ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ В БИЛЬНОЙ МЕЛЬНИЦЕ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА И СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРОШКА

Егоров И.Н.¹, Егоров Н.Я.²

¹Доцент, кандидат технических наук, ²доцент, кандидат технических наук, ¹Донской государственный технический университет, ²Южный федеральный университет

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 16-38-00365

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ В БИЛЬНОЙ МЕЛЬНИЦЕ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА И СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРОШКА

Аннотация

Обосновывается необходимость использования при измельчении дисперсных сред ферромагнитных материалов в бильной мельнице переменного неоднородного и постоянного магнитных полей. Рассматривается кинетика измельчения грубодисперсного материала гексаферрита стронция в мельнице в магнитоожиженном слое. Приведены удельные энергозатраты при измельчении в различных условиях. Методами рентгеноструктурного анализа и сканирующей электронной микроскопии исследованы изменения гранулометрического состава и структурных характеристик в порошке при измельчении. Установлено, что обработка дисперсной среды в магнитоожиженном слое приводит к значительной интенсификации процесса измельчения и увеличению микроискажений кристаллической решетки.

Ключевые слова: гексаферрит стронция, бильная мельница, кинетика измельчения, магнитоожиженный слой, энергоэффективность, рентгеноструктурный анализ.

Egorov I.N.¹, Egorov N.Ya.²

¹Associate professor, PhD in Engineering, ²Associate professor, PhD in Engineering, ¹Don State Technical University, ²Southern Federal University

The work was supported by a grant from the Russian Foundation for Basic Research No. 16-38-00365

THE INFLUENCE OF CONDITIONS OF MILLING IN A HAMMER MILL ON EFFICIENCY OF THE PROCESS AND STRUCTURAL CHARACTERISTICS OF THE POWDER

Abstract

The necessity of ferromagnetic materials using when grinding dispersed media of ferromagnetic materials in hammer mill of alternating non-uniform and constant magnetic fields is substantiated. The kinetics of grinding a coarse-dispersed strontium hexaferrite material in a mill in a magnetized fluid layer is considered. Specific energy inputs are given for grinding in various conditions. X-ray diffraction analysis and scanning electron microscopy were used to study the changes in the granulometric composition and structural characteristics in the powder during grinding. It has been established that the treatment of a disperse medium in a magnetized fluid layer leads to a significant intensification of the grinding process and an increase in the microcrystallization of the crystal lattice.

Keywords: strontium hexaferrite, hammer mill, kinetics of grinding, magnetized fluid layer, energy efficiency, X-ray diffraction analysis.

В настоящее время порошки гексаферрита стронция широко используются в промышленности для изготовления спеченных магнитов и магнитопластов. Один из наиболее часто применяемых методов получения тонкодисперсных порошков ферромагнитных материалов является механическое измельчение. На качество готового изделия влияет не только технология его изготовления из порошка, но и условия получения тонкодисперсного материала при измельчении, а также физико-химические, технологические, структурные характеристики конечного продукта [1], [2]. При этом важной экономической составляющей процесса измельчения является удельный расход энергии.

Использование электромагнитного воздействия на обрабатываемый материал в рабочей камере мельницы с целью перевода дисперсной среды в магнитоожиженное состояние обеспечивает интенсификацию процесса измельчения и снижение энергозатрат [3], [4], [5].

Целью работы является анализ влияния условий обработки грубодисперсного материала в бильной мельнице на энергонапряженность процесса, степень измельчения, гранулометрический состав и структурное состояние конечного продукта.

Критериями оценки измерений, происходящих с дисперсным материалом в результате измельчения выбраны: средний размер частиц , степень измельчения, т.е. отношение средних максимальных линейных размеров частиц до и после измельчения, гранулометрический состав, величина микроискажений кристаллической решетки. Эффективность процесса измельчения оценивали по количеству энергии израсходованной на единицу массы готового продукта.

Измельчение проводили в бильной мельнице в которой била вращаются с частотой 15,0 тыс. об/мин. Для исследования использовали грубодисперсный материал гексаферрита стронция (SrFe₁₂O₁₉), имеющий широкий диапазон размеров частиц, гистограмма которого приведена на рис. 1. Из рисунка видно, что процентное содержание  частиц, имеющих размеры (600-800) мкм составляет 3%, в области (3000-3200) мкм -  , наибольшее количество частиц    обладают размерами (1400-1600) мкм. Средний и наиболее вероятный размеры частиц составили 1558,5 мкм и 1420 мкм, соответственно.

Динамика изменения гранулометрического состава порошка при измельчении исследовалась методом сканирующей электронной микроскопии с помощью микроскопа Ziess Supra 25.

Исходный дисперсный материал гексаферрита стронция измельчали в мельнице в течение 120 мин без электромагнитного воздействия (режим 1) и в магнитоожиженном слое, образованном из обрабатываемого материала магнитными полями: постоянным с индукцией 15,3 мТл и переменным неоднородным с градиентами индукции 90 мТл/м (режим 2) и 270 мТл/м (режим 3). Силовые линии однородного и неоднородного магнитных полей располагались во взаимно перпендикулярных направлениях и параллельно плоскости вращающихся бил, что обеспечивало движение частиц обрабатываемого материала в горизонтальных плоскостях приводящее к самоизмельчению [6].

Рис. 1– Гистограмма распределения частиц по размерам исходного крупнодисперсного материала гексаферрита стронция и аппроксимирующая кривая логарифмически нормального распределения

Измельчение исходного материала в течение одинакового времени в различных режимах требует различного расхода энергии.  Например, при обработке дисперсной среды в течении 90 мин в магнитоожиженном состоянии в режимах 2 и 3 энергозатраты только на питание электромагнитов при измельчении 1 кг составят 588 и 1615 Втч, соответственно. Общую характеристику процесса измельчения можно проследить из сопоставления зависимостей удельного расхода энергии от степени измельчения (рис. 2).  Из представленной на рис. 2а зависимости следует, что после 90 минут обработки   в режиме 1 удельный расход энергии 975 Втч/кг и степень измельчения полученного продукта 160. При обработке исходного материала в режимах 2 и 3 удельный расход энергии значительно увеличился до 1563 и 2591 Втч/кг, но и степень измельчения возросла до 2055 и 2707, соответственно. Средний размер частиц получаемого порошка гексаферрита стронция при измельчении в режимах 1, 2 и 3 составил 9,75 мкм, 0,76 мкм и 0,58 мкм, соответственно. Из гистограмм распределения частиц по размерам порошка гексаферрита стронция, полученного после измельчения в режимах 1, 2 и 3 в течение 90 мин и аппроксимирующих их кривых логарифмически нормального распределения, представленных на рис. 3 следует, что наиболее вероятный размер частиц составил 2,84 мкм, 0,36 мкм и 0,34 мкм, соответственно. Уже из приведенных характеристик получаемого продукта видны преимущества измельчения в магнитоожиженном слое.

Наиболее вероятный размер частиц при измельчении в магнитоожиженном слое в режимах 2 и 3 отличается незначительно, однако, процентное содержание таких частиц составило 13,8% и 19,3%, соответственно. При измельчении в неоднородном переменном магнитном поле с более высоким градиентом индукции процентное содержание частиц меньше 1 мкм в полученном продукте увеличилось с 80,4% до 90,5%, да и кривая логарифмически нормального распределения более узкая, следовательно, разброс размеров частиц относительно наиболее вероятного размера меньше. Таким образом, несмотря на значительное увеличение удельного расхода энергии при повышении   градиента индукции переменного магнитного поля с 90 мТл/м (режим 2) до 270 мТл/м (режим 3) при измельчении получается более однородный по гранулометрическому составу порошок.

Кроме характеристик гранулометрического состава дисперсной среды одним из важнейших вопросов остается исследование особенностей их структурных характеристик, включая величину микродеформации решетки.

 

Рис. 2 – Графики зависимости удельного расхода энергии от степени измельчения при обработке без электромагнитного воздействия (а) и в магнитоожиженном слое (б)

Рис. 3 – Гистограммы распределения частиц по размерам порошка гексаферрита стронция после измельчения в режимах 1 (а), 2 (б), 3 (в) в течение 90 мин и аппроксимирующие их кривые логарифмически нормального распределения

 

Известно, что при сравнительной оценки дифрактограмм порошковых образцов уширение дифракционных линий может быть обусловлено размером микроблоков, способных к когерентному рассеянию и искажением решетки [1, 7, 8]. Поэтому для исследования динамики структурных изменений в зависимости от условий измельчения порошковые образцы исследовались методом рентгеноструктурного анализа на дифрактометре ДРОН-3М с использованием излучения Cu Kα анода. Дифракционные спектры исходного и измельченных образцов записывали с шагом 0,02°, время экспозиции 8 с. Для анализа структурных характеристик дифракционных профилей порошковых образцов использовалась компьютерная программа PowderCell, версия 2.3 [9], основанная на методе полнопрофильного уточнения структуры Ритвелда [10].

По уширению наиболее интенсивных рефлексов 107 и 114 (рис. 4) по эффективным размерам областей когерентного рассеяния (ОКР) проведена оценка плотности дислокаций и микроискажений кристаллической решетки (остаточные напряжения 2-го рода) Δd/d_hkl, где Δd –среднее по величине изменение межплоскостного расстояния d_hkl [11].

Рис. 4 – Фрагменты дифрактограмм порошковых образцов: исходного материала (а); после измельчения в режимах 1 (б), 2 (в), 3(г)

 

Из сравнения дифрактограмм порошкового образца № 1 из исходного материала (рис. 4а) с дифрактограммами образцов № 2, 3 и 4 полученных после измельчения в течение 120 мин (рис. 4 б, в, г) в режимах 1, 2, 3, наблюдается уширение отражений в последнем случае, что свидетельствует об уменьшении ОКР и возникновении дополнительных микродеформаций. Как и следовало ожидать при обработке в мельнице величина микронапряжений должна увеличиться. Так для образца № 1 значение плотности дислокаций 2,08*10¹¹ см^-2 и величина микродеформаций 3,35*10^-3 меньше, чем для образца № 2 на 0,37*10¹¹ см^-2 и 0,25*10^-3, соответственно. Для образцов № 3 и 4 значения исследуемых структурных параметров отличаются незначительно и по сравнению с образцом № 1 значение плотности дислокаций увеличилось на 1,04*10¹¹ см^-2 и 1,25*10¹¹ см^-2, а величина микронапряжений возросла на 0,80*10^-3 и 0,96*10^-3, соответственно. Полученный результат можно объяснить процессами самоизмельчения порошка при обработке в магнитоожиженном слое.

Исследования показали, что при обработке дисперсной среды в магнитоожиженном слое по сравнению с измельчением в бильной мельнице без электромагнитного воздействия в течении одинакового промежутка времени, происходит более интенсивное измельчение, сопровождающееся уменьшением ОКР и возникновением дополнительных микродеформаций.  С возрастанием градиента индукции переменного неоднородного магнитного поле при фиксированном значении индукции постоянного магнитного поля гранулометрический состав конечного продукта более однородный, но происходит возрастание величины микронапряжений и удельного расхода энергии.

Список литературы / References

1. Ягодкин Ю.Д. Комплексные исследования структуры магнитотвердых наноматериалов на основе оксидов / Ю.Д. Ягодкин // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2012. - Т. 78, № 1. - С. 31 – 42.
2. Горелик С.С. Оценка активности ферритовых порошков с помощью энергии микроискажений / С.С. Горелик, Б.Е. Левин, И.И. Канева – Сб.: «Структура и свойства ферритов». – Минск: Наука и техника. – С. 128 – 132.
3. Егоров И.Н. Влияние электромагнитного воздействия на интенсивность измельчения ферромагнитных материалов в ударной мельнице /И.Н. Егоров, С.И. Егорова // Технология металлов. - 2012. - № 3. - С. 42 -47.
4. Егоров И.Н. Влияние электромагнитного воздействия на дисперсный состав при помоле ферромагнитных материалов в бильной мельнице / И.Н. Егоров, С.И. Егорова // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - - № 1.-С. 18-21.
5. Егоров И.Н. Энергозатраты при измельчении в бильной мельнице в магнитоожиженном слое / И.Н. Егоров, Н.Я. Егоров // Международный научно-исследовательский журнал. - 2016, № 8 (50), Часть 3. - С. 44-47.
6. Егоров Н.Я. Роль самоизмельчения порошка в магнитоожиженном слое при диспергировании в бильной мельнице / Н.Я. Егоров, И.Н. Егоров, В.П. Крыжановский и др. // Международный научный институт “EDUCATIO”, 2015, № 2(9). - С. 41-44.
7. Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов/ Е.Г. Аввкумов – 2-е изд., перераб. и доп.- Новосибирск: Наука, 1986. - 263 с.
8. Егоров И.Н. Влияние электромагнитного воздействия при измельчении на структурное состояние порошков ферромагнитных материалов / И.Н. Егоров // Технология металлов. - 2015, № 3. - С. 34-40.
9. Lileev, A.S. Structure and magnetic properties of nanocrystalline alloys based on Nd₂Fe₁₄B obtained by various techniques / A.S Lileev, Yu. D Yagodkin, Yu. V. Lyubina et al. // J. Magn. and Magn. Mater. 2003. vol. 258-259. pp. 586-589.
10. Young R.A. The Rietveld Method / R.A. Young.- Oxford University Press, 1993. - 523 p.
11. Кривоглаз М.А. Дифракция рентгеновских лучей и нейтронов в неидеальных кристаллах / М.А. Кривоглаз.- Киев: Наукова думка.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Yagodkin Yu.D. Kompleksnye issledovaniya struktury magnitotverdykh nanomaterialov na osnove oksidov [Complex studies of magnetohard oxide based nanomaterials structure] / Yu.D. Yagodkin // Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov [Factory laboratory. Materials diagnostic]. - 2012. - V. 78, № 1. - P. 31 – 42. [in Russian]
2. Gorelik S.S. Otsenka aktivnosti ferritovykh poroshkov s pomoshchyu energii mikroiskazheniy [Evaluation of ferrite powder activity with the help of microdistortion energy] / S.S. Gorelik, B.E. Levin, I.I. Kaneva – Sb.: «Struktura i svoystva ferritov» [Structure and properties of ferrites]. – Minsk: Nauka i tekhnika. 1974. – P. 128 – 132. [in Russian]
3. Egorov I.N. Vliyanie elektromagnitnogo vozdeystviya na intensivnost izmelcheniya ferromagnitnykh materialov v udarnoy melnitse [Influence of electromagnet effect on intencity of milling ferromagnet materials in beater mill] /I.N. Egorov, S.I. Egorova // Tekhnologiya metallov [Technology of metals]. - 2012. - № 3. - P. 42 -47. [in Russian]
4. Egorov I.N. Vliyanie elektromagnitnogo vozdeystviya na dispersnyy sostav pri pomole ferromagnitnykh materialov v bilnoy melnitse [Influence of electromagnet effect on particle size distribution during milling of ferromagnet materials in beater mill] / I.N. Egorov, S.I. Egorova // Izvestiya vuzov. Poroshkovaya metallurgiya i funktsionalnye pokrytiya [News of universities. Powder metallurgy and functional coatings]. - - № 1.- P. 18-21. [in Russian]
5. Egorov I.N. Energozatraty pri izmelchenii v bilnoy melnitse v magnitoozhizhennom sloe [Energy consumption during milling in beater mill in magneto fluidized bed]/ I.N. Egorov, N.Ya. Egorov // Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatelskiy zhurnal [International research journal]. - 2016, № 8 (50), Part 3.- P. 44-47. [in Russian]
6. Egorov N. Ya. Rol samoizmelcheniya poroshka v magnitoozhizhennom sloe pri dispergirovanii v bilnoy melnitse [Role of powder selfmilling in magneto fluidized bed in beater mill] / N. Ya. Egorov, I. N. Egorov, V.P. Kryzhanovskiy and others // Mezhdunarodnyy nauchnyy institut “EDUCATIO” [International science institute “EDUCATIO”], 2015, № 2(9).- P. 41-44. [in Russian]
7. Avvakumov E.G. Mekhanicheskie metody aktivatsii khimicheskikh protsessov [Mechanical methods of chemical processes activation] / E.G. Avvkumov – 2-nd ed.- Novosibirsk: Nauka [Science], 1986.- 263 p. [in Russian]
8. Egorov I.N. Vliyanie elektromagnitnogo vozdeystviya pri izmelchenii na strukturnoe sostoyanie poroshkov ferromagnitnykh materialov [Influence of electromagnet effect on structure state of ferromagnet materials powders during milling in beater mill] / I.N. Egorov // Tekhnologiya metallov [Technology of metals]. - 2015, № 3. - P. 34-40. [in Russian]
9. Lileev A.S. Structure and magnetic properties of nanocrystalline alloys based on Nd₂Fe₁₄B obtained by various techniques / S. Lileev, Yu. D. Yagodkin, Yu. V. Lyubina et al. // J. Magn. and Magn. Mater. 2003. vol. 258-259. pp. 586-589.
10. Young R.A. The Rietveld Method / Young R.A.- Oxford University Press, 1993.- 523 p.
11. Krivoglaz M.A. Difraktsiya rentgenovskikh luchey i neytronov v neidealnykh kristallakh [X-ray and neutron diffraction in imperfect crystals] / M.A. Krivoglaz.- Kiev: Naukova dumka [Scientific thought]. 1983. [in Russian]