Разработка физической модели нагрева и разупрочнения матричных гетерогенных сред под действием СВЧ-излучения тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ДИНАМИКИ ГЕОСФЕР

На правах рукописи

РАТНИКОВ Евгений Владимирович

РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ НАГРЕВА И РАЗУПРОЧНЕНИЯ МАТРИЧНЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ СРЕД ПОД ДЕЙСТВИЕМ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 01.02.04 — механика деформируемого твердого тела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

V . Москва—1991

! 'ч

I

\ • ■

Рй-бЗШ вшттт а Йнепмуте динамки геосфер Акедшш наук

.. Научный руководитель: ДОКФОр фйзИКо-*м&?бматических наук И.И.Зецер

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

В.М.Цветков

кандидат физико-математических наук К.Б.Васильев

Ведущая организация - Московский горный институт

Защита состоится . 199¿года в час на

заседании Специализированного Совета Института динамики геосфер по адресу: 117334, Москва, Ленинский проспект, д.38, к.б.

Отзывы направлять по адресу:

117334, Москва, Ленинский проспект, д.38, к.6.

Специализированный Совет Института динамики геосфер АН

С диссертацией модао ознакомиться в библиотеке Института динамики геосфер

Автореферат разослан "¿0". 1993?. ' ,

Ученый секретарь Специализированного Совета

кандидат физико-математических наук А.А.Калмыков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

. 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 также 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.

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 имеющих 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-

тИ, 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 СВЧ-нагрева в процессах сегрегации никелевых руд и сульфидирования окислов цветных металлов; "

- выявлены основные закономерности СВЧ-воздействия на окисленные и машетитовые 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 электромагнитного излучения дециметрового диапазона длин волн на различные материалы; разработаны методика дистанционной радиоинтроскопии внутренней структуры объекта во время СВЧ-воздействия и методика экспериментального исследования в условиях вакуума процессов плавления материалов типа горных пород с использованием дистанционного 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 № 1128198 от 22 февраля 1983 года и внедренный в Спецсекторе ИФЗ АН СССР с 9 января 1987 года.

Автор защищает:

1. Физическую модель СВЧ-нагрева матричных гетерогенных сред.

2. Методику и результаты измерений распределения температуры в образцах матричных гетерогенных сред при СВЧ-воздействии.

3. 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 2-2«4Ь

магнитного обогащения.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на II Всесоюзной конференции."Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов" (Юрмала, 1990); 1У Всесоюзном семинаре "Изучение механизмов нетеплового воздействия мм излучения на €иологические объекты и биологически активные соединения" (Москва, 1981); УП и УIII Научных конференциях молодых ученых и специалистов МИМ (Москва, 1982 и 1983); У1 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 ИДГ АН (Спецсектора ИФЗ АН СССР).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из восьми глав, введения и заключения. Полный её объем составляет 452' страниц машинописного текста, из них ¿^рисунков и список, литературы на 22 страницах, включающий 2/5" наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описывается круг вопросов, всвязи с которыми возникла необходимость проведения исследований процессов взаимодействия СВЧ-излучения с гетерогенными матричными средами. Описываются преимущества и недостатки СВЧ-нагрева с точки зрения использования его в промышленности. В общем виде рассматриваются возникающие при этом проблемы.

В главе I сделан обзор работ, посвященных проблеме воздействия СВЧ-иэлучения на матричные гетерогенные среды, а также связанным с ней вопросам. Кратко описаны работы по исследованию разупрочнения горных пород под действием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона. Более подробно описаны работы по расчету и экспериментальным исследованиям электрофизических характеристик матричных гетерогенных сред. Кратко описываются основные области применения искусственных матричных гетерогенных сред - искусственных диэлектриков и магнитодиэлектриков. Подчеркивается, что характер концентрационных зависимостей параметров рассматриваемых сред существенно зависит от близости концентрации включений к порогу протекания.

В главе 2 описывается расчетная модель, использованная для оценок параметров процессов, протекающих при СВЧ-воздействии на матричные гетерогенные среды. Основное внимание в данной главе уделяется вопросам расчета эффективных характеристик гетерогенной матричной среды при условии, что концентрация включений находится в критической области.

В § 2.1 описывается процедура расчета комплексной диэлектрической проницаемости матричной гетерогенной среды. Рассматривается качественное поведение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь в зависимости от концентрации включений и частоты электромагнитного излучения. Указанные зависимости рассматриваются качественно для случаев включений, обладающих различными значениями проводимости, и при различных значениях проводимости окисной. оболочки.

В § 2.2 обсуждается процедура расчета комплексной магнитной проницаемости матричной гетерогенной среды при концентрации

включений, леж ещей вне и внутри критической области. Указывается, что в литературе имеются различные, качественно отличающиеся точки зрения относительно характера изменения магнитной проницаемости в области протекания.

В § 2.3 кратко описываются известные способы расчета эффективного коэффициента теплопроводности матричной гетерогенной среды: метод вириального разложения в ряд по концентрациям компонент, теория эффективной среды, метод теории возмущений для сред с мало отличающимися характеристиками компонент и т.д.

В главе 3 обобщены результаты проведенных автором исследований распределения температуры в матричных гетерогенных средах при СВЧ-воздействии. Исследования проводились экспериментально с помощью термовизионной методики, а также с гомощью оценочных расчетов на основе разработанной модели. Распределение температуры исследовалась как интегрально, то есть путем измерений и расчетов усредненных значений температуры по всему объему образцов, так и локально в районе отдельных включений в гетерогенной матричной среде.

Необходимые для проведения расчетов электрофизические характеристики составляющих гетерогенную среду компонентов, а также характеристики самих гетерогенных сред измерялись с помощью волноводных и резонаторных методик. Использовалась также специально разработанная автором методика измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь на высоком уровне СВЧ-мощности.

Эффективные теплофиэические характеристики гетерогенной среды определялись по соответствующим параметрам компонентов, известным из литературных данных, согласно процедурам, описанным

в глазах 4 и 2. В зависимости от концентрации включений расчеты проводились либо по формулам теории эффективной среды, либо по формулам теории протекания.

Численные вычисления проводились по программе, написанной для расчетов распределений температуры и квадрата модуля элект-, рического поля в многослойной среде при воздействии на неё плоской волны электромагнитного излучения. Граничные условия учитывали радиационный и конвективный теплообмен на свободных поверхнос тях многослойных образцов. Для проведения расчетов задавались зависимости электрофизических характеристик составляющих образец слоев от температуры. Кроме того, автором было написано более 40 программ объемом порядка 300-1000 операторов для расчета электрофизических, теплофизических, прочностных характеристик матричных гетерогенных сред в зависимости от различных параметров задачи (концентрации компонентов, длины волны электромагнитного излучения и т.д.), программ для расчета распределения температуры в средах, обладающих магнитными потерями, программ для расчета термоупругих напряжений и т.д.

Экспериментальные исследования проводились как со специально приготовленными образцами с известным соотношением компонент, так и с реальными средами, например, горными породами или конструкционными материалами. Измерение распределения температуры в образцах в процессе воздействия СВЧ-излучения осуществлялось с помощью термовизора фирмы АСА, а также с помощью термовизора, разработанного в ВДГ АН. В первом случае термограммы регистрировались на фотопленку, оцифровывались с помощью автоматического денситометра и обрабатывались затем численными методы™. Во втором 'случае термограммы регистрировались в цифровом виде с помощью осциллографа С9-8 и также документировались и обрабатывались з- г^ь

-ТО-

на ЭВМ.

Исследование концентрационных зависимостей распределений температуры показало, что при малых концентрациях проводящих включений распределение температуры удовлетворительно описывается с помощью электрофизических и теллофизическмх параметров, рассчи-таишх в приближении эффективной среды. По мере увеличения концентрации проводящих включений в среде начинают проявляться явления протекания, в результате чего коэффициент затухания поля существенно увеличивается и распределение температуры принимает вид, соответствующий экспоненциальному распределению источников тепловыделения .

Для исследования распределения температуры в районе отдельных включений разрешение термовизионной системы было специально увеличено с помощью применения дополнительного ИК объектива, что обеспечило возможность оценки распределений температуры, возникающих в результате воздействия СВЧ-излучения, в районе включений с размерами порядка долей миллиметра. Экспериментально измеренные распределения температуры в районе включений, обладающих различной проводимостью, сравнивались с расчетными, полученными численными методами. Показано, что включения с размерами порндха 0.1 мм и менее в результате СВЧ-воздеЙствия имеет температуру незначительно отличающуюся от температуры окружающей среда (на величину порядка нескольких градусов). Существенные градиенты температур могут наблюдаться только в районе макроскопических включений (с характерными размерами порядка I мм и более). Включения такого масштаба, обладающие малым коэффициентом теплопроводности и большим коэффициентом поглощения электромагнитного излучения, могут нагреваться относительно температуры окружающей

среды на сотни и даже тысячи градусов при максимально достижимых в настоящее время в лабораторном эксперименте плотностях потока энергии СВЧ-излучения.

Указанные выводы справедливы при отсутствии нелинейных механизмов нагрева включений.' В заключение данной главы приводятся оценки условий, при которых включения нагреваются нелинейным образом, (за счет зависимости электрофизических характеристик от температуры).

В главе 4 оценивается распределение термоупругих напряжений в районе поглощалцего включения в матричной гетерогенной среде при воздействии на неё электромагнитного излучения.

Эта оценка проводилась в рамках модели одиночного включения сферической формы, расположенного в среде с эффективными характеристиками. В § 4.1 приведена процедура расчета эффективных прочностных характеристик: модуля Гйга, модуля сдвига и коэффициента Пуассона, а также эффективного коэффициента линейного расширения.

В § 4.2 решена задача в рамках линейной теории термоупругости о распределении термоупругих напряжений, возникающих при СВЧ-нагреве сферического включения, расположенного в среде с эффективными характеристиками. Показано, что распределение термоупругих напряжений в районе границы включения и окружающей среды существенно зависит от соотношения упругих характеристик матрицы и включений. Вид этого распределения определяется знаком эффективного коэффициента линейного расширения. Когда он положителен и имеет достаточно большую величину (больше приблизительно

с.

Ю /град), максимум растя гиващих напряжений находится на границе включения и среды. При отрицательных значениях эффективного коэффициента линейного расширения тангенциальные напряжения на

границе всегда сжимающие,- а при отдалении от границы они возрастают и становятся растягивающими. Величина возникающих в районе макроскопических включений растягивающих термоупругих напряжений может достигать значений достаточных для образования микротрещин.

В главе 5 описывается экспериментальная аппаратура и комплекс методик, которые применялись для .исследования процессов, происходящих при СВЧ-нагреве гетерогенных материалов.

В § 5.1 описывается установка, созданная с участием автора, для проведения исследования процессов, происходящих при воздействии на гетерогенные материалы электромагнитного излучения дециметрового диапазона длин волн (частота электромагнитного излучения 2470 МГц). Конструкция установки позволяла изменять мощность воздействующего на образец излучения в диапазоне 0-5 кВт. В состав установки входит волноводная камера оригинальной конструкции, специально предназначенная для проведения терАговиэионных измерений температуры в образцах гетерогенных сред при СВЧ-нагреве. Средства диагностики, входящие в состав установки, позволяли осуществлять непрерывную индикацию, регистрацию, а также запись в память ЭВМ текущих значений падагацей, отраженной и прошедшей через образец значений мощности электромагнитного излучения а также термограмм распределения температуры. В данном параграфе описываются также кратко технические характеристики установки для исследования процессов воздействия на среда СВЧ-излучения сантиметрового диапазона длин волн, в создании которой принимал участие автор. Экспериментальное обеспечение указанных установок позволяло осуществлять СВЧ-воздействие как при атмосферном давлении, так и при давлении, до 10 ^ торр.

Для проведения экспериментов был освоен и частично разра-

ботан комплекс методик для исследования характеристик гетерогенных сред, а также диагностики процессов, происходящих при воздействии СВЧ-излучения на гетерогенные среды. Методики разрабатывались автором или с его участием.

В § 5.2.1 описаны методики измерения электрофизических характеристик гетерогенных сред в частотном диапазоне 1-50 ГГц. Эти измерения осуществлялись в волноводных и коаксиальных трактах, а также резонаторными методами. Имелась возможность измерения температурных зависимостей электрофизических характеристик на частоте около 10 ГГц.

В § 5.2.2 описаны методики, примененные для измерения распределения температуры в гетерогенных средах при СВЧ-воздействии. Эти методики удовлетворяли условию дистанционности или малости возмущения электромагнитного поля при проведении измерений. К числу этих методик относятся термовизионная, а также методика измерения распределения температуры с помощью термохимических индикаторов.

В § 5.2.3 описывается калориметрическая методика измерения средней температуры образца, подвергнутого СВЧ-воэдействию. Сигнал с калориметра вводился в ЭВМ и обрабатывался численными методами.

В § 5.2.4 описаны методики оптических измерений. В их число входили методики фоторегистрации процесса воздействия с помощью фотокамер, методика измерения оптических плотностей негативов осциллограмм с помощью автоматического денситометра с целью их автоматизированной обработки (для этого автором была написана специальная программа-редактор осциллограмм), а также методики текстурного анализа образцов гетерогенных сред по негативам фо-

тографий, сделанных под микроскопом.

В § 5.2,5 описаны разработанные автором методики измерения пространственного распределения плотности потока СВЧ-излучения. С помощью этих методик измерялась также плотность, потока энергии в заданной точке или области пространства. Указанные задачи решались с помощью зондов, нагруженных на СВЧ-детектор, или с помощью применения пленочных датчиков. Были разработаны методики анализа пространственного распределения СВЧ-мощности с помощью системы зондов, перемещащихся по полю анализа, а также с помощью неподвижной матрицы зондов, сигналы с которых последовательно коммутировались с помощью электронного коммутатора каналов и выводились на экран дисплея ЭВМ. Обе методики позволяли визуализировать распределение электромагнитного поля в динамическом режиме (с кадровой частотой, соответственно, 50 и 200 Гц) при чувствительности порядка I мкВт/см . Для измерения более медленно меняющихся во времени полей применяли пленочные датчики (жидкокристаллические, а также на основе термогашения люминесценции (радиовизор)). На способ измерения пространственного распределения плотности потока энергии с помощью регистрации изменяющихся во времени изотерм получено авторское свидетельство.

В § 5,2,6 описана разработанная автором методика неразруша-ющего контроля за развитием во времени внутренних структурных неоднородностей в оптически непрозрачных средах в процессе воздействия СВЧ-излучения. Этими неоднородностями могут быть каверны, области фазового перехода, сколы и т.д. Методика была основана на просвечивании разупрочняемого в поле СВЧ образца излучением миллиметрового диапазона длин волн и регистрации радиоизображения внутренней структуры, сформированного квазиоптическим

- 1а -

образом, с помощью систем, описанных в § 5.2.5. Приведен пример использования радиоинтроскопической методики.

В исследованиях применялись также разработанные в других организациях методики рентгенофазового и рентгеноструктурного анализа.

В главе б обобщах/гся данные, полученные при исследовании возможности применения СВЧ-нагрева в некоторых технологических процессах металлургии тяжелых цветных металлов. Приведены результаты измерения электрофизических характеристик никелевой руда буруктальского месторождения, а также скоростей нагрева в поле СВЧ некоторых веществ, используемых в металлургии цветных металлов. Излагаются данные, полученные автором при термовизион-иом исследовании распределений температуры при СВЧ-воздействии на заполненный никелевой рудой сегрегационный реактор, а также денные, полученные в экспериментах по сульфидированию окислов цветных металлов с применением СВЧ-нагрева.

В результате проведенных исследований показана возможность применения СВЧ-нагрева в процессе сегрегации никелевых руд и в процессах сульфидирования окислов никеля и меди. Предложена экспресс-методика обогащения руд, основанная на зависимости их электрофизических характеристик от содержания полезных компонентов. Показано, что распределения температуры по сечению сегрегационного. реактора, рассчитанные согласно разработанной модели, удовлетворительно соответствует экспериментальным данным.

В главе 7 описываются результаты исследования возможности разупрочнения окисленных и матоетитовых кварцитов Михайловского горно-обогатительного комбината с помощью СВЧ-обработки перед их измельчением с целью обогащения. Приведены термограммы распреде-

лений температуры в железистых кварцитах указанных типов, а также моделирующих их матричных средах при СВЧ-воздействии, иллюстрируется их изменение во времени. Измерены электрофизические характеристики основных рудных компонентов железистых кварцитов -магнетита и гематита в сантиметровом диапазоне длин волн. Приводятся оценки распределений температуры в районе изолированных рудных включений в железистых кварцитах, а также возникающих при этом термоупругих напряжений. Показано, что в области расположе-• ния рудных зерен с достаточно большими размерами (порядка 1 мм и более) при СВЧ-воздействии развиваются термоупругие напряжения, величина которых достаточна для возникновения микротрещин. Результаты расчетов распределений температуры по сечению образцов железистых кварцитов и моделирукщих их сред, обладающих электрическими и магнитными потерями, удовлетворительно соответствуют полученным экспериментальным данным. Приведены результаты проведенных с участием автора исследований изменения микроструктуры рудных зерен при СВЧ-воздействии.

Данные, полученные в технологическом эксперименте по обработке проб железистых кварцитов в поле электромагнитного излучения дециметрового диапазона длин волн с последующим измельчением и магнитным обогащением показали, что при кратковременной обработке, в результате которой окисленные кварциты нагреваются до температур порядка 200 градусов, кварцевая матрица разупрочняет-ся, а рудные зерна упрочняются. После СВЧ-нагрева в таком режиме время размола в шаровой мельнице обработанных образцов существенно уменьшается, а выход железа в концентрат увеличивается.

В главе 8 описывается методика экспериментального исследования в условиях пониженного давления процессов плавления материа-

лов типа горных пород с использованием дистанционного СВЧ-на-грева. Методика разрабатывалась с целью проведения экспериментов по моделированию процессов дифференциации первичного планетного вещества в расплаве образца Ь -хондрита.

Согласно современным представлениям дифференциация планетного вещества и формирование первичных оболочек планет земной группы начались уже в ходе роста планет, когда высокоскоростные столкновения тел приводили к нагреву и плавлению значительной доли вещества этих тел, что способствовало гидродинамическому отделению металлов от силикатов.

Для подтверждения описанного механизма образования первичных оболочек планет были проведены эксперименты, в которых исследовался процесс СВЧ-нагрева и расплавления образца Ь -хондрита "Царев" с целью получения зоны плавления с достаточными для проявления гидродинамических эффектов размерами. Измерения показали, что коэффициент поглощения СВЧ-излучения метеоритным веществом имеет величину около 0.2 в дециметровом диапазоне длин волн. В этом случае радиационные потери при. нагреве образца до температуры порядка 2000 градусов могут быть скомпенсированы при мощности источника СВЧ-излучения порядка нескольких киловатт.

В результате серии экспериментов по СВЧ-нагреву образцов близких по электрофизическим характеристикам к образцу Ъ -хон-дрита, проведенных на установках, работающих в сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн, были установлены параметры необходимые для успешного проведения эксперимента.

СВЧ-нагрев образца, изготовленного из метеорита "Царев", осуществлялся на установке, описанной в § 5.1. Для уменьшения

теплопотерь и предотвращения нежелательного окисления эксперимент проводился в вакууме при давлении Ю-^ торр.

Распределение температуры в процессе воздействия СВЧ-излу-чения измерялось дистанционно термовизионным методом и с помощью нанесения на поверхность образца термохимических индикаторов, После СВЧ-нагрева в течение получаса температура различных областей поверхности образца оказалась в пределах от 900 до 1500 градусов. В области максимальной температуры в метеоритном веществе образовалась зона плавления. В настоящее время проводятся химические и структурные анализы вещества образца метеорита с целью исследования происшедших после СВЧ-воздействия изменений.

В заключении формулируются основные результаты работы. Главным итогом диссертационной работы, определяющим её научную и практическую значимость, является разработка физической модели процессов СВЧ-нагрева и разупрочнения матричных гетерогенных сред при СВЧ-воздействии, а также разработка математической модели для проведения соответствующих оценочных расчетов. С помощью созданной в процессе работы экспериментальной и расчетной базы проведены исследования возможных применений СВЧ-нагрева в горном деле и металлургии тяжелых цветных металлов, а также в технике физического эксперимента.

Основные результаты проделанной работы состоят в следующем.

1. Разработана физическая модель, объясняющая процессы, протекающие при СВЧ-нагреве матричных гетерогенных сред.

2. Проведено экспериментальное исследование распределения

температуры при воздействии СВЧ-излучения сантиметрового и дециметрового диапазонов длин волн на матричные гетерогенные среды, обладающие электрическими и магнитными потерями; выяснен характер распределения температуры в матрице и включениях. Показано, что среду нагревают, в основном, включения малого радиуса, эффективно отдагацие тепловую энергию в окружающую среду. При концентрациях проводящих включений близких к порогу протекания, существенное влияние на поглощение СВЧ-излучения и распределение температуры в матричных средах оказывают перколяционные явления.

3. Разработана модель для оценочных расчетов обусловленных СВЧ-нагревом распределений температуры и термоупругих напряжений в матрице и включениях в широком диапазоне изменения параметров. Расчетным путем, а также экспериментально, показано, что при высокой проводимости включений градиенты температур и термоупругие напряжения в матричной среде невелики, причем разупрочнение происходит с большей вероятностью в районе макроскопических (с размером порядка I мм и более) включений. В случае поглощающих макроскопических включений с малым коэффициентом теплопроводности возможен их нагрев до температур порядка нескольких тысяч градусов.

4. Впервые проведено исследование развития внутренней области плавления в оптически непрозрачном веществе в процессе воздействия СВЧ-иэлучения.

5. Впервые показана возможность использования источников СВЧ-нагрева в процессах сегрегации никелевых руд и при сульфиди-ровании окислов никеля и меди, причем средняя температура протекания процесса сульфидирования почти на 200 градусов ниже, чем в случае использования традиционных источников энергии. Предложен

способ обогащения никелевых руд за счет использования зависимости их электрофизических характеристик от концентрации полезной компоненты.

6. Впервые проведено экспериментальное исследование распределения температуры при СВЧ-воздействии на окисленные и магнети-товые железистые кварциты. Показано, что поглощение СВЧ-излучения происходит в результате объемного поглощения в окисленных и в результате скинового поглощения в магнетитовых железистых кварцитах. В рамках разработанной модели проведен комплекс расчетов распределения температуры в указанных породах, результаты которых удовлетворительно совпадают с полученными экспериментальными данными. Проведен технологический эксперимент по СВЧ-обработке окисленной железной руды перед её измельчением, который показал, что в результате СВЧ-воздействия существенно уменьшается энергоемкость измельчения руды и увеличивается выход железа в концентрат.

7. С участием автора создана экспериментальная база для исследования процессов, протекаидих при воздействии СВЧ-излучения на гетерогенные среды: установки для осуществления воздействия в дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн, а также комплекс измерительных методик. В частности, автором разработана ра-диоинтроскопическая методика дистанционного контроля за изменением структуры объекта в процессе СВЧ-воэдействия, а также методика экспериментального исследования в условиях вакуума процессов плавления материалов типа горных пород, с помощью которой проведены эксперименты по плавлению образцов Ъ -хондрита.

Основные положения диссертационной работы изложены в одиннадцати отчетах ИДГ АН (Спецсектора ИФЗ АН) и опубликованы в

-ZI -

следующих работах.

1. Ратников E.B. Определение изменения внутренней структуры горных пород // Труды УН научной конференции молодых ученых и специалистов ИФТИ, ч.2. М., 1982, с.192-193. - Деп. в ВИНИТИ 12.07.82, » 3690-82 ДЕП.

2. Ратников Е.В. Использование теории статистических решений в микроволновой интроскопии // Труды УПЗ конференции молодых ученых и специалистов МФТИ, ч.2. М., 1983, с.93-96. - Деп. в ВИНИТИ I.II.83, » 5927-83 ДЕП.

3. Кевлишвили П.В., Зецер D.M., Ратников Е.В. Метод визуализации поперечного распределения электромагнитного излучения мм диапазона длин волн в реальном масштабе времени // Тезисы докладов 1У Всесоюзного семинара "Изучение механизмов нетеплового воздействия мм излучения на биологические объекты и биологически активные соединения". М., 1981, с.38.

4. Зецер Ю.И., Ратников Е.В. Способ измерения пространственного распределения плотности потока энергии СВЧ-излучения / Авторское свидетельство № II28I98 от 22 февраля 1983г.

5. Зецер Ю.И., Ланцбург Е.Я., Ратников Е.В. Поглощение СВЧ-энергии матричной моделью горной породы // Сборник "Взрывное дело", № 90/47. М.;Недра, 1990, с.215-223.

6. Зецер Ю.И., Гуськов D.A., Нус Г.С., Ратников Е.В. Исследование возможности использования СВЧ-нагрева в некоторых технологических процессах цветной металлургии // Тезисы докладов конференции "Применение СВЧ-энергии в технических и научных исследованиях". Саратов, 1991, с.6.

7. Зецер Ю.И., Зильбершмидт М.Г., Заворыкина Т.К., Ратников Е.В. Применение СВЧ-нагрева для рудоподготовки железистых.кварцитов

Михайловского горно-обогатительного комбината перед их обогащением // Тезисы докладов конференции "Применение СВЧ-энергии в технических и научных исследованиях". Саратов, 1991, с. 98.

8. Зецер Ю.И., Нус Г.С., Ратников Е.В., Титова З.П. Исследование возможности применения СВЧ-диэлектрического нагрева в металлургии тяжелых цветных металлов // Отчет Гинцветмет и ИФЗ АН СССР. М., 1989, № гос. per. 01870023807.

9. Зецер Ю.И., Гуськов Ю.А., Ратников Е.В. Исследование некоторых механизмов разрушения матричных гетерогенных материалов при СВЧ-нагреве // Тезисы докладов конференции "Применение СВЧ-энергии в технических и научных исследованиях". Саратов, 1991, с.97.

10. Ермак В.М., Зецер Ю.И., Медведев A.A., Ратников Е.В. Дистанционное измерение температуры диэлектриков и полупроводников с помощью оптической интерферометрии в процессе воздействия СВЧ-излучения // Тезисы докладов конференции "Применение СВЧ-энергии в технических и научных исследованиях". Саратов, 1991, с.108.

11. Гуськов Ю.А., Медведев A.A., Ратников Е.В. Исследование распределения температуры при разрушении образцов гетерогенных материалов электромагнитным излучением с частотой 2450 МГц // Тезисы докладов конференции "Применение СВЧ-энергии в технических и научных исследованиях". Саратов, 1991, с.94.

12. Зецер Ю.И., Ермак B.nl., Ратников Е.В. Термовизионное исследование распределения температуры в образцах композитных материалов при воздействии на них электромагнитного излучения // Тезисы докладов II Всесоюзной конференции "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов". Юрмала, 1990. ■

13. Гуськов Ю.А., Егоров Ю.М., Ратников Е.В., Удалов В.Н.

СВЧ-камера для исследования распределения температуры в материалах при их диэлектрическом нагреве // СПИ. Межвузовский научный сборник. Саратов:СПИ, 1991 (в печати).

14. Зильбершмидт М.Г., Заворыкина Т.К., Ратников Е.В. Структурно-фазовые изменения и разупрочнение окисленных железистых кварцитов при СВЧ-нагреве // Сборник научных трудов ШК (в печати).

15. Зецер Ю.И., Зильбершмидт М.Г., Заворыкина Т.К., Ратников Е.В. физико-техническое обоснование технологии рудоподготовки труд-рообогатимого минерального сырья с использованием СВЧ-обработки // Сборник "Фундаментальные науки - народному хозяйству". М., (в печати) .

16. Гуськов D.A.,.Зецер П.И., Нус Г.С., Ратников Е.В. Применение сверхвысокочастотного (СВЧ) нагрева при обогащении никелевых руд Н Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, (в печати).

П. SaUerYu., Peta-yev M.I., (UtrúKOV E.V., YLtt}4ZeV A.V., Grachev Д.F. Experiment "Tsarev" and the cJi+7erer>-tlaUon oí the ptaneta rij wa WriaL Iwtefnaiio n a I conference. "Or¿£¿n л not zvotuti on of ihe Sotar S+em". Дbslracis . Moscow, 1991, p.

_Подп. к печати 22-//199-/ г. Ф.П.Л. Тираж JOd

Типография ОХО Миннефтегазпрома СССР. Зап.. № 24 ¡6