диплом Образование стронциевых ферритов

ВВЕДЕНИЕ
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТРОНЦИЕВЫХ ФЕРРИТОВ 6
1.2. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА СТРОНЦИЕВЫХ ФЕРРИТОВ 8
1.3. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ SR – ФЕРРИТОВ 9
1.4. ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ В СИСТЕМЕ SRO – FE2O3 9
1.4.1. Особенности механизмов образования феррита SrFe12O19 10
1.5. Диффузионные процессы при образовании феррита SrFe12O19 13
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 16
2.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 16
2.2. МЕТОДИКА ТЕРМОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СТРОНЦИЕВЫХ ФЕРРИТОВ
2.3. МЕТОДИКА МИКРОСТРУКТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.4. МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ СТРОНЦИЕВЫХ ОКСИДНЫХ МАГНИТОВ
2.5. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ЭКОЛОГИЯ
2.5.1 Идентификация опасных и вредных производственных факторов, сопутствующих экспериментальной части дипломной работы
2.5.2. Характеристика опасных и вредных веществ 23
2.5.3. Санитарно-гигиеническая и противопожарная характеристика помещения 23
2.5.4. Разработка мер защиты от опасных и вредных факторов
2.5.5. Инженерная разработка мер защиты от поражений электрическим током
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
4.1 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ НИР
4.2 СМЕТА ЗАТРАТ НА ПРОВЕДЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
4.2.1 Расчёт затрат на заработную плату 27
4.2.2 Расчёт затрат на сырьё и материалы
4.2.3 Расчёт энергетических затрат
4.2.4 Расчёт затрат на воду
4.2.5 Расчёт затрат связанных с использованием приборов и лабораторного оборудования 27
4.2.6 Расчёт накладных расходов 27
4.3 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ
4.3.1 Результаты выполнения исследований
4.3.2 Оценка эффективности результатов выполнения теоретической исследовательской работы
ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Производство ферритовых изделий непрерывно растет, а области применения ферритов все больше расширяются. Предполагаемый рост производства ферритов в мире до 2005 показан на рис. 1. Ежегодный прирост производства ферритов составляет примерно 5–15%.

Предполагаемый рост производства ферритов на мировом рынке

Рис .1

В настоящее время производство магнитных ферритов в мире существенно увеличивается, в частности существенно повысился интерес к производству стронциевых оксидных магнитов.
Стронциевые оксидные магниты получают в результате сложных физико-химических процессов при твердофазном взаимодействии α-Fе2O3 и SrCO3. В настоящее время общепризнанно, что решетка SrFe12O19 формируется на основе структуры Fе2O3. Однако механизм трансформации Fе2O3 → SrFe12O19 остается дискуссионным. Это объясняется тем, что структурными методами установить последовательность превращений (особенно на начальной стадии формирования SrFe12O19) не удалось ввиду высокой скорости реакции.
...

1.1. Перспективы использования стронциевых ферритов

Стронциевые ферриты, благодаря высоким значениям коэрцитивной силы (Нсв  200 кА/м) в сочетании с относительно низкой стоимостью и простотой технологии изготовления, находят всё более широкое применение в различных устройствах электрооборудования и радиоэлектроники. Магниты на основе этих ферритов обладают рядом весьма важных свойств: слабая зависимость магнитного момента от формы магнита; способность восстанавливать магнитный поток в процессе магнитного возврата (в частности, после воздействия стороннего размагничивающего поля, напряженность которого соизмерима с коэрцитивной силой Нсв). Особенности свойств стронциевых ферритов обусловлены формой петли гистерезиса.
В случае стронциевого феррита при размагничивающем поле, равном НСВ, намагниченность I сохраняется на неизменном уровне, что позволяет восстановить исходный магнитный поток Ф после снятия размагничивающего поля.
...

1.2. Магнитные свойства стронциевых ферритов

Впервые о феррите стронция сообщил Кохард. Путём введения различных добавок получены магнитные свойства, превышающие свойства феррита бария примерно на 10 % (Br= 0,43 Тл, Нсв = 200 кА/м, (В·Н)max= 34 кДж/м3).
Более высокий уровень свойств стронциевых ферритов по сравнению с бариевыми ферритами обусловлен несколько меньшим ионным радиусом Sr2+. В результате примерно на 10% увеличивается константа кристаллографической анизотропии гексаферрита. В работах показано, что КА стронциевых ферритов составляет примерно 3,6 ·106 эрг/см3.
Большая величина константы анизотропии является причиной увеличения критического диаметра зерна, ниже которого возникает однодоменное состояние. В результате, если стронциевые ферриты обжигать при больших температурах, чем бариевые ферриты, то при тех же значениях коэрцитивной силы можно получить большую остаточную индукцию.
...

1.3. Технология получения Sr – ферритов

Технологической процесс получения магнитов из феррита стронция аналогичен технологии магнитов из бариевых ферритов и сводится к следующим основным операциям:
а) смешение и помол исходных материалов Fe2O3 и SrCO3;
б) обжиг шихты, в процессе которого происходит ферритизация порошка, т. е. образование соединения SrO · 6Fe2O3
в) грубый и тонкий помолы порошка, при этом тонкий помол производится в водной среде. Оптимальному помолу порошка соответствуют частички порошка, средний размер которых составляет около 0,3 мкм;
г) прессование изделий из подготовленного порошка. В случае оформления анизотропных изделий, прессование производится из водной суспензии порошка в магнитном поле при удельном давлении около 25 МПа. Влажность суспензии около 40% масс.
...

1.4. Фазовые равновесия в системе SrO – Fe2O3

До настоящего времени не существует единой точки зрения на механизм образования структуры стронциевого гексаферрита. В ранних работах при решении этого вопроса исходили из аналогии между структурами Ва -Sr- гексаферритов. Предполагали, что также как для гексаферрита бария решетка SrFe12O19 образуется в 2 стадии.
По данным Батти в системе SrO - Fe2O3 образуется 4 соединения: Sr3Fe2O6, Sr2Fe2O5, Sr7Fe10O22 и SrFe12O19. По данным Гото область, богатая железом, имеет несколько другой вид. Вместо фазы Sr7Fe10O22 авторы обнаружили фазу Sr3Fe4O9. Однако повторно зафиксировать отдельные фазы вследствие сложности их получения, плохой воспроизводимости результатов или нестабильности соединений многим авторам не удалось. Например Батти в последующих своих исследованиях не обнаружил Sr3Fe4O9. Подобная ситуация наблюдается и для SrFe2О4, существование которого является до сих пор спорным.
...

1.4.1. Особенности механизмов образования феррита SrFe12O19

Первоначально Беретка высказал предположение, что решетка SrFe12O19 образуется на основе структуры SrFe2O4. Однако, как указано выше, на сегодняшний день в литературе имеются самые противоречивые сведения о возможности существования SrFe2O4. Одни авторы подтверждают его существование, другие предполагают, что SrFe2O4 представляет промежуточный продукт. По данным Хаберея на промежуточной стадии формирования SrFe12O19 появляется SrFeO3-x, состав которого изменяется в пределах Sr4Fe4O11 и Sr4Fe4O12.
Для объяснения противоречий, существующих при описании механизма формирования структуры SrFe12O19 были привлечены данные комплексных исследований реакции твердофазного синтеза SrFe12O19 из смеси SrCO3 и Fe2O3. Рентгенофазовый анализ подтвердил образование в системе SrО – Fe2О3 существование фаз Sr7Fe10O22 SrFe12O19 и отсутствие на воздухе фаз Sr3Fe4О9, SrFe2О4, Sr4Fe6О13, Sr2Fe2О5 и Sr3Fe2О6.
...

1.5. Диффузионные процессы при образовании феррита SrFe12O19

Несоответствие модельных представлений различных авторов по механизмам образования SrFe12О19 связано с далеко не полным изучением тонкой структуры фаз в системе SrО – Fe2O3 в отличие от системы ВаО – Fe2O3. Такое предположение можно иллюстрировать на следующих примерах. Батти после отжига смеси SrCO3 + Fe2O3 (2:1) синтезировал соединение SrFe2О5, которое на воздухе, по его данным, обладает кубической решеткой. По другим данным это соединение может быть получено в вакууме и обладает орторомбической структурой. Подобным образом выглядит и вопрос с возможности получения структуры фазы Sr3Fe2О6.
Поэтому можно считать правомерным вывод о том, что в процессе синтеза SrFe12О19 реализуется сложная картина диффузионных процессов с обязательным участием ионов кислорода.
Кислород может доставляться в решётку через слой продукта реакции или через газовую фазу.
...

2.1. Характеристика объектов исследования

Основными объектами исследований являлись порошки и изделия из стронциевых ферритов.
Технологический процесс получения порошков стронциевого феррита включал следующие операции:
1. Анализ исходных компонентов (Fe2О3 и SrCO3) на содержание основного компонента.
2. Расчет состава шихты и проведения навесок на весах марки ВЛ–1–10.
3. Смешивание компонентов шихты помолом в вибрационных мельницах М–10 и М–200 в течение 1–2 часов. Химический анализ шихты.
4. Сушка полученной шихты в сушильном шкафу.
5. Брикетирование шихты.
6. Ферритизация шихты.
7. Помол ферритовой шихты в вибрационных мельницах М–10 и М–200. Контроль удельной поверхности.
8. Тонкий мокрый помол шихты в аттриторе модели 3А–87 в течение 10–30 часов. Контроль удельной поверхности.
Мокрое прессование изделий осуществлялось на прессах типа 06 ФФГ и 291 модели в магнитном поле напряженностью 400–500 кА/м.
...

2.2. Методика термографических исследований стронциевых ферритов

При выяснении особенностей процессов, происходящих при образовании гексаферрита SrFe12O19 были использованы данные термогравиметрического (TG и DTG) и дифференциально-термического анализов (DTA). Синтез ферритов осуществляли в вертикальной печи при распылении гранулированной смеси в печи, нагретой до 1000–1150 °С. В качестве исходных компонентов были выбраны SrСО3, марки и оксиды железа четырех партий с различной удельной поверхностью и плотностью (табл. 2).
Таблица 2
Свойства исходных частиц α – Fе2O3
Производитель
Германия
EKO
Австрия
Voest
Бельгия
Sidmar
Япония
Kashima
Удельная поверхность, г/м2 (БЭТ)
4,80
2,80
2,90
4,04
Плотность · 10-3, кг/м3
0,41
0,45
0,50
0,83

Размер частиц Fе2O3 варьировали в интервале 90-500 мкм, а соотношение компонент в смеси SrCO3:Fе2O3 от (1:5) до (1:6).
2.3.
...

2.3. Методика микроструктурных исследований

Металлографическое исследование ферритов - один из основных методов качественной и количественной оценки их внутренней структуры. Металлографический анализ позволяет изучать фазовый состав, пористость, размер зерен, дисперсию их по размерам, особенности межзеренных границ, и т.п.
Для изучения микроструктуры образцов изготавливались шлифы, имеющие гладкую поверхность. Плоскость шлифа изготавливалась шлифованием и последующей полировкой. Поверхность, предназначенная для микроскопического исследования, тщательно обрабатывалась для получения зеркального блеска. Анализируемые образцы имели форму и размеры, удобные для изготовления шлифов и исследования под микроскопом.
В процессе изготовления шлифов применялись водоупорные шкурки, выпускаемые промышленностью под маркой К3М или М, где М обозначает микронную зернистость, а цифра перед буквой М – размер зерна.
...

2.4. Методики измерения магнитных свойств стронциевых оксидных магнитов

Измерения остаточной магнитной индукции (Вr), коэрцитивной силы по индукции (Нсв), произведения (В·Н)mах проводились на баллистической установке типа У–541 или типа УИФИ–40015, а также на гистериографе типа ЭМ8–6 или установке операционного контроля типа ЭМ8–10.
Для измерения магнитной индукции использовался также измеритель индукции Ш1–8 с диапазоном измерений от 0,01 Тл до 1,6 Тл.
Определение магнитных параметров было проведено при температуре окружающего воздуха (20±5)°С на трех контрольных образцах от каждой партии изделий. На измеряемые образцы равномерно по средней линии наносится обмотка из двух или четырех витков провода. Измерения проводились в замкнутой магнитной цепи на баллистической установке в соответствии с инструкцией по эксплуатации с применением катушки. При использовании измерителя магнитной индукции типа Ш1–8 вместо катушки используется датчик Холла.
...

2.5. Безопасность жизнедеятельности и экология

Экспериментальная часть дипломной работы связана с работой на аттриторе, вертикальной печи, гидравлическом прессе, плоскошлифовальном станке, а также методиками термогравиметрического и дифференциально-термического анализов. После спекания образцов стронциевых ферритов на полученных образцах проводят исследование влияния технологических факторов на микроструктуру и свойства стронциевых ферритов. При выяснении особенностей процессов, происходящих при образовании гексаферрита SrFe12O19 были использованы данные термогравиметрического и дифференциально-термического анализов.

2.5.
...

2.5.1 Идентификация опасных и вредных производственных факторов, сопутствующих экспериментальной части дипломной работы

В процессе выполнения дипломной работы возникают следующие опасные факторы:
повышенная запылённость воздуха рабочей зоны, обозначается как фактор 1;
повышенная температура поверхности оборудования, обозначается как фактор 2;
химическое, раздражающее воздействие на человека, обозначается как фактор 3;
химическое, общетоксическое воздействие на человека, обозначается как фактор 4;
повышенный уровень шума на рабочем месте, обозначается как фактор 5;
повышенное значение напряжения в цепи, замыкание которой может произойти через тело человека, обозначается как фактор 6;
повышенная возможность механических поражений при работе с оборудованием, имеющим движущиеся части, обозначается как фактор 7. /1/
Результаты пооперационного анализа опасных и вредных факторов приведены в табл. 3.
...

2.5.3. Санитарно-гигиеническая и противопожарная характеристика помещения

В помещении проводятся работы по смешению, обжигу шихты, помолу, прессованию, спеканию ферритов.
Характеристика помещения:
Первый этаж;
Площадь 300 м2;
Объём 1500 м3;
Проходы между оборудованием 2,0 м при норме 2,3 м;
Размер выхода 3 м при норме 2,3 м;
Площадь световых проёмов 15 м2;
Материал покрытия полов – керамическая плитка;
Относительная влажность воздуха 55 %;
Средняя температура 23 °С;
Скорость движения воздуха 0,2 м/с.
Условия поддерживаются вентиляцией. Кратность воздухообмена в соответствии с /2/, по притоку 4ч-1, по вытяжке 5ч-1.
Помещение освещается светильниками с люминесцентными лампами мощностью 60 Вт. Выбор нормативов освещённости ведётся в соответствии с /3/. Данные естественного и искусственного освещения приведены в табл. 4.
...

2.5.4. Разработка мер защиты от опасных и вредных факторов

Повышенная задымленность воздуха рабочей зоны.
Организационные меры защиты:
– местная и общеобменная вентиляция с групповой подачей свежего воздуха в зону дыхания;
– регулярный отбор проб воздуха.
Технические меры защиты:
– вытяжные шкафы;
– обязательный сброс выхлопов от вакуумных насосов в вентиляцию;
Меры по обеспыливанию.
Индивидуальные меры защиты:
1. Спецодежда:
– халаты;
– перчатки;
– очки;
– шапочка для защиты волос.
2. Средства защиты органов дыхания:
– респираторы типа “Астра”, ”Астра-2”, ”Лепесток”.
3. Строгое соблюдение мер личной гигиены (обязательное мытье после работы, частая стирка спецодежды);
4. Рекомендуется дополнительное лечебно – профилактическое питание.
Химическое общетоксическое и раздражающее воздействие на человека.
Организационные меры защиты:
– выполнение требований по ПДК, в соответствии с /1/;
– выполнение санитарных норм и правил, указанных в /1/;
– регулярные медицинские осмотры.
...

2.5.5. Инженерная разработка мер защиты от поражений электрическим током

При выполнении дипломной работы наиболее опасными факторами являются повышенная температура поверхности оборудования и повышенное значение напряжения в цепи, замыкание которой может произойти через тело человека. Неисправность электрооборудования, нарушение правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок могут привести к поражению персонала электрическим током. Для безопасности человека разрабатываются меры защиты от поражений электрическим током.
Электробезопасность (по ГОСТ 12.1.009—76) обеспечивается организационными и техническими мероприятиями, конструкцией электроустановок, применением технических способов, средств защиты.
...

и их обсуждение

Проведенные исследования с учетом литературных данных свидетельствуют о существенных возможностях улучшения производства ферритовых порошков при использовании короткой тепловой обработки – синтеза в вертикальных печах.
Были проведены исследования методами термогравиметрического и дифференциально – термического анализов.
На рис. 4 показаны кривые дифференциально – термического анализа смесей при различных соотношениях компонент SrCO3:Fе2O3. Видно, что с увеличением содержания оксида в смеси эндотермический пик, соответствующий разложению карбоната SrСО3 смещается в сторону более низких температур. Это означает, что α – Fе2O3 проявляет каталитическую активность по отношению к процессу декарбонизации SrCO3. Однако скорость реакции на начальной стадии ферритизации практически не зависит от соотношения оксидов в смеси. Приведенные сведения могут свидетельствовать в пользу того, что решетка SrFe12О19 формируется не на основе решетки SrО, а на основе Fe2O3.
...

4.1 Технико-экономическое обоснование НИР

Ферритовые постоянные магниты нашли широкое применение в электронике, радиотехнике, приборостроении, медицине, бытовой технике. Расширение областей применения магнитных материалов и повышение требований к разрабатываемым на их основе устройствам, предопределяют актуальность постоянного поиска путей улучшения свойств существующих и создания новых магнитных материалов.
Поэтому одной из актуальных экономических задач является снижение затрат на производство ферритовых порошков.
Параметрами, определяющими качество материала и контролируемыми при производстве, являются начальная магнитная проницаемость, потери и добротность. В зависимости от области применения могут контролироваться и другие параметры.
Совершенствование ферритов идёт по двум направлениям. Во-первых, непрерывно улучшаются магнитные параметры ферритов, приближающие их к металлическим материалам, что делает ферриты конкурентоспособными в традиционных областях применения металлов.
...

4.2.1 Расчёт затрат на заработную плату

Основная заработная плата рассчитывается по формуле:

ЗП = F · t, (15)
где F – часовая тарифная ставка, руб./ч;
t – фактически отработанное время, ч.

Расчёт заработной платы приводится в табл. 5.
Таблица 5
Расчёт заработной платы и начислений на социальное страхование
Специальность
Работников
Часовая ставка, руб.
Фактически отработанное время, часы
Основная заработная плата, руб.
1
2
3
4
Руководитель дипломной работы
24,5
30
735
Консультант по экономике
12,5
3
37,5
Консультант по охране труда
12,5
3
37,5
Консультант по метрологии
12,5
3
37,5
Итого основная заработная плата
847,5
Дополнительная заработная плата
84,75
Отчисления на страхование
46,61
ИТОГО
978,86

4.2.
...

4.2.3 Расчёт энергетических затрат

Расход электроэнергии определяется по паспорту электроприбора. Расчёт затрат на электроэнергию определяется по формуле:

Еэ = N · Тэ · Цэ, (17)
где N – мощность электроприбора по паспорту, кВт;
Тэ – время использования электрооборудования, ч;
Цэ – цена одного кВт–ч.

Расчёт энергетических затрат приводится в табл. 7.
Таблица 7
Расчёт затрат на электроэнергию
Наименование электроприбора или оборудования
Мощность электроприбора, кВт
Время использования электроприбора, ч
Количество израсходованной электроэнергии, кВт-ч
Цена 100 кВт–ч, руб.
Затраты на электроэнергию руб.
1
2
3
4
5
6
Аттритор
3
0,5
1,5
0,4
0,006
Вибрационная мельница
2
0,5
1
0,4
0,004
Вертикальная печь
4,5
200
900
0,4
3,60
Станок для протирки порошка
0,9
0,5
0,45
0,4
0,0018
Пресс гидравлический, 3-х тонный
2,2
1
2,1
0,4
0,0084
Сушильный шкаф
1,5
2
3
0,4
0,012

Продолжение табл.
...

1. ГОСТ 12.1.007-76. ССБТ. Вредные вещества классификация и общие требования безопасности. – М.: Изд-во стандартов, 1976
2. ГОСТ 12.1.005-88. ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. – М.: Изд-во стандартов, 2001
3. ГОСТ 12.1.003-83. ССБТ. Шум. Общие требования безопасности. – М.: Изд-во стандартов, 2001
4. Нормы пожарной безопасности. НПБ 105 – 95. – М.: Изд–во ВНИИПО МВД СССР, 2005
5. Определение экономической эффективности научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. М.: Гиредмет, 2006. с. 69
6. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей и правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей. – М.: Энергоатомиздат. 2006
7. СНиП 23-05-95. Естественное и искусственное освещение/Минстрой России. – М.: ГП ЦПП, 2005
8. Федоров Л.А. , Голубцов В.В. , Локманов В.Б. Экономика и организация производства. М.: МИСиС, 2008 . с. 70
9. Экономические расчеты в приборостроении. М.: Высшая школа, 2002. с.160.