СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА МИКРОШАРИКОВ И МИКРОСФЕР
METHOD OF MANUFACTURING MICROBALLS AND MICROSPHERES

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано при изготовлении из стеклопорошка стеклянных шариков как цельных, так и пустотелых, например, для фильтров различного назначения, светоотражающих устройств; для поверхностной обработки металлов; для изготовления теплоизоляционных химически стойких облегченных материалов и сферопластиков; в качестве наполнителя для термо- и реактопластов и красок; в качестве сенсибилизирующей добавки для жидких взрывчатых веществ.
Известен способ изготовления стеклянных шариков (патент США №4385917, класс НКИ 65 - 21,3, 1983 г.), включающий подачу первичной газовоздушной смеси и стеклопорошка в нижнюю часть цилиндрической печи по ее центру, подачу вторичной газовоздушной смеси тангенциально к стенкам печи, чтобы вызвать закручивание огневого потока, нагрев стеклянных частиц и оплавление их до образования стеклянных шариков.
Недостатком рассматриваемого способа является интенсивный износ печи, возникающий от трения стеклянных частиц о ее стенки, так как стеклопорошок, двигаясь в вихревом потоке, совершает радиальное движение от центра печи с небольшим подъемом по спирали, оплавляется до образования стеклянных шариков, охлаждается и, ударяясь о стенку печи, выбрасывается через ее специальные окна за пределы печи в приемник. Также существенным недостатком является большая энергоемкость за счет применения высококалорийных газов и кислорода, взрывоопасность. Все вышеперечисленные недостатки прототипа приводят к снижению эффективности и качества изготовления стеклянных шариков.
Известен способ изготовления стеклянных шариков (прототип), включающий подачу первичной и вторичной газовоздушных смесей и стеклопорошка в печь, нагрев стеклопорошка, последующее его оплавление до образования стеклянных шариков в закрученном огневом потоке, охлаждение и отделение стеклянных шариков от продуктов сгорания. В данном изобретении вторичную газовоздушную смесь подают в печь по периферии огневого потока с коэффициентом избытка воздуха меньше единицы, затем полученные продукты неполного сгорания вторичной газовоздушной смеси инжектируют поток первичной газовоздушной смеси совместно со стеклопорошком в зоны горения по длине огневой спирали, причем максимальная температура огневого потока должна быть больше 200-350°C температуры размягчения стекла, а отношение максимального диаметра огневого потока, закрученного в спираль, к диаметру печи составляет не более 1:2 (смотри RU 222850 C2, С03B 19/10, авторы Трофимов и др. «Способ изготовления шариков», опубл. 20.03.2004 г.).
Недостаток способа заключается в сложности формирования и управления закрученным огневым потоком, взрывоопасности вредных выбросов, низкой теплопередаче от огневого потока к центру стеклочастиц (см. «Краткий справочник машиностроителя» под ред. С.А. Чернавского, М., «Машиностроение», 1966, стр.82, табл.14), кроме того, он не позволяет производить микрошарики и микросферы с наночастицами карбонильного железа, в качестве которого используется магнетит, размером 5,0-10,0 нанометров, сообщающих им новые свойства взаимодействия с магнитным полем, что, в свою очередь, позволяет изготовленные микрошарики и микросферы с наночастицами карбонильного железа, в качестве которого используется магнетит, использовать для производства теплозащитных, антикоррозионных покрытий и красок с применением управляемого магнитного поля и наносить их на поверхности сложного рельефа и дифференцированной толщины.
Из области техники известно, что возможно придание магнитных свойств жидкости за счет введения в нее наночастиц карбонильного железа, в качестве которого используется магнетит, размером 5,0-10,0 нанометров (см. Бибик Е.Е. «Приготовление ферромагнитной жидкости» - Коллоидный журнал. Т35 №6, 1973, с.1141).
Из области техники известен способ нагрева вещества микроволновым радиоизлучением (смотрите Ю.С. Архангельский, СВЧ - Электротермия, Саратовский государственный технический университет, Саратов, 1998). Микроволновое излучение разогревает подлежащее нагреву вещество во всем объеме, а интенсивность разогрева существенно возрастает и становится управляемой, если на поверхности имеется металлизированное покрытие. Регулируя мощность микроволнового радиоизлучения можно контролировать тепловой поток, поступающий внутрь стеклочастицы. Кроме того, скорость разогрева стеклопорошка микроволновым излучением значительно интенсивней, чем в огневом потоке, что способствует увеличению производительности технологического процесса и значительно улучшает его экологические параметры, так как в разы снижает выбросы продуктов сгорания газов, устраняет взрывоопасность и улучшает отделение готовой продукции от незавершенной.
Технической задачей изобретения является увеличение производительности и управляемости технологического процесса производства микрошариков и микросфер, обладающих парамагнитными свойствами.
Техническая задача решается за счет того, что в керосин вводят наночастицы карбонильного железа, в качестве которого используется магнетит, размером 5,0-10,0 нанометров, покрытого поверхностно-активным веществом, олеиновой кислотой, после чего через форсунку керосин с наночастицами карбонильного железа, в качестве которого используется магнетит, распыляется каплями 20-30 мкм в камеру с трехфазной электрообмоткой, создающей спиральное вращающееся магнитное поле, под действием которого капли керосина с частицами карбонильного железа, в качестве которого используется магнетит, образуют интенсивно вращающийся и закрученный поток. В ту же камеру сжатым воздухом подается стеклопорошок, который захватывается вращающимися в магнитном поле каплями керосина с наночастицами карбонильного железа, в качестве которого используется магнетит, размером от 5,0 до 10,0 нанометров, которые за счет поверхностного натяжения обволакивают частицы стеклопорошка, после чего он поступает в первую зону малой интенсивности микроволновой печи, где наночастицы карбонильного железа, в качестве которого используется магнетит, под воздействием микроволнового излучения разогреваются до 700-800°C, в результате керосин разлагается, а наночастицы карбонильного железа, в качестве которого используется магнетит, оседает на поверхности частиц стеклопорошка. При дальнейшем продвижении частиц стеклопорошка с наночастицами карбонильного железа, в качестве которого используется магнетит, на поверхности в рабочем пространстве микроволновой печи температура наночастиц карбонильного железа, в качестве которого используется магнетит, повышается до 1300-1350°C, интенсивно расплавляет стекло и под действием молекулярных сил наночастицы карбонильного железа, в качестве которого используется магнетит, перемещаются по всему объему микростеклянного порошка, при дальнейшем движении микрошарики, микросферы попадают в камеру охлаждения, снабженную электрообмоткой, создающей постоянное магнитное поле, в камере охлаждения при температуре 200-300°C наночастицы карбонильного железа, в качестве которого используется магнетит, восстанавливаются, они притягиваются к полюсам постоянного электромагнита и при достаточном накоплении ссыпаются в бункеры готовой продукции, а микрошарики и микросферы без наночастиц карбонильного железа, в качестве которого используется магнетит, ссыпаются в бункер для повторной переработки.
Сущность изобретения поясняется чертежом на котором:
Фиг.1 - принципиальная схема производства микрошариков и микросфер.
Способ производства микрошариков и микросфер, включающий введение в керосин 1 наночастиц 2 карбонильного железа, в качестве которого используется магнетит, размером от 5,0 до 10,0 нанометров, последующее распыление керосина 1 с наночастицами 2 карбонильного железа, в качестве которого используется магнетит, размером от 5,0 до 10,0 нанометров, покрытого поверхностно-активным веществом, в качестве которого используется олеиновая кислота 3, в результате керосин 1 приобретает парамагнитные свойства и превращается в ферромагнитую жидкость, которая распыляется форсункой 4 капельками 5 размерами 20-30 мкм, которые, обладая магнитными свойствами, раскручиваются спиральным вращающимся магнитным полем 6 в камере 7, которое создается трехфазной электрообмоткой 8. Одновременно потоком воздуха частицы 9 стеклопорошка из бункера 10 вносятся в камеру 7, где захватываются вращающимся магнитным полем 6 капелек 5 размером 20-30 мкм, содержащим наночастицы 2 карбонильного железа, магнетита, размерами от 5,0 до 10,0 нанометров, которые, сталкиваясь с частицами стеклопорошка 9 за счет сил поверхностного натяжения, обволакивают частицы стеклопорошка 9 и далее поступают в микроволновую печь 11, где от излучателей 12 микроизлучение 13 взаимодействует с наночастицами 2 карбонильного железа, в качестве котрого используется магнетит, разогревая их в зоне I предварительного нагрева до температуры 500-600°C, при которой керосин 1 испаряется, а наночастицы 2 карбонильного железа, в качестве которого используется магнетит, оседают на поверхности стеклопорошка 9 и при дальнейшем продвижении в зону II рабочего нагрева наночастицы 2 карбонильного железа, в качестве котрого используется магнетит, разогреваются до 1100-1200°C, разогревают частицы 9 стеклопорошка до жидкого состояния, за счет поверхностного натяжения формируются микрошарик 14 и в результате молекулярного движения наночастицы 2 карбонильного железа, в качестве которого используется магнетит, распределяются в среде микростеклошарика 14. При дальнейшем движении стеклошариков 14 с наночастицами 2 карбонильного железа, в качестве которого используется магнетит, под действием гравитации и движения воздуха поступают в камеру охлаждения 15, снабженную постоянными электромагнитами 16, создающими постоянное магнитное поле 17. При охлаждении ниже температуры 300°C парамагнитные свойства карбонильного железа, в качестве которого используется магнетит, восстанавливаются и микрошарики, микросферы под действием постоянного магнитного поля 17 притягиваются к стенкам камеры охлаждения 15 и попадают в бункеры 18, а полупродукт 19, не содержащий по каким-либо причинам наночастицы карбонильного железа, в качестве которого используется магнетит, накапливается в бункере 20 для повторной обработки.
Предложенный способ производства стеклошариков позволяет улучшить экологию, повысить производительность и безопасность технологического процесса, поскольку устраняется применение газовоздушной смеси, которая является чрезвычайно взрывоопасной.