Оборудование для смешения и измельчения ферритовых
реклама
Московский Государственный Университет Стали и Сплавов (Технологический Университет) Кафедра ―Технологии материалов электроники‖ Оборудование для смешения, и измельчения ферритовых порошков. Преподаватель: Канева Ирина Ивановна Выполнил студент группы: ТЭМ-О2-1 Карсанов Д. А. Москва 2006 год Содержание Введение…………………………………………………………………………..3 1. Смешение исходных компонентов...…….……………………………...…..4 - Барабанные смесители……………………………………………………….....4 - Конусные смесители………………………………………………………...….5 - Бегунковые смесители……………………………………………………….....6 - Обзор смесителей фирмы ―Айрих‖…………………………………………....6 2. Измельчение ферритовых порошков……………………..…………...8 2.1 Шаровые мельницы……………………………………………………….….8 2.2 Вибрационные мельницы………………………………………….………..13 2.3 Дезеннтеграторные мельницы……………………………………………...15 2.4 Аттриторные мельницы……………………………………………….…….16 3. Физико-химические основы смешения и измельчения……….…..18 Заключение…………………………………………………………………….23 Список использованных источников…………………………………….24 2 Введение Получение однородной смеси, состоящей из порошков различного химического состава, достигается тщательным ее смешением. В результате механического смешивания двух или нескольких разнородных компонентов соотношение их в любом достаточно малом объеме, взятом в произвольном месте смеси, должно быть одинаковым. Особый смысл эта операция приобретает при керамическом способе получения ферритов, когда из различных по химической природе порошков необходимо получить однородную смесь. Однако необходимость смешения часто не исключается и при некерамических методах получения ферритов, так как различия в растворимости и в осаждении солей могут привести к неоднородному осаждению осадка (например, компоненты могут быть распределены в осадке по слоям). Различие в магнитных, электрических и физико-механических свойствах ферритовых изделий часто бывает связано с плохим смешиванием исходных веществ. Высокую однородность смеси обычно удается получить легче, используя порошки с более мелкими частицами. Другими словами, чем выше дисперсность порошков, тем более однородной получается смесь. Таким образом, сочетание измельчения частиц порошка и смешения приводит к достижению большей однородности, чем простое смешение. Вместе с тем следует учитывать, что исходные компоненты обычно представляют собой достаточно мелкодисперсные порошки, поэтому при смешении сырья следует выбирать такое оборудование, которое рассчитано на эффективное выполнение не измельчения, а лишь смешения и разрушения комков из слипшихся частиц порошка. Перемешивание в какой-либо жидкой среде чаще всего дает больший эффект в достижении однородности, чем сухое смешение. Средой для мокрого смешения могут служить различные жидкости: дистиллированная вода, различные спирты, керосин, бензин, четыреххлористый углерод и др. Однако необходимо учитывать тот факт, что жидкая рабочая среда может образовывать различные соединения с исходными окислами и солями. Эго может привести, во-первых, к потере части какого-либо исходного компонента, а во-вторых, к снижению качества смешения. Следует также иметь в виду, что применение мокрого способа часто затрудняет переход к последующим технологическим операциям, требуя дополнительных затрат на сушку. Поэтому, несмотря на некоторое преимущество мокрого смешения, обработка сухой смеси порошков иногда предпочтительнее. Качество измельчения и смешения зависит от: 1) разновидности методов; 2) конструктивных особенностей смесителей и мельниц (степень заполнения рабочей камеры обрабатываемой смесью и мелющими шарами, характер перемещения смеси и шаров внутри рабочей камеры, рабочей среды); 3) физико-химических особенностей отдельных компонентов смешиваемой и размалываемой смеси. 3 Процесс смешения исходных компонентов сырья при изготовлении ферритов происходит преимущественно в смесителях периодического действия: барабанных с вращающимся корпусом, V-образных и конусных. Наибольшее распространение для измельчения и смешения ферритовой шихты получили шаровые барабанные и вибрационные мельницы. 1. Смешение исходных компонентов. Смешение – это механический процесс равномерного распределения отдельных компонентов во всем объеме смеси под действием внешних сил. Процессы смешения исходных компонентов и измельчения шихты являются одними из основных процессов в ферритовом производстве. В мелкосерийном производстве ферритов эти процессы совмещаются путем совместного измельчения исходных компонентов в мельницах периодического действия. В серийном производстве с целью стабилизации технологических режимов необходимо предварительное смешение исходных компонентов. Это позволяет повысить однородность химического состава шихты после последующей операции измельчения, а также применять мельницы непрерывного действия. Смешение осуществляется быстро вращающимися рабочими органами (лопасти, винты, шнеки, ножи); во вращающемся резервуаре смесителя; сжатым воздухом. Тип смесителя выбирают с учетом состояния перемешиваемой массы, ее объема, толщины слоя, производительности, соотношения смешиваемых компонентов, степени однородности, способа загрузки и выгрузки продукта. Для смешения исходных компонентов используют различные типы смесителей в зависимости от свойств смешиваемых материалов и объемов партий: барабанные, V-образные и конусные смесители (рис.1), смесительные бегуны, лопастные и шнековые смесители периодического и непрерывного действия. Ось вращения барабана может быть горизонтальной или наклонной, а форма барабана - цилиндрической или многогранной. Линейная скорость вращения барабанов составляет 0,8 – 1 м/с. Частота вращения определяется соотношением n ≤ 12/R½ об/мин (где R- радиус барабана).В зависимости от степени заполнения барабана порошком движение частиц порошка внутри рабочего объема будет различным: так, при > 10% степени заполнения рабочего объема сыпучий материал будет непрерывно обрушиваться после подъема на некоторую высоту за счет сцепления порошка со стенками вращающегося барабана. Обычно степень заполнения барабана при смешивании 35—60%. В смесителях с наклонной осью движение частиц компонентов происходит по сложной траектории (вращение плюс колебание поперек оси). Условия для смешения в этом случае значительно лучше, чем в смесителях с горизонтальной осью, так как даже без использования специальных внутренних элементов в процессе смешения достигается равномерное распределение всех компонентов смеси по объему. 4 Рисунок 1- Барабанные (а и б), V- образный (в) и конусный (г) смесители В V-образном смесителе (рис. 1, в) каждая половина барабана отклонена от вертикальной оси на 40°. Такое их расположение оказывает расцепляющее и разворачивающее действие на поток частиц смеси порошков, что приводит к усложнению траектории движения частиц и интенсивному смешению. Конусные смесители (рис. 1, г) используются для перемешивания крупнообъемных партий. В таких смесителях, благодаря вращению шнека по образующей конуса при одновременном перемещении шнека вдоль стенки конуса траектория движения частиц представляет собой спираль, что обеспечивает высокую однородность перемешивания. 5 Рисунок 2- Схема конического шнекового 1 - двигатель; 2 – корпус; 3 - шнек; 4 - опора; 5 - узел выгрузки смесителя: Высокая однородность смешиваемых порошков может быть получена на бегунковом смесителе (рис.3). Бегунковые смесители используют также для приготовления плотных сыпучих масс, а также для перемешивания и подготовки густых паст. В таком смесителе частицы порошка перемешиваются с помощью катков-бегунов, которые расположены на оси в виде гантели. Перемешиваемая смесь подгребается непрерывно под вращающиеся бегуны металлическими лопатками, укрепленными на той же оси, что и сами бегуны. Для обеспечения высококачественного смешения порошковообразных материалов используют циркуляционные смесители с псевдоожиженным слоем. Эти смесители состоят из резервуара емкостью до 3 м3, внутри которого вращается вертикальный вал с несколькими рядами лопастей. Снизу через газораспределительные кассеты подается воздух. Принцип работы смесителя состоит в обеспечении пневмомеханического перемешивания частиц, находящихся во взвешенном состоянии. Лопастные смесители в производстве ферритов часто применяют для смешения порошков со связкой с целью получения паст перед формованием протяжкой. Смесители состоят из металлического корыта, в котором установлены один или два вала с лопастями. Смесители непрерывного действия отличаются большей длиной валов и корыта по сравнению с периодически действующими смесителями. Рисунок 3- Бегунковый смеситель: 1 – диски-бегуны; 2 – металлические лопатки; 3 - ось В серийном производстве ферритов широкое применение нашли смесители интенсивного действия фирмы «Айрих» производительностью до 1250 кг/ч при полностью автоматизированной подаче компонентов (рис.4). 6 Эти смесители состоят из вращающегося в наклонном положении смесительного резервуара с эксцентрически расположенными завихрителями и стационарным комбинированным инструментом (рис.5). Комбинированный инструмент поворачивает поток материала и разделяет его. Разделенные потоки направляются в противоположных направлениях, обеспечивая макросмешивание. Благодаря вращающемуся смесительному резервуару и специальным инструментам возникают горизонтальные и вертикальные потоки материала, обеспечивающие оптимальную однородность смешиваемого материала. Рисунок 4- Общий вид смесителя фирмы «Айрих» Рисунок 5- Схема смесителя фирмы «Айрих» 7 2. Измельчение ферритовых порошков Оборудование для измельчения ферритовых порошков очень разнообразно по конструкции и степени измельчения. Измельчить материал до частиц заданного размера можно раздавливанием, а раскалыванием, разламыванием, истиранием, ударом и различной комбинацией этих действий, на которых основаны принципы работы разных мельниц и помольных агрегатов. Для дезагрегации и тонкого измельчения ферритовых порошков используются различные мельницы: шаровые, вибрационные, эксцентриковые, дезинтеграторные, а также аттриторы. Выбор мельницы осуществляется с учетом конкретных свойств измельчаемого материала и серийности производства. В производстве ферритов существенным является вопрос об износе мелющих тел и корпуса мельницы, вызывающем загрязнение шихты намолом. Для уменьшения намола применяют стальные мельницы, футерованные резиной или твердосплавными пластинами. 2.1 Шаровые мельницы Шаровая мельница периодического или непрерывного действия представляет собой цилиндрический барабан, внутри которого помещаются стальные шары и обрабатываемая шихта (рис.6). Принцип действия шаровой мельницы заключается в следующем. При вращении помольной камеры мелющие тела увлекаются посредством сил трения и центробежного эффекта стенкой барабана, поднимаются на некоторую высоту и перекатываются и падают вниз, измельчая частицы материала в зоне соприкосновения шаров. Диаметр шаров выбирается в зависимости от физико-химических свойств измельчаемой шихты (насыпной плотности, дисперсности частиц, степени агрегированности). На рис.8 показан общий вид промышленных шаровых мельниц. Частота вращения барабана определяет характер движения мелющих тел внутри него и тем самым механизм измельчения (рис.9). При небольшой частоте вращения барабана наблюдается движение мелющих тел, показанное на рис.9 а. При этом преобладает истирание в результате перетирания частиц порошка между перекатывающимися шарами. При большой частоте вращения барабана центробежная сила прижимает шары и частицы порошка к стенкам барабана, и они вращаются как единое целое (рис.9 б). В этом случае ни смешения, ни измельчения не происходит. Наиболее интенсивное измельчение происходит при оптимальной частоте вращения барабана, когда обеспечивается как истирание, так и его измельчение в результате удара шаров (рис.9 в).С целью уменьшения шума и загрязнения обрабатываемой шихты материалом корпуса барабана, внутреннюю его часть облицовывают резиной, при этом активность получаемых порошков уменьшается. 8 Рисунок 6- Барабанная шаровая мельница для мокрого помола: 1 – опоры; 2 – полуоси барабана; 3 – мелющие тела (шары); 4 – загрузочный люк; 5 – корпус барабана; 6 – отверстие для слива cуспензии Рисунок 7- Внешний вид шаровой барабанной мельницы 9 Рисунок 8- Общий вид шаровых мельниц Рисунок 9- Схема перемещения мелющих тел (шаров) в шаровой барабанной мельнице: а — при малой частоте вращения барабана, б — при большой частоте вращения барабана, в — при промежуточной (оптимальной) частоте вращения барабана Практикой установлено, что объем загрузки шаров для соблюдения наилучших условий перетирания порошка должен составлять от 0,4 до 0,5 объема барабана. Повышение загрузки от 40 до 50% объема барабана с одновременным пропорциональным увеличение обрабатываемого материала ведет к непрерывному повышению производительности мельницы. Более конкретные исследования говорят, что шары должны занимать около 42-44% объема мельницы. При такой загрузке шаров чаще всего наблюдается трение качения. При режиме качения в работе участвуют все шары. В случае перехода от трения качения к трению скольжения (при увеличении коэффициента трения между шарами и корпусом барабана) снижается эффект массообмена на поверхности шары – материал, в результате чего уменьшается производительность шаровой мельницы. Диаметр шаров d выбирается в зависимости от диаметра барабана D. Критерий для определения диаметра шаров d i3 D , где i 13 32,5 в зависимости от твердости измельчаемого материала. Обычно диаметр шаров равен 5 10 мм . 10 Практикой работы с ферритовыми порошками и исходными материалами установлено, что наилучшие результаты получаются при использовании стальных шаров одного диаметра (5-8 мм). Оптимальные количества материала М, мелющих тел Ш и воды В удовлетворяет соотношению М:Ш:В = 1:8:1. Наименьшее время смешения достигается при загрузке массы (материала и воды) в количестве 1,1 к объему пустот между шарами (в шаровой мельнице при использовании шаров одинакового размера пустоты составляют 40% от общего объема шаров). При мокром процессе в шаровой мельнице вполне естественным является требование текучести материала. Обработка при слишком высокой вязкости ведет к прилипанию материала на стенки барабана и шаров. При некотором уменьшении вязкости наступает область оптимальных условий работы барабана. При жидкой консистенции наблюдается некоторое уменьшение времени перетирания и смешения материала, но в таких условиях происходит наиболее сильный износ шаров и барабана. Особенно чувствительны к оптимальным значениям консистенции материала мелкие шары. Фактор вязкости представляет собой величину, которую трудно определить в пигментированной системе для перетирания. По японским данным необходимая для обработки в шаровых мельницах консистенция пасты получается при 54% размалываемого материала и 46% воды. В этом случае величина скольжения равна нулю. Рисунок 10- Зависимость скольжения от концентрации пасты. Диаметр барабана шаровой мельницы может быть самым различным; от самого маленького на ¼ литра до самых больших на несколько тысяч литров. Длина барабана самым непосредственным образом влияет на интенсивность продольного смешения . Практикой установлено, что отношение диаметра барабана и его длины должно быть равно1. Как правило это соотношение колеблется от 0,8 до 1,2. 11 На качество смешения в шаровой мельнице большое влияние оказывает перемещение частиц вдоль оси барабана. Вобычном исполнении в шаровой мельнице не существует никаких рабочих органов, которые бы принудительно осуществляли этот процесс осевого перемещения частиц. Для устранения этого недостатка внутри барабана шаровой мельницы устанавливают перегородку, изображенную на рис.11. Рисунок 11. Эллиптическая перегородка 1 установлена под углом 450. Перегородка, имеющая отверстие в центре, скреплена со стержнями 2, закрепленными в торцах барабана. При вращении стержни ворошат шары, а перегородка, рассекая массу шаров, пересыпает их через центральное отверстие от одного торца барабана к другому, осуществляя осевое перемещение смешиваемого продукта. Характер смешения зависит от скорости вращения барабана, которая ограничивается наличием критического числа оборотов nкр 42,3 / D об/мин . При достижении n кр находящиеся внутри барабана тела под действием центробежного ускорения начинают вращаться вместе с барабаном. Рисунок 12- график скорости вращения шаровой мельницы в виде функции критической скорости и расхода мощности На кривых указаны стрелками те скорости, при которых внешний ряд шаров отрывается от всей массы и падает в самый низ. При 50% загрузке 12 стальных шаров этот процесс наступал при 68% от критической скорости, при 40% загрузке – при 65%, при 30% загрузке – при 63% от критической скорости. Таким образом скорость вращения шаровой мельницы при работе определяется по формуле: v 0,65nкр . Достоинствами шаровых мельниц являются, простота устройства, удобство в эксплуатации, высокая однородность получаемых смесей (до 95%). Недостатками являются недостаточное использование объема барабана (40-45%), высокая длительность процесса (10-100 часов), затрудненность тонкого измельчения из-за недостаточности энергии соударения шаров, широкая кривая распределения частиц по размерам. 2.2 Вибрационные мельницы Вибрационные мельницы периодического и непрерывного действия состоят из цилиндрического барабана (рабочей камеры), совершающего 3000-6000 колебаний в минуту с небольшой амплитудой (2-4 мм) (рис.13). Предельный диаметр рабочей камеры составляет 650 мм и обусловлен возникновением зон с низкой энергией шаров. Вибрация создается пружинами, на которые опирается рабочая камера. Амплитуда колебаний рабочей камеры задается несбалансированными грузами, укрепленными на оси вращения электродвигателя, жестко соединенной с рамой, на которой укреплены пружины и рабочая камера. Барабан на 70-80% загружается мелющими телами в виде стальных шариков и измельчаемым материалом. В вибрационной мельнице измельчение более эффективно, чем в шаровой мельнице, так как в этом случае мелющие тела приобретают большие ускорения, чем при свободном падении, и производят большее число соударений в единицу времени. Кроме того, вибрационные мельницы занимают меньшие рабочие площади, имеют меньшую массу и потребляемую мощность. 13 Рисунок 13- Схема вибрационной мельницы Рисунок 14- Общий вид вибрационных шаровых мельниц: в — камерная, б — вращающаяся барабанная Основными факторами, определяющими процесс измельчения в вибрационных мельницах, являются: амплитуда и частота колебаний рабочей камеры, размер и материал мелющих тел, степень заполнения рабочего объема камеры, количественное соотношение мелющих тел и измельчаемого материала. Мелющие тела описывают в камере сложную криволинейную траекторию. Параметры этой траектории зависят от амплитуды и частоты колебаний корпуса камеры. Эффективность измельчения зависит от частоты колебаний вибрационной мельницы в большей мере, чем от амплитуды, так как при увеличении амплитуды возрастает лишь ударная сила мелющих шаров, в то время как с повышением частоты колебаний увеличивается не только сила удара, но и количество соударений шаров. Выпускаемые промышленностью вибромельницы имеют амплитуду колебаний 3-4 мм при частоте 25 Гц и 2 мм при частоте 50 Гц. Недостатками вибрационных мельниц являются меньший срок эксплуатации по сравнению с шаровыми мельницами и меньшая однородность шихты после измельчения в результате расслоения компонентов при вибрации. Исследованиями установлено, что при сухом измельчении в вибрационных мельницах в местах контактов шаров при ударах возникают удельные давления до 1500 МПа на площадях 10 -3...10-5 см2, что приводит к локальному повышению температуры до 1000°С (1273 К). Время при этом составляет примерно 10-4 с и сильного разогрева порошка не происходит. В таких условиях возможны локальные превращения в фазовом составе материала, например образование феррита из смеси оксидов. 14 Представляют определенный интерес установки для термовибропомола, разработанные В.А.Ткаченко. Эти установки состоят из вибромельниц, помещенных в разъемную камерную печь. При температуре в камере 600-7000С происходит значительное ослабление прочности сцепления частиц внутри агрегатов, что обеспечивает полноту дезагрегации шихты при помоле и достижение высокой насыпной плотности измельченной шихты. Эти установки позволяют совмещать операции помола и синтеза ферритовой шихты и сократить тем самым технологический цикл получения ферритовых порошков. Разновидностью вибрационных мельниц являются эксцентриковые мельницы. Эксцентриковая мельница содержит цилиндрическую рабочую камеру, заполненную мелющими телами. К рабочей камере с помощью поперечной траверсы прочно прикреплен возбудитель колебаний, расположенный вне оси силы тяжести и центра тяжести рабочей камеры (рис.16). На поперечной траверсе прочно закреплен двигатель и параллельно ему противовес. Помольная камера закреплена на пружинах или винтовых рессорах. Преимущество такой конструкции заключается в том, что колебание мельницы возникает с одной стороны, т.е. эксцентрически, достаточно далеко от оси силы тяжести и центра инерции помольной камеры. Благодаря этому обычные круговые колебания сочетаются с эллипсоидными и линейными колебаниями. Линейные колебания повышают скорость движения загруженного материала мельницы примерно в 4 раза, по сравнению с мельницами с кругообразной вибрацией. Благодаря этому повышается не только обычная ударная сила, но и сила удара трения. В эксцентриковых мельницах исключаются зоны с небольшой энергией шаров, что позволяет повысить преодолеть верхний предел диаметра рабочей камеры 650 мм. Рисунок 15- Схема эксцентриковой мельницы 2.3 Дезеннтеграторные мельницы Дезеннтеграторные мельницы или дезеннтеграторы состоят из двух дисков, заключенных в кожух и вращающихся с большой скоростью в противоположные стороны (1500-2000 об/мин). На дисках закреплены концентрическими рядами штифты (стержни) (рис.16). Материал загружают 15 через боковую воронку, откуда он поступает в центральную часть полости между двумя вращающимися дисками. Проходя через все ряды штифтов, движущихся встречно с большой скоростью (относительная окружная скорость периферийного ряда штифтов достигает 200 м/с), материал измельчается, отбрасывается к стенке и выводится через отверстие, расположенное в нижней части кожуха. Тонкая дезагрегация материала в основном достигается в результате истирания. Производительность дезинтеграторов достигает 1000 кг/ч. Дезинтеграторы в основном применяются для дезагрегации порошков гексаферритов перед сухим прессованием в магнитном поле. Рисунок 16- Схема дезинтегратора 2.4 Аттриторные мельницы Для мокрого измельчения ферритов широко используют помольные агрегаты – аттриторы. Разработаны конструкции аттриторов сухого помола с классифицированным отбором фракций порошков по размерам. Общий вид аттритора показан на (рис.17.). Рисунок 17- Общий вид аттритора 16 Аттритор представляет собой шаровую мельницу с неподвижным, установленным вертикально рабочим барабаном цилиндрической или конической формы. В пространстве, заполненном шарами, вращается мешалка в виде стальных стержней, укрепленных на вертикальном валу (рис.18). Стальные стержни разнесены по высоте вала и расположены под некоторым углом друг относительно друга. При вращении вала стержни перемещают шары и измельчаемый материал в аксиальном и радиальном направлениях, осуществляя измельчение и смешение. Быстрое вращение мешалки около вала образует центральную воронку, засасывающую шары и сообщающую им также вертикальное перемещение. Процесс помола можно производить в непрерывном и периодическом режимах, сухим и мокрым способами. Число оборотов вала-мешалки для аттритора емкостью 3-5 можно плавно менять от45 до 400 об/мин. В аттриторе используют мелкие шары ( d 5 7 мм ) в результате чего значительно увеличивается активная мелющая поверхность. Соотношение М:Ш:В = 1:10:1 Длительность измельчения в аттриторе составляет 3 часа и позволяет S 20 достичь удельной поверхности порошка уд. м2/г . По скорости измельчения аттриторы занимают промежуточное положение между шаровыми и вибрационными мельницами. При этом достигаемая тонина помола и однородность частиц по размеру значительно выше, чем при использовании шаровых или вибрационных мельниц. Преимуществом аттриторов является малое потребление энергии, повышенная безопасность труда, низкий уровень шума, простота загрузи и выгрузки материала. Объем барабана аттритора достигает 2 м3 , производительность помола – 200 кг/ч. В таблице 1- основные характеристики аттриторов. Разновидностью аттритора является мельница, в которой вместо стальных стержней, предназначенных для смешения шаров и шихты, на вертикальном валу мешалки укреплены стальные кольца, расположенные по винтовой кривой вдоль оси вала. Такое расположение колец обеспечивает активное смешение шаров и частиц обрабатываемых порошков в вертикальном направлении. Сложная циркуляция частиц порошка и шаров способствует активному смешению смеси и получению высокой однородности шихты по химическому составу. Эти мельницы называются молинексами. Фирмой «Айрих» выпускаются аттриторы для мокрого измельчения с принудительной сепарацией частиц. В качестве мешалки используются перфорированные стальные диски, укрепленные на вертикальном валу. Под действием насоса суспензия и шары циркулируют в вертикальной плоскости, перемещаясь сквозь перфорированные вращающиеся диски. Это приводит к сосредоточению крупных частиц в верхних слоях суспензии, которые с помощью насоса перемещаются ко дну аттритора. Такая циркуляция крупных частиц обеспечивает их ускоренное измельчение и тем самым сужает кривую распределения частиц по размерам. 17 Рисунок 18- Схема цилиндрического Аттритора Таблица 1- Основные характеристики аттриторов Тип «Бур» Объем барабана, л Объем порошка, л Масса шаров, кг Скорость мешалки, об/мин Мощность, кВт Масса без шаров, кг 5 2,2-2,4 20 200 2 100 «Бекас» «Бастион» 150 50-70 500 100 11 1000 400 110-180 1300 90 18 1900 «Брус» 1100 280-450 3400 50 45 3500 При эксплуатации мельниц, содержащих мелющие шары, необходимо учесть износ шаров. Это приводит к уменьшению их среднего диаметра и уменьшению заполнения камеры. Поэтому периодически помольные агрегаты подпитываются шарами более крупной фракции. Иногда возникает необходимость полной замены изношенных шаров. 3. Физико-химические основы смешения и измельчения. Получение однородной смеси достигается тщательным смешиванием. Часто наблюдаемый значительный разброс магнитных параметров сердечников, в особенности малогабаритных, как правило, связан с плохим смешиванием компонентов. Однородность ферритов зависит не только от тщательности и времени перемешивания и технических данных аппарата, в котором оно производится, но и от дисперсности шихты. Чем выше дисперсность отдельных компонентов шихты, тем однороднее получаемая смесь. Таким образом, однородность шихты непосредственно зависит от характера измельчения. Поскольку обе эти операции — перемешивание и 18 измельчение — связаны технологически, обычно они производятся одновременно в шаровой или вибромельнице. Идеальным материалом для получения ферритов следует считать гомогенную смесь исходных веществ с молекулярной степенью дисперсности. Можно ожидать, что такой материал получается при осаждении смеси компонентов из раствора их солей. Но фактически идеально однородная смесь образуется только в том случае, если происходит одновременное выпадение в осадок отдельных компонентов и притом в тех же молярных соотношениях, в каких они находятся в растворе, например в виде смешанных кристаллов. Последнее может быть достигнуто только тогда, когда кристаллы отдельных компонентов изоморфны. Исследование осаждения гидроокисей некоторых металлов, применяемых в производстве ферритов, произведено В. П. Чалым и С. П. Роженко , отметившими, что чистые гидроокиси, не содержащие примесей основных солей, получаются при их осаждении посредством едкого натра из санти- или децинормальных растворов нитратов. Если осаждение гидроокисей производится из раствора смеси солей, одна из которых является солью железа, то при старении из гидроокисей получаются ферриты. Это обстоятельство говорит о том, что смесь гидроокисей предельно однородна и каждая из них находится в смеси в состоянии, близком к молекулярной степени дисперсности. Такую смесь можно рассматривать, как гидратированный твердый раствор гидроокисей, который дегидратируется при комнатной температуре и превращается в феррит. Возможность получения высокогомогенных смесей обуславливается тем, что кристаллы гидроокисей двухвалентных металлов изоморфны, и их осаждение происходит в средах, кислотность которых почти одинакова; например, ионы железа, никеля, цинка, магния и других металлов осаждаются при рН = 6 1. Поэтому кристаллы двух гидроокисей выпадают из раствора одновременно и в тех соотношениях, в которых они находятся в растворе. Следует подчеркнуть, что при осаждении гидроокисей из растворов, содержащих ионы двухвалентного железа, получаются преимущественно смеси, из которых в последующем можно синтезировать ферриты при относительно низких температурах. Если же растворы содержат ионы Fe3+ и двухвалентного металла, то одновременного выпадения гидроокисей не происходит из-за различия рН осаждения двух- и трехвалентного ионов, и гомогенность полученного осадка будет недостаточной. Для повышения однородности потребуется дополнительное перемешивание. Смеси гидроокисей невысокой гомогенности получаются также при осаждении в условиях, способствующих образованию основных солей; такие условия создаются при осаждении этих гидроокисей из растворов сернокислых и галоидных солей или из концентрированных растворов. Для синтеза ферритов с высокой проницаемостью и низкими коэффициентами потерь имеет значение чистота гидроокисей. Лучшими свойствами в указанном выше смысле будут обладать осадки, не содержащие 19 адсорбированных или включенных загрязняющих примесей. Если загрязнение гидроокисей все же имеет место, то желательно, чтобы примеси были достаточно летучими и удалялись в процессе синтеза ферритов. С этой точки зрения осаждению аммиаком следует отдать предпочтение перед осаждением едкими щелочами. Но вместе с тем надо учесть способность гидроокисей к образованию комплексных соединений с аммиаком, а также растворимость их в аммонийных солях, образующихся в результате реакции осаждения, особенно при высоких концентрациях последних. Существенное значение для физико-химических характеристик осажденной гидроокиси имеет обеспечение постоянных условий, не изменяющихся в течение всего процесса осаждения (рН среды, концентрация растворов, температура и т. п.). Исследование осаждения Аl(ОН)3, проведенное А. А. Трапезниковым и А. М. Толмачевым, показало, что способ осаждения определяет химический состав, дисперсность и адсорбционные свойства осадка гидроокиси алюминия. Указанные авторы разработали способ поддержания постоянного рН осаждения путем одновременного сливания реагентов в реакционный сосуд с водой; постоянная скорость подачи растворов поддерживается путем применения специальных устройств. Если смеси, получаемые методом осаждения, обладают высокой гомогенностью и достаточной дисперсностью, то смеси, изготовляемые из окислов соответствующих металлов, требуют тщательного смешения, а в ряде случаев также измельчения и разрушения конгломератов, прочность которых значительно меньше прочности компактного вещества. По данным некоторых исследователей, до помола средняя величина частиц NiO и Fe2O3 составляет 0,01, a ZnO — около 0,1 мк. В шаровых мельницах сверхтонкое измельчение, обеспечивающее величину частицы порошка от 0,1 до 1 мк, недостижимо. Только вибрационным воздействием могут быть получены вещества в состоянии такого тонкого измельчения. Сопоставление величины частиц исходных окислов с величиной частиц, получаемых помолом в обычных типовых машинах, показывает, что при первичном помоле (до предварительного обжига) измельчения окислов может и не происходить. При первичном помоле, вероятно, имеет место только разрушение конгломератов и смешение компонентов шихты до более или менее высокой однородности. С этой точки зрения для первичного помола рационально применять такие машины и выбирать для них такие режимы работы, которые были бы рассчитаны на эффективное выполнение не измельчения, а смешивания и разрушения конгломератов. По мере увеличения степени дисперсности материала растет его удельная поверхность, а, следовательно, увеличивается и свободная поверхностная энергия системы. Эта энергия может самопроизвольно уменьшиться либо изза укрупнения частиц, либо вследствие адсорбционных процессов, происходящих на поверхности раздела фаз. Наиболее легко адсорбируются и удерживаются на поверхности так называемые поверхностно-активные вещества. Они способствуют измельчению материала, снижая его твердость, препятствуя смыканию трещин, которое происходит под действием молеку20 лярных сил, и отделяя свежеобразованные частицы друг от друга слоем адсорбировавшихся на их поверхности молекул. Мокрое измельчение всегда обеспечивает более тонкое измельчение, чем сухой помол. Весьма тонкое измельчение, не может быть произведено ни в каких мельницах без участия поверхностно-активных веществ, т. е. без адсорбции в поверхности раздела фаз. Процесс адсорбции, вероятно, протекает с более значительной скоростью в поверхности раздела твердое тело — жидкость, чем в контактной поверхности между двумя твердыми телами и этим можно объяснить большую эффективность мокрого помола. Средой при мокром измельчении могут служить как полярные, так и неполярные жидкости. Из полярных жидкостей применяются вода, спирты и другие; из неполярных — четыреххлористый углерод, керосин, бензин и тому подобные производные нефти. Неполярные жидкости несколько лучше полярных в качестве среды для измельчения. Окислы кальция и магния, отличающиеся высокой гидрофильностью, предпочтительно измельчать в светлых нефтепродуктах, углеводородах или спирте. Альберс-Шенберг отмечает, что окись железа обладает «сродством» к воде и «тенденцией к образованию геля». Как известно, гель представляет собой дисперсную систему, в которой дисперсионная среда находится в связанном состоянии, чем обусловлены его квазитвердые свойства. Таким образом, в случае измельчения смеси окислов, предназначенных для приготовления ферритов, которая всегда содержит в качестве основного компонента окись железа, а нередко и окиси кальция и магния, вода является не лучшей средой помола. Дело в том, что если структуры, образованные окислами, очень прочны, то при помоле в водной среде мелющие тела не столько дробят материал, сколько разрушают непрерывно восстанавливающиеся структуры. Эти и некоторые другие причины привели к замене воды керосином или бензином. Некоторой представление о влиянии среды на эффективность вибропомола керамических материалов можно получить из сопоставления 21 относительного увеличения удельной поверхности материала в результате помола в разных средах: Среда помола S, см-1 Метанол.......... ………….55,8 Изоамиловый спирт……….280,4 Бензол……………………………11,9 n-дециловый спирт……….272,2 Парафин…………….…………….6,0 Гликоль……………………38,3 Анилин……………………………9,7 Вода………………………..22,9 Исходя из сказанного, увеличение эффективности измельчения во многих из приведенных выше жидкостях следует объяснить присутствием в них примеси поверхностно-активных веществ. Важным является и характер измельчения, который может быть дробящим и истирающим. Первый характеризуется дроблением частицы измельчаемого тела на две или несколько частей сравнимой величины. При истирающем помоле с поверхности частицы снимается тонкий слой без существенного изменения ее величины. Такой измельчение наблюдается иногда при неправильном режиме работы шаровой мельницы и приводит к недостаточной однородности смеси. А в недостаточно однородных смесях ход химических реакций и связанный с ними процесс спекания замедляются. Однородность смеси можно определить методом меченых атомов , а время перемешивания, необходимое для получения однородной смеси, — расчетом, на основании экспериментальных данных. Величина частиц твердого тела существенно отражается также на его растворимости, которая повышается с уменьшением размера частиц. П. П. Будников указывает, что тонкоизмельченная окись магния, даже обожженная при высоких температурах («неактивная»), реагирует с водой, образуя гидрат окиси магния. Это специфическое свойство веществ в состоянии тонкого измельчения имеет значение в производстве ферритов, так как дозированная смесь исходных веществ часто подвергается обработке (измельчению, перемешиванию и т. п.) в водной среде, и часть, среды обычно удаляется декантацией или фильтрованием. Количества унесенного вместе со средой вещества могут быть различными, и состав конечного продукта будет находиться в зависимости от дисперсности веществ и колебаться от случая к случаю. 22 Заключение Основные характеристики ферритов зависят не только от их химического состава и структуры соединений, но и от микроструктуры изделий, которая определяется технологией их получения. Смешение и измельчение порошков играет очень важную роль в производстве ферритов. Операция смешения исходных окислов является совершенно самостоятельной, существующей вне зависимости от операции измельчения. Для смешения необходимо свое специальное оборудование, в котором будет достигаться наибольшее значение поверхности контакта между компонентами и высокая однородность. Измельчение проводится для получения частиц определенной формы и величины, от размера которых зависит проведение последующих операций формования и спекания. Оно может быть тонким и сверхтонким. В настоящее время лучшим оборудованием для мокрого смешения (именно при мокром смешении получаются наилучшие результаты) следует признать шаровую мельницу и смеситель типа «Аттритор». 23 Список используемой литературы 1) Технология ферритов Л.И. Рабкин, С.А. Соскин, Б.Ш. Эпштейн Государственное энергетическое издательство г. Москва 1962 2) Технология производства ферритовых изделий Э.А. Бабич, Л.М. Летюк, В.А. Нифонтов Москва ―Высшая школа‖ 1978 3) Основы Физики и Технологии Оксидных Полупроводников Ю. А. БРУСЕНЦОВ, А. М. МИНАЕВ ИЗДАТЕЛЬСТВО ТГТУ Министерство образования Российской Федерации Тамбовский государственный технический университет 24
