Введение к работе
. Актуальность теш. Достижения науки и техники сделали возможным внедрение в промышленность источников электромагнитной энергии и разработку на их основе новых технологий высокого уровня. В некоторых таких технологиях представляется перспективным использовать источники энергии сверхвысокой (СВЧ) частоты.
Принципиальным отличием процесса нагрева с помощью электромагнитного излучения от традиционных способов теплового воздействия является объемный характер поглощения энергии в слабо проводящих материалах, а также селективность поглощения, выражающаяся в различной интенсивности нагрева отличающихся по своим электрофизическим свойствам компонентов гетерогенных сред. Эти свойства СВЧ-воздействия определяют специфику его использования в промышленности. Особенностями СВЧ-нагрева являются такке экологическая чистота, возможность осуществления дистанционного ввода энергии в нагреваемый объект, большой коэффициент полезного действия генераторов СВЧ-иэлучения, а также безынерционность, что очень важно для автоматизации производства.
Объемность поглощения СВЧ-излучения ускоряет в десятки раз процессы нагрева диэлектрических и других слабо проводящих материалов. Селективность нагрева вещества с помощью электромагнитных колебаний позволяет экономить энергию в некоторых технологиях за счет избирательного воздействия на определенные компоненты гетерогенных сред, в которых требуется локально повысить температуру. Это необходимо, например', в случае предварительной обработки СВЧ-излучением некоторых руд перед процессом их измельчения с целью обогащения.
-г -
Другим возможным применением СВЧ-энергии в промышленности может являться её использование для нагрева реагентов в реакциях, протекающих при повышенных температурах, например, в процессе сегрегации никелевых руд или в процессе сульфидирования окислов никеля или меди.
Однако, из-за сложности протекающих при взаимодействии СВЧ-излучения с гетерогенными средами процессов физические механизмы воздействия на многие объекты изучены ещё недостаточно. Это связано, в частности, со сложностью методик измерения необходимых параметров при высоких значениях поля и температуры, сложность» математического аппарата, применяемого для описания имещих место в подобных процессах нелинейных эффектов, а также с большим многообразием подлежащих исследованию материалов. Указанные причины приводят к необходимости разработки модельных представлений явлений, протекающих при СВЧ-нагреве.
Таким образом, научная задача исследования и моделирования процессов, происходящих при СВЧ-воэдействии на гетерогенные среды является актуальной.
Цель диссертации: разработка физической модели СВЧ-нагрева матричных гетерогенных сред на основе экспериментального изучения особенностей возникающих при этом распределений температуры и изменений структурного состояния среды или её компонентов; применение разработанной модели и созданной в результате исследований экспериментально-методической и расчетной базы для изучения возможности использования СВЧ-излучения' в некоторых технологических процессах, в частности, для обработки различных руд с целью их обогащения, а также в физическом эксперименте, в частное-
тії, для плавления материалов типа горных пород.
Решались следующие основные задачи:
разработка расчетной модели для оценки процесса СВЧ-нагрева матричных гетерогенных сред;
разработка методик и аппаратуры для обеспечения необходимых, экспериментальных исследований;
экспериментальное исследование распределения температуры в матричных гетерогенных средах при СВЧ-воздействии;
исследование механизмов разупрочнения матричных гетерогенных сред, имеющих место при СВЧ-воздействии, с помощью изучения изменения структурного состояния среды или её компонентов;
исследование возможности использования СВЧ-нагрева с целью предварительной обработки железистых кварцитов перед измельчением с целью направленного изменения их физических параметров для повышения эффективности обогащения;
исследование возможности использования СВЧ-нагрева в некоторых технологиях цветной металлургии, в частности, при сегрегации никелевых руд и при сульфидировании окислов никеля и меди;
разработка методики экспериментального исследования в условиях вакуума процессов плавления материалов типа горных пород с использованием дистанционного СВЧ-нагрева.
В качестве метода исследований применялся физический эксперимент с привлечением оценочных расчетов на ЭВМ.
Научная новизна и практическая значимость работы:
- разработана физическая модель СБЧ-нагрева матричных гете-
рогенных сред и разупрочнения этих сред под действием СВЧ-излу-чения;
впервые экспериментально изучены основные закономерности формирования и изменения во времени распределений температуры в районе отдельных включений при СВЧ-воздействии на матричные гетерогенные среды;
исследованы некоторые механизмы разупрочнения материалов при СВЧ-воздействии, в частности, впервые проведено исследование процесса образования внутренней области плавления в оптически непрозрачном материале в процессе СВЧ-воздействия;
на основе разработанной модели проведены .оценочные расчеты распределения температуры внутри матричных сред при СВЧ-воздействии, которые показали удовлетворительное совпадение с экспериментальными результатами; \,
впервые установлена возможность использования СВЧчіагрева в процессах сегрегации никелевых руд и сульфидирования окислов цветных металлов; г
выявлены основные закономерности СВЧ-воздействия на окисленные и магаетитовые железистые кварциты, показано, что при их обработке СВЧ-излучением повышается эффективность извлечения полезных компонентов из руды при её магнитном обогащении;
- создана экспериментально-методическая база для проведения
комплексных исследований процессов воздействия электромагаитного
излучения дециметрового диапазона длин волн на различные матери
алы; разработаны методика дистанционной радиоинтроскопии внут
ренней структуры объекта во время СВЧ-воздействия и методика
экспериментального исследования в условиях вакуума процессов
плавления материалов типа горных пород с использованием дистан
ционного СВЧ-нагрева.
Диссертационная работа выполнена в рамках плановых тем лаборатории "Высокоэнергетические процессы взаимодействия" Института динамики геосфер Академии наук. Основная часть результатов получена в ходе выполнения работ в рамках программы "Исследование возможностей использования СВЧ-излучения для технологической обработки горных пород и их моделей".
При выполнении исследований разработан способ измерения пространственного распределения плотности потока энергии СВЧ-излучения, защищенный авторским свидетельством № II28I98 от 22 февраля 1983 года и внедренный в Спецсекторе ИФЗ АН СССР с 9 января 1987 года.
Автор защищает:
-
Физическую модель СВЧ-нагрева матричных гетерогенных сред.
-
Методику и результаты измерений распределения температуры в образцах матричных гетерогенных сред при СВЧ-воздействии.
-
Расчетную модель для определения распределения температуры при СВЧ-воздействии на матричные гетерогенные среды.
4. Результаты оценочных расчетов, проведенных численными методами согласно разработанной модели.
5. Методику и результаты исследования изменения внутренней структуры оптически непрозрачных материалов в процессе СВЧ-воздей-ствия.
6. Результаты проведенных на основе развитых модельных представлений исследований возможности применения СВЧ-нагрева в некоторых промышленных процессах: сегрегации никелевых руд, сульфидирования окислов цветных металлов, предварительной обработки
окисленных железистых кварцитов перед их измельчением с целью 2-2ЧіЬ
магнитного обогащения.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на II Всесоюзной конференции."Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов" (Юрмала, 1990); ІУ Всесоюзном семинаре "Изучение механизмов нетеплового воздействия мм излучения на биологические объекты и биологически активные соединения" (Москва, 1981); УП и УІІІ Научных конференциях молодых ученых и специалистов ШГй (Москва, 1982 и 1983); УІ Всесоюзной научно-практической конференции "Применение СВЧ-энергии в технологических процессах и научных исследованиях" (Саратов, 1991); Международной конференции "Происхождение и эволюция солнечной системы" (Москва, 1991), а также на конкурсах научных работ ИДТ АН (Спецсектора ИФЗ АН СССР).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из восьми глав, введения и заключения. Полный её объем составляет -\5$' страниц машинописного текста, из них Z5 рисунков и список, литературы на 22 страницах, включающий 2/5" наименований.