ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СЕПАРАТОР УМС -1М: ОТ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДО КОНСТРУКЦИИ

Чарыков В.И.¹, Копытин И.И.², Яковлев А.И. ³

¹Доктор технических наук, профессор,

²доцент,

³аспирант,

Курганская государственная сельскохозяйственная академия им. Т.С.Мальцева

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ  СЕПАРАТОР  УМС -1М: ОТ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДО КОНСТРУКЦИИ

Аннотация

В статье приведен пример математического моделирования процесса очистки жидких (мокрых) продуктов от металлических примесей в неоднородном магнитном поле рабочей зоны сепаратора УМС-1М. Приведена конструкция сепаратора и его технические характеристики.

 Ключевые слова: моделирование, магнитное поле, сепаратор, металлические примеси, конструкция.

Charykov V.I. ¹, Kopytin I.I.², Yakovlev A.I.³

¹Doktor technical sciences, professor,

²dotsent,

³aspirant,

Kurgan State Agricultural Academy name T.S. Maltseva

ELECTROMAGNETIC SEPARATOR OF UMS - 1M: FROM MATHEMATICAL MODEL TO THE DESIGN

Abstract

In article the example of mathematical modeling of process of cleaning of liquid (wet) products from metal impurity in a non-uniform magnetic field of a working zone of a separator of  UMS-1M is given. The design of a separator and its technical characteristics is given.

Keywords: modeling, magnetic field, separator, metal impurity, design.

Строительство подстанций, линий электропередач высокого и низкого напряжений для нужд народного хозяйства требует большого количества высококачественных электроизоляционных материалов, обладающих повышенными электрическими и механическими свойствами.

В наибольшей степени этим высоким требованиям соответствует фарфор, считающейся наилучшим электроизоляционным материалом. При применении его с этой целью единственное препятствие – трудность в обогащении составляющих фарфора.

В технологической схеме  по производству электротехнического фарфора магнитная сепарация производится дважды: после воздушного сепаратора, а также после процеживания шликера (устойчивая суспензия).

Для очистки шликера применяют магнитные и электромагнитные сепараторы. По сравнению с традиционными методами очистки (кислотным, щелочным, адсорбционным, контактным, ионообменным) магнитный метод более прост. Он не требует реагентов, имеет в 2-5 раз большую скорость очистки.

Принцип очистки. Шликер  течет тонким слоем "h" вдоль наклонного желоба  сепаратора (рис.1) длиной "ι" и шириной "a". В желобе при помощи концентраторов создается неоднородное магнитное поле. Эффективность сепарации зависит от скорости течения жидкости и магнитного поля желоба. Критерий эффективности выражается в следующем виде:

                                                      (1)

где: t₁ - время притяжения частиц, с;

t₂ - время нахождения частицы в желобе при движении ее вдоль оси "ОХ" на расстояние "ι", с.

Для использования критерия (1) необходимо знать закон движения частицы вдоль осей "ОХ" и "ОY".

1- желоб; 2- концентратор; 3- металлическая частица

Рис. 1 - Принципиальная схема силового взаимодействия в электромагнитном сепараторе

Движение частицы вдоль оси "ОХ".  При установившемся режиме через любое поперечное сечение желоба с поперечным сечением S = ha за одну секунду будет протекать одно и то же количество шликера:

                                              (2)

где: r _ж - плотность масла, кг/м³;

V - скорость течения масла, м/с.

Так как длина желоба равна "ι", то время нахождения частицы в желобе при движении ее вдоль оси "ОХ", будет:

                                                      (3)

Движение частицы вдоль оси "ОY". При движении частицы вдоль оси "ОY" на частицу действуют две силы: магнитная сила, создаваемая магнитным полем в желобе и на концентраторах, и сила сопротивления движению частицы, создаваемая продуктом. Всем реальным жидкостям присуща вязкость или другими словами внутреннее трение. Вязкость проявляется в том, что возникшее в жидкости движение после прекращения действия причин, его вызвавших, постепенно прекращается. Опытами установлено, что при малых числах Рейнольдса R_e, т.е. при небольших скоростях движения, сопротивление среды можно определить с помощью формулы Стокса:

                                                             (4)

где: r_r - характерный для поперечного сечения тела размер. Для тела круглой формы, т.е. для шара "r_r" - радиус шара, м;

v - скорость движения тела в жидкости, м/с.

При движении частицы вдоль оси "OY" на нее кроме силы сопротивления среды действуют еще сила тяжести частицы и архимедова сила, равная:

                                                      (5)

где V_r - объем частицы, м³;

r _r - плотность частицы, ;

r_жид - плотность масла, ;

g - ускорение свободного падения тела, g = 9,81 .

Магнитная сила, действующая на частицу, помещенную в магнитное поле, определяется исходя из знания потенциальной энергии[1]:

                                                                                (6)

где: W - потенциальная энергия, Дж.

Потенциальная энергия магнитного поля, действующая на частицу объемом "V" определяется по следующей формуле[1]:

                                                             (7)

где: V_r - объем частицы, находящейся в магнитном поле, м³;

B - магнитная индукция, Тл;

m₀ - магнитная постоянная вакуума, Гн/м;

m - относительная магнитная проницаемость масла, Гн/м.

С учетом формулы (7) магнитная сила, действующая на частицу в магнитном поле, определяется следующем выражением:

              (8)

Значение магнитной силы, действующей в направлении оси  "OY":

                                        (9)

В окончательном виде  дифференциальное уравнение, описывающее движение частицы, имеет вид:

         (10)

Решение уравнения (10) легло в основу создания электромагнитного сепаратора  УМС -1М.

Установка для мокрой магнитной сепарации УМС- 1М предназначена для удаления металлических включений из суспензии, глазури, шликера и других жидких материалов. Общий вид установки УМС-1М представлен на рисунке 2.

Электромагнитный сепаратор состоит из станины (условно не показана), на которой установлена наклонная магнитная система, содержащая несколько П-образных магнитопроводов 1 с катушками 2, разделенных на две части, установленных на вертикальных частях магнитопровода и включенных согласно, полюсных наконечников 3 и 4, расположенных в одной плоскости и разделенных между собой немагнитными вставками 5, и замыкающей общей нижней плиты 6.

Немагнитные вставки 5 располагаются вдоль оси сепаратора. Полюсные наконечники соседних электромагнитов разделяются между собой немагнитрыми   вставками 7. Рабочие поверхности полюсных наконечников 3 и 4 нижней плиты покрыты листом нержавеющей стали для исключения попадания ржавчины в сепарируемую суспензию. Полюсные наконечники 3 и 4 и нижняя замыкающая плита 6 образуют щелевидный зазор высотой 30 мм закрытый с боков немагнитными стенками 8 и 9. В верхней части плиты, образованной полюсными наконечниками 3 и 4 всех электромагнитов расположено загрузочное устройство 10. Между полюсными наконечниками 3 и 4 и нижней плитой 6 перемещаются две одинаковые бесконечные цепи 12, к которым с равным шагом прикреплены штанги 13 с одетыми на них концентраторами 14 в виде спиралей. Штанги и концентраторы выполнены из магнитомягкого материала.

Риc. 2 - Электромагнитный сепаратор УМС-1М

Цепи 12 одеты на зубчатые барабаны: натяжной 15, приводной 16 и отклоняющий 17. Привод цепи осуществляется от электродвигателя с редуктором (на схеме  не показан). Установка снабжена ванной 18 для сбора очищенной суспензии, а также кабиной 19, в которой установлены форсунки 20 и 21 для смывания водой металлических частиц с концентраторов 14, штанг 13 и цепей 12. Снизу установлен наклонный поддон 22 для отвода стекающей воды с концентраторов. После смыва вода попадает в сборник 23.

Электромагнитный сепаратор работает следующим образом. При подаче постоянного напряжения на катушки зона сепарации пронизывается магнитным потоком Ф₁, который проходит от одного полюсного наконечника к нижней замыкающей плите, а затем от этой плиты к другому полюсному наконечнику, как показано на разрезе. При этом часть магнитного потока Ф₂ проходит от одного полюсного наконечника к другому через концентраторы 14 и штанги 13.

Сепарируемая суспензия через загрузочное устройство 10 подается в зону сепарации и растекается равномерным слоем по всей ширине замкнутого наклонного желоба, образованного полюсными наконечниками 3 и 4, нижней плитой 6, а также боковыми стенками 8 и 9. В зоне сепарации магнитные частицы притягиваются к концентраторам 14 и штангам 13. После окончания процесса сепарации, когда прохождение суспензии через сепаратор прекратилось, включают электродвигатель приводного устройства, который через редуктор приводит в движение цепи 12 со штангами 13 и концентраторами 14. Последние выходят из зоны сепарации и поступают в кабину 19, где притянутые е частицы размагничиваются и смываются водой с помощью форсунок 20 и 21, поступая в специальный сборник 23. Очищенная суспензия сливается в ванну 18.

Для обеспечения равномерной подачи суспензии (регулирования толщины слоя), а также для предотвращения перелива суспензии и попадания ее в канализацию в нижнем полюсном наконечнике 4 предусмотрен сборник 11, выполненный в виде поперечной щели по всей ширине наконечника 4 и расположенный выше загрузочного приспособления 10. Излишки материала в случае его неравномерной подачи сбрасывается через сборник 11.

Литература

1. Сумцов В.Ф. Электромагнитные железоотделители. –М.:Машиностроение, 1981. – 212с.