Научные основы и практические аспекты разработки технологий порошковой металлургии, основанных на использовании магнитовибрирующего слоя

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные основы и практические аспекты разработки технологий порошковой металлургии, основанных на использовании магнитовибрирующего слоя

Специальность 05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы

Егорова Светлана Ивановна

Ростов-на-Дону - 2009



Работа выполнена на кафедре «Физика» Донского государственного технического университета.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Юрий Михайлович Вернигоров.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Бадрудин Гасанович Гасанов;

доктор технических наук, профессор Владимир Сергеевич Панов;

доктор технических наук, профессор Андрей Евгеньевич Розен.

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения».

Защита диссертации состоится 11 февраля 2010 года в 10 часов на заседании совета Д212.304.09 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук в Южно-Российском государственном тех ническом универ ситете (Новочеркасском политехническом институте) по адресу: ул. Просвещения, 132, г. Новочеркасск, Ростовская область, 346428.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " "

Ученый секретарь

специализированного совета,

к.т.н., доцент Устименко В. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшей задачей порошковой металлургии (ПМ) является осуществление научно обоснованного подхода к конструированию порошковых материалов и изделий из них, а также разработка рациональных ресурсосберегающих технологий.

Дисперсное состояние веществ является основным во многих технологических процессах ПМ. Дисперсные материалы и их смеси подвергаются различным воздействиям с целью изменения их физико-технологических характеристик. К настоящему времени накоплен значительный теоретический и экспериментальный материал о влиянии силовых полей различной физической природы на дисперсные системы. Наиболее существенное влияние на реологические свойства системы оказывает взаимодействие частиц. Образование агрегатов препятствует свободному движению частиц. Изменение реологических свойств дисперсной системы путем образования псевдоожиженного слоя представляет собой эффективное средство для интенсификации различных технологических процессов: помол, диспергирование, восстановление и окисление диспергированной твердой фазы, внесение легирующих примесей на частицы, обжиг, сушка, формирование требуемой ориентации магнитных моментов частиц порошка и др.

Для получения псевдоожиженного состояния дисперсных систем используют вибрационные, гидро- и аэрационные, акустические, электро динамические и электромагнитные способы воздействия. Особое место в ряду структурных изменений дисперсных систем занимает структуро образование под влиянием сил диполь-дипольного взаимодействия частиц. Структура дисперсной системы, у которой частицы анизотропны по магнитным свойствам, зависит не только от взаимного расположения частиц, но и от ориентации их магнитных моментов. Для таких дисперсных сред известны способы использования энергии электромагнитного поля для получения псевдоожиженного состояния: однородное переменное магнитное поле, вращающееся магнитное поле, неоднородное переменное магнитное поле, скрещенные магнитные поля. Движение частиц в псевдоожиженном слое происходит под действием сил, возникающих при взаимодействии частиц порошков магнитных материалов и магнитного поля.

Только в неоднородном магнитном поле энергия передается частицам непосредственно на их поступательные степени свободы. Во взаимно перпендикулярных переменном неоднородном и постоянном магнитных полях образуется динамически устойчивое взвешенное состояние из порошков магнитных материалов - магнитовибрирующий слой (МВС). Использование МВС позволяет существенно повысить реологические свойства порошков ферромагнитных материалов и совершенствовать технологию их получения, эффективно решать ряд практических задач.

Имеющиеся литературные данные освещают вопросы исследования отдельных реологических состояний дисперсной системы под действием переменного магнитного поля. Остаются неизученными задачи изменения реологических свойств дисперсных систем магнитотвердых материалов за счет создания условий для кажущегося перехода сухого трения в вязкое и превращения дисперсной среды из вязкотекучего в упругое состояние.

В этой связи особую актуальность приобретают работы по созданию, исследованию и использованию в промышленности специальных технологических процессов ПМ, обеспечивающих возможность управления состоянием тонкодисперсных порошков магнитотвердых материалов и позволяющих повысить эксплуатационные характеристики магнитов. Указанные тенденции обуславливают актуальность темы работы, посвященной решению задачи формирования заданных реологических свойств МВС, его использования при разработке новых технологий и методик управления процессом кажущегося изменения трения.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью работы является повышение эксплуатационных характеристик порошков ферромагнитных материалов за счет создания контролируемых состояний порошков, управления их реологическими свойствами в магнитовибрирующем слое на этапах помола, сепарации, дозирования и текстурирования на базе теоретических и практических разработок специальных методов ПМ.

Для достижения поставленной цели решались следующие научно-технические задачи:

1. Провести анализ технологических процессов связанных с созданием определенных форм относительного движения фаз многофазных сред как одного из аспектов научной проблемы формирования функциональных свойств порошковых материалов в МВС.

2. Разработать научную концепцию влияния параметров электромагнитного поля на реологические свойства дисперсных ферромагнетиков в МВС.

3. Изучить динамику агрегированного состояния дисперсных сред в электромагнитном поле и на основе установленных закономерностей разработать специальные методы контроля реологических особен ностей дисперсных ферромагнитных материалов в состоянии МВС.

4. Определить зависимость сил внутреннего трения дисперсных систем в МВС от параметров электромагнитного поля.

5. Разработать математические модели движения ферромагнитных частиц в МВС при его наиболее характерных реологических состояниях.

6. Разработать математические модели дезагрегации и вторичного агрегирования дисперсных систем в МВС в зависимости от параметров электромагнитных полей, размеров частиц и состояния их поверхностей.

7. На базе предложенных моделей и результатов экспериментальных исследований разработать эффективные методики выбора параметров магнитных полей при формировании текстуры постоянных магнитов и установить корреляцию между свойствами МВС и изделия.

8. На основе изменения реологических особенностей МВС разработать способы интенсификации технологических процессов помола, дозирования, сепарации и устройств для их реализации.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Впервые разработаны теоретические положения и принципы управления реологическим состоянием дисперсной системы, отличающиеся от известных тем, что они основаны на создании условий, обеспечивающих разрушение естественных и формирование вторичных агрегатов ферромагнитного упорядочения магнитных моментов частиц порошков магнитотвердых материалов в МВС путем изменения параметров магнитных полей на этапах диагностики, помола, дозирования и формирования магнитной текстуры.

2. Разработан метод расчета значений индукции магнитного поля, при которых происходит кажущееся изменение вида трения в дисперсных средах и их переход из вязкотекучего состояния в псевдотвердое в постоянном и переменном неоднородном магнитных полях, отличающийся от известных учетом баланса энергий поступательного и вращательного движений частиц и энергии взаимодействия диполя с магнитным полем, а также учетом условий перестройки агрегатов из состояния макровихревого упорядочения магнитных моментов отдельных частиц в ферромагнитное.

3. Установлено, что при помоле магнитных материалов в бильной мельнице, в отличие от известных способов, воздействие на материал, кроме ударных поверхностей вращающихся бил, осуществляется взаимно перпендикулярными переменным неоднородным и постоянным магнитными полями, обеспечивающих создание в зоне бил мельницы МВС в состоянии с наибольшей интенсивностью движения частиц, что повышает эффективность помола за счет принудительного перемешивания, удержания материала в зоне бил и самоизмельчения.

4. Предложена феноменологическая модель распределения порошка по крупности от времени помола в бильной мельнице с использованием МВС, отличающаяся от известных учетом влияния градиента индукции переменного магнитного поля, исходного гранулометрического состава, вклада действия бил и самоизмельчения в процесс помола.

5. Разработан способ магнитной сепарации, отличающийся от известных воздействием на материал неоднородным переменным и постоянным магнитными полями, режимы которых обеспечивают состояние МВС с максимальным разрушением агрегатов, удерживающих немагнитные частицы, и последующее формирование магнитных цепочек, совершающих вынужденные колебания в переменном магнитном поле для повышения эффективности и качества разделения металлосодержащих отходов на магнитную и немагнитную составляющие.

6. Разработан алгоритм оптимизации параметров полей, обеспечивающих повышение анизотропии магнитной текстуры при сухом прессовании постоянных магнитов, отличающийся от известных тем, что определение режимов максимального разрушения естественных и формирования вторичных агрегатов ферромагнитного упорядочения магнитных моментов частиц осуществляется с учетом межчастичного взаимодействия по корреляции результатов измерения оптической плотности МВС и относительного сигнала э.д.с. индукции, наведенного порошком в индуктивном датчике.

Практическая ценность работы связана с разработкой рекомендаций по усовершенствованию технологии помола, сепарации, дозирования и формирования текстуры:

1. На основе выявленных закономерностей влияния параметров постоянного и переменного магнитных полей на формирование магнитной текстуры порошковых изделий разработана методика определения оптимальных режимов и последовательность операций для создания магнитной текстуры изделий, полученных сухим прессованием (а.с. СССР 997107, 1380054).

2. Разработаны конструкция мельницы и способ помола магнитных материалов, заключающийся в воздействии на их частицы ударными поверхностями бил с одновременным принудительным перемеши ванием их в зоне измельчения, отличающийся тем, что принудительное перемешивание осуществляют воздействием в зоне бил взаимно перпендикулярными однородным постоянным и неоднородным переменным магнитными полями. Величины индукции постоянного однородного поля и градиента индукции неоднородного переменного поля выбирают из условия обеспечения удерживаемого в зоне бил устойчивого магнитовибрирующего слоя из частиц измельчаемого материала с максимальной интенсивностью их движения (патент РФ 2306180).

3. Разработано устройство для заполнения пресс-форм порошком магнитотвердого материала, в котором в области выходного отверстия бункера за счет электромагнитного воздействия обеспечивается изменение реологического состояния дисперсной системы, при котором происходит кажущийся переход от сухого трения к вязкому, в результате чего возникает и сохраняется устойчивая контролируемая текучесть порошка, не имеющего естественной текучести (а.с. РФ 1801784).

4. Разработан способ магнитной сепарации, осуществляющий разделение металлосодержащих отходов на магнитную и немагнитную состав ляющие из МВС, реологическое состояние которого обеспечивает интенсификацию процесса и повышение чистоты материала за счет разрушения агрегатов, удерживающих частицы немагнитной компоненты (а.с. СССР 1359728, 1680331, патент РФ № 2059442).

5. Разработан способ разделения порошков высококоэрцитивных магнитных материалов по размерам, заключающийся в просеивании порошка через сита с заданным размером отверстий под действием постоянного и переменного неоднородного магнитных полей, исключающий забивание сит, а также обеспечивающий повышение качества разделения за счет изменения реологических свойств дисперсной системы путем предварительного разрыхления порошка и его дезагрегирования (а.с. СССР 1432398, 1454505).

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Результаты, полученные в работе, нашли применение при разработке магнитовибрационной технологии измельчения ферромагнитных материалов и получения шихты заданного гранулометрического состава для изготовления ферритбариевых магнитов сухим прессованием, что позволило повысить качество магнитных элементов измерительных приборов и аналоговых устройств, используемых в условиях предприятия ОАО “Роствертол”, и сократить время их изготовления при неизменных энергетических затратах.

На ОАО «Научно-производственном предприятии космической промышленности «Квант»» апробирована методика, позволяющая опреде лить режимы электромагнитного воздействия на порошок феррита бария в бункере с целью установления устойчивой текучести через отверстие диаметром 3 мм и управления процессом истечения порошка. Применение магнитовибрационной технологии позволило осуществить дозирование с погрешностью не более 5% (масс.) при изготовлении порошковых магнитных элементов аналоговых датчиков. Повышение точности дозирования порошка позволило повысить коэффициент использования порошковых материалов на ОАО НПП КП «Квант».

На предприятии «Россервис-Дон» применение опытно-промышленной установки мельницы и использование магнитовибрационной технологии позволили сократить время получения порошка ферромагнит ного материала для изготовления магнитов электромагнитных измери тельных устройств.

Применение на ОАО ЭП «Синтез-91» вместо электрокорунда (стоимость электрокорунда 14А F60 15500 руб./тонна) абразива, полученного по технологии магнитовибрационной сепарации шлифовального шлама подшипникового производства ГПЗ-10, в качестве огнеупорной основы формовочной смеси при изготовлении отливок обеспечивает хорошие антипригарные характеристики заливаемых форм, позволяет получать отливки с шероховатостью поверхности, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 2789-73. электромагнитный поле реологический ферромагнитный

Научные положения диссертационной работы используются в учебном процессе ДГТУ в лекциях по спецкурсу, в лабораторном практикуме, при выполнении исследовательских курсовых и дипломных проектов на факультетах «Нанотехнологии и композиционные материалы», «Технология машиностроения» и «Машиностроительные технологии и оборудование».

Работа является результатом теоретических и экспериментальных исследований автора в области порошковых технологий, выполнена на кафедре “Физика” ДГТУ в соответствии с планом работы кафедры по теме: “Применение магнитовибрационной технологии в порош ковой металлургии”; комплексной научной программой “Вибротех нология”; научно-технической программой “Научные исследо вания высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники” по разделу 05 “Функциональные порошковые материалы” (№202.05.01.026); научно-исследовательской работой на тему: “Исследование механики взаимо действия твердых тел, подвергнутых вибрационному воздействию” (ГАСНТИ: 30.03.15), в рамках научно-технической программы Федерального агентства по образованию РФ «Исследования закономерностей кластери за ции компонентов гетерогенных сыпучих сред под воздействием механичес кой и электромагнитной энергии» (№ госрегистрации 01200805691).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и научно-технических семинарах разного уровня: VI, VIII, IX и X Всесоюзные конференции по постоянным магнитам (Владимир, 1982 г., Москва, 1985 г., Суздаль, 1988 г., 1991 г.), зональный семинар «Технология получения композиционных материалов» (Пенза, 1987 г.), VIII Всесоюзная конференция «Состояние и перспективы развития методов получения и анализа ферритовых материалов и сырья для них» (Донецк, 1987), зональный семинар «Методы получения и исследования новых порошковых материалов и изделий» (Пенза, 1988 г.), региональная конференция «Современные материалы в машиностроении» (Пермь, 1990 г.), зональный семинар «Порошковая металлургия и области ее применения» (Пенза, 1990 г.), зональные семинары «Порошковые магнитные материалы» (Пенза, 1991 г., 1992 г.), Международный симпозиум «Исследование проблем создания магнитных систем новых электрических машин и применение в них высокоэнергетических магнитотвердых материалов с целью совершен ствования параметров и конструкций» (Суздаль, 1991 г.), VI научно-технический семинар «Электрофизические технологии в порошковой металлургии» (Киев, 1992 г.), Euro PM'95: European Conference on Advanced PM Materials (Birmingham, 1995), Международная научно-техническая конференция «Прогрессивные технологии машиностроения и современ ность» (Донецк, 1997 г.), научно-практическая конференция «Промышленная экология - 97» (Санкт Петербург, 1997 г.), Международная конференция «Новейшие процессы и материалы в порошковой металлургии» (Киев, 1997 г.), ХIII Международная конференция по постоянным магнитам (Суздаль, 2000 г.), научно-техническая конференция «Технология получения и применения порошковых и композиционных функциональных материалов» (Ростов н/Д, 2003 г.), JEMS'04 Joint European Magnetic Symposia (Dresden, Germany, 2004), XVII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» (Кострома, 2004 г.), научно-техническая конференция «Прогрессивные технологические процессы в металлургии и машиностроении. Экология и жизнеобеспечение. Информационные технологии в промышленности и образовании» (Ростов н/Д, 2005 г.), Euro PM2005 Powder Metallurgy Congress and Exhibition (Prague, Czech Republic, 2005), Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы машиноведения и высоких технологий» (Ростов н/Д, 2005 г.), 2^nd International Work shop on Materials Analysis and Processing in Magnetic Fields (CNRS Grenoble, France, 2006), Вторая и Пятая Между народные научно-практические конференции «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследо ва ния, образование» (Санкт Петербург, 2006 г., 2008 г.), Международная научно-техническая конфе ренция «Проблемы трибоэлектро химии» (Новочеркасск, 2006 г.), научно-технический семинар «Применение низкочастотных колебаний в технологических целях» (Дивноморск, 2006 г.), Международная научно-техническая конференция «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки» (Ростов н/Д, 2008 г.).

По теме диссертации опубликовано 106 работ, в том числе монография, 7 авторских свидетельств СССР на изобретения и 2 патента РФ (29 работ опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ).

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, изложена на 388 страницах машинописного текста, включая 192 рисунка, 16 таблиц, список литературы 367 наименований, приложения на 6 стр.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена оценка состояния решаемой проблемы, обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели, задачи исследования, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проведен анализ современного состояния исследований в области разработки технологий ПМ, использующих применение псевдоожиженного слоя. Из анализа используемых силовых воздействий следует, что для разрушения агрегатов порошков магнитотвердых материалов наиболее эффективным является применение переменного неоднородного магнитного поля. Показано, что имеющиеся литературные данные лишь частично освещают процессы дезагрегирования и формирования структуры ферромагнитного упорядочения магнитных моментов частиц в порошках магнитотвердых материалов. В этой связи задача по прогнозированию и управлению процессами агрегированного состояния порошковой системы становится весьма актуальной.

Во второй главе приведены модельные представления - поведения частицы в переменном однородном и неоднородном магнитных полях; разрушения агрегатов; перехода дисперсной системы из вязкотекучего в псевдотвердое состояние; колебаний магнитных цепочек под действием сил электромагнитного поля. Приняты следующие допущения: частицы и агрегаты дисперсной среды есть сферы с вмороженными магнитными моментами, ориентация которых в магнитном поле приводит к повороту частицы, вязкое сопротивление среды предполагается линейным.

В однородном переменном магнитном поле энергия передается на вращательные степени свободы частицы, возникают параметрические колебания. Особый интерес представляет случай параметрического резонанса. С учетом допущений уравнение вращательного движения частицы с магнитным моментом , массой в постоянном с индукцией и переменном однородном магнитном поле с частотой , меняющемся по гармоническому закону с индукцией , причем имеет вид:

, (1)

где - угол между векторами и , - момент инерции частицы, - коэффициент сопротивления среды вращательному движению частицы.

Решения уравнения (1) носят колебательный характер и главным образом зависят от значений , , . Для малых колебаний границы основной и следующей за ней областей неустойчивости решения уравнения (1) имеют вид

;

.

С учетом затухания основная и следующая за ней области парамет рического резонанса возникают при и если частота внешнего воздействия и , соответственно. Таким образом, с учетом размера частиц системы R, магнитного момента и плотности порошковой системы можно определить необходимую частоту внешнего воздействия и величину индукции постоянного и переменного магнитных полей, при которых будет иметь место параметрический резонанс и, как следствие, максимальная хаотизация МВС. Например, в основной области неустойчивости при и для частиц размером 100 мкм пара метрический резонанс будет наступать, если имеет значения от до . Недостатком является то, что в областях неустойчи вости величина магнитного момента частиц лежит в узком интервале значений.

При воздействии на дисперсный магнитный материал переменного неоднородного и постоянного магнитных полей дисперсная система приобретает подвижность, образуется МВС. Агрегаты или частицы совершают поступательное и колебательно-вращательное движения. Пространственная устойчивость МВС обеспечивается в основном за счет закачки энергии на поступательные степени свободы частиц и агрегатов. Уравнение поступательного движения частицы, движущейся в переменном магнитном поле с индукцией , с преимущественным градиентом индукции вдоль оси ОY имеет вид:

, (2)

где - коэффициент сопротивления поступательному движению.

Решение уравнения (2) позволяет получить зависимости амплитуды и скорости колебания частицы в МВС от режимов электромагнитного воздействия и индивидуальных параметров частицы:

;

Из анализа протабулированных зависимостей амплитуды колебания и максимальной скорости частиц в МВС при различных значениях частоты переменного магнитного поля для частиц размером = 10 мкм с магнитным моментом = 10^-7 Ам², движущихся в воздушной среде с коэффициентом сопротивления следует, что для промышленной частоты 50 Гц амплитуда колебания частиц при значении градиента индукции 75 мТл/м равна 12 мм, а максимальная скорость - 3,6 м/с. Увеличение градиента индукции до 90 мТл/м приводит к возрастанию амплитуды колебания и максимальной скорости в 1,2 раза. Наличие такой зависимости позволяет выбрать параметры полей, обеспечивающие заданную интенсивность движения частиц в МВС.

Если в поле поместить большое количество частиц, то их движение будет отличаться от рассмотренного выше, так как на каждую частицу действуют силы, обусловленные магнитными полями других ферромагнит ных частиц, находящихся в непосредственной близости от рассматриваемой, а также силы, возникающие во время их соударения между собой и стенками камеры.

Интегрированную характеристику поведения ансамбля частиц в МВС регистрирует э.д.с. индукции, наводимая частицами ферромагнитного материала в индуктивном датчике. Величина э.д.с. зависит от магнитного момента, скорости, амплитуды и частоты движения магнитно го диполя. Полученное выражение для э.д.с. индукции имеет вид:

. (3)

Зависимости э.д.с. индукции от частоты (рис. 1) и градиента индукции (рис. 2) переменного магнитного поля, рассчитанные по (3), имеют немонотонный характер, положение максимума определяется соотношением параметров внешнего воздействия, магнитными и инерционными свойствами частиц. Рост сигнала свидетельствует о возрастании магнитного момента частиц, пересекающих витки индуктивного датчика, что может быть связано как с процессами разрушения агрегатов, так и изменением ориентации магнитных моментов частиц в агрегате из макровихревой в ферромагнитную. Из рис. 1 следует, что уменьшение градиента индукции приводит к понижению значений наведенной э.д.с. и смещению максимума в область более низких частот. Это связано с уменьшением силы, действующей на частицу со стороны неоднородного магнитного поля. Снижение величин э.д.с. с ростом частоты связано с уменьшением амплитуды колебаний.

Рис. 1. Расчетные зави си мос ти э.д.с., наводи мой магнитным дипо лем, от частоты пере мен ного магнитного поля

Возрастание магнитного мо мента при неизменной массе агрегата (рис. 2а) приводит к увеличению максималь ных значений на веденной э.д.с. индукции и смещению максимума в сторону мень ших градиен тов, что соот ветствует случаю ферромаг нит ного упорядочения маг нитных моментов частиц в агрегате, более интенсив но му взаимо дейст вию порош ка с маг нит ным полем и перехо ду МВС в псевдо твер дую фазу при меньших градиен тах. Увеличение размеров агрегатов при неизменном магнитном моменте (рис. 2б) приводит к смещению максимума зависимости в область больших градиентов, что связано с увеличением массы частиц.

На основании рассмотренных моделей определены интервалы параметров постоянного и неоднородного переменного магнитных полей, обеспечивающих наиболее характерные реологические состояния МВС:

· магнитокипение соответствует беспорядку газообразного типа, преимущественными являются процессы разрушения агрегатов, происходящие из-за столкновения частиц при поступательном и колебательно-вращательном движениях, а также воздействия на агрегаты неоднородного магнитного поля, как внешнего, так и локального внутреннего. Градиент индукции переменного магнитного поля, при котором происходит разрушение агрегатов, можно оценить из выражения:

где и - магнитные моменты большого и малого агрегатов, соответственно; r и R - эквивалентные радиусы модельных сферических агрегатов; система вибрирующих агрегатов характеризуется интенсивным образованием вторичных агрегатов и перемещением частиц в составе блуждающих агрегатов; псевдотвердая фаза представляет сформированную объемно-текстури рованную систему магнитных цепочек.

Рис. 2. Расчетные зависимости э.д.с. индукции, наводимой магнитным диполем, от градиента индукции переменного магнитного поля



Однородность состояний зависит от топологии магнитных полей. Из равенства энергии передаваемой полем на поступательные и вращательные степени свободы частиц и энергии взаимодействия частиц с постоянным полем пороговое значение градиента индукции поля, обеспечивающее стационарный во времени режим магнитокипения:

(4)

,

где , m, P - момент инерции, масса и магнитный момент частицы, и - коэффициенты трения для поступательного и вращательного движений, зависящие в общем случае от вязкости среды з, размера и формы частиц, чисел Рейнольдса, а также от объемной концентрации дисперсной фазы ц.

Из уравнения (4) следует, что увеличение магнитного момента частиц и агрегатов снижает значения градиента индукции, обеспечивающего заданную интенсивность движения частиц в МВС при фиксированной индукции постоянной составляющей магнитного поля.

Увеличение индукции постоянного магнитного поля приводит к созданию структурированного состояния порошка в виде агрегатов вытянутой формы с преимущественной ориентацией магнитных моментов вдоль силовых линий поля. В приближении ближайших соседей и коллинеарной ориентации магнитных диполей получено выражение, позволяющее рассчитать индукцию постоянного магнитного поля, при котором происходит переход дисперсной системы в псевдотвердую фазу:



.

Экспериментальная проверка подтвердила адекватность модели. Из рис. 3 видно, что с увеличением индукции и градиента индукции переменного магнитного поля при частоте переменного поля 50 Гц максимум зависимостей относительного сигнала (ОС) э.д.с. индукции , наведенного в индуктивном датчике, сдвигается в область большего значения индукции постоянного магнитного поля. Снижение ОС связано с формированием магнитных цепочек, амплитуда и скорость колебаний которых меньше, чем отдельных частиц и агрегатов.

Экспериментальные зависимости ОС от частоты электромагнитного поля при индукции постоянного магнитного поля выше некоторой критической величины подтверждают резонансный характер колебаний магнитных цепочек. Например, для порошка из сплава (рис. 4) резонансный характер зависимостей наблюдается при . Можно предположить, что магнитные цепочки, состоящие из частиц порошка, обладают упругими свойствами и в неоднородном переменном магнитном поле совершают движение, аналогичное вынужденным колебаниям струны.

Рис. 3. Зависимость отно си тельно го сигнала э.д.с. от индукции Bc постоян ного магнитного поля для порошка феррита бария фракции 80-200 мкм



Рис. 4. Зависимость относи тельного сигнала э.д.с. от частоты перемен ного магнитного поля для порошка при мТл

Уравнение малых поперечных колебаний элемента магнитной цепочки, промоделировав ее магнитной струной, имеет вид:

,

где и - масса и магнитный момент элемента струны, - коэффициент сопротивления колебательному движению струны, - сила натяжения магнитной струны, которая определяется силой взаимодействия между частицами порошка.

Смещение элемента магнитной струны от положения равновесия:

,

где , - добротность колебательной системы.

Скорость колебаний элемента



: .

Изменение амплитуды и скорости колебаний элемента струны приводит к изменению индукционной э.д.с.. Из полученных выражений следует, что характер частотной зависимости определяется физическими свойствами магнитной струны и режимными параметрами силового воздействия.

В третьей главе представлены методики экспериментальных исследований реологических состояний МВС. Пространственная геометрия магнитных полей приводит к возникновению упорядоченного поступательного движения частиц и агрегатов, на которое накладывается их вращательное движение, а также неупорядоченное перемещение, связанное с соударением агрегатов в МВС. Влияние режимов электромагнитного воздействия на степень разрушения агрегатов в МВС исследовали фотометрическим способом, основанным на измерении оптической плотности D проходящего через кювету с МВС светового потока. Моделируя порошок совокупностью сферических агрегатов плотности , для фиксированной массы навески m можно определить радиус агрегата:

,

где V - объем, Z - толщина МВС.

Влияние режимов электромагнитного воздействия на интенсивность движения в МВС исследовали с помощью методики, основанной на измерении относительного или абсолютного сигнала э.д.с. , наведенного МВС в индуктивном датчике. Изложены результаты экспериментальных исследований реологических состояний МВС порошков SrFe₁₂О₁₉, BaFe₁₂О₁₉, , , на основе сплава Nd-Fe-B различного фракционного состава фотометрическим и индукционным методами.

Из анализа зависимостей, представленных на рис. 5а и 5б следует, что при одинаковых параметрах электромагнитного воздействия на дисперсную систему разного фракционного состава, увеличение оптической плотности связано с уменьшением размера агрегатов. Для фракции порошка феррита бария (50 - 63) мкм в постоянном поле с индукцией B_C = 1,67 мТл мини мальный размер агрегатов d_min = 121 мкм, т.е. порядка двух частиц в агрегате (рис. 5б), в поле с B_C = 4,17 мТл - d_min = 154 мкм, что соответствует уже трем частицам в агрегате.

Рис. 5. Зависимость оптической плотности D (а) и среднего размера агрегатов d (б) МВС порошка феррита бария массой 20 мг от индукции пере менного магнитного поля B_C = 1,67 мТл



Для порошков фракции (200 - 400) мкм при возрастании B_v до 9,32 мТл разрушение агрегатов происходит до отдельных частиц. Таким образом, количество частиц в агрегате определяется параметрами электромагнитного воздействия и индивидуальными свойствами частиц.

При росте градиента индукции переменного магнитного поля до некоторого критического значения оптическая плотность увеличивается (рис. 5а), следовательно, интенсивность процессов разрушения агрегатов возрас тает. Возрастание градиента индукции переменного поля связано с ростом индукции, что является причиной увеличения диполь-дипольного взаимо действия в системе. Поэтому при достижении некоторого критического значения градиента индукции наблюдается уменьшение оптической плотности, что объясняется преимущественностью процессов образования вторичных агрегатов. Увеличение индукции постоянного магнитного поля при фиксированных параметрах переменного магнитного поля приводит сначала к росту, затем уменьшению оптической плотности (рис. 6).

Проведенные исследования позволяют утверждать, что в МВС одновременно проис хо дит два процесса - агре гирование и разруше ние агре гатов. Наименьший раз мер агрегатов в МВС опре деляется по наиболь шему значению оптической плот нос ти.

Разрушение агрегатов в электромагнитном поле подтверждается результа тами ситового анализа. Порошок феррита бария со средним размером частиц 1 или 3 мкм даже при встряхивании сит с раз мерами ячеек 80, 63, 56 и 20 мкм не просыпался. Опре де ление распределе ний порошка по ситам при различных параметрах маг нитных полей позволили оценить степень разруше ния агрегатов в МВС. Ситовой анализ можно использовать для оценки влияния режимов электро магнитного воздействия на степень агрегирования тон ко дисперсных порош ков магнитотвердых мате риа лов и определения пара метров полей, в которых происходит максимальное разрушение агрегатов.



Значительный инте рес представляют исследо ва ния распределе ния плот ности МВС частиц порошка в рабочей зоне. Для при мера при = 0,4 Тл/м и В_с = 15 мТл на рис. 7 приве дены зависимости рас пре деления плотности осаж денных в МВС частиц порошков SrFe₁₂О_l9 и BaFe₁₂О₁₉ на стеклянных пластинках, расположен ных на оси симметрии системы (кривая 1) и на расстоянии 1,5 см от нее (кривая 2) по высоте изме ри тельной ячейки. Чем боль ше оптическая плот ность, тем ин тенсивнее про цессы столк но вения агрегатов между собой и со стенками ячейки. В облас ти занимающей более полови ны объема ячейки, малые значения опти ческой плот ности свидетельствуют о том, что частицы преиму щест венно совершают возвратно-поступа тель ные движения парал лельно стеклянной пластинке.

Экспериментально показа но, что в однородном переменном магнитном по ле не удается реализовать направленное движение по рошка по всей высоте измерительной ячейки.



Рис. 7. Зависимости распределения оптической плотности осажденных частиц на пластинке в МВС порошка феррита стронция (а) и бария (б) по высоте МВС

Рис. 8. Зависимость относительного сигнала э.д.с. порошка феррита бария со средним размером частиц 3 мкм от градиента индукции переменного маг нитного поля и индукции постоянного магнитного поля при заполнении порошком 30 % объема камеры



Для исследованных дис перс ных сред с ростом постоян ной составляющей индукции магнитного поля до некоторого критического значения ОС э.д.с. возрастает (рис. 8), следова тельно, происходит увели чение магнитного момента, наводящего э.д.с. в индук тивном датчике. Этот рост может быть обусловлен как преимуществен ностью про цес сов дезагрегации, так и вторичной агрегацией с ферро магнитным упорядочением маг нит ных моментов в агрегате.

В дальнейшем с ростом индукции постоянного магнит ного поля магнитостатическое взаимо дейст вие между частицами приводит к формированию маг нит ных цепо чек. При возрастании длины цепочек их скорость и амплитуда колебаний уменьша ется, что вызывает снижение ОС э.д.с.. Дальнейшее увеличение индук ции постоянно го поля приводит к форми рованию слоистой струк туры, которая практически не совер шает поступа тельного дви жения. Например, для порош ка феррита бария со средним разме ром частиц 3 мкм макси мальное значение ОС э.д.с. индукции реализу ется в поле с B_C = 12 мТл, = 5 - 8 мТл/м.

Приведены теоретические и экспериментальные доказатель ства определяющей роли межчастичного взаимодействия при выборе параметров внешнего воздействия. Разрабо тана методика и устройство для оценки сил межчастичного взаимодействия.

Из сравнения зависимостей оптической плотности и ОС э.д.с. индукции от индукции постоянного магнит ного поля (рис. 9) видно, что возрастание на начальном этапе связано с разрушением агрегатов, а в дальнейшем - с формированием вторичных агре га тов, имеющих ферромагнитное упорядочение магнитных момен тов частиц. Результаты исследо ваний подтверждены скоростной киносъемкой реологи ческих состояний МВС.

Таким образом, по измене нию ОС, наведенного в индуктив ном датчике порошком, и опти ческой плотности МВС можно провести диагностику дисперсного мате риа ла, а также определить оптимальные для данного порошка, с точки зрения практической реализации, режимы электро магнитного воздействия.

Рис. 9. Зависимости оптической плотности D и относительного сигнала э.д.с. от индукции постоянного магнитного поля МВС порошка феррита бария фракционных составов 50-63 мкм (а) и 63-80 мкм (б)

В четвертой главе изложены результаты исследования влияния параметров электромагнитного воздействия, конструктивных особенностей бильной мельницы на производительность и качество помола.

Измельчение материала в мельнице происходит за счет соударений частиц с вращающимися билами и между собой (самоизмельчение). Кроме действия бил, дисперсный материал подвергался воздействию постоянного и неоднородного переменного магнитных полей, силовые линии которых взаимно перпендикулярны и параллельны плоскости вращения бил.

Для исследований использовали: шихту феррита бария, составленную из компонентов: Fe₂O₃ - 81,5+0,2% (масс.); BaCO₃ - 18,5+0,2% (масс.) после смешивания, ферритизации, грубого помола и дисперсный материал на основе сплава Nd-Fe-B следующего состава, % ат.: Nd - 12,3; Fe - 77,4; B - 5,2; Co - 5,1. Статистические характеристики исходной шихты феррита бария и материала на основе сплава Nd-Fe-B: средний размер частиц 81,3 и 71,5 мкм; выборочная дисперсия 97,6 и 71,5 мкм; медиана 55,0 и 44,0 мкм; максимальный размер частиц 550 и 600 мкм, соответственно.

При измельчении без электромагнитного воздействия (ре жим 0) ударному действию бил подвергаются только частицы порошка, находящиеся в плоскости их вращения.

Помол исходных материалов феррита бария проводился в постоянном магнитном поле с индукцией 15,4 мТл; переменном с градиентом индукции = 28 мТл/м (режим 1), 75 мТл/м (режим 2) и 90 мТл/м (режим 3). Степень измельчения возрастает при электромагнитном воздействии на измельчаемый материал (рис. 10), так как осуществляется его перемешивание в МВС, что приводит к увеличению частоты соударений частиц с билами и друг с другом. При помоле в течение 25 мин в режиме 3 степень измельчения увеличивается до 43,9, а в режиме 0 даже через 120 мин увеличивается только до 14,9.

Степень измельчения зависит от величины градиента индукции переменного магнитного поля при фиксированном времени помола. Из рис. 10 следует, что при увеличении времени помола с 10 мин до 20 мин в режиме 0 степень измельчения возрастает с 3,1 до 4,4; в режиме 1 - с 6,8 до 9,0; в режиме 2 - с 8,7 до 15,6; а в режиме 3 - с 9,2 до 29,4. При увеличении градиента индукции с 28 мТл/м до 90 мТл/м степень помола в течение первых 10 мин возросла в 1,35 раза, а в последующие 10 мин - в 9,2 раза, что связано с интенсификацией процесса самоизмельчения. Из рис. 11 следует, что средний размер частиц уменьшается до 10 мкм в режиме 3 через 10 мин помола, а в режиме 2 - через 15 мин.

Таким образом, интенсификация помола за счет возрастания роли самоизмельчения наблюдается при определенных значениях среднего размера частиц и градиента индукции переменного магнитного поля.

Рис. 10. Зависимость степени измельчения феррита бария от времени помола

Рис. 11. Зависимость среднего разме ра частиц порошка феррита бария от времени помола

После 20 мин измельчения в режиме 0 средний размер час тиц порошка уменьшается с 81,3 мкм до 26,2 мкм, в режимах: 1 - до 9 мкм; 2 - до 5,3 мкм; 3 - до 2,8 мкм. Для получения порошка со средним размером частиц 1 мкм (рис. 12) требуется 40 мин помола в режиме 3.

Увеличение градиента индук ции переменного магнитного поля при помоле приводит к уменьшению среднего размера частиц, медианы и дисперсии. Значения выборочной диспер сии и медианы после измельчения в течение 20 мин составили в режимах: 0 - 21,6 и 12,8 мкм; 1 - 7,7 и 6,4 мкм; 2 - 5,0 и 3,2 мкм; 3 - 3,7 и 1,6 мкм, соответственно. Измель чение в режи ме 3 обеспе чивает степень рассеи вания гранулометрического состава в 5,8 раза меньшую, чем при помоле без электро магнитного воздейст вия.

Рис. 12. Морфология частиц порош ка феррита бария

Таким образом, гранулометрический состав порошка обусловлен не только механическими условиями измельче ния, но и режимами электромаг нитного воздействия. Из сравнения кривых распределения частиц порош ка феррита бария по размерам, полученного после 10 и 20 мин помола (рис. 13), следует, что максимум функции распределения при одинаковом времени измельчения смещается с увеличением градиента индукции переменного поля в сторону меньших размеров частиц и становится более узким, что соответствует более мелкому и однородному фракционному составу порошка.



Рис. 13. Кривые логариф ми чески нормального распределения частиц порошка феррита бария по размерам: а - = 10 мин; б - = 20 мин

Для оценки вклада само измельчения, вызванного дейст вием магнит ного поля, сравнива лись результаты помола дисперсной среды со средним размером частиц меньше 10 мкм в режиме 3 с вращающимися билами и без их вращения. Уменьшение отно ситель ного среднего размера частиц при помоле с вращающимися би лами составляет 33%, а без их вращения - 25%. Таким образом, разрушение частиц за счет соударения с билами мельницы составляет лишь 8 %. Помол исходной шихты в режиме 3 без вращающихся бил в течение 70 мин уменьшает средний размер частиц с 81,3 мкм до 5,53 мкм.

Проведенные исследования ди на ми ки измельчения порошка показали, что с уменьшением размера частиц возрастает влияние электро магнитного поля на степень измель чения за счет интенсификации процесса самоиз мель чения, обуслов лен ного ударным и истирающим действием сталкиваю щихся в МВС частиц.

Установлено, что с возраста нием градиента индукции до 90 мТл/м происходит увеличение максимального значения оптической плотности МВС. При дальнейшем увеличении градиента индукции магнитного поля макси мальные значения оптической плотности практически не изменяются и даже немного уменьшаются. Таким образом, минимальные размеры агрегатов порошка феррита бария в МВС наблюдаются в режиме 3.

Для порошка на основе сплава Nd-Fe-B возрастание максимального значения оптической плотности МВС прекращается при градиенте индукции переменного магнитного поля 126,6 мТл/м. Помол грубодисперс ного материала на основе сплава Nd-Fe-B проводился в переменном магнитном поле с градиентом индукции 126,6 мТл/м.

Степень измельчения исходного дисперсного материала в МВС через 5 мин помола составляет 15,4 (рис. 14), без электромагнитного поля - 8,3. Средний размер частиц порошка на основе сплава Nd-Fe-B при пятиминутном помоле уменьшается с 71,5 мкм до 4,6 мкм, дисперсия с 71,5 мкм до 3,2 мкм и медиана с 44,0 мкм до 3,2 мкм (рис. 15). Через 3 мин помола средний размер частиц уменьшается до 10 мкм. При дальнейшем увеличении времени помола (рис. 14) значительное возрастание степени измельчения объясняется интенсификацией процесса самоизмельчения.

Экспериментально установлено, что при измельчении феррита бария в течение 20 мин без электромагнитного поля с увеличением числа бил с двух до четырех средний размер частиц порошка уменьшается примерно на 12,4%, выборочная дисперсия остается практически неизменной. При измельчении в МВС увеличение числа бил позволило уменьшить средний размер частиц измельча емого материала на 28,9%, а выборочную дисперсию на 38,3%.



Рис. 14. Зависимость степени измель чения дисперсного матери ала на основе системы Nd-Fe-B от времени помола

Рис. 15. Зависимости среднего раз мера частиц, медианы и дисперсии порошка сплава Nd-Fe-B от времени помола

Для исследований возможностей мельницы проводился помол исходного материала феррита бария со средним размером частиц 2 мм и максимальным - 3 мм в режиме 3. Через 30 мин помола средний размер частиц уменьшился до 2,33 мкм, дисперсия составила - 1,52 мкм, степень измельчения - 665.

С целью математического моделирования эксперимента по измельчению в МВС с учетом факторов, влияющих на процесс помола в мельнице, составлена функциональная зависимость распределения порошка по крупности в виде:



, (5)

где - процент содержания фракции в измеряемой выборке порошка (%); - время измельчения порошка (мин); - градиент индукции переменного магнитного поля (Тл/м); - параметр, соответствующий начальным условиям, т.е. гранулометрическому составу порошка до помола; параметр отвечает за интенсивность измельчения за счет ударного действия бил, параметр - учитывает вклад процессов дополнительного перемешивания порошка, дезагрегации и самоизмельчения, вызванных воздействием электромагнитного поля.

Параметры и определялись путем аппроксимации эксперимен тальных кумулятивных гистограмм распределения частиц порошка феррита бария по размерам до помола и после помола без электромагнитного воздействия, соответственно. Параметр определялся из совместной аппроксимации серии гистограмм, построенных по экспериментальным данным, полученных при измельчении в бильной мельнице в режимах 1 - 3 при фиксированных параметрах и .

Функциональная зависимость (5) позволяет прогнозировать грануло метрический состав порошка, получаемого при измельчении в МВС. При уменьшении крупности исходного порошка будет уве личиваться значение параметра , скорость вращения бил влияет на пара метр , а увеличение вклада самоизмельчения повлечет рост значения .

Для проверки описательных возможностей модели строилась функциональная зависимость процентного содержания фракций в измеряемой выборке порошка, полученного через 70 мин помола, от размера частиц по формуле (5) без учета ударного действия бил ( = 0) для параметров: = 0,02; = 0,25; = 90,0 мТл/м (рис. 16). Для экспериментальной проверки проводилось измельчение дисперсного материала без вращения бил в МВС в режиме, используемом при построении теоретической зависимости. Для сравнения с расчетной зависимостью результаты эксперимента представлены на рис. 16. Расчетная зависимость совпадает с экспериментальными данными с погрешностью, не превышающей 5 %.

Установлено, что параметрами электромагнитного поля при помоле в бильной мельнице можно задавать не только средний размер частиц, но и степень однородности порошка. Интенсификация помола в МВС обеспечивается принудительным перемешиванием дисперсного материала, удержанием его в зоне вращающихся бил и самоизмельчением. Оптимальными параметрами электромагнитного воздействия при помоле являются режимы, при которых происходит максимальное разрушение агрегатов, определяемое из анализа зависимостей оптической плотности МВС от градиента индукции переменного магнитного поля. Предложенная функциональная зависимость распределения порошка по крупности от времени помола позволяет прогнозировать дисперсный состав порошка при измельчении в МВС, учитывает гранулометрический состав порошка до измельчения, вклады в процесс помола воздействия бил и самоизмельчения.

Рис. 16. Аппроксимационная кривая, построенная по формуле (5) с определенными коэффициентами, и экспери мен тальные данные по измель чению порошка за счет само измельчения в МВС



В пятой главе описано устройство сепарации отходов металло обработки и изложены результаты исследования влияния параметров электромагнитного воздействия - индукции постоянного и градиента индукции переменного магнитных полей на степень очистки от немагнитных включений на примере шлифовального шлама стали ШХ-15.

Металлическая составляющая шлама имеет форму стружки лезвийной обработки металла с развитой поверхностью, что приводит к образованию устойчивых агрегатов, в объеме которых удерживаются неметаллические включения. Шлифовальный шлам содержит примерно 6 - 10% абразива от общей массы.

Рис. 17. Форма частиц шламовых отходов стали ШХ-15 после отделения СОЖ и помола

Предварительные операции: перемешивание шлама в щелочном растворе путем создания МВС, откачка СОЖ, промывка на филь трационной решетке, просушка, измельчение в бильной мельнице в МВС до среднего размера 10 мкм (рис. 17). Разделение на магнитную и немагнитную составляющие осу щест вляется в переменном неодно родном и постоянном магнитных полях. Основными меха низмами разруше ния агрегатов можно считать: разрыв агрегатов в переменном поле из-за магнитной неоднородности и ударное разру шение при взаимодействии агрега тов друг с другом и со стенками камеры. При разрушении агрегатов немагнитная фракция отделяется и осыпается на дно камеры. Дальней шее увеличение индукции постоян ного магнитного поля при водит к формированию магнитных цепочек, которые совершают резонансные колебания в перемен ном неоднород ном магнитном поле, что приводит к разрушению перемычек между магнитными цепочками и спо собствует допол нительной очистке от немагнитных включений.

Рис. 18. Зависимости относительной массы отделившегося абразива от времени электромагнитного воздействия: а -=0,036 Тл, б - =0,043 Тл

Из рис. 18 видно, что при повышении градиента индукции от 0,425 Тл/м до 0,648 Тл/м за 300 с сепарации массовая доля отделившегося абразива увеличивается с 65 до 90% при =36 мТл и с 80 до 98% при =43 мТл. Из сравнения зависимостей на рис. 18б следует, что наибольшая скорость сепарации наблюдается при = 43 мТл и = 0,648 Тл/м. Повышение качества сепарации с ростом величины градиента индукции связано с возрастанием амплитуды колебания частиц и агрегатов.