Способы борьбы с вихревыми токами

1 – Камчатская опытно-методическая сейсмологическая партия ГС РАН, бульвар Пийпа ,9, 683006, г. Петропавловск-Камчатский, Россия

2 – Научно-исследовательский геотехнологический центр ДВО РАН, Северо-Восточное шоссе, 30, 683002, г. Петропавловск-Камчатский, Россия

РАЗДЕЛЕНИЕ ДИСПЕРСНОГО МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ С ПОМОЩЬЮ ВИХРЕВЫХ ТОКОВ

Аннотация. Для обогащения смесей, содержащих немагнитные металлы, предложено применять переменные магнитные поля. Приведена формула для расчета сил воздействия переменных магнитных полей на частицы немагнитных металлов, подтверждена ее справедливость, установлены главные факторы, определяющие процесс сепарации. На примере экспериментальной лабораторной установки показана принципиальная возможность построения технологии обогащения дисперсных смесей, с немагнитными металлами при помощи переменных магнитных полей.

На Камчатке еще в социалистические времена были открыты промышленные месторождения полиметаллических руд, титаномагнетита, платины, золота. Открытие таких месторождений, как правило, дает мощный импульс экономическому развитию региона. С такими месторождениями Камчатка должна быть просто обречена если не на процветание, то на жизнь хотя бы соответствующую региону–донору. Тем более, что после развала СССР именно горнодобывающие отрасли оказались одним из немногих факторов, придающих России геополитический вес и надежды на лучшее будущее. Развитие горнодобывающей отрасли для Камчатки становится вопросом все более злободневным и, судя по всему, уже безальтернативным. В настоящее время ведется промышленная добыча платины, началась добыча золота, начаты работы по обустройству шанучского месторождения медно-никелевых руд, разработан проект комбината по переработке титаномагнетитовых песков халактырской пляжной россыпи. Однако специфика Камчатки накладывает ряд ограничений на использование некоторых технологий добычи минерального сырья. Здесь невозможно использовать, например, технологию кучного выщелачивания золота в том виде, в котором она применяется в Австралии или США. Кучное выщелачивание — экологически опасная технология. Высокий уровень сейсмической активности, сильная трещиноватость горных пород, долгая и суровая зима, ранимость природы делают на Камчатке даже эту высокоэффективную в теплых странах технологию нерентабельной. Для Камчатки и для всего российского Севера, нужны экологически безопасные и высокопроизводительные технологии добычи, которые бы не травмировали природу и позволяли получать конкурентоспособную продукцию.

Одной из технологий добычи, пригодных для Камчатки, может стать технология разделения дисперсного золото- и платиносодержащего сырья, основанная на использовании свойств вихревых токов, индуцируемых переменным магнитным полем в частицах металла.

Золото- и платиносодержащие россыпные месторождения представляют собой естественные дисперсные смеси минералов, в которых частицы свободного металла отличаются от вмещающих пород своей высокой электропроводностью. Если на такую смесь подействовать переменным магнитным полем, то в частичках минералов будут индуцироваться вихревые токи. В металлических частицах, благодаря их высокой проводимости, вихревые токи будут значительно сильнее, чем в частицах вмещающих пород, которые, чаще всего, являются хорошими изоляторами. Вихревые токи в металлических частицах взаимодействуют с индуцирующим их магнитным полем. При нарастании напряженности магнитного поля частицы металла выталкиваются из магнитного поля, а при уменьшении – втягиваются в область с большей напряженностью. Подобрав закон, амплитуду и скорость изменения магнитного поля, можно добиться пространственного разделения частиц металла и вмещающих пород.

Идея технологии разделения дисперсного минерального сырья при помощи индуцированных вихревых токов была высказана в работе [1]. Расчеты показали, что сила взаимодействия магнитного поля и частиц металла пропорциональна произведению проводимости, четвертой степени размера частицы, напряженности магнитного поля и скорости его изменения [2]:

, (1)

где удельная проводимость; линейный размер частицы; напряженность магнитного поля.

Для уверенного извлечения частиц золота величиной 0,1 мм необходимо магнитное поле напряженностью В( t )

10 Тл при скорости изменения

10 7 — 10 8 Тл/с. Магнитные поля с такими параметрами получают с помощью соленоидов, преобразующих импульсы тока в импульсы магнитного поля. Генератор импульсных токов (ГИТ), соленоид и экспериментальная лабораторная установка были разработаны и изготовлены в лаборатории кафедры физики КГТУ. ГИТ изготовлен на основе емкостного накопителя энергии. В качестве накопителя использован конденсатор К41И – 7,5 кВ 100 мкФ, а в качестве прерывателя тока – быстродействующий тиристор ТБ 161–100. Установка состоит из ГИТ, преобразователя энергии-соленоида, загрузочной емкости, вибрационного питателя приемной емкости и емкости для сбора отходов. Соленоид установлен на кронштейне под желобом вибрационного питателя, так, что дисперсная смесь, сходя с питателя, попадает на торец его рабочей зоны. Частицы металла с индуцированными в них вихревыми токами выталкиваются магнитным полем в приемную емкость. Вмещающие породы с магнитным полем практически не взаимодействуют и падают в сборник отходов.

Электрическая схема генератора импульсных токов приведена на рисунке 1.

Рис.1. Принципиальная схема генератора импульсных токов

1 – выпрямляющий диод; 2 – генератор управления тиристором; 3 – дроссель; 4 – прерыватель тока; 5 – конденсатор; 6 – шунтирующий диод; 7 – соленоид.

Конденсаторы, использованные в установке, имеют ограниченный ресурс рабочих импульсов, поэтому в установке они работают в режиме неполного разряда, что позволяет значительно увеличить срок их службы. При включении схемы конденсатор С заряжается через диод D ₁ и дроссель L ₁ в течение первой четверти периода до напряжения

400 В. После достижения максимального напряжения по сигналу от генератора G открывается тиристор Т, и конденсатор разряжается через соленоид L ₂. Для предотвращения разрушения конденсатора импульсами обратной полярности в схему введен щунтирующий диод D ₂. Работа конденсатора в режиме неполного разряда делает возможным использование для размыкания тока сравнительно маломощный тиристор ТБ 161–100, который обладает подходящим для нас быстродействием. При длительности импульсов менее 10 мс тиристор обеспечивает коммутацию тока амплитудой до 1000 А. Скорость нарастания тока в импульсе А/с (что позволяет получать в соленоиде Тл/с). Форма, амплитуда и длительность импульса тока, вырабатываемого генератором, показаны на рисунке 2.

Рис.2. Форма и амплитуда импульса тока вырабатываемого генератором.

Такая форма импульса позволяет индуцировать в частицах металла сильные вихревые токи во время нарастания поля в соленоиде. Частицы металла сильно взаимодействуют с магнитным полем и выталкиваются из общего потока дисперсного материала. Спад магнитного поля в соленоиде происходит значительно медленнее, чем нарастание. Во время спада в частицах металла индуцируются слабые вихревые токи, и частицы взаимодействуют с внешним полем слабо. Взаимодействие при спаде магнитного поля в соленоиде оказывается слабым, еще и потому, что частицы металла находятся уже на значительном расстоянии от соленоида и не возвращаются в общий поток. Происходит пространственное разделение компонент дисперсной смеси. Потребляемая установкой мощность около 600 Вт.

Эксперименты проводились с искусственной смесью минералов, составленной из кварцевого песка крупностью от 0,5 до 0,1 мм и опилок меди, алюминия и латуни, крупностью от 3,0 до 0,1 мм. Смесь не была классифицирована, чтобы сразу было видно, частицы каких размеров извлекаются. В результате эксперимента выяснилось, что в извлеченном материале присутствуют частицы всех металлов и всех классов крупности, в том числе класса 0,1 мм. Основную массу извлеченного металла составляют частицы классов 0,5–0,2 мм, причем частицы алюминия выталкиваются магнитным полем дальше, чем латунь и медь. Это объяснимо. Алюминий имеет проводимость лишь ненамного меньшую, чем медь, а плотность – в три раза меньшую. Легкая частица выталкивается дальше.

Неожиданно мало оказалось извлечено частиц крупностью 3–1,5 мм, хотя, по нашим представлениям, они должны были составлять основную массу извлеченного металла. Этот факт требует дополнительного исследования.

1. Показана возможность разделения дисперсных смесей с помощью индуцируемых в частицах вихревых токов.

2. Установлено, что главными факторами, определяющими процесс разделения, являются величина индукции и скорость изменения магнитного поля.

3. Изготовлена экспериментальная установка, которая показала принципиальную возможность построения технологии обогащения содержащих благородные металлы дисперсных смесей с помощью вихревых токов, индуцируемых в частицах металла.

1. Латкин А.С. Совершенствование методов обогащения тонкодисперсного сырья // ФТПРПИ. 1998. № 3. С.108–113.

2. Дядин В.И., Синявин Д.С. Электродинамическое разделение минералов // Вестник Камчатского государственного технического университета: Петропавловск-Камчатский. 2002. Вып.1. С.152–156.

Источник

Что такое вихревые токи и какие меры принимают для их уменьшения

Что такое вихревые токи и почему их еще называют токами Фуко? Причины возникновения данного явления и способы применения.

В электричестве есть целый ряд явлений, которые нужно знать специалистам. Хоть и не вся информация может пригодиться в повседневной практике, но иногда поможет понять причину какой либо проблемы. Вихревые токи послужили причиной становления некоторых технологических ухищрений при изготовлении электрических машин и даже стали основой для принципа работы некоторых изобретений. Давайте разберемся, что такое вихревые токи Фуко и как они возникают. Содержание:

Краткое определение
История открытия
Вред от вихревых токов
Как снизить потери
Применение на практике

Краткое определение

Вихревые токи — это токи, которые протекают в проводниках под воздействием на них переменного магнитного поля. Не обязательно поле должно изменяться, может и тело двигаться в магнитном поле, все равно в нем начнёт течь ток.

Нельзя найти реальную траекторию движения токов для их учёта, ток протекает там, где находит путь с наименьшим сопротивлением. Вихревые токи всегда протекают по замкнутому контуру. Основные условия для его возникновения — нахождение предмета в переменном магнитном поле или его перемещение относительно поля.

История открытия

В 1824 году учёный Д.Ф. Араго проводил эксперимент. Он на одной оси смонтировал медный диск, над ним расположил магнитную стрелку. При вращении магнитной стрелки диск начинал двигаться. Так впервые наблюдали явление вихревых токов. Диск начинал вращаться из-за того, что из-за протекания токов появлялось магнитное поле, которое взаимодействовало со стрелкой. Это назвали, тогда как явление Араго.

Спустя пару лет М. Фарадей, открывший закон электромагнитной индукции, объяснял это явление таким образом: подвижное магнитное поле наводит в диске ток (как в замкнутом контуре) и он взаимодействует с полем стрелки.

Почему второе название — это токи Фуко? Потому что физик Фуко подробно исследовал явление вихревых токов. В ходе своих исследований он сделал великое открытие. Оно заключалось в том, что тела под воздействием вихревых токов нагреваются. С теорией разобрались, теперь мы расскажем о том, где применяются токи Фуко и какие вызывают проблемы.

На видео ниже предоставлено более подробное определение данного явления:

Вред от вихревых токов

Если вы рассматривали конструкцию сетевого трансформатора 50 Гц, наверняка обратили внимание, что его сердечник набран из тонких листов, хотя может показаться что проще было сделать цельную литую конструкцию.

Дело в том, что так борются с вихревыми токами. Фуко установил нагрев тел, в которых они протекают. Так как работа трансформатора и основана на принципах взаимодействия переменных магнитных полей, то вихревые токи неизбежны.

Любой нагрев тел – это выделение энергии в виде тепла. В таком случае будут возникать потери в сердечнике. Чем это опасно? В электроустановке сильный нагрев приводит к разрушению изоляции обмоток и выходу из строя машины. Вихревые токи зависят от магнитных свойств сердечника.

Как снизить потери

Потери энергии в магнитопроводе не приносят пользы, тогда как с ними бороться? Чтобы снизить их величину сердечник набирают из тонких пластин электротехнической стали — это своеобразные меры профилактики для снижения паразитных токов. Такие потери описывает формула, по которой можно произвести расчет:

Как известно: чем меньше сечение проводника, тем больше его сопротивление, а чем больше его сопротивление, тем меньше ток. Пластины изолируют друг от друга окалиной или слоем лака. Сердечники крупных трансформаторов стягиваются изолированной шпилькой. Так снижают потери сердечника, т.е. это и есть основные способы уменьшения токов Фуко.

Какие последствия от влияния этого явления? Магнитное поле, возникающее из-за протекания токов Фуко ослабляет поле, из-за которого они возникли. То есть вихревые токи уменьшают силу электромагнитов. То же самое касается и конструкции деталей электродвигателей и генератора: ротора и статора.

Применение на практике

Теперь о полезных сферах применения токов Фуко. Огромный вклад был внесен в металлургию изобретением индукционных сталеплавильных печей. Они устроены таким образом, что расплавляемую массу металла помещают внутри катушки, через которую протекает ток высокой частоты. Его магнитное поле наводит большие токи внутри металла до его полного плавления.

Примечание автора! Развитие индукционных печей значительно повысило экологичность производства металла и изменило представление о методах плавки. Я работаю на металлургическом комбинате, где десять лет назад запустили новый высокотехнологичный цех с такими установками, а спустя несколько лет после освоения нового оборудования был закрыт классический мартен. Это говорит о продуктивности такого способа нагрева металлов. Также используются вихревые токи для поверхностной закалки металла.

Наглядное применение на практике:

Кроме металлургии они используются на производстве электровакуумных приборов. Проблемой является полное удаление газов перед герметизацией колбы. С помощью токов Фуко электроды лампы разогревают до высоких температур, таким способом деактивируя газ.

В быту вы можете встретить кухонные индукционные плиты, на которых готовят пищу, благодаря как раз применению данного явления. Как видите, вихревые токи имеют свои плюсы и минусы.

Токи Фуко несут и пользу, и вред. В некоторых случаях их влияние влечёт за собой не электрические проблемы. Например, трубопровод, проложенный около кабельных линий, быстрее сгнивает без видимых сторонних причин. В то же время устройства индукционного нагрева довольно показали себя с хорошей стороны, тем более такой прибор для бытового использования можно собрать самому. Надеемся, теперь вы знаете, что такое вихревые токи Фуко, а также какое применение нашлось им на производстве и в быту.

Материалы по теме:

Как сделать индукционный котел своими руками
Зависимость сопротивления проводника от температуры
Правило буравчика простыми словами

Источник