Магнитовибрационная технология дозирования порошков магнитожестких материалов

Металлургия и материаловедение

УДК 05.02.00

DOI: 10.30987/article 5b28d194984662.66308216

Ю.М. Вернигоров, К.К. Лелетко

МАГНИТОВИБРАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДОЗИРОВАНИЯ ПОРОШКОВ МАГНИТОЖЕСТКИХ МАТЕРИАЛОВ

Показано, что магнитовибрирующий слой обеспечивает взвешенное состояние частиц твердой фазы, размер которых составляет от долей микрона и выше. Также показано, что внутреннее трение в магнитовибрирующем слое зависит от параметров электромагнитного поля, которые при некоторых оптимальных соотношениях индукции постоянного

и градиента индукции переменного магнитных полей определяются физико-технологическими особенностями порошкового материала.

Ключевые слова: магнитный порошок, магнитовибрирующий слой, текучесть, магнито-жесткий ферромагнетик.

Yu.M. Vernigorov, K.K. Leletko

MAGNETOVIBRATED TECHNOLOGY OF MAGNETIC-HARD MATERIAL POWDER DOSAGE

Packed density, fluctuation, compressibility and other physical technological properties of powders depend considerably upon interaction forces between particles. The efficient decrease of inner friction and, hence, fluctuation increase in powders of high-coercive materials was observed in high-gradient electromagnetic fields in which it is also possible to carry out a rather efficient management of the outflow process of these powders. The dependence investigation of values characterizing a group behavior of particles upon physical and mode factors it seems to be essential in connection with the computation and optimization of the parameters of fields ensuring a specified technological process.

The development of technological processes in powder metallurgy of ferromagnetic materials on the basis of a magnetovibrated layer is reduced not to the updating or improvement of operating methods and ways, but to the creation of new ones.

In this paper it is shown that a magnetovibrated layer ensures a suspension state of particles of a solid phase the dimension of which makes some fractions of micron and larger. At that it is essential that a destruction of aggregations formed earlier takes place. No one of the well-known methods of vibration impact upon disperse ferro-magnetic material allows ensuring a spatial stability of particles of the dimension specified interval.

It is shown that the inner friction in a magne-tovibrated layer depends upon electromagnetic field parameters and at some optimum correlations of constant induction and an induction gradient of the magnetic fields variable an apparent change of friction from dry into viscous occurs. The optimum parameters of an electromagnetic field are defined by physical technological peculiarities of powder material.

Key words: magnetic powder, magnetovibrated layer, fluctuation, magnetic-hard ferro-magnetic.

Введение

При действии на порошок магнитных материалов переменным магнитным полем с определенными параметрами образуется магнитовибрирующий слой [1; 2]. При этом возможно кажущееся изменение коэффициента сухого трения. Этот эффект является аналогом виброреологического эффекта [3; 4]. Движение частиц в состоянии развитого магнитовибрирующего слоя сложно зависит от свойств ферромагнитного материала, топологии поля и определяется совместным действием большого числа разнородных физических факторов,

что затрудняет выбор параметров поля, обеспечивающих установление оптимальных в прикладном отношении режимов. В реальном магнитовибрирующем слое имеется случайный возмущающий фактор, обусловленный дипольными взаимодействиями частиц и кластеров. Возможно также скачкообразное изменение начальных условий, вызванное столкновениями с другими частицами и со стенками камеры. Эти случайные воздействия должны усиливать тенденцию системы к хаотизации. Проблема описания движения частиц при

одновременном воздействии детерминированных и случайных факторов нуждается в дальнейшем исследовании [5]. Однако по-

Теоретическая часть

Рассмотрим два кластера, отличающиеся размерами и удерживаемые друг относительно друга силой магнитостати-

ческого взаимодействия Рга. Предположим для определенности, что расположение кластеров таково, что сила тяжести в параллельна поверхности их касания. Со стороны неоднородного переменного поля на кластер действует гармоническая сила

—' —' дБ

угол между С и магнитным моментом Рт

дВ

малого кластера,

ду

изменение индукции

магнитного поля вдоль оси, параллельной вектору в. Условимся, что силы Бу и С коллинеарны.

Агрегат большего размера обладает большей инертностью и при малых амплитудах Р0 или достаточно больших частотах переменного магнитного поля ю слабо откликается на действие сил поля. Малый агрегат начнет перемещаться относительно большого, если выполняется условие

С - Л^тп - Ро ' где й - коэффициент трения покоя.

Эффективный коэффициент трения для взаимодействующей пары кластеров при заданной ориентации сил равен

Г = ^ = /1(1-77-}

Учитывая направление градиента индукции переменного поля и выражение для силы магнитостатического взаимодействия в рамках диполь-дипольного приближения, можно записать:

/ = Л

1 -

4тггД(г+Д)2 дБ

СО $ср

/'о ЛЛп ду

где г и Я - эквивалентные размеры малого и большого кластеров (в сферическом приближении); ¡.10 - магнитная постоянная. Последнее соотношение имеет смысл

явление стохастичности представляет собой неотъемлемое свойство даже предельно разряженных систем.

до тех пор, пока эффективный коэффициент трения остается положительным. При определенном значении градиента индукции поля происходит кажущееся изменение характера трения. При этом принято считать, что эффективные коэффициенты сухого трения обращаются в нуль [6; 7]:

м > ДоАРщ

ду 4-7ГгЯ(г+К)2сов <р'

Моделируя порошок как совокупность монодисперсных сферических агрегатов радиуса г одинаковой плотности, оценивали зависимость относительного размера агрегатов г/го (го - размер агрегатов в режиме электромагнитного воздействия, соответствующего их максимальному разрушению) в магнитовибрирующем слое от градиента индукции переменного магнитного поля (рис. 1).

Микроагрегаты порошков феррита бария различного помола разрушаются до минимального размера в полях с градиентом от 0,26 до 0,34 Т/м при индукции переменного поля 4,1...5,5 мТ и индукции постоянного поля 18.25 мТ. Оценка, проведенная для порошков феррита бария и стронция с удельной поверхностью в интервале 0,7.1 м2/г, дает значение градиента индукции 2.60 мТ/м[8; 9]. При расчете предполагали, что размеры большого и малого агрегатов отличаются на порядок. Расчетные параметры поля удовлетворительно совпадают с экспериментальными результатами.

Г/г.

1,2 -

82 ^

дБ Т

<>У М

Рис. 1. Зависимость относительного размера кластеров порошка ВаБе12019 от градиента индукции магнитного поля

Практическая часть

Проверка справедливости принятых допущений в модели бинарного взаимодействия разновеликих агрегатов проводилась с помощью стандартной воронки, изготовленной в соответствии с ГОСТ 20899-75 (рис. 2).

Зависимость относительной массы порошка Am/m, просыпавшейся через отверстие стандартной воронки за 30 с, от

5

Д т

— г,

ч г

1

-,%

100

80 -

60

40 -

20 -

градиента индукции переменного поля приведена на рис. 3. Испытания проводили на пяти пробах и за результат принимали среднее арифметическое значение массы порошка, вытекающего из воронки при заданных параметрах. Влияние амплитуды и градиента индукции переменного поля на скорость истечения порошка определяли на промышленной частоте.

N.

Ч

0,04

0.05

—|-1-1—

0.06 0.07 0,08

дБ Тл

ду' м

Рис. 2. Схема элемента экспериментальной установки для исследования текучести: 1 -измерительная воронка; 2 - приемник; 3 -крышка; 4 - полюсные наконечники электромагнита постоянного тока; 5 - полюсные наконечники электромагнита переменного тока

Рис. 3. Влияние градиента индукции переменного поля на массу просыпавшегося порошка ЗтСо5 при Вс = 13.ЗмТл

Экспериментальные зависимости скорости истечения порошка БтСоз из

стандартной воронки от параметров поля и массы навески приведены на рис. 4, 5.

МГ А 1?,-

40

30

20

10

' /

—Г-

0,8

1.5 2.4 3.2 т, г

Рис. 4. Зависимость скорости истечения порошка от массы навески при

Бу = 2,7мТл; Вс = 13,ЗмТл;^ = 3,65  1СГ2 —

. Тл

ду

I I I >

5 10 15 20 Вс.мТл

Рис. 5. Влияние индукции постоянного поля на скорость истечения порошка 5тСо5,

Зависимость скорости истечения от массы навески (рис. 4) можно объяснить следующим образом. Во-первых, при увеличении массы насыпки уменьшается доля свободного от порошка объема в измерительной воронке. Следовательно, уменьшается длина свободного пробега кластера и запас его механической энергии, что способствует усилению процессов струк-

Дт

—.% ГЦ

100 - Г . _« . „ • / / 3

80 - 1 /

60 -40 - 20 - 1 / * и/ N < '/л/ . г л ч .  —• V/ '-—1. 2 1

0.4 0.8 1,2 1.6 т, г

Рис. 6. Зависимость относительной массы просыпавшегося порошка феррита бария от массы навески

—: 1 - 0,03; 2 - 0,06; 3 - 0,09; 4 - 0,12 —

су н

На рис. 7 приведены значения относительной массы просыпавшихся через стандартное отверстие порошков различных материалов. Наименьшей текучестью обладает гранулированный феррит стронция. Однако и для этого порошка при с1В/с1у = 90 иТл/м вся масса навески 800 мг вытекает за 30 с. Наибольшей текучестью при Вс = 55 мТл обладает феррит стронция с удельной поверхностью 0,92 м2/г, который за 30 с вытекает практически весь уже при с1В/с1у=0,05 Тл/м . Для сравнения проведены аналогичные измерения и для шламовых отходов ШХ-15.

Порошок шлама ШХ-15 обладает неустойчивой текучестью без внешнего электромагнитного поля. Характер зависимости текучести от параметров электромагнитного поля такой же, как и для фер-ритовых порошков. Однако преимуще-ственность когезионных сил [10] обусловливает более пологий характер спадающего участка зависимости скорости истече-

турирования порошка. Во-вторых, магни-товибрирующий слой будет устойчивым, если удельная энергия диссипации станет равной удельной энергии, подводимой от переменного поля. Отсюда следует наличие оптимальных масс насыпок при заданных условиях, а также возможность срыва магнитокипения при больших массах (рис. 6).

Рис. 7. Изменение массы просыпавшихся через калибровочное отверстие порошков различных материалов (время истечения - 30 с): 1 - FS-28 ^=55 мТ); 2 - FS-18 ^=55 мТ); 3 - FB-1 ^=55 мТ); 4 - ШХ-15 ^=55 мТ);

5 - SmCo5 ^=13,3 мТ)

ния от градиента индукции переменного поля, стремление к нулю кривой слабее. Сопоставление экспериментальных результатов позволяет утверждать, что градиент индукции переменного поля, соответствующий максимальной скорости истечения, для каждого ферромагнитного материала и различного гранулометрического состава следует подбирать индивидуально. Однако практически для всех исследованных материалов градиент индукции переменного поля, соответствующий максимальной скорости истечения порошка, меняется в достаточно узкой области 50...90 мТл/м.

Далее оценивали влияние на скорость истечения порошка размера отверстия, через которое вытекает порошок. При диаметре отверстия ё = 2 мм естественная текучесть порошка феррита бария со средним размером частиц 1мкм не наблюдается. При ё = 5 мм - истечение нестабильное. В поле с индукцией

с!В

В = 50 мТл и градиентом индукции— = 0,2 Тл/м

скорость истечения через отверстие диаметром 2 мм составляет 0,8 мг/с, а через отверстие 5 мм - 16,7 мг/с.

Возникновение устойчивой текучести тонкодисперсных порошков из магни-товибрирующего слоя позволяет разрабо-

Рис. 8. Схема лабораторного макета магнитовибрационного дозатора

тать принцип работы и конструкцию электромагнитного дозатора, обеспечивающего равномерное заполнение пресс-формы, эффективность которого особенно высока при прессовании изделий малой массы или сложной формы [11]. Принцип работы дозатора очевиден из рис. 8.

На рис. 8 не показаны узел ориентации пресс-формы, система отсечки порошка, источники питания. Блок дезагрегации порошка представляет собой бункер (3) с коническими или вертикальными стенками и выходным отверстием, размер и форма которого (4) позволяют произвести наиболее равномерное заполнение камеры (5).

ФШ

Рис. 9. Схема опытного промышленного образца

магнитовибрационного дозатора: 1 - бункер-накопитель; 2 - каркас катушки переменного тока; 3 - обмотка катушки; 4 - насадка бункера; 5 -матрица пресс-формы П 30x20x8

Катушки постоянного (1) и переменного (2) полей обеспечивают в зоне выходного отверстия воронки стабильное истечение порошка.

На рис. 9 представлена схема опытного промышленного образца магнитовиб-рационного дозатора.

Заключение

Магнитовибрирующий слой обеспечивает взвешенное состояние частиц твердой фазы, размер которых составляет от долей микрона и выше. При этом существенно, что происходит разрушение ранее образованных агрегатов. Ни один из известных способов вибрационного действия

на дисперсный ферромагнитный материал не позволяет обеспечить пространственную устойчивость частиц указанного интервала размеров.

Показано, что внутреннее трение в магнитовибрирующем слое зависит от параметров электромагнитного поля и при

некоторых оптимальных соотношениях индукции постоянного и градиента индукции переменного магнитных полей происходит кажущееся изменение трения из сухого в вязкое. Оптимальные параметры электромагнитного поля определяются физико-технологическими особенностями порошкового материала.

Очевидно, что исследование закономерностей магнитовибрационных процессов создает предпосылки для их применения в аппаратах различного назначения

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Буевич, Ю.А. К теории развитого магнито-ожиженного слоя / Ю.А. Буевич, С.В. Сюткин, В.В. Тетюхин // Магнитная гидродинамика. -1984. - № 4.- С. 3-11.

2. Буевич, Ю.А. О движении частиц при магни-тоожижении в переменном поле / Ю.А. Бу-евич, М.К. Болога, С.В. Сюткин, В.В. Тетюхин // Магнитная гидродинамика. - 1985. - № 3. - С. 3-12.

3. Ганиев, Р.Ф. Динамика частиц при воздействии вибрации / Р.Ф. Ганиев, Л.Е. Украинский. - Киев: Наук. думка, 1975. - 168 с.

4. Членов, В.А. Виброкипящий слой / В.А. Членов, Н.В. Михайлов. - М.: Наука, 1972. - 146 с.

5. Вернигоров, Ю.М. Магнитовибрационная технология производства порошковых магнитов: дис. ... д-ра техн. наук / Ю.М. Вернигоров. -Ростов н/Д, 1995.

6. Буевич, Е.А. Реологические свойства однородных мелкодисперсных суспензий. Стационарные течения / Е.А. Буевич, И.Н. Щелчкова // ИФЖ. - 1977. - Т. 33. - № 5. - С. 872-879.

7. Бабичев, И.А. Основы вибрационной технологии / И.А. Бабичев, А.П. Бабичев. - Ростов н/Д: Изд-во ДГТУ, 2008. - 694 с.

1. Buevich, Yu.A. On theory of developed magneto-fluidized layer / Yu.A. Buevich, S.V. Syutkin, V.V. Tetyukhin // Magnetic Hydrodynamics. -1984. - No.4. - pp. 3-11.

2. Buevich, Yu.A. On particles motion at magneto-fluidization in alternating field / Yu.A. Buevich, M.K. Bologa, S.V. Syutkin, V.V. Tetyukhin // Magnetic Hydrodynamics. - 1985. No.3. - pp. 312.

3. Ganiev, R.F. Particle dynamics at vibration impact / R.F. Ganiev, L.E. Ukrainsky. - Kiev: Scientific Thought, 1975. - pp. 168.

4. Chlenov,V.A. Vibroboiling Layer / V.A. Chlenov, N.V. Mikhailov. - M.: Science, 1972. - pp. 146.

5. Vernigorov, Yu.M. Magnetovibrated Technology of Manufacturing Powder Magnets: D. Eng. degree thesis / Yu.M. Vernigorov. - Rostov-upon-Don. 1995.

(восстановление и окисление диспергированной твердой фазы, внесение легирующих примесей на частицы и очистка их поверхностей, гетерогенные каталитические процессы и др.).

Разработка технологических процессов в порошковой металлургии ферромагнитных материалов на базе магнитовибри-рующего слоя сводится не к модернизации или совершенствованию действующих методов и способов, а к созданию новых.

8. Вернигоров, Ю.М. Механизм образования текучести дисперсных ферромагнетиков в однородном переменном магнитном поле / Ю.М. Вернигоров, К.К. Лелетко // Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты: сб. материалов XXXII междунар. науч.-практ. конф. - Новосибирск, 2017. - С. 58-65.

9. Биткина, Н.С. Структурообразование и свойства постоянных магнитов из гексаферритов бария, полученных методом резонансного формирования: автореф. дис. . канд. техн. наук / Н.С. Биткина. - Новочеркасск, 1987. - 16 с.

10. Geldard, D. Fluidiration of cohesive powders / D. Geldard, N. Harnby, A.C. Wong // Powders Tehhnol. - 1984. - V. 37. - P. 25-27.

11. Morimoto, Y. Mechanical behavions of powders during compaction in mold with variable cross sections / Y. Morimoto, T. Hayashi, T. Takei // Yit. Y. Powder Met. and Powder Technol. - 1982. - Vol. 18. - № 2. - P. 1052-1056.

6. 6. Buevich, G.A. Flow Properties of Homogeneous Fine-dispersed Slurries. Stationary Flows / E.A. Buevich, I.N. Shchelchkova // EPJ. - 1977.

- Vol.33. - Non.5. - pp. 872-879.

7. 7. Babichev, I.A. Vibration Technology Fundamentals / I.A. Babichev, A.P. Babichev. - Ros-tov-upon-Don: Publishing House of DSTU, 2008.

- pp. 694.

8. 8. Vernigorov, Yu.M. Mechanism of fluctuation formation in dispersed ferro-magnetic in homogeneous alternating field / Yu.M. Vernigorov, K.K. Leletko // Fundamental and Applied Investigations: Problems and Results: Transactions of the XXXII-d Inter. Scientific Practical Conf - Novosibirsk, 2017. - pp. 58-65.

9. 9. Bitkina, N.S. Structure Formation and Properties of Constant Magnets Made of Barium Hex-aferrites Manufactured by Method of Resonance

Formation: author's abstract thesis for Can. Eng. Degree / N.S. Bitkina. - Novocherkassk, 1987. -pp. 16.

10. 10. Geldard, D. Fluidiration of cohesive powders / D. Geldard, N. Harnby, A.C. Wong // Powders Tehhnol. - 1984. - V. 37. - P. 25-27.

11. Morimoto, Y. Mechanical behavions of powders during compaction in mold with variable cross sections / Y. Morimoto, T. Hayashi, T. Takei // Yit. Y. Powder Met. and Powder Technol. - 1982. - Vol. 18. - № 2. - P. 1052-1056.

Статья поступила в редколлегию 23.03.18. Рецензент: д.т.н., профессор Донского государственного технического университета

Тамаркин М.А.

Сведения об авторах:

Вернигоров Юрий Михайлович, д.т.н., профессор кафедры физики Донского государственного технического университета, е-mail: jverni-gorov@dstu.edu.ru.

Vernigorov Yury Mikhailovich, D. Eng., Prof. of the Dep. "Physics", Don State Technical Univedrsity, е-mail: ivernigorov@,dstu.edu.ru.

Лелетко Кирилл Константинович, аспирант Донского государственного технического университета, е-таН: kirill-leletk@,ramb ler.ru.

Leletko Kirill Konstantinovich, Post graduate student, Don State Technical University, e-mail: kirill-leletk@rambler.ru.