СВЧ В ТЕХНОЛОГИЯХ ПЕРЕРАБОТКИ ИСКОПАЕМЫХ...

Работы для оборонного комплекса СССР чаще всего выполнялись на мировом уровне или превышая его. В то же время приспособление выполненных и хорошо показавших себя в длительной эксплуатации изделий в том, что называлось народным хозяйством, считалось для организаций делом непрофильным, малопрестижным, а потому и делалось от случая к случаю, от компании к компании. В новых условиях капитализма зарабатывать деньги для выживания или нормального существования и развития все законные средства хороши. Научно-производственное предприятие «МАГРАТЕП», занимающееся магнетронной тематикой вместе со своим старшим братом НПП «Исток», распространяет свои разработки в самые разные области — от сельского хозяйства до производств, перерабатывающих промышленные отходы.

Оборудование, не уступающее мировым аналогам, разработано и изготовлено. Установка по СВЧ-обработке бадделеитового концентрата (диоксид циркония в конечном виде) осуществляет его сушку от 20% до 0,05% влажности. Это позволяет в дальнейшем получить чистый цирконий с помощью химических реакций. Сама установка — это волноводная камера (фото 1) расширенных геометрических размеров, наклоненная под определенным углом к горизонту. Это связано с организацией транспортирования самого порошка концентрата по камере. Сравнительно большая длина рабочей камеры установки связана с тем, что вся СВЧ-мощность должна поглотиться в материале. Ввод мощности осуществляется через рупорный патрубок в саму камеру, где расположена продуктопроводная фторопластовая труба, которая вращается частотно-регулируемым приводом. С противоположного конца через вибропитатель влажный концентрат поступает в продуктопровод. На внутренней поверхности трубы расположены лопатки, захватывающие и поднимающие концентрат до определенной высоты, откуда он, сорвавшись, падает и смещается в горизонтальном направлении. Таким образом, происходит транспортировка влажного концентрата по трубе в сторону наибольшей напряженности СВЧ-поля.

Материал перемещается без каких-либо механизмов, что и нужно для установки непрерывного действия. Газоотсос выносит пары влаги, отправляя ее в систему аспирации. Построенная камера отличается тем, что вход ее открыт и через него не происходит никакого паразитного излучения, потому что в длинной трубе электромагнитная волна, многократно отражаясь, полностью поглощается в обрабатываемом продукте. А со стороны магнетрона благодаря переходу от прямоугольного волновода к круглому отсутствуют условия распространения электромагнитной волны вне установки. При мощности 50 кВт уровень паразитного излучения на входе и выходе не выше, чем у обычной микроволновки, — 10 мкВт/см2.

Такие установки могут работать не только с концентратом, содержащим диоксид циркония, но и с очень широким спектром подобного мелкодисперсного минерального сырья. Испытания должны завершиться в этом году. Затем планируется использовать установку на горнодобывающих комбинатах городов Ковдора и Кировска.

Сфера применения ее значительно шире. Дело в том, что сложный по составу материал в процессе объемного СВЧ-нагрева как бы активируется, в нем возникают внутренние напряжения. И последующие операции, химические или механические (помол), благодаря возникшим напряжениям происходят интенсивнее. В России не производят серийно такого типа промышленных установок. За рубежом существуют подобные, с внутренней транспортерной горизонтальной лентой, но не с одним, а с несколькими магнетронами, установленными один за другим. Наша отличается еще и высоким КПД. Процесс получается энергосберегающим и экологически чистым. Экономия электроэнергии на одной лишь операции сушки 2—3-кратная. Не говоря уже о степени влажности — 0,05%, трудно достижимой любым другим способом сушки.

Важная особенность данной разработки — ее комплексность. Вместе с оборудованием создается и автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП). Существенно и то, что могут меняться параметры входного сырья (влажность, гранулометрический состав, неравномерность подачи его и т.п.). При этом внутри камеры образуется неоднородная среда. Реагировать на это надо моментальным изменением уровня мощности генератора СВЧ. Рассказывавший нам об этой разработке Валерий Требух (фото 2) добавил: «Все эти технологии существовали в Советском Союзе, но они были закрытыми до определенного момента. Теперь стоит задача сделать массовым применение такого оборудования, например, в рамках программы по развитию производства редких и редкоземельных металлов». Сейчас подана заявка на п.м. 2014149022 по данной установке.

...В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ...

По тому же принципу с расширенным волноводом создана СВЧ-установка «Декстрин» для микроволновой обработки зерновых продуктов (фото 3). Она устанавливается вертикально, и зерно перемещается, просыпаясь по трубе и тормозясь на выходе. Этим обеспечивается регулировка времени нахождения материала в СВЧ-поле, от которого и зависит температура самого нагрева. Сегодня она составляет до 100°С, перекрывая тепловые диапазоны таких процессов, как предпосевная стимуляция (до +40°С), обеззараживание продуктового зерна, идущего на хлебопечение и комбикорм.

Еще одно применение подобной установки — экономичный объемный нагрев масличных культур перед отжимом масла. Одна предпринимательница из Кемеровской области закупила немецкий пресс и стандартный шнековый питатель с тэновыми нагревателями. Но не учла, что пресс наиболее эффективен, когда зерно нагрето до 90—95°С, а стандартный питатель дает только 60°С. И сколько ни устанавливай дополнительных тэнов, нагрев останется конвективным — с поверхности вглубь зерна. А вот СВЧ дает одновременный объемный нагрев изнутри и тем самым открывает все возможности для наиболее эффективного маслоотделения. Производительность отжима после СВЧ-обработки выше значительно. Предпринимательница обратилась за помощью в МАГРАТЕП, однако изготовить СВЧ-оборудование в одном экземпляре, понятное дело, оказалось бы слишком дорогим удовольствием и для заказчика, и для фирмы.

Возвращаясь к предпосевной СВЧ-обработке зерна, следует отметить, что она инициирует процессы прорастания, пробуждая зародыш, который находится внутри зерна. На Украине было проведено около 18 тыс. опытов по стимуляции разных зерновых культур и отмечено повышение урожайности до 10%. Беда в том, что серийных промышленных установок не существует. Сам эффект регистрируется в многочисленных научных трудах, даются посылы для построения сложных больших установок, но они, к сожалению, от микроволновки не масштабируются. И всякий раз заново приходится изучать процесс взаимодействия и распределения электромагнитного поля внутри рабочих камер, строить систему автоматизации и измерения их параметров и так далее.

Безусловно, нужна наука, которая правильно истолкует все результаты. Сегодня  разработчикам не хватает взаимодействия с сельскохозяйственной наукой, которая быстро бы проводила анализ внутренних процессов, происходящих в зерне, и давала бы полное объяснение ответной реакции на СВЧ-воздействие специалистам из МАГРАТЕПа. Например, если ставится задача повышения питательности зерна, то здесь основной процесс — распад сложных молекул крахмала на легко усваиваемые декстрины, полисахариды. И требуются «заточенные» анализы, оценивающие связь, например, темпа нагрева и времени выдержки с повышением выхода декстринов, чтобы найти оптимальные параметры воздействия на зерно.

Это уже задача и вопросы организации работ, в которых большая роль принадлежит Академии наук. «Мы фактически, — говорит Валерий Петрович, — забегаем вперед, а тылы отстают. Хотя надо бы наоборот, чтобы ученые ставили задачи, определяя направление развития».

Возвращаясь к установке «Декстрин», которая отмечена золотой медалью Российской агропромышленной выставки «Золотая осень» на ВДНХ (фото 4), добавим, что ее применение может повысить питательность кормов на 25—30%, а хлеб, выпекаемый из муки, полученной из обработанного СВЧ-зерна перед помолом, в объеме превышает контрольный образец. С ее помощью можно обрабатывать пшеницу мягких и твердых сортов, а также ячмень, сою, кукурузу, рапс и сорго. При непрерывном режиме за 1 ч можно приготовить 600 кг кормов из бобовых и 1 т из злаковых. Производительность предпосевной обработки 5 т в час.

...И ПРИ РАЗУПРОЧНЕНИИ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Постановлением правительства №366 от 21 апреля 2014 г. утверждена Государственная программа РФ «Социально-экономическое развитие Арктической зоны РФ на период до 2020 года» («Госпрограмма АЗ»). Она предусматривает мероприятия по комплексному развитию субъектов Федерации и отдельных муниципальных образований, входящих в состав Арктической зоны РФ: всего 9 субъектов РФ, плотность населения 0,55 человека на 1 кв.км. Вместе с тем здесь сосредоточено 80% российских запасов газа, 70% нефти и 50% угля. Экономическое освоение этих районов России и прежде всего увеличение добычи полезных ископаемых связано с выполнением большого объема строительных работ в тяжелых условиях Крайнего Севера. Возникает проблема повышения производительности разработки многолетнемерзлых дисперсных пород, высокая прочность и абразивность которых не позволяет делать это горной и землеройной техникой, предназначенной для талых пород.

Есть два принципиально разных способа ее решения. Первый основан только на механическом разрушении, что требует создания горных и землеройных машин со значительной единичной мощностью и в настоящее время встречает ряд затруднений принципиального характера. Второй  кроме механического разрушения использует предварительное снижение прочности (разупрочнение, оттаивание) многолетнемерзлых пород путем ввода в массив того или иного вида физической энергии. На открытых площадях большие объемы мерзлых грунтов могут разрабатываться с помощью статического рыхления или буровзрывным способом. В случаях, когда работы приходится вести в стесненных условиях, например вблизи трубопроводов, кабелей, сооружений и на небольших площадях, использование таких методов становится невозможным.

Обычно применяют тепловые методы разупрочнения (оттаивания) разрабатываемых грунтов с последующей их отработкой простой землеройной техникой. Наиболее универсально и легко реализуемо на практике поверхностное оттаивание. Однако контакт отогреваемого грунта и теплоносителя с атмосферой ведет к повышенным потерям тепловой энергии, которые стараются уменьшить теплоизоляцией обрабатываемой поверхности и теплоносителя. Тепловую энергию для оттаивания получают либо при сжигании соответствующих органических видов топлива (огневые способы оттаивания), либо с помощью электрических нагревателей или непосредственно при пропускании электрического тока через толщу мерзлоты. Большая трудоемкость разрушения многолетнемерзлых пород в условиях низких отрицательных температур привела к поиску новых способов предварительного снижения прочности разрабатываемого массива — например, путем воздействия на мерзлые породы различными физическими полями.

Из всех известных и наиболее перспективных с точки зрения способности влиять на физико-механическое состояние массива мерзлых и горных пород является энергия электромагнитного поля (ЭМП) высокочастотного (ВЧ) и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных ведущими горными институтами страны (Институтом горного дела Севера СО РАН, г.Якутск, Институтом горного дела им. А.А.Скочинского, Московская обл., г.Люберцы, Московским государственным горным университетом,С.-Петербургским государственным горным институтом и рядом других), подтверждают возможность и высокую энергетическую эффективность разупрочнения мерзлого массива в геологоразведке, горном деле и в строительстве энергией ЭМП СВЧ.

При аварийном вскрытии подземных инженерных коммуникаций в северных городах с помощью энергии СВЧ сроки ликвидации с обычных нескольких дней сокращаются до 6—8 ч. Себестоимость работ снижается в 2 раза, трудоемкость — больше чем в 10 раз. Однако внедрение такого способа тормозится в связи с отсутствием надежных мобильных генерирующих СВЧ-установок и в связи со сложным характером взаимодействия СВЧ-поля с мерзлыми грунтами. Известно, что повышение эффективности разупрочнения и оттаивания мерзлых пород и прежде всего максимальное эффективное проникновение электромагнитного поля вглубь мерзлого массива связано с увеличением длины волны электромагнитного поля в рамках разрешенных для гражданского применения частот. В НПО «Исток» по заданию Института горного дела Севера СО РАН разработан, а в НПП «МАГРАТЕП» выпускается уникальный электровакуумный прибор, предназначенный для этих целей, — магнетрон М-137 «Хребет» мощностью 50 кВт и частотой 430 МГц с наибольшей проникающей способностью в грунты.

Этот прибор — главное звено в создании СВЧ-установок для разупрочнения и оттаивания мерзлых пород СВЧ-энергией. К сожалению, в 90-х гг. прошлого века по известным причинам эти работы продолжения не получили. Принятие «Госпрограммы АЗ» позволит продолжить работы по использованию СВЧ-энергии в этом перспективном направлении строительства на Севере.

КАКОЙ ИМПОРТ БУДЕМ ЗАМЕЩАТЬ?

Галина Савенко, начальник отдела НИОКР МАГРАТЕП, рассказала о работе, которая была выполнена для завода «Талион Терра» (г.Торжок), производящего клееный шпоновый брус. На заводе установлено микроволновое оборудование для подогрева шпона мощностью 500 кВт американской фирмой «Феррайт», выпускающей магнетроны и находящей им разнообразные применения. Поскольку процесс получения магнетронов из-за границы длительный (заказ, растаможка и пр.) и сами приборы дорогие, заводчане обратились в МАГРАТЕП, разыскав нужную информацию на его сайте. Получив габаритный чертеж и технические характеристики магнетронов от МАГРАТЕПа и убедившись в том, что они их устраивают, торжокцы пригласили фрязинцев, которые выяснили условия работы магнетронов: распределение магнитного поля, посмотрели, какие волноводы, источники питания. После поставки первого магнетрона взамен американских пришлось вносить изменения в источник питания для согласования его с магнетроном. Вначале были единичные индивидуальные заказы, последние пару лет поставки стали регулярными.

Новая ниша появилась в связи с наличием в стране парка в несколько десятков дефростеров (размораживателей) американского концерна АМТеk. Используют их на мясокомбинатах. Пока российские магнетроны ставить на эти дефростеры не торопятся в силу подписанных соглашений. В безвыходном положении деваться будет некуда, и покупка российских изделий дело времени. Разумеется, придется подстраивать источники питания, но это проблема не того уровня.

В разговор включается В.Требух. Он отмечает, что не всегда задача замещения проста, чаще всего наоборот. Так, для Внуковского аэропорта были отремонтированы магнетроны итальянских РЛС. К этим приборам предъявляются высокие требования стабильности частоты. Задача импортозамещения в данном случае — это не просто задача доделки или ремонта магнетрона (смена катода или других внутренних электродов). Это, главным образом, задача обеспечения тех параметров, на которые рассчитана РЛС, хотя, конечно, самый изнашиваемый узел — катод, который можно изготовить по разным технологиям.

С ремонтом магнетронов мастерски справляется выпускник МВТУ Михаил Савалеев (фото 5). Какие он только не восстанавливал за долгое время работы в МАГРАТЕПе!

Ходоков из Внукова, которым в итальянских РЛС надо было заменить английские довольно мощные (1МВт в импульсе) магнетроны, спросили, почему они раньше не обращались. «Ответ, — рассказывает директор МАГРАТЕПа Олег Морозов (фото 6), — не оказался тривиальным. Главный инженер Румянцев, будучи порядочным человеком и рачительным хозяином, отменил заграничные поездки в Италию за магнетронами, которые на порядок дороже фрязинских». В течение дюжины лет магнетронами из Фрязино снабжались все аэропорты страны, пока сами РЛС не устарели морально. «На сегодня, — продолжает О.Морозов, — мощные магнетроны непрерывного действия в стране выпускаем только мы одни». Спрос, однако, мизерный. К тому же появляется альтернатива — китайцы стали выпускать подобные изделия. В «Истоке», где МАГРАТЕП арендует помещения, сейчас происходит грандиозная перестройка. Так что спокойной жизни не предвидится, да оно и к лучшему.

Фото П.БОРОДИНА
Фрязино