Получение магнитной жидкости для использования в машиностроении
ART 86649
Авторы:
М.
С. Баглаева, А.
Г. Ушаков
М.
С. Баглаева, А.
Г. Ушаков Библиографическое описание статьи для цитирования:
Баглаева
М.
С.,
Ушаков
А.
Г. Получение магнитной жидкости для использования в машиностроении // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2016. – Т. 11. – С.
3071–3075. – URL:
http://e-koncept.ru/2016/86649.htm.
Аннотация. Автор данной статьи рассматривает проблему применения магнитной жидкости в качестве смазочного материала трущихся деталей машин вследствие дорогой стоимости продукта, связанной с его трудоемким производством. Также рассмотрен более ресурсосберегающий и рациональный метод получения магнитной жидкости. В статье описан опыт, проведенный для удостоверения целесообразности применения магнитной жидкости как смазочного материала. Сделан вывод о перспективе использования в качестве сырья для получения продукта железосодержащих отходов металлургических предприятий.
Ключевые слова:
магнитная жидкость, магнетит, железосодержащие отходы металлургических предприятий, сила трения
Текст статьи
Баглаева Маргарита Сергеевна,студентка института химических и нефтегазовых технологий, направления подготовки «Химическая технология» профиль «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов» ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева», г. Кемерово.Bagritas@mail.ru
Ушаков Андрей Геннадьевич,Кандидат технических наук, доцент кафедры химической технологии твердого топливаФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева», г. Кемерово.elliat@mail.ru.
Получение магнитной жидкости для использованияеев машиностроении
Аннотация. Автор данной статьи рассматривает проблему применения магнитной жидкости в качестве смазочного материала трущихся деталей машинвследствие дорогой стоимости продукта, связанной с его трудоемким производством. Так же рассмотрен более ресурсосберегающий и рациональный метод получения магнитной жидкости. В статье описан опыт, проведенный для удостоверения целесообразности применения магнитной жидкости как смазочный материал. Сделан вывод о перспективе использования в качестве сырья для получения продукта железосодержащих отходов металлургических предприятий.Ключевые слова:магнитная жидкость, магнетит, железосодержащие отходы металлургических предприятий, сила трения.
В современном мире разные отрасли промышленности развиваются стремительно быстро. Актуальным стало создание наноматериалов. Магнитная жидкость (МЖ) входит в их число. Она уникальна тем, что имеет способность подчиняться магнитному полю, оставаясь в жидком агрегатном состоянии. После удаления магнитного поля ее характеристики принимают исходное состояние. Кроме этого МЖ при нормальных условиях и правильном хранении не стареет и не подвергается распаду составляющих компонентов.В связи с дорогой стоимостью МЖ мало распространена, но несмотря на это, имеет широкую область применения. В зависимости от составляющих компонентов МЖ перспективна в применениив радиотехнике, в горнодобывающей промышленности в качестве среды для разделения материалов по плотности, в динамических гасителях вибрации, в медицине, для локализации разливов нефтепродуктов на поверхности водоемов [1].Более актуальной областью применения МЖ на основе керосина и олеиновой кислоты является машиностроение, а именно: замена обычных подшипников на подшипники из магнитной жидкости (уплотнения реакторов для биохимической технологии, коробки передач, редукторы, вакуумная техника, амортизаторы), герметизация зазоров движущихся частей машины, улучшение возможности подвески автомобиля, снижение силы трения. В ходе использования МЖ образуется малый момент трения. Это увеличивает срок эксплуатации деталей машин на 510 лет, так же происходит самовосстановление уплотняющей способностей при прорыве, отсутствие износа и возможность подпитки уплотняющего кольца жидкости без разбора конструкции узла [2].Основная проблема, препятствующая повсеместному применению МЖ, является ее дорогая стоимость. Это является следствием применения дорогостоящего исходного сырья, трудоемкого производства и проблемы утилизации образующихся в процессе сточных вод.Магнитная жидкость –стабилизированная коллоидная система, состоящая из дисперсной среды (жидкостьноситель) и дисперсной фазы (твердые частицы магнетита во взвешенном состоянии). Магнитные свойства МЖ определяются количественным содержанием твердой магнитной составляющей, достигающей 25% об. В качестве жидкостиносителя могут выступать: керосин, толуол, воды, кремнийорганические и минеральные масла и т.п.Основной составляющей МЖ является магнетит (Fe3O4), который получают разными способами: конденсацией: вакуумной, электролитической и химической; диспергированием. Метод химической конденсации заключается во взаимодействии солей двухвалентного и трехвалентного железа с гидроксидом аммония (NH4OH) [3].Соли двухвалентного и трехвалентного железа получают из железосодержащих отходов металлургических предприятий (ЖСО). К таким ЖСО относят: шламы сталеплавильных идоменных производств, газоочистных сооружений агломерационных фабрик и пыль.Выход ЖСО составляет 1% от массы сырья и полуфабрикатов или 78% конечного объема производства металлургических заводов. Процентное содержание железа в твердых отходах доменного, агломерационного и сталеплавильного производств составляет 3370%. Кроме этого, они содержат большое количество оксидов цинка (120%), свинца и щелочных металлов. Утилизация и переработка такого рода материалов является огромной проблемой, т.к. присутствие примесей делает отходы непригодными к использованию в основном производстве без их предварительного удаления [4].К основным классификациям промышленных отходов металлургии относят классификации по фазовому составу (твердые, жидкие и газообразные отходы), по производственным циклам (в гидрометаллургии и пирометаллургии, при обогащении, при добыче сырья) и др. Такие отходы как пыли и шлаки образуются на предприятиях с замкнутым циклом. При мокрой газоочистке образуются шламы вместо пыли. Особую ценность в себе несут ЖСО. Они классифицируются по доле железа во всей массе отходов и по фазовому составу. Содержание железа определяет такие ЖСО как богатые (5567%) –пыль и шлам мартеновских печей и конвертеров, относительно богатые (4055%) –шламы и пыли аглодоменного производства, бедные (3040%) –шлам и пыль газоочисток электросталеплавильного производства. Под фазовым составом подразумевают: твердые ЖСО (пыли, шламы, шлаки), жидкие (растворы, эмульсии, суспензии), газообразные (оксиды углероды, азота, соединения серы и др) [5].В литературе известен способ получениямагнетита, который включает в себя получениесолей железа с помощью воздействия на пыль из электрофильтров металлургического производства соляной кислотой. Далее добавляют из отхода образованного травлением стальных листов на металлургическом производстве раствор 10 %госульфата железа. После чего получившийся раствор приливают к гидроксиду аммония и получают магнетит методом химической конденсации [6].На кафедре химической технологии твердого топлива КузГТУ ведется работа по получению МЖ. МЖ была синтезирована следующим образом:1.Взяли определенное количество FeSO4·7H2Oи растворили в рассчитанном количестве воды. 2.Повторили то же с солью FeCl3·6H2O.3.Отфильтровали полученные растворы и перелили в один стакан.4.Поместили в мерный стеклянный стакан нужный объем NH4OH.5.Раствор солей Fe2+и Fe3+тонкой струей влили в стакан с NH4OH, интенсивно перемешивая раствор.6.Полученную суспензию поставили на постоянный магнит и промывали водой до pH=79.7.Максимально возможное количество воды слили.8.Подготовили установку для синтеза МЖ.9.Поместили стакан с магнетитом в водяную баню, добавили стабилизатор, состоящий из олеиновой кислоты и керосина в соотношении 1:3 соответственно.10.Полученную смесь нагревали в течение 40 минут при температуре 8090̊С,потом снижали температуру до 50 ̊С.Происходилорасслаивание раствора.11.Водный слой отделяли декантацией в делительной воронке после отстаивания.12.Центрифугировали полученную МЖ.На рис. 1 изображен один из образцов полученного продукта. МЖ анализировали и определили некоторые ее характеристики [7].
Рис. 1. Слева образец магнитной жидкости без действия магнитного поля, справа –под действием магнитного поля
Для убеждения в целесообразности применения полученной МЖ в качестве смазочного материала трущихся деталей машин, был проведен следующий опыт(Рис.2):1.Взяли две чашки Петри.2.В первую чашку влили машинное масло, во вторую влилиМЖ.3.Взяли первый магнит формы плоского цилиндра и поместили его в чашку с маслом.4.Далее подвергли чашку механическому воздействию, вследствие чего наблюдалискольжение магнита.5.Затем проделали те же действия с чашкой, в которой находилась МЖ.6.При таком же механическом воздействии наблюдалось ускоренное скольжение в отличие от первого случая.
Рис. 2. Слева –до начала проведения опыта, справа –во время проведения опыта
Таким образом, из данного опыта можно сделать вывод о том, что применение МЖ в качестве смазочного материала трущихся деталей машин является перспективным, так как сила трения при ее применении уменьшается, вследствие чего увеличивается износостойкость деталей и срок их эксплуатации.ЖСО наносят огромный ущерб окружающей среде, так как они являются токсичными и относятся ко второмутретьему классу опасности.Кроме этого с утилизацией ЖСО пропадает весомое количество ценных компонентов и сырья. Их можно былобыиспользовать во многих отраслях народного хозяйства.Вследствие этого перспективнымявляется поиск и создание оптимальных методовполучения магнетита из ЖСО. К тому же это позволит удешевить МЖ, что сделает ее более доступной на рынке.
Ссылки на источники1.Бажанова, А.Г. Определение характера функциональных групп на поверхности магнетита / А.Г. Бажанова, В.М. Макаров, С.З. Калаева // Известия ВУЗов. Серия «Химия и химическая технология». Иваново: Издво ИГХТУ, 2009. Т. 52. № 10.
С. 151152.2.Э. Я. Блум, А. О. Цеберс. МАГНИТНЫЕ ЖИДКОСТИ. –Москва: Знание, 1989. –64 с. *533.Байбуртский Ф. С. Магнитные жидкости: способы получения и области применения. Электронный ресурс. // URL: http://maiineticliquid.narod.ru/ autoritv/008.htm 4.Баркан М.Ш., Кабанов Е.И. Перспективы утилизации отходов горнометаллургических предприятий при добыче и переработке железорудного сырья. / Материалы межвузовской интернетконференции «Экологические проблемы минеральносырьевого комплекса». –СПб.: СПГГИ (ТУ), 2011.5.Калаева, С.З. Утилизация железосодержащих отходовдля получения магнитных жидкостей Электронный ресурс // URL: http://www.dissercat.com/content/utilizatsiyazhelezosoderzhashchikhotkhodovdlyapolucheniyamagnitnykhzhidkostei6.Соловьѐва А. Н., Калаева С.З., Макаров В.М., Шипилин А.М., Захарова И.Н., Чеснокова А.А. Получение и применение магнитных сорбентов из отходов производства // Физикохимические аспекты синтеза новых магнитных нанодисперсных систем ISBN 9785000620045 ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина», 2014. –С 10.7.Баглаева, М.С. Изучение свойств коллоидных растворов твердых ферромагнетиков / М.С. Баглаева, Р.О. Катрашов, А.Г. Ушаков, Е.С. Ушакова // Химия и химическая технология: достижения и перспективы: сб. статей. –Кемерово, 2014.
Ушаков Андрей Геннадьевич,Кандидат технических наук, доцент кафедры химической технологии твердого топливаФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева», г. Кемерово.elliat@mail.ru.
Получение магнитной жидкости для использованияеев машиностроении
Аннотация. Автор данной статьи рассматривает проблему применения магнитной жидкости в качестве смазочного материала трущихся деталей машинвследствие дорогой стоимости продукта, связанной с его трудоемким производством. Так же рассмотрен более ресурсосберегающий и рациональный метод получения магнитной жидкости. В статье описан опыт, проведенный для удостоверения целесообразности применения магнитной жидкости как смазочный материал. Сделан вывод о перспективе использования в качестве сырья для получения продукта железосодержащих отходов металлургических предприятий.Ключевые слова:магнитная жидкость, магнетит, железосодержащие отходы металлургических предприятий, сила трения.
В современном мире разные отрасли промышленности развиваются стремительно быстро. Актуальным стало создание наноматериалов. Магнитная жидкость (МЖ) входит в их число. Она уникальна тем, что имеет способность подчиняться магнитному полю, оставаясь в жидком агрегатном состоянии. После удаления магнитного поля ее характеристики принимают исходное состояние. Кроме этого МЖ при нормальных условиях и правильном хранении не стареет и не подвергается распаду составляющих компонентов.В связи с дорогой стоимостью МЖ мало распространена, но несмотря на это, имеет широкую область применения. В зависимости от составляющих компонентов МЖ перспективна в применениив радиотехнике, в горнодобывающей промышленности в качестве среды для разделения материалов по плотности, в динамических гасителях вибрации, в медицине, для локализации разливов нефтепродуктов на поверхности водоемов [1].Более актуальной областью применения МЖ на основе керосина и олеиновой кислоты является машиностроение, а именно: замена обычных подшипников на подшипники из магнитной жидкости (уплотнения реакторов для биохимической технологии, коробки передач, редукторы, вакуумная техника, амортизаторы), герметизация зазоров движущихся частей машины, улучшение возможности подвески автомобиля, снижение силы трения. В ходе использования МЖ образуется малый момент трения. Это увеличивает срок эксплуатации деталей машин на 510 лет, так же происходит самовосстановление уплотняющей способностей при прорыве, отсутствие износа и возможность подпитки уплотняющего кольца жидкости без разбора конструкции узла [2].Основная проблема, препятствующая повсеместному применению МЖ, является ее дорогая стоимость. Это является следствием применения дорогостоящего исходного сырья, трудоемкого производства и проблемы утилизации образующихся в процессе сточных вод.Магнитная жидкость –стабилизированная коллоидная система, состоящая из дисперсной среды (жидкостьноситель) и дисперсной фазы (твердые частицы магнетита во взвешенном состоянии). Магнитные свойства МЖ определяются количественным содержанием твердой магнитной составляющей, достигающей 25% об. В качестве жидкостиносителя могут выступать: керосин, толуол, воды, кремнийорганические и минеральные масла и т.п.Основной составляющей МЖ является магнетит (Fe3O4), который получают разными способами: конденсацией: вакуумной, электролитической и химической; диспергированием. Метод химической конденсации заключается во взаимодействии солей двухвалентного и трехвалентного железа с гидроксидом аммония (NH4OH) [3].Соли двухвалентного и трехвалентного железа получают из железосодержащих отходов металлургических предприятий (ЖСО). К таким ЖСО относят: шламы сталеплавильных идоменных производств, газоочистных сооружений агломерационных фабрик и пыль.Выход ЖСО составляет 1% от массы сырья и полуфабрикатов или 78% конечного объема производства металлургических заводов. Процентное содержание железа в твердых отходах доменного, агломерационного и сталеплавильного производств составляет 3370%. Кроме этого, они содержат большое количество оксидов цинка (120%), свинца и щелочных металлов. Утилизация и переработка такого рода материалов является огромной проблемой, т.к. присутствие примесей делает отходы непригодными к использованию в основном производстве без их предварительного удаления [4].К основным классификациям промышленных отходов металлургии относят классификации по фазовому составу (твердые, жидкие и газообразные отходы), по производственным циклам (в гидрометаллургии и пирометаллургии, при обогащении, при добыче сырья) и др. Такие отходы как пыли и шлаки образуются на предприятиях с замкнутым циклом. При мокрой газоочистке образуются шламы вместо пыли. Особую ценность в себе несут ЖСО. Они классифицируются по доле железа во всей массе отходов и по фазовому составу. Содержание железа определяет такие ЖСО как богатые (5567%) –пыль и шлам мартеновских печей и конвертеров, относительно богатые (4055%) –шламы и пыли аглодоменного производства, бедные (3040%) –шлам и пыль газоочисток электросталеплавильного производства. Под фазовым составом подразумевают: твердые ЖСО (пыли, шламы, шлаки), жидкие (растворы, эмульсии, суспензии), газообразные (оксиды углероды, азота, соединения серы и др) [5].В литературе известен способ получениямагнетита, который включает в себя получениесолей железа с помощью воздействия на пыль из электрофильтров металлургического производства соляной кислотой. Далее добавляют из отхода образованного травлением стальных листов на металлургическом производстве раствор 10 %госульфата железа. После чего получившийся раствор приливают к гидроксиду аммония и получают магнетит методом химической конденсации [6].На кафедре химической технологии твердого топлива КузГТУ ведется работа по получению МЖ. МЖ была синтезирована следующим образом:1.Взяли определенное количество FeSO4·7H2Oи растворили в рассчитанном количестве воды. 2.Повторили то же с солью FeCl3·6H2O.3.Отфильтровали полученные растворы и перелили в один стакан.4.Поместили в мерный стеклянный стакан нужный объем NH4OH.5.Раствор солей Fe2+и Fe3+тонкой струей влили в стакан с NH4OH, интенсивно перемешивая раствор.6.Полученную суспензию поставили на постоянный магнит и промывали водой до pH=79.7.Максимально возможное количество воды слили.8.Подготовили установку для синтеза МЖ.9.Поместили стакан с магнетитом в водяную баню, добавили стабилизатор, состоящий из олеиновой кислоты и керосина в соотношении 1:3 соответственно.10.Полученную смесь нагревали в течение 40 минут при температуре 8090̊С,потом снижали температуру до 50 ̊С.Происходилорасслаивание раствора.11.Водный слой отделяли декантацией в делительной воронке после отстаивания.12.Центрифугировали полученную МЖ.На рис. 1 изображен один из образцов полученного продукта. МЖ анализировали и определили некоторые ее характеристики [7].
Рис. 1. Слева образец магнитной жидкости без действия магнитного поля, справа –под действием магнитного поля
Для убеждения в целесообразности применения полученной МЖ в качестве смазочного материала трущихся деталей машин, был проведен следующий опыт(Рис.2):1.Взяли две чашки Петри.2.В первую чашку влили машинное масло, во вторую влилиМЖ.3.Взяли первый магнит формы плоского цилиндра и поместили его в чашку с маслом.4.Далее подвергли чашку механическому воздействию, вследствие чего наблюдалискольжение магнита.5.Затем проделали те же действия с чашкой, в которой находилась МЖ.6.При таком же механическом воздействии наблюдалось ускоренное скольжение в отличие от первого случая.
Рис. 2. Слева –до начала проведения опыта, справа –во время проведения опыта
Таким образом, из данного опыта можно сделать вывод о том, что применение МЖ в качестве смазочного материала трущихся деталей машин является перспективным, так как сила трения при ее применении уменьшается, вследствие чего увеличивается износостойкость деталей и срок их эксплуатации.ЖСО наносят огромный ущерб окружающей среде, так как они являются токсичными и относятся ко второмутретьему классу опасности.Кроме этого с утилизацией ЖСО пропадает весомое количество ценных компонентов и сырья. Их можно былобыиспользовать во многих отраслях народного хозяйства.Вследствие этого перспективнымявляется поиск и создание оптимальных методовполучения магнетита из ЖСО. К тому же это позволит удешевить МЖ, что сделает ее более доступной на рынке.
Ссылки на источники1.Бажанова, А.Г. Определение характера функциональных групп на поверхности магнетита / А.Г. Бажанова, В.М. Макаров, С.З. Калаева // Известия ВУЗов. Серия «Химия и химическая технология». Иваново: Издво ИГХТУ, 2009. Т. 52. № 10.
С. 151152.2.Э. Я. Блум, А. О. Цеберс. МАГНИТНЫЕ ЖИДКОСТИ. –Москва: Знание, 1989. –64 с. *533.Байбуртский Ф. С. Магнитные жидкости: способы получения и области применения. Электронный ресурс. // URL: http://maiineticliquid.narod.ru/ autoritv/008.htm 4.Баркан М.Ш., Кабанов Е.И. Перспективы утилизации отходов горнометаллургических предприятий при добыче и переработке железорудного сырья. / Материалы межвузовской интернетконференции «Экологические проблемы минеральносырьевого комплекса». –СПб.: СПГГИ (ТУ), 2011.5.Калаева, С.З. Утилизация железосодержащих отходовдля получения магнитных жидкостей Электронный ресурс // URL: http://www.dissercat.com/content/utilizatsiyazhelezosoderzhashchikhotkhodovdlyapolucheniyamagnitnykhzhidkostei6.Соловьѐва А. Н., Калаева С.З., Макаров В.М., Шипилин А.М., Захарова И.Н., Чеснокова А.А. Получение и применение магнитных сорбентов из отходов производства // Физикохимические аспекты синтеза новых магнитных нанодисперсных систем ISBN 9785000620045 ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина», 2014. –С 10.7.Баглаева, М.С. Изучение свойств коллоидных растворов твердых ферромагнетиков / М.С. Баглаева, Р.О. Катрашов, А.Г. Ушаков, Е.С. Ушакова // Химия и химическая технология: достижения и перспективы: сб. статей. –Кемерово, 2014.
