ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ, МАТЕРИАЛОВ И ВЕЩЕСТВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ГОРНЫХ МАШИНАХ И ОБОРУДОВАНИИ

Ивахник В.Г., Курченко В.Е.
Донецкий национальный технический университет

Источник:

Научные работы ДонНТУ серия «Горно-электромеханическая» выпуск 20 (176)

Проблема и ее связь с научными и практическими задачами.

ХХI столетие будет характеризоваться всплеском результативности инновационных решений, базирующихся на практическом осмыслении природных явлений и установлении закономерностей их проявлений в различных сферах, требующих улучшение свойств материалов, веществ и жидкостей. Значимое место в качественных структурных изменениях этих объектов будет принадлежать и расширению областей применения импульсных электромагнитных воздействий, в том числе в горных машинах и оборудовании, работающих в сложных горно-геологических условиях.

В инновационных разработках, ориентированных на создание приоритетных технологий и конструкций с улучшенными эксплуатационными свойствами, нашли применение электромагнитные воздействия в импульсных режимах, обеспечивающие модификацию физико-механических свойств материалов и веществ (органических и неорганических).

В процессе осуществления МИО различных объектов их размещают внутри кольцевого индуктора (соленоида). С генератора импульсных напряжений (ГИН) через выводы коммутации на соленоид периодически подается напряжение заданного импульса и формы. В результате генерации электромагнитных импульсов в ГИН с регулируемой частотой и амплитудой возникает переменное электромагнитное поле, формируемое необходимую микроструктуру объекта.

Анализ исследований и публикаций.

Из большого количества публикаций по проблематике МИО возможно привести следующие работы: в [1, 2, 3] апробированы результаты влияния МИО на материалы, используемых в горной промышленности материалов, используемых в горной промышленности. В работе [4] обосновы-вается целесообразность расширения областей применения МИО, повышающих эксплуатационные свойства материалов и веществ (органических и неорганических). В работе [5] приведены методологические и практические аспекты применения импульсных электромагнитных технологий, обеспечивающих модификации физико-механических свойств материалов и веществ.

Постановка задачи.

Настоящая статья является продолжением развития теории и практики применения технологии МИО. Целью данной работы является установление оптимальных режимов МИО при использовании компактного оборудования – мобильных магнитно-импульсных установках (МИУ), планируемых к применению на предприятиях Донецкого региона.

Изложение материала и результаты.

В разработках Инженерного центра (ИЦ) МГГУ и на кафедре «Горные машины и оборудование» (ГМО), ориентированных на создание технологий и конст- рукций с улучшенными свойствами, широко используется технология МИО. Проведенные на кафедре ГМО исследования повышения эффективности некоторых традиционных методов упрочнения и защиты поверхностей деталей машин при дополнительном применении МИО показали значительное увеличение их результативности [2].

Опыт ИЦ в масштабном использовании МИО позволяет привести некоторые результаты исследований влияния МИО на структурные изменения материалов и веществ в следующих областях применения МИО.

Для обработки металлов с целью преобразования их микроструктуры и изменения физико-механических свойств, обеспечивающих значительно улучшать потребительские характеристики изделий за счет направленного изменения прочностных свойств, как на их поверхности, так и по всему объему.

Для обработки предельных и непредельных углеводородов, в том числе горюче-смазочных материалов, с целью увеличения теплотворной способности топлива и увеличения срока службы масел (моторных, трансмиссионных и т.д.).

Для обработки технического углерода с целью изменения его свойств, в замену способа ионизирующего радиационного воздействия, являющегося непроизводительным, небезопасным в радиационном плане и не обеспечивающего в достаточной мере улучшение эксплуатационных свойств резинотехнических изделий, в основе которых находится технический углерод.

Обработка металлов.

Технология МИО металла заключается в воздействии на него высокоэнергетическими полями, как одиночными, так и многоразовыми импульсами с различной интенсивностью напряженности и формы импульса. Такое воздействие увеличивает темпы релаксации и структурной перестройки обрабатываемого материала.

Под действием МИО, к примеру, в сталях и чугунах, протекают деформационные процессы, создающие напряжения сжатия до 200 – 700 МПа, происходит уменьшение параметров кристаллической решетки, размеров кристаллита и межплоскостных расстояний.

Результаты исследований, защищенные Патентом РФ № 2064510 «Способ рекристаллизации металла», показывают, что МИО может быть использована взамен рекристаллического отжига при производстве холоднодеформированных листов, фольги и проволоки. Кроме того, МИО влияет на свойства металлов не только с металлическим, но и ковалентным типом связей.

Обработка предельных и непредельных углеводородов.

В ре- зультате выполненного комплекса исследований по воздействию мощными электромагнитными полями на различные соединения предельных и непредельных углеводородов (Патент РФ № 2098454 «Способ обработки жидких углеводородов и устройство для его осу- ществления») разработана инновационная технология обогащения топлива, в частности мазута, которая может использоваться на тепловых станциях, металлургических заводах, обогатительных фабриках и других предприятиях, использующих в технологических процессах мазутное топливо.

В основу этой инновационной технологии положены резуль- таты исследований по улучшению технологических свойств мазута путем улучшения его физико-химических свойств за счет изменения структуры обрабатываемого мазута.

Обработка мазута производится сериями импульсов с выдержкой во времени между сериями. В результате обработки мазута внутри емкости с мазутом возникает импульсное электромагнитное поле с напряженностью 7 x 10^4 ... 2 x 10^5 А/м и длительностью импульсов 0,008 – 0,015 с.

Экспериментальные исследования воздействий импульсного магнитного поля на мазут были проведены на опытно-промышленной установке, смонтированной на ОАО «ПК «БСЗ» (г. Брянск). В результате исследований МИО мазута установлены изменения тонкой структуры мазута до и после МИО. Контроль качества мазута осуществлялся рентгеновским способом.

Обработанный импульсным магнитным полем мазут обладает повышенной теплотой сгорания и светимостью факела, что позволяет снизить его расход на 15 – 20%.

Основные концептуальные конструктивные решения по компоновке МИУ модификации мазута (МИУ-М) прошли апробацию на ОАО «ПК «БСЗ» и с определенной доработкой, применительно к ус- ловиям конкретного металлургического производства, могут быть использованы и на других металлургических производствах, в том числе Донбасса, использующих мазут.

Выводы и направления дальнейших исследований.

Эффективность процесса МИО может характеризоваться сле- дующими преимуществами:
– высокая производительность, превосходящая производительность большинства других процессов; – большая глубина проработки материала (обычно по всему прорабатываемому объему);
– низкая стоимость обработки, благодаря ее малой длительности и существенно меньшей стоимостью установок, например по сравнению с лазерными;
– простота автоматизации процесса, значительно меньшая трудоемкость и экологическая чистота процесса.

В недалекой перспективе использование МИУ на базе автотранспорта «Газель» планируется к практическому применению на шахтах Донбасса – им. А.Ф.Засядько, «Бутовка – Донецкая» и др., а также в строительно-дорожных организациях, остро нуждающихся в решении проблемы повышения стойкости и надежности породоразрушающего инструмента и многих других элементов горного и строительного оборудования. Наличие в Донбассе МИУ также будет предполагать расширение номенклатуры объектов МИО.

Ивахник В. Г. Инновации: Методологические и практические аспекты применения импульсных электромагнитных технологий / В. Г. Ивахник // Третий Международный Радиоэлектронный Форум «ПРИКЛАДНАЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКА. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВА РАЗВИТИЯ» (МРФ-2008), Украина, г. Харьков. – 2008. – С. 93-109.

Ивахник В.Г. Современные тенденции повышения физико-механических свойств конструкционных материалов горных машин и оборудования / В.Г.Ивахник, К.И. Шахова // Горное оборудование и электромеханика. - 2008. - №11. – С. 25-34.

Ивахник В.Г. Магнитно-импульсная обработка материалов, испо-льзуемых в горной промышленности / В.Г.Ивахник, Г.Г.Каркашадзе // Горный журнал. - 1999. - №7. – С.93-94.

Ивахник В.Г. Основные тенденции развития вузовской инновационной сферы (на примере Московского государственного горного университета) / В.Г. Ивахник // Инновации. - 2000. - №7-8. – С.83-86.

Кантович Л.И. Повышение ресурса инструмента и деталей горных машин методом магнитной обработки / Л.И.Кантович, Б.В.Малыгин, К.М. Первов // Горное оборудование и электромеханика. - 2007. - №1. – С. 13-16.