Методы распыления металлического расплава различаются по виду энергии, затрачиваемой на его создание (нагрев индукционный или косвенный, электродуговой, электронный, лазерный, плазменный и др.), виду силового воздействия на него при диспергировании (механическое воздействие, энергия газовых и водяных потоков, силы гравитационные, центробежные или магнитогидродинамические, воздействия ультразвука и т. д.) и по типу среды для его создания и диспергирования (восстановительная, окислительная, инертная или какая-либо иная среда заданного состава, вакуум).
На рис. 20 приведены принципиальные аппаратурно-технологические схемы получения порошков железа распылением воздухом (рис. 20, а) и железа или сплавов на его основе распылением водой (рис. 20, б), а на рис. 21 — 23 показаны некоторые из вариантов диспергирования расплава. В любом случае сущность получения металлических порошков из расплава заключается в нарушении сплошности его потока (струи или пленки) под действием различных источников возмущений с возникновением дисперсных частиц.
Центробежное распыление (рис. 21, а—в) представляет собой один из основных видов диспергирования расплава. По методу вращающегося электрода распыление происходит в момент формирования расплава (электрическая дуга, как показано на рис. 21, а, электронный луч, плазма или другие источники энергии). Образовавшаяся на торце расходуемого электрода, вращающегося со скоростью 2000—20000 об/мин, пленка расплава толщиной 10—30 мкм под действием центробежных сил перемещается к его периферии и срывается с его кромки в виде частиц-капель преимущественно размером 100—200 мкм (увеличение диаметра расходуемого электрода и скорости его вращения приводит к уменьшению размера частиц-капель). Кристаллизация
Рис. 20. Аппаратурно-технологическая схема получения порошка железа: а — распылением расплава воздухом; / — вагранка; 2 — разливочная емкость; 3 — камера распыления; 4 — насос; 5 — гидроциклон; 6 — фильтр; 7 — сушилка; 8 — промежуточный бункер; 9 — двойной конусообразный смеситель; 10 — печь с шагающим подом; // — мельница; 12 — классификатор; 13 — смеситель; 14 — бункер для хранения порошка; б — распылением расплава водой: / — скрап, чушковый чугун; 2 — легирующие материалы; 3 — известняк, флюорит; 4 — электрическая печь; 5 — разливочная емкость; 6 — камера распыления; 7 — обезвоживание; 8 — сушка; 9 — дробление; 10 — классификация; // — магнитная сепарация; 12 — восстановительная конвейерная печь; 13 — дробление; 14 — магнитная сепарация; 15 —- классификация; 16 — взвешивающее устройство; 17 — смеситель; 18 — упаковка порошка
капель со скоростью охлаждения порядка 104 °С/сек происходит в атмосфере инертного газа. При других схемах диспергирования (рис. 21, б, в) расплавление металла проводят автономно, вне зоны распыления. Когда струю расплава подают на вращающийся со скоростью до 24000 об/мин диск (рис. 21б), на его вогнутой поверхности образуется пленка жидкого металла, от которой затем отрываются капли-частицы преимущественно размером меньше <100 мкм и кристаллизуются в атмосфере инертного газа со скоростью 105—106 °С/сек. При выдавливании расплава из отверстий в стенке контейнера (рис. 21, в), вращающегося со скоростью 1000—5000 об/мин, капли - частицы формируются в момент их отрыва от внешней поверхности стенки контейнера.
При ультразвуковом распылении (рис. 21, г,д) диспергируют в основном расплавы легкоплавких металлов и сплавов (Тпл < 1000 °С). По одному из вариантов (рис. 21, г) струя или капля расплава подается на обогреваемую поверхность, колеблющуюся с ультразвуковой частотой (более эффективны частоты 18—22 кГц и амплитуды 10—30 мкм), растекается по ней в виде пленки (желательно толщиной порядка 2 мм), а затем разрушается с образованием частиц рзамером в несколько десятков микрометров (преимущественно 40—60 мкм). По схеме, приведенной на рис. 21, д, распыление тонкой пленки расплава происходит с внешней поверхности конической части ультразвуковой насадки, жестко соединенной с концентратором магнитострикционного преобразователя; образующиеся капли-частицы охлаждают струей инертного газа.
Методы распыления металлического расплава потоком энергоносителя (рис. 22, а—г) широко применяют для многотоннажного получения различных порошков. При применении газа-энергоносителя возможны три схемы (рис. 24) диспергирования струи расплава: поток газа обтекает ее соосно (рис. 24, а), направлен к ее оси под некоторым углом (рис. 24, б) либо под прямым углом (рис. 24, в). Наиболее распространено распыление с углом встречи (атаки) от 30 до 90°. Схему с вертикальным расположением форсуночного устройства (см. рис. 22, а) обычно используют при диспергировании свободно истекающей струи металлов и сплавов с точкой ликвидуса до 1600°С. Она достаточно универсальна, обеспечивает высокую производительность процесса, позволяет применять различные энергоносители (воздух, азот, аргон, гелий, углекислый газ и др.), в том числе и при их подогреве. Схема, приведенная на рис. 22, б, позволяет распылять легкоплавкие расплавы с ликвидусом до 800 °С. Ограниченное распространение имеет схема с горизонтальным расположением форсуночного устройства (см. рис. 22, в) с инжекционной подачей расплава непосредственно из плавильного пространства (ванны) печи. Ее применяют в основном для получения порошков алюминия, припоев, свинца, олова и цинка.
В течение последних 20 лет во все более расширяющихся масштабах в качестве энергоносителя используют воду (см. рис. 22, г), в том числе при ее высоких энергетических параметрах (скорость истечения 100—150 м/с, давление до 15—25 МПа). Обычно струи воды, коаксиальные со струей расплава, направляют на нее под углом от 5—15 до 60—70° с двух или четырех сторон. Конструкция форсунки должна позволять создавать максимальную силу удара водяной струи. При контакте воды с расплавом, нагретым выше 100 °С (критическая температура для воды, при которой она сосуществует в виде жидкости, пара и газа), происходит интенсивное парообразование. Это существенно изменяет теплофизические характеристики процесса, так как плотность пара существенно меньше плотности воды и паровая оболочка хуже отводит тепло, чем вода. Скорость охлаждения образующихся капель-частиц составляет 104—107 °С/сек.
При бесконтактных методах распыления расплава более часто используют мощные импульсы тока или электромагнитные поля. Ток большой силы, проходя по тонкой металлической проволоке (см. рис. 22, д), мгновенно ее нагревает, и она распыляется с разлетом капель со скоростями до 1000 м/с; размер частиц зависит от энергии импульса тока, а их кристаллизация происходит в свободном полете. Если ток проходит по жидкому проводнику (см. рис. 22, е), то возникает магнитное давление, направленное по радиусу к центру струи расплава, приводящее к ее распаду на капли-частицы размером 10—500 мкм. При диспергировании жидкого металла в МГД-генераторах (см. рис. 22, ж) электромагнитные силы, которые инициируются в индукционной катушке, действуют либо на струю, сжимая и разрушая ее, либо непосредственно на расплав, выдавливая его по каплям из отверстия в канале.
Со второй половины 70-х годов активно развиваются методы распыления расплавов, обеспечивающие очень высокие скорости охлаждения капель-частиц. Один из вариантов, обеспечивающий затвердевание жидкой капли со скоростью 107—108 °С/сек, позволяет получать так называемые РИБЗ-порошки (распыленные и быстрозакаленные) по схеме рис. 21, б, когда на пути летящей капли устанавливают охлаждаемый экран под углом 15—45° к направлению ее движения; при ударе об экран капля расплава под действием силовой составляющей перемещается по его поверхности и последовательно кристаллизуется в виде частицы пластинчатой формы. На рис. 23, а показана установка для сверхбыстрого охлаждения в вакууме или инертном газе капель расплава 1, выдуваемых аргоном из отверстия в графитовом тигле 2, находящемся в трубчатой индукционной печи 3; капля попадает на медный крылообразный кристаллизатор 4, вращающийся со скоростью до 104 об/мин (встречная скорость движения капли и кристаллизатора до 500 м/с). Высокоскоростное затвердевание расплава (ВЗР) обеспечивает экстракция (извлечение) из него малых объемов металла кромкой быстровращающегося (2000— 5000 об/мин) в вертикальной плоскости диска из высокотеплопроводного материала (см. рис. 23, б). При контакте с расплавом сначала на кромке диска затвердевает некоторый слой металла, затем он выходит из расплава и охлаждается, после чего частица отделяется от кромки диска (скорость охлаждения на первых двух стадиях 106—108 °С/сек, а на третьей стадии 103 °С/сек). В любом случае методы распыления при кристаллизации капли расплава со скоростью более 106 °С/сек приводят к получению порошков, частицы которых имеют аморфную (атомизированную) структуру, придающую им чрезвычайно специфические свойства, позволяющие создавать уникальные материалы для различных отраслей техники.
Затраты по отдельным статьям приведенной калькуляции себестоимости могут значительно изменяться в зависимости от стоимости шихтовых материалов, принятой аппаратурно-технологической схемы и объема производства, требуемого уровня свойств порошка и других факторов.
Особое место среди методов распыления расплавов занимает дробление струи жидкого металла при сливании ее в воду или какую-либо другую жидкую среду, называемое грануляцией и дающее частицы размером >•1 мм.
Условная плановая калькуляция себестоимости единицы массы распыленного порошка:
Основные материалы Затраты, % от
полной себестоимости
Металлошихта.................................. 28,0
Легирующие раскислители...... 2,7
Углеродистые восстановители 0,15
Флюсы......................................... 0,15
Возврат крупной фракции...... 14,5
Итого (за вычетом отходов).... 31,0
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
