Порошковая металлургия и композиционные материалы (стр. 9 )

Размол материалов в вихревых и струйных мельницах

При измельчении в таких мельницах ударные и истирающие усилия возникают при соударении частиц обрабатываемого материала; загрязнение по­рошка материалом рабочего органа и стенок мельницы существенно уменьша­ется, а также устраняются явления, связанные с привариванием к стенкам мель­ницы обкованных, но не измельченных частиц.

В рабочей камере вихревой мельницы друг против друга расположены пропеллеры или била (рис. 11), вращающиеся в противоположных направле­ниях при высоких (порядка 3 000 об/мин), но обязательно равных скоростях.

Мерные отрезки металлической проволоки из бункера поступают в вихревой поток, создаваемый пропеллерами или билами, сталкиваются друг с другом и измельчаются. Насосом в рабочую камеру нагнетается газ (воздух, азот и др.), с помощью которого уже измельченные частицы удаляются из рабочего пространства мельницы и направляются в ее приемную камеру.

Скорость газового потока регулируют так, чтобы из рабочей камеры мельницы удалять частицы определенных размеров (чаще всего в интервале 60-350 мкм).

Когда сила струи газа, подаваемого в рабочую камеру, превысит инерционные (гравитационные) силы, действующие на частицу измельчае­мого материала, она будет вынесена из рабочего пространства мельницы.

В приемной камере мельницы крупные частицы оседают на дно и пе­риодически возвращаются в рабочую камеру, где подвергаются дальнейшему измельчению. Более мелкие частицы вместе с потоком газа поступают в от­садочную камеру, где выпадают, накапливаются и периодически выгружают­ся в емкости для порошка.

Частицы порошка, полученного в вихревых мельницах, могут быть осколочной, чешуйчатой или сферической формы, однако во многих случаях на поверхности частиц материала наблюдаются характерные углубления, от­чего их форма напоминает тарелку. Поэтому частицы подобной формы полу­чили название тарельчатых.

Для измельчения стружки металлообработки пропеллеры заменяют одним центральным валом со специальными билами.

В результате вихревого измельчения могут получаться достаточно мелкие, проявляющие склонность к самовозгоранию (пирофорные) порошки. Для предотвращения самовозгорания в рабочую камеру мельницы вводят ка­кой-либо инертный или нейтральный к материалу порошка газ, к которому добавляют до 5 % кислорода. Кислород, содержащийся в газе, образует на поверхности частицах порошка защитную оксидную пленку.

Рис. 11. Вихревая мельница: 1 - рабочая камера мельницы; 2 - бункер для загрузки измельчаемого материала; 3 - прием­ная камера; 4 - пропеллеры; 5 - отсадочная камера; 6 - насос для подачи газа в рабочую камеру; 7 - порошок; 8 - ем­кость для выгрузки порошка из отсадочной камеры

Производительность вихревых мельниц сравнительно невелика - не более 15 кг порошка в час у мельницы мощностью около 30 кВт. Более эф­фективны и производительны струйные мельницы, обеспечивающие сверх­тонкое измельчение материала за счет энергии вводимых в рабочую камеру мельницы (со звуковой и даже сверхзвуковой скоростью) потоков сжатого газа (воздуха, азота и др.) или перегретого пара. Материал, подаваемый в ра­бочую камеру мельницы, находится в постоянном движения, испытывая мно­гократные соударения, которые приводят к его интенсивному истиранию (самоизмельчению). Так же как и в вихревых мельницах, измельченный ма­териал (частицы размером от 1 до 5 мкм) удаляется из рабочей камеры пото­ком газа или пара.

Контрольные вопросы и задания

Перечислите основные этапы получения механолегированных по­рошков. Какие преимущества имеют механолегированные порошки перед обычными? Что такое аттритор? Объясните принцип устройства вибрационных мельниц. Какие усилия действуют на материал при его измельчении в вибра­ционных мельницах? Опишите механизм измельчения материалов в вихревых и струй­ных мельницах. Каким образом измельченный порошок удаляется из рабочей каме­ры вихревой мельницы? Объясните принцип действия центробежных и гироскопических мельниц. Каковы размеры частиц порошка, получаемого в центробежных и гироскопических мельницах? Назовите достоинства и недостатки измельчения порошков в цен­тробежных и гироскопических мельницах.

Получение порошков ультразвуковым измельчением в жидких средах. Измельчение материалов в аппаратах магнитного индукционного вращателя

План лекции

Измельчение ультразвуком. Измельчение в аппаратах магнитного индукционного вращателя.

Измельчение ультразвуком

Металлические порошки различной крупности могут быть получены ультразвуковым диспергированием твердого вещества в жидкости.

Ультразвук представляет собой упругие колебания и волны, частота которых лежит в пределах от 10 кГц до нескольких десятков гигагерц (низкочастотные колебания - 15-100 кГц, средних частот - 100 кГц - 10 МГц, высокочастотные - 10 МГц-1 ГГц; свыше 1 ГГц - гиперзвук).

Распространяясь в жидкости, твердом веществе или газе, упругие ко­лебания создают звуковую волну, которая образует в соответствующей среде сгущения и разрежения с частотой налагаемых колебаний. Наличие в данной среде примесей (прежде всего микрочастиц) приводит к возникновению в ней давления, избыточного по отношению к атмосферному.

В жидкостях помимо твердых примесей имеется огромное число газо­вых пузырьков размером от десятых долей до сотен микрометров. Под воз­действием ультразвука определенной мощности эти пузырьки (полости) ак­тивно пульсируют, растягиваясь и сжимаясь в фазе разрежения или сгущения ультразвуковых колебаний.

Эти пульсирующие полости (пузырьки) называют кавитационными, а процесс их развития во времени - ультразвуковой кавитацией. Однако кави - тационные процессы наступают лишь для тех пузырьков, начальный радиус которых R0 больше критического радиуса Rкр, но меньше резонансного Rрез(т. е. такого размера, когда частота собственного колебания пузырька совпа­дает с частотой налагаемого поля). При R0 < Rкр пузырьки вследствие дейст­вия сил поверхностного натяжения не участвуют в кавитации (при данной частоте колебаний), а при R0 > Rрез они вытесняются на поверхность жидко­сти. При R0 > Rкр пузырек теряет устойчивость и выходит из состояния рав­новесия. Значение Rкр определяют по выражению

       (4)

где σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости; Pa - звуковое давление; Pp - упругость пара жидкости; P0 - статическое давление в объеме жидкости.

Для колебаний частотой 20 кГц, распространяющихся в воде, Rкр со­ставляет десятые доли микрометра, а Rрез - сотни микрометров; для колеба­ний частотой 1 МГц Rрез - несколько микрометров. То есть с повышением частоты ультразвука количество пузырьков, вовлекаемых в кавитационный процесс, уменьшается. Это обстоятельство предопределяет выбор диапазона частот для ультразвукового диспергирования. Чаще всего для измельчения материалов в водной среде используют ультразвуковые колебания частотой от 18 до 22 кГц.

Ультразвуковое диспергирование может протекать по механизму ка - витационного и/или гидроабразивного разрушения материала. Кавитационное разрушение происходит под воздействием энергии, освобождающейся при захлопывании (в фазе сжатия) кавитационных пузырьков. Гидроабра­зивное - при взаимодействии частиц, перемещаемых в жидкой среде акусти­ческими потоками различной масштабности, возникающими при захлопыва­нии пузырьков.

Пульсация кавитационных полостей приводит к заполнению жидко­стью поверхностных дефектов (углублений, миктротрещин и пр.) частицы. Одновременно с жидкостью в эти дефекты поступают и пузырьки газа, имеющие различные размеры. В момент захлопывания газового пузырька из - за отклонения формы их поверхности от сферической образуется ударная волна и/или микроструя жидкости. Давление, возникающее при действии на частицу измельчаемого материала этих потоков, составляет 102 -103 МПа. Учитывая, что у частиц измельчаемого материала наблюдается пониженная (из-за наличия различного рода дефектов) прочность, подобного давления вполне достаточно для диспергирования исходного материала.

Гидроабразивное разрушение является следствием как прямого удара о поверхность, так и скольжения, сопровождающегося ударами о микроне­ровности. Скорости микропотоков, возникающих при вторичном расшире­нии кавитационной полости, в технологических установках, работающих при частотах от 15 до 44-45 кГц, достигают 1 500-2 000 м/с, т. е. скорости звука в жидкости; возможны даже сверхзвуковые скорости порядка 104 м/с. Скорость образующихся при кавитации микроструй жидкости, радиус которых по по­рядку величины соответствует минимальному радиусу кавитационных пу­зырьков, близка к скорости их захлопывания (от сотен до нескольких тысяч метров в секунду).

Однако скорость перемещения частиц порошка под действием этих потоков и микроструй зависит от размеров частиц. Для того чтобы частица могла перемещаться со скоростью соответствующего потока, ее размер не должен превышать 100 мкм, а для того чтобы она перемещалась со скоро­стью распространения микроструи - 0,1 мкм.

Кроме частоты ультразвуковых колебаний, существенное влияние на процесс диспергирования оказывают свойства жидкости (эрозионная актив­ность, вязкость, температура) и объемная концентрация частиц твердой фазы в жидкости, а также исходное состояние частиц измельчаемого материала (нали­чие пористости в объеме частиц и примесей на границах между зернами).

Эрозионная активность воды значительно выше, чем у большинства органических жидкостей, которые имеют более высокие значения упругости паров. Повысить эрозионную активность жидкости можно путем введения в ее состав поверхностно-активных веществ, улучшающих смачиваемость по­верхности и способствующих проникновению жидкости в микротрещины и неровности на поверхности частиц.

Повышение вязкости жидкости снижает, как правило, ее эрозионную активность из-за потерь акустической энергии. Однако при больших интен - сивностях ультразвука (т. е. энергии, излучаемой в среду с единицы излу­чающей поверхности в секунду) и высоковязких жидкостей (50-100 Па·с) эрозионная активность повышается, так как силы вязкого трения, играя роль избыточного статического давления, ускоряют захлопывание кавитационной полости и возникновение ударной волны.