Mipako ya sumaku

Kanuni ya kazi ya laina za sumaku ni kwamba laina imetengenezwa kwa nyenzo ya sumaku. Kupitia nguvu ya sumaku, vitu vya chuma (hasa vyombo vya kusaga – mipira ya chuma) na/au madini yenye sumaku (kama magnetite) huvutwa kwenye uso wa laina, na kuunda tabaka imara la kinga ambalo linakuwa sehemu ya laina yenyewe (kama inavyoonyeshwa katika Mchoro 5-24 na 5-25).

Bloki za kudumu za sumaku kwa ganda la chuma la kusaga lililofunikwa kwa mpira

Mchoro 5-24 Laina za magneti za awali

Mchoro 5-25 Mchoro wa kawaida wa laini ya sumaku

Mchoro 5-26 (imejulikana lakini haijaonyeshwa)

Mnamo 1975, Andersson alipendekeza kwa mara ya kwanza matumizi ya laina za sumaku katika mashine za kusaga zinazozunguka. Kwa kuwa laina hizo ni za sumaku, zinaweza kufungwa moja kwa moja kwenye ganda la mashine ya kusaga kwa nguvu ya sumaku bila kuhitaji mifumo ya kufunga kwa boliti (kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 5-26), na hivyo kurahisisha ufungaji na ubadilishaji. Baadaye, mwaka 1982, Weinert alipendekeza matumizi kwa ajili ya aina pana zaidi ya vifaa vinavyochakaa sana. Mwaka huo huo, Anon alichunguza na kujaribu laina za kisagaji za sumaku katika visagaji vya kuzungusha, ambapo nishati ya kusaga ilihamishwa kwa madini kabisa kupitia laina za sumaku. Katika visagaji kama hivyo, umbo bora la laina linapaswa kuwa laini, lakini lazima liwe na nguvu ya kuvutia ya kutosha kushikilia nyenzo za feromagnezi kwenye uso ili kuzuia mzigo wa kisagaji kuteleza dhidi ya laina. Tangu katikati ya miaka ya 1980, China imeanza kuweka mkazo mkubwa kwenye utafiti, uboreshaji, na uendelezaji wa laina za kimagneti. Sehemu kuu ya laina ya sumaku ni sumaku ya kudumu, ambayo lazima iwe na bidhaa ya nishati ya sumaku na nguvu ya kulazimisha ya kutosha ili kuzalisha uwanja wa sumaku wenye nguvu ya kutosha kwenye uso wa laina na kupinga upotevu wa sumaku.

Laina za magneti za awali zilitengenezwa kwa kupachika bloku za magneti za seramiki ndani ya fremu za mpira. Uzoefu wa uzalishaji ulithibitisha kuwa zilifanikiwa sana katika shughuli za kusaga za sekondari. Mfano wa kawaida wa laina kama hiyo ulikuwa laina ya sumaku ya “ore-bed” iliyotengenezwa na Trelleborg (kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 5-24). Laina hii ilikuwa na vipande vya sumaku vilivyofungwa ndani ya masanduku ya mpira, vilivyosambazwa kwenye ganda la kusaga, huku vikiwavutia vifaa vyenye sumaku ya chuma ili kuunda tabaka la kinga. Mnamo mwaka 1980, laina za namna hii za sumaku zilisakinishwa katika kusaga kwa mara ya pili kwa kutumia mashine ya mawe katika kiwanda cha LKAB Kiruna cha kuimarisha madini nchini Uswidi. Seti nyingine ilisakinishwa katika kiwanda cha Trellex cha Westbury kwa ajili ya madini ya oksidi ya mchanga wa chuma ya Blue Circle. Katika visa hivi, vifuniko vilitumia sumaku za seramiki zilizounganishwa na mpira ili kulinda kusaga, lakini uimara wa kuvuta na upinzani wa kuchanika wa mpira haukuwa mkubwa vya kutosha kustahimili au kunyonya mshtuko wa mzigo wa kusaga kwenye sumaku zilizo chini, na sumaku zenyewe zilikuwa nyepesi sana kuvunjika. Kwa hivyo, laina kama hizo zilitumika tu katika matumizi ambapo kipenyo cha mpira wa kusagia kilikuwa chini ya mm 40 (inchi 1.5) na kipenyo cha kusagia kilikuwa chini ya m 3 (futi 10). Kwa milo kubwa, vifaa vya kusagia vilipaswa kuwa vidogo kuliko 25 mm (1 inchi). Zaidi ya hayo, vifuniko vya mpira vyenye sumaku vilitumika tu kwenye ganda la nje, na si kwenye vifuniko vya mwisho.

Ili kuwalinda zaidi magneti katika laina, Miles alipata hati miliki ya muundo wa laina ya kimagneti ambapo bati za chuma ziliwekwa kuzunguka magneti, hivyo kuzuia kugongana moja kwa moja na mipira ya chuma inayodondoka ndani ya kinu.

Baadaye, ili kuzuia sumaku za kudumu kuharibiwa na vyombo vya kusaga na nyenzo wakati wa uendeshaji wa kusaga, Shirika la China Metallurgical Mining Group Corporation lilitengeneza laina ya sumaku yenye sanduku la chuma la ulinzi (au fremu ya chuma) linalozingira sumaku, ambalo liliitwa laini ya chuma yenye sumaku. Wakati mwingine tabaka la elastiki, kama vile mpira, pia lilipakwa kwenye uso wa fremu ya chuma ili kutoa upunguzaji wa mtetemo na ulinzi dhidi ya kutu. Vifuniko vilitengenezwa kwa umbo la bloku na vilikuwa vinaweza kusakinishwa kwenye ganda la mashine kwa njia mbili: moja ilikuwa kuvishikilia moja kwa moja kwenye ganda la chuma kwa nguvu ya sumaku; nyingine ilikuwa kuvifunga kwa kutumia mabati ya kubana na boliti. Wakati mashine inafanya kazi, kutokana na nguvu ya sumaku, uso wa laina huvutia vitu vya chuma (hasa mipira ya chuma iliyovunjika, n.k.) na vifaa vya sumaku, na hivyo kuunda tabaka la kinga lenye unene wa milimita 30–40. Tabaka hili la kinga hujirekebisha lenyewe na huzuia uchakavu na kutu kwa laina. Unene wa tabaka hili la kinga hutegemea nguvu ya uwanja wa sumaku kwenye uso wa laina. Mnamo 1989, Taasisi ya Utafiti wa Madini ya Anshan ilifanikiwa kujaribu laina hizo za metali za sumaku katika kinu cha mipira cha kusaga tena chenye kipenyo cha mita 2.7 × urefu wa mita 3.6 (futi 9.0 × futi 12.0). Baadaye, mwaka 1992, Kampuni ya Viwanda na Biashara ya Jinfa ya Uchina ilitengeneza laina ya chuma na kuiweka katika mgodi wa chuma kaskazini mwa Uchina. Iliripotiwa kuwa laina hii ya sumaku haikuonyesha uharibifu mkubwa baada ya miaka 9 ya utumishi. Kwa sasa, mamia ya seti za laina za chuma za sumaku zinatumika katika visambazaji vya madini nchini Uchina, huku kinu kikubwa zaidi cha mipira kikiwa na kipenyo cha mita 5.5 × urefu wa mita 8.8 (futi 18.0 × futi 29.0), kikitumia vyombo vya kusaga vya koni vyenye vipimo vya 35 mm × 45 mm × 40 mm. Mnamo 2006, Jinfa ilisakinisha seti ya vifuniko vya chuma vya sumaku katika kichujio cha madini ya chuma cha Northshore Mining cha Cleveland-Cliffs huko Silver Bay, Minnesota.

Uso wa ganda la chuma lazima uwe na msongamano mkubwa wa mtiririko wa sumaku. Chuma cha magneti chenye aloi nyingi kinachotumika kwa ganda la ulinzi kinahitaji ugumu usio chini ya HBW 250, nguvu ya mfinyazo isiyo chini ya 700 MPa, nguvu ya kuporomoka isiyo chini ya 400 MPa, upungufu wa eneo usio chini ya 45%, na ustahimilivu wa mshtuko zaidi ya 50 J/cm². Msingi wa laina ya ganda ni uso tambarare, wakati msingi wa laina ya mwisho ni mwili mkubwa tambarare wa nusu duara uliovutwa nje. Jiometri, umbo, na muundo wa ganda la chuma na laina za mwisho pia vina athari kubwa kwenye utendaji wa kiufundi wa laina ya chuma ya sumaku. Sumaku ya kudumu ndio sehemu kuu ya laini ya sumaku ya chuma. Mbali na kuvutia tabaka la kinga, laini ya sumaku ya chuma lazima pia ishikamane kwa nguvu na gamba na vifuniko vya mwisho kwa nguvu yake ya sumaku. Tabaka la gundi limetengenezwa kwa kiunganishi maalum chenye unyumbufu, ambacho huunganisha imara blokisi za sumaku ndani ya ganda la chuma. Tabaka la gundi lina unyumbufu mzuri, hupunguza mshtuko wa polepole wa vifaa na midia kwenye sumaku na hufyonza nishati ya mshtuko.

Kipengele kikuu cha laina ya chuma yenye sumaku ni sifa za uwanja wake wa sumaku. Muundo wa mzunguko wa sumaku unatumia mfumo wazi wa sumaku, ambapo laina zimepangwa kwa mbadala katika mwelekeo wa mzunguko kwenye ganda na vifuniko vya mwisho, na ncha za sumaku za Kaskazini (N) na Kusini (S) zikibadilishana.

Jedwali 5-10 inalinganisha sifa kuu za laina za zamani za magneti za mpira na laina za magneti za chuma. Inaonekana kwamba gamba gumu la kinga la magneti linaruhusu laina ya magneti ya chuma kutumika katika milima ya mipira mikubwa zaidi na na vyombo vya kusaga vyenye ukubwa mkubwa zaidi. Katika mfano huu, uzito wa mipira ya chuma katika kusaga yenye laina ya sumaku ya chuma ni mara 2.4 zaidi ya ule wa kusaga yenye laina ya sumaku ya mpira.

Mchoro 5-26 Mfano wa laini ya kimagneti isiyo na boliti

Jedwali 5-10 Ulinganisho kati ya laina za magneti za mpira na laina za magneti za chuma

Laina za sumaku zina faida zifuatazo:

(1) Kiasi kilichoongezeka cha kusaga. Moja ya faida za laina za chuma zenye sumaku ni kwamba ni nyembamba na nyepesi kuliko laina za chuma za kawaida. Kwa hivyo, milina zinazotumia laina za sumaku zina ujazo mkubwa zaidi wa kusaga unaofaa na pia ni nyepesi kwa uzito. Kwa mfano, katika mashine ya kusaga ya mpira iliyotajwa awali yenye kipenyo cha mita 2.7 × urefu wa mita 3.6 (ft 9.0 × ft 12.0), unene wote wa laini ya sumaku, ikiwa ni pamoja na tabaka la kinga, ulikuwa mm 95 tu (in 3.75), ambao ni mdogo sana kuliko ule wa laini za metali za kawaida. Hii husababisha ujazo mkubwa zaidi wa kazi ya kusaga, uzalishaji wa juu zaidi, na ufanisi ulioboreshwa wa kusaga. Katika kisa kingine kilichoripotiwa, mashine ya kusagia ya mipira yenye kipenyo cha mita 3.2 × urefu wa mita 4.5 (futi 10.5 × futi 14.7) iliyotumia vigae vya chuma vya sumaku ilionyesha upungufu wa 7% katika matumizi ya nishati ya uendeshaji, ongezeko la 5.6% katika uzalishaji, na uboreshaji wa 1% katika upatikanaji. Matokeo yanayofanana yalipatikana katika mgodi wa Northshore kwa kutumia vigae vya chuma vya sumaku.

Bloki za sumaku, ganda la mashine ya kusaga mpira, na pedi ya madini huunda mzunguko mdogo wa sumaku uliofungwa kando ya mzunguko wa ganda. Kwa mashine kubwa za kusaga, ambazo kwa kawaida zina tundu la ukaguzi, kuweka vifuniko vya sumaku kunaweza kufanya kufungua mlango wa tundu la ukaguzi kuwa kazi ngumu na inayochukua muda mwingi kila mara. Suluhisho ni kutumia milango ya ziada ya tundu la ukaguzi au kuacha eneo linalozunguka mlango wa tundu la ukaguzi bila vifuniko vya sumaku. Kwa mzunguko wa sumaku kati ya mlango wa shimo lisilo la sumaku na vifuniko vya sumaku, bloku za sumaku karibu na fremu ya mlango pande zote mbili huunda mzunguko wa sumaku uliofungwa pamoja na fremu ya mlango na ganda, hivyo mlango wa shimo haupati sumaku, na kufanya ufungaji na uondoaji kuwa rahisi.

(2) Maisha marefu ya huduma. Wakati laina za sumaku zinawekwa, zinashikamana moja kwa moja na ganda la chuma la kinu kwa nguvu ya sumaku bila kuhitaji boliti. Wakati kinu kinafanya kazi, laina ya sumaku huvutia mipira ya chuma iliyovunjika na madini ya sumaku kwenye uso wake, na hivyo kuunda tabaka la kinga lenye unene fulani linalozuia vyombo vya kusaga vinavyozunguka na vifaa vidogo kugusa laina moja kwa moja. Kwa sababu tabaka hili la kinga limeambatishwa imara kwenye uso wa laina ya sumaku, linazuia mgusano wa moja kwa moja kati ya mchanganyiko wa unga na laina ya sumaku, na hivyo kupunguza sana uchakavu wa kimakanika na kutu ya kielektrokemikali kutokana na mchanganyiko wa unga na vifaa vingine, na kuongeza kwa kiasi kikubwa muda wa matumizi wa laina. Hivyo basi, laina za sumaku mara nyingi huitwa “laina zisizochakaa kamwe.” Hata hivyo, kwa kuwa mashine ya kusaga ya mpira hufanya kazi bila kukoma, bado kuna msuguano wa kuteleza na kutu kidogo ya kielektroni-kemikali, hivyo laina za sumaku hupata uchakavu mdogo. Kadiri laina ya sumaku inavyochakaa na kukaribia uso wa ncha ya sumaku, nguvu ya uwanja wa sumaku kwenye uso huongezeka, jambo ambalo kwa upande wake huongeza nguvu ya uvutio ya sumaku, huifanya tabaka la kinga kuwa nene, na huimarisha ulinzi. Kwa hivyo, uchakavu wa awali wa laini za sumaku ni wa haraka kiasi, lakini kadri gamba la chuma la kinga linavyochakaa, kiwango cha uchakavu hupungua ipasavyo. Muda wa matumizi wa laina za kimagneti unaweza kufikia miaka 10 au hata zaidi, ilhali laina za kawaida za chuma kwa kawaida hudumu chini ya mwaka mmoja. Hivyo, muda wa matumizi wa laina za kimagneti kwa ujumla ni mara kadhaa hadi zaidi ya mara kumi kuliko ule wa laina za chuma cha manganisi ya juu, na takriban mara 5 au zaidi kuliko ule wa laina za mpira. Ingawa bei ya laina za kimagneti ni takriban mara mbili ya laina za kawaida, ukizingatia gharama zao za ziada kuwa chini, muda wa kurejesha gharama ni mfupi kiasi, kwa kawaida ni miezi michache tu.

(3) Kupunguza matumizi ya vifaa vya kusaga. Katika matumizi kadhaa ya viwandani ya laina za sumaku, matumizi ya laina za sumaku za chuma yamesababisha kupungua kwa matumizi ya vifaa vya kusaga kwa takriban 10%.

(4) Matengenezo rahisi. Laina za chuma zenye sumaku hutoa faida kubwa ikilinganishwa na laina za chuma za kawaida kwa upande wa uendeshaji na matengenezo. Bloku moja ya laina ya sumaku ni nyepesi na nyembamba kuliko laina ya chuma cha mchanganyiko ya kawaida. Uzito wa laina ya sumaku ni takriban 40% tu ya ule wa chuma cha manganisi ya juu, na unene wake ni takriban 60% pia. Laina za sumaku pia ni rahisi kusakinisha kuliko laina za chuma cha mchanganyiko za kawaida; zinaambatishwa kwenye ganda kwa nguvu ya sumaku bila kuhitaji bolti, na hivyo kupunguza kiwango cha kazi kwa wafanyakazi. Kwa hivyo, laina za chuma za sumaku ni rahisi kutunza, haraka kubadilisha, na salama kuondoa na kusakinisha. Ikilinganishwa na laina za chuma cha mchanganyiko za kawaida, gharama ya kusaga kwa kila tani ya madini ghafi kwa kutumia laina za chuma za sumaku hupungua kwa kiasi kikubwa.

(5) Utendaji wa laini ya farasi. Kutokana na nguvu ya sumaku ya laina za sumaku za chuma, mipira ya chuma iliyoshikamana na madini yenye sumaku huunda wasifu wa kijiometri thabiti kiasi ambao unabaki karibu bila kubadilika katika maisha ya huduma ya laina ya miaka kadhaa au zaidi. Kwa hivyo, laina za chuma zenye sumaku hutoa utendaji thabiti wa kusaga. Hii ni tofauti kabisa na laina za kawaida za aloi, ambazo jiometri yao hubadilika kila mara kutokana na uchakavu wakati wa mchakato wa kusaga, na kusababisha utendaji wa laina kubadilika kulingana na uchakavu. Matokeo yake, marekebisho ya kiutendaji lazima yafanywe ili kufidia uchakavu wa laina za chuma cha aloi. Kivitendo, ili kuongeza ufanisi zaidi katika muda wote wa matumizi ya laina ya chuma cha aloi, pembe ya laina mpya mara nyingi huwekwa wima sana, lakini mwishoni mwa muda wake wa matumizi, mabati ya kuinua huwa ya chini sana, na hivyo kupunguza uwezo wa kuinua na ufanisi wa kusaga. Wakati huo huo, umbo la kijiometri linaloundwa na nyenzo inayovutwa kwa sumaku linaweza kuinua nyenzo kwa ufanisi na kukuza kusaga kwa mfululizo kwa ufanisi.

(6) Ufanisi mkubwa wa nishati ya kusaga. Inaripotiwa mara kwa mara kwamba laina za chuma zenye sumaku huboresha ufanisi wa kusaga. Sababu zinazowezekana ni zifuatazo: 1) Jiometri ya safu ya ulinzi inayoundwa na mvuto wa sumaku huathiri mzigo wa kusaga (ikiwa ni pamoja na vyombo vya kusaga na madini); laina za sumaku hufanya mzigo wa kusaga kuwa imara zaidi kuliko laina za chuma za kawaida. 2) Pia kuna athari ya sumaku iliyobaki inayoleta chembechembe za madini na vyombo vya kusaga karibu zaidi. Vipengele hivi vyote viwili husababisha kusagwa kwa aina ya attrition kwa ufanisi zaidi kwa chembechembe za madini kati ya vyombo vya kusaga (mipira ya chuma), na kufanya kusagwa kati ya chembechembe kuwa njia kuu ya kuvunjika. 3) Profaili inayofanana na wimbi inayoundwa na mvuto wa mipira ya chuma na madini yenye sumaku huchangia kuboresha ufanisi wa kusaga.

Laina za sumaku hutumika sana kwa madini mbalimbali yenye sumaku kali, ya wastani, na hafifu. Madini ya sumaku ni pamoja na: madini yenye sumaku kali kama vile magnetite na maghemite; madini yenye sumaku ya wastani kama vile ilmenite na martite; na madini yenye sumaku hafifu kama vile madini mengi ya chuma-manganisi na hematite. Zinaweza pia kutumika kwa madini yasiyo na sumaku kama shaba, dhahabu, risasi, na zinki. Inafaa kutambua kwamba, katika kipindi cha mwanzo cha matumizi ya laina ya sumaku, kiasi fulani cha nyenzo za ferromagneti—kama vile mipira ya chuma iliyovunjika na chuma chakavu—kinahitaji kuongezwa mara kwa mara ili kusaidia kuunda tabaka la kinga.

Hasara: Ingawa laina za kimagneti hutoa faida nzuri za kiuchumi katika matumizi, pia zina mapungufu kadhaa. Nguvu ya uwanja wa sumaku upande wa upakiaji ni dhaifu zaidi, na kusababisha tabaka la kinga kuwa nyembamba kiasi, na athari ya moja kwa moja kutoka kwa mipira ya kusaga inaweza kusababisha kupoteza sumaku, kwa hivyo maisha ya laina upande wa upakiaji si marefu kama ya laina za ganda. Ina lazima kusitisha shughuli katikati ya muda wa matumizi kwa ajili ya kubadilisha, jambo ambalo husababisha usumbufu kwa uzalishaji na kuathiri ufanisi wa vifaa. Ufungaji unahitaji usawa wa juu wa uso wa ukuta wa ganda na vifuniko vya mwisho; nyuso zisizo sawa haziruhusiwi. Mwelekeo wa sumaku wa vifuniko vya sumaku kwenye vifuniko vya mwisho wa kutolea na upokeaji lazima uwe wima kwa mwelekeo wa nguvu ya kimbunga wanayopitia. Laina za kimagneti (ikiwemo laina za kimagneti za chuma) bado zinaweza kutumika tu katika milia midogo au ya ukubwa wa kati kutokana na uwezo wao mdogo wa kustahimili mshtuko. Aidha, kwa kawaida laina za kimagneti haziwezi kutumika katika milia ya mipira ambapo kipenyo cha mpira kinazidi mm 80, kwa sababu mipira mikubwa huzalisha nguvu kubwa zaidi za mshtuko, na upinzani duni wa mshtuko wa laina za kimagneti unaweza kusababisha kupoteza magneti kwa kasi kiasi.