультразвуковой обработки жидких и твердых веществ повсеместное применение нашли магнито-

новодной системы, оканчивающейся излучателем 3, ко­

звука в материале элемента.

Для ультразвуковой обработки жидкости применя­ ют также гидродинамические излучатели, работающие

9

по принципу резонансного возбуждения пластин или стержней упругой струей жидкости, подающейся в соп­ ло излучателя под давлением в несколько атмосфер.

Рис. 1. Одна из принципиальных схем введения ультра­

Для ультразвуковой обработки газообразных про­ дуктов применяются исключительно аэродинамические излучатели, работающие на сжатом воздухе; это или динамические сирены с вращающимся ротором, или статические сирены (газоструйные свистки) с резона­ тором наподобие судейских свистков.

Конструкции различных ультразвуковых излучате­ лей подробно описаны в специальной литературе.

10

ГЛАВА I

ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА ПРИ ОБОГАЩЕНИИ МЕТАЛЛСОДЕРЖАЩИХ РУД

Трудно, почти невозможно назвать творение совре­ менной техники, в котором не был бы использован тот или иной металл, а перечисление сфер применения ме­ таллов займет многие и многие страницы. Однако в природной кладовой, из которой непрерывным пото­ ком идет металл в промышленность, он не лежит в ви­ де готовых слитков, а распылен, разбросан, рассыпан мельчайшими частицами. Их надо найти, извлечь и собрать воедино.

Обогащение руд полезных ископаемых — отрасль науки и техники, которая решает эту задачу. Обогати­ тельная индустрия занимает граничное положение между горнодобывающей промышленностью и метал­ лургией. Руда, содержащая незначительные количест­ ва металлов, на обогатительных фабриках превра­ щается в богатые концентраты, идущие в металлурги­ ческие печи.

Для обогащения применяются различные методы. Основной из них — флотация. Почти 90% добываемых в Советском Союзе руд цветных металлов обогащают именно этим способом.

Процесс флотации основан на различной смачивае­ мости минералов. Металлсодержащие породы, как правило, хуже смачиваются водой, чем пустая порода, не содержащая металлов.

12

Чтобы провести флотацию, необходимо измельчить добытую руду настолько, чтобы размер частиц руды соответствовал размеру полезных включений. Для ус­ корения процесса флотации в смесь измельченной ру­

и др.). Назначение флотационного реагента, поступаю­ щего в пульпу в определенной концентрации, — повы­ сить смачиваемость пустой породы (она идет в отва­ лы, так называемые «хвосты») и одновременно снизить смачиваемость металлсодержащей руды. Частички ми­ нералов прилипают к пузырькам воздуха и выносятся на поверхность пульпы в виде флотационной пены — это концентрат.

Простейшая схема флотации такова: пульпу, поме­ щенную в флотационную машину, интенсивно переме­ шивают и газируют, т. е. пропускают через нее мель­ чайшие пузырьки воздуха.

На некоторых этапах флотации может быть успешно применена ультразвуковая обработка.

Многие флотореагенты плохо растворимы в воде и избыточное их введение не только экономически невы­ годно, но и часто ухудшает процесс обогащения. По­ этому труднорастворимые флотореагенты применяют в виде водных эмульсий, что позволяет резко снизить их расход. Получение стойких эмульсий труднораствори­ мых реагентов стало возможно благодаря применению ультразвуковой энергии.

Эмульгирующее действие ультразвука легко наблю­ дать, если поместить в стеклянный сосуд две несмешивающиеся жидкости, например масло и воду, и обра­ батывать их мощным ультразвуком. Киносъемка со скоростью несколько тысяч кадров в секунду позволяет детально рассмотреть это захватывающее физическое

13

явление. Очевидно, каждый, кто хоть раз видел этот научный кинофильм, запомнит его очень хорошо.

На первых кадрах, когда действие ультразвука от­ сутствует, видна четкая граница раздела двух несмешивающихся сред. Однако достаточно включить ульт­ развуковой генератор и приступить к ультразвуковой обработке, как уже через несколько тысячных долей секунды начинается разрушение границы раздела, а через несколько секунд прозрачные до того жидкости начинают мутнеть—образуется эмульсия. Это явление было впервые обнаружено в 1927 г. Р. Вудом и А. Лу­ мисом [2] и в дальнейшем подробно изучалось различ­ ными учеными. Уже в ранних исследованиях, процесса эмульгирования было обращено внимание на особую роль растворенного в воде газа. В полностью дегазиро­ ванной воде эмульсию под действием ультразвука обра­ зовать невозможно.

Позднее К. Зольнер в Германии и И. Г. Полоцкий в СССР установили, что для эмульгирования в поле ультразвука необходимо развитие в жидкости ультра­ звуковой кавитации [2].

Сделаем отступление. Поскольку с явлением кавита­ ции, сопровождающим распространение в жидкости ультразвука достаточной мощности, нам придется часто встречаться, рассмотрим его несколько подробнее.

Слово кавитация происходит от латинского глагола covitas — делать пустым. При развитии кавитации в жидкости образуются разрывы, возникающие под дейст­ вием растягивающих усилий, создаваемых звуковой волной во время фазы разрежения.

Теоретически чистые жидкости способны выдержи­ вать очень высокие напряжения растяжения (порядка нескольких тысяч атмосфер). Однако реальные жидко­ сти разрываются уже при давлениях, равных или близ­

14

ких давлению упругости их паров. Оказывается, дело в том, что реальные жидкости ослаблены присутствием разного рода примесей, поверхности которых служат за­ родышами для развития кавитационных полостей. К. числу таких примесей, понижающих прочность жидко­ сти, обычно относят газовые пузырьки и твердые час­ тички.

В то же время известно, что газовые пузырьки не могут существовать длительное время в жидкости в сво­ бодном состоянии — большие пузырьки всплывают, а маленькие благодаря действию сил поверхностного на­ тяжения должны растворяться. Плодотворной явилась модель ядра кавитации Е. Н. Гарвея, согласно которой ядро (зародыш) кавитации образуется на твердой несмачиваемой частичке, имеющей трещину, заполненную нерастворенным газом [3,41]. Поскольку поверхность трещины несмачиваема, жидкость образует относитель­ но газа выпуклый мениск, и вследствие этого поверхно­ стное натяжение не будет способствовать растворению газовой примеси. Если рассматривается жидкость, сво­ бодная от твердых примесей, эта модель предполагает образование зародышей кавитации вблизи стенок сосу­ да, также имеющих микроскопические трещины. Суще­ ствуют и другие модели образования зародышей кави­ тации. Например, Р. В. Линдсей [3] допускает суще­ ствование в жидкости газовых пузырьков размером 0,1 мкм, которые не растворяются за счет образования на их поверхности мономолекулярного слоя жирных кислот. Д. Сетте [4] считает, что зародыши кавитации возникают под действием облучения жидкости космиче­ скими лучами, когда частицы высокой энергии (нейтро­ ны) пронизывают микроскопический пузырек, неспособ­ ный к росту и образованию кавитационной полости. Под действием нейтронов микроскопический пузырек

15