§ 6.6. Магнитожидкостные сепараторы и устройства магнитореологической прецизионной обработки поверхности

Работа магнитожидкостных сепараторов и устройств прецизионной обработки поверхности основана на эффекте изменения магнитным полем выталкивающей силы, действующей на немагнитные частицы, погруженные в МЖ или МРЖ.

Любое твердое тело, погруженное в жидкость, испытывает воздействие выталкивающей силы, зависящей от плотностей жидкости (ρж) и тела (ρт). Если ρт ˃ ρж, то твердое тело под действием силы

тяжести осаждается, в противном случае (при ρт ˂ ρж) оно всплывает. Этот принцип можно использовать для гидростатичекой сепарации смеси, в состав которой входят тела, имеющие плотности, отличающиеся от плотности жидкости в меньшую и большую стороны. Такая сепарация используется на горнодобывающих предприятиях для обогащения руд (в частности, руд металлов). Плотность большинства металлов в 1,5 и более раз больше плотности обычных жидкостей, что ограничивает возможности применения последних для сепарации.

Пусть в магнитной жидкости находится немагнитное тело объемом V. На его поверхность со стороны магнитной жидкости действует давление p. Тогда с учетом (6.6) будет справедливо выражение

где ρ – средняя плотность магнитной жидкости в отсутствие поля; g

– ускорение свободного падения; h – расстояние по координате z, перпендикулярной поверхности Земли, от центра масс тела до поверхности Земли.

Действующая в системе в направлении z выталкивающая сила определяется выражением

где dHdz – градиент магнитного поля в направлении z.

221

В формуле (6.18) множитель в скобках имеет размерность плотности и характеризует изменение выталкивающей силы под действием градиента магнитного поля. Если обозначить его , то выталкивающую силу можно выразить следующим образом:

Если создать условия, при которых градиент магнитного поля dH dz принимает только отрицательные значения, то значение может многократно превосходить значение ρ. В результате МЖ может быть использована в качестве среды для гидростатической сепарации. Например, при достижении M g dHdz 7600 и плотности

МЖ 1400 кг/м3 (МЖ на водной основе) частицы меди плотностью 8930 кг/м3 будут выталкиваться на ее поверхность. Рис. 6.16 иллюстрирует процесс гидростатической магнитожидкостной сепарации и внешний вид магнитожидкостного сепаратора СМЖ-ПМ-3, предназначенного для выделения частиц золота из золотоносной породы (производитель – ЗАО «ИТОМАК», Новосибирск).

Гидростатической магнитожидкостной сепаратор (рис. 6.16, а, б) включает в себя наклонно расположенную магнитную систему 1 с

а

Рис. 6.16. Гидростатическая магнитожидкостная сепарация:

аи б – схематичное изображение процесса;

в– внешний вид магнитожидкостного сепаратора СМЖ-ПМ-3

222

полюсными наконечниками 2 и 3, между которыми установлены рабочая камера 4 с МЖ 5 и вибратором 6, питатель 7, разделяемое вещество 8 и приемники продуктов разделения 9 и 10.

Разделяемое вещество 8 подается на поверхность МЖ при помощи питателя. Под действием выталкивающих сил в МЖ легкая фракция остается на поверхности, а тяжелая опускается на дно камеры. С помощью вибрации и наклона камеры легкая и тяжелая фракции движутся в сторону разгрузочного приспособления. Сбор разделенных фракций материала осуществляется приемниками продуктов разделения. Таким образом, осуществляется седиментационное разделение веществ.

Магнитореологическая прецизионная обработка поверхности (шлифование и полирование) применяется при изготовлении высокоточных деталей, в том числе линз, используемых при производстве интегральных схем с нанометровым размером элементов; оптических систем для лазеров, систем воздушного наблюдения, систем вооружения, медицинских приборов, цифровой фотографии, а также зеркал космических телескопов. Таким способом можно обрабатывать ситалл, кварц, карбид кремния, сапфир, кремний, арсенид галлия, германий, оптическое стекло, немагнитные сплавы и другие материалы.

В состав МРЖ в качестве основных компонентов входят вода, магнитные частицы, абразив и химические добавки. Выбор воды в качестве дисперсионной среды объясняется тем, что водные суспензии удобны в использовании и служат химическим агентом* при обработке стекол и силиконовых подложек.

При создании в МРЖ достаточного градиента магнитного поля частицы абразива, имеющие больший (по сравнению с магнитными частицами МРЖ) объем, под действием выталкивающей силы концентрируются и удерживаются в верхнем слое МРЖ. Этот эффект обеспечивает возможность использования МРЖ в качестве инструмента прецизионной обработки поверхности. Технологический процесс магнитореологической оптической полировки иллюстрирует рис. 6.17.

* Химический агент – действующее вещество, выполняющее определенную роль в химическом взаимодействии веществ или их смесей.

223