Моделирование разрушения агрегатов высокоэрцитивных дисперсных ферромагнетиков в магнитных полях различной топологии

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ АГРЕГАТОВ ВЫСОКОЭРЦИТИВНЫХ ДИСПЕРСНЫХ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ В МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ РАЗЛИЧНОЙ ТОПОЛОГИИ

Вернигоров Ю.М.

Донской государственный технический университет, Доктор технических наук, профессор Лелетко К.К.

Донской государственный технический университет,

аспирант Ростов-на-Дону

MODELING OF AGGREGATES DESTRUCTION OF HIGH-RATIONAL-DISPERSED FERROMAGNETS IN MAGNETIC FIELDS OF DIFFERENT TOPOLOGY

Vernigorov Yu. M.

Don State Technical University, Doctor of Technical Sciences, Professor

Leletko K.K. Don State Technical University, graduate student Rostov-on-Don

АННОТАЦИЯ

В статье сравниваются механизмы разрушения агрегатов ферромагнитных частиц высококоэрцитивных материалов в полях различной топологии с целью оптимизации энергетических затрат при реализации различных технологических процессов. Получены выражения для расчета параметров однородного, вращающегося и неоднородного полей, при которых разрушаются агрегаты, удерживаемые магнитостатиче-скими и адгезионными силами. Показано преимущество неоднородного электромагнитного поля при разрушении агрегатов дисперсных магнитожестких материалов в предположении ударного механизма разрушения.

ABSTRACT

In the article the mechanisms of aggregates destruction of ferromagnetic particles of high-coercivity materials are compared in fields of various topologies. The aim is optimizing energy costs in the implementation of various technological processes. Expressions are obtained for calculating the parameters of a homogeneous, rotating and inhomogeneous field, at which aggregates held by magnetostatic and adhesion forces are destroyed. The advantage of an inhomogeneous electromagnetic field is shown in the destruction of aggregates of dispersed hard-magnetic materials under the assumption of a shock mechanism of failure.

Ключевые слова: разрушение агрегатов, дисперсные ферромагнетики, магнитное поле

Keywords: destruction of aggregates, dispersed ferromagnets, magnetic field

Введение. Проблема создания ресурсосберегающего промышленного производства с каждым годом становится все более актуальной, что обусловлено сокращением и истощением природных запасов, увеличением их стоимости. Важное место среди технологий, соответствующих этим требованиям занимает порошковая металлургия, которая позволяет создавать принципиально новые материалы. Изделия из дисперсных материалов применяются почти во всех областях техники, что связано со специфическими свойствами дисперсных материалов. Методами порошковой металлургии можно получать уникальные свойства, которые другими методами получить практически невозможно [1]. Развитие космической техники, ядерной энергетики было бы невозможно без совершенствования технологии получения порошковых изделий.

Дисперсные ферромагнетики магнитожестких материалов характеризуются сильным межчастичным взаимодействием адгезионной и магнитоста-тической природы. Для таких сред характерно полное или почти полное отсутствие текучести. Связано это с тем, что даже агрегаты из нескольких частиц обладают результирующим магнитным моментом отличным от нуля. И кроме того развитая поверхность такого агрегата приводит к высоким адгезионным силам. Для решения практических задач порошковой металлургии магнитожестких ферромагнитных материалов (дозированное заполнение прессформ, транспортирование порошков, формирование магнитной анизотропии прессовки и т.д.) применяют периодические поля разной физической природы: механические, акустические, электромагнитные и т.д. Однако, во всех практиче-

ских задачах решаются задачи, во-первых, увеличение порозности слоя для уменьшения сил межчастичного взаимодействия, во-вторых, разрушение естественных агрегатов, в-третьих, кажущегося перехода сухого трения во влажное. Попытки интенсификации с определенным успехом реализованы в установках с аэрокипящим слоем [2], химико - термической обработки и поверхностного плакирования в вибрирующем слое [3], отжига в виброкипя-щем слое [4], химического плакирования с наложением ультразвука [5]. Рассматривая вибрирующий слой дисперсной среды, как наиболее изученный в порошковой металлургии, можно определить граничные параметры процессов, при которых они удовлетворяют условию эффективности.

При помещении дисперсного ферромагнитного материала в переменное магнитное поле возникает ряд своеобразных эффектов: появление новых положений равновесия, сепарация частиц материала, изменение реологических свойств, гомогенизация порошковых смесей, разрыхление дисперсной среды и т.д.

Цель работы. Сравнить механизмы разрушения агрегатов ферромагнитных частиц высококоэрцитивных материалов в полях различной топологии с целью оптимизации энергетических затрат при реализации различных технологических процессов.

1. Однородное магнитное поле.

Рассмотрим ферромагнитную дисперсную среду в однородном магнитном поле и индукцией В = Вс + Bv cos шЬ. Bc и Bv - постоянная и переменная составляющие магнитного поля, ю - частота переменной составляющей поля.

Предположим, что разрушение агрегата происходит за счет соударения с частицей, получившей энергию от поля. Пусть агрегат состоит из двух сферических частиц радиуса r с магнитным моментом Pm. Энергию диполь-дипольного взаимодействия можно записать в виде [6]:

„ _ ¡¿0 Рщ

Энергия, переданная полем на вращательные степени свободы частице за половину периода [7]:

Е=Тп

1 (PlBv)2 т

1ш 2

1 (РМ2 т^цо Р^к 2п Ш 2~ 4п 4г3

В2

Мо

pv

BPva3v > Ofi^oj^

V =--частота переменного поля, р — плот-

2п

ность материала.

Из (5) очевидно, что индукция переменного поля, при которой разрушается агрегат из сферических частиц, в основном определяется магнитными свойствами ферромагнитного материала и размером частиц. Причем размер частиц играет определяющую роль.

2. Вращающееся магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле задается уравнениями [8]:

Нх = Н0 cos Mt Ну = Н0 sin Mt Hv = 0

Систему уравнений, описывающих движение магнитного агрегата [8], запишем в виде:

м = н]

Начальные условия П(0) = П0 , Рт(0) = Рто.

В системе уравнений (7) П - угловая скорость агрегата, Н — напряженность магнитного поля, П0 и Рт0 -начальные скорость и магнитный момент агрегата. Остальные обозначения введены раньше.

Решение уравнений (7) позволяет рассчитать траекторию агрегата, его скорость и т.д. Энергия, передаваемая агрегату от поля за время между последовательными соударениями, можно записать в виде [9]:

11 { р\21 tr 2\мУ 3

Если Е > Евз, то агрегат из двух частиц может быть разрушен:

где р = —\1С — время между последовательными соударениями.

Уравнение (8) получено в предположении, что в момент времени t=0 агрегат покоится. Разрушение агрегата произойдет, если энергия, полученная от поля, больше энергии магнитостатического взаимодействия диполей в агрегате, предполагая, что в агрегате две частицы, получим

tr 2

86,27 .„Vo Pm2 — (Mtc) > 4043

Предполагая, что за Т/2 происходит один удар частицы о агрегат, индукцию поля, при которой возможно разрушение агрегата запишем в виде:

После несложных преобразований с учетом ранее принятых обозначений для сферических частиц и агрегатов можно записать выражение для напря-

женности поля, которое разрушает агрегат

2

, рг2

Н2 > ^о0,00018—г-

v

Предполагая в (4), что сферическая частица ра-

22

диусом г имеет момент инерции I = -тг2 : т =

4 о

рУ - массу, V = -пг3 -объем, получим

3. Неоднородное магнитное поле.

Определим кинематические характеристики магнитного агрегата массой М, моментом инерции I и с магнитным моментом Pm в магнитном поле В =

ш

8 РтГ3

Bc + Bv cos Mt. Силовые линии постоянного и переменного магнитных полей взаимно перпендикулярны. Движение магнитного агрегата описывают уравнения:

Mr" =

dBv dy

1Ф"=\ъ V0] + % щ

- kr'

№

где BVo = Bv cos Mt, k и ц - коэффициенты сопротивления среды поступательному и вращательному движению.

Предполагая, что при t = 0 агрегат покоится, начальные условия имеют вид г(0) = г'(0) = 0,7(0) = 7'(0) = 0. Уравнения (5) записали, предполагая

- магнитный момент агрегата Рт = Pt складывается из магнитных моментов составляющих его частиц;

- градиент индукции неоднородного переменного поля вдоль оси OY преимущественный;

-амплитуда переменного поля невелика, однако поле сильно неоднородно.

Действие на дисперсную среду переменной силой может привести к кажущемуся изменению сухого трения в вязкое, что является аналогом виброреологического эффекта [10]

Учитывая условия отрыва частицы от агрегата [11,12] , получим значения градиента индукции магнитного поля, необходимого для разрушения агрегата.

dBv dy

VofjPm

4nrR(r+R)2 cos <p

где £ - коэффициент покоя трения между частями агрегата; г и Я - эквивалентные радиусы малой частицы и агрегата, <р — угол между вертикальной осью и магнитным моментом Рт.

Для оценки значения градиента индукции магнитного поля, разрушающего агрегат, предположим, что размеры агрегата и частицы различаются в два раза. Предыдущее выражение примет вид

dBv

]

-r->ßo0ß37fi:-ay г

Сравнение выражений (5), (10) и (12) показывает, что параметры электромагнитного поля, в котором разрушаются агрегаты дисперсных ферромагнетиков, существенно зависят от топологии поля. Так, например, во всех трех рассмотренных случаях параметры поля, разрушающего агрегаты, зависят от размеров частиц. Однако, в неоднородном и однородном полях увеличение размера частиц приводит к уменьшению значения градиента индукции, разрушающего агрегат. Другими словами, увеличение размеров агрегатов и частиц снижает значение градиента индукции переменного поля, соответствующего кажущемуся переходу сухого трения в вязкое. Во вращающемся поле наблюдаем обратный эффект: частицам большего размера для разрушения агрегата необходимо увеличение напряженности магнитного поля. Можно предпо-

ложить, что это связано с тем, что только во вращающемся поле имеет место трансляционное движение дисперсной системы как целого, на что расходуется дополнительная энергия. Преимущество неоднородного магнитного поля при разрушении агрегатов дисперсных магнитожестких ферромагнетиков определено тем, что в неоднородном поле устойчивость агрегата не обеспечивается пондеро-моторными силами. Кроме того, в неоднородном магнитном поле энергия поля закачивается непосредственно на поступательные степени свободы. В однородном и вращающемся полях энергия поля закачивается на вращательные степени свободы частиц и только потом передается на поступательные степени свободы за счет механического взаимодействия. Ударный механизм разрушения агрегатов, заложенный в исходную модель, и приводит к преимуществу неоднородного поля.

Выводы.

1. Рассмотрен ударный механизм разрушения агрегатов дисперсных высококоэрцитивных ферромагнитных материалов в электромагнитных полях различной топологии.

2. Получены выражения для расчета параметров однородного, вращающегося и неоднородного полей, при которых разрушаются агрегаты, удерживаемые магнитостатическими и адгезионными силами.

3. Показано преимущество неоднородного электромагнитного поля при разрушении агрегатов дисперсных магнитожестких материалов в предположении ударного механизма разрушения.

Литература

1. Кипарисов, С.С. Порошковая металлургия / С.С. Кипарисов, Г.А. Либенсон.- Москва.: Металлургия, 1980. - 496 с.

2. Получение ферритовых порошков в потоках высокотемпературных теплоносителей /Пархоменко В.Д., Сорока П.И., Голубков Л.А., Липатов П.В. - Киев : Наукова думка,1988.

3. Технологическая схема химико-термической обработки порошков в вибрирующем слое / Гордин Ю.А.,Красниченко Л.В.,Люлько В.Г.-Порошковая металлургия, Ч1 - Тезисы докл.ХУ1 всесоюзной научно-технической конференции.Сверд-ловск,1989.

4. Довосстановительный отжиг железного порошка в вибрирующем слое / Люлько В.Г., Красни-ченко Л.В.,Кишко В.Д.,Литвиненко В.И. - Порошковая металлургия,1979,№7.

5. Исследование и разработка способа получения легированного железного порошка методом контактного осаждения меди / Литвинеко В.И. - Автореферат канд. Диссертации, Ростов-н/Д, 1972.

6. Вернигоров Ю.М., Фролова Н.Н. Разрушение частиц ферромагнитного материала в магнито-вибвирующем слое с высокой порозностью Вестник Донского государственного технического университета, 2011, Т 11, №7(58), С. 1127-1131.

7. Вернигоров Ю.М., Фролова Н.Н.Соударения частиц компактного ферромагнитного материала в

магнитовибрирующем слое. Вестник Донского государственного технического университета, 2012, №1(62), С. 95-98.

8. Марта И.Ф. Магнитоожижение во вращающемся магнитном поле //Магнитная гидродина-мика.-1987.-№4.-с. 83...90

9. Болога М.К., Марта И.Ф. Магнитоожижение во вращающемся магнитном поле//Магнитная гидродинамика. -1988. -№3 с.103...108

10. Блехман И.И., Джанелидзе Г.Ю. Об эффективных коэффициентах трения при вибрациях // Известия АН СССР ОТН-1958.-№7-С.311-317]

11. Бабичев А.П., Вернигоров Ю.М., Фролова Н.Н. Режимы работы устройства тонкого помола порошка SmCos // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2012. № 6 (296). С. 64-70.

12. Способ измельчения магнитных материалов и устройство для его осуществления: патент 2306180 Рос. Федерация: МПК B02C 13/00 / И.Н. Егоров, Ю.М. Вернигоров, С.И. Егорова. - № 2006103313/03; заявл. 06.02.06; опубл. 20.09.07, Бюл. № 26.- 2 с.

ASSESSMENT OF PUBLIC HEALTH RISK INDUCED BY THE ENVIRONMENTAL POLLUTION NEARBY NUCLEAR POWER PLANT CONSTRUCTION SITE

Saltanova I.

The Belarusian Institute of System Analysis and Information Support of Scientific and Technical Sphere

Minsk, Belarus Zhukova O.

Republic Center for Radiation Control and Environmental Monitoring

Minsk, Belarus

ABSTRACT

Potentially harmful to the public health factors of environmental pollution were analyzed. The factors were of both radiation and non-radiation origin. Current chemical and radiation characteristics of the environment nearby the Nuclear Power Plant (NPP) construction site were studied. Potential environmental contamination form radioactive gaseous and aerosol emission during normal operation of two Water-cooled Water-moderated Power Reactor (in Russian abbreviations VVER-1200) units was estimated. An in-situ experiment was performed to obtain data on radioactive contamination of atmospheric air and to determine the concentrations of chemical pollutants in the atmospheric air in the vicinity of the Belarusian NPP construction site.

Keywords: environmental pollution, radiation risk, public health risk, NPP construction site

1. Introduction

Currently, a Nuclear Power Plant (NPP) with two Water-cooled Water-moderated Power Reactor (in Russian abbreviations VVER-1200) units is under construction in the Republic of Belarus at Ostrovets site. The primary concern in the development of nuclear power is its safety to the population and environment during long-term operation of the NPP. Radiation contamination is a certain health risk factor to members of public living near the nuclear fuel cycle facilities.

The total external and internal doses to population can cause the development of radiation-induced stochastic effects. Among those, malignant tumors are the most dangerous [1, 2]. Carcinogenes is, to a large extent, related to the influence of various chemical pollutants of air, water, soil and of food chains on the organism [1, 3]. According to [4], the share of harmful chemical environmental factors in the development of cancer pathology is approximately 70-90%. Factors leading to contamination of the environment and those that potentially may cause negative effects on public health where analyzed. To estimate the level of potential contamination of the environment with radioactive gaseous emissions from an NPP operating in normal mode, the projected radiation situation and dose levels calculations for the population within the territory nearby Belarus-ian NPP were carried out.

2. Methods

The data were analysed based on the following method. In this paper, calculated and experimental values of pollutants, which may adversely affect public health and the environments, are presented. It was shown, that the obtained values meet the accepted limits and safety standards that are recommended by national and international regulatory bodies.

The Russian and Belarusian regulatory standards, as well as those published by the IAEA (International Atomic Energy Agency) and ICRP (The International Commission on Radiological Protection), where used for the calculations of radioactive situation and public dose levels. The methodology for calculations was based on the Technical document 38.220.56-84 "General NPP Safety. Methods for calculating the radioactive substances transport from NPP and for calculating radioactive exposure of the population". The equations of statistical theory of atmospheric diffusion together with the Pasquill's atmospheric stability classes, which are based on the Gaussian model, are used in this document. In the development of the calculation methodology some documents and handbooks were used [5, 6].

The following groups of parameters were used for the calculations:

1) Source of emission: - effective height of emission;