Глава 2

ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ И НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ПРИ ИЗМЕЛЬЧЕНИИ

2.1. Электризация диэлектрических материалов

Теоретическое обоснование электризация получила в наибольшей степени в физике диэлектрических материалов [25, 26]. Исходя из интересов электротехники, физика диэлектриков в основном рассматривала вопросы их поляризации во внешнем электрическом поле. Перемещение заряда в диэлектрике происходит в пределах молекулы. Это упругое перемещение в пространстве большого количества заряженных частиц, но на очень малые расстояния, приводит к возникновению емкостного тока смещения.

При поляризации в объеме диэлектрик остается электрически нейтральным кроме тонкого слоя у его поверхности, где обнажаются так называемые связанные заряды. В случае неоднородного диэлектрика связанные заряды появляются на границах раздела частей диэлектрика, как на границах раздела фаз, обладающих различными диэлектрическими проницаемостями. Даже в случае теоретически проработанной поляризации во внешнем электрическом поле неоднородные диэлектрические системы имеют очень сложную картину поляризации в постоянном и переменном электрическом поле.

Ещё сложнее выглядит процесс электризации в диспергирующих средах. По Л.Д. Ландау [27] в общем случае произвольной дисперсии оказывается невозможным какое-либо разумное определение электромагнитной энергии как термодинамической величины. Это обусловлено тем, что наличие дисперсии связано с одновременным рассеиванием энергии. Диспергируемая среда является поглощающей, а рассеивание сопровождается выделением тепла. Диэлектрические свойства твердого тела меняются и при сдвиговых деформациях, становятся зависимыми от их направления диэлектрические свойства материала.

По этим причинам вопросы электризации при измельчении, например, в производстве цемента, ранее не рассматривались. Механизм электризации после мельницы проявляется слабо, был малопонятен, даже несмотря на работы Института физической химии АН СССР. С точки зрения фундаментальной науки наличие электрических поверхностных явлений в дисперсных системах было подтверждено и обоснована картина происходящего на базе физико-химической механики, теории двойного электрического слоя и теории дислокаций. Известен был также эффект Степанова [28, 29], который обнаружил электрический потенциал на поверхности деформированных кристаллов при отсутствии внешнего электрического поля и объяснил это заряженностью движущихся дислокаций. Но, когда в 1996 году группой изобретателей был предложен [30] электрофизический способ интенсификации процесса помола цемента, это вызвало у некоторых специалистов сомнение вплоть до неприятия.

Тем не менее, фазовые контакты неизбежно развиваются в клинкере при спекании с образованием кристаллических, смешанных соединений. В результате развивается твердая, коллоидная, частично пористая диэлектрическая структура, представленная на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1. – Структура цементного клинкера

Такая неоднородная дисперсная система, с наличием большого количества двойных электрических слоев на границах раздела фаз, подлежит значительной структурной электризации при внешнем механическом воздействии.

Другим подтверждением электризации диэлектрических материалов при механическом воздействии является пьезоэлектричество. Физическая химия силикатов [31] при изучении свойств твердых материалов обращает внимание на пьезоэлектрики – кристаллические диэлектрики без центра симметрии, которые при механической деформации продуцируют электрический заряд. К таким материалам, с которым встречаются при производстве цемента, например, относится кальцит, являющийся природной формой карбоната кальция и который заметно электризуется при сжатии [32]. В технике используются менее одного процента известных пьезоэлектриков с сильно выраженными свойствами, но остальные не лишены этих свойств и проявляют их в различных ситуациях [33, 34].

Например, изучены пьезоэлектрические свойства различных горных пород, связь их диэлектрической проницаемости и поляризации с минеральным составом [35]. На этой основе теоретически исследован и разработан пьезоэлектрический метод поиска и разведки полезных ископаемых [36]. Метод используется в геологоразведке в поликристаллических средах, какими являются горные породы. Они проранжированы по пьезоактивности, что позволяет за счет тарированных механических воздействий с поверхности земли дистанционно их идентифицировать чувствительными приборами в полевых условиях [37]. В данном случае электризация горных пород при механическом воздействии используется человеком для облегчения труда геологов по поиску полезных ископаемых.

При измельчении твердых тел электризация играет негативную роль, противодействует достижению возможной размалываемости материала, способствует агрегации сверхтонких размолотых частиц и налипанию их на мелющие тела. Поэтому было предложено [38] рассматривать эти электрофизические проявления как результат действия электростатической составляющей силы сопротивления материала его измельчению и интенсифицировать помол за счет её нейтрализации.

2.2. Исследование электрического потенциала свежеизмельченного материала

В 1998 году проводились испытания устройства ЭКОФОР в штате Колорадо США на заводе HOLNAM Inc. Portland Plant. К этому времени на базе патента России [39] на способ получения дисперсионно-кондиционирован-ного, нейтрализованного порошка были поданы заявки на европейские патенты [40, 41], патенты Китая [42] и США [43].

При испытании использовалось одно устройство, которое было подключено параллельно к шаровой мельнице и динамическому сепаратору.

Таблица 2.1. – Результаты испытаний на Holnam Portland Plant, США

Число	Усредненные данные за сутки
Число	Производительность, т/час	Удельная поверхность, см²/г	Расход жидкого интенсификатора, см³/мин
До включения ЭКОФОР
03.02.1998	42,5	3800	400
ЭКОФОР включен на мельницу и сепаратор
04.02.1998	49,5	3950	350
05.02.1998	50,3	4080	300
06.02.1998	53,7	3890	300
07.02.1998	54,3	3905	325
08.02.1998	53,9	3850	230

Как видно из таблицы 2.1, при сохранении качества помола цемента производительность мельницы за счет электронейтрализации была повышена на 27% и одновременно, при такой производительности, вдвое снижено потребление жидкого интенсификатора помола, являющегося анионоактивным ПАВ (в дальнейшем интенсификатор помола).

Эти результаты подняли в среде цементников США ряд вопросов, касающихся электростатического заряда при помоле в цементных мельницах. В частности, как измерить этот заряд и какова его полярность и величина? В итоге цементная ассоциация США (Portland Cement Association USA) инициировала исследования электростатического заряда при помоле в шаровой мельнице [44]. На первом этапе измерялась и определялась величина и полярность электрического потенциала при производстве цемента с использованием как интенсификатора помола, так и без него. Целью следующего этапа была оптимизация количества интенсификатора помола, необходимого для снижения уровня электростатического заряда.

Исследования проводились в 2002 году на мельнице № 5 Monarch Cement Company в Канзасе. Измерения производились электростическим измерителем поля ETS модель 222 со специально изготовленным индикаторным зондом, который позволял измерять относительно земли электрический потенциал продукта в закрытом лотке. Индикаторный зонд был смонтирован в тефлоновом фланце, таким образом изолированном от земли, и был погружен в поток материала. Имелся источник 1,0 кВ для калибровки измерителя. Окружающая температура во время измерений изменялась незначительно от 20,4 до 20,8°С и влажность от 24,3 до 30,2% на протяжении трех часов. Для очистки системы от интенсификатора помола они были отключены за 17 часов до начала измерений, которые производились на входе и выходе из мельницы. Интенсификатор помола был включен для второй серии измерений с расходом 380 г/т цемента. Производительность мельницы в обоих случаях поддерживалась на одинаковом уровне.

Таблица 2.2. – Электрический потенциал свежего цемента

Место измерения	Электрический потенциал материала, кВ
Место измерения	Без интенсификатора помола (31,5 т/час)	С интенсификатором помола (31,6 т/час)
На входе в мельницу	+ 0,23	+ 0,29
На выходе из мельницы	+ 4,65	– 0,43

Исследования показали, как это представлено в таблице 2.2., что материал на входе в мельницу имел небольшой положительный, связанный с трением его при пересыпании, потенциал.

При помоле без интенсификатора помола цемент имел в разгрузочном трубопроводе электрический потенциал также положительной полярности, который стабилизировался на уровне около + 5 кВ. При подаче интенсификатора потенциал свежего цемента снижался до нескольких сотен вольт и изменял полярность на отрицательную. В итоге был сделан вывод, что интенсификатор помола действует как антистатик, снижающий положительный электрический потенциал свежего цемента вплоть до отрицательного значения.

Такой вывод, сделанный на основе натурного испытания, соответствует представлениям, высказанным ранее [45] об электрофизическом механизме действия интенсификаторов помола. Они обладают антистатическими свойствами, реализующимися в мельнице в объеме перерабатываемого материала.

Через год исследования электрозаряженности свежего цемента были продолжены на том же заводе, но на мельнице с производительностью 100 т/час, снабженной высокоэффективным сепаратором. Наличие высокого положительного потенциала свежего цемента без использования интенсификатора помола подтвердилось.

2.3. Электрофизические процессы внутри мельницы

В соответствии с классификацией, существующей в сейсморазведочной геофизике [37], цементный клинкер можно отнести к диэлектрическим материалам с малой, но, тем не менее, достаточной пьезоактивностью, чтобы создавать трудности при помоле, связанные с его электризацией.

Измеренный электрический потенциал свежего цемента косвенно характеризовал результат происходивших в мельнице электрофизических процессов. В ней при помоле материала только малая часть потребляемой мощности двигателя используется эффективно для образования новых поверхностей. К экономически неэффективным затратам, снижающим коэффициент полезного действия мельницы, могут быть отнесены и потери на электризацию измельчаемого материала. Есть все основания полагать, что суммарный уровень электризации материала внутри мельницы, как и в зонах фрикционного контакта [46], находится на уровне 30-45 кВ. На рисунке 2.2, представлена диаграмма, предположительно характеризующая процессы электризации и нейтрализации материала по длине мельницы.

Рисунок 2.2. – Электризация и нейтрализация внутри мельницы

На выходе из мельницы оказалось возможным наблюдать только оставшуюся часть положительного электрического заряда, большая часть которого нейтрализуется внутри мельницы при стремлении освобожденной поверхностной энергии к минимуму в соответствии с принципом максимума энтропии. Возникновение заряда и его нейтрализация происходят одновременно, так как в свободном виде электрические заряды не могут оставаться надолго. Заряд накапливается и остается на поверхности, если время разрушения связей в материале меньше времени релаксации заряда. Чем интенсивней идет процесс разделения поверхностей, тем больший заряд на них остается. Электризация происходит в результате ударов, раздавливания и истирания материала. Нейтрализация частиц по экспоненциальному закону происходите из-за того, что часть зародившихся трещин в материале смыкаются после ударов под действием разноименных зарядов, которые таким образом нейтрализуются, а возможная размалываемость материала не достигается. Мелющие тела покрываются твердой оболочкой из измельчаемого электрозаряженного материала. В результате этого удары демпфируются, а их эффективность снижается. Налипший на мелющие тела материал служит сопротивлением в цепи заземления, нарушая электрическую связь с ней материала. Частично агрегируют противоположно заряженные мельчайшие частицы. Образовавшиеся агрегаты мешают выходу материала из мельницы, а вышедшие частично возвращаются в мельницу, если используется сепаратор.

Эти явления полезно предотвратить или уменьшить, так как они снижают эффективность помола. Другая часть электрического заряда, в зависимости от влажности воздуха, взаимно нейтрализуется коронными разрядами и наконец, релаксация – стекание ещё одной части заряда производится с помощью системы заземления. Эти составляющие нейтрализации не вредят помолу, их действие следует усилить. Исследование показало, что именно положительный заряд является для мельницы избыточным, если в мельнице не используются какие-либо дополнительные средства для нейтрализации образовавшегося заряда.

2.4. Роль заземления при измельчении

Заземление оборудования является обязательным мероприятием по правилам устройства электроустановок. Сама Земля всегда имеет отрицательный электрический заряд, напряженность электрического поля около её поверхности составляет в среднем 130 В/м [47]. Верхние слои атмосферы, в связи с электризацией воды в капельной или кристаллической форме в облаках, заряжены относительно Земли положительно. В ясную погоду от Земли имеет место максимальный поток рассеяния отрицательных зарядов. Молнии возвращают их на поверхность Земли. Наблюдается тесная связь между напряженностью поля и метеорологическими элементами и явлениями – температурой, влажностью, дождем, туманом, грозой. Имеется и другое обоснование восстановления заряда Земли, связанное с её вращением, как электрогенератора в магнитном поле, и ежедневной тектонической активностью литосферы. Всвязи с этим напряженность электрического поля атмосферы нестабильна – зимой больше, чем летом, в течение суток максимальна между 18-00 и 19-00 часами, а минимальна около 3-00. Опытные операторы ощущают зависимость производительности мельниц от погодных условий и времени.

Метеорологические изменения отражаются на вариациях отрицательного электрического потенциала Земли, находящейся в цепи релаксации заряда, возникающего в мельнице. С увеличением эффективности релаксации снижаются негативные проявления электризации материала, и тем самым создаются условия для повышения производительности мельницы.

Мельница сухого помола является не только генератором новой поверхности, но и генерирует снижающий эффективность помола положительный электрический заряд. Бытует представление, что обязательное заземление оборудования гарантирует отсутствие электрического заряда на нем и готовом продукте. Но заземление не является защитой от зарядов статического электричества, оно необходимо только для ограничения предельного заряда. Постоянная времени стекания заряда с объекта на заземляющее устройство принимается не более 0,1 с. То есть оно обладает значительными, но, тем не менее, ограниченными возможностями для релаксации заряда. Если возможности локального заземления по релаксации заряда исчерпаны, то, несмотря на естественную нейтрализацию значительной части положительного электрического заряда внутри мельницы, свежеизмельченный материал выносит его излишки наружу. В дальнейшем он постепенно разряжается на землю или вновь возникает при пересыпании и транспортировке. Поскольку заземление в месте расположения мельницы не может релаксировать заряд полностью из–за насыщения, то необходимо техническими средствами добиться более существенной нейтрализации положительного заряда внутри мельницы, устранив его негативное воздействие на помол материала. С 1930 года эту функцию выполняют жидкие интенсификаторы помола. А в конце ХХ века появилось дополнительное средство интенсификации аппаратного типа – устройство ЭКОФОР, что в переводе с греческого означает «экономию несущий».

2.5. Роль поверхностного слоя мелющих тел в интенсификации измельчения

На поверхности мелющих тел, подвергающихся деформации в цементной мельнице, образуется слой толщиной 5 – 30 мкм с повышенной плотностью дислокаций, так называемый «дебри-слой». Свойства этого слоя изучены [48] всвязи с исследованием эффекта А.Ф.Иоффе на металлах в Институте машиноведения РАН. Эффект повышения прочности кристаллов деформируемого кристаллического вещества в результате растворения и устранения поверхностного «дебри-слоя» был реализован там в процессе электрохимического полирования поверхности металла.

Естественная положительная заряженность металлической поверхности, связанная с переходом части электронов металла в газовую фазу на границе металла с воздухом, в значительной степени увеличивается при деформации за счет движения дислокаций к поверхности нагруженного металла. Дислокации, число которых составляет 108 ÷ 1012/ см2 поверхности металла, несут на себе положительные заряды, соответствующие атомной структуре кристаллов металла. Во время деформации дислокации мелющих тел являются носителями дислокационных токов. Роль дислокаций в кристаллах не соответствует только условному делению их на положительные и отрицательные без привязки к электрическому заряду, как это было ранее при объяснении пластических свойств металла. Их электрическая заряженность реально подтверждена [49, 50, 51]. В результате её на поверхности деформируемого металла возникает электродвижущая сила, вызванная этими положительными зарядами.

Начиная с подвергающегося измельчению заряженного материала, контактирующая с ним рабочая поверхность мелющих тел находится в составе распределенной электрической цепи релаксации зарядов, проходящей далее через бронеплиты, корпус мельницы и валы с подшипниками, корпуса которых подключены к системе заземления. Вал шаровой мельницы, учитывая массу её вращающейся части и незначительную скорость вращения, всегда имеет перемещающуюся со временем дорожку контакта с какой-либо выступающей вершиной неровности баббита подшипника. Поскольку рабочая поверхность мелющих тел заряжена положительно, то её заряд противостоит положительным зарядам частиц материала и уменьшает эффективность стекания этих зарядов на землю со всеми указанными выше негативными последствиями для производительности мельницы.

На рисунке 2.3.а) в разрезе показан положительно заряженный приповерхностный слой мелющего тела с хаотической решеткой «дебри-слоя». При производстве бездобавочного цемента происходит налипание на мелющую поверхность отрицательно заряженных частиц материала, а положительно заряженные появляются на выходе из мельницы.

Устройство ЭКОФОР предназначено для дополнительной нейтрализации положительных зарядов при помоле цемента. При этом оно активно использует поверхность мелющих тел, которая доступна к различного рода воздействиям.

Устройство постепенно по распределенной электрической цепи за счет пульсирующего потенциала небольшой величины производит преобразование приповерхностного «дебри-слоя», как это показано на рисунке 2.3.б). Скопления положительно заряженных дислокаций уничтожаются. Улучшается даже внешний вид поверхности мелющих тел. Она становится гладкой, блестящей, выглядит полированной.

а) б)

Рисунок 2.3. – Последствия упорядочивания приповерхностной структуры мелющих тел

Со временем положительный заряд на поверхности мелющих тел уменьшается и возможности для стекания положительных зарядов с измельчаемого материала через мелющие тела на землю улучшаются. Негативные проявления электризации вследствие этого уменьшаются. С исключением избыточной положительной заряженности металлической поверхности она медленно очищается от налипшей оболочки и упрочняется. Эффективность механических воздействий в мельнице и размалываемость материала улучшаются. На поверхности мелющих тел, являющимися в этом случае как бы электродами внешнего электрического потенциала устройства ЭКОФОР, происходит не только измельчение, но и разряжение частичек цемента, в том числе дислокаций в устьях трещин кристаллов измельчаемого материала. Начало агрегации мельчайших частиц сдвигается в область более высоких значений удельной поверхности готового продукта.

Сходством технологий с использованием жидких интенсификаторов помола и активной нейтрализации является их нейтрализующее действие. Интенсификаторы помола действуют во всем объеме измельчаемого материала с постоянной времени не более часа, а устройство ЭКОФОР действует на материал посредством изменения поверхности мелющих тел, на первоначальное преобразование которых требуется большее время.

На фоне использования интенсификаторов помола применение устройства ЭКОФОР дополнительно увеличивает производительность мельницы на 8–12% или на 12–25%, если интенсификаторы не используются. Удельный расход электроэнергии на помол тонны цемента с применением этого устройства снижается на 3 – 7 кВт час. С учетом того, что производство цемента в мире составляет около 3,6 миллиарда тонн в год [52], энергосбережение с использованием устройства ЭКОФОР не только экономически выгодно для производителей цемента, но может внести вклад в энергосбережение и сохранение экологии Земли.

2.6. Характеристика активного нейтрализатора

Активный нейтрализатор – устройство ЭКОФОР, второго поколения, модель ЭФ-01-03 выпускается по ТУ 4218-002-59456824-2007 и в соответствии с патентами России на изобретения [53,54]. Оно предназначено для интенсификации процессов сухого дробления и помола.

Устройство обеспечивает увеличение производительности дробилок и мельниц сухого помола на 8-25% в зависимости от перерабатываемого материала, со снижением удельного расхода электроэнергии на 8-20%. При использовании в технологии жидких интенсификаторов помола их потребление одновременно снижается на 25-30% или они заменяются устройством при производительности мельницы до 50 т/час.

Напряжение питающей сети устройства 230В, частота тока 50 – 60 Гц, потребляемый ток не более 0,5 А, допустимое предельное отклонение напря-жения питающей сети -10, +5%. Второе поколение устройства предусматривает универсальность использования его электропитания от сети как с заземленной, так и изолированной нейтралью.

Режим работы устройства длительный, масса не превышает 11,5 кг.

Исполнение устройства по степени защиты составляет IP65. Однако рекомендуется использовать легкосъемный защитный чехол, чтобы не заносить пыль внутрь устройства при сервисном обслуживании. Устройство рассчитано на работу при температуре окружающего воздуха от +50°С до -40°С.

Рисунок 2.4. – Габаритные размеры устройства ЭФ-01- 03

Оно конструктивно, как это показано на рисунке 2.4., выполнено в виде стального навесного шкафа. На двери шкафа установлены выключатель и световой индикатор питания, а также кнопочный выключатель и световой индикатор для контроля исправности линии, соединяющей устройство с объектом.

В нижней части шкафа установлены защитные предохранители и клеммный набор для подключения проводов питания и связи с объектом, а также, если потребуется, то и с компьютерной системой управления.

Для исключения попадания пыли внутрь шкафа при закрытой двери между ней и корпусом установлены резиновые прокладки, а ввод проводов или кабелей в устройство осуществляется через герметичные сальники.

Устройство содержит трансформатор, опломбированный конвертер, в том числе с генератором пульсирующего потенциала, выключатель питания, кнопочный выключатель, светодиодные индикаторы, защитные предохранители, плату соединительную и клеммный набор.

Устройство включается выключателем питания с одновременной световой индикацией.

Рисунок 2.5. – Схема подключения устройства ЭФ-01-03

Металлическая часть оборудования, которая находится в непосредственном контакте с измельчаемым материалом, подключается в соответствии с рисунком 2.5. к клемме “Е” устройства, связанной с конвертером, который подключатся также и к заземляющему устройству объекта

Конвертер обеспечивает более полное снятие электрических зарядов с обрабатываемого материала. Параметры работы конвертера устанавливаются при настройке устройства изготовителем.

Корпус устройства должен быть надежно заземлен внутри шкафа отдельной линией.

Устройство безопасно для обслуживающего персонала и не оказывает негативного воздействия на оборудование в соответствии с сертификатом безопасности № РОСС RU ME 48 HO2713.

Устройство следует устанавливать на расстоянии не более 25 метров, предпочтительно 5-7 метров, от оборудования. Установку производят вертикально с помощью комплектуемых проушин, которые крепятся извне в отверстиях на задней стенке шкафа.

При подключении электрического питания к устройству необходимо обратить особое внимание на необходимость его фазировки в соответствии с схемой подключения. При нарушении фазировки плавкая вставка 100 мА перегорает, и светодиодный индикатор контроль не включается. Необходимо в этом случае установить правильную фазировку и заменить плавкую вставку 100 мА.

Устройство не требует отключения во время эксплуатационных остановок оборудования. Срок его службы составляет 10 лет. Оно используется для интенсификации конусных дробилок, шаровых мельниц открытого и замкнутого цикла помола, в том числе и с применением жидких интенсификаторов помола, а также вертикальных валковых мельниц. Эффективна его работа на системах предварительного измельчения, вибрационных и центробежно-ударных мельницах. В последующих главах монографии будут приведены данные о работе устройства с различным дробильным и помольным оборудованием.