сотрудник с 01.01.1974 по настоящее время
Ростов-на Дону, Ростовская область, Россия
аспирант
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
сотрудник
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
Цель исследования. Исследование энергетических условий измельчения ферромагнитных частиц бесконтактным способом в устройствах с вращающимся электромагнитным полем Задача, решению которой посвящена статья. Разработка энергетической модели управления процессом измельчения ферромагнитных частиц шламовых отходов во вращающемся электромагнитном поле и экспериментальное подтверждение её адекватности. Методы исследования. Теоретические исследований базируются на основных положениях теории магнетизма, прочности и разрушения твердых тел. Экспериментальные исследования выполнены в НИИ «Вибротехнологии» Донского государственного технического университета с использованием опытно-экспериментальной установки, реализующей вращающееся электромагнитное поле. Новизна работы. Установление аналитических зависимостей, описывающих энергетические аспекты измельчения ферромагнитных частиц бесконтактным способом в устройствах с вращающимся электромагнитным полем. Результаты исследования. Предложена зависимость, позволяющая оценить энергетическое состояния частиц в магнитовибрирующем слое, формируемого в устройствах под воздействием вращающегося электромагнитного поля. Установлено энергетическое условие, определяющее пороговое значение градиента индукции поля, обеспечивающее устойчивый режим магнитовибрирующего слоя, и, как следствие, измельчение частиц до заданного размера. Разработана энергетическая модель управления процессом измельчения ферромагнитных частиц шламовых отходов во вращающемся электромагнитном поле и предложены теоретико-вероятностные формулы для оценки продолжительности процесса измельчения Выводы. Применение устройств с вращающимся электромагнитным полем позволяет бесконтактным способом эффективно реализовать один из важных этапов переработки шламовых отходов металлопроизводства, связанного с измельчением его ферромагнитных частиц, обеспечивающего получение ферромагнитного сырья с высокими гранулометрическими характеристиками. Предложенная, на основе баланса энергии разрушения и энергии, получаемой частицей от электромагнитного поля с учетом механических и магнитных характеристик материала, энергетическая модель измельчения частиц во вращающемся электромагнитном поле позволяет реализовать процесс управление гранулометрическим размером ферромагнитных частиц шламовых отходов.
отходы, ферромагнитные частицы, электромагнитное поле, магнитовибрирующий слой, индукция, энергия, разрушение, измельчение
Введение
На машиностроительных предприятиях, осуществляющих обработку металлов, ежемесячно образуются тысячи тонн металлосодержащих отходов, представляющих собой технико-экономическую и экологическую проблему. Переработка металлоотходов позволяет поднять коэффициент использования металла до 90 – 95%, сократить потери легирующих элементов, получить значительный экономический эффект. Существующий дефицит стальных порошков, необходимость экономии материальных ресурсов приводят к пересмотру проблемы использования отходов механообработки, особенно стружковых и шламовых отходов. Чтобы получить из шлама вторсырьё требуемого качества требуется, как показано на рис.1 реализовать целый комплекс технологических операций.
Предметом настоящих исследований являлся этап переработки образованных за счет больших сил межчастичного взаимодействия, конгломератов шламовых отходов. Именно этот этап переработки позволяет обеспечить высококачественные гранулометрические характеристики ферромагнитной компоненты конгломератов, востребованной при изготовлении изделий в порошковой металлургии. Из известных на сегодняшний день устройств для измельчения металлоотходов наибольшее применение получили различного рода дробилки, и бильные мельницы. Однако сложность конструкции их и высокая степень износа бил обуславливает поиск более эффективных безконтактных способов измельчения. В этом плане научный и практический интерес представляют устройства с вращающимся электромагнитным полем (рис. 2), в условиях которого, осциллирующая под действием сил электромагнитного поля совокупность частиц, образуют магнитовибрирующий слой (МВС), обеспечивающий решение большого комплекса различных технологических задач.
Рис. 1. Схема переработки шлама
Fig. 1. Sludge processing scheme
Рис. 2. Устройство с вращающимся электромагнитным полем
(1 – корпус, 2 – индуктор, 3 – труба, 4 – шлам, 5 – сменная вставка)
Fig. 2. A device with a rotating electromagnetic field
(1 – case, 2 – inductor, 3– pipe, 4 – sludge, 5 – replaceable insert)
В отличие от однородного поля магнитовибрирование во вращающемся поле, как показано в работах [3, 7] обладает большей интенсивностью поступательного движения и как следствие большими энергетическими возможностями для реализации процессов разрушения конгломератов шламовых отходов и измельчения их металлических частиц. Эти частицы можно охарактеризовать как твердое тел, обладающее ферромагнитными свойствами, основными характеристиками которых являются магнитная проницаемость и магнитный момент.
Определение энергии, сообщаемой вращающимся электромагнитным полем частицам произведём, сделав ряд следующих допущений:
– в условиях установившегося магнитовибрирующего слоя энергия, сообщаемая частицам от внешнего поля, компенсируется диссипацией энергии, затрачиваемой на их разрушение в процессе контактного взаимодействия [1];
– изменения ориентация магнитных моментов частиц за время между последовательными столкновениями относительно мало, что дает возможность линеаризовать уравнение движения ферромагнитных частиц во внешнем поле;
– энергия от поля сообщается частицам как через поступательную, так и через вращательную степени свободы;
– взаимодействия между частицами приводят к установлению эффективного равновесия между поступательными и вращательными степенями свободы частиц;
– частицы обладают вмороженными магнитными моментами
В работах [2, 3, 17], посвященных исследованию движения ферромагнитных частиц в магнитном поле установлено , что среднее количество энергии, передаваемое внешним полем вращательным степеням свободы одному частице за время равно при 
по начальным значениям 
и 
, где 
- время между столкновения частиц, кторое реализуются в крайних точках траектории возвратно-поступательного движения. Запишем выражение для определения энергии 
, передаваемой внешним полем частицам в единицу времени при вращательно-колебательном движении в виде
1. Levin B.E. Physicochemical bases of production, properties and use of ferrites. M.: Metallurgia,1979. 427 p.
2. Thomson J. Instability and disasters in science and technology. M.: Mir, 1985. 254 p.
3. Vernigorov Y.M. Simulation of destruction of ferromagnetic materials particles in magneto-vibrational layer // World Science Proceedings of articles the international scientific conference. 2017. рр. 59-70. ISBN 978-5-00090-122-9.
4. Vernigorov Y.M. Magneto-vibrational technology of powder magnets production // Dissertation for the degree of D Eng. Rostov-on-Don. 1995. 369 p.
5. Бабичев А.П. Режимы работы устройства тонкого помола порошка SmCo5 // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2012. № 6(296). С. 64-70.
6. Багаев В.Н. К теории магнитостатического взаимодействия и структурообразования в дисперсных средах // Магнитная гидродинамика. 1986. №2. С. 35-40. doi: 10.22364/mhd.
7. Болога М.К. Некоторые особенности магнитоожижения дисперсных систем //Магнитная гидродинамика. 1981. №4. С.3-4. doi: 10.22364/mhd .
8. Вернигоров Ю.М. Наукоемкая технология получения композиционных порошков в магнитовибрирующем слое // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2019. № 5(95). С. 3-8. doi: 10.30987/article_5ca303087cba57.59333232.
9. Вернигоров Ю.М. Моделирование разрушения агрегатов высокоэрцитивных дисперсных ферромагнетиков в магнитных полях различной топологии // Sciences of Europe. 2017. № 21-1(21). С. 43-46.
10. Вернигоров Ю.М. Соударение частиц компактного ферромагнитного материала в магнитовибрирующем слое // Вестник Донского государственного технического университета. 2012. Т. 12. № 1-1(62). С. 95-98.
11. Кочубей А.А. Технологическое обеспечение упрочняющей обработки деталей во вращающемся электромагнитном поле: специальность 05.02.08 "Технология машиностроения" : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Кочубей Анатолий Анатольевич. Ростов-на-Дону, 2017. 156 с.
12. Лебедев В.А. Особенности технологического процесса устройств помола ферромагнитных материалов на базе магнитовибрирующего слоя // Наукоемкие и виброволновые технологии обработки деталей высокотехнологичных изделий. Ростов-на-Дону, 2016. 26 с. ISBN: 978-5-7890-1570-4.
13. Мяздриков О.А. Электродинамическое псевдоожижение //Межвуз. cб. научн. трудов ЛТИ им. Ленсовета. 1976. №1. C.3-13. ISBN 5-10-003174-3.
14. Плотников Д.М. Повышение качества изделий из порошковых материалов за счет использования магнитовибрационной технологии сепарации шлифовальных шламов подшипникового производства: специальность 05.16.06 "Порошковая металлургия и композиционные материалы": диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Плотников Дмитрий Михайлович. Ростов-на-Дону, 2008. 129 с.
15. Ширин А.А. Энергетические условия, обеспечивающие формирование и устойчивый режим магнитовибрирующего слоя во вращающемся электромагнитным поле // Фундаментальные основы физики, химии и механики наукоёмких технологических систем формообразования и сборки изделий. Ростов-на-Дону, 22–26 сентября 2020 года. Ростов-на-Дону: Издательство Донского государственного технического университета, 2020. С. 338-342.
16. Егорова С.И. Научные основы и практические аспекты разработки технологий порошковой металлургии, основанных на использовании магнитовибрирующего слоя: специальность 05.16.06 «Порошковая металлургия и композиционные материалы»: дисс. на соискание ученой степени док-ра техн. наук / Егорова Светлана Ивановна; Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркас. политехн. ин-т). Ростов-на-Дону, 2009. 394 с.
17. Егоров И.Н. Разработка магнитовибрационной технологии помола порошков магнитных материалов, обеспечивающей заданный гранулометрический состав: специальность 05.16.06 «Порошковая металлургия и композиционные материалы»: дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук / Егоров Иван Николаевич. Ростов-на-Дону, 2006. 159 с.
18. Вернигоров Ю.М., Егоров И.Н., Егорова С.И. Эффективность применения электромагнитного поля при механическом измельчении порошков ферромагнитных материалов // Вестник Донского государственного технического университета. 2010. Т. 10. № 3(46). С.
