RU2396214C1 - Method of obtaining suspensions - Google Patents

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to method of obtaining suspensions by saturation of liquid with small-sized solid particles and can be used in medicine, pharmacology, cosmetology, biotechnologies, food industry, for water treatment, in industrial ecology and agriculture. Method includes compression of liquid with its further displacement through nozzle and slowing down formed liquid jet against hydro-destroyable target. Surface layer or all volume of target material before or during said slowing down of liquid jet is subjected to strengthening physical-mechanical impact in order to enhance its hydroerosion stability.

EFFECT: increase of method efficiency and obtaining ultra-fine-dispersed suspensions.

15 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к активации жидкостей путем их насыщения (легирования) малоразмерными твердыми частицами и может быть использовано в медицине, фармакологии, косметологии, биотехнологиях, пищевой промышленности, для водоподготовки, в промышленной экологии и сельском хозяйстве при приготовлении суспензий различного назначения.The invention relates to the activation of liquids by their saturation (alloying) with small solid particles and can be used in medicine, pharmacology, cosmetology, biotechnology, food industry, water treatment, industrial ecology and agriculture in the preparation of suspensions for various purposes.

Известен способ обработки воды, в результате которого происходит изменение ее потребительских свойств, в частности обеззараживание, включающий сжатие воды до сверхвысоких давлений (100-700 МПа) с последующим ее вытеснением через сопло малого диаметра (0,07-0,2 мм) и торможением образующееся на выходе из сопла сверхскоростной высоконапорной струи о преграду, в качестве которой используют, например, серебро или нержавеющую сталь (RU 2031847). В результате такой обработки жидкость насыщается малоразмерными частицами (микрочастицами) материала мишени из-за гидроэрозионного разрушения поверхности мишени в месте удара о нее сверхскоростной струи и образования гидрокаверны, т.е. образуется мелкодисперсная суспензия, состоящая из исходной жидкости и материала мишени (RU 2031847 С1, С02F 1/00, 1990).A known method of water treatment, as a result of which there is a change in its consumer properties, in particular disinfection, including water compression to ultrahigh pressures (100-700 MPa), followed by its displacement through a small diameter nozzle (0.07-0.2 mm) and braking formed at the outlet of the nozzle of a superhigh-pressure jet against a barrier, which is used, for example, silver or stainless steel (RU 2031847). As a result of this treatment, the liquid is saturated with small-sized particles (microparticles) of the target material due to hydroerosive destruction of the target surface at the point of impact of an ultrahigh speed jet and the formation of a cavern, i.e. a finely dispersed suspension is formed, consisting of the initial liquid and the target material (RU 2031847 C1, С02F 1/00, 1990).

Недостаток известного способа заключается в относительно низкой, невысокой гидроэрозионной стойкости материала мишени, что приводит к ограничению продолжительности ее использования и снижению производительности обработки в целом. Кроме этого, происходит интенсивный гидроэрозионный износ дорогостоящего материала мишени, например серебра, золота или монокристаллического кремния, что негативно сказывается на технологической себестоимости получаемой этим способом активированной материалом мишени суспензии. Данные недостатки физически обусловлены неравномерностью и неоднородностью процесса гидроэрозионного разрушения (износа) материала поверхности мишени, т.е. насыщением (легированием) обработанной жидкости частицами материала мишени существенно различного размера, а также уменьшением интенсивности удара струи о мишень из-за образования на ее поверхности значительной гидрокаверны, снижающей темп и динамику процесса торможения струи обрабатываемой жидкости, что является важнейшим фактором ее активации.The disadvantage of this method is the relatively low, low hydroerosion resistance of the target material, which leads to a limitation of the duration of its use and a decrease in processing productivity as a whole. In addition, intense hydroerosive wear of expensive target material, for example silver, gold or single crystal silicon, occurs, which negatively affects the technological cost of the suspension obtained by this method by the activated target material. These shortcomings are physically caused by the non-uniformity and heterogeneity of the process of hydroerosive destruction (wear) of the material of the target surface, i.e. saturation (alloying) of the treated liquid with particles of the target material of a significantly different size, as well as a decrease in the intensity of the impact of the jet on the target due to the formation of a significant hydraulic cavity on its surface, which reduces the rate and dynamics of the process of braking the jet of the treated liquid, which is the most important factor in its activation.

Задачей изобретения является снижение себестоимости и повышение производительности технологии получения суспензий гидроструйным способом путем повышения гидроэрозионной стойкости поверхности материала мишени, а также повышение потребительских свойств суспензий, в частности их биологического качества за счет насыщения (легирования) обрабатываемой жидкости достаточно равномерными по геометрическим параметрам и более активными микрочастицами материала мишени.The objective of the invention is to reduce the cost and increase the productivity of the technology for producing suspensions by the hydro-jet method by increasing the erosion resistance of the surface of the target material, as well as increasing the consumer properties of the suspensions, in particular their biological quality due to saturation (alloying) of the treated liquid, which are sufficiently uniform in geometric parameters and more active microparticles target material.

Указанная задача достигается тем, что в способе получения суспензий, включающем сжатие жидкости с последующим ее вытеснением через сопло и торможением образующейся струи жидкости о гидроразрушаемую мишень, поверхностный слой или весь объем материала мишени до или во время указанного торможения струи жидкости подвергают упрочняющему физико-механическому воздействию для повышения его гидроэрозионной стойкости.This problem is achieved by the fact that in the method of producing suspensions, including compressing the liquid and then displacing it through the nozzle and braking the resulting liquid jet against the hydraulic fracture target, the surface layer or the entire volume of the target material is subjected to a strengthening physico-mechanical action before or during the indicated braking of the liquid jet to increase its erosion resistance.

А также тем, что указанное упрочняющее физико-механическое воздействие на материал мишени осуществляют непрерывно или периодически.And also the fact that the specified strengthening physico-mechanical effect on the target material is carried out continuously or periodically.

А также тем, что степень указанного упрочняющего физико-механическое воздействия на материал мишени поддерживают постоянной в течение времени воздействия.And also by the fact that the degree of the indicated strengthening physicomechanical effect on the target material is kept constant during the exposure time.

А также тем, что степень указанного упрочняющего физико-механическое воздействия на материал мишени в течение времени обработки жидкости изменяют.And also the fact that the degree of the indicated strengthening physicomechanical effect on the target material during the processing time of the liquid is changed.

А также тем, что в качестве указанного упрочняющего физико-механического воздействия используют упрочняющее пластическое деформирование материала мишени.And also the fact that as the specified reinforcing physico-mechanical effects use reinforcing plastic deformation of the target material.

А также тем, что упрочняющее пластическое деформирование материала мишени осуществляют твердотельным индентором.And also the fact that the hardening plastic deformation of the target material is carried out by a solid-state indenter.

А также тем, что упрочняющее пластическое деформирование материала мишени осуществляют струей воздействующей на мишень жидкости.And also the fact that the reinforcing plastic deformation of the target material is carried out by a jet of liquid acting on the target.

А также тем, что технологические параметры упрочняющего пластического деформирования материала мишени изменяют во время воздействия.And also the fact that the technological parameters of the reinforcing plastic deformation of the target material are changed during exposure.

А также тем, что технологические параметры упрочняющего пластического деформирования материала мишени изменяют по гармоническому закону.And also by the fact that the technological parameters of the reinforcing plastic deformation of the target material are changed according to a harmonic law.

А также тем, что технологические параметры упрочняющего пластического деформирования материала мишени изменяют с частотой ультразвуковых колебаний.And also the fact that the technological parameters of the reinforcing plastic deformation of the target material change with the frequency of ultrasonic vibrations.

А также тем, что указанные изменения технологических параметров с частотой ультразвуковых колебаний осуществляют путем налагания ультразвуковых колебаний к индентору, обеспечивающему процесс упрочняющего пластического деформирования материала мишени, или к самой мишени.And also the fact that these changes in the technological parameters with the frequency of ultrasonic vibrations are carried out by applying ultrasonic vibrations to the indenter, which provides the process of strengthening plastic deformation of the target material, or to the target itself.

А также тем, что направление распространения указанных ультразвуковых колебаний параллельно вектору скорости струи жидкости.And also the fact that the direction of propagation of these ultrasonic vibrations is parallel to the fluid velocity vector.

А также тем, что направление распространения указанных ультразвуковых колебаний перпендикулярно вектору скорости струи жидкости.And also the fact that the direction of propagation of these ultrasonic vibrations is perpendicular to the fluid velocity vector.

А также тем, что в качестве физико-механического воздействия используют механическое сжатие материала мишени.And also by the fact that mechanical and physical compression of the target material is used as a physicomechanical action.

А также тем, что в качестве физико-механического воздействия используют охлаждение материала мишени.And also by the fact that the cooling of the target material is used as a physicomechanical action.

На фиг.1 изображена схема образования продуктов гидроэрозионного разрушения поверхностного слоя исходного материала мишени под действием высоконапорной струи и насыщения ими обрабатываемой жидкости, т.е. образование активированной суспензии.Figure 1 shows a diagram of the formation of products of hydroerosive destruction of the surface layer of the source material of the target under the action of a high-pressure jet and saturation of the treated liquid with them, formation of activated suspension.

На фиг.2 изображена схема образования продуктов гидроэрозии при повторном движении струи по поверхности мишени.Figure 2 shows a diagram of the formation of hydroerosion products during repeated movement of the jet along the surface of the target.

На фиг.3 изображена схема упрочнения пластическим деформированием всего объема материала мишени до начала процесса обработки жидкостей и получения активированной суспензии.Figure 3 shows a diagram of hardening by plastic deformation of the entire volume of the target material before the process of processing liquids and obtaining an activated suspension.

На фиг.4 изображена схема упрочнения рабочей поверхности мишени вращающимся роликом.Figure 4 shows a diagram of the hardening of the working surface of the target with a rotating roller.

На фиг.5 изображено упрочнение рабочей поверхности мишени твердотельным неподвижным индентором.Figure 5 shows the hardening of the working surface of the target solid-state stationary indenter.

На фиг.6 изображена схема предварительного упрочнения рабочей поверхности мишени струей обрабатываемой жидкости.Figure 6 shows a diagram of preliminary hardening of the working surface of the target with a jet of the processed liquid.

На фиг.7 изображена схема получения суспензий с использованием трубчатой мишени из активирующего суспензию материала.Figure 7 shows a diagram of the preparation of suspensions using a tubular target from a suspension activating material.

На фиг.8 изображена схема получения суспензий с использованием дискообразной мишени из активирующего суспензию материала.On Fig shows a diagram of the production of suspensions using a disk-shaped target from a suspension activating material.

На фиг.9 изображена схема получения суспензий с наложением на мишень сжимающих механических напряжений.Figure 9 shows a diagram of the production of suspensions with superimposed compressive stresses on the target.

На фиг.10 изображено нормированные распределения количества твердых частиц в суспензии в зависимости от их размера.Figure 10 shows the normalized distribution of the amount of solid particles in suspension depending on their size.

Способ получения суспензий осуществляется следующим образом.A method of obtaining suspensions is as follows.

Сверхскоростная высоконапорная струя жидкости 1 (фиг.1), имеющая диаметр d_c и скорость V_c, ударяется о поверхность мишени 2 и отражается от нее со скоростью V_o в виде мелкодисперсных капель. В процессе воздействия высокоэнергетической струи исходной обрабатываемой жидкости 1 на мишень 2 на поверхности последней образуется гидрокаверна 3 в результате отделения от мишени в месте удара струи малоразмерных частиц 4, являющихся твердой фазой получающейся суспензии. Кроме этого на поверхности мишени 2 наблюдается образование некоторого валика 5 из деформированного материала мишени, что весьма характерно при использовании мишеней из высокопластичных матералов, например серебра или химически нейтральной нержавеющей стали. В процессе обработки глубина каверны увеличивается и интенсивность торможения струи падает из-за того, что удар струи происходит о жидкость, заполняющую полость каверны, а не о твердую поверхность мишени. Это негативно сказывается на свойствах обрабатываемой жидкости, так как экспериментально было доказано снижение бактерицидного эффекта ультраструйной гидрообработки при торможении струи о жидкость не менее 10-12 раз по сравнению с ударом струи о твердотельную мишень. Оценку проводили путем анализа общего микробного числа обрабатываемой водопроводной воды (ОМЧ), которое изменилось в сравниваемых вариантах с 0-1 до 10-15 ед.An ultrahigh-pressure jet of liquid 1 (FIG. 1), having a diameter d _c and a velocity V _c , hits the surface of the target 2 and is reflected from it with a velocity V _o in the form of fine droplets. In the process of exposure of a high-energy jet of the initial treated liquid 1 to the target 2, a hydro-cavity 3 is formed on the surface of the latter as a result of separation of small particles 4, which are the solid phase of the resulting suspension, from the target at the site of the impact of the jet. In addition, on the surface of the target 2, the formation of a certain roller 5 from the deformed material of the target is observed, which is very typical when using targets made of highly plastic materials, for example silver or chemically neutral stainless steel. During processing, the depth of the cavity increases and the intensity of deceleration of the jet decreases due to the impact of the jet on the liquid filling the cavity of the cavity, and not on the solid surface of the target. This negatively affects the properties of the processed fluid, since it was experimentally proven to reduce the bactericidal effect of ultra-jet hydrotreatment when braking the jet against the liquid at least 10-12 times in comparison with the impact of the jet on a solid target. The assessment was carried out by analyzing the total microbial number of the treated tap water (TMP), which changed in the compared variants from 0-1 to 10-15 units.

Таким образом, было показано, что снижение темпа торможения обрабатываемой жидкости из-за появления с течением времени на поверхности мишени гидрокаверны значительных размеров (h_K>3-5 мм, фиг.1) приводит к существенному уменьшению степени активации, в частности стерильности, обработанной жидкости в том числе за счет уменьшения в образующейся суспензии концентрации твердых мелкоразмерных частиц материала мишени, изготовленной, например, из серебра, меди или цинка.Thus, it was shown that a decrease in the rate of deceleration of the treated fluid due to the appearance of significant sizes of a cavern on the target surface over time (h _K > 3-5 mm, Fig. 1) leads to a significant decrease in the degree of activation, in particular, the sterility treated liquid, including due to a decrease in the concentration of solid small-sized particles of the target material made, for example, from silver, copper or zinc in the resulting suspension.

Для устранения вышеописанного принципиального недостатка ультрастуйной обработки жидкостей с целью их активации на практике осуществляется относительное перемещение струи жидкости 1 (фиг.2) по поверхности мишени 2 с некоторой скоростью подачи S (мм/мин) по заданной траектории движения. Однако с течением времени обработки по мере уменьшения из-за гидроэрозионного разрушения толщины мишени с H до h (H>h) образующиеся на поверхности мишени гидрокаверны 3 при последующих проходах (скрайбировании) струи 1 поверхности мишени 2 будут расположены достаточно близко друг от друга. Это приводит к тому, что в мелкодисперсных продуктах гидроэрозии материала мишени 4 будут появляться существенно более крупные частицы 6. Появление этих частиц обусловлено, как показано на фиг.2, зарождением, развитием и слиянием в деформированном струей 1 поверхностном слое 5 мишени 2 дефектов 7 в виде трещин. Наличие данных, достаточно крупных, частиц 6 сопровождается интенсивным разрушением мишени, потерей однородности, образующейся за счет размывания мишени суспензии и снижением ее потребительских свойств. Последнее обстоятельство связано с тем, что при прочих равных условиях у частиц большего диаметра меньше удельная поверхностная энергия, определяемая как отношение площади поверхности частицы к ее массе, т.е. при увеличении массы частиц снижается общая площадь контакта между твердой и жидкой фазами образующейся суспензии. А именно этот параметр существенно влияет на степень активности суспензий, их потребительские свойства, например способность оставаться однородными (гомогенными) в течение времени.To eliminate the above-described fundamental drawback of ultra-jet processing of liquids with the aim of their activation, in practice, a relative movement of the jet of liquid 1 (Fig. 2) over the surface of the target 2 is carried out with a certain feed rate S (mm / min) along a given trajectory of movement. However, over the course of the treatment time, as the thickness of the target decreases from H to h (H> h) due to water erosion, the hydrocavity 3 formed on the target surface during subsequent passes (scribing) of the jet 1 of the target surface 2 will be located quite close to each other. This leads to the fact that significantly larger particles 6 will appear in the finely dispersed products of hydroerosion of the target material 4. The appearance of these particles is caused, as shown in Fig. 2, by the nucleation, development, and fusion of the surface layer 5 of the target 5 of the target 2 of defects 7 into the form of cracks. The presence of data, sufficiently large, of particles 6 is accompanied by intensive destruction of the target, loss of uniformity, formed due to the erosion of the target suspension and a decrease in its consumer properties. The latter circumstance is connected with the fact that, ceteris paribus, particles of larger diameter have less specific surface energy, defined as the ratio of the surface area of the particle to its mass, i.e. with increasing particle mass, the total contact area between the solid and liquid phases of the resulting suspension decreases. Namely, this parameter significantly affects the degree of activity of suspensions, their consumer properties, for example, the ability to remain homogeneous (homogeneous) over time.

Таким образом, физически обусловленное на определенном этапе ультраструйной обработки жидкостей появление в получающейся активированной суспензии относительно крупных твердых частиц материала мишени, образующихся не по классическому механизму последовательного мелкодисперсного гидроразрушения поверхностного слоя материала мишени, приводит к более быстрому ее изнашиванию. Это обстоятельство требует более частой смены мишеней и сопровождается дополнительными затратами времени, т.е. потерей производительности обработки, а также увеличением себестоимости получаемой суспензии из-за повышенного расхода дорогостоящего материала мишени, например серебра, золота, монокристаллического кремния и т.д.Thus, the appearance of relatively large solid particles of the target material in the resulting activated suspension, which is physically determined at a certain stage of the ultra-liquid treatment of liquids, which are formed not according to the classical mechanism of successive finely dispersed hydraulic fracture of the surface layer of the target material, leads to its faster wear. This circumstance requires a more frequent change of targets and is accompanied by additional time costs, i.e. loss of processing performance, as well as an increase in the cost of the resulting suspension due to the increased consumption of expensive target material, such as silver, gold, single-crystal silicon, etc.

Кроме того, присутствующие в суспензии достаточно крупные частицы снижают ее качество и потребительские свойства, восстановление которых требует использования специальных мер, в частности дополнительной тонкой фильтрации, сепарирования и т.д.In addition, sufficiently large particles present in the suspension reduce its quality and consumer properties, the restoration of which requires the use of special measures, in particular additional fine filtration, separation, etc.

Комплексным и эффективным способом устранения отмеченных недостатков известного способа обработки жидкостей является повышение и управление гидроэрозионной стойкостью поверхностного слоя материала мишени или ее всего объема за счет применения различных методов физико-механического воздействия. Причем это воздействие может осуществляться на материал мишени как до начала ее использования в технологическом процессе активирующей гидрообработки, так и непосредственно совмещаться с ней во времени.A comprehensive and effective way to eliminate the noted drawbacks of the known method of processing liquids is to increase and control the hydroerosion resistance of the surface layer of the target material or its entire volume through the use of various methods of physico-mechanical effects. Moreover, this effect can be carried out on the target material both before its use in the technological process of activating hydroprocessing, and directly combine with it in time.

Данное воздействие на мишень может быть непрерывным в течение всего времени обработки или осуществляться периодически. Например, после сканирования (скрайбирования) струей обрабатываемой жидкости всей, или части, рабочей поверхности мишени с целью восстановления ее требуемой гидроэрозионной стойкости. Причем это воздействие может иметь постоянные во времени параметры или изменяться по определенному закону, обеспечивающему оптимальную структуру материала мишени с точки зрения получения суспензии заданного качества и производительности процесса активации, обусловленной сочетанием ударно-динамического фактора обработки и насыщения жидкости частицами материала мишени.This effect on the target can be continuous during the entire processing time or be carried out periodically. For example, after scanning (scribing) with a jet of the processed liquid all or part of the target’s working surface in order to restore its required hydroerosion resistance. Moreover, this effect can have parameters that are constant in time or vary according to a certain law that ensures the optimal structure of the target material from the point of view of obtaining a suspension of a given quality and performance of the activation process due to a combination of the shock-dynamic processing factor and saturation of the liquid with particles of the target material.

Таким образом, осуществляя на исходный материал мишени определенное физико-механическое воздействие, энерговременные параметры которого обеспечивают заданную интенсивность его гидроэрозионного разрушения, возможно эффективное получение суспензий более высокого качества.Thus, by carrying out a certain physical and mechanical effect on the target source material, the energy-time parameters of which provide a given intensity of its hydroerosive destruction, it is possible to efficiently obtain suspensions of higher quality.

Характерным примером физико-механического воздействия на материал мишени является его пластическое деформирование. Как известно (см. на пример Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Лазуткин А.Г. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. Библиотека технолога. - М: Машиностроение, 2004. - 288 с.), пластическое деформирование материала определенной величины приводит к увеличению его эксплуатационных характеристик: прочности, твердости и т.д., что в свою очередь сопровождается увеличением гидроэрозионной стойкости.A typical example of the physicomechanical effect on a target material is its plastic deformation. As is known (see, for example, Kirichek A.V., Soloviev D.L., Lazutkin A.G. Technology and equipment for static-pulse treatment by surface plastic deformation. Library of the technologist. - M: Mechanical Engineering, 2004. - 288 p.) , plastic deformation of a material of a certain size leads to an increase in its operational characteristics: strength, hardness, etc., which in turn is accompanied by an increase in water erosion resistance.

На фиг.3 изображена схема пластического деформирования материала мишени исходной (1) толщины Н_о до конечной (2) величины H_к, разность между которыми характеризует необходимую степень пластической деформации всего объема мишени, которая достигается до начала процесса получения суспензий. Причем направление действия на мишень силовых пластически деформирующих нагрузок F должна совпадать с направлением будущего действия струи жидкости при ее обработке, так как в противном случае наблюдается снижение гидроэрозионной стойкости материала мишени, величина которого может составлять 1-15%, что объясняется анизотропией свойств и пластического деформированного материала из-за образования в нем соответствующей текстуры.Figure 3 shows a diagram of the plastic deformation of a target material of an initial (1) thickness H _o to a final (2) value of H _k , the difference between which characterizes the necessary degree of plastic deformation of the entire target volume, which is achieved before the process of obtaining suspensions. Moreover, the direction of action of the force of plastic deforming loads F on the target should coincide with the direction of the future action of the liquid jet during its processing, since otherwise there is a decrease in the hydroerosion resistance of the target material, the value of which can be 1-15%, which is explained by the anisotropy of the properties and plastic deformed material due to the formation of an appropriate texture in it.

Недостатком предварительного деформирования материала мишени является неоднородность ее свойств по всему объему, что обусловлено различиями в степени пластической деформации поверхностных и глубинных слоев материала мишени. Это приводит к неравномерности процесса послойного последовательного размывания (гидроэрозионного разрушения) поверхностного слоя материала мишени, т.е. некоторой нестабильности свойств получаемой суспензии. В связи с этим менее технологичным и технически более сложным, но существенно более эффективным по критерию качества получаемой продукции - активированной суспензии является локальное упрочнение только рабочей (размываемой) поверхности мишени в процессе обработки жидкости.The disadvantage of preliminary deformation of the target material is the heterogeneity of its properties throughout the volume, due to differences in the degree of plastic deformation of the surface and deep layers of the target material. This leads to non-uniformity of the process of sequential layer-by-layer erosion (hydroerosive destruction) of the surface layer of the target material, i.e. some instability of the properties of the resulting suspension. In this regard, less technologically advanced and technically more complicated, but significantly more effective according to the criterion of the quality of the products obtained - activated suspension is the local hardening of only the working (eroded) surface of the target during liquid processing.

На фиг.4 изображена схема упрочнения поверхностного слоя материала мишени путем ее непрерывного пластического деформирования. Обозначения 1-5 полностью соответствуют обозначениям на фиг.1, иллюстрирующей процесс получения активированной материалом мишени суспензии.Figure 4 shows a diagram of the hardening of the surface layer of the target material by its continuous plastic deformation. Designations 1-5 are fully consistent with the designations in figure 1, illustrating the process of obtaining activated by the target material of the suspension.

Пластическое деформирование рабочей поверхности материала мишени 2, на которую действует струя 1, вызывающая отделение от нее твердых микрочастиц 4, образование гидрокаверны 3 и деформированной струей 1 поверхности 5, осуществляется вращающимся индентором в виде ролика 6. Качение ролика на поверхности мишени происходит без проскальзывания под действием сил трения, возникающих между ними из-за усилия прижима ролика F_P. В результате действия этих сил происходит пластическое деформирование и упрочнение поверхности мишени 6, характеризуемое глубиной упрочненного слоя h_y, твердость и прочность которого существенно выше исходных характеристик материала мишени. Основными регулируемыми параметрами, обеспечивающими оптимальную степень упрочнения поверхностного слоя материала мишени с максимальной гидроэрозионной стойкостью является сила прижима ролика 6 к поверхности мишени 2 - F_p и его радиус R_P. Эти параметры определяют распределение контактных нагрузок, вызывающих упругопластические деформации в поверхностном слое материала мишени, а также топографию остаточных напряжений.Plastic deformation of the working surface of the material of the target 2, which is affected by the jet 1, causing the separation of solid microparticles 4, the formation of a cavern 3 and the deformed jet 1 of the surface 5, is carried out by a rotating indenter in the form of a roller 6. Rolling of the roller on the target surface occurs without slipping under the action the friction forces arising between them due to the pressure of the roller F _P. As a result of the action of these forces, plastic deformation and hardening of the target surface 6 occurs, characterized by the depth of the hardened layer h _y , the hardness and strength of which is significantly higher than the initial characteristics of the target material. The main adjustable parameters that provide the optimum degree of hardening of the surface layer of the target material with maximum erosion resistance is the pressure force of the roller 6 to the surface of the target 2 - F _p and its radius R _P. These parameters determine the distribution of contact loads that cause elastoplastic deformations in the surface layer of the target material, as well as the topography of residual stresses.

В общем случае скорость S_y перемещения по поверхности мишени 2 упрочняющего ролика 6 может быть не равна скорости S_c перемещения (подачи) струи 1. Например, при S_y>>S_c происходит многократное последовательное упрочнение поверхности до момента начала ее размывания струей путем сканирования по определенному закону поверхности мишени перед струей. Выполнение соотношения: S_y<<S_c означает, что степень однократного упрочнения поверхностного слоя материала мишени достаточна для многократного сканирования струей упрочненной поверхности мишени, т.е. глубина упрочнения h_y больше величины образующейся гидрокаверны h_h<h_к=H_o-H_к (см. фиг.1 и фиг.4).In the general case, the speed S _{y of} movement along the surface of the target 2 of the reinforcing roller 6 may not be equal to the speed S _{c of} movement (feed) of the jet 1. For example, when S _y >> S _c , multiple successive hardening of the surface occurs before it is eroded by scanning according to a certain law of the target surface in front of the jet. The fulfillment of the relation: S _y << S _c means that the degree of single hardening of the surface layer of the target material is sufficient for multiple scanning by the jet of the hardened surface of the target, i.e. the hardening depth h _{y is} greater than the magnitude of the generated cavern h _h <h _k = H _o —H _k (see FIG. 1 and FIG. 4).

Помимо вращающегося ролика (фиг.4), обеспечивающего требуемое упрочнение поверхностного слоя материала мишени, можно использовать индентор 1 (фиг.5), скользящий по размываемой струей поверхности мишени 2. На индентор, имеющий сферическую рабочую поверхность радиусом R_И, действует сила прижима индентора к поверхности мишени F_и, что приводит к ее упрочнению на глубину h_y.In addition to the rotating roller (Fig. 4), which provides the required hardening of the surface layer of the target material, an indenter 1 (Fig. 5) can be used that slides along the surface of the target 2 being washed away by the jet. An indenter pressure force acts on the indenter having a radius of radius R _And to the target surface F _and , which leads to its hardening to a depth of h _y .

Так как начальной стадией гидроэрозионного разрушения (размывания) поверхностного слоя материала мишени высоконапорной сверхскоростной струей является его пластическая деформация, приводящая к упрочнению исходного материала, которое по мере воздействия струи приводит к разупрочнению поверхностного слоя и отделению от него микрочастиц материала, то в качестве весьма эффективного и технологичного варианта упрочнения можно использовать саму гидрострую (фиг.6). В этом случае в роли твердотельного индентора, пластически деформирующего поверхностный слой мишени 2 на глубину h_y, выступает гидроструя обрабатываемой жидкости. Однако ее рабочие характеристики и технологические параметры, в частности скорость движения струи (скорость натекания на мишень) V_c, скорость перемещения (подача) относительно поверхности мишени S_y, угол атаки струи α и т.д. должны быть отличными от режимов, на которых осуществляется основной процесс обработки жидкости и получение активированной суспензии. Например, при

должно выполняться соотношение S_y=K_sS_c, где K_s>1 - коэффициент, обеспечивающий только предварительное пластическое упрочнение поверхности мишени, не приводящее к ее разрушению. Или при S_y=S_c необходимо снизить рабочее давление в технологическом оборудовании и, следовательно, скорость упрочняющей поверхность струи до величины:

где K_ν<1 коэффициент, обеспечивающий требуемый для гидроструйного упрочнения поверхности мишени скоростной режим струи. Очевидно, что более технологичным следует считать первый вариант гидроструйного, предварительного упрочнения поверхности мишени (S_y=K_SS_c), так как изменение V_c в сторону к уменьшения негативно сказывается на эффективности ультраструйной активации в целом. При практической реализации вышеизложенного необходимо также учитывать резкое снижение концентрации активирующих суспензию микрочастиц мишени, так как в фазе ультраструйного упрочнения поверхности мишени их число крайне мало в составе обработанной жидкости. Причем эту жидкость затем можно дополнительно активировать путем насыщения (микролегирования) по основной схеме получения суспензий (см. фиг.1). Заметим, что рабочие характеристики процессов упрочнения и гидроэрозионного разрушения (гидродиспергирования) материала мишени могут изменяться во времени с целью создания благоприятных условий для отделения от поверхности мишени твердых микрочастиц с требуемыми параметрами и в заданном количестве, обеспечивающими наиболее высокое качество и потребительские свойства суспензий, полученных по рассматриваемой ультрастуйной технологии активации жидкостей. Данное обстоятельство представляется весьма важным резервом повышения эффективности предлагаемого способа получения активированных суспензий.Since the initial stage of hydroerosive destruction (erosion) of the surface layer of the target material by a high-pressure ultra-high-speed jet is its plastic deformation, which leads to hardening of the starting material, which, as the jet acts, softens the surface layer and separates microparticles of the material from it, it is very effective and technological options for hardening, you can use the hydrostatic itself (Fig.6). In this case, the role of a solid-state indenter, plastically deforming the surface layer of the target 2 to a depth of h _y , is the hydrostatic fluid of the treated fluid. However, its operating characteristics and technological parameters, in particular, the speed of the jet (leakage velocity onto the target) V _c , the displacement velocity (feed) relative to the target surface S _y , the angle of attack of the jet α, etc. must be different from the modes in which the main process of processing the liquid and obtaining an activated suspension is carried out. For example, when

the relation S _y = K _s S _c must be satisfied, where K _s > 1 is a coefficient providing only preliminary plastic hardening of the target surface, which does not lead to its destruction. Or, at S _y = S _c, it is necessary to reduce the working pressure in the technological equipment and, therefore, the speed of the surface hardening jet to the value:

where K _ν <1 is the coefficient that provides the jet velocity required for hydro-jet hardening of the target surface. Obviously, the first option should be considered more technologically advanced as a hydro-jet preliminary hardening of the target surface (S _y = K _S S _c ), since a change in V _c in the direction of decreasing negatively affects the efficiency of ultra-jet activation as a whole. In the practical implementation of the foregoing, it is also necessary to take into account a sharp decrease in the concentration of the target microparticles activating the suspension, since in the phase of ultra-jet hardening of the target surface their number is extremely small in the composition of the treated liquid. Moreover, this liquid can then be further activated by saturation (microalloying) according to the basic scheme for the preparation of suspensions (see Fig. 1). Note that the performance characteristics of hardening and hydroerosive destruction (hydrodispersion) of the target material can vary over time in order to create favorable conditions for separating solid microparticles from the target surface with the required parameters and in a given quantity, providing the highest quality and consumer properties of suspensions obtained by considered ultra-fluid technology of activation of liquids. This fact seems to be a very important reserve for increasing the efficiency of the proposed method for producing activated suspensions.

Характерным примером, иллюстрирующим вышеизложенное, является использование вибраций, в частности ультразвуковых колебаний, налагаемых на зону обработки путем их подведения к твердотельному упрочняющему поверхность индентору (фиг.4 и фиг.5), индентору в виде струи жидкости (фиг.6) и/или к мишени (фиг.4-6). Положительный эффект от использования вибраций, в частности ультразвуковой частоты, в предлагаемом способе получения активированных суспензий обусловлен следующими обстоятельствами.A typical example illustrating the foregoing is the use of vibrations, in particular ultrasonic vibrations, applied to the treatment zone by bringing them to a solid-state surface hardening indenter (Fig. 4 and Fig. 5), an indenter in the form of a liquid jet (Fig. 6) and / or to the target (Figs. 4-6). The positive effect of the use of vibrations, in particular ultrasonic frequency, in the proposed method for producing activated suspensions is due to the following circumstances.

Процесс пластического деформирования материалов в условиях наложения на зону деформаций ультразвуковых колебаний протекает более равномерно при меньших значениях действующих нагрузок и на большую глубину, при прочих равных условиях.The process of plastic deformation of materials under the application of ultrasonic vibrations to the deformation zone proceeds more uniformly at lower values of the acting loads and to a greater depth, all other things being equal.

Ультразвуковые колебания являются сами по себе фактором активации гидротехнологических сред, в частности положительно влияют на их биологические свойства, а также обладают бактерицидным эффектом (см. например Буря А.И., Кудина Е.В. Вода - свойства, проблемы и методы очистки. - Днепропетровск: Пороги, 2006. - 520 с.).Ultrasonic vibrations themselves are a factor in the activation of hydrotechnological media, in particular, positively affect their biological properties, and also have a bactericidal effect (see, for example, Storm A.I., Kudina E.V. Water - properties, problems and cleaning methods. - Dnepropetrovsk: Thresholds, 2006 .-- 520 p.).

Дополнительные вибрации, в том числе ультразвуковой частоты, в зоне взаимодействия струи обрабатываемой жидкости с поверхностью мишени способствуют более равномерному гидродиспергированию поверхностного слоя мишени. Это происходит из-за снижения интенсивности процесса образования в нем ярко выраженной глубокой каверны, так как струя жидкости взаимодействует в единицу времени с поверхностью мишени большей площади под различными углами атаки.Additional vibrations, including ultrasonic frequency, in the zone of interaction of the jet of the treated liquid with the target surface contribute to a more uniform hydrodispersion of the surface layer of the target. This is due to a decrease in the intensity of the formation of a pronounced deep cavity in it, since the jet of liquid interacts per unit time with the surface of the target of a larger area at different angles of attack.

В этом случае направление распространения колебаний должно быть перпендикулярно направлению (скорости) действия на мишень струи жидкости.In this case, the direction of propagation of the oscillations should be perpendicular to the direction (velocity) of the action of the liquid jet on the target.

Если направление распространения колебаний в мишени параллельно вектору скорости струи жидкости, то процесс ее гидроэрозионного разрушения протекает более интенсивно из-за увеличения динамической составляющей давления торможения струи о преграду. Это позволяет уменьшить, при прочих равных условиях, рабочее давление струи, что благоприятно сказывается на технико-экономических показателях процесса ультраструйной обработки жидкостей в целом.If the direction of propagation of oscillations in the target is parallel to the velocity vector of the liquid jet, then the process of its hydroerosive destruction proceeds more intensively due to an increase in the dynamic component of the jet drag pressure on the obstacle. This makes it possible to reduce, ceteris paribus, the working pressure of the jet, which favorably affects the technical and economic indicators of the process of ultra-jet treatment of liquids in general.

Очевидно, что наиболее результативно введение колебаний в зону обработки по двум взаимно перпендикулярным направлениям: параллельно и перпендикулярно вектору скорости струи. Таким образом, интенсификация динамических процессов в зоне обработки за счет наложения внешних возмущающих вибрационных воздействий приводит к синергетическому эффекту повышения качества и производительности ультраструйной технологии получения активированных микрочастицами материала мишени суспензий. Причем количество вариантов технической реализации вышеизложенного может быть весьма велико.Obviously, the most effective introduction of oscillations into the treatment zone in two mutually perpendicular directions: parallel and perpendicular to the jet velocity vector. Thus, the intensification of dynamic processes in the treatment zone due to the imposition of external disturbing vibrational effects leads to a synergistic effect of improving the quality and productivity of the ultra-jet technology for producing suspensions activated by microparticles of the target material. Moreover, the number of options for technical implementation of the foregoing can be very large.

В качестве примера на фиг.7 изображена схема получения суспензий по заявленному способу путем использования трубчатой цилиндрической мишени. Струя обрабатываемой жидкости 1, имеющая скорость V_c, под оптимальным, с точки зрения эффективности гидродиспергирующего воздействия на поверхностный слой материала вращающейся мишени 2, углом атаки α_c движется по ее поверхности. Причем

где

- проекция вектора скорости струи, действующей на поверхность мишени 2 в некоторой точке А на нормаль к этой точке поверхности - нормальная (радиальная) составляющая скорости струи V_c;

- тангенциальная составляющая скорости струи V_c, представляющая собой проекцию вектора V_c на касательную в этой точке; V_м=ωR_м - окружная линейная скорость вращения мишени, имеющей радиус R_м и вращающейся с угловой скоростью ω·c^-1 - составляющей V_Z. Из-за относительной малости осевой проекции V_c на ось Z - составляющая скорости струи V_z (фиг.7) по сравнению с V_n и V_м, т.е. V_z<<V_n, V_z<< V_м, причем V_м может быть соизмерима с V_c(V_м~V_c), составляющей пренебрегаем и не учитываем при определении

. В целях экономии расходуемого материала мишени 2 и обеспечения технологичности процедуры периодической замены мишеней они имеют трубчатую цилиндрическую или коническую форму внутренней поверхности и устанавливаются с небольшим натягом на цилиндрическую или коническую оправку 4.As an example, figure 7 shows a diagram of the production of suspensions according to the claimed method using a tubular cylindrical target. The jet of the treated fluid 1, having a velocity V _c , is at an optimum angle of attack α _c moving along its surface from the point of view of the efficiency of hydrodispersive action on the surface layer of the material of the rotating target 2. Moreover

Where

- the projection of the jet velocity vector acting on the target surface 2 at some point A on the normal to this surface point is the normal (radial) component of the jet velocity V _c ;

- the tangential component of the jet velocity V _c , which is the projection of the vector V _c on the tangent at this point; V _m = ωR _m is the linear peripheral speed of rotation of the target, having a radius R _m and rotating with an angular velocity ω · s ^-1 - component V _Z. Due to the relative smallness of the axial projection V _c on the Z axis, the component of the jet velocity V _z (Fig. 7) compared to V _n and V _m , i.e. V _z << V _n , V _z << V _m , and V _m can be commensurate with V _c (V _m ~ V _c ), the component is neglected and not taken into account when determining

. In order to save the expendable material of the target 2 and to ensure the processability of the periodic replacement of the targets, they have a tubular cylindrical or conical shape of the inner surface and are installed with a slight interference fit on the cylindrical or conical mandrel 4.

Пластическое деформирование поверхностного слоя материала мишени осуществляется путем его предварительной обработки струей жидкости 1 на соответствующих режимах, обеспечивающих заданную степень упрочнения рабочей поверхности мишени. Упрочнение может осуществляться с помощью твердотельного индентора, например ролика 3 (фиг.7), который с силой F(τ), в общем случае переменной во времени τ, прижимается и двигается по поверхности мишени с некоторой относительной скоростью подачи S_p. Ультразвуковые колебания (УЗК) налагаются на мишень в осевом направлении различными способами, например через оправку 4. Кроме этого они могут сообщаться струе жидкости 1 и/или налагаться на ролик 3 путем изменения силы прижима по закону: F(τ)=F_o+F_ksinω_kτ; где F(τ) - результирующая сила прижима ролика 3 к поверхности мишени 2; F_о=const - постоянная составляющая силы F(τ), не изменяющаяся во время обработки; F_k - амплитудное значение ультразвуковых колебаний с круговой частотой ω_к силы прижима ролика, причем обычно F_o>>F_к.Plastic deformation of the surface layer of the target material is carried out by pretreatment with a liquid jet 1 in the appropriate modes, providing a given degree of hardening of the target working surface. Hardening can be carried out using a solid-state indenter, for example, roller 3 (Fig. 7), which is pressed and moves along the target surface with a certain relative feed rate S _p with the force F (τ), generally a time-variable τ,. Ultrasonic vibrations (ultrasonic vibrations) are superimposed on the target in the axial direction in various ways, for example, through mandrel 4. In addition, they can be communicated to the liquid stream 1 and / or superimposed on the roller 3 by changing the clamping force according to the law: F (τ) = F _o + F _k sinω _k τ; where F (τ) is the resulting clamp force of the roller 3 to the surface of the target 2; F _о = const is a constant component of the force F (τ), which does not change during processing; F _k - the amplitude value of ultrasonic vibrations with a circular frequency ω _to the pressure force of the roller, and usually F _o >> F _to .

Сочетанием скоростей передач струи S_c(τ) и ролика S_p(τ) обеспечивается заданный режим обработки жидкости путем воздействия на упрочненную мишень ее высокоскоростной струи и получения активированной суспензии.The combination of the transmission speeds of the jet S _c (τ) and the roller S _p (τ) provides the specified mode of processing the liquid by exposing the hardened target to its high-speed jet and obtaining an activated suspension.

На фиг.8 изображен пример реализации способа с использованием дискообразной мишени и твердотельного невращающегося, упрочняющего ее поверхность, индентора. Струя обрабатываемой жидкости 1 под оптимальным углом атаки действует на поверхность быстровращающейся мишени 2

упрочняемой индентором 3 и закрепленной на оправке 4. К оправке 4 и мишени 2 подводятся ультразвуковые колебания 5 параллельно оси их вращения. Струя со скоростью подачи S_c(τ) и индентор со скоростью подачи S_и(τ) возвратно-поступательно перемещаются по поверхности в радиальном направлении мишени таким образом, чтобы струя 1 воздействовала на уже упрочненный индентором 3 поверхностный слой мишени 2. Тем самым обеспечивается непрерывность процесса упрочнения поверхности мишени и обработки жидкости, т.е. получение активированной микрочастицами материала мишени суспензии.On Fig depicts an example implementation of the method using a disk-shaped target and a solid-state non-rotating, reinforcing its surface, indenter. The jet of the processed fluid 1 at an optimal angle of attack acts on the surface of a rapidly rotating target 2

hardened by the indenter 3 and mounted on the mandrel 4. To the mandrel 4 and the target 2 are ultrasonic vibrations 5 parallel to the axis of rotation. The jet with the feed rate S _c (τ) and the indenter with the feed speed S _and (τ) reciprocate along the surface in the radial direction of the target so that the jet 1 acts on the surface layer of the target 2 already strengthened by the indenter 3. This ensures continuity the process of hardening the target surface and processing the liquid, i.e. obtaining microparticles of the target material of the suspension.

Одним из важных упрочняющих факторов при пластическом деформировании поверхностного слоя различных материалов является возникновение в нем остаточных напряжений сжатия. Эти напряжения повышают усталостную прочность материала, снижают интенсивность его износа при трении, повышают другие эксплуатационные параметры поверхностного слоя, так как они препятствуют развития микродефектов в виде трещин.One of the important strengthening factors during plastic deformation of the surface layer of various materials is the appearance of residual compressive stresses in it. These stresses increase the fatigue strength of the material, reduce the intensity of its wear during friction, and increase other operational parameters of the surface layer, since they prevent the development of microdefects in the form of cracks.

В связи с этим в качестве физико-механического воздействия, повышающего гидроэрозионную стойкость материала мишени, реально использовать его механическое сжатие, например, за счет приложения внешних силовых нагрузок. Сжимающие механические напряжения в поверхностном слое снижают интенсивность развития микродефектов в зоне удара высоконапорной струи обрабатываемой жидкости и, как следствие, затормозят процессы зарождения, слияния и роста микро- и макротрещин, т.е. приведут к увеличению гидроэрозионной стойкости мишени. Количественная оценка роли сжимающих напряжений в кинетике развития дефектов может быть описана в рамках известных положений механики разрушения (см., например, Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. - М.: Наука, 1974. - 640 с.).In this regard, as a physico-mechanical effect, increasing the hydroerosion resistance of the target material, it is realistic to use its mechanical compression, for example, due to the application of external power loads. Compressive mechanical stresses in the surface layer reduce the intensity of the development of microdefects in the impact zone of the high-pressure jet of the treated fluid and, as a result, inhibit the nucleation, coalescence and growth of micro- and macrocracks, i.e. will increase the erosion resistance of the target. A quantitative assessment of the role of compressive stresses in the kinetics of the development of defects can be described in the framework of the well-known principles of fracture mechanics (see, for example, Cherepanov GP, Mechanics of brittle fracture. - M .: Nauka, 1974. - 640 p.).

В качестве примера на фиг.9 представлена схема реализации напряженно-деформированного состояния мишени в условиях двухосного сжатия. Исходная мишень 2, изготовленная из материала активирующего струю 1 обрабатываемой жидкости со значительным натягом, полученным, например, термическим способом, помещается внутри силовой толстостенной обоймы 3. Со стороны обоймы 3 на мишень 2 действуют значительные сжимающие напряжения σ_сж≤σ_т, где σ_т - предел текучести материала мишени. Эти напряжения препятствуют интенсивному развитию микротрещин в поверхностном слое материала мишени и тем самым обеспечивают его более высокую, при прочих равных условиях, гидроэрозионную стойкость. Причем действие сжимающих напряжений в поверхностном слое материала мишени за счет приложения внешних силовых нагрузок может сочетаться с рассмотренным выше его упрочняющим пластическим деформированием.As an example, Fig. 9 shows a diagram of the implementation of the stress-strain state of a target under biaxial compression. The initial target 2 made of a material activating process liquid stream 1 with significant interference, obtained, e.g., by heat, is placed inside a thick-walled force holder 3. On the part of the cage 3 on the target 2 apply considerable compressive stresses σ _{compression channel} ≤σ _t, where σ _t - yield strength of the target material. These stresses prevent the intensive development of microcracks in the surface layer of the target material and thereby ensure its higher, ceteris paribus, erosion resistance. Moreover, the action of compressive stresses in the surface layer of the target material due to the application of external force loads can be combined with the reinforcing plastic deformation considered above.

В качестве примера физико-технологического воздействия, снижающего пластичность материала мишени со способствующего получению более однородных суспензий (фиг.2), может выступать понижение его температуры, данное захолаживание материала мишени в зоне обработки достигается путем охлаждения обрабатываемой жидкости до температуры, близкой к температуре ее кристаллизации и/или самой мишени.An example of a physicotechnological effect that reduces the plasticity of the target material with the help of obtaining more uniform suspensions (Fig. 2) can be a decrease in its temperature, this cooling of the target material in the treatment zone is achieved by cooling the treated liquid to a temperature close to its crystallization temperature and / or the target itself.

Схематично распределение геометрических параметров продуктов гидроэрозионного разрушения материала мишени изображено на фиг.10. Кривая 1 описывает зависимость относительного числа

частиц материала мишени в полученной суспензии от их среднего диаметра d_ч при первом проходе струи обрабатываемой жидкости по поверхности новой мишени. На графике принято: N_i=N_i/N_общ, где

- абсолютное число частиц данного i-ого среднего диаметра

- общее число частиц материала мишени, зафиксированных в единице объема суспензии, например в 1/мл; n - число интервалов разбиения наблюдаемых частиц по размерам. Кривая 2 (фиг.10) характеризует распределение твердых частиц по размерам в суспензии при проходе струи обрабатываемой жидкости по поверхности мишени, уже подвергнутой неоднократному действию на предшествующих проходах. Отличительной особенностью данной кривой является наличие зоны «А» - аномального увеличения количества относительно крупных твердых частиц материала мишени, отделившихся от ее поверхности в зоне обработки, согласно механизму, представленному на фиг.2. Именно наличие этой зоны на кривой 2 объясняет повышенный гидроэрозионный износ материала мишени и появление в суспензии значительной твердофазной фракции относительно крупной дисперсности.Schematically, the distribution of the geometric parameters of the products of hydroerosive destruction of the target material is shown in Fig. 10. Curve 1 describes the dependence of the relative number

particles of the target material in the resulting suspension from their average diameter d _h during the first passage of the jet of the treated liquid over the surface of the new target. The graph adopted: N _i = N _i / N _total , where

- the absolute number of particles of this i-th average diameter

- the total number of particles of the target material fixed in a unit volume of the suspension, for example, 1 / ml; n is the number of intervals of the partition of the observed particles in size. Curve 2 (Fig. 10) characterizes the size distribution of solid particles in suspension during the passage of the jet of the treated liquid over the target surface, which has already been subjected to repeated action in previous passes. A distinctive feature of this curve is the presence of zone "A" - an abnormal increase in the number of relatively large solid particles of the target material, separated from its surface in the processing zone, according to the mechanism shown in figure 2. It is the presence of this zone on curve 2 that explains the increased hydroerosive wear of the target material and the appearance of a significant solid-phase fraction with a relatively large dispersion in the suspension.

Кривая 3 на фиг.10 характеризует процесс мелкодисперсного гидроразрушения поверхностного слоя материала мишени, подвергнутого упрочняющему воздействию, например выглаживанию алмазным индентором. Особенностью данной кривой является однородность масс-геометрических параметров малоразмерных, отделившихся от поверхности мишени частиц, в результате ее гидроэрозионного разрушения под действием высоконапорной струи обрабатываемой жидкости. В этом случае имеет место менее интенсивное, по сравнению с кривой 2, гидроэрозионное изнашивание материала мишени и более мелкодисперсный состав получаемой суспензии, т.е. ее более высокое качество.Curve 3 in Fig. 10 characterizes the process of finely dispersed hydraulic fracturing of the surface layer of the target material subjected to reinforcing action, for example, smoothing with a diamond indenter. A feature of this curve is the homogeneity of the mass-geometric parameters of small-sized particles separated from the target surface as a result of its hydroerosive destruction under the action of a high-pressure jet of the treated liquid. In this case, there is less intensive, compared with curve 2, hydroerosive wear of the target material and finer dispersed composition of the resulting suspension, i.e. its higher quality.

Таким образом, в результате целенаправленного физико-механического технологического воздействия или комбинаций этих воздействий на материал мишени обеспечивается повышение его эксплуатационно-функциональных параметров, в первую очередь увеличение гидроэрозионной стойкости и равномерность процесса гидродиспергирования поверхностного слоя. Это положительно влияет на технико-экономические показатели ультраструйной технологии получения суспензий и их потребительские свойства.Thus, as a result of a targeted physical and mechanical technological impact or combinations of these effects on the target material, it is ensured that its operational and functional parameters are increased, first of all, an increase in the erosion resistance and uniformity of the hydrodispersion of the surface layer. This positively affects the technical and economic indicators of ultra-jet technology for producing suspensions and their consumer properties.

Пример реализации способаAn example implementation of the method

Эффективность заявляемого способа получения суспензий апробировалась на примере обеззараживания воды из Московского водопровода. Известно, что ряд металлов, например серебро, медь и золото, обладают бактерицидными свойствами и при длительном контактировании с ними воды происходит ее обеззараживание (см., например, Буря А.И., Кудина Е.Ф. Вода - свойства и методы очистки. - Днепропертровск: Пороги, 2006. - 520 с.).The effectiveness of the proposed method for producing suspensions was tested on the example of disinfection of water from the Moscow water supply. It is known that a number of metals, for example silver, copper and gold, have bactericidal properties and, after prolonged contact with water, they are disinfected (see, for example, Storm A.I., Kudina E.F. Water - properties and methods of purification. - Dnepropertrovsk: Thresholds, 2006. - 520 p.).

Для повышения бактерицидного эффекта ультраструиной обработки жидкостей, в частности воды в известном способе (см. Патент RU 2031847), ее обеззараживание обеспечивалось путем интенсивного удара высоконапорной гидроструи о мишень, изготовленную из различных материалов, в частности из серебра, химической чистоты 99,99%.To increase the bactericidal effect of ultrastrain treatment of liquids, in particular water in a known manner (see Patent RU 2031847), its disinfection was ensured by intensive impact of a high-pressure hydrojet against a target made of various materials, in particular, silver, 99.99% chemical purity.

Эксперименты показали, что при использовании мишени из серебра и рабочем давлении истечении струи по рассматриваемому способу Р=85 МПа происходит полная стерилизация (обеззараживание) водопроводной воды, которая оценивалась по значению общего микробного числа (ОМЧ=0). Такой же эффект полной стерилизации (ОМЧ=0) при использовании мишени из твердого сплава марки ВК-8 достигался при существенно большем рабочем давлении истечения струи: Р=350 МПа. Таким образом, было установлено существенное влияние материала мишени на бактерицидный эффект ультраструйной обработки жидкостей, в частности воды.The experiments showed that when using a silver target and a working pressure, the jet expires by the considered method P = 85 MPa, the tap water is completely sterilized (disinfected), which was estimated by the value of the total microbial number (TBC = 0). The same effect of complete sterilization (TMP = 0) when using a target made of VK-8 carbide was achieved at a significantly higher working pressure of the jet: P = 350 MPa. Thus, it was found that the target material has a significant effect on the bactericidal effect of ultra-jet treatment of liquids, in particular water.

Однако вышеперечисленные бактерицидные металлы, в частности химически чистое серебро, весьма пластичны. Поэтому в месте удара струи (фиг.1) наблюдается пластическое оттеснение материала мишени из зоны обработки и образование значительной гидрокаверны, отрицательно влияющей на эффективность активации жидкостей, в частности воды, а также на параметры ее качества, например степень стерильности, оцениваемую по величине ОМЧ.However, the above bactericidal metals, in particular chemically pure silver, are very plastic. Therefore, at the site of the impact of the jet (Fig. 1), there is a plastic displacement of the target material from the treatment zone and the formation of a significant cavern negatively affecting the efficiency of activation of liquids, in particular water, as well as its quality parameters, for example, the degree of sterility, estimated by the value of TBC.

В связи с этим возникает функциональная необходимость в перемещении (сканировании) струей обрабатываемой по рассматриваемому способу воды поверхности мишени. При неоднократном повторении данной процедуры по определенной траектории сканирования (скрайбирования) наблюдается отделение от поверхности мишени достаточно крупных фрагментов (фиг.2), что резко увеличивает расход дорогостоящего материала мишени и требует достаточно частой замены мишеней. Кроме того, эти относительно крупные частицы со средним диаметром ~10-100 мкм менее эффективны как бактерицидные агенты по сравнению с частицами более мелкой дисперсности (1-10 мкм), при прочих равных условиях, например при одинаковой массе разрушенного струей материала мишени. Данное обстоятельство связано с тем, что суммарная площадь контакта более мелких частиц с жидкой фазой суспензии существенно выше, чем у более крупных при условии равенства их суммарных масс.In this regard, there is a functional need for moving (scanning) a jet of the target surface processed by the considered method of water. With repeated repetition of this procedure along a certain scanning (scribing) path, sufficiently large fragments are separated from the target surface (Fig. 2), which sharply increases the consumption of expensive target material and requires quite frequent replacement of targets. In addition, these relatively large particles with an average diameter of ~ 10-100 μm are less effective as bactericidal agents compared to particles of finer dispersion (1-10 μm), ceteris paribus, for example, with the same mass of the target material destroyed by the jet. This circumstance is due to the fact that the total contact area of smaller particles with the liquid phase of the suspension is significantly higher than for larger ones, provided that their total masses are equal.

Таким образом, более мелкоразмерное диспергирование материала поверхностного слоя материала мишени обеспечивает получение суспензии с более высокими показателями качества.Thus, a finer dispersion of the material of the surface layer of the target material provides a suspension with higher quality indicators.

Для реализации процесса более мелкодисперсного фракционирования поверхностного слоя материала мишени из серебра и обеспечения его более высокой гидроэрозионной стойкости согласно заявляемому способу получения суспензий поверхность мишени до начала технологической процедуры обработки воды подвергалась предварительному упрочняющему пластическому деформированию (ППД). ППД осуществлялось твердотельным индентором с закаленной (HRC_Э=55-60) сферической рабочей частью диаметром d_и=10 мм, изготовленной из износостойкой стали марки ШХ-15. Сила прижима индентора к поверхности мишени их серебра при ППД составляла F=30H, что обеспечивало необходимую (~25%) степень упрочнения и наклепа поверхностного слоя мишени на глубину h_y~0,3 мм. Затем после ППД мишень из серебра использовалась для ультраструйной обработки воды и получения активированной серебром суспензии. Степень активации, как и ранее оценивалась по ОМЧ конечного продукта - суспензии с микрочастицами серебра. Интенсивность процесса гидроэрозионного разрушения поверхности оценивалась по геометрическим параметрам трека (следа) от струи на обрабатываемой поверхности мишени с помощью оптического микроскопа. Он также использовался для определения масс-геометрических параметров частиц, их распределения по размерам, что достигалось путем фильтрации полученной суспензии и последующего оптического анализа фильтрата. Анализ полученных экспериментальных данных позволяет сделать следующие основные выводы.To implement the process of finely dispersed fractionation of the surface layer of the target material from silver and to ensure its higher erosion resistance according to the claimed method for producing suspensions, the target surface was subjected to preliminary hardening plastic deformation (PPD) prior to the technological process of water treatment. The PPD was carried out by a solid-state indenter with a hardened (HRC _E = 55-60) spherical working part with a diameter of d _and = 10 mm, made of wear-resistant steel of the ШХ-15 grade. The force of the indenter clamping to the surface of their silver target for PPD was F = 30H, which provided the necessary (~ 25%) degree of hardening and hardening of the surface layer of the target to a depth of h _y ~ 0.3 mm. Then, after PPD, a silver target was used for ultra-jet treatment of water and preparation of a silver-activated suspension. The degree of activation, as previously estimated by the TBC of the final product - a suspension with silver microparticles. The intensity of the process of hydroerosive destruction of the surface was estimated by the geometric parameters of the track (trace) from the jet on the target surface being treated using an optical microscope. It was also used to determine the mass-geometric parameters of particles, their size distribution, which was achieved by filtering the resulting suspension and subsequent optical analysis of the filtrate. Analysis of the obtained experimental data allows us to draw the following main conclusions.

ППД увеличивает гидроэрозионную стойкость мишени из серебра в среднем на 25-30% по сравнению с мишенью, не подвергнутой данному виду упрочнения. Это положительно влияет на себестоимость и производительность заявляемого способа получения суспензий по сравнению с аналогом.PPD increases the hydroerosion resistance of a silver target by an average of 25-30% compared to a target not subjected to this type of hardening. This positively affects the cost and performance of the proposed method for producing suspensions in comparison with the analogue.

ППД способствует процессу более мелкого и однородного микродиспергирования поверхностного слоя (в 1,5-2,5 раза) мишени из серебра. Это положительно влияет на качество полученной суспензии и технико-экономические показатели процесса ее изготовления, так как полная стерильность конечного продукта достигается при меньшем (на 15-20%) рабочем давлении обрабатываемой воды.PPD contributes to the process of finer and more uniform microdispersion of the surface layer (1.5-2.5 times) of the silver target. This positively affects the quality of the resulting suspension and the technical and economic indicators of the process of its manufacture, since the complete sterility of the final product is achieved at a lower (15-20%) working pressure of the treated water.

Таким образом, упрочняющее физико-механическое воздействие на поверхностный слой материала мишени из пластичных материалов, в частности путем ППД, обеспечивает комплексное повышение технико-экономических и качественных параметров, характеризующих данную гидроструйную технологию обработки жидкостей, например воды, и получения активированных ультрамелкодисперсных суспензий.Thus, the strengthening physico-mechanical effect on the surface layer of the target material from plastic materials, in particular by PPD, provides a comprehensive increase in the technical, economic and quality parameters characterizing this hydro-jet technology for treating liquids, such as water, and for producing activated ultrafine suspensions.

Claims (15)

1. Способ получения суспензий, включающий сжатие жидкости с последующим ее вытеснением через сопло и торможением образующейся струи жидкости о гидроразрушаемую мишень, отличающийся тем, что поверхностный слой или весь объем материала мишени до или во время указанного торможения струи жидкости подвергают упрочняющему физико-механическому воздействию для повышения его гидроэрозионной стойкости.1. A method of producing suspensions, including compressing the liquid, followed by its displacement through the nozzle and braking the resulting liquid stream against the hydrodestructible target, characterized in that the surface layer or the entire volume of the target material is subjected to a strengthening physico-mechanical effect before or during the indicated braking of the liquid stream for increase its erosion resistance. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанное упрочняющее физико-механическое воздействие на материал мишени осуществляют непрерывно или периодически.2. The method according to claim 1, characterized in that said hardening physico-mechanical effect on the target material is carried out continuously or periodically. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что степень указанного упрочняющего физико-механическое воздействия на материал мишени поддерживают постоянной в течение времени воздействия.3. The method according to claim 1, characterized in that the degree of said reinforcing physico-mechanical effect on the target material is kept constant during the exposure time. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что степень указанного упрочняющего физико-механическое воздействия на материал мишени в течение времени обработки жидкости изменяют.4. The method according to claim 1, characterized in that the degree of said reinforcing physico-mechanical effect on the target material during the processing time of the liquid is changed. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве указанного упрочняющего физико-механического воздействия используют упрочняющее пластическое деформирование материала мишени.5. The method according to claim 1, characterized in that as the specified reinforcing physico-mechanical effects use reinforcing plastic deformation of the target material. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что упрочняющее пластическое деформирование материала мишени осуществляют твердотельным индентором.6. The method according to claim 5, characterized in that the reinforcing plastic deformation of the target material is carried out by a solid-state indenter. 7. Способ по п.5, отличающийся тем, что упрочняющее пластическое деформирование материала мишени осуществляют струей воздействующей на мишень жидкости.7. The method according to claim 5, characterized in that the reinforcing plastic deformation of the target material is carried out by a jet of liquid acting on the target. 8. Способ по п.5, отличающийся тем, что технологические параметры упрочняющего пластического деформирования материала мишени изменяют во время воздействия.8. The method according to claim 5, characterized in that the technological parameters of the reinforcing plastic deformation of the target material are changed during exposure. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что технологические параметры упрочняющего пластического деформирования материала мишени изменяют по гармоническому закону.9. The method according to claim 8, characterized in that the technological parameters of the reinforcing plastic deformation of the target material are changed according to a harmonic law. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что технологические параметры упрочняющего пластического деформирования материала мишени изменяют с частотой ультразвуковых колебаний.10. The method according to claim 9, characterized in that the technological parameters of the reinforcing plastic deformation of the target material are changed with the frequency of ultrasonic vibrations. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что указанные изменения технологических параметров с частотой ультразвуковых колебаний осуществляют путем налагания ультразвуковых колебаний к индентору, обеспечивающему процесс упрочняющего пластического деформирования материала мишени, или к самой мишени.11. The method according to claim 10, characterized in that the indicated changes in the technological parameters with the frequency of ultrasonic vibrations are carried out by applying ultrasonic vibrations to the indenter, which provides the process of strengthening plastic deformation of the target material, or to the target itself. 12. Способ по п.11, отличающийся тем, что направление распространения указанных ультразвуковых колебаний параллельно вектору скорости струи жидкости.12. The method according to claim 11, characterized in that the propagation direction of these ultrasonic vibrations is parallel to the fluid velocity vector. 13. Способ по п.11, отличающийся тем, что направление распространения указанных ультразвуковых колебаний перпендикулярно вектору скорости струи жидкости.13. The method according to claim 11, characterized in that the propagation direction of these ultrasonic vibrations is perpendicular to the fluid velocity vector. 14. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве физико-механического воздействия используют механическое сжатие материала мишени.14. The method according to claim 1, characterized in that the mechanical compression of the target material is used as the physicomechanical effect. 15. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве физико-механического воздействия используют охлаждение материала мишени. 15. The method according to claim 1, characterized in that the cooling of the target material is used as the physicomechanical effect.

Images