СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИТНЫХ ГРАНУЛ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ АППАРАТОВ
METHOD OF PRODUCING MAGNETIC GRANULES FOR ELECTROMAGNETIC APPARATUSES

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно области получения магнитных гранул для электромагнитных аппаратов, и может быть использовано для получения рабочих тел, применяемых в электромагнитных аппаратах для процессов измельчения, смешивания, эмульгирования и т.п.
Известен (SU, авторское свидетельство 1804466) способ получения анизотропных магнитов путем смешения в течение 10-15 мин в смесителе сухого смешения компонентов, с последующим смешением и гранулированием смеси в экструдере при температуре 270±10ºС и литьем изделий при температуре 270±10ºС в магнитом поле напряженностью 10000 Э.
Недостатком известных способов являются высокие энергозатраты при изготовлении магнитов.
Известен также (SU, авторское свидетельство 700285) способ получения ферромагнитных гранул, включающий введение в ферритовый порошок (смесь оксидов железа, бария, кальция и т.д.) связующего, в качестве которого использовано жидкое стекло, гранулирование и обжиг.
Недостатком известного способа следует признать невысокие магнитные характеристики получаемых гранул.
Техническая задача, решаемая посредством разработанного способа, состоит в получении магнитных гранул с улучшенными характеристиками.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного способа, состоит в получении гранул с улучшенными магнитными и прочностными характеристиками, а также повышение их плотности, коэффициента сферичности и однородности по размерам.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ получения магнитных гранул. Согласно разработанному способу получения магнитных гранул для электромагнитных аппаратов на порошок гексаферрита стронция или бария вводят распылением в процессе грануляции добавки аэросила, натриевого или калиевого жидкого стекла и поливинилацетатной эмульсии, причем при достижении заданного размера гранул подачу компонентов прекращают, продолжают окатывать гранулы в течение 30 минут, затем проводят сушку и обжиг образовавшихся гранул, после чего гранулы охлаждают до комнатной температуры и подвергают намагничиванию до насыщения в постоянном электромагнитном поле. Предпочтительно распыление осуществляют в электромагнитном переменном поле напряженностью 50-60 кА/м, обжиг проводят при температуре 1200±20°С в течение 5-15 минут, а намагничивание - в постоянном электромагнитном поле напряженностью 100-120 кА/м. Предпочтительно при реализации способа используют шихту, содержащую 1,0-1,2 мас.% аэросила; 1,8-2,2 мас.% натриевого или калиевого жидкого стекла; 10-12%-ный раствор поливинилацетатной эмульсии в количестве 15-20 мас.% и порошок гексаферрита стронция или бария остальное.
Магнитные гранулы из гексаферрита стронция или бария вышеописанного состава с достижением указанного технического результата получают новым способом, включающим напыление предпочтительно 1,0-1,2 мас.% порошкообразного аэросила с 10-12%-ным раствором поливинилацетатной эмульсии и 1,8-2,2 мас.% натриевого или калиевого жидкого стекла на порошок гексаферрита стронция или бария с последующей грануляцией его, а затем наращивают гранулы до нужного размера с последующим обжигом при температуре 1200±20°С и выдержке при конечной температуре от 5 до 15 минут.
Кроме того, операцию напыления проводят в электромагнитном переменном поле напряженностью 50-60 кА/м.
Полученные гранулы сушат, затем обжигают при температуре 1200±20°С в течение 5-15 минут. Обожженные гранулы охлаждают до комнатной температуры и намагничивают до насыщения в вышеуказанном постоянном электромагнитном поле.
Большую роль при получении гранул играет тип распылителя связующего. При сечении отверстий распылителя более 0,5 мм образуются крупные «зародыши» гранул и при дальнейшем скатывании гранулы имели низкую плотность. При распылении связующего через отверстие сечением 0,1-0,2 мм и давлении связующего 0,051-0,071 МПа образуются микрозародыши размером 0,5-1,0 мм, которые приобретали сферичность 0,9-0,95 и имели высокую плотность. В результате отработки режима грануляции установлено, что в дражировочном котле, где стенки выполнены в виде полусферы, образуются идеальные сферичные микрозародыши и более высокая плотность сырых гранул достигается при времени окатывания их в течение 20-30 минут после прекращения подачи связующего и порошка.
При использовании в качестве связующего поливинилацетатной эмульсии необожженные гранулы сохраняли свою первоначальную форму, не разрушались при прохождении по технологической линии и не растрескивались при обжиге.
При использовании поливинилацетатной эмульсии в качестве связующего при формовании гранул были опробованы следующие концентрации ее в воде: 5, 10, 15, 20 и 90%.
3
3
При формовании гранул 5% раствором поливинилацетатной эмульсии (ПВАЭ) в воде в процессе сушки возникали трещины (около 40-45%), плотность их составляла 3,3-3,6 г/см, прочность при сжатии - 17-20 МПа. С увеличением концентрации до 10% плотность гранул возрастала до 4,9-5,0 г/см, прочность при сжатии - до 70-90 МПа. При дальнейшем увеличении концентрации до 15% и более затруднялся процесс грануляции, т.к. шихта становилась непластичной. Оптимальным является 10-12% раствор ПВАЭ в воде.
Магнитные гранулы, являющиеся рабочими телами в электромагнитных аппаратах (ЭМА), для обеспечения эффективного процесса измельчения, смешения, эмульгирования и т.п. должны обладать следующими физико-механическими свойствами:
- остаточная индукция после их работы в ЭМА
- не менее 0,1 Тл;
- плотность после обжига
- не менее 4,7 г/см<sup>3</sup>;
- прочность при сжатии
- не менее 70 МПа;
- износ в воде
- не более 3,0%;
- сферичность
- не менее 0,95.
3
Упрочняющие добавки, такие как аэросил, натриевое или калиевое жидкое стекло, обеспечивают прочность магнитных гранул и износостойкость при измельчении, смешении, эмульгировании и т.п. в электромагнтных аппаратах. При введении аэросила (двуокись кремния) от 1,0 до 1,2 мас.% от порошка гексаферрита стронция или бария двуокись кремния обеспечивает спекание в присутствии жидкой фазы (стеклофазы), которая образуется при температуре от 1100°С. Прочность гранул при этом составляет 70-80 МПа, износ в воде - 1-3%, плотность - 4,9-5,0 г/см, а остаточная индукция после работы в электромагнитном аппарате - 0,1-0,15 Тл.
Введение аэросила менее 1,0 мас.% резко снижает прочность гранул и увеличивает их износ, а введение его более 1,2 мас.% приводит к снижению магнитных свойств гранул.
Введение аэросила, предварительно соединив его с водой, улучшает равномерное распределение его в порошке гексаферрита стронция или бария и тем самым увеличивает физико-механические свойства магнитных гранул.
3
3
3
Совместное введение в водной фазе аэросила, натриевого или калиевого жидкого стекла в гексаферрит стронция или бария увеличивает физико-механические свойства магнитных гранул. При совместном введении 1,0-1,2 мас.% аэросила, 1,8-2,2 мас.% натриевого или калиевого жидкого стекла в 10-12%-ный водный раствор поливинилацетатной эмульсии получили магнитные гранулы с остаточной магнитной индукцией после работы в электромагнитном аппарате от 0,125 до 0,15 Тл, прочность при сжатии - от 72 до 100 МПа, плотность - от 4,9-5,0 г/см, износ в воде - 0,8-2,5%. Введение, в том числе и совместное, количеств аэросила и натриевого или калиевого жидкого стекла, не входящих в указанные диапазоны, снижало физико-механические свойства магнитных гранул. Например, при введении 0,5 мас.% аэросила и 1,5 мас.% натриевого или калиевого жидкого стекла в 10-12%-ный водный раствор ПВАЭ получили магнитные гранулы с остаточной намагниченностью после работы в электромагнитном аппарате 0,15 Тл, прочностью при сжатии - 35 МПа, плотностью - 4,6 г/см, износом - 12,7%. При совместном введении 1,5 мас.% аэросила, 2,5 % натриевого или калиевого стекла в 10-12%-ный раствор ПВАЭ получили магнитные гранулы с более низкой остаточной намагниченностью после работы в электромагнитном аппарате - 0,05 Тл, прочностью при сжатии - 105 МПа, износом - 1,8%, плотностью - 4,9 г/см. С уменьшением остаточной намагниченности магнитных гранул после работы в ЭМА снижается эффективность обработки материалов, производительность и качество обработки материалов.
Введение натриевого или калиевого жидкого стекла в количестве от 2,0 до 3,0 мас.% в гексаферрит стронция или бария без аэросила способствует получить магнитные гранулы с остаточной индукцией после работы в ЭМА от 0,12 до 0,15 Тл, прочность при сжатии - от 72 до 91 МПа, износ в воде - 1-3%.
Температура обжига магнитных гранул играет достаточно важную роль в получении высоких физико-механических свойств гранул.
При температуре обжига менее 1180°С заметно снижается прочность магнитных гранул и увеличивается их износ, а при температуре более 1220°С снижаются магнитные свойства гранул, т.к. присутствующие в составе гранулы аэросил, натриевое или калиевое жидкое стекло являются плавнями, позволяющие проводить обжиг при температуре менее 1200°С. При температуре обжига 1180°С необходима изотермическая выдержка в течение 15 минут, а при температуре 1220°С - соответственно 5 минут. Уменьшение изотермической выдержки менее 5 минут не обеспечивает получение магнитных гранул с достаточно высокими магнитными и прочностными характеристиками, а увеличение выдержки более 15 минут снижает магнитные свойства гранул вследствие роста зерен кристаллической структуры, что было зафиксировано при помощи электронных снимков, сделанных на шлифах магнитных гранул.
С помощью петрографического анализа шлифов магнитных гранул установлено наличие стеклофазы, причем с увеличением содержания аэросила от 1 до 3% растет и количество стеклофазы, кроме того, уменьшается пористость материала, составившая около 2%. С увеличением количества стеклофазы в материале ухудшаются магнитные свойства гранул. Но, с другой стороны, благодаря наличию стеклофазы уменьшалась пористость материала, что, в свою очередь, вело к увеличению износостойкости и прочности магнитных гранул.
Оптимальное содержание аэросила, натриевого или калиевого жидкого стекла, концентрации и количества поливинилацетатной эмульсии способствовало получению мелкокристаллической структуры гексаферрита стронция или бария с размером зерна от 1 до 3 мкм округлой формы, как показал петрографический анализ. Стеклофаза составляет 5-7% и распределена по всему объему равномерно в виде прерывистых прослоек от 5 до 15 мкм между зернами гексаферрита стронция или бария. Пористость образца достигала 2-3%, их размер был от 4 до 5 мкм, форма округлая.
Таким образом, введение в состав материала добавок аэросила, натриевого или калиевого жидкого стекла способствовало образованию стеклофазы, что в свою очередь улучшало процесс спекания, о чем свидетельствует уменьшение пористости и повышение прочности гранул.
Увеличение износостойкости гранул связано с равномерным распределением стеклофазы по всему объему в виде прослоек между зернами гексаферрита стронция или бария.