В современной промышленности трудно указать отрасль, в которой не применяются те или иные материалы и изделия, полученные методами порошковой металлургии (ПМ). Широкое практическое применение изделий из магнитных материалов стимулирует интенсивные исследования по разработке новых и совершенствованию существующих технологий изготовления порошков и изделий из них.
В настоящее время важнейшей задачей отрасли порошковой металлургии является осуществление научно обоснованного подхода к конструированию порошковых материалов и изделий из них, а также разработка рациональных, ресурсосберегающих технологий. В этой связи приобретают актуальность работы о влиянии силовых полей различной физической природы на дисперсные системы с целью изменения их физико-технологических характеристик путем создания псевдоожиженного слоя. Образование из твердых дисперсных систем устойчивого псевдоожиженного слоя представляет собой эффективное средство интенсификации различных технологических процессов порошковой металлургии: помол, диспергирование, восстановление и окисление диспергированной твердой фазы, плакирование, обжиг, сушка, измерение физических и технологических характеристик порошков, изготовление изделий и, т.д. Для получения псевдоожиженного состояния дисперсных систем используют вибрационные, гидрои аэрационные, акустические, электродинамические и электромагнитные способы воздействия.
Эффективность внешнего воздействия на дисперсные системы определяется параметрами силовых полей и физико-технологическими характеристиками дисперсной системы.
Анализ результатов, полученных в работах, посвященных применению внешних воздействий в технологиях порошковой металлургии с целью получения устойчивого псевдоожиженного слоя, позволяет сделать вывод, что для тонких порошков магнитотвердых материалов. способы вибрационного, акустического, гидро-, аэро-, электродинамического ожижения малоэффективны из-за сильного магнитостатического и когезионного взаимодействия частиц.
Получение псевдоожиженного состояния дисперсных систем из магнитных материалов в магнитных полях различной топологии привлекает к себе внимание не одно десятилетие. Известны способы использования энергии электромагнитного поля для получения псевдоожиженного состояния дисперсной ферромагнитной системы: однородное переменное магнитное поле, вращающееся магнитное поле, неоднородное переменное магнитное поле, скрещенные магнитные поля. Движение частиц в псевдоожиженном слое в этих случаях происходит под действием сил, возникающих при взаимодействии частиц порошков магнитных материалов и магнитного поля.
В однородном переменном магнитном поле частицы совершают вращательно-колебательное движение, так как передача энергии в дисперсную систему происходит на вращательную степень свободы частицы. В результате возмущающего фактора, обусловленного дипольными взаимодействиями, возможно поступательное движение частиц, усиленное столкновительными процессами, что приводит к хаотизации слоя.
Во вращающемся с угловой скоростью со электромагнитном поле напряженностью Н на ферромагнитную частицу с магнитным моментом Рт действует пара сил, стремящаяся повернуть ее в направлении вектора внешнего магнитного поля. Кроме того, в неоднородном поле частица совершает поступательное движение, кинематические характеристики которого зависят от градиента индукции. При определенной индукции поля частицы образуют цепочки, вытянутые в направлении вектора напряженности магнитного поля и вращающиеся за полем вокруг общей оси. Цепочки при столкновении разрушаются и образуются вновь. Направление вектора радиальной составляющей скорости частицы равновероятно, тангенциальная составляющая скорости преимущественно направлена в сторону вращения поля, то есть имеет место вращение всего слоя в целом.
Во взаимноперпендикулярных переменном и постоянном магнитных полях образуется динамически устойчивое взвешенное состояние из порошка магнитного материала — магнитовибрирующий слой (МВС). Получение магнитовибрирующего слоя из порошков ферромагнитных материалов эффективно решает ряд практических задач, а опыт реализации МВС в аппаратах различного назначения открывает определенные возможности использования МВС в порошковой металлургии ферромагнитных материалов.
В этой связи особую актуальность приобретают работы по созданию, исследованию и использованию в промышленности специальных технологических процессов порошковой металлургии, обеспечивающих возможность управления состоянием тонкодисперсных порошков магнитотвердых материалов. Проводимые исследования по использованию магнитовибрирующего слоя позволяют сформулировать новые принципы прогнозирования и управления физико-технологическими свойствами дисперсной системы.
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 особенностей 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.
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 порошковой металлургии» — комплексной научной программой «Вибротехнология» — научно-технической программой «Научные исследования 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, взаимодействия твердых тел, подвергнутых вибрационному воздействию» .
ГАСНТИ: 30.03.15), в рамках научно-технической программы Федерального агентства по образованию РФ «Исследования закономерностей кластеризации компонентов гетерогенных сыпучих сред под воздействием механической и электромагнитной энергии» (№ госрегистрации 1 200 805 691). Научная новизна работы:
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 997 107, 1 380 054).
2. Разработаны конструкция мельницы и способ помола магнитных материалов, заключающийся в воздействии на их частицы ударными поверхностями бил с одновременным принудительным перемешиванием 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 2 306 180).
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 1 801 784).
4. Разработан способ магнитной сепарации, осуществляющий разделение металлосодержащих отходов на магнитную и немагнитную составляющие из МВС, реологическое состояние которого обеспечивает интенсификацию процесса и повышение чистоты материала за счет разрушения агрегатов, удерживающих частицы немагнитной компоненты (а.с. СССР 1 359 728, 1 680 331, патент РФ № 2 059 442).
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 1 432 398, 1 454 505).
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).
Научные результаты получены лично автором и в соавторстве с сотрудниками Донского государственного технического университета. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежит постановка задач исследования, разработка теоретических моделей и экспериментальных методик, анализ, обработка и обобщение полученных экспериментальных результатов. Автор принимала участие в создании экспериментальных установок и проведении экспериментальных исследований.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и научно-технических семинарах различного уровня: VI Всесоюзная конференция по постоянным магнитам (г. Владимир, 1982 г.), VIII Всесоюзная конференция по постоянным магнитам (г. Москва, 1985 г.), зональный семинар «Технология получения композиционных материалов» (г. Пенза, 1987 г.), VIII Всесоюзная конференция «Состояние и перспективы развития методов получения и анализа ферритовых материалов и сырья для них» (г. Донецк, 1987), IX Всесоюзная конференция по постоянным магнитам (г. Суздаль, 1988 г.), зональный семинар «Методы получения и исследования новых порошковых материалов и изделий» (г. Пенза, 1988 г.), региональная конференция «Современные материалы в машиностроении» (г. Пермь, 1990 г.), зональный семинар «Порошковая металлургия и области ее применения» (г. Пенза, 1990 г.), X Всесоюзная конференция по постоянным магнитам (г. Суздаль, 1991 г.), зональный семинар «Порошковые магнитные материалы» (г. Пенза, 1991 г.), Международный симпозиум «Исследование проблем создания магнитных систем новых электрических машин и применение в них высокоэнергетических магнитотвердых материалов с целью совершенствования параметров и конструкций» (г. Суздаль, 1991 г.), VI научно-технический семинар «Электрофизические технологии в порошковой металлургии» (г. Киев, 1992 г.), зональный семинар «Порошковые магнитные материалы» (г. Пенза, 1992 г.), Euro РМ'95: European Conference on Advanced PM Materials (Birmingham, 1995), Международная научно-техническая конференция «Прогрессивные технологии машиностроения и современность» (г. Донецк, 1997 г.), научно-практическая конференция «Промышленная экология — 97» (г. Санкт Петербург, 1997 г.), Международная конференция «Новейшие процессы и материалы в порошковой металлургии» (г. Киев, 1997 г.), XIII Международная конференция по постоянным магнитам (г. Суздаль, 2000 г.), научно-техническая конференция «Технология получения и применения порошковых и композиционных функциональных материалов» (г. Ростов н/Д, 2003 г.), JEMS'04 Joint European Magnetic Symposia (Dresden, Germany,.
2004), XVII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» (г. Кострома, 2004 г.), научно-техническая конференция «Прогрессивные технологические процессы в металлургии и машиностроении. Экология и жизнеобеспечение. Информационные технологии в промышленности и образовании» (г. Ростов н/Д, 2005 г.), Euro РМ2005 Powder Metallurgy Congress and Exhibition (Prague, Czech Republic,.
2005), Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы машиноведения и высоких технологий» (г. Ростов н/Д, 2005 г.), 2nd International Workshop on Materials Analysis and Processing in Magnetic Fields (CNRS Grenoble, France, 2006), Вторая Международнаянаучно-практическая конференция «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование» (г. Санкт Петербург, 2006 г.), Международная научно-техническая конференция «Проблемы трибоэлектрохимии» (г. Новочеркасск, 2006 г.), научно-технический семинар
Применение низкочастотных колебаний в технологических целях" (г. Дивноморск, 2006 г.), Международная научно-техническая конференция «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки» (г. Ростов н/Д, 2008 г.), Пятая Международная научно-техническая конференция «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование» (г. Санкт Петербург, 2008 г.).
Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, рекомендаций, списка литературы и приложений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.
Результаты проведенных в работе исследований показывают, что магнитовибрационная технология, отличительной особенностью которой является использование сухого порошка, может эффективно применяться в порошковой металлургии для интенсификации помола, диспергирования, восстановления и окисления диспергированной твердой фазы, плакирования, обжига, сушки, измерения физических и технологических характеристик порошков, изготовления изделий и т. д. Актуальность решенных в работе задач согласуется с общими направлениями в мировой экономике по сокращению расхода сырья, защиты окружающей среды.
Поставленная в работе цель достигается решением проблемы создания технологических основ специальных методов порошковой металлургии, обеспечивающих повышение функциональных свойств порошков ферромагнитных материалов за счет управления состоянием магнитовибрирующего слоя на основе установления зависимости между параметрами электромагнитного воздействия и физико-технологическими свойствами дисперсной среды.
По результатам исследований сформулированы следующие выводы: 1. Показаны преимущества неоднородного переменного магнитного поля по сравнению с однородным полем для реализации контролируемых реологических состояний МВС из порошков магнитотвердых материалов. В зависимости от индукции постоянного и переменного магнитных полей, частоты и градиента индукции переменного поля, физико-технологических характеристик порошкового материала происходит изменение его реологических свойств. Определяющее влияние на увеличение-амплитуды колебания и скорости движения частиц и агрегатов оказывает сила, действующая со стороны неоднородного поля, которая зависит от градиента индукции и магнитных свойств материала.
На основании представлений о механизме взаимодействия частиц магнитных материалов в электромагнитном поле предложены аналитические зависимости, которые позволяют определить их кинематические характеристики. Установлено, что основным технологическим параметром в МВС является интенсивность поступательного движения частиц.
2. Установлено, что в МВС одновременно происходит два процесса: агрегирование, обусловленное магнитостатическим взаимодействием частиц, и разрушение агрегатов, связанное с действием переменного неоднородного магнитного поля. Предложена математическая модель, позволяющая рассчитать градиент индукции переменного поля, в котором преимущественно происходит разрушение агрегатов. Экспериментально доказано, что минимальное число частиц в агрегате зависит от размера частиц, магнитных свойств материала, параметров электромагнитного воздействия и определяется по наибольшему значению оптической плотности МВС. На основе уравнения баланса энергии магнитостатического взаимодействия и энергии, сообщаемой частице магнитным полем, аналитически определены соотношения между параметрами магнитных полей, инерционными и магнитными характеристиками частиц, при которых происходит переход из вязкотекучего в псевдотвердое состояние. Адекватность модельных расчетов подтверждена экспериментальными исследованиями зависимостей относительного сигнала э.д.с. индукции, наведенного порошком в индуктивном датчике, от параметров полей и физических свойств частиц.
3. Разработанные принципиальная конструкция мельницы и способ измельчения магнитных материалов в МВС позволяют получать тонкие, ультратонкие и ультрадисперсные порошки магнитных материалов. Параметры электромагнитного воздействия при помоле выбирают из условия обеспечения удерживаемого в зоне бил МВС, реологическое состояние которого обеспечивает максимальное разрушение агрегатов и их наибольшую интенсивность движения. Показано, что при оптимальных параметрах электромагнитного воздействия средний размер частиц феррита бария уменьшается от 81 мкм до 1 мкм через 40 мин помола.
4. Предложена феноменологическая модель распределения порошка по крупности от времени помола, учитывающая гранулометрический состав дисперсной системы до измельчения, вклады в процесс помола воздействия бил, самоизмельчения и позволяющая определять режимы электромагнитного воздействия при измельчении в МВС для получения заданного гранулометрического состава.
5. Разработанная ресурсосберегающая методика разделения металло-содержащих отходов на магнитную и немагнитную составляющие в МВС обеспечивает повышение качества сепарации за счет разрушения агрегатов и последующего формирования магнитных цепочек, совершающих колебания в переменном магнитном поле, что позволяет долю отделившегося абразива довести до 98%. Разработаны рекомендации по использованию металлического порошка, полученного при сепарации шлифовального шлама подшипникового производства, при изготовлении обмазки сварочных электродов. Показано, что применение абразива в качестве материала для облицовочного слоя одноразовых форм при литье по выплавляемым моделям обеспечивает необходимые антипригарные характеристики заливаемых форм, а также снижает себестоимость изделий.
6. На основании исследований реологических состояний МВС установлены соотношения индукции постоянного и переменного магнитных полей и градиента индукции переменного поля, при которых происходит кажущееся изменение внутреннего трения порошков, в результате чего возникает и сохраняется устойчивая текучесть тонкодисперсных порошков магнитотвердых материалов через отверстия диаметром 2−5 мм. Аналитическое описание кажущегося изменения характера внутреннего трения дисперсных систем в МВС позволило оценить значение градиента индукции поля, при котором сухое трение переходит в вязкое. Разработано устройство дозирования тонкодисперсных порошков магнитотвердых материалов, не имеющих естественной текучести. Приведены рекомендации по временному и объемному дозированию.
7. Показано, что изготовление анизотропных магнитов по магнитовибрационной технологии, по сравнению с мокрым прессованием, позволяет исключить некоторые операции: удаление влаги из пресс-формы в процессе прессования, сушку сформованных изделий перед спеканием, резание и шлифовку при финишной механической обработке изделий. Разработанные конструкторско-технологические основы узлов приготовления шихты, дозирования, прессования и формирования текстуры при изготовлении постоянных магнитов позволяют эффективно использовать электромагнитные поля для создания заданного реологического состояния многофазной дисперсной системы на каждом этапе.
8. Показано влияние изменений реологических свойств дисперсной среды перед прессованием на магнитные характеристики постоянных магнитов. Выбор параметров электромагнитных полей при повышении коэффициента магнитной текстуры при сухом прессовании на первом этапе осуществляется по максимальному значению оптической плотности МВС и соответствует режиму максимальной дезагрегации. На втором этапе при неизменном градиенте индукции определяется индукция постоянного магнитного поля по максимуму относительного сигнала э.д.с. индукции, наведенного порошком в индуктивном датчике, что соответствует ферромагнитному упорядочению магнитных моментов частиц при образовании магнитных цепочек. Определена связь между размерами зерна в спеченных магнитах и параметрами постоянного и переменного неоднородного магнитных полей.
9: Комплекс теоретических и практических результатов, полученных в диссертационной работе, имеет важное значение для развития ! ресурсосберегающих технологий и обеспечивающих охрану окружающей среды. Результаты, полученные в работе, были использованы при разработке магнитовибрационной технологии измельчения ферромагнитных материалов и получения шихты заданного гранулометрического состава, используемой для изготовления ферритбариевых магнитов сухим прессованием на ОАО «Роствертол». Методика дозирования по магнитовибрационной технологии использована при изготовлении порошковых магнитных элементов аналоговых датчиков на ОАО «Научнопроизводственное предприятие космической промышленности „Квант“». На ОАО ЭП «Синтез-91» при производстве отливок, изготовленных по формам с облицовкой в качестве огнеупорной основы формовочной смеси, вместо электрокорунда использовали абразив, полученный сепарацией шлифовального шлама подшипникового производства с применением магнитовибрационной технологии. На предприятии «Россервис-Дон» по магнитовибрационной технологии измельчения на опытно-промышленной установке получен порошок, из которого изготовлены изделия, применяемые как элементы комплектующих электромагнитных измерительных устройств.
