Способ разупрочнения материалов кристаллической структуры и устройство для его осуществления

1 Изобретение относится к способу и реализующему его устройству разупрочнения материалов кристаллической структуры. Изобретение может быть использовано в строительной,цементной, химической, пищевой, горной и других отраслях промышленности. Известны различные способы разупрочнения материалов, такие как механическое воздействие или воздействие каким-либо полем: тепловым, электрическим, магнитным. Посредством механического воздействия можно разупрочнять материалы, например горную породу, пропуская ее между двумя валками в рольпрессе. За счет контрастности модулей упругости минералов, слагающих горную породу, на их границах возникают сдвиговые деформации,приводящие к развитию дефектов на этих границах и, в конечном итоге, к разупрочнению горной породы. Данный способ применим только для крупнозернистых горных пород (руды). В качестве примера механического воздействия можно привести также технологию помола руды. Процесс механического измельчения осуществляют в шаровых или стержневых мельницах за счет ударного воздействия металлических шаров или стержней. Степень измельчения должна обеспечить получение готовой фракции, характеризующейся размерами зерен извлекаемого компонента. Разупрочнение и разрушение при измельчении руды в мельницах вызывается возникновением в ее кусках сжимающих напряжений, обусловленных воздействием на пятне контакта "шар-руда" или "стержень-руда" поверхностных ударно-сжимающих сил, и как следствие этого - развитие трещин с поверхности. Известно, что прочность на сжатие многих кварцесодержащих руд достаточно высока (до 200 МПа), а поверхностный характер воздействия шаров (стержней) не может вызвать проникновение разрушающих напряжений на весь объем каждого куска руды за один удар. Кроме того, подобный тип воздействия не может гарантировать избирательного разупрочнения и разрушения по межзеренным связям, что является важным фактором, определяющим качество извлекаемого концентрата. Именно этими обстоятельствами обусловлены существующие энергозатраты на этапе помола. Величина энергозатрат доходит до 30 КВтч на 1 т руды, что составляет примерно 50% от общих энергозатрат на получение концентрата. Разупрочнение материала посредством теплового воздействия осуществляют прогревом всего объема материала или только поверхности. Однако энергетические затраты при этом весьма существенны. В частности, после предварительного прогрева руды снижение энергоемкости последующего помола руды может оказаться ниже, чем энергоемкость ее нагрева, что 2 объясняется существенной величиной теплоемкости руды. Известно также использование различных вариантов применения электрического поля для разупрочнения материалов перед помолом. Известен способ разрушения твердых диэлектриков и полупроводников, который включает механическое воздействие на разрушаемый материал с использованием средств разрушения и физического воздействия, при этом физическое воздействие осуществляют путем приложения к механическим средствам разрушения и обрабатываемым в их рабочих объемах материалам знакопеременного частотно-модулированного электрического потенциала (RU2149687 С 1). Известен также способ интенсификации процессов физической, физико-химической и/или химической природы в материалах, находящихся в твердом, жидком, парообразном и/или газообразном виде, реализованный в устройстве, которое содержит средства физического воздействия на материал, представляющие собой средства прямого или косвенного приложения к материалу электрического потенциала. Средства приложения электрического потенциала содержат источник переменного электрического напряжения. Средства приложения переменного электрического потенциала выполнены с возможностью подачи потенциала непосредственно на материал через одиночный электрод или с возможностью подачи потенциала на емкость, в которой находится материал, через одиночный электрод. Устройство может также дополнительно содержать средства модуляции электромагнитных колебаний (RU2137548 С 1). Описанные выше способы и реализующие их устройства могут быть применены для материалов, содержащих, например, минералыпьезоэлектрики. За счет эффекта пьезострикции на границах зерен минералов при приложении переменного электрического поля возникают сдвиговые и растягивающие механические напряжения, которые разупрочняют материал. Как показывает практика, для обеспечения эффекта пьезострикции, к примеру, в кварце, необходимо создать напряженность электрического поля порядка нескольких МВ/м либо поддерживать статический электрозаряд на обрабатываемом объекте. При этом промышленная реализация этих способов проблематична, в частности, изза запыленности цехов, наличия металлических конструкций и оборудования. Известны также способы обработки материалов магнитным полем для достижения эффекта их разупрочнения перед помолом. Наиболее близким к заявленным способу и устройству являются способ обработки горных пород, в частности руд, и устройство для его осуществления по патенту РФ 2026991 С 1. Этот способ включает воздействие на породу импульсным электромагнитным полем с напряженностью 103-108 А/м и длительностью им 3 пульса (1-10)10-3 с, при этом обработку горной породы осуществляют путем ее перемещения внутри, как минимум, одного соленоида, в котором периодически генерируют импульсное магнитное поле с частотой =v/nl, где v - скорость перемещения горной породы, м/с; n - количество соленоидов; l - длина каждого соленоида, м, путем подачи напряжения с генератора импульсных напряжений. В устройстве, реализующем данный способ, содержится, по меньшей мере, один соленоид и конвейер для подачи породы к источнику с приспособлением для периодического регулирования скорости перемещения породы, при этом часть рабочей ветви конвейера размещена внутри соленоида. Данный способ основан, главным образом,на явлении магитострикции, происходящей в ферромагнетиках, и может применяться преимущественно при разупрочнении железистых кварцитов. За счет магнитострикции на границах магнетита с другими минеральными зернами железистых кварцитов (кварца, гематита) возникают сдвиговые и растягивающие напряжения, которые создают микро- и макродефекты, приводящие к разупрочнению железистых кварцитов. К недостаткам известного способа и реализующего его устройства относится то, что они малопригодны для промышленного использования из-за того, что требуемые для осуществления способа устройства (как правило - многовитковые индуктора и высоковольтные емкостные накопители, входящие в состав генератора импульсного тока) имеют ресурс работы до 105 импульсов, что может обеспечить непрерывную работу устройства не более месяца, после чего потребуется замена накопителей. Достаточно высокая стоимость емкостных накопителей делает промышленное использование ближайшего аналога экономически нецелесообразным. Кроме того, данный способ может быть ограничен в применении на материалах, не содержащих магнитную составляющую. Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание энергосберегающей технологии разупрочнения материала и снижение затрат на оборудование за счет увеличения ресурса работы оборудования. При этом обеспечивается более высокая эффективность разупрочнения материалов широкого класса, чем у ближайшего аналога. Предлагаемые технические решения позволяют снизить мощность устройства для реализации предлагаемого способа при его высокой технологической эффективности, что, в свою очередь, обеспечивает повышение ресурса работы используемых в составе устройства емкостных накопителей в сотни раз и повышение в целом экономической целесообразности использования предлагаемых изобретений. Поставленные задачи решаются за счет того, что в способе разупрочнения материалов 4 кристаллической структуры, заключающемся в воздействии на обрабатываемый материал основного импульсного магнитного поля, на обрабатываемый материал воздействуют также дополнительным импульсным магнитным полем,причем силовые линии последнего направлены под углом 30-90 к силовым линиям основного импульсного магнитного поля, а длительность импульса дополнительного импульсного магнитного поля составляет от 10-2 до 10-9 с. При этом обрабатываемый материал могут подавать в зону обработки в смеси с жидкостью. Обрабатываемым материалом могут служить железистые кварциты, или золотосодержащие кварцы, или полиметаллические или иные поликристаллические материалы, в состав которых входят минералы с сильно отличающимися магнитодиэлектрическими свойствами,либо когда по крайней мере один из минералов обладает выраженными магнитно-стрикционными и(или) пьезострикционными свойствами(например, магнетит и(или) кварц). Обработка материала импульсными магнитными полями может производиться перед механическим измельчением или перед извлечением из материала полезного минерала. Кроме того, обработку материала импульсными магнитными полями можно проводить одновременно с извлечением полезного минерала при условии использования физикохимических процессов (например, в процессе выщелачивания урана или золота или извлечения золота методами биотехнологии). Для обеспечения достижения оптимального разупрочнения обрабатываемого материала (в зависимости от вида материала) угол между силовыми линиями основного и дополнительного импульсных магнитных полей можно регулировать за счет изменения амплитуды напряженности одного из магнитных полей. Кроме того, угол между силовыми линиями основного и дополнительного импульсных магнитных полей можно регулировать за счет перемещения одного из индукторов, создающих основное или дополнительное импульсные магнитные поля. Для достижения максимального эффекта разупрочнения воздействие дополнительным импульсным магнитным полем начинают в период времени 20% от момента максимума каждого импульса основного магнитного поля. Кроме того, дополнительное импульсное магнитное поле может являться знакопеременным, что обеспечивает цикличный характер нагрузки. На каждую порцию обрабатываемого материала можно воздействовать как одним, так и рядом импульсов основного и дополнительного импульсных магнитных полей, при этом в последнем случае их частота определяется по формуле=V/nl, 5 где V - скорость перемещения порции обрабатываемого материала;n - количество импульсов, воздействующих на порцию обрабатываемого материала;l - длина зоны обработки материала. Заявленный способ можно реализовать с помощью устройства разупрочнения материалов кристаллической структуры, содержащего по меньшей мере один генератор импульсного электрического тока, соединенный с электромагнитной системой, включающей индуктор,создающий основное импульсное магнитное поле, и индуктор, создающий дополнительное импульсное магнитное поле, силовые линии которого направлены под углом 30-90 к силовым линиям основного импульсного магнитного поля, создаваемого первым индуктором. Индуктор, создающий дополнительное поле, может не иметь прямого гальванического контакта с генератором электрического поля,при этом он должен быть выполнен в виде электрически замкнутой системы, находящейся в индуктивной связи с катушками индуктора, создающего основное магнитное поле. Один из индукторов устройства может быть установлен с возможностью перемещения относительно другого индуктора для обеспечения регулировки направления силовых линий импульсного магнитного поля. При этом генератор электрического тока может содержать емкостной и индуктивный накопитель. В случае использования индуктивного накопителя он может входить как составная часть в один из индукторов, создающих основное или дополнительное импульсное магнитное поле. Кроме того, один из индукторов, создающих основное или дополнительное магнитное поле, может быть подключен к генератору электрического тока через понижающий трансформатор. Для экранирования зоны обработки и повышения энергии магнитных полей, а также для уменьшения влияния индукторов друг на друга в окрестностях индукторов и зоны обработки материала размещены магнитопроводы и(или) экраны, выполненные из электропроводного материала. Достигаемый технический результат обусловлен следующими факторами. При магнитном воздействии внешнее магнитное поле распространяется по всему объему материала, например руды, обрабатываемой перед помолом. При наличии магнитных зерен(например, магнетит) либо минералов с выраженным пъезоэффектом (например, кварц) в обрабатываемом материале импульсное магнитное поле, содержащее магнитную и электрическую составляющие, вызывает в этих зернах эффект магнитострикции и(или) пъезострикции. Кроме того, в силу неоднородности магнитодиэлектрических и механических свойств минера 003853(либо размещением материала в водосодержащей пульпе) и находящейся в микропорах, на границах зерен возникает концентрация полей и усилий. В результате этого, по всему объему материала (руды) на межзеренных границах возникают растягивающие и сдвиговые напряжения, соизмеримые с величиной критических напряжений на растяжение или сдвиг. Учитывая, что прочность материалов на растяжение и сдвиг в 6-10 раз меньше прочности на сжатие,причем полезная работа внутренних сил по разрушению тела кварцита пропорциональна квадрату величины напряжений, а приложение сил магнитного воздействия к каждому зерну носит объемный и избирательный характер, можно сделать вывод о том, что энергоемкость магнитной обработки материала, приводящая к развитию трещин на межзеренных границах, может быть более чем в 35-100 раз меньше энергоемкости, приводящей к аналогичному результату при ударном сжимающем воздействии мелющих шаров (стержней). Кроме того, известно,что повышение эффективности разупрочнения достигается при динамическом (ударном) воздействии поля. Такое воздействие требует обеспечения высокого значения крутизны роста поля во времени, прямо пропорционально зависящего от его амплитуды и обратно пропорционального длительности (фронта) импульса. На технологических линиях, обеспечивающих значительные объемы переработки (более 10 т материала в час), решение такой задачи представляется технически сложным. Предлагаемое изобретение позволяет достичь того же результата за счет воздействия на объект (материал) двумя магнитными полями, одно из которых менее мощное, но быстро изменяющееся. При этом достигается более высокая эффективность разупрочнения материала, чем от использования одного магнитного поля, имеющего высокую крутизну роста поля за счет амплитуды. Высокая эффективность использования двух полей обусловлена также возможностью оптимального направления воздействия относительно кристаллографических осей зерен каждого минерала, которые расположены в материале случайным образом. Это обеспечивается за счет того, что направления действия (силовые линии) основного и дополнительного полей расположены относительно друг друга под углом 30-90. Длительность импульса дополнительного поля должна лежать в пределах от 10-2 до 10-9 с. Этот диапазон обусловлен как диапазоном собственных частот материалов (а следовательно, и высокой эффективностью обработки по причине возникновения резонансных явлений и динамических нагрузок), а также технической возможностью создания устройств, генерирующих поля в данном диапазоне. 7 Амплитуда дополнительного поля должна лежать в пределах от 0,1 до 100000 А/м, причем низкие значения напряженности целесообразно использовать при коротких импульсах, что обусловлено высокой динамичностью нагрузки. Для повышения динамичности нагрузки и увеличения количества циклов нагружения,достаточного для разупрочнения в силу воздействия циклических нагрузок, дополнительное импульсное магнитное поле может являться знакопеременным. При этом длительность одной полуволны дополнительного импульсного знакопеременного магнитного поля составляет от 2 х 10-2 до 2 х 10-9 с. Также для обеспечения требуемого количества циклов нагружения на каждую порцию обрабатываемого материала можно воздействовать как одним, так и рядом импульсов основного и дополнительного импульсных магнитных полей, при этом в последнем случае их частота определяется по формуле=V/nl,где V - скорость перемещения порции обрабатываемого материала;n - количество импульсов, воздействующих на порцию обрабатываемого материала;l - длина зоны обработки материала. При этом количество циклов, необходимых для требуемого разупрочнения, выбирается экспериментально для каждого материала. Для обеспечения достижения оптимального разупрочнения обрабатываемого материала (в зависимости от вида материала, его структуры и свойств) угол между силовыми линиями основного и дополнительного импульсных магнитных полей перед началом процесса разупрочнения можно регулировать за счет изменения амплитуды напряженности одного из магнитных полей или за счет перемещения одного из индукторов, создающих основное или дополнительное импульсные магнитные поля. Для достижения максимального эффекта разупрочнения воздействие дополнительным импульсным магнитным полем начинают в период времени от -100% (т.е. в момент включения основного поля) до +20% от времени достижения максимума каждого импульса основного магнитного поля. Обработка материала импульсными магнитными полями может производиться перед механическим измельчением или перед извлечением из материала полезного минерала. Если извлечение полезного минерала производится с использованием физико-химических процессов, обработку материала импульсными магнитными полями целесообразно проводить одновременно с извлечением полезного минерала. Например, если полезный компонент извлекается методом выщелачивания или с методами биотехнологии, то обработка полем в процессе извлечения обеспечивает улучшение проникновения реагента во вновь 8 раскрываемые трещины и ускоряет прохождение химических реакций. Заявленный способ можно реализовать с помощью устройства разупрочнения материалов кристаллической структуры, содержащего по меньшей мере один генератор электрического тока, соединенный с электромагнитной системой, включающей индуктор, создающий основное импульсное магнитное поле, и индуктор,создающий дополнительное импульсное магнитное поле, силовые линии которого направлены под углом 30-90 к силовым линиям основного импульсного магнитного поля, создаваемого первым индуктором. При этом генератор электрического тока может содержать емкостной или индуктивный накопитель, что позволяет уменьшить нагрузку на емкостной накопитель и повысить ресурс работы устройства в целом. В случае использования индуктивного накопителя он может входить как составная часть в один из индукторов, создающих основное или дополнительное импульсное магнитное поле. Это обеспечивает повышение КПД устройства и снижение его габаритов. Кроме того, один из индукторов, создающих основное или дополнительное магнитное поле,может быть подключен к генератору электрического тока через понижающий трансформатор. Для экранирования зоны обработки и повышения энергии магнитных полей, а также для уменьшения влияния индукторов друг на друга в окрестностях индукторов и зоны обработки материала могут быть размещены магнитопроводы и экраны из электропроводного материала. Один из индукторов устройства может быть установлен с возможностью перемещения относительно другого индуктора для обеспечения возможности регулировки направления силовых линий импульсного магнитного поля. В процессе обработки магнитным полем материал размещают внутри индуктора (соленоида или нескольких соленоидов), создающего основное импульсное магнитное поле. С генератора импульсных напряжений на соленоид (соленоиды) периодически подают напряжение заданного импульса и формы. Второй индуктор(соленоид), создающий дополнительное импульсное магнитное поле, может быть размещен, например, соосно основному индуктору и имеет возможность поворота и фиксации таким образом, что угол между осями индукторов изменяется от 0 до 90. Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено следующее. На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства разупрочнения материалов кристаллической структуры, включающего генератор, содержащий источник питания, емкостной накопитель С, а также индуктивный накопитель Lосн, который выполняет функции индуктора основного поля, подключенного че 9 рез ключ К к индуктору Lдоп, создающему дополнительное магнитное поле. Работа устройства осуществляется по следующему порядку: до момента включения ключа К осуществляется зарядка емкостного накопителя С через цепь,включающую индуктивный накопитель. При включении ключа К емкостной накопитель С разряжается через индуктор дополнительного поля Lдоп, а в индуктивном накопителе Lосн,выполняющем функции индуктора основного поля, возникает импульсный ток, который создает основное импульсное магнитное поле. На фиг. 2 изображена принципиальная схема электромагнитной системы, включающей индуктор, создающий основное импульсное магнитное поле, выполненный в виде двух разнесенных катушек L1 осн и L2ocн, включенных согласованно,и индуктор, создающий дополнительное импульсное магнитное поле, выполненный в виде двух разнесенных катушек L1 доп и L2 доп, включенных встречно, причем расстояние между данными катушками может изменяться. Силовые линии поля,создаваемого встречно включенными катушками,направлены преимущественно под углом 30-90 к силовым линиям основного импульсного магнитного поля, создаваемого согласованно включенными катушками. Регулировка угла может осуществляться за счет изменения расстояния между встречно включенными катушками. При этом обрабатываемый материал может подаваться как вдоль направления оси индукторов (вариант 1),так в направлении, перпендикулярном оси индукторов (вариант 2). Предлагаемый способ и устройство для его осуществления могут быть использованы в условиях массового производства с использованием стандартного оборудования, современных материалов и технологий. Эффективность и реализуемость предлагаемых способа и устройства подтверждены актом опытно-промышленных испытаний. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ разупрочнения материалов кристаллической структуры, заключающийся в воздействии на обрабатываемый материал импульсным магнитным полем, отличающийся тем, что за время воздействия направления магнитного поля изменяют. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обрабатываемый материал подают в зону обработки в смеси с жидкостью. 3. Способ по пп.1, 2, отличающийся тем,что в качестве обрабатываемого материала используют железистые кварциты, или золотосодержащие кварцы, или полиметаллические или иные поликристаллические материалы, в состав которых входит кварц. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что обработка материала импульсным магнитным полем с изменяемым направле 003853 10 нием производится перед механическим измельчением или перед извлечением из материала полезного минерала. 5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что обработку материала импульсным магнитным полем с изменяемым направлением проводят одновременно с извлечением полезного минерала, производимым с использованием физико-химических и биотехнологических процессов. 6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что изменение направления магнитного поля осуществляют, воздействуя на обрабатываемый материал дополнительным импульсным магнитным полем, направленным под углом 30-90 к основному импульсному магнитному полю, при этом длительность импульса дополнительного поля лежит в пределах от 10-9 до 10-2 с. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что угол между силовыми линиями основного и дополнительного импульсных магнитных полей регулируют за счет перемещения одного из индукторов, создающих основное или дополнительное импульсное магнитное поле. 8. Способ по любому из пп.6-7, отличающийся тем, что воздействие дополнительным импульсным магнитным полем начинают в период времени 20% от максимума каждого импульса основного магнитного поля. 9. Способ по любому из пп.6-8, отличающийся тем, что дополнительное импульсное магнитное поле является знакопеременным. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что длительность одной полуволны дополнительного импульсного знакопеременного магнитного поля составляет от 10-2 до 10-9 с, а его амплитуда составляет от 0,1 до 100000 А/м. 11. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что на каждую порцию обрабатываемого материала воздействуют рядом импульсов основного и дополнительного импульсных магнитных полей, при этом их частота определяется по формуле=V/nl,где V - скорость перемещения порции обрабатываемого материала;n - количество импульсов, воздействующих на порцию обрабатываемого материала;l - длина зоны обработки материала. 12. Устройство для осуществления способа по п.1 или 6, содержащее, по меньшей мере,один генератор электрического тока, соединенный с электромагнитной системой, включающей индуктор, создающий импульсное магнитное поле, отличающееся тем, что электромагнитная система снабжена дополнительным индуктором, создающим импульсное магнитное поле, силовые линии которого направлены под углом 45-90 к силовым линиям основного импульсного магнитного поля, создаваемого первым индуктором. Электрическая схема устройства разупрочнения материалов кристаллической структуры Конструктивная схема электромагнитной системы устройства разупрочнения материалов кристаллической структуры