CC BY
20
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.762.002
ТОНКОЕ ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В БИЛЬНОЙ МЕЛЬНИЦЕ
© 2011 г. И.Н. Егоров, Н.Я. Егоров, Н.В. Лянгузов
Южный федеральный университет, Southern Federal University,
г. Ростов-на-Дону Rostov-on-Don
Представлены результаты исследования возможности и эффективности тонкого помола ферромагнитного материала в бильной мельнице в устойчивом магнитовибрирующем слое.
Ключевые слова: механическое измельчение; бильная мельница; магнитовибрирующий слой; порошки ферромагнитных материалов.
The investigation results of possibility and efficiency of ferromagnetic material fine milling in beater mill in stabile magnetovibrating layer are presented in the paper.
Keywords: mechanical milling; beater mil; magnetovibrating layer; powders of magnetic materials.
Перевод твердых веществ в дискретное состояние осуществляется с помощью разнообразный технологий и аппаратуры. Одним из способов получения порошков заданного гранулометрического состава в ферритовом производстве является механическое измельчение компактных материалов. Порошки одного и того же химического, но разного гранулометрического состава отличаются технологическими свойствами, что оказывает существенное влияние на условия формования и свойства готового изделия. В результате уменьшения размеров частиц и деформации кристаллической решетки при измельчении увеличивается активность порошков, степень агрегирования [1, 2], что оказывает влияние на интенсификацию помола. Среди механических методов получения порошков применяется помол в бильныгх мельницах. Измельчение высокоскоростным ударом в 7—10 раз экономичнее измельчения сжатием [3]. Эффективность сухого помола в бильной мельнице повышается при измельчении магнитотвердых материалов в магнитовиб-рирующем слое (МВС), который представляет собой динамически устойчивое взвешенное состояние частиц и агрегатов в электромагнитном поле [4].
Цель данной работы состоит в оценке эффективности и возможности тонкого помола ферромагнитных материалов в бильной мельнице в МВС.
Помол ферромагнитного материала проводили в бильной мельнице. Частота вращения бил — 15000 ± 1600 об/мин. В области помола создавали постоянное и переменное неоднородное магнитные поля с взаимно перпендикулярными силовыми линиями, расположенными параллельно плоскости вращения бил.
Для выявления возможности применения МВС в качестве эффективного средства помола исследовали скорость уменьшения среднего размера частиц, степень измельчения шихты без электромагнитного воздействия и в МВС. С целью оценки степени разброса размеров частиц порошка от средней величины в зависимости от времени измельчения определяли характеристики распределения: медиану и выборочную дисперсию.
При измельчении без электромагнитного воздействия исходного дисперсного материала феррита стронция со средним размером частиц 84,1 мкм, дисперсией 90,9 мкм, медианой 55,0 мкм перемешивание порошка происходит только вращающимися
билами. Разрушение частиц осуществляется в основном за счет соударения частиц с вращающимися билами. После 70 мин измельчения средний размер частиц порошка, дисперсия и медиана уменьшаются до 9,7 (рис. 1), 13,9 и 6,4 мкм соответственно. Через 120 мин помола средний размер частиц снижается до 5,7 мкм, дисперсия — 8,9 мкм и медиана — 3,2 мкм. При сухом помоле по мере возрастания дисперсности дробящий эффект бил становится менее ощутимым, поэтому с уменьшением размера частиц интенсивность помола исходного продукта замедляется (рис. 1). Так в течение 100 мин помола средний размер частиц равен 6 мкм, скорость уменьшения среднего размера частиц составляет 0,78 мкм/мин, степень измельчения — 14. С уменьшением среднего размера до 5,7 мкм через 120 мин помола скорость снижается до 0,01 мкм/мин, а степень измельчения увеличивается только на 5 %. Таким образом, скорость измельчения замедляется по мере приближения среднего размера частиц к 6 мкм. Если предположить, что скорость уменьшения размера частиц при помоле материала более 120 мин не будет уменьшаться, то снижение среднего размера частиц от 5,7 до 1 мкм осуществится только через 8,3 ч.
Время помола, мин
Рис. 1. Зависимости среднего размера частиц и степени измельчения от времени помола феррита стронция в бильной мельнице
Сухой помол в бильной мельнице можно интенсифицировать путем электромагнитного воздействия на измельчаемый материал.
В магнитном поле частицы и агрегаты дисперсного материала, обладающие магнитными моментами, взаимодействуют с полем, при этом реализуются как процессы разрушения, так и образования новых агрегатов. Энергия неоднородного переменного магнитного поля подается на вращательные и поступательные степени свободы частицы и обеспечивает их интенсивное движение [5, 6]. Экспериментальные исследования
показали, что характер вращательного и колебательного движения частиц, а также размеры и форма агрегатов зависят от величин индукций постоянного и переменного магнитных полей, градиента индукции переменного поля. Параметры электромагнитного воздействия подбираются таким образом, чтобы добиться максимальной дезагрегации и интенсификации движения частиц и агрегатов, удержания их в зоне вращающихся бил, значительного увеличения относительной скорости движения частиц порошка и частоты их соударений между собой и с билами мельницы. Для создания устойчивого МВС с наименьшим размером агрегатов на дисперсную среду в мельнице воздействовали постоянным магнитным полем с индукцией Вс =15,4 мТл и переменным с градиентом индукции ЭВ¥ / ду = 90 мТл/м [7].
Для исследования динамики измельчения в МВС проводился помол дисперсного материала феррита стронция со средним размером частиц 1558 мкм, максимальным — 3015 мкм, дисперсией 497 мкм, медианой 1477 мкм.
При сопоставлении результатов исследования дисперсного состава порошка, полученного при помоле без электромагнитного воздействия и в МВС, представленных на рис. 1 и 2, видно, что зависимости среднего размера частиц и степени измельчения от времени помола имеют одинаковый характер. Однако уменьшение среднего размера частиц с 84 до 6 мкм при помоле без электромагнитного воздействия осуществляется со скоростью 0,78 мкм/мин, а при помоле в МВС— со скоростью 4,34 мкм/мин.
В ремя помола, мин
Рис. 2. Зависимости среднего размера частиц и степени измельчения от времени помола феррита стронция в бильной мельнице в магнитовибрирующем слое
Возрастание скорости помола в 5,56 раза связано с тем, что в МВС частицы разрушаются не только при соударении с билами, но и между собой (самоизмельчение). Используемый режим электромагнитного воздействия позволя-
ет повысить скорость помола до 5 мкм/мин при уменьшении среднего размера частиц с 6 до 1,1 мкм. И только при дальнейшем снижении среднего размера частиц дисперсной среды скорость помола снижается до 0,1 мкм/мин, что на порядок больше, чем при помоле без электромагнитного воздействия.
Одна из количественных характеристик процесса помола — степень измельчения. Через 10 мин помола без электромагнитного воздействия степень измельчения равна 3,2, а в МВС — 124,9 (рис. 1 и 2). Еще через 10 мин помола степень измельчения, естественно, возросла. Но при помоле без электромагнитного воздействия она увеличилась в 1,4 раза, а в МВС — в 2,1 раза. При уменьшении среднего размера до 1,1 мкм за 30 мин помола степень измельчения в МВС повышается до 1430,8. Еще через 10 мин помола средний размер частиц порошка достигает 0,9 мкм, а степень измельчения увеличивается на 16,7 %. Очевидно, что с уменьшением размера частиц измельчаемого материала роль процесса самоизмельчения возрастает.
Из полученных результатов следует, что биль-ная мельница обеспечивает тонкое измельчение в МВС, величина среднего размера частиц порошка обусловлена не только механическими условиями помола, но и электромагнитным воздействием.
Важнейшей характеристикой порошковой шихты является ее однородность. Из сравнения значений выборочной дисперсии и медианы можно судить о степени однородности дисперсного состава. После 20-минутного помола в мельнице без электромагнитного воздействия значения медианы снизились до 12,8 мкм, а при измельчении в МВС — до 4,8 мкм. Изменения выборочной дисперсии, вызванные измельчением, составляют 21,6 мкм, а в МВС — 5,5 мкм.
Из сравнения кривых функций логарифмически нормального распределения состава, представленных на рис. 3 а и 4 а видно, что при увеличении времени помола на 10 мин максимум функции распределения частиц порошка по размерам сдвигается в сторону меньших частиц и становится более узким, что соответствует более мелкому и более однородному фракционному составу порошка.
Рис. 3. Гистограмма, кривая распределения (а) и морфологические особенности (б) частиц порошка феррита стронция после 30 мин измельчения при Бс=15,4 мТл и дБу / ду =90 мТл/м
б
Рис. 4. Гистограмма, кривая распределения (а) и морфологические особенности (б) частиц порошка феррита стронция после 40 мин измельчения при Бс=15,4 мТл и дБу / ду =90 мТл/м
d , мкм
Из результатов микроскопического анализа (см. рис. 3 б, 4 б) продуктов размола следует, что морфологические особенности частиц не меняются. Через 30 мин помола в МВС дисперсия уменьшается до 0,68 мкм, а медиана до 0,92 мкм. При этом размер менее 1 мкм имеет 58 % частиц (см. рис. 3 а), а более 2 мкм — всего 10 %. После 40-минутного помола размер менее 1 мкм имеет 66 % частиц (см. рис. 4 а) и более 2 мкм — 6 % частиц.
Таким образом, измельчение в режиме создания устойчивого магнитовибрирующего слоя обеспечивает не только интенсификацию помола, но и меньшую степень рассеивания гранулометрического состава, чем при помоле без электромагнитного воздействия. Из анализа полученных результатов роль электромагнитного воздействия при тонком сухом помоле возрастает с уменьшением размера частиц.
Из результатов проведенных исследований следует, что при помоле ферромагнитных материалов в магнитовибрирующем слое однородность шихты и производительность процесса значительно повышаются за счет:
— процесса дезагрегации;
— разрушения при соударении непосредственно измельчаемых частиц (самоизмельчения);
Поступила в редакцию
— перемешивания дисперсной среды;
— удержания порошка в зоне вращающихся бил.
Литература
1. Летюк Л.М, Костюшин В.Г., Гончар A.B. Технология ферритовых материалов магнитоэлектроники. М., 2005. 352 с.
2. Левин Б.Е., Третьяков Ю.Д., Летюк Л.М. Физико-химические основы получения, свойства и применение ферритов. М., 1979. 471 с.
3. Кафаров В. В. , Дорохов И. Н. , Арутюнов С. Ю. Системный анализ процессов химической технологии. Процессы измельчения и смешения сыпучих материалов. М., 1985. 440 с. .
4. Способ измельчения магнитных материалов и устройство для его осуществления: пат. 2306180 Рос. Федерация. № 2006103313/03; заявл. 06.02.2006; опубл. 20.09.2007, Бюл. № 26. 2 с.
5. Егорова С.И., Егоров И.Н. Способ измельчения порошков магнитных материалов // Технология металлов. 2008. № 12. С. 33-37.
6. Вернигоров Ю.М., Егоров И.Н, Егорова С.И. Термодинамика магнитоожиженного слоя грубодисперс-ных ферромагнетиков // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. 2004. Прил. № 8. С. 28 -33.
7. Егорова С. И. Магнитовибрационное ожижение. Ростов н/Д, 2009. 162 с.
20 сентября 2010 г.
Егоров Иван Николаевич — канд. техн. наук, доцент, начальник отдела информатизации учебного процесса, Южный федеральный университет. Тел. 89044403984. E-mail: [email protected]
Егоров Николай Яковлевич — канд. техн. наук, доцент, кафедра ЭиПМ, Южный федеральный университет. Тел. (863) 255-17-25. E-mail: [email protected]
Лянгузов Николай Владимирович — инженер лаборатории «Наноматериалов» НИИМиПМ, Южный федеральный университет. Тел. 8-908-175-82-15. E-mail: [email protected]
Egorov Ivan Nikolaevich — Candidate of Technical Sciences, assistant professor, head of department of educational process informatization, Southern Federal University. Те1 89044403984. E-mail: [email protected]
Egorov Nikolay Yakovlevich — Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department EaAM, Southern Federal University. Те1 255-17-25. E-mail: [email protected]
Lyanguzov Nikolay Vladimirovich — engineer of laboratory «Nanomaterials» of SRIM and AM, Southern Federal University. Те!. 8-908-175-82-15. E-mail: [email protected]
