О ПРОБЛЕМЕ ИЗУЧЕНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ЖЕЛЕЗИСТЫХ ПРИМЕСЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД

На основании анализа нормативной базы содержа ния железистых примесей в различных технологических средах обосновывается необходимость в изучении их магнитных свойств (магнитной восприимчивости) – для потенциального использования магнитной сепарации. Указывается на недостаточную информативность имеющихся концентрационных и полевых зависимостей восприимчивости дисперсных образцов с включениями частиц ферроприм есей, а также на нецелесообразность использования для этой цели не «жестких» образцов (в виде суспензий и коллоидов). Анализируются имеющиеся и нов ые результаты, свидетельствующие о «позднем изломе» концентрационных зависимостей восприимчивости дисперсных образцов. Приводятся данные магнитной восприимчивости железистых частиц прим есей, выделенных магнитофорезом из многих технологических сред.

Ключевые слова: железистые примеси, магнитная восприимчивость, концентрационная и полевая зависимости, дисперсный образец, магнитная сепарация, магнитофорез.

Одним из факторов, оказывающих негативное влияние на качество  сырья и продукции, а также на состояние и работоспособность эксплуатируемого оборудования, является наличие железистых примесей как в самих сырьевых компонентах, так и в получаемых на их основе различных технологических средах, материалах и изделиях. Эти примеси, содержание которых нормируется (табл.1), могут быть природного происхождения или привнесенными в результате неизбежных процессов износа и коррозии оборудования.

Для соблюдения требуемых нормативных показателей применяется магнитная сепарация – на том основании, что железистые примеси преимущественно обладают ферро- и ферримагнитными свойствами. От доли фракции примесей, которым присущи такие свойства (т.е. доли феррофракции), и, что не менее важно – от уровня этих свойств, зависит результативность магнитной сепарации (магнитофореза), а от объективных данных контроля – выбор оптимальных технико-технологических решений по эффективному воздействию на такие примеси и их удалению.

Давно существующие и успешно применяемые многие методы химического контроля, например, в соответствии с ГОСТ №№ 5100, 22552.2, 26318.3, 23673.2, 19728.4, 52530 и др., базирующиеся на переводе железа (в том числе находящегося в составе различных соединений) в ионную форму, дают инфо рмацию об общем содержании железа (или в пересчете на его окислы).

Для получения информации о содержании «магнитных» форм железа и его соединений целесообразно применять метод пооперационного магнитоконтроля, который заключается во многократном (см.  ГОСТ  №№  23672,  25216,  20239,  15113.2,  12573,  5901,  13496.9,  13979.5,  17681,  26185)  магнитном выделении, накоплении и последующем измерении масс ферро - и ферримагнитных примесей (ферропримесей). Существенным развитием этого метода, позволившим повысить достоверность и информативность контроля, явилась концепция функциональной экстраполяции специально получаемой (асимптотически убывающей), массово -операционной зависимости [3, 4]. Созданная опытно -расчетная модель магнитоконтроля дает возможность определять общую массу (включая остаточную) ферропримесей, находящуюся в пробе среды, а, следовательно, их фактическую массовую долю (концентрацию).

Вместе с тем, этот метод, вполне позволяющий оперировать такими понятиями как «магнитная» («магнитно-восприимчивая», «магнитоактивная» и т.п.) фракция, является все же полуколичественным и нуждается в дополнении информацией о магнитной восприимчивости как выделяемых (в результате магнитофореза) конгломератов частиц, так и отдельных частиц, входящих в конгломерат (дисперсный образец).

Табл. 1. Выборка нормативных показателей содержания железистых примесей в различных средах.

* Речь идет о механических примесях, подавляющую часть которых в большинстве случаев составляют ферропримеси

Получение таких данных является крайне необходимым для разработки и применения различных аппаратов магнитофореза (в частности,  магнитных сепараторов) для решения  технико -технологических задач в промышленности, биологии, медицине, экологии и пр. На роль магнитной восприимчивости ч астиц указано во многих работах, этот параметр фигурирует в выражении для магнитной силы уравнении магнито-фильтрационного разделения и в [18, 19], воздействующей на такие частицы.

способствовали и эксперименты [5, 7], где использовались порошковые образцы, дисперсную фазу которых  (при том или ином значении γ) составляли частицы магнетита (рис.1а). Использовались также порошковые образцы, дисперсную фазу которых составляли частицы, выделенные магнитофорезом из различных промышленных сред (рис.1б): 1 – дренажного конденсата АЭС (γ=0,03), 2 – возвратного конденсата ТЭЦ (γ=0,15), 3 – аммиачной воды (γ=0,06), 4 – пара, как исходного компонента аммиачной воды (γ=0,074), 5 – жидкого аммиака, транспортируемого по аммиакопроводу (γ=0,05), 6 – жидкого аммиака производства азотной кислоты (γ=0,1), 7 – оборотной воды прокатного стана (γ= 0,225), 8 – газообразного аммиака производства азотной кислоты (γ=0,04). Кроме того, использовались порошковые образцы, дисперсную фазу которых составляли частицы отложений на рабочих поверхностях оборудования (рис.1б): 9 – на платиновом катализаторе контактного агрегата произво дства азотной кислоты (γ=0,217), 10 – на экранной трубе котлоагрегата (γ= 0,284).




Для   определения   магнитной   восприимчивости   отдельных частиц (входящих в исследуемый дисперсный образец) χ по известному соотношению:

Однако об удовлетворительном обобщении рассматриваемых данны х (рис.2) единой зависимостью

χ от H вряд ли можно говорить (рис.3). Более того, получаемые данные χ вступают в противоречие с физически возможными значениями магнитной восприимчивости отдельных, обязательно обладающих определенным размагничивающим фактором N, частиц магнетита.

Действительно, из общеизвестного понятия о размагничивающем факторе N, а именно N=1/χ-1/χm, где χm – магнитная восприимчивость материала, из которого  состоит частица (здесь магнетит) следует, что при усредненном значении N для частиц (не удлиненных) N@1/3 [11, 13, 21] между χ и χm:

Значит, при фактически повышенных и даже высоких значениях магнитной восприимчивости χm материала, из которого состоит та или иная шароо бразная частица (в том числе и из магнетита), значения восприимчивости самой частицы: χ < 3. В то же время значения χ на рис.3 превышают эту величину, причем в области сравнительно малых H, где значения χm  повышенные, такое превышение существенное – более чем в 6 раз.

Такие, казалось бы, парадоксально увеличенные, значения χ могут быть объяснены только одним, а именно иным (намного меньшим или практически отсутствующим) размагничивающим фактором – из-за образования цепочек частиц. В этой связи целесообразно сравнить показанные на рис.3 данные ма гнитной восприимчивости частиц магнетита χ (точнее – восприимчивости цепочек частиц) с приведенными в [5] данными ряда  авторов о восприимчивости материала магнетита χm. Эти данные фактически ближе к данным χm, чем к данным χ, что действительно свидетельствует об образовании цепочек частиц, а значит – о минимизации размагничивающего фактора.

В [7] приведено прямое доказательство видимого перехода (при γ=[γ]=0,2-0,25) зависимости c от γ (в расширенном диапазоне γ) из линейной в нелинейную. Оно получено с помощью магнетометра Фарадея (полюсные наконечники: полусферы  диаметром 100 мм [9]), в качестве  дисперсной фазы образца (диаметром   5  мм)  использовался  порошок  магнетита.  Для  получения  того  или  иного  значения    γ определенную  массу  этого  порошка  смешивали  с  размолотым   песком.  При  этом   о  предельном (исключительно для порошка) значении γ в образце судили по значению этой массы и занимаемому ею объему, с учетом плотности материала частиц (ее можно контролировать методом вытеснения).

На рис.4 показаны полученные таким же образом концентрационные зависимости (при различной напряженности поля H=80-145 кА/м) магнитной восприимчивости  c   дисперсных  (порошковых) образцов с дисперсной фазой ферропримесей, выделенных магнитофорезом из сахара -песка, кварцевого песка, манной крупы, вторичного пластикового сырья.

Так, сравнительно повышенными магнитными свойствами (рис.5) обладают   ферропримеси оборотной воды прокатного стана (7), возвратного конденсата ТЭЦ (2), жидкого аммиака, транспортируемого по трубопроводу (5), амм иачной воды (3). Несколько уступают им фер ропримеси дренажного конденсата АЭС (1), жидкого и газообразного аммиака производства азотной кислоты (6 и 8), пара как исходного компонента аммиачной воды (4).

Описанный подход к получению данных магнитной восприимчивости феррочастиц (в том числе ферропримесей), как и сами данные, могут оказаться весьма полезными при  решении научных и прикладных задач магнитоконтроля частиц и их эффективного магнитофореза.

Список литературы

1.  Григорьев  М.Н.,  Кирко  И.М. Моделирование   намагничивания ферродиэлектриков.  Доклады АН СССР. 1955. Т. 102. № 4. С. 733–736.

2.             Григорьев    М.   Н.,   Кирко   И.    М.   Исследование   намагничивания   структуры,  моделирующей магнитодиэлектрик. Журнал технической физики. 1956. Т. 26. Вып. 7. С. 1501–1508.

3.          Сандуляк А.А., Полисмакова М.Н., Ершов Д.В. и др. Функциональная экстраполяция массово - операционной характеристики магнитофореза как основа прецизионного метода контроля феррочастиц. Измерительная техника. 2010. № 8. С. 57–60.

4.              Сандуляк   Д.А.,   Сандуляк   А.А.,   Слепцов   В.В.   и   др.   Развитие   опытно -расчетного   метода полиоперационного магнитоконтроля феррочастиц. Измерительная техника.  №5. 2016. С. 53–56.

5. Сандуляк А.В. Магнитно-фильтрационная очистка жидкостей и газов. М. Химия. 1988. 133с.

6.          Сандуляк А.А., Сандуляк Д.А., Полисмакова М.Н., Сандуляк А.В., Киселев Д.О., Ершова В. А. Анализ концентрационных зависимостей магнитной восприимчивости дисперсных магнетитосодержащих сред. Инженерно-физический журнал. 2017. Т. 90. № 4. С. 890–896.

7.        Сандуляк А.А., Полисмакова М.Н., Киселев Д.О. и др. Об ограничении объемной доли частиц в дисперсном образце (при контроле  их магнитных свойств). Тонкие  химические  технологии. 2017. Т. 12.№ 3. С. 11–17.

8.           Сандуляк Д.А., Сандуляк А.А., Киселев Д.О. и др. Определение магнитной восприимчивости феррочастиц по данным восприимчивости  их дисперсных образцов. Измерительная техника. 2017. № 9. С. 48–52.

9.         Сандуляк А.А., Сандуляк А.В., Полисмакова М.Н. и др. Подход к координации малообъемного образца при реализации пондеромоторного метода определения его магнитной восприим чивости. Российский технологический  журнал. 2017.  № 2. С. 57–69.

10.        Chevalier A., Mattei J.-L., M. Le Floc'h. Ferromagnetic resonance of isotropic heterogeneous magnetic materials: theory and experiments. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2000. V. 215-216.  P. 66-68.

11.      Chevalier A., M. Le Floc'h. Dynamic permeability in soft magnetic composite materials. Journal of Applied Physics. 2001. V. 90. P. 3462-3465.

12.         Franzreb M., Siemann-Herzberg M., Hobley T.J., et al. Protein purification using magnetic adsorbent particles. Applied Microbiology and Biotechnology. 2006. V. 70. P. 505–516.

13.        Fukui S., Nakajima H., Ozone A., et al. Study on Open Gradient Magnetic Separation Using Multiple Magnetic Field Sources. IEEE Transactions on Applied Superco nductivity. V. 12. No. 1. P. 959–962.

14.       Lin G.Q., Li Z.W., Chen L., et al. Influence of  demagnetizing field on the permeability of soft magnetic composites. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2006. V. 305. P. 291–295.

15.      Mattei J.-L., M. Le Floc'h. Percolative behaviour and demagnetizing effects in disordered heterostructures. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2003. No. 257. Р. 335–345.

16.       Mattei J.-L., M. Le Floc'h. Effects of the magnetic dilution on the ferrimagnetic resonance of disordered heterostructures. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2003. V. 264. P. 86–94.

17.         Ngomsik A-F., Bee A., Draye M., et al. Magnetic nano - and microparticles for metal removal and environmental applications: a review.  C. R. Chimie. 2005. V. 8. P. 963–970.

18.        Sandulyak D.A., Snedkov A.B., Sandulyak A.A., et al. Functional Properties of Granular and Quasi- granular Ferromagnetic Material (Filter-matrix) in Magnetophoresis Technology. Proceedings of the 2015 4th International Conference on Materials Engineering for Advanced Technologies (ICMEAT 2015). ISBN: 978-1- 60595-242-0.  P. 663-665.

19.      Sandulyak D.A., Sleptsov V.V., Sandulyak A.A., et al. Filtration Magnetophoresis Process: an Approah to Choosing a speed Regime. Proceedings of the 2015 International Conference on «Recent Advances in Mechanics, Mechatronics and Civil, Chemical and Industrial Engineering» . Zakynthos Island, Greece. July 2015. ISBN: 978-1-61804-325-2. ISSN: 2227-4588. P. 72–76.

20.        Skumiel А., Jozefczak A., Hornowski T., et al. The influence of the concentration of ferroparticles in a ferrofluid on its magnetic and acoustic properties. Journal of Physics D:  Applied Physics. 2003. V. 36. P.  3120–3124.

21.      Weidenfeller B., Anhalt M., Riechemann W.. Variation of magnetic prope rties of composites filled with soft magnetic FeCoV particles by particle alignment in a magnetic field. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2008. V. 320. P. 362–365.

22.          Yavuz C.T., Mayo J.T., Yu W.W., et al. Low-Field Magnetic Separation of Monodisperse Fe3O4 Nanocrystals. Science. 2006. V. 314. P. 964–967.

23.       Zubarev A.Y. On the theory of the magnetic deformation of  ferrogels. Soft Matter. 2012. V. 8. P. 3174- 3179.