CC BY
29
УДК 621.762.04
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОЦЕССЫ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ
В МАГНИТООЖИЖЕННОМ СЛОЕ ФЕРРИТОВЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ И.Н. ЕГОРОВ
(Донской государственный технический университет)
Проведены исследования процессов сгруктурообразования дисперсных систем ферромагнитных материалов в магнитоожиженном слое под действием переменного неоднородного и постоянного магнитных полей, силовые линии которых взаимно перпендикулярны.
Ключевые слова: порошки ферромагнитных материалов, магнитоожиженный слой, дисперсная среда, реологические свойства.
Введение. Псевдоожижение дисперсных систем используется в порошковой металлургии для интенсификации различных технологических процессов: транспортировки, измельчения, сепарации, дозирования и т.д. Наиболее эффективные способы получения устойчивого псевдоожижен-ного слоя тонкодисперсных порошков ферромагнитных материалов - однородное переменное магнитное поле, вращающееся магнитное поле, неоднородное переменное магнитное поле, скрещенные магнитные поля [1-4]. Интенсивность движения дисперсной среды ферромагнитного материала в магнитоожиженном слое зависит от топологии магнитного поля. В данной работе маг-нитоожижение дисперсной среды обеспечивают неоднородное переменное магнитное поле с частотой 50 Гц и постоянное магнитное поле с взаимно перпендикулярными силовыми линиями. Градиент индукции неоднородного переменного магнитного поля изменяется в вертикальной плоскости, а область более сильного градиента индукции находится у верхнего полюса. Линии индукции постоянного магнитного поля расположены горизонтально. В магнитном поле на частицу, обладающую магнитным моментом, действует сила, стремящаяся повернуть ее в направлении вектора индукции внешнего поля, а также сила тяжести и сила, действующая на частицу со стороны другой частицы во время их соударения. Если поле неоднородное, то действует смещающая сила, пропорциональная величине градиента индукции поля. Так как в поле находится большое количество ферромагнитных частиц, то каждая частица будет под воздействием магнитных полей частиц, находящихся в непосредственной близости. Под действием рассмотренных сил ферромагнитные частицы и агрегаты в неоднородном магнитном поле образуют магнитоожиженный слой, реологические свойства которого в значительной степени определяются процессами структуро-образования.
Практическая значимость исследования реологических особенностей магнитоожиженного слоя связана с углублением представлений о протекании технологических процессов, обеспечении возможности прогнозирования характеристик дисперсной среды в магнитном поле и управлении состоянием тонкодисперсных порошков ферромагнитных материалов путем изменения параметров электромагнитного воздействия.
Целью настоящей работы является исследование процессов сгруктурообразования дисперсных систем ферромагнитных материалов в магнитоожиженном слое под действием переменного неоднородного и постоянного магнитных полей, силовые линии которых взаимно перпендикулярны.
Экспериментальная часть. С целью интегрированной оценки поведения дисперсного материала в магнитоожиженном слое применяли индуктивный способ [4, 5]. Камера с исследуемым по-
рошком располагалась внутри индуктивного датчика и помещалась в общее межполюсное пространство электромагнитов переменного и постоянного магнитных полей. При неизменных параметрах электромагнитного воздействия ЭДС индукции, наводимая в индуктивном датчике, измерялась дважды: без исследуемого порошка и с порошком. Разность полученных значений Де соответствует величине ЭДС индукции только от локальных магнитных полей, вызванных движением ферромагнитных частиц и агрегатов. Результаты экспериментального исследования изменения реологического состояния магнитоожиженного слоя порошка феррита бария со средним размером частиц 1 мкм приведены на рис.1.
Ву, мТл
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
с1В/с1у, мТл/м
Рис.1. Зависимости сигнала ЭДС индукции, наводимого в датчике магнитоожиженным слоем порошка феррита бария, от градиента индукции переменного магнитного поля при фиксированных значениях индукции постоянного магнитного поля
Как видно из рис.1, с увеличением параметров переменного магнитного поля - градиента индукции дВ/ду от 27 до 175 мТл/м и индукции от 0,70 до 4,44 мТл при фиксированных значениях индукции постоянного магнитного поля Вс величина сигнала Де, наведенного магнитоожиженным слоем дисперсной среды, увеличивается, что может объясняться возрастанием количества ферромагнитного дисперсного материала в магнитоожиженном слое, разрушением агрегатов, формированием вторичных агрегатов ферромагнитного упорядочения магнитных моментов частиц [6].
Для проверки полученных результатов исследований динамики структурных изменений и процессов движения материала в магнитоожиженном слое проводилась видеосъемка. Использовалась прозрачная камера из оргстекла, обеспечивающая возможность видеосъемки и визуального наблюдения. Фотографии рис.2 позволяют визуально оценить изменения состояния дисперсной среды в магнитоожиженном слое в зависимости от параметров электромагнитного воздействия.
з) б) в) г)
Рис.2. Фотографии магнитоожиженного слоя порошка феррита бария со средним размером частиц 1 мкм при индукции постоянного магнитного поля: I-Вс= 1,7 мТл; II - 13,7 мТл; III - 17,7 мТл; IV - 31,7 мТл
и градиенте индукции переменного магнитного поля дВг/ду : а - 75 мТл/м; 6-90 мТл/м; в - 120 мТл/м; г - 175 мТл/м
Из рис.2 следует, что эволюция агрегатов дисперсной среды и изменения объемной доли дисперсного материала магнитоожиженного слоя определяются величиной градиента индукции переменного магнитного поля и индукций переменного и постоянного магнитных полей. В постоянном магнитном поле частицы притягиваются друг к другу и образуются цепочки, вытянутые в направлении вектора индукции магнитного поля. В неоднородном переменном магнитном поле структурные изменения дисперсной среды обусловлены как процессами разрушения агрегатов, так и образованием вторичных агрегатов и их перестройкой.
—■—I—■—I—■—I—■—I—■—I—■—I—■—I—■—I—■—I 0,0-1—.—I ^ттТ'' ~~т |—.—|—.—|—.—|—.—|
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
с1В/с!у, мТл/м с!В/с1у, мТл/м
Рис.З. Зависимости К и К\ от градиента индукции переменного магнитного поля при фиксированных значениях индукции постоянного магнитного поля
Количественные характеристики распределения дисперсного материала в камере получены путем обработки кадров видеосъемки. По изображениям магнитоожиженного слоя в камере определяли коэффициент К - отношение площади, занимаемой дисперсной средой, к полной площади камеры. При проведении исследования распределения дисперсного материала по высоте камеры изображение разбивалось на несколько частей высотой 6 мм. Для примера на рис.З приведены зависимости К и Кх (отношение площади, занимаемой дисперсным материалом в выделенной области, находящейся на расстоянии 12 мм от дна камеры, к площади части кадра) от параметров электромагнитного воздействия. Из графиков видно, что с ростом градиента индукции переменного магнитного поля от 27,5 до 175 мТл/м увеличиваются коэффициенты К и Ки следовательно, повышается плотность магнитоожиженного слоя как во всей камере, так и в выделенной области. Однако при Вс =1,7 мТл коэффициенты К\лКх увеличиваются на 0,49 и 0,62
соответственно, а прибс =31,7 мТл - на 0,19 и 0,16. Полученные экспериментальные результаты объясняются различием структурных состояний магнитоожиженного слоя, что видно из сравнения рис.2 (1а, 1г) и (1Уа, 1Уг). Размеры образованных цепочек при Вс =1,7 мТл в несколько раз меньше, чем при Вс = 31,7 мТл, независимо от величины градиента индукции переменного магнитного поля.
С целью исследования структурных изменений в магнитоожиженном слое по фотографиям рис.2 определяли среднюю длину цепочек. Из рис.4 видно, что при Вс =13,7; 17,7; 31,7 мТл с ростом градиента индукции с 60 до 175 мТл/м длина цепочек, образованных в магнитоожиженном
слое, уменьшается. Однако при индукции постоянного магнитного поля 31,7 мТл длина цепочек уменьшается с 6 до 4 мм, а при индукции 13,7 мТл - с 3,4 до 2,6 мм. В постоянном магнитном поле с индукцией 1,7 мТл с ростом градиента индукции переменного магнитного поля наблюдается увеличение средней длины цепочек от 0,93 до 1,32 мм.
Ву, мТл
1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
с1В/с1у, мТл/м
Рис.4. Зависимости средней длины цепочек, образованных в магнитоожиженном слое, от градиента индукции переменного магнитного поля при фиксированных значениях индукции постоянного магнитного поля
Рис.5. Зависимость сигнала ЭДС индукции, наводимого в датчике магнитоожиженным слоем порошка феррита бария, от среднего значения длины цепочек, образованных в магнитном поле
На основании экспериментальных результатов, представленных на рис.1 и 4, построены зависимости (рис.5) сигнала ЭДС индукции, наводимого магнитоожиженным слоем в индуктивном датчике, от среднего значения длины цепочек при различных параметрах электромагнитного воздействия. Из рис.5 видно, что величина средней длины цепочек оказывает существенное влияние на величину ЭДС индукции. При градиентах индукции переменного магнитного поля от 60 до 175 мТл/м с ростом индукции постоянного магнитного поля средняя длина цепочек возрастает. Однако повышение индукции постоянного поля до 13,7 мТл соответствует увеличению значения ЭДС, а дальнейший рост индукции приводит к уменьшению ЭДС индукции. Таким образом, существует критическая длина цепочек, при которой ЭДС индукции магнитоожиженного слоя имеет максимальное значение. Например, при градиенте индукции переменного магнитного поля 60 мТл/м и индукции постоянного магнитного поля 5,7 мТл критическая длина цепочек 1,8 мм. При большем значении градиента индукции (90 мТл/м) критическая длина цепочек увеличивается до 2,27 мм при индукции постоянного поля 9,7 мТл, что естественно, так как при возрастании длины цепочки увеличивается ее сила тяжести, следовательно, для поддержания интенсивности движения необходима большая сила со стороны поля, т.е. большее значение градиента индукции. Выводы. Экспериментально установлено, что в переменном неоднородном и постоянном магнитных полях, силовые линии которых взаимно перпендикулярны, величина ЭДС индукции, наводимая в индуктивном датчике порошком ферромагнитного материала, зависит в основном от плотности магнитоожиженного слоя, магнитного момента частиц, длины цепочек и интенсивности движения дисперсной среды.
Библиографический список
1. Лупанов А.П. Столкновительное поглощение энергии частицами гранулированного материала в магнитном поле / А.П. Лупанов [и др.] // Журнал технической физики. - 2007. - Т.77, вып.7. -С.134-135.
2. Болога М.К. Образование упорядоченных структур в системе магнитожестких диполей в переменном магнитном поле / М.К. Болога, И.Ф. Марта, С.Ф. Сюткин: тез. докл. 3-й всесоюзн. школы-семинара. - М., 1983. - С.32-33.
3. Болога М.К. Магнитоожижение во вращающемся магнитном поле / М.К. Болога, И.Ф. Марта // Магнитная гидродинамика. - 1988. - №3. - С.103-108.
4. Пирожков Б.И. Исследование явлений агрегирования в магнитной жидкости методом скрещенных полей / Б.И. Пирожков // Изв. АН СССР. Сер. Физика. - 1987. - Т.51, №6. -С. 1088- 1093.
5. Вернигоров Ю.М. Структурирование дисперсных ферромагнетиков в магнитовибрирующем слое / Ю.М. Вернигоров, И.Н. Егоров, Н.Я. Егоров // Вестник ДГТУ. - 2010. - Т.10, №5(48). - С.648-653.
6. Егорова С.И. Магнитовибрационное ожижение / С.И. Егорова. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2009. - 162 с.
Материал поступил в редакцию 27.01.2012.
References
1. Lupanov А.Р. Stolknovitel' noe pogloshhenie e'nergii chasticzami granulirovannogo materiala v magnitnom pole / A.P. Lupanov [i dr.] // Zhurnal texnicheskoj fiziki. - 2007. - T.77, vy'p.7. -S.134-135. - In Russian.
2. Bologa M.K. Obrazovanie uporyadochenny'x struktur v sisteme magnitozhyostkix dipolej v peremennom magnitnom pole / M.K. Bologa, I.F. Marta, S.F. Syutkin: tez. dokl. 3-j vsesoyuzn. shkoly'-seminara. - M., 1983. - S.32-33. - In Russian.
3. Bologa M.K. Magnitoozhizhenie vo vrashhayushhemsya magnitnom pole / M.K. Bologa, I.F. Marta // Magnitnaya gidrodinamika. - 1988. - №3. - S.103-108. - In Russian.
4. Pirozhkov B.I. Issledovanie yavlenij agregirovaniya v magnitnoj zhidkosti metodom skresh-hyonny'x polej / B.I. Pirozhkov // Izv. AN SSSR. Ser. Fizika. - 1987. - T.51, №6. - S.1088-1093. - In Russian.
5. Vernigorov Yu.M. Strukturirovanie dispersny'x ferromagnetikov v magnitovibriruyushhem sloe / Yu.M. Vernigorov, I.N. Egorov, N.Ya. Egorov // Vestnik DGTU. - 2010. - T.10, №5(48). -S.648-653. - In Russian.
6. Egorova S.I. Magnitovibracionnoe ozhizhenie / S.I. Egorova. - Rostov n/D: Izdatel'skij centr DGTU, 2009. - 162 s. - In Russian.
INVESTIGATION OF ELECTROMAGNETIC EFFECT ON STRUCTURING PROCESSES IN MAGNETOLIQUEFIED LAYER OF FERRITE DISPERSE SYSTEMS
I.N. YEGOROV
(Don State Technical University)
The structuring processes of ferromagnetic disperse systems in the magnetoliquefied layer affected by the variable inhomogeneous and continuous magnetic fields with mutually perpendicular power lines are studied.
Keywords: ferromagnetic powders, magnetoliquefied layer, disperse medium, flow characteristics.
