Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0018

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0018
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
Название доклада
Высокоэнергетические магниты на основе РЗМ для электромашин большой мощности
Докладчик
Леонов Сергей Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель: исследование и разработка принципиально новой внепечной «сухой» фторидной технологии получения высокоэнергетических магнитов на основе редкоземельных металлов (РЗМ) для применения их в электромашинах большой мощности в связи с растущим спросом на данный класс магнитов и динамичным развитием этого сектора.
Основные задачи ПНИ:
- разработка технологии получения фторидов РЗМ и железа фторированием их соединений (оксидов РЗЭ и железа, гранул и порошков металлического железа);
- разработка технологии получения сплавов на основе РЗМ (неодим-железо и неодим-железо-бор-легирующие добавки): электролизом из расплава фторидных солей; внепечным кальциетермическим восстановлением фторидов редкоземельных и переходных металлов;
- разработка технологии изготовления высокоэнергетических постоянных магнитов на основе системы неодим-железо-бор методом компактирования;
- расчет, конструирование и изготовление опытного образца электродвигателя мощностью до 5 кВт с использованием высокоэнергетических постоянных магнитов;
- технико-экономическое обоснование рыночного потенциала разработанной продукции;
- разработка проекта ТЗ на проведение ОТР по теме: «Разработка технологии получения магнитов по фторидному внепечному методу».
Актуальность и новизна исследования
Актуальность проекта в целом связана с растущим спросом на высокоэнергетические постоянные магниты системы Nd-Fe-B и динамичным развитием ряда секторов, использующих магниты этого класса.
Наиболее энергоёмкими материалами для постоянных магнитов в настоящее время являются сплавы на основе РЗМ. Основной рост объёмов потребления магнитов этого класса в ближайшей перспективе будет определяться потребностями производителей мощных генераторов и электродвигателей (на одно соответствующее изделие потребуется от десятков до нескольких сотен килограмм магнитов Nd-Fe-B). Мировой объём производства постоянных магнитов на основе РЗМ составляет около 20000 тонн. Отличительной чертой рынка является всё возрастающее влияние китайских производителей и их доли на рынке как магнитов Nd-Fe-В, так и редкоземельных металлов, необходимых для их производства.
Россия остается одной из немногих стран в мире, занимающейся разработкой и производством постоянных магнитов на основе РЗМ. В настоящее время она производит около 50-100 тонн таких магнитов и потребность в них с каждым годом возрастает в связи с ростом промышленного производства.
Нами предложен и разработан метод гидридного измельчения магнитных материалов, в том числе и лигатур на основе РЗМ-железо, используемых в дальнейшем для твердофазного легирования (ТФЛ) базовых магнитных сплавов. Достоинством водородной обработки сплавов системы Nd-Fe-B является то, что она улучшает магнитные характеристики основной магнитотвёрдой фазы Nd2Fe14B: температуру Кюри, константу магнитокристаллической анизотропии, намагниченность насыщения, модуль упругости и др.
Описание исследования

Рассмотрена термодинамика и исследован процесс фторирования оксидов редкоземельных и переходных металлов с использованием элементного фтора, фтороводорода, фторида и бифторида аммония. Определены следующие физико-химические свойства полученных фторидов РЗМ и железа: влажность, фазовый состав, элементный состав, насыпная плотность, плотность с утряской и гранулометрический состав.

 Разработана технология внепечного кальциетермического восстановления фторидов металлов с получением лигатур и магнитных сплавов. При этом рассмотрены физико-химические основы процесса, исследованы влияния различных факторов на качество получаемых лигатур и сплавов, а также химический состав экспериментальных образцов  (содержания неодима, железа, бора, диспрозия,  празеодима и примесей).    Изучен процесс получения экспериментальных образцов сплава РЗМ-Fе электролизом на жидкометаллическом катоде с электролитом состава: LiF (76,8 %), NdF3 (19,2 %), Nd2O3 (4 %).

Проведены экспериментальные исследования по влиянию различных факторов на процесс гидридного измельчения сплавов и лигатур, таких как температура (влияние на скорость гидрирования лигатуры и на длительность индукционного периода), давление водорода, избыток водорода, площадь поверхности, состава лигатур.

 Испытан экспериментальный образец лабораторной установки гидрирования сплавов и лигатур РЗМ-Fe на соответствие основным условиям поддержания непрерывного процесса гидрирования в установке: обогрев реторт, разрежение, создаваемое в реакторе, максимальная загрузка аппарата, объем реактора, герметичность системы.

Исследованы коррозионные свойства гидридов Nd-Fe, Dy-Fe, Nd-Fe-B, Pr-Fe, определена их коррозионная устойчивость в атмосферных, щелочных и кислых средах.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования получения магнитных материалов (Fe-Nd-B-ЛК) методом внепечного восстановления их фторидов и легирующих компонентов, а также рафинирования магнитных сплавов и лигатур в индукционной и электрошлаковой печах.

Исследованы экспериментальные образцы рафинированных сплавов и лигатур, определены их химический и фазовые составы, а также макро- и микроструктура. Испытан экспериментальный образец лабораторной установки рафинирования РЗМ в части соответствия его конструкторской  документации, составу, объему плавильной камеры и обеспечиваемого интервала температур.

Для исследования свойств используемого сырья и качества полученных продуктов,  указанных выше,  использовали современное аналитическое оборудование и инструментальные методы анализа, такие как: рентгенофазовый, рентгено-флуоресцентный, метод растровой электронной микроскопии, лазерной дифракции и другие.

Исследованы процесс получения высокоэнергетических постоянных магнитов на основе системы Nd-Fe-B методом компактирования, а также  гистерезисные и другие эксплуатационные характеристики полученных магнитов. При этом рассмотрено влияние ряда технологических факторов, таких как состав сплава Nd-Fe-B, содержание легирующих добавок, технологические параметры процесса, метод измельчения сплавов, термообработка,  твердофазное легирование магнитных сплавов гидридами и металлическими легкоплавкими лигатурами (Nd3Fe, Nd3Co, TbFe, DyFe  PrFe,  и др.) на свойства получаемых магнитов.

Проведены моделирование и предварительные испытания опытного образца электродвигателя мощностью 4,5 кВт с использованием полученных высокоэнергетических магнитов с целью определения его мощности, номинального крутящего момента, номинального тока, КПД, а также момента инерции.

Результаты исследования

В результате проведенных исследований были разработаны  следующие лабораторные методики: получения фторидов РЗМ и железа фторированием их соединений; исследования их свойств;  изготовления  партии образцов сплава РЗМ-Fе электролизом  и внепечным кальциетермическим восстановлением фторидов РЗЭ и Fe; испытаний полученных  образцов сплавов РЗМ-Fе; исследований по влиянию различных факторов на процесс гидридного измельчения полученных образцов сплавов и лигатур;  исследований коррозионных свойств гидридов; рафинирования сплавов РЗМ; получения  образцов высокоэнергетических постоянных магнитов (ВЭПМ) методом компактирования; исследований гистерезисных и других  свойств образцов ВЭПМ.

Разработаны следующие программы и методики испытаний экспериментальных образцов лабораторных установок: по получению сплавов РЗЭ-Fe методами электролиза и внепечного кальциетермического восстановления фторидов РЗЭ и железа; гидрирования сплавов и лигатур РЗМ-Fe; рафинирования РЗМ; электродвигателя мощностью 4,5 кВт с использованием полученных ВЭПМ.

Разработаны технические условия на получение ВЭПМ, а также технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом требований и особенностей индустриального партнера.

Выполнены технико-экономическое обоснование разработки продукции, а также проект Технического задания (ТЗ) на проведение ОТР по теме: «Разработка технологии получения магнитов по фторидному внепечному методу».

Сконструированы, изготовлены и введены в эксплуатацию следующие лабораторные установки: получения сплавов РЗЭ-Fe методом электролиза; получения сплавов РЗЭ-Fe методом внепечного кальциетермического восстановления фторидов РЗЭ и железа; гидрирования сплавов и лигатур РЗМ-Fe; рафинирования РЗМ, а также опытный образец электродвигателя мощностью 4,5 кВт с использованием полученных ВЭПМ.

Изготовлены опытные партии экспериментальных образцов материалов с выходом на всех стадиях не менее 95 %: фторидов РЗМ и железа  в количестве 24,7 кг; слитки сплавов РЗМ- железо-легирующие компоненты  массой 18,70 кг путем электролиза  и внепечным кальциетермическим восстановлением; гидридов РЗМ (Nd-Fe, Nd-Fe-B и Dy-Fe)  массой 15,45 кг; рафинированных сплавов на основе РЗМ в количестве 13,42 кг; постоянных магнитов с максимальным энергетическим произведением (BH)max 280-310 кДж/м3, остаточной магнитной индукцией 1,21-1,30 Тл, коэрцитивной силой по магнитной индукции 880-900 кА/м, магнитной проницаемостью от 1,05 до 1,10, плотностью от 7,3 до 7,6 кг/м3 и другими характеристиками, соответствующими ГОСТ Р 52956 общей массой 5 кг; электродвигателя мощностью 4,5 кВт с номинальным крутящим моментом более 18 Н×м, номинальным током менее 9,5 А, КПД выше 85 % и моментом инерции менее 0,004 кг/м2 с использованием полученных ВЭПМ.

Все разработанные методики, программы и методики проведения исследовательских испытаний, лабораторные установки и полученные экспериментальные образцы соответствуют требованиям ТЗ на выполнение ПНИ по теме проекта.

Практическая значимость исследования
Применение постоянных магнитов в электромашинах перспективно там, где предъявляются высокие требования к массогабаритным, динамическим и удельным энергетическим характеристикам. Это бесколлекторные электромашины точного позиционирования в исполнительных механизмах, в транспортных системах, в агрессивных и вакуумных средах, ветрогенераторах и других областях. Сдерживающим фактором являются стоимость и нестабильность эксплуатационных характеристик постоянных магнитов.
Изготовленные методом компактирования ВЭПМ на основе системы Nd-Fe-B со стабильными и повышенными эксплуатационными характеристиками будут использованы для производства электродвигателей, которые используются на предприятиях точного машиностроения, фирмах-производителях нефтедобывающего оборудования, автомобилей с гибридным приводом, высокоэффективных машин постоянного тока, электрогенераторов мощностью более 1000 кВт и т.д.
Данная технология позволит повысить конкурентоспособность российских производителей на рынке магнитных материалов и электромеханических систем, где в настоящее время основным производителем является Китай.
Имеются запросы на приобретение сплавов и лигатур на основе РЗМ от следующих предприятий:
– ФГУП «Спецмагнит», г. Москва;
– ЗАО Научно-производственное предприятие «Редмаг», г. Калуга;
– ФГУП «Научно-исследовательский и экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования» (г. Москва);
– ФГУП «ВИАМ» (г. Москва);
– ООО «Поз-Прогресс», г. Верхняя Пышма, Свердловская обл. и др.
Сибирской электротехнической компанией (г. Томск) планируется организовать серийный выпуск электродвигателей мощностью до 18 кВт для подъемных механизмов на транспорте.

Все работы, предусмотренные план-графиком исполнения обязательств по Соглашению исполнителем НИЯУ МИФИ и Индустриальным партнером ОАО «Гидрометаллургический завод» (г. Лермонтов, Ставропольский край) выполнены в полном объёме.