Введение к работе
Актуальность темы. Ферритовые материалы широко используются в современной радиоэлектронной технике, основной тенденцией которой является миниатюризация и микроминиатюризация изделий. Это обусловливает разработку и внедрение методов синтеза, позволяющих получать порошковые материалы и изделия из них с высокой химической и гранулометрической однородностью, что обеспечивает повышение электромагнитных и механических характеристик последних.
В настоящее время для получения ферритовых порошков применяются керамический метод, метод с использованием солевых смесей и химические методы, основанные на равновесной и неравновесной кристаллизации.
Универсальной и во многих случаях единственной технологией получения ультрадисперсных материалов с заданным строением (типа ферритов, керметов, высокотемпературной и оптической керамики, композиционных материалов, высокотемпературных сверхпроводников, сорбентов, катализаторов и т.п.) является метод, получивший название криохимического.
Криохимический метод получения многокомпонентных порошковых материалов, относится к неравновесным методам кристаллизации.
Суть метода заключается в распылении и замораживании предварительно приготовленных и смешанных в нужном соотношении водных растворов солей ферритообразующих компонентов, причем соотношение металлических компонентов в растворе равно их соотношению в получаемом феррите. Благодаря высокой скорости замораживания в полученном материале фиксируется пространственное распределение компонентов, близкое к раствору.
Удаление растворителя (воды) из замороженного раствора производится путем сублимации его паров при низких температурах и давлениях (ниже тройной точки). Это позволяет удалять растворитель, не допуская его плавления, и, следовательно, сохраняя однородность распределения солевых компонентов в объемах гранул. Термическое разложение приводит к получению ферритовых порошков, а горячее прессование - ферритовых изделий с высокой плотностью и мелкозернистой микроструктурой.
Основными преимуществами криохимической технологии являются: чистота продуктов синтеза, строгое соответствие составов исходного раствора и получаемого материала, высокая однородность распределения микрокомпонентов в матрице материала, что повышает воспроизводимость свойств, дает возможность регулирования размеров частиц порошков и, следовательно, зернового состава получаемого феррита. Преимущество данной технологии заключается также в том, что при универсальном оборудовании можно получать широкий круг материалов и быстро менять их ассортимент.
Однако приходится констатировать, что в настоящее время, несмотря на большие потенциальные возможности криохимической технологии, сведения о промышленном использовании материалов іюлрецШМ этим методом и промышленном оборудовании для их ппойїЙоіШй^^а ограничены.
-2-Одним из возможных решений является разработка непрерывной технологии, обеспечивающей возможность совмещения стадий замораживания и сублимационного обезвоживания. Необходимые предпосылки для решения этой задачи создаются на основе применения модульных и непрерывнодействующих сублимационных установок с непосредственным вводом в вакуум жидких растворов в виде потока моно- или полидисперсных капель. Требования к эффективности промышленных сублимационных установок приводят к необходимости совершенствования конструкций их основных узлов и определения рациональных режимов работы. Это, в частности, относится к разработке оребренных тепло-подводящих устройств для сублимационной сушки, производительность которых определяет производительность модульной установки в целом; надежно действующих устройств ввода растворов в вакуумный объем и устройств загрузки замороженных гранул на ленты конвейеров для непрерывнодействующих сушилок. Известные сублимационные установки не учитывают особенности неорганических материалов, используемых в криохимическом методе синтеза.
Решению указанных и некоторых других проблем и посвящена настоящая работа, которая выполнялась в соответствии с Приказами Министерства радиопромышленности СССР, Государственной программой "Разработка технологий на основе нетрадиционных методов воздействия на вещества и реакции", 1992-2000 г. г..
Цель работы. Разработка научных и технических решений, обеспечивающих создание необходимых условий тепло- и массообмена при сублимационном обезвоживании многокомпонентных солевых растворов, а также методов расчета, необходимых для конструирования сублимационного оборудования применительно к условиям криохимической технологии ультрадисперсных неорганических материалов.
Научная новизна работы определяется следующими результатами: - разработана и экспериментально подтверждена физическая модель процесса сублимационного обезвоживания гранулированного материала на оребренной поверхности при кондуктивном энергоподводе, основанная на предположениях об изотермичности замороженного слоя и переменной температуре по высоте ребра;
предложен метод выбора режимных параметров при сублимационном обезвоживании в вакууме неорганических материалов, основанный на поддержании температуры теплоподводящеи поверхности на уровне температуры термического разложения наименее устойчивого компонента смеси ферритообразующих солей;
теоретически обоснована и экспериментально подтверждена зависимость температуры термического разложения ферритообразующих солей от давления, при котором протекает процесс теплового воздействия на них;
теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что удельная поверхность ферритового материала при сублимационном обезвоживании возрастает на 10-50% при введении в раствор вспомогательного компонента с темпе-
-3-ратурой термического разложения ниже температуры термического разложения солей любого из компонентов смеси и разлагающегося при термолизе с образова-нием газообразных соединений. Практическую значимость работы составляют:
- результаты выполнения отраслевых директивных мероприятий Минрадио-
прома и НИОКР по внедрению криохимической технологии в промышленное
производство прецизионных марок ферритовых изделий, обеспечивающих оте
чественную потребность в элементах памяти ЗУ ЭВМ;
рекомендации по определению режимных параметров при сублимационном обезвоживании в вакууме неорганических материалов, основанные на поддержании температуры теплоподводящей поверхности на уровне температуры термического разложения наименее устойчивого компонента смеси;
в результате расчетов и лабораторных исследований предложены новые технические решения:
методика расчета, компоновочная схема (патент РФ № 2032132) и конструкция вакуум-распылительных сублимационных установок;
способ повышения дисперсности мелкодисперсных порошковых материалов (патент РФ №2023319);
конструкции устройств ввода растворов в вакуум (а.с. № 1657906) непрерывно-действующих сублимационных установок.
конструкции устройств загрузки гранулированных замороженных материалов на ленту конвейера в вакуумном объеме (а.с. № 1677466) непрерывно действующих сублимационных установок.
Результаты работы использованы: - непосредственно в практике получения ферритовых материалов для изготовления магнитных головок и других элементов ЗУ ЭВМ. Предложенный комплекс новых технологических и технических решений позволил:
-
повысить выход годных, воспроизводимость электромагнитных параметров ферритовых изделий и их дисперсность; повысить производительность и надежность работы оборудования, расширить его функциональные и эксплуатационные характеристики.
-
сократить потребное количество технологических установок для реализации криохимического метода синтеза в промышленных условиях за счет совмещения процессов испарительного замораживания капель исходного раствора в вакууме и их сублимационного обезвоживания в одном аппарате, а также использования непрерывнодействующих сублимационных установок.
- при разработке технических заданий и проектировании сублимационных установок УВСФ-3.1 и УВСФ-16 производительностью соответственно 8 и 25л/ч в МГУ инженерной экологии (г. Москва), ОАО "Вакууммаш" (г. Казань), ОАО "Машиностроительный завод "Прогресс" и АООТ "АНИИТИВУ (г.Астрахань);
- внедрены на ОАО "Машиностроительный завод "Прогресс" в составе ав
томатизированной линии для промышленного производства высокоплотных фер
ритов и в АООТ <АНИИТИВУ» для проведения научно-экспериментальных Ра-
-4-бот по созданию новых марок ферритовых изделий в составе: вакуумного крио-гранулятора УВК-1.1, установки УВС-1 вакуумной криогрануляции и сублимационной сушки, промышленной установки сублимационной сушки ферритовьгх материалов с замораживанием в вакууме УВСФ-3.1, экспериментальной сублимационной установки СУНД-5 непрерывного действия;
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
физическая модель процесса сублимационного обезвоживания гранулированного материала на оребренной поверхности при кондуктивном энергоподводе, основанная на предположениях об изотермичности замороженного слоя и переменной температуре по высоте ребра;
метод выбора режимных параметров при сублимационном обезвоживании в вакууме неорганических материалов, основанный на поддержании температуры теплоподводящей поверхности и слоя на уровне температуры термического разложения наименее устойчивого компонента смеси;
обоснование зависимости температуры термического разложения феррито-образующих солей от давления, при котором протекает процесс теплового воздействия на них;
способ увеличения удельной поверхности ферритового материала при сублимационном обезвоживании на 10-50% при введении в раствор вспомогательного компонента с температурой термического разложения ниже температуры термического разложения солей любого из компонентов смеси и разлагающегося при термолизе с образованием газообразных соединений;
методика расчета, компоновочная схема и конструкция вакуум-распылительных сублимационных установок;
конструктивные решения устройств ввода в вакуум растворов и устройств загрузки гранулированных замороженных материалов на ленту конвейера непре-рывнодействующих сублимационных установок в условиях направленных потоков водяного пара.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и получили одобрение на Третьей Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2002), XIV школе-семинаре молодых ученых и специалистов "Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках" (Рыбинск, 2003), Научно-технической конференции Минрадиопрома "Проблемы технологии магнитных элементов дисковых накопителей информации" (Астрахань, 1989 ) , 9 и 10-й Научно-технических конференциях молодых ученых "Запоминающие устройства на магнитных дисках. Разработка, технология, материалы, контроль"
(Астрахань, АНИИТИВУ, 1985, 1986), Всесоюзном конкурсе на лучшую НИОКР Президиума ЦП НТО радиотехники, электроники и связи (Москва, 1984) и Астраханском областном конкурсе на лучшую НИОКР Совета НТО (Астрахань,
1983).
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 12 публикациях, 4 патентах и изобретениях.
Объем и структура работы. Диссертация объемом 223 страницы текста состоит из введения, шести глав, заключения и 16 приложений, включает 39 рисунков, 14 таблиц и списка использованной литературы из 174 наименований.
