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

опробование показали, что применение эмульгированных ультразвуком флотационных реагентов экономически оправдано и позволяет заменить органические (кероси­ новые) растворы водными эмульсиями, что, в частности, облегчает решение вопроса обезжиривания сбросовых вод.

Современный процесс обогащения металлсодержа­ щих руд представляет собой сложный физико-химичес­ кий комплекс ряда массообменных процессов.

Данные исследовательских работ ряда ученых (В. М. Фридмана, В. А. Глембоцкого, М. Е. Архангель­ ского, И. А. Якубовича, Н. Н. Хавского, О. Д. Кирилло­ ва, И. Н. Каневского и др.) показали, что ультразву­ ковое воздействие на массообмен применительно к та­ ким процессам, как выщелачивание руд, растворение труднорастворимых химических соединений, сорбция, диффузия, служит активным ускорителем массообмена.

Механизм массообмена в ультразвуковом поле сло­ жен и характеризуется рядом особенностей; главным, однако, является разрушение диффузионного слоя на границе жидкость—твердое тело, где перенос вещества происходит за счет диффузии и толщина которого, сле­ довательно, существенно влияет на скорость обмена

[9, 35].

Кавитация, макро- и микропотоки, возникающие в жидкости под действием интенсивного ультразвука, уменьшают величину диффузионного слоя. Под действи­ ем кавитации происходит растрескивание поверхности

23

твердых частичек руды и звуковое поле «загоняет» рас­ творитель в капиллярные каналы обрабатываемых час­ тиц.

Примером может служить процесс поглощения твер­ дым сорбентом металлов из раствора в поле ультразву­ ка. Изучалась возможность ускорения процесса погло­ щения (сорбции) натрия из раствора хлористого натрия

сорбции натрия под действием ультразвука [10]. Ультразвук оказывается по­

лезным и при проведении про­ цессов массообмена в газооб­ разной или паровой среде. К таким процессам, входящим в комплекс обогащения, можно отнести улавливание (коагуля­ цию) дисперсных аэрозолей в созданных для этой цели спе­ циальных фильтрах по методу Б. В. Подошевникова и В. П. Куркина [9], акустическую сушку, предложенную Ю. Я.

Борисовым [7], и, наконец, ультразвуковое разрушение пены. Остановимся на последнем.

Процесс обезвоживания флотационных концентра­ тов часто бывает затруднен образованием при флотации прочной пены, сохраняющейся десятками часов. Обра­ ботка ультразвуковыми колебаниями позволяет разру­ шить пену почти мгновенно. В современной практике на обогатительных фабриках флотационные пены разруша­

24

ют с помощью струй воды. Вода подается в пульпопро­ вод для транспортировки пены флотационных концент­ ратов до специальных сгустителей, вследствие чего в сгустители поступают продукты обогащения с очень большим количеством воды. Применение ультразвука позволило избежать операции сгущения и подавать обезвоженный флотационный концентрат прямо на фильтрацию [11]. При частоте ультразвуковых аэроди­ намических излучателей 21 кгц, работающих на сжатом воздухе давлением 2—5 ат, удается за 2—12 сек полно­ стью разрушить флотационную пену.

Применение ультразвуковых пеногасителей позволи­ ло авторам перестроить технологию обогащения (опе­ рацию обезвоживания) в промышленном масштабе на Березовской обогатительной фабрике. На рис. 6 приве­ дена схема реакторной установки для разрушения пены с применением газоструйных ультразвуковых свистков, описанной В. М. Фридманом [9].

Механизм разрушения пузырьков пены ультразвуком пока недостаточно изучен, хотя предполагают, что ре­ шающее значение для разрушения пузырьков имеет пе­ ременное звуковое давление, в отрицательный полупе­

25

ГЛАВА II

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА

Присутствие в металлах и их сплавах сотых и тысяч­ ных долей процента газовых и неметаллических приме­ сей снижает прочность и пластичность металлов, а это означает, что литой металл не удается деформировать, так как он хрупок, а если и удается, например, прока­ тать, то лист будет забракован из-за наличия газовых пузырей. Труд, затраченный в процессе выплавки, тер­ мической обработки, прокатки, пропал впустую. Зачас­ тую из-за высокого содержания газа в жидком металле приходится браковать фасонные отливки, причем окон­ чательное решение о годности детали можно сделать лишь после того, как деталь будет полностью обработа­ на в механическом цехе.

Для очистки металлов и сплавов от нежелательных примесей газов, окислов, нитридов и других неметалли­ ческих включений разработан ряд технологических опе­ раций, которые можно объединить общим понятием «рафинирование» металлов.

Какое значение приобретает процесс рафинирования для повышения качества металла и сплавов, можно ви­ деть из такого примера. Снижение содержания неме­ таллических включений и газов в стали ШХ15 в четыре раза даст возможность увеличить срок службы подшип­ ников из этой стали в пять раз. Это тем более сущест-

27

Другим средством повышения качества металла слу­ жит «модифицирование» литой структуры. Слитки и от­ ливки, полученные обычными методами литья, как пра­ вило, имеют крупнозернистое строение с ярко выражен­ ной неравномерностью структуры по сечению. Это по­ рождает неравномерность свойств в литых металлах и сплавах и создает трудности при последующей обработ­ ке давлением.

Для измельчения (модифицирования) литой струк­ туры в расплавленный металл добавляют небольшие ко­ личества переходных металлов, образующих с метал­ лом— основой соединения, которые служат дополни­ тельными центрами кристаллизации. Другой путь состо­ ит во введении в расплавленный металл поверхностно активных добавок, которые, собираясь на гранях крис­ таллов, препятствуют их росту и тем самым измельча­ ют структуру.

В некоторых случаях можно объединить процессы рафинирования и модифицирования в один. Такое комп­ лексное воздействие оказывает, в частности, ультразву­ ковая обработка жидкого металла.

Ученые заняты тем, чтобы разработать способы по­ лучения металлов (сплавов) с заданными свойствами, включая и точное соблюдение состава, и модифициро­ вание, и очистку от неметаллических примесей, и раз­ ливку металла в слиток или фасонную отливку так, что­ бы в процессе выплавки, обработки и разливки металл постепенно улучшался.

Идеальным средством для построения такого техно­ логического процесса производства металлов был бы по­ ток— конвейер. Достижения двадцатого века, электро­

28

ника и автоматика позволяют думать сегодня о созда­ нии такого металлургического конвейера. Однако есть одна специфическая трудность. Почти все процессы ме­ таллургического производства происходят на границе раздела сред, резко различающихся по своим свойст­ вам. Поясним сказанное. Расплавление шихтовых мате­ риалов происходит при контакте шихты с нагретым воз­ духом, процессы восстановления металла из руды идут при контакте расплавленного шлака с твердой рудой. Процессы рафинирования и модифицирования идут в результате взаимодействия неметаллических включений с жидким металлом и специально добавляемыми газо­ образными или твердыми реагентами. Для интенсифи­ кации этих отдельных процессов и, следовательно, соз­ дания непрерывного процесса—конвейера нужно повы­ сить активность взаимодействия реагирующих веществ. При нагреве нужно усилить теплообмен. При взаимо­ действии твердой и жидкой фаз или газообразной и жидкой фаз для диффузионного переноса одной фазы в другую требуется увеличение поверхности контактов в сотни и тысячи раз, а на границе фаз — создание актив­ ного движения частиц среды, которое могло бы разру­ шить диффузионный неподвижный слой и привести кон­ тактирующие материалы в активное состояние.

Другими словами, металлургические процессы вы­ плавки качественного металла нуждаются в этакой вол­ шебной палочке, которая бы одновременно в макроско­ пических и микроскопических объемах расплава посто­ янно и энергично перемешивала металл. Роль волшеб­ ной палочки с успехом могли бы выполнить ультразву­ ковые колебания. И уже выполняют!

Судите сами; необходимо интенсифицировать про­ цесс горения — ультразвук возбуждают в нагретом воз­ духе, подаваемом через специальные отверстия в печь

29

[12]. Нужно улучшить процесс окисления — колебания возбуждаются в потоке кислорода. Идет процесс рафи­ нирования— ультразвуковые колебания сообщают рас­ плаву.

Кстати, «черновой набросок» такого металлургичес­ кого конвейера существует уже сегодня. Это — непре­ рывное литье цветных металлов, электродуговой ваку­ умный и электрошлаковый переплав сталей и сплавов. Применение ультразвука в процессе литья и транспор­ тировки жидкого металла от печи к машине непрерыв­ ной разливки позволило бы существенно улучшить ка­ чество литого металла и послужило бы основой для ав­ томатизации производства. Рассмотрение приведенных в гл. IV данных, а также проводимые в настоящее вре­ мя исследования позволяют надеяться на скорое внед­ рение методов ультразвуковой обработки в практику металлургических заводов.

Рафинирование расплавленных металлов и сплавов

Очистка жидкого металла от неметаллических вклю­ чений состоит в выделении на поверхность ванны с рас­ плавом мельчайших газовых пузырьков и частиц окис­ лов, нитридов, сульфидов и др. Для осуществления ра­ финирования нужно внешнее воздействие, облегчающее процесс выделения газовых пузырьков. Обычно приме­ няемые на практике способы делят на два типа: адсорб­

30

си, а На поверхности пузырьков собираются (адсорби­ руются) твердые частицы неметаллических включений. После достижения значительных размеров пузырьки ра­ финирующих веществ всплывают на поверхность рас­ плавленного металла. Для полного удаления неметал­ лических включений из расплава необходимо пропус­ тить через металл очень большое количество рафиниру­ ющих веществ, что практически невыгодно.

При рафинировании физическими методами сразу во всем объеме расплавленного металла нарушается рав­ новесие системы металл—неметаллические включения за счет создания над расплавом пониженного давления (вакуума) или распространения в металле мощных ультразвуковых колебаний (или комбинацией обоих способов воздействия).

На рис. 7 показаны схематически варианты физичес­ ких методов рафинирования.

ванная обработка ультразвуком в вакууме

31