Перспективы использования кавитационной эрозии в получении водных суспензий металлов

УДК 628.16:532.5:53.043

Ф. М. Гимранов, А. Н. Беляев, И. В. Флегентов, Е. В. Куц

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КАВИТАЦИОННОЙ ЭРОЗИИ В ПОЛУЧЕНИИ ВОДНЫХ СУСПЕНЗИЙ МЕТАЛЛОВ

Ключевые слова: гидродинамическая кавитация, износ металла, олигодинамия, водная суспензия.

Рассмотрена возможность получения посредством кавитационной эрозии водных суспензий металлов, обладающих олигодинамическим действием. Проведена экспериментальная оценка посредством сканирующего микроскопа размеров частиц серебра и меди, образующихся в процессе кавитационной обработки в гидродинамической проточной установке оригинальной конструкции. В статье приводятся данные натурных исследований.

Keywords: hydrodynamic cavitation, wear metal oligodinamiya, aqueous suspension.

The possibility of obtaining by cavitation erosion of aqueous suspensions of metals having oligodynamic action. Experimental evaluation by scanning microscope particle size of silver and copper produced during the cavitation treatment of hydrodynamic flow unit in the original design. The paper presents the data offield studies.

Гидродинамическая кавитационная обработка представляют собой одно из перспективных направлений интенсификации физико-химических процессов в водной среде [1, 2]. В тоже время началом изучения кавитации явились исследования сопутствующих ей дезинтегрирующих процессов. Их проявлением является видимая механическая эрозии поверхностей, соприкасающихся с кавитационной зоной (рис.1).

Рис. 1 - Эрозионные процессы серебряной пластины за цилиндрическим возбудителем кавитации

Причина связана с аннигиляцией в условиях быстропеременных процессов образованных на данном участке парогазовых микросфер. В окрестностях точек их схлопывания возникают экстремальные параметры, которые приводят к образованию на локальном участке гидродинамической системы импульсных давлений больших величин 1001500 МПа и высоких температур до 2000°С [3].

Производя оценку возможности интенсификации различных процессов кавитационным воздействием, была отмечена возможность получения посредством кавитационной эрозии водных суспензий металлов, обладающих олигодинамическим действием. Обзор научно-технических источников позволил выделить ряд устройств и процессов для получения водных суспензий, в которых использовано механическое (в том числе кавитационное) воздействие на обрабатываемую среду или материалы. Проведенный критический анализ различных методов имел целью поиска технологии, позволяющей с наименьшими материальными затратами производить обработку и приготовление больших (промыш-

ленных) объемов тонкодисперсной суспензии. Во внимание принимались технологии, по которым были сведения об их практической реализации на объектах промышленности. В таблице 1 представлены результаты анализа.

Таблица 1 - Промышленные технологии получения водных суспензий металлов

Наименование Особенности про- Основные недостатки

способа, устройства цесса

Способ воздействия Обработка жидко- Низкая производи-

энергией кавитации сти механическими тельность по объе- а

на поток жидкости и колебаниями раз- му обрабатываемой

кавитационный личной частоты, среды; на

реактор для его способствующих отсутствие непре- о д

осуществления [3] образованию кави- рывности процесса

Способ кавитацион- тационных дезин- фа

ной обработки тегрирующих 5S

материалов [4] процессов Я

Роторный гидроди- Осуществление Сложность конст- Л е

намический кавита- кавитационной рукции, обуслов- С о

ционный аппарат [5] обработки пропус- ленная созданием ид

Роторный кавитаци- канием жидкости больших скоростей 5S о

онный диспергатор через каналы при потока для поддер- Л

[6] вращении лопаст- жания высокоин- м н

ного ротора тенсивных кавита-ционных процессов i е н

Гидродинамический Статическая конст- Сложность изготов- о и с

кавитационный рукция, установ- ления и монтажа в

реактор [7] ленная в проточной реактора ввиду in ^ ч g-

системе наличия в ней

криволинейных ес М 5S во fS 3

элементов

Устройство для Кавитационные Взрыво- пожаро- о S S N

кавитационного процессы образу- опасность процесса, s н S S

измельчения, акти- ются в результате обусловленная S °

вации, дезинфекции детонации газовой наличием горючих & ч§ ° & S ш ж о

вещества [8] смеси горючих веществ и детона-

газов ционных явлений

Способ приготовле- Диспергирование Техническая сложность

ния суспензий [9] путем воздействия осуществления процесса,

на твердый матери- связанная с созданием

ал струей жидкости сверхвысоких давлений (700 МПа и более); ограничение размеров получаемых частиц дисперсной

фазы

Проведенный анализ позволил определить критерии для выбора конструкции кавитационного реактора: простота, надежность, возможность работы с высокой производительностью, осуществление непрерывности обработки водной среды в течение продолжительного периода времени. Результаты исследований, а также данные С.П. Козырева [11],

изучавшего влияние обтекания жидкости различных поверхностей на интенсивность кавитационных процессов, позволили создать конструкцию статического кавитационного реактора проточного типа [12] с цилиндрическими возбудителями кавитации и возможностью осуществления параллельной обработки водной среды одновременно в нескольких локальных объемах. Достоинством данного кавита-ционного реактора является создание кавитации в несколько раз превышающим интенсивность кави-тационных процессов, создаваемых на ротационных установках [3, 11]. Кроме того, предлагаемое гидродинамическое устройство имеет простую конструкцию, которая определяет удобство в обслуживании и надежность в работе. Процесс кавитации при этом протекает стабильно с заданной интенсивностью вне зависимости от расхода обрабатываемой жидкости.

Для проведения исследований была создана экспериментальная установка, представляющая собой замкнутую циркуляционную систему, состоящую из расходной емкости высоконапорного насоса, кавитационного реактора, запорно-регулирующих устройств и измерительных приборов. Обработка водной среды в системе осуществлялось циклично, при этом контролировались значения расхода, температуры, давления до и после кавитационного реактора.

Определяющим фактором, влияющим на величину эрозии металла, является интенсивность кавитационных процессов, которая напрямую зависит от частоты образования кавитационных каверн за единицу времени. Согласно [3, 11], интенсивность кавитации J, определяемая по частоте образования впадин на поверхности металла и связанной с этим потере массы, имеет степенную зависимость от скорости потока жидкости в канале кавитационного реактора V и может быть описано как: J~(V-Vo)n,

где V0 - критическое значение скорости, ниже которой впадины не образуются.

По результатам исследований в рабочем диапазоне скоростей 15^20 м/с показатель степени n принимал значение от 5 до 6, что соответствует данным, полученным Кнэппом [3] и Козыревым [11].

Целью дальнейшей части исследований явилось установление диапазона размеров образующихся при кавитационной эрозии частиц металлов. Именно размеры частиц являются определяющим фактором, при оценке бактерицидных свойств водной суспензии металлов, обладающих олигоди-намическим действием. В качестве объектов использовались образцы серебра и меди с чистотой 99,99%, представляющие наибольший интерес для практического использования.

Оценка размера частиц производилась посредством измерений видимых зон разрушения металла при помощи электронного сканирующего микроскопа JSM-6510 LV (JEOL, Япония) с системой энергодисперсионного рентгеновского микроанализа Oxford, возможностью 300000-кратного увеличения и разрешением до 3 нм. Исследование проводились эрозионных зон, подвергшихся воздействию кавитации различной интенсивности.

Наиболее показательными явились участки с начальной степенью кавитационного износа. Исследования проводились с различной кратностью увеличения. На рис. 2 представлены образцы серебряных и медных подложек при 500-кратной обработке, взятых при одинаковой величине продолжительности и интенсивности кавитационных процессов.

Рис. 2 - Поверхности зон кавитационной эрозии серебряной (вверху) и медной (внизу) подложек с 500-кратным увеличением

Следует отметить более развитую эрозию поверхности серебряного образца. Его весовая оценка потери массы показала большее значение износа на 20%. Видимые разрушения имеют множество развитых очагов и позволяют предположить о достаточно динамичном их росте, который мог развиваться как путем хаотичного отрыва частиц различных размеров и форм, так и последовательного образования каверн на поверхности металла.

Анализ научно-технических источников износа свинцовых и алюминиевых образцов [3, 11], а также графических изображений зон различной степени эрозии меди говорит в пользу последнего предположения, когда с поверхности образцов удаляются отдельные микрообъемы металла. Явление носит коррозионно-усталостный характер. На начальном этапе в местах, соприкасающихся с зоной кавитации, появляется сеть каверн, которые затем сливаются между собой, увеличиваясь в размерах.

При обработке свинца и серебра на их поверхности заметны места пластических деформаций с характерными наплывами металла вокруг каверн. Это следствие повышенной пластичности металлов, их относительное удлинение на 30% больше чем у алюминия и на 10% - меди.

Для определения возможных минимальных размеров частиц, которыми может происходить из-

нос металла, были выполнены измерения с более высокой кратностью (рис.3). В нижней части снимков представлен масштаб изображения, с помощью которого можно определить размеры углублений, оставленных отрывом частиц от металла. Сеть таких следов одинакового размера (на снимках обозначенные овалами) позволяют предположить, что именно такой минимальный размер имеют частицы при ка-витационной эрозии: для серебра - 2-3 мкм, для меди - 1-2 мкм.

Рис. 3 - Поверхности зон кавитационной эрозии серебряной (вверху) и медной (внизу) подложек с соответственно 5000- и 5500-кратным увеличением

Разницу в размерах можно объяснить прочностными характеристиками металлов. Так, для серебра значение временного сопротивления разрушению составляет 150 МПа, в то время как для меди оно на 50% больше - 200-250 МПа. В связи с чем, износ меди происходит более мелкими формами и наблюдается меньшая потеря массы образцов металла.

Полученные данные позволяют определить ориентировочную площадь поверхности образующихся частиц серебра, которая является основным показателем, влияющим на эффективность процесса при оценке олигодинамического действия металлов. Рассматривая удельное значение приведенное к массе металла, площади межфазной поверхности составят для серебра - до 30000 см2/г, для меди - до 70000 см2/г. В отличии от гальванических процессов, используемых для получения ионов металлов в водной среде, полученные частицы за счет своей массы обладают более пролонгированным действи-

ем и способны служить дополнительным источником ионизации при бактерицидной обработке воды.

Полученные данные легли в основу создания новой установки для обработки воды плавательных бассейнов. При этом кавитационный реактор включается в циркуляционную сеть до фильтрационной очистки, а получаемые с его помощью частицы остаются в загрузке фильтра. С течением времени количества частиц становиться достаточным для обеспечения надежной бактерицидной обработки бассейна. В настоящее время установка проходит промышленную апробацию.

Литература

1. Гимранов Ф.М. Оценка возможности использования комплексных методов обеззараживания воды в пищевой промышленности / Ф.М. Гимранов, А.Н. Беляев, И.В. Флегентов, А.С. Суслов // Вестник Казанского технологического университета. - 2012.- №8. - С.289-292.

2. Гимранов Ф.М. Использование кавитационной обработки при снижении содержания кремния в питьевой воде/ Ф.М. Гимранов, А.Н. Беляев, И.В. Флегентов, И.В. Куц// Вестник Казанского технологического университета. -2014.-№19. -С.210-215.

3. Кнепп Р., Дейли Дж., Хеммит Ф. Кавитация.- М.: Мир, 1974.- 687с.

4. Способ воздействия энергией кавитации на поток жидкости и кавитационный реактор для его осуществления: №2226428 Рос. Федерация B01J / С.Д. Шестаков.-опубл. 10.04.2004.

5. Способ кавитационной обработки материалов: №2385184 Рос. Федерация B01F / И.И. Телицин.- опубл. 27.03.2010.

6. Роторный гидродинамический кавитационный аппарат: №2357791 Рос. Федерация B01F / А.Д. Петраков, С.М. Радченко, О.П. Яковлев.- опубл. 10.06.2009.

7. Роторный кавитационный диспергатор: №2229330 Рос. Федерация B01F / Е.В. Основин.- опубл. 27.05.2004.

8. Гидродинамический кавитационный реактор: №2305589 Рос. Федерация B01F / Я.М. Каган, А.С. Кондратьев, Е.А. Кондратьева.- опубл. 10.09.2007.

9. Устройство для кавитационного измельчения, активации, дезинфекции вещества: №2397015 Рос. Федерация B01F / А.А. Иванов, В.Г. Недорезов.- опубл. 20.08.2010.

10. Способ приготовления суспензий: №2397012 Рос. Федерация B01F / А.А. Барзов, А.С. Васильев, А.Л. Гали-новский, Н.К. Литвин, В.Я. Никулин, В.В. Плихунов, В.А. Полетаев, В. С. Пузаков, К. Е. Сидельников, Н. Н. Сысоев, Ю.Б. Шевченко, М.Г. Шеметов.- опубл. 20.08.2010.

11. Козырев С.П. Гидроабразивный износ металлов при кавитации.- М.: Машиностроение, 1971.- 240с.

12. Способ обеззараживания воды синергетическим воздействием: пат. 2445272 Рос. Федерация С02F1/34/ А.Н. Беляев, И.В. Флегентов.- опубл. 20.03.2012.

© Ф. М. Гимранов - д.т.н., проф., зав каф. пром. безопасности КНИТУ, expert-92@mail.ru; А. Н. Беляев - к.т.н., доц. каф. пром. экологии и безопасности, Вятский государственный университет, belyaev71@list.ru; И. В. Флегентов - д.т.н., проф., зав каф. пром. экологии и безопасности Вятский государственный университет, flegentov42@gmail.com; Е. В. Куц - к.т.н., доц. пром. экологии и безопасности ФГБОУ ВПО «Вятский государственный университет», kouts@yandex.ru

© F. M. Gimranov - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Industrial Safety of KNRTU, expert-92@mail.ru; A. N. Belyaev - Ph.D., Associate Professor, Department of Industrial Ecology and Safety of "Vyatka State University», belyaev71@list.ru; 1 V. Flegentov - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Industrial Ecology and Safety of "Vyatka State University», flegentov42@gmail.com; E. V. Kuts - Ph.D., Associate Professor, Department of Industrial Ecology and Safety "Vyatka State University», kouts@yandex.ru.