Совершенствование и реализация методов контроля параметров магнитофореза ферропримесей природных и технологических сред Сандуляк Дарья Александровна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Основные сведения о методах и результатах контроля параметров магнитофореза ферропримесей природных и техногенных сред . 12

1.1. Систематизация результатов полиоперационного магнитоконтроля содержания ферропримесей в различных средах 12

1.1.1. Обзор нормативных требований по содержанию железа и его соединений в природных и техногенных средах 12

1.1.1.1. Сыпучие среды 12

1.1.1.2. Горюче-смазочные материалы 20

1.1.2. Массово-операционные характеристики магнитоконтроля и принятая их функциональная легализация. Базовая опытно-расчетная модель 24

1.2. Анализ роли параметров, характеризующих результативность фильтрационного (тонкого) магнитофореза ферропримесей 33

1.3. Задачи исследования 41

Глава 2. Экспериментальное опровержение универсальности базовой модели полиоперационного магнитоконтроля содержания ферропримесей. Подход к совершенствованию модели 43

2.1. Данные магнитоконтроля содержания ферропримесей полевого шпата (сырья строительных материалов и изделий) 43

2.1.1.Особенности массово-операционных характеристик магнитоконтроля 43

2.1.2. Анализ массово-операционных характеристик, гистограммы распределения количества и объема феррочастиц по размерам 45

2.2. Данные магнитоконтроля содержания ферропримесей формовочной (для отливок) смеси 50

2.2.1.Особенности массово-операционных характеристик магнитоконтроля 50

2.2.2. Анализ массово-операционных характеристик, гистограммы распределения количества и объема феррочастиц по размерам 55

2.3. Данные магнитоконтроля содержания ферропримесей золоотходов (добавочного сырья строительных материалов и изделий) 57

2.4. Обоснование подхода к совершенствованию опытно-расчетной

модели метода магнитоконтроля. Результаты реализации метода 63

Глава 3. Развитие исследований по полиоперационному магнитоконтролю содержания ферропримесей: новые возможности базовой модели . 73

3.1. Магнитный фильтрационный анализатор секционно-проточного типа 73

3.2. Данные магнитоконтроля содержания ферропримесей смазочно-охлаждающей жидкости, индустриального масла, дизельного топлива

3.3. Особенности получения данных магнитоконтроля ферропримесей с использованием «удлиненного» секционного анализатора (на примере моторного масла), анализ применения блочного принципа 84

3.4. Особенности получения данных магнитоконтроля ферропримесей с использованием «укороченного» секционного анализатора (на примере бензина, моторного и индустриального масел) 93

Глава 4. Развитие исследований по контролю и технологической оптимизации параметров фильтрационного магнитофореза ферропримесей 99

4.1. Подход к уточнению расчетных выражений эффективности магнитофореза на основании полевых зависимостей средней индукции в фильтр-матрице и эффективности 99

4.2. Рекомендации к использованию температурных зависимостей вязкости потока среды в выражениях для эффективности магнитофореза 108

4.3. Получение обобщенных данных тета-параметра (решением обратной задачи фильтрационного магнитофореза) для их использования в расчетных выражениях эффективности магнитофореза 113

Основные результаты и выводы 119

Литература 122

• Обзор нормативных требований по содержанию железа и его соединений в природных и техногенных средах
• Анализ массово-операционных характеристик, гистограммы распределения количества и объема феррочастиц по размерам
• Особенности получения данных магнитоконтроля ферропримесей с использованием «удлиненного» секционного анализатора (на примере моторного масла), анализ применения блочного принципа
• Рекомендации к использованию температурных зависимостей вязкости потока среды в выражениях для эффективности магнитофореза

Введение к работе

Актуальность темы. Контролю ферропримесей, присутствующих в природных и техногенных средах (наличие этих примесей обусловлено преимущественно износом и коррозией элементов оборудования) и оказывающих негативное влияние на их качество, технологию того или иного процесса, надежность работы оборудования, качество изделий и пр., уделяется большое внимание.

Так, наряду с повсеместным, причем довольно жестким нормированием их содержания (об этом свидетельствуют десятки ГОСТов для сырьевых компонентов строительных материалов и изделий, ингредиентов продуктов питания, горючесмазочных материалов механизмов, машин, станков и пр.) имеются и постоянно совершенствуются приборы и методы контроля этих примесей. А что касается обеспечения соответствующих нормативных показателей, то для этого, разумеется, существуют (и тоже постоянно совершенствуются) различные методы и средства удаления ферропримесей из тех или иных природных и техногенных сред.

Среди методов контроля подобного рода примесей известное применение получил метод полиоперационного магнитоконтроля, потребность в котором значительно возросла в связи со все более широким применением именно магнитных методов и средств для удаления (магнитофореза) ферропримесей. Поскольку эти примеси обладают преимущественно магнитоактивными свойствами, то результаты магни-токонтроля, по сути, одновременно дают информацию и о потенциальной возможности удаления ферропримесей посредством таких, магнитофоретических (практически наиболее распространенных) методов и аппаратов: магнитных сепараторов, фильтров и пр.

Существенный прогресс в модернизации данного метода, позволившей значительно повысить точность контроля, был достигнут благодаря обоснованию условия обязательного опытного получения массово-операционной зависимости контроля и, что весьма важно – ее функциональной легализации. Это принципиальное положение, в том числе основанное на идеях и результатах работ научной школы акад. Клюева В.В., в частности, в области создания и использования магнитных методов и устройств для контроля качества обработки и оценки состояния материалов и изделий, дало возможность осуществлять расчетную экстраполяцию массово-операционной зависимости и тем самым определять любую текущую операционную массу (в том числе за пределами фактического эксперимента). Главное же, стало возможным определение общей массы и – истинного содержания ферроприме-сей в пробе среды, подвергаемой контролю. Метод, квалифицируемый как опытно-расчетный, прошел апробацию для ряда сред, в частности, кварцевого песка, поле-

вого шпата, различных видов муки и крупы, измельченного чайного листа, какао-порошка, бензина, моторного масла и пр.

Вместе с тем, по мере использования этого метода контроля применительно к иным средам стали обнаруживаться факты отклонения получаемой массово-операционной зависимости от обычно наблюдаемой экспоненциальной. Это указывало на неприемлемость (к таким средам) принятого опытно-расчетного метода полиоперационного магнитоконтроля и на необходимость его дальнейшего совершенствования – для получения достоверных данных о содержании ферропримесей в этих «нетипичных» средах.

Кроме того, если вынужденной мерой становится удаление (для выполнения нормативных требований) избыточного содержания ферропримесей и для этого целесообразно воспользоваться, например, методом тонкого фильтрационного магни-тофореза, то, как показывают результаты опытов, его реализация не всегда может оказаться достаточно эффективной. Так, принципиальные технологические параметры этого типа магнитофореза, несмотря на имеющиеся многочисленные эксперименты, все же нуждаются в дальнейшей проработке.

В частности, несмотря на признанную значимость базового выражения для эффективности фильтрационного магнитофореза и наличия массива соответствующих экспериментальных данных, тем не менее, в недостаточной мере выясненным является вопрос о функциональной роли фигурирующего в этом выражении такого ключевого параметра как напряженность намагничивающего (фильтр-матрицу) поля. В связи с этим сопутствующим представляется и требующий специального выяснения вопрос о роли средней индукции поля в фильтр-матрице, в том числе с учетом варьируемой плотности ее упаковки.

К замечаниям, касающимся упомянутого базового выражения, необходимо также отнести и то, что в нем, хотя и справедливо фигурируют параметры, характеризующие степень активности ферропримесей при осуществлении фильтрационного магнитофореза, такие как магнитная восприимчивость и размеры феррочастиц, всегда имеются затруднения в оперировании их значениями. К сожалению, затруднительно дать однозначный ответ по поводу тех или иных конкретных значений этих параметров в реальных условиях объективного, причем в широких диапазонах, изменения этих параметров. И это снижает практическую ценность самого базового выражения, в то время как технологическая потребность в нем остается по-прежнему высокой.

Изложенные выше проблемные вопросы легли в основу исследований, результаты которых представлены в данной работе.

Работа выполнена в соответствии с Государственным заданием в сфере научной деятельности №9.1189.2014/К по теме: «Разработка и практическая реализация новых подходов к диагностике и совершенствованию аппаратов магнитофореза, создание приоритетных образцов аппаратов лабораторного и промышленного назначения».

Целью работы является совершенствование (для обеспечения необходимой точности) метода полиоперационного магнитоконтроля ферропримесей природных и технологических сред, а также установление роли параметров, характеризующих уровень намагничивания фильтр-матрицы и степень активности ферропримесей при осуществлении процесса их фильтрационного магнитофореза.

Задачи исследования:

1. Выполнить опытную часть метода полиоперационного магнитоконтроля ферро-примесей различных жидких и сыпучих сред, используя для соответствующего мониторинга расширенный круг сред. Оценить правомочность применения для них базовой опытно-расчетной модели, основывающейся на экспоненциальном характере получаемой массово-операционной зависимости выделения (при контроле) ферропримесей.

2. Для случаев отклонения массово-операционной зависимости магнитоконтроля от экспоненциальной предложить модель, которая бы способствовала совершенствованию метода магнитоконтроля с соблюдением необходимой точности такого контроля.

3. Определить (и сопоставить с нормативами) значения фактического содержания ферропримесей в пробах сыпучих и жидких сред, используемых в различных отраслях промышленности. Оценить возможность использования метода контроля для более тонкой (в сравнении с порогом чувствительности традиционных методов контроля) диагностики ферропримесей.

4. На основании данных о влиянии такого ключевого параметра фильтрационного магнитофореза ферропримесей как напряженность намагничивающего (фильтр-матрицу) поля детализировать функциональную роль этого параметра в выражении для эффективности магнитофореза, в том числе посредством обобщения экспериментальных данных, полученных при осуществлении магнитофореза ферроприме-сей различных сред. Дать экспериментально и теоретически обоснованную оценку возможности альтернативного использования параметра средней индукции поля в фильтр-матрице, в том числе в случае варьирования ее плотности упаковки.

5. Найти практическое решение вопроса количественной конкретизации таких объективно вариабельных и «широкодиапазонных» (при осуществлении магнитофоре-

за ферропримесей) параметров как магнитная восприимчивость частиц примесей и их размеры.

Научная новизна работы.

В результате применения полиоперационного магнитоконтроля ферропримесей с использованием сравнительно широкого круга сред выявлены не рассматривавшиеся ранее особенности его реализации. Так, для проб полевого шпата, формовочной смеси и золоотходов получены массово-операционные зависимости контроля, в целом отличные от типичной экспоненциальной (за исключением хвостовых участков этих зависимостей), что потребовало внесения изменений в расчетную модель метода. А для проб ранее не подвергаемых анализу горюче-смазочных материалов (дизтопливо, смазочно-охлаждающая жидкость, индустриальное масло и пр.) подтвержден обычно отмечаемый экспоненциальный характер полученных массово-операционных зависимостей. При этом показана возможность использования данного метода контроля для более тонкой (в сравнении с порогом чувствительности традиционных методов контроля) диагностики ферропримесей.

Установлено, что нетипичный характер ключевых массово-операционных зависимостей (в полулогарифмических координатах – выраженных кусочно-линейных, дающих основание подвергнуть сомнению справедливость экспоненциальной модели) обусловлен присутствием ферропримесей повышенного спектра крупности. Это подтверждено гистограммами (пооперационно сужающимися) распределения количества и объема частиц ферропримесей по размерам.

Показана возможность использования концепции «блочной группировки» операций магнитоконтроля, что становится весьма полезным для случая, когда полученная массово-операционная зависимость контроля характеризуется определенным разбросом первичных опытных данных.

Уточнена функциональная (скорректированная степенная) роль напряженности намагничивающего (фильтр-матрицу) поля при осуществлении фильтрационного магнитофореза ферропримесей. Это позволило уточнить выражение для определения эффективности фильтрационного магнитофореза по данному (ключевому) параметру этого типа магнитофореза. Предложен и осуществлен подход к обобщению массива экспериментальных данных, дополнительно подтверждающему такую роль.

Показано, что в обычно используемом диапазоне напряженности намагничивающего поля (где кривые намагничивания фильтр-матриц поддаются описанию степенными функциями) более предпочтительным параметром фильтрационного маг-нитофореза является средняя индукция поля в фильтр-матрице, в том числе в случае использования фильтр-матриц с различной плотностью упаковки.

Практическая ценность работы.

На основе модели полиоперационного магнитоконтроля ферропримесей предложен вариант устройства для контроля ферропримесей жидких сред в виде цепочки магнитных накопительных (для диагностики массы осажденных ферропримесей) тест-фильтров.

На примере магнитоконтроля ферропримесей смазочно-охлаждающей жидкости подтверждено, что в случае нормирования размеров частиц (в дополнение к нормированию их содержания), более информативными являются гистограммы распределения объема частиц по размерам (по сравнению с традиционными гистограммами распределения количества частиц по размерам).

С учетом особенности реализации используемого полиоперационного опытно-расчетного метода магнитоконтроля ферропримесей золоотходов (обязательно – посредством их вынужденного суспендирования) разработан и апробирован двух-этапный подход к выделению частиц примесей из среды.

Представлены результаты опытно-расчетного магнитоконтроля ферропримесей (включающего получение массово-операционных зависимостей, их функциональную легализацию и выполнение расчетов по установленным выражениям). Определены и сопоставлены с нормативами значения фактического содержания ферро-примесей в пробах различных жидких и сыпучих сред. В частности, установлено значительное превышение содержания ферропримесей в полевом шпате (в 1,6…2,4 раза). Показана возможность использования этого метода для более тонкого (по сравнению с порогом чувствительности традиционных методов) контроля ферро-примесей, например, в бензине и индустриальном масле.

На примере различных сред показана целесообразность использования базового опытно-расчетного метода магнитоконтроля в случае минимизации числа проводимых операций контроля, предпочтительно – для случаев тестирования содержания ферропримесей на соответствие нормируемым значениям.

На основании полученных феноменологических зависимостей вязкости среды от температуры приведена дополнительная аргументация к выяснению характера влияния температуры среды (в базовом выражении – неявного параметра) на эффективность фильтрационного магнитофореза ферропримесей.

Для обобщенной характеристики влияния таких объективно вариабельных и «широкодипазонных» параметров как магнитная восприимчивость феррочастиц и их размеры, в практике использования уравнения магнитофореза предпочтительно оперировать понятием «тета-параметр». Рассмотрен метод контроля этого параметра и получены его конкретные значения (для ферропримесей бензина, СОЖ и инду-

стриального масла) посредством выполнения тест-эксперимента с последующим учетом полученного значения в уравнении магнитофореза.

Новые разработки, касающиеся создания способов и устройств контроля фер-ропримесей жидких и сыпучих сред, защищены: патентом на изобретение, патентом на полезную модель, приоритетными справками Роспатента еще по двум заявкам на изобретения.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

Новые, не подчиняющиеся базовой модели полиоперационного магнито-контроля ферропримесей, результаты контроля ферропримесей (полевой шпат, формовочная смесь, золоотходы).

Новые, подчиняющиеся базовой модели полиоперационного магнито-контроля, результаты контроля ферропримесей (дизельное топливо, смазочно-охлаждающая жидкость, индустриальное масло и др.).

. Усовершенствованная (по сравнению с базовой) модель полиоперационного магнитоконтроля ферропримесей, предусматривающая возможность выявления и экспоненциальной экстраполяции хвостового участка получаемой «кусочно-линейной» (в полулогарифмических координатах) зависимости выделяемых масс ферропримесей от порядкового номера операции и др. . Усовершенствованные (применительно к жидким средам) подходы в рамках базовой модели полиоперационного магнитоконтроля.

. Выражения для эффективности фильтрационного магнитофореза ферропримесей с уточненными (либо дополнительно легализованными) аргументами, такими как:

степенная функция напряженности намагничивающего (фильтр-матрицу) поля, или альтернативно - средняя индукция поля в фильтр-матрице, учитывающая ограниченную степенную связь с напряженностью, в том числе для матрицы с различной плотностью упаковки;

температура среды, связь динамической вязкости (как признанного явного параметра магнитофореза) с которой может быть логарифмической, степенной экспоненциальной и пр.

тета-параметр, совокупно и усредненно учитывающий роль таких объективно вариабельных параметров как магнитная восприимчивость и размер ферроча-стиц (тета-параметр определяется решением обратной задачи фильтрационного магнитофореза путем проведения пробного эксперимента).

Личный вклад автора в работу.

Автор осуществляла выполнение, обработку и анализ результатов экспериментов, совершенствование опытно-расчетной модели магнитоконтроля, при-

нимала непосредственное участие в совершенствовании приемов и средств в рамках активно используемой базовой опытно-расчетной модели, получении выражения для эффективности магнитофореза ферропримесей с уточненной и обоснованной ролью параметров магнитофореза. За активную научную работу она, как аспирант, удостоена стипендии Правительства РФ.

Реализация (внедрение) результатов работы.

Результаты внедрены на предприятиях ОАО Завод «Фрегат», ООО «Ногинский комбинат строительных смесей», экономический эффект от внедрения составил 1,34 млн. рублей.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: «4^th Intern. Conf. on Energy Systems, Environment, Entrepreneurship and Innovation» (Дубай, ОАЭ) 22-24 февраля 2015 г.; «Applied Physics, Simula-tion and Computers» (Вена, Австрия) 15-17 марта 2015 г.; «2-nd Intern. Conf. on Advanced Materials, Structures and Mechanical Engineering» (Инчхон, Юж. Корея) 28-31 мая 2015г.; Conf. «Materials Engineering for Advanced Technologies» (Лондон, Великобритания) 27-28 июня 2015 г., «World Congress on Engineering 2015» (Лондон, Великобритания) 1-3 июля 2015 г.; Conf. «Recent Advances in Mechanics, Mechatronics and Civil, Chemical and Industrial Engineering» (Закинтос, Греция) 16-20 июля 2015 г.

Публикации. Результаты исследований работы опубликованы в 35 научных работах, в том числе 1 патенте РФ на изобретение и 1 патенте РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 137 странице, содержит 51 рисунок, 9 таблиц, она состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 208 наименований и 4 приложений.

Обзор нормативных требований по содержанию железа и его соединений в природных и техногенных средах

При этом здесь методом контроля содержания этих примесей выступает магнитоконтроль, что позволяет уже по результатам такого контроля прогнозировать потенциальную результативность работы магнитных сепараторов. Между тем, уже довольно широкое применение таких сепараторов на различных предприятиях пищевой промышленности позволяет повышать качество продукции и снижать риск причинения вреда здоровью человека, повышать надежность работы оборудования [32].

Столь же актуальным является вопрос контроля железистых примесей в иных средах, ранее не подвергавшихся специальному рассмотрению с позиций нормирования этих примесей и получения информации для их результативного магнитофореза.

В частности, это относится к формовочным смесям литейного производства [9, 14], непосредственно контактирующим с металлом: после использования формовочной смеси по назначению происходит ее насыщение ферровключениями. Процесс накопления ферровключений идет постоянно [9-12], поскольку в подавляющем большинстве случаев эти смеси являются оборотными. Поэтому при регенерации смесей (как обязательного этапа в технологии литейного производства) существенная роль отводится магнитной сепарации [9-13].

Осуществляемый магнитофорез ферровключений формовочных смесей способствует решению важных для производства задач, таких как повышение надежности работы оборудования, его долговечности (защита от вызываемых ферровключениями поломок, отказов и выходов из строя оборудования по цикличной переработке смесей: дробилок, мешалок и пр.) [9-11]. При этом увеличивается также долговечность использования самих смесей, что приводит к экономии сырьевых компонентов смесей (в основном, песка и глины [17-19]), экономии средств на их заготовку, сокращению объема направляемых в отвалы отработанных материалов (а это, в свою очередь, решает сразу еще две актуальные задачи: охрана окружающей среды и снижение затрат на содержание отвалов [9, 15, 16]). К тому же полезной становится утилизация извлекаемых железосодержащих включений [9, 10] (для переплава).

Что касается допустимого содержания ферровключений в формовочных смесях, то при отсутствии пока четких нормативных требований в ГОСТ [17] на метод определения окиси железа, его применение предусмотрено только «при массовой доле окиси железа менее 1-2 %».

Однако следует иметь в виду, что при использовании данного ГОСТ, а также ГОСТ [18, 19] применяется фотометрический метод контроля. Но, как уже оговорено выше, этот метод не отвечает однозначно на вопрос о «представительстве» тех железосодержащих включений, которые активны с точки зрения их потенциального выделения (удаления) под воздействием магнитного поля [20]. А это, прежде всего – включения из стали и чугуна (т.е. не оксиды железа, которые, в свою очередь, могут сильно отличаться между собой по магнитным свойствам: у магнетита Fe3O4 и маггемита -Fe2O3 они заметно выражены, а у гематита -Fe2O3 – на два порядка ниже [20, 21]).

Вопросы контроля (и промышленного магнитофореза) ферропримесей, разумеется, актуальны и по отношению к рекомендуемым для целевого использования отходам (в качестве альтернативных сырьевых компонентов при производстве материалов и изделий из стекла и керамики). В частности, это относится к отходам из высокодисперсных частиц золы [23, 24], имеющиеся значительные накопления которых постоянно пополняются. Применение же золоотходов, кроме отмечающегося во многих работах сохранения (или даже улучшения) технико-технологических показателей продукции за счет возможного ресурсосбережения, а также уменьшения и ликвидации отвалов отходов, делает реальной перспективу удешевления продукции с одновременным снижением нагрузки на окружающую среду [22].

При этом контроль (магнитоконтроль) ферропримесей становится особенно важным [22] в тех случаях, когда к сырью предъявляются ограничения по содержанию железистых примесей, например к сырью, используемому, как уже оговорено, в стекольной, керамической и других отраслях промышленности. Одновременно магнитоконтроль железистых примесей, как и ранее, столь же важен и для аргументированного обсуждения вопроса о целесообразности использования соответствующих методов, прежде всего магнитного, для удаления этих примесей.

В числе показательных примеров сред, содержание железистых примесей в которых подлежит обязательному нормированию, – смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), используемые при обработке металлов, а также масл, являющиеся рабочими средами станочного оборудования, машин и механизмов [118].

Так, в процессе эксплуатации и СОЖ, и масл, как известно, неизбежно обогащаются металлическими примесями (составляющими, как правило, весомую долю всех механических примесей). Это – образующаяся стружка, частицы различной степени дисперсности как последствия износа инструмента и трущихся пар, элементов оборудования, их термообработки и коррозии.

Попадающие в СОЖ металлопримеси, изменяя физико-технологические параметры самой СОЖ, такие как вязкость, плотность, стабильность, растекаемость, толщина слоя смазки, охлаждающая способность [26], тем самым негативно влияют и на состояние объектов, омываемых СОЖ: деталь, режущий инструмент.

Особо же сильное изменение этих параметров (вплоть до разрушения СОЖ) вызывает фракция тонкодисперсных частиц. При этом, из-за недостаточной результативности соответствующих методов и средств для ее удаления (флотация, фильтрование, очистка в силовых полях) [27, 28], такая фракция не только находится в системе циркуляции практически постоянно, но и непрерывно накапливается. А что касается масел, то присутствие в них металлопримесей способствует интенсификации износа и выходу из строя трущихся (в слое загрязненного металлопримесями масла) пар узлов различных механизмов, машин, станочного оборудования.

Степень чистоты СОЖ и масел характеризуется многими показателями. В частности, по механическим примесям СОЖ ГОСТами нормируется их концентрация и средний размер частиц [29, 118] (табл.1.4) и, надо заметить, для чистовых операций механообработки соответствующие требования к СОЖ намного ужесточаются.

При этом контроль механических примесей СОЖ осуществляется посредством отстаивания пробы [29, 118] (табл.1.4), что не позволяет отнести этот метод контроля к достаточно точным, особенно если речь идет о высокодисперсных включениях.

Анализ массово-операционных характеристик, гистограммы распределения количества и объема феррочастиц по размерам

Как уже отмечалось в гл. 1, в контроле ферропримесей нуждаются формовочные смеси, многократно используемые для приготовления форм, обеспечивающих получение, в частности, стальных и чугунных изделий методом литья. И здесь, как и для случая с полевым шпатом, массово операционная характеристика магнитоконтроля может оказаться нетипичной, т.е. не подчиняющейся базовой опытно-расчетной модели полиоперационного магнитоконтроля феропримесей. Опыты по операционному выделению ферропримесей из пробы формовочной смеси (рис. 2.7а) [14, 20, 112, 113] при сравнительно небольшом для такой среды количестве n операций (n=11) показали следующее. Массово-операционная характеристика (рис. 2.7а), будучи представленной в полулогарифмических координатах, так же как и в случае с пробой полевого шпата (см. 2.1) действительно имеет специфичный, кусочно-линейный, вид (рис. 2.7б). При этом точка «излома» этой характеристики приходится здесь на n=2-ю операцию.

Для последующего анализа подобного рода характеристик (особенно в целях решения неизбежно возникающей задачи дальнейшего совершенствования метода магнитоконтроля) принципиально важным, как и прежде, является выяснение того, не содержит ли такая характеристика второго «излома». Чтобы подтвердить или опровергнуть наличие второго «излома» (на преобразованной массово-операционной зависимости), необходимо располагать соответствующей зависимостью, полученной при увеличенном числе операций магнитоконтроля ферропримесей [14, 112]. Рис. 2.7. Операционные характеристики (а – в обычных и б – в полулогарифмических координатах) масс выделяемых при магнитоконтроле ферропримесей формовочной смеси при выполнении 11-ти операций контроля [14, 20, 113].

На рис. 2.8 изображены первичная (а) и преобразованная (б) массово-операционные характеристики магнитоконтроля ферропримесей еще одной пробы формовочной смеси – при выполнении n=15 операций контроля. Видно, что и здесь точка «излома» – единственная, она приходится на n=4-ю операцию (рис. 2.8б).

Вместе с тем, заслуживает внимания прежнее предположение, что отсутствие на преобразованной массово-операционной характеристике (рис. 2.8б) таких особенностей как второй «излом» и соответственно отсутствие третьего участка все-таки может быть связано с недостаточным (для проявления этих особенностей) числом опытов-операций. Поэтому для продолжения аргументированного обсуждения вопроса о состоятельности такого предположения необходимо располагать массово-операционной характеристикой, полученной при выполнении достаточно большого числа операций магнитоконтроля. Рис. 2.8. Операционные характеристики (а – в обычных и б – в полулогарифмических координатах) масс выделяемых при магнитоконтроле ферропримесей формовочной смеси при выполнении 15-ти операций контроля [14, 112].

На рис. 2.9 показана (как и ранее, в обычных и полулогарифмических координатах) массово-операционная характеристика магнитоконтроля ферропримесей еще одной пробы формовочной смеси. Отличием этой характеристики от предыдущих родственных характеристик является то, что она получена при весьма большом числе операций магнитоконтроля – n=29 [14, 112].

Тем не менее, и здесь, подобно предыдущим опытам (рис. 2.7 и рис. 2.8), установленные особенности многооперационного магнитоконтроля таких сред сохраняются, а именно. Рис. 2.9. Операционные характеристики (а – в обычных и б – в полулогарифмических координатах) масс выделяемых при магнитоконтроле ферропримесей формовочной смеси при выполнении 29-ти операций контроля [14, 112].

Так, даже при столь большом числе операций магнитоконтроля (n=29) полное выделение ферропримесей не обеспечивается (рис. 2.9а) при стремлении достичь этого только опытным путем (по этой причине любое нормирование по «достаточности» того или иного числа операций не оправдывает себя). Наряду с этим, теперь уже полностью доказанным обстоятельством, можно окончательно констатировать и справедливость сделанного выше заключения о том, что полученная зависимость m от n в полулогарифмических координатах (рис. 2.9б) тоже линеаризуется всего лишь двумя участками, т.е. имеет одну точку «излома». Она приходится здесь на n=5-ю операцию магнитоконтроля. Отсутствие другой «точки излома», как указано выше, свидетельствует о неизменности хода второго пологого участка получаемой при магнитоконтроле зависимости. Это позволяет конкретизировать задачу последующего совершенствования опытно-расчетной модели полиоперационного магнитоконтроля содержания ферропримесей. Изложенные выше принципиальные результаты исследования, касающиеся особенностей полиоперационного магнитоконтроля, полностью подтверждаются почти аналогичной расширенной (n=25) массово-операционной характеристикой [14, 112] (рис. 2.10). В данном случае точка «излома» преобразованной массово-операционной характеристики (рис. 2.10б) приходится на n=3-ю операцию магнитоконтроля.

Операционные характеристики (а – в обычных и б – в полулогарифмических координатах) масс выделяемых при магнитоконтроле ферропримесей формовочной смеси при выполнении 25-ти операций контроля [14, 112]. 2.2.2. Анализ массово-операционных характеристик, гистограммы распределения количества и объема феррочастиц по размерам. Судя по выполненному выше анализу специфичных массово операционных характеристик магнитоконтроля ферропримесей (полевого шпата), уже по самому виду массово-операционных характеристик магнитоконтроля формовочных смесей (на рис. 2.7–2.10 в полулогарифмических координатах: кусочно-линейный) следует ожидать факта изначально широкого, а затем суженного спектра крупности содержащихся в них ферропримесей.

Другими словами, магнитоактивная фракция ферровключений любой из формовочных смесей должна состоять, в свою очередь, условно из двух основных подфракций [14, 113]. При этом первый участок преобразованных характеристик отражает закономерность пооперационного выделения преимущественно первой, «легковыделяемой», подфракции сравнительно крупных частиц и частично второй, «трудновыделяемой», подфракции сравнительно мелких частиц. Второй же участок этих характеристик отражает закономерность пооперационного выделения почти только второй подфракции [14, 113], практически в отсутствие уже выделенной первой подфракции.

Действительно, это доказывают полученные прямые данные по дисперсному составу ферропримесей (рис. 2.11, 2.12), выделенных в каждой из нескольких характерных операций, в частности, при выполнении магнитоконтроля ферропримесей пробы формовочной смеси (см. рис. 2.9б) [14, 112].

Особенности получения данных магнитоконтроля ферропримесей с использованием «удлиненного» секционного анализатора (на примере моторного масла), анализ применения блочного принципа

Метод полиоперационного магнитоконтроля содержания ферропримесей, основывающийся на получении массово-операционных характеристик и их последующей функциональной легализации (для расчета данных операционных масс, в том числе экстраполяционных, а также суммарных масс – в соответствии либо с базовой, либо усовершенствованной моделью), разумеется, остается справедливым и по отношению к жидким средам.

Вместе с тем, хотя принцип выполнения опытной части такого магнитоконтроля ферропримесей жидких сред известен, например, с помощью описанного в гл. 1 магнитного фильтрационного анализатора циркуляционного типа, его применение именно для контроля операционных (в каждом цикле) масс выделяемых и осаждаемых в фильтр-матрице ферропримесей затруднено.

Так, в случае простого заимствования этого анализатора и выполнения с ним действий, связанных с поцикличным извлечением осаждающихся в нем ферропримесей, возникает объективная необходимость пооперационного, сравнительно длительного, нежелательного прерывания процесса пропускания через анализатор исследуемой жидкости. Этого недостатка можно избежать, если использовать секционный магнитный анализатор (рис. 3.1, 3.2), состоящий из цепочки одинаковых магнитных тест-фильтров (секций) [104, 105, 117-121].

При проведении предусмотренных в работе исследований использовался анализатор, рабочая длина каждой из матричных секций которого составляла 25,5 мм. В качестве фильтр-матрицы использовалась засыпка шаров диаметром 5 мм из стали 95Х18 (обладают хорошими ферромагнитными свойствами и, что весьма важно, – коррозионной стойкостью), плотность упаковки такой засыпки, как известно, близка к значению 0,6 [199, 201-203]. Напряженность намагничивающего (фильтр-матрицу) поля, создаваемого противостоящими магнитными элементами, в отсутствие фильтр-матрицы составляла в среднем Я=200…240 кА/м (для определения Я проводились измерения магнитной индукции В миллитесламетром марки ТПУ-03-2, а величину Я находили как Н=В//л0, где //0=410-7 Гн/м - магнитная константа).

При использовании магнитного анализатора секционно-проточного типа (рис. 3.1, рис. 3.2) предусматривается выполнение следующих, необходимых для реализации магнитоконтроля, действий [117-121].

Схема лабораторного секционно-проточного магнитного анализатора ферропримесей жидкости [104, 105, 117-121]: 1 – секция анализатора (с намагничиваемой фильтр-матрицей); 2 – питательная ёмкость; 3 – приемная ёмкость. 1. Непрерывное пропускание исследуемой среды через магнитный анализатор, в каждой матричной секции которого осаждаются и накапливаются присутствовавшие в среде ферропримеси.

Определение массы m осажденных феррочастиц в каждой из n секций. Для этого проводится демонтаж секций (с устранением магнитного воздействия на фильтрующую матрицу путем отвода магнитов), отмывка матрицы от задержанных феррочастиц в отдельной емкости, магнитное выделение (трехкратное) феррочастиц из получаемой суспензии, высушивание выделенной массы феррочастиц и ее взвешивание.

Получение графической зависимости (убывающей) выделенных масс m феррочастиц в каждой секции от порядкового номера n секции.

Выполнение соответствующей обработки полученной зависимости m от n с целью установления ее функционального вида.

Внешний вид лабораторного секционного магнитного анализатора (а) и сечение секции (б): 1 – штуцер; 2 – трубчатый корпус (шланг), 3 – хомут; 4 – спиральный ограничитель; 5 – шарики из стали 95Х18, 6 – противостоящие магниты Nd-Fe-B. 5. Проведение анализа полученной опытной зависимости т от п и ее функционального вида. Найденная связь ШиЙ, о чем шла речь выше, дает все основания для осуществления объективной прогнозной экстраполяции масс т вплоть до и, а также для нахождения суммарной массы феррочастиц в исследуемой пробе (в том числе и феррочастиц, оставшихся в пробе).

На рис. 33а-3.5а показаны массово-операционные характеристики магнитоконтроля ферропримесей смазочно-охлаждающей жидкости, индустриального масла и дизельного топлива [117-121]. Здесь же (рис. 3.3б – 3.5б) представлены те же данные, но в полулогарифмических координатах, позволяющих, как и ранее, судить о возможности легализации массово-операционных характеристик соответствующими экспоненциальными функциями [117-121].

Как видно на рис. 3.3б –3.5б, где преобразованные зависимости т от п становятся квазилинейными, для исследуемых проб горюче-смазочных материалов (смазочно-охлаждающая жидкость, индустриальное масло, дизтопливо), экспоненциальный характер (1.1) полученных массово-операционных зависимостей, а именно т = А-& р(-к-п), действительно подтверждается.

На экспоненциальный характер получаемых массово-операционных характеристик магнитоконтроля ферропримесей косвенно должен указывать также факт сходства гистограмм распределения по размерам количества и объема феррочастиц (сходства спектров размеров феррочастиц), выделенных в каждой из секций полисекционного (полиоперационного) анализатора.

В качестве примера на рис. 3.6 показаны такие гистограммы для феррочастиц, выделенных в каждой из секций четырехсекционного анализатора при пропускании пробы дизтоплива: заметного взаимного различия, а тем более сужения спектра размеров феррочастиц (как в описанных выше показательных случаях магнитоконтроля ферропримесей полевого шпата, формовочной смеси и золоотходов) не наблюдается. Об этом также свидетельствуют подобного рода гистограммы, построенные также по результатам статистической обработки размеров феррочастиц, выделенных при пропускании через шестисекционный анализатор моторного масла (эти гистограммы показаны далее на рис. 3.11 с соответствующими комментариями).

Рекомендации к использованию температурных зависимостей вязкости потока среды в выражениях для эффективности магнитофореза

При намерении дальнейшего обсуждения вопроса о возможности получения дополнительной информации нельзя не заметить следующее обстоятельство.

Обращает на себя внимание специфичный и во многом сходный вид полевой зависимости -параметра (рис. 4.16) и полевой зависимости средней индукции поля В в фильтр-матрице (рис. 4.4) [178, 198], здесь - без учета размагничивающего фактора фильтр-матрицы как квазисплошного магнетика [199].

Такое сходство полевых зависимостей и В непосредственно указывает на то, что вместо параметра Н в выражениях (4.1) и (4.2) и других подобных им выражениях из области фильтрационного магнитофореза целесообразно, как это уже широко практикуется [33, 38, 104, 117, 173], использовать альтернативный ему, более универсальный и во многом более технологичный параметр В.

Для подтверждения возможности использования этого параметра достаточно, обращаясь к полевой зависимости средней индукции В в фильтр-матрице, состоящей из засыпки шаров (рис. 4.4, кривая 1) изобразить ее в логарифмических координатах (рис. 4.5, линия 1).

Тогда нетрудно убедиться, что в довольно широком диапазоне Я=20-ШкА1м (в котором обычно функционируют матричные магнитные сепараторы и анализаторы), эту зависимость в таких координатах можно представить как квазилинейную (рис. 4.5, линия 1). Тем самым она характеризуется степенной функцией. При этом показатель степени при Н оказывается близким к величине 0,7, т.е. В HJ.

Значит, в выражениях (4.1) и (4.2) для -параметра и /-параметра, в которых содержится параметр Н в такой же степени, а именно Н0 1, вместо величины Н0 7 чисто функционально действительно можно использовать параметр В (что оправдано с технологической точки зрения [33, 38, 104, 117, 173]). При этом сами выражения (4.1) и (4.2) с точностью до размерного коэффициента k2 = к могут быть оправдано записаны в виде:

С позиций описанного выше подхода, основанного на легализации зависимостей В от Я для фильтр-матриц в виде степенной (для суженного, но практичного диапазона Н) функции, объяснению поддаются специальные экспериментальные данные (рис. 4.6) [101]. Эти данные получены с использованием фильтр-матриц, имеющих различные значения плотности упаковки у [101]. Согласно этим данным: у (рис. 4.66), причем фильтр-матрицей служила засыпка дробленой стружки с той или иной степенью уплотнения (чего не допускает засыпка шаров).

Так, на ранее упоминавшемся рис. 4.4 приведены дополнительно кривые намагничивания матриц в виде засыпок дробленой стружки с различной плотностью упаковки. Если, как и ранее для засыпки шаров (рис. 4.5, линия 1), воспользоваться для иллюстрации этих кривых логарифмическими координатами (рис. 4.5, линии 2-6), то нетрудно убедиться в следующем.

Для указанных на рис. 4.4 диапазонов у=0,2-0,46 и Н=(20-120)103А/м, судя по квазилинеаризации кривых намагничивания в этих координатах (рис. 4.5, линии 2-6), среднюю индукцию поля В в исследуемой стружечной фильтр-матрице можно выразить в виде степенной связи с Я:

В = кун2Л . (4.5) Здесь В следует искусственно воспринимать в Тл несмотря на то, что напряженность поля - вынужденно безразмерная величина #„ =Н/1А/м. Фигурирующий в (4.5) параметр к, (определяемый для каждой зависимости В от Я из семейства этих зависимостей на рис. 4.5), имеет близкую к прямой пропорциональной связь с плотностью упаковки у (рис. 4.7): ку=кв-у , (4.6) правда, на рис. 4.7 и рис. 4.5 видно, что фигурирующие в (4.6) и (4.5) связи ку у и В Я0,7 являются более точными для несколько суженных диапазонов у и Я: у 0,32 и Я =(30-90) 103А/м. Рис. 4.7. Иллюстрация линейной зависимости параметра у от плотности упаковки у стружечной матрицы - в соответствии с (4.5) по данным рис. 4.5. Значит, из связей (4.5) и (4.6) следует, что с точностью до коэффициента кв =4,310-4 средняя индукция поля В в стружечной матрице, зависящая от Я и у, определяется выражением: В = кв-уН \ (4.7) которое не только свидетельствует о «теневом» присутствии параметра в параметре B, но и после его подстановки в (4.3) и (4.4) с точностью до размерного коэффициента k3 дает выражения:

Эти выражения, судя по установленной здесь связи у, согласующейся с экспериментальными данными (рис. 4.66), вполне пригодны для определения результирующих параметров ц/ и в случае применения стружечных матриц (в магнитных сепараторах и анализаторах).

Таким образом, если в основу выражений, пригодных для определения результирующих параметров ц/ и в случае применения стружечных матриц брать выражения (4.3) и (4.4), то здесь беспокойства по поводу отсутствия параметра у быть не должно: он уже содержится в параметре В. Если же на практике отдается предпочтение не параметру В, а параметру Я, то расчет необходимо производить по формулам (4.8) и (4.9), в которых этот параметр содержится.

Как уже сказано выше (гл.1), кроме первичных параметров, фигурирующих в выражениях (1.12) и (1.13), а также в последующих выражениях (4.1) и (4.2), (4.3) и (4.4), (4.8) и (4.9) для -параметра и ці-параметра, влияние на процесс магнитофореза, конечно же, должен оказывать такой параметр как температура t среды [33], поступающей в зону магнитофореза. Надо отметить, что о влиянии t на процесс магнитофореза также идет речь в работах [158-160].

Из-за отсутствия же параметра t в вышеуказанных выражениях может сложиться кажущееся впечатление «неполноты» содержащейся в этих выражениях информации о параметрах процесса магнитофореза.

Однако такое поверхностное впечатление опровергается тем очевидным фактом, что параметр температуры t в неявном виде содержится в параметре вязкости ц жидкостей и газов, а роль этого параметра при магнитофорезе неоспорима [33, 142, 143, 158-160].

Тем самым, при пользовании указанными выражениями и/или другими родственными выражениями входящий в них параметр ц следует, учитывая содержащийся там теневой параметр t, квалифицировать несколько шире, имея при этом ввиду не только характерные отличия (посредством ц) одной жидкой среды от другой. Крайне важно учитывать также отличительные особенности одной и той же среды, подвергаемой магнитофорезу содержащихся в ней ферропримесей, а именно ту или иную температуру данной среды.

В этой связи, наряду с этими (содержащими параметр ц) выражениями, (1.12) и (1.13), (4.1) и (4.2), (4.3) и (4.4), (4.8) и (4.9) для -параметра и щ-параметра может возникнуть потребность в использовании родственных им выражений, но в которых вместо параметра ц присутствовал бы параметр t. Разумеется, это вполне возможно в случае нахождения функционального вида зависимости динамической вязкости жидкой среды ц от ее температуры t [33].

Как уже оговорено выше, для воды, являющейся весьма распространенной дисперсионной средой технологических жидких сред аналитическую (феноменологическую) зависимость динамической вязкости ц от температуры t можно получить [33], если фактические данные нелинейной зависимости ц от t (рис. 1.7a) представить в полулогарифмических (логарифмических по оси абсцисс) координатах (рис.1.76). В этих координатах в диапазоне температур t от 5...10 С до 70...80С зависимость ц от t становится квазилинейной (рис.1.76), а значит, о чем уже шла речь, - описывается феноменологическим выражением логарифмического типа (1.14) [33]. Его, строго говоря, можно записать в более общем виде: