Динамика состояния ферромагнитного порошка при измельчении в магнитовибрирующем слое Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА И ЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.762.002

ДИНАМИКА СОСТОЯНИЯ ФЕРРОМАГНИТНОГО ПОРОШКА ПРИ ИЗМЕЛЬЧЕНИИ В МАГНИТОВИБРИРУЮЩЕМ СЛОЕ

© 2006 г. Ю.М. Вернигоров, И.Н. Егоров, С.И.Егорова

Одним из способов повышения эффективности помола порошков магнитожестких материалов в бильной мельнице является применение магнитовиб-рационной технологии [1]. По этой технологии создается магнитовибрирующий слой (МВС), т.е. динамическое устойчивое взвешивание ферромагнитных частиц дисперсных гетерогенных систем в межполюсном пространстве электромагнитов. Цель данной работы состоит в оценке некоторых возможностей применения МВС и влияния электромагнитного воздействия на процессы помола.

Блок-схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.

2 5 7 9

11

10

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки: 1 - бильная мельница; 2 - электромагнит постоянного поля; 3 - электромагнит переменного поля; 4 - вольтметр; 5, 6 - амперметры; 7, 8 - регуляторы напряжения; 9 - выпрямитель; 10 - источник стабилизированного напряжения; 11 - электропривод

Основным элементом являются два электромагнита с общим межполюсным пространством. Полюса электромагнитов располагались таким образом, что силовые линии постоянного и переменного магнитных полей были взаимно перпендикулярны и параллельны плоскости вращения била в мельнице. Форма полюсных наконечников электромагнита переменного тока позволяла создать неоднородное поле с преимущественным градиентом вдоль оси, параллельной плоскости вращения била.

Магнитный порошковый материал помещали в рабочую камеру бильной мельницы 1 (см. рис. 1), которую располагали в межполюсном пространстве

электромагнитов 2 и 3. На порошковую среду воздействовали постоянным и переменным магнитными полями с параметрами, при которых образуется устойчивый магнитовибрирующий слой [1], расположенный в области вращающегося с частотой 15000 ± 1600 мин-1 била. Электромагнитное воздействие на порошковую систему создает условия для управляемого движения частиц и позволяет получить динамическое устойчивое состояние частиц и флокул в межполюсном пространстве электромагнитов в области вращающихся бил, что в конечном счете определяет эффективность технологического процесса измельчения. Наиболее типичными состояниями порошка являются магнитокипение и объемно-текстурированная система флокул (псевдотвердая фаза). Необходимую интенсивность движения обеспечивают определенные соотношения индукций постоянного Bc и переменного Bу магнитных полей, градиента индукции дБ/ду переменной составляющей

поля. Для перехода порошковой системы из псевдотвердой фазы в магнитокипящее состояние необходимо увеличение индукции переменного магнитного поля до некоторого критического значения. Режим магнитокипения возможен при условии Бс < Бу, так как в противном случае порошковая система переходит в структурированное состояние.

Энергию, передаваемую внешним полем частицам единицы объема в единицу времени при вращательно-колебательном движении, можно определить по формуле [2]

E в =

(PBv )2

n

2п Im

где п - концентрация частиц; I - момент инерции частицы; ю - частота изменения индукции переменного магнитного поля; Р - магнитный момент флокулы массы т.

Энергия, передаваемая полем частицам единицы объема в единицу времени при поступательно-колебательном движении [2]

E nP2(дВ^Л E п = —

2п mm

ду

1

3

6

8

4

Полная энергия, передаваемая единице объема МВС в единицу времени

E в + E „ =

2п ю

в!+1

I m

дБ, Л 2 ду

Условие перехода из магнитокипящего состояния дисперсной системы в псевдотвердую фазу можно получить, приравнивая энергию поступательного и вращательного движения частиц к энергии взаимодействия частиц с постоянным полем [2]

Бс =

P

2пю

(BL+1Л

I m

2 Л

ду

(1)

Выражение (1) получено в приближении ближайших соседей и коллинеарной ориентации магнитных диполей и позволяет рассчитать индукцию постоянно -го магнитного поля, при которой происходит переход в псевдотвердую фазу.

Для определения интервалов параметров электромагнитного воздействия, обеспечивающих переход из магнитокипящего состояния в псевдотвердую фазу, построены зависимости, представленные на рис. 2.

н

0.000 0,1б

0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00

0,002

B , T

v

0,004

0,006

2,64

2,66 2,68

dB/dy, Т/м

2,70 2,72

Рис. 2. Соотношение параметров магнитного поля, обеспечивающего переход дисперсной системы из магнитокипящего состояния в псевдотвердую фазу

Из рис. 2 следует, что дисперсный материал с размером частиц d = (200 - 250) мкм в переменном магнитном поле с Бу = 2,8 мТ и дБ/ ду =44 мТ/м переходит в состояние псевдотвердой фазы при постоянном магнитном поле с индукцией (10 - 22) мТ.

В исследованиях применяли порошковую шихту феррита бария фракционного состава (объемные доли): < 50 мкм - 0,15 %; 50-83 мкм -1,51 %; 83-200 мкм - 10,62 %; 200-400 мкм -21,11 % и 400-500 мкм - 66,61 %.

С целью проверки теоретически полученных режимов электромагнитного воздействия исследовали динамику поведения ферромагнитного порошка и характер взаимодействия между его частицами в маг-

нитном поле, для чего измеряли относительный сигнал (ОС) ЭДС Де/е, наведенный в индуктивном датчике движущимися частицами. На рис. 3 приведены результаты измерения, полученные при частоте переменного магнитного поля 50 Гц, Бу =0,79 мТ, дБ/ду = 18,6 мТ/м (рис. 3а) и при Бу =3,2 мТ, дБ/ду = = 52,7 мТ/м (рис. 36) для отдельных фракций порошка феррита бария - менее 50 мкм, 50-83 мкм, 83-200 мкм, 200-400 мкм.

Дп/п

—0-50 мкм

■ 83-200 мкм

—к -200-400 мкм

0,01 0,02 0,03 0,04 Вс, Т

Де/е

0,10

—^ 0-50 мкм

50-83 мкм

83-200 мкм

-Х- 200-400 мкм

0,05

0 0,01 0,02 0,03 0,04 Вс, Т б

Рис. 3. Зависимость относительного сигнала наведенной ЭДС от индукции постоянного магнитного поля для порошка феррита бария различного фракционного состава

Зависимости ОС от индукции постоянного магнитного поля имеют немонотонный характер для всех исследованных фракций. Рост ОС связан с разрушением флокул и увеличением интенсивности поступательного движения частиц. В области снижения ОС происходит формирование псевдотвердой фазы (магнитных струн). Электромагнитное поле раскачивает их, но амплитуда и скорость колебаний таких струн меньше, чем отдельных флокул, что приводит к снижению значений ОС [3]. Анализ результатов измерения ОС позволяет утверждать, что структурирование порошка феррита бария исследованных фракций происходит в полях с параметрами Б„=(0,79-3,24) мТ, дБ/ду = (18,6-52,7) мТ/м при Бс=(7,5-22) мТ. Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что оптимальными параметрами электромагнитного поля при измельчении порошка являются: Бс=22 мТ, Бу = 2,8 мТ и дБ/ ду =44 мТ/м.

Порошок измельчали в течение 15 мин и через определенные промежутки времени проводили отбор проб для гранулометрического анализа. На рис. 4 представлена зависимость среднего размера частиц порошка феррита бария от времени измельчения.

а

90 80 70 60 S 50 . 40 "d 30 20 10 0

6 8 10

t, мин

12 14

16

Рис. 4. Зависимость среднего размера частиц феррита бария от времени измельчения

Из рис. 4 видно, что за 15 мин помола степень измельчения при электромагнитном воздействии равна 10, а без такового - 4,8. Эксперимент показал, что значения среднего размера частиц обусловлены не только механическими условиями измельчения, но и режимами электромагнитного воздействия.

По результатам гранулометрического анализа строились гистограммы (рис. 5), диапазон отдельных фракций 1,6 мкм.

J2

К <

d, мкм

По оси ординат откладывается относительное содержание фракций An/n, которое подсчитывается путем деления числа частиц каждой фракции на полное число исследованных частиц. Однако свойства порошка и выявление закономерности распределения по размерам более удобно описывать функцией распределения. Как видно из рис. 5, гистограмма распределения частиц по размерам в каждой исследованной фракции имеет один хорошо выраженный максимум асимметричной формы с плавным спадом в сторону крупных частиц и с крутым спадом в сторону мелких. Такой характер распределения хорошо аппроксимируется логарифмически нормальным законом распределения частиц по их размерам (рис. 5), который имеет вид

An = Ad -1

V2n

-exp

nw

(, d Л

In-

xc

w

(2)

где A .

- параметры, устанавливающиеся по

результатам аппроксимации экспериментальных данных анализа дисперсного состава. Справедливость этого закона для случаев, когда имеют дело с частицами вещества, полученными механическим измельчением, теоретически доказана и подтверждена рядом экспериментальных исследований [4, 5].

Общий вид кривых распределения, в зависимости от размера частиц порошка феррита бария при различной продолжительности измельчения в мельнице без электромагнитного воздействия и в МВС, приведен на рис. 6 и 7. При измельчении в МВС кривые распределения больше сдвигаются к оси ординат и ширина их максимумов меньше, следовательно, помол тоньше и порошковый материал менее полидисперсен.

- 5 мин • 6 мин ■ 10 мин 12 мин 15 мин

К <

30

д., мкм

б

Рис. 5. Гистограммы порошка феррита бария и кривые распределения: время измельчения в магнитовибрирующем слое Б=22 мТ; Б=2,8 мТ и дБ/ ду =44 мТ/м: 5 (а) и 15 (б) мин

12 -] 10 864 2 0

Рис. 6. Кривые нормального логарифмического распределения в зависимости от размера частиц порошка феррита бария при различной продолжительности помола без электромагнитного воздействия

0

2

4

w

x

c

а

-2,5 мин

---5 мин

■ - - - 10 мин ----15 мин

30-, 2520154

jg к

< 10 5

мкм

Рис. 7. Кривые нормального логарифмического распределения в зависимости от размера частиц порошка феррита бария при различной продолжительности измельчения в магнитовибрирующем слое

Средний размер частиц дает общую характеристику порошкового материала и не раскрывает строения всей совокупности изучаемого объекта. При исследовании дисперсной системы, необходимо знать, сосредоточены ли размеры частиц порошка вблизи средней величины или значительно отклоняются от нее, для чего определяли характеристики распределения: дисперсию и медиану. Степень рассеивания случайной величины относительно центра группирования в зависимости от времени помола можно проследить по изменению выборочной дисперсии я2 (рис. 8).

100-1

80

60

40

20

6 8 10

t, мин

12 14

16

лометрического состава в 3 раза меньшую, чем при помоле без электромагнитного воздействия. Для изучения внутреннего строения распределения порошка по размерам определяли зависимость медианы Ме от времени помола (рис. 9).

60 5040 3020 10 0

0

10 12 14 16

мин

Рис. 8. Зависимость выборочной дисперсии от времени измельчения порошка феррита бария без электромагнитного воздействия (а) и при создании магнитовибрирующего слоя (б)

Измерения вариации гранулометрического состава с помощью выборочной дисперсии, вызванные измельчением в мельнице в течение 15 мин, составляют 19,1, а в МВС - 6,2. Таким образом, измельчение в МВС обеспечивает степень рассеивания грану-

Рис. 9. Зависимость медианы от времени измельчения порошка феррита бария без электромагнитного воздействия (а) и при создании магнитовибрирующего слоя (б)

Медиана делит ряд значений условного размера частиц на две равные части по числу частиц - со значениями размера частиц меньше и больше медианы. В исходной порошковой шихте значение медианы -55 мкм. После 15-минутного измельчения значение медианы стало равным 9,6 мкм, а при создании МВС - 4,8 мкм. Дисперсия и медиана в отличие от величины среднего размера отображают степень однородности помола порошка. Анализ полученных результатов показал преимущества применения магнитовибри-рующего слоя при измельчении порошка.

Литература

1. Вернигоров Ю.М., Егорова С.И., Егоров И.Н. Некоторые особенности магнитовибрационной технологии измельчения // Вопросы вибрационной технологии: Межвуз. сб. науч. ст. / ДГТУ. Ростов н/Д, 2003. С. 88 - 91.

2. Вернигоров Ю.М., Егоров И.Н., Егорова С.И. Термодинамика магнитоожиженного слоя грубодисперсных ферромагнетиков // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2004. Приложение № 8. С. 28-33.

3. Диагностика дисперсных магнитных материалов / Ю.М. Вернигоров, И.Н. Егоров, С.И. Егорова, Н.С. Биткина // Вестн. ДГТУ. 2002. Т. 2. № 3. С. 287-297.

4. Коузов П.Л. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. М., 1987.

5. Ходаков Г.С. Тонкое измельчение строительных материалов. М., 1972.

Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону

24 июня 2005 г.

0

б

0

0

2

4