Проектирование технологического процесса магнитно-импульсного разрушения конгломератов ферропорошков в вязкой среде

Возможности получения ремонтных композиционных материалов (РКМ) на полимерной основе с заранее заданными свойствами является актуальной задачей, призванной обеспечить оперативный выбор металлополимерных композиций для проведения качественного ремонта оборудования в производстве и в сфере жилищнокоммунального хозяйства. Для этих целей предлагается способ и оборудование для измельчения входящих в ремонтные составы ферропорошков, что гарантирует высокие механические свойства РКМ. Способ магнитно-импульсного разрушения ферропорошков (МИРКФП) заключается в подаче порции ферропорошка или его суспензии в рабочую область индуктора, который подключен к магнитно-импульсной установке (МИУ) (рис. 1). При импульсном разряде конденсаторной батареи МИУ на индуктор в нем возникает импульсное магнитное поле (ИМП), осуществляющее силовое воздействие на ферропорошок [4].

МИРКФП можно осуществлять как непосредственным воздействием ИМП на ферропорошок (сухой вариант), так и проводить разрушение в вязкой среде [1]. Последний способ требует больших энергетических затрат, так как часть энергии расходуется на преодоление вязких сил трения. Тем не менее он обладает рядом преимуществ по сравнению с «сухим вариантом» МИРКФП, так как позволяет использовать расклинивающий эффект жидкости (эффект Ре- биндера), а также обеспечивает более высокое качество капсуляции отдельных частиц однодоменной структуры, что является важным моментом в получении высококачественных ферромагнитных жидкостей и композиционных материалов.

Уравнение движения конгломерата в вязкой среде имеет вид [3]:

d 2          d

—. + 2—   + sign [- dd

OK .ТИ^" . ■ 0 (1), )² 1 + h oSinz

где _K – угол между осью конгломерата и направлением действия внешнего поля;

h ₀ – относительная величина амплитуды внешнего магнитного поля;

– безразмерное время;

_n – безразмерное время, соответствующее моменту переброса вектора магнитного момента;

_OK – характерная частота линеаризированной системы «конгломерат—поле»;

– круговая частота внешнего магнитного поля;

– частота релаксации, определяемая выражением:

(2),

где – коэффициент динамической вязкости окружающей среды;

λ – величина трещины;

n_K – формфактор конгломерата;

– плотность материала ферропорошка;

n – скорость вращения ведомого вала муфты.

Рис. 1. Схема технологического процесса МИКРФП: 1 — разгрузочный бункер; 2 — трубопровод; 3 — электродвигатель; 4 — индукторный блок; 5 — приемное устройство.

Рис. 2. Области параметрического резонанса при относительной величине вязкости —— = 0,4 ®ок

Решение уравнения (1) позволяет получить области параметрического резонанса (рис. 2). Следует отметить, что величина вязкости в большой степени влияет на угол наклона зон параметрического резонанса. Схематично, зоны параметрического резонанса можно представить в виде семейства наклонных прямых, описываемых уравнением:

V

'   = „ Н». ,

СО

i HA

Рис. 3. Зависимость изменения коэффициента К_i от величины относительной вязкости

®ОК

где _i – тангенс угла наклона i-ой прямой;

H ₀ – амплитуда напряженности внешнего магнитного поля;

H _A – поле анизотропии частицы.

График изменения коэффициента _i от величины вязкости окружающей среды, характеризуемой отношением представлен на рис. 3.

Согласно уравнения (3) даже для одного типа ферропорошка (С0ок = const; HA = const), в пределах одной зоны параметрического резонанса имеет место бесконечное множество вариантов режимов, обеспечивающих явление параметрического резонанса, со Но = Ю OK^A = const (4).

0 Ki

Отсюда следует, что крутизна поля должна быть постоянной величиной. Тем не менее, можно дать некоторые практические рекомендации, которые позволяют уточнить параметры ИМП.

Теоретические исследования показали, что снижение частоты ИМП (увеличение ^OK ) приводит к расширению зон параметрического резонанса и снижению интенсивности параметрической накачки (уменьшению характеристического показателя X'). Следует отметить, что величина вязкость окружающей среды также влияет на величину характеристического показателя. На рис. 4 приведены изоклины для X' = 0,015 , показывающие взаимосвязь величин v K = ^ OK - и относи-

„                                    В <0

тельной величины вязкости .

Анализ этих кривых показывает, что увеличение вязкости жидкости позволяет снизить частоту ИМП.

Рис. 4. Изменение относительной частоты внешнего поля для дискретных областей при

X ' = 0,015

дуктора

V v ИНД

0 ^H 0²

2

или

V v ИНД

cUP2

cUP2

2

Л МИУ

(7),

где – коэффициент полезного действия магнитно-импульсной установки;

₀ – магнитная проницаемость в вакууме.

Используя выражения (5), (6) и (7), получаем

При осуществлении технологического процесса МИРКФП возможны два режима подачи ферропорошка в рабочую зону индуктора: 1) непрерывная подача ферропорошка; 2) подача дискретных порций ферропорошка.

Производительность магнитно-импульсных установок определяется, в основном, временем зарядки емкостного наполнителя, так как время разряда составляет тысячные доли секунды. Время зарядки составляет величину [2]

HN

Г иР

Q

МИУ

—

V U у)

t3 =

cU2 N

Г

In 1

V

—

UP

U 3 У )

(5),

где c – емкость конденсаторной батареи;

U – напряжение на выходе зарядного устройства;

U _P – рабочее напряжении емкостного накопителя;

N – мощность зарядного устройства.

Производительность МИУ при проведении МИРКФП определяется, как количество обработанного ферропорошка в единицу времени

Q

МИУ

H V ^t

(6),

где _H – насыпная плотность ферропорошка;

V – рабочий объем индуктора.

Учитывая, что энергия накопленная в конденсаторной батарее, преобразуется в энергию магнитного поля, можно определить объем ин-

Н0ЯО2 lnf1 V

—

IT)

)

(8),

Рассматривая производительность МИУ как функцию отношения рабочего напряжения и выходного напряжения зарядного устройства:

Q

можно определить оптимальное соотношение:

УТ )

V U 3 У ), обеспечивающее максимальное значение производительности Q :

^д бмиу

д

(тт А If

V U 3 У )

= 0

откуда получаем оптимальное соотношение напряжений:

UP- opt - 0,7              (9)

V ^U 3 У )

и максимальное значение производительности МИУ:

Q

MAX

^0,4 Р Н^ЗУ^МИУ

Оценим величину производительности МИУ, имеющей зарядное устройство мощно-стью N₃у = 1КВт, при осуществлении процесса

МИРКФП γ-Fe2O3 при напряженности ИМП:

где L , L – индуктивности индуктора и МИУ соответственно, определяем необходимое количество витков индуктора

— = 13,5 , Н₄

учитывая, что насыпная плотность ферропорошка составляет р_н = ⁵⁰⁰"^з , а КПД составляет П МИУ = ⁰,⁵

Q

МИУ

0,4 ■ 500 - 10³ ■ 0,5 4л - 10 ^{- 2} - 13,5 2 - 10¹⁰

= 8,7 - 10 ^{- 3}'V

/с

= 31'V

/час

Пренебрегая потерями энергии на активном сопротивлении электрической цепи МИУ и потерями на поля рассеивания, запишем выражение (7) в виде:

_ 4cUp (соC - со2) l™Я =    и2 2 7Г

(11),

N =

1N ИНД

1ИНД® C - ®2)

3 _{0   C} 2  2 D c

где l – длина индуктора;

_C – собственная частота МИУ;

D – диаметр индуктора.

Учитывая следующее соотношение:

L™«      4/

ИНД

C

A LMH у - с

Следует отметить, что выражения (11) и (12) с достаточной степенью точности пригодны для укрупненного расчета параметров инструмента. Кроме того, в ряде случаев, например, при выполнении неравенства ^- <  0,5 , то соответствует КПД МИУ Чмиу >  0,75 , целесообразно использовать в качестве рабочего инструмента систему «индуктор-концентратор».

Созданные магнитно-импульсные установки (МИУ) позволили перенести процесс МИРКФП в технологическую цепочку изготовления полимерных композиционных материалов и, варьируя параметрами магнитно-импульсной обработки получать полимерные композиционные материалы с заранее заданными свойствами. Приведенные в статье математические зависимости в достаточной степени характеризуют производительность МИУ и дают расчетные параметры инструмента, необходимого для получения ферропорошков требуемой концентрации, обеспечивающих необходимые свойства РКМ. Применение этих материалов в ремонтных работах на объектах ЖКХ показало, что такие композиционные материалы отличаются высокими механическими и химическими свойствами и могут применяться не только как ремонтные, но и как конструкционные материалы [5].