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

перегревается и за счет испарения со стенок начинает быстро расти и превращается в зародыш кавитации.

Изучение поведения газовых пузырьков (зародышей кавитации) в поле давления звуковой волны показыва­ ет, что в зависимости от своих начальных размеров они могут вести себя по-разному. Важным условием даль­ нейшего существования такого пузырька является соот­ ветствие его диаметра или радиуса так называемому ре­ зонансному размеру, т. е. соответствие собственной час­ тоты колебаний пузырька частоте приложенного поля ультразвука. Для воды, например, М. Г. Сиротюк [4] указал на существование очень простого соотноше­ ния между частотой звука /, кгц, и резонансным радиу­ сом пузырька R, см:

R f = 0,328.

Расчеты В. Е. Нолтинга и Е. А. Непайраса [3] по­ казали, что в случае, когда начальный радиус пузырька (зародыша) меньше резонансного, этот пузырек сомк­ нется до окончания цикла изменения давления и весь ход развития пузырька будет типично кавитационным— бурный рост из маленького зародыша и последующее захлопывание (кривая 2 на рис. 2,6). Если радиус заро­ дыша больше резонансного, захлопывания не произой­ дет и пузырек будет пульсировать в поле со сложным изменением своего размера (кривая 1 на рис. 2,6). На графиках этого рисунка показано поведение пузырька одного начального радиуса при двух частотах вынуж­ дающего ультразвукового поля (30 и 90 Мгц). Резонан­ сная частота пузырька лежит между этими частотами и равна 40 Мгц. Таким образом, в жидкости под действием ультразвукового поля существуют два типа кави­ тационных пузырьков: неустойчивые пузырьки, захлопы- вающиес-ш-в-фазе сжатия звуковой волны (кривая 2 на

16

A G ^ P 0 Р4т.

Меняя соотношение между звуковым давлением и внешним статическим давлением1, можно увеличить ка­ витационную эрозию на несколько порядков. Это пока­ зано в работах Б. А. Аграната, В. И. Башкирова и Ю. И. Китайгородского [5].

Исследование поведения (динамики) в ультразвуко­ вом поле одиночной кавитационной полости в теоретиче­ ском плане очень интересно, так как позволяет перейти к описанию кавитационного поля, т. е. совокупности ка­ витационных пузырьков, распределенных в объеме жид­ кости. Экспериментальные исследования и расчеты, вы­ полненные на основании покадровой обработки резуль­ татов скоростной киносъемки, позволили В. А. Акуличеву [4] описать закономерности такой элементарной ка­ витационной области с размерами меньше длины звуко­ вой волны и значительно больше размера одного кави­ тационного пузырька. Полагая, что все находящиеся в этой области пузырьки пульсируют в одной фазе, можно определить эффективность и размеры такой области че­ рез некоторый индекс К, который представляет собой произведение количества кавитационных пузырьков в об­ ласти п на максимальный объем одного кавитационного пузырька V, т. е. K=nV. Результаты измерения звуково­ го давления Рт , количества пузырьков п и индекса К в зависимости от вводимой мощности (напряжения на из­

1 Подробно об этом см. в гл. у.

18

некоторого предельного значения, а затем начинает па­ дать. Разгадка указанного явления может быть получе­ на при рассмотрении хода кривой изменения индекса кавитации. При приближении значения индекса К к

« } I I

i n 53'i

Ру § £

I I

Напряжение на излучателе, в

Рис. 3. Давление (а), концентрация кавитационных полостей (б), индекс кавитации (в) и отношение волновых сопротивлений воды до и после возникновения кавитации (г) в элементарной кавитационной области [4]

единице, т. е. при максимальном увеличении количества кавитационных пузырьков и развитии их объема, кави­ тационные полости вытесняют из кавитационной облас­ ти капельную жидкость, прижимаясь друг к другу. Это также хорошо видно на рис. 3,г, где показано отноше­ ние волнового сопротивления (произведения плотности жидкости на скорость звука в ней) спокойной жидкости и жидкости при развитии кавитации. При развитии ка­ витации это отношение постепенно падает от единицы до нуля. На предельные значения мощности ультра­ звука, излучаемые в жидкость при наличии кавитации,

19

впервые указали в 1960 г. Л. Д. Розенберг и М. Г. Сиротюк [4].

Очень важным практическим выводом из описанно­ го является необходимость оценки величины вводимой в

под воздействием звукового ветра, который сопутствует распростра­ нению мощного ультразвука в жидкости.

20

таллургичееких процессов, в которых принимает участие кавитация, мы будем дополнять наши сведения о ней.

Возвращаясь к рассмотрению механизма эмульгиро­ вания в поле ультразвука, следует напоминать, что в основе его лежит развитие в смешиваемых жидкостях кавитации.

Для получения устойчивой эмульсии очень важны подбор эмульгируемых сред, температурные условия и интенсивность ультразвуковых колебаний, причем пос­ леднее условие, как установил С. А. Недужий [7], не влияет на размер капелек полученной эмульсии, а лишь может ускорить процесс ее получения.

За счет развития кавитации и микропотоков проис­ ходят энергичное растягивание капель диспергируемой жидкой фазы до неустойчивых жидких цилиндров и распад их на очень мелкие капельки. Процесс эмульги­ рования начинается на границе несмешиваемых фаз, но очень скоро охватывает весь объем реакционного сосу­ да. На границе раздела происходит не только кавитаци­ онное разрушение жидкости, но и могут возникать по­ верхностные волны. В гребнях таких волн может также происходить диспергирование одной жидкости в другой. Этот процесс наблюдал в микроскоп при исследовании эмульгирования ртути в воде Н. Маринеско [2].

Ультразвуковой метод получения дисперсных и ус­ тойчивых эмульсий применяют в практике исследова­ тельских лабораторий и обогатительных фабрик для по­ лучения эмульсий флотационных реагентов.

Как уже указывалось, в естественном виде большин­ ство минералов хорошо смачивается водой и не под­ дается флотации. Уменьшение смачиваемости достигает­ ся при помощи реагентов-собирателей. Вследствие обра­ зования на поверхности металлсодержащих минералов пленки собирателя (натуральные синтетические масла и

21

смолы) минеральные частицы перестают смачиваться, прикрепляются к пузырькам воздуха в пульпе и вместе с ними поднимаются в пену.

Примером промышленного собирателя является пири­ дин—продукт полимеризации некоторых фракций ка­ менноугольной смолы. Пиридин с большим трудом рас­ творяется в воде, поэтому его необходимо предваритель­ но тщательно измельчить и только после этого подать в флотационные камеры. Однако и в измельченном виде из-за плохой растворимости процесс флотации протека­ ет неустойчиво.

Ультразвуковое эмульгирование пиридина позволило использовать этот продукт в флотационной камере, ми­ нуя цикл измельчения, причем эмульсия сразу же рас­ пределяется равномерно по всему объему пульпы и ста­

Как можно легко видеть, применение эмульгирован­ ного пиридина позволяет улучшить характеристики про­ цесса обогащения и снизить расход пиридина почти на

22