Способ получения металлического порошка

 

Сущность: расплав металла подвергают центробежному распылению путем подачи расплава из обогреваемой емкости 1 тангенциально под давлением в камеру закручивания центробежной форсунки 5, имеющей тангенциальный канал 7 с коническим диффузором 8 и соплом 9. При распылении давления на расплав осуществляют путем вращения обогреваемой емкости и камеры закручивания форсунки с частотой, устанавливаемой из соотношения, приведенного в описании изобретения. Величина давления определяется также по формуле, приведенной в описании, и может варьироваться в широких пределах, регламентируемых условиями безопасности процесса. 1 з.п. ф-лы. 2 ил., 2 табл. сл

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Я)5 В 22 F 9/10

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4801855/02 (22) 14.03.90 (46) 15.07.93. Бюл. f4 26 (71) Отделение O 2 Московского инженерно-физического института и Научная конструкторско-технологическая фирма нетрадиционных методов обработки и новых материалов (72) Ш.М.Шейхалиев, С.И.Попель, Л.К,Дружинин и Б.В.Сафронов (56) Патент США ЬЬ 3725517, кл. 264-12, 1973.

Авторское свидетельство СССР

N. 719809, кл. В 22 F 9/08, опубл. 1980. (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕ-

СКОГО ПОРОШ КА.Я2 1827325 А1 (57) Сущность: расплав металла подвергают центробежному распылению путем подачи расплава из обогреваемой емкости 1 тангенциально под давлением в камеру закручивания центробежной форсунки 5, имеющей тангенциальный канал 7 с коническим диффузором 8 и соплом 9. При распылении давления на расплав осуществляют путем вращения обогреваемой емкости и камеры закручивания форсунки с частотой. устанавливаемой из соотношения. приведенного в описании изобретения. Величина давления определяется также по формуле, приведенной в описании, и может варьироваться в широких пределах, регламентируемых условиями безопасности процесса. 1 з.п. ф-лы,2 ил.,2 табл.

1827325

3,7 10 3,1 . 1О - = ю -- - 1/с, р r p.г

20 где г — расстояние между осью вращения расплава в камере закручивания и осью вращения емкости, м; р — плотность расплава, кг/м ., з а камеру закручивания располагают относительно емкости так, чтобы ось вращения расплава в обогреваемой емкости была параллельна оси вращения расплава в камере закручивания, При. этом тангенциальную подачу расплава в камеру закручивания осуществляют так, чтобы направление вращения расплава в камере закручивания. совпадало с направлением вращения обогреваемой емкости.

Вращением открытой обогреваемой емксти создают в расплаве центробежные силы, которые, в своа очередь, обеспечива от в жидком металле давление величиной, определяемой по формуле

45 . В известном способе рабочее давление расплава, организуемое давлением сжатого газа, находится в пределе 0,5...2,5 МПа. В предложенном способе интервал рабочих давлений, под которым расплав поступает в 50 камеру закручивания центробежной форсунки при ее вращении, может быть значительно расширен, Результаты опытов распыления, проведенных по предложенному способу при раз- 55 личных частотах вращения центробежной форсунки, приведены в табл.1.

Из табл.1 следует, что при частотах вращения менее 39 1/с средний размер порошков становится сравним с размерами частиц

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам производст ва металлических порошков.

Наиболее близким к предложенному является способ получения металлического 5 порошка центробежным распылением жидкого металла.

Целью изобретения является увеличение дисперсности ftopGlDK3, снижение за. трат инертного газа, повышение производительности процесса и безопасности условий его проведения, Это достигается за счет того, что давление в расплаве создают вращением открытой обогреваемой емкости и камеры закручивания центробежной форсунки с частотой, определяемой из соотношения (0,3...0,5 мм) порошков, получаемых известным способом при распылении расплава через вращающийся перфорированный стакан. То есть, при указанной частоте и менее жидкий металл вытекает через сопло центробежной форсунки в виде сплошной струи и реализуется дробление ее на крупные капли. При частотах вращения вблизи

500 1/с снижение размеров резко замедляется. По-видимому, при этих частотах газодинамическое воздействие на расплав, выходящий из форсунки, велико и становится невозможным формирование из него пленки и дробление на мелкие капли. Поэтому целесообразные значения частот сверху ограничены значением 500 Гц, а сниэу—

60 Гц, В третьей строке приведены значения давления в расплаве, под которым он поступает в центробежную форсунку.

Поскольку давление связано с частотой, радиусом вращения и плотностью расплава соотношением (1), то целесообразный интервал частот вращения, применяемый в предложенном способе, может быть определен неравенством

3,7 10 ((3,1 10

=(в"= 1/с (2)

Р Р

Обогреваемую емкость можно через центральное отверстие непрерывно по мере расхода расплава дозировать новыми порциями расплавленного металла из отдельной плавильной печи и тем самым увеличить проиэводителдность процесса ра.спыления.

Поскольку размеры обогреваемой емкости могут быть снижены по сравнению с размерами емкости прототипа, а необходимость применения сжатого до высоких давлений газа исключается, то повышается и безопасность проведения процесса распыления.

Вращение емкости позволяет создать в расплаве давление, определяемое равенством (1), и исключить необходимость применения сжатого инертного газа, Это позволит снизить затраты инертного газа.

Ориентация оси вращения расплава в камере закручивания параллельно оси вращения расплава в емкости позволяет увеличить угол при вершине конической пленки расплава. сформировавшейся на выходе иэ сопла и величину центробежных сил, действующих на нее, по сравнению со всеми другими вариантами и получить более мелкий порошок.

1827325

Организация вращения расплава в камере закручивания таким образом, чтобы

его направление совпадало с направлением вращения емкости, дает возможность увеличить эффективность действия центробежных и газодинамических сил на пленку и капли расплава и тем самым позволяет увеличить дисперсность порошка.

Пример 1. В соответствии с заявляемым способом были получены порошки сплава Вуда и олова марки 01 (Sn), Порошки при разных условиях получали на установке центробежного гракулирования, в которой на вертикальном валу с приводом вместо перфорированного стакана устанавливалось устройство, реализующее предлагаемый способ.

Схема одного иэ вариантов этого устройства приведена на фиг.1, Оно содержит обогреваемую емкость 1 с внутренней огнеупорной изоляцией 2, Емкость 1 выполнялась из стали в форме цилиндра высотой 20 мм и наружным диаметром r = 170 мм с осью, совпадающей с осью О-О вращения вала привода. Емкость 1 открыта сверху и имеет воронку 3 для заливки жидкого металла в полость 4. На расстоякии r =75 мм ат оси вращения 0-0 емкости f установлены две или более центробежных форсунок 5 с цилиндрической камерой закручивания 6,. тангенциальным каналом 4, коническим конфузором 8 и соплом 9 с диаметром 0,6 мм. В комплект установки входит также плавильная печь 10 с отверстием 11 для разливки металла и стопорное устройство 12 для регулирования его расхода. Тангенциальный канал 7 в центробежной форсунке выполнялся в двух вариантах: направление оси канала совпадает или противоположно каправлекию вращения часовой стрелки.

Порошки получали следующим образом. Металл в количестве 10-15 кг загружали в отдельную плавильную печь и нагревали до температуры плавления, плавили и перегревали на 50 К. После этого включали привод установки и приводили во вращение распылителькое устройство. Распыление олова и сплава Вуда по способупрототипу проводили при давлении Р = 0,8

МПа, Поэтому для сравнительных опытов рабочую частоту вращения по предлагаемому способу определяли по формуле ур:Т

oJ =, При P = 0,8 МПа для олова (р-7 .10з) расчет дает в= 200 1/с, а число оборотов привода и = 2000 об/мик, 30 со при том же давлении для сплава Вуда утончающуюся пленку 13, которая неустойчива и распадается на капли. Капли металла застывают в порошок, который далее рассеивали по фракциям и определяли их массовую долю (Gi), средней размер частиц

25 фракций (Ф) и средний размер частиц (dc ) осего порошке по формуле Е,р -, 6 й.

1 =1

50. это различие существенно и составило

10 (р = 10 10 кгlмэ) эти величины равны

co= 160 с, h = l 500 об/мин. При достижении устройством рабочсй частоты вращения открывали стопор 12 плавильной печи и переливали расплав из плавильной печи через воронку 3 во вращающуюся емкость 1, Под действием центробежной силы в расплаве на расстоянии r от оси вращения при частоте вращения создается давление, величина которого определяется по формуле

P = . Под действием этого давлеоР

2 ния расплав поступает тангенциально. через канал 5 в камеру закручивания 7 и приобретает вращение. При попадании в конфузор

8 вращение расплава еще более усиливается и при выходе иэ сопла 9 в камеру распыления (не показана) он формируется в

Характеристики форсунок во всех опытах оставались неизменными.

В таблице представлены результаты распыления олова и сплава Вуда при одинаковых давлениях (Р =- 0,8 МПа) и расходах (G = 60 кг/ч) при распылении через одну форсунку.

Опыты.по предлагаемому способу проводили в трех вариантах. Вариант А реализовывался в случае, когда центробежкая форсунка устанавливалась так, что ось С вЂ” С вращения расплава в камере закручивания была перпендикулярна оси вращения расплава в емкости (фиг,1). В варианте Б ось

С вЂ” С вращения расплава в камере закручивания параллельна оси вращения о — О расплава в емкости, а направление вращения в камере закручивания противоположно направлению вращения емкости. В варианте

S ось С-С параллельна оси О-О, а направление вращения расплава в камере закручивания совпадает с направлением вращения обогреваемой емкости. Порошки олова и сплава Вуда, распыленные по предлагаемому способу (вариант A), имеют в 1,8 раза меньшие средние размеры частиц, чем порошков тех же металлов, полученных по прототипу, Выход мелкой фракции (-0,040 мм) по предлагаемому способу при распылении Sn, a указанном варианте, составил

6,6;/„в то время, как для прототипа эта фракция вовсе отсутствует. Для сплава Вуда

26;, т.е. при одном и том >ке давлении порошок, полученный распылением через вращающуюся центробежную форсунку, оказывается более мелким, чем через неподвижную. Этот опытный факт объясняется тем, что по предлагаемому способу дробление реализуется как за счет известного дробления пленки центробе>кными силами, TBK и за счет дополнительного дробления пленки при ее вращении газодинамическими силами.

Однако, если ось вращения расплава камеры закручивания располо>кить параллельно оси вращения расплава емкости (вариант

Б) удается получить еще более мелкий порошок (строки 5 и 6 -,àáëèöû). Это увеличение дис310рс33ости г1ороика достигGBTGA за счет. увеличения угла раскрытия пленки расплаза, что позволяет снизить ее толщину и соответственно уменьшить размеры капель, Оаганизация вращения расплава в камере закручивания таким образом, чтобы . его направление совпадало с направлением Вращения Обогреваемой емкости (см. фиг.2а), обеспечивает увеличение дисперсности порошка (вариант Б) по сравнению с диспероностью порошка (вариант Б), полученного в опытах, где направление вращения в камере закручивания было противоположно напраьлению вращения обогреваемой емкости (фиг.2б). Увеличение эффективности распыления в варианте 8 обусловлено смещением вращающейся пленки расплава от центра вращения емкости с расплавом и сОответствующим увеличением действия на нее центробежных и газодинамических сил. Смещение пленки враща3ощейся, как вокруг оси С-С, так и вместе с емкостью относительно оси 0-0, связано с возникающим перепадом давлений в точках M удаленной и К ближней к оси

О. Так как в точке М скорости вращения пленки и емкости складываются, а в точке N они вычитаются (фиг.2а, в) TQ суммарная скорость пленки в точке М выше, чем скорость ее в точке N;310 закону Бернулли там, где скорость выше, там давление меньше, Разница давлений 32 точках Зч и М flil 8 HKw, и ри водит к ее деформированию и смещени3о от центра к периферии (известный эффект Магнуса).

Если направление вращения расплава в камере закручивания противополо>кно на правлени3о вращения емкоСти, то на основании вышеприведенных рассу>кдений пленка смещается к центру, где центробежные и газодинамические силы слабее и эффективность распыления ниже.

Хронометраж процесса распыления по известному спрсобу при использовании одной форсунки показал, что длительность одного цикла производства порошка при разовой разгрузке емкости металлом 60 кг со- ставила 2,8 ч, т.е. за смену этим способом можно произвести; 8 ч, 2,8 ч, 60 кг = 171 кг

5 порошка олова.

По предлагаемому способу процесс распыления можно вести непрерывно, исключив операции разгерметизации и герметизации емкости, заполнение ее газом и т.д, 10 и при использовании одной форсунки увеличить производительность. процесса до 480 кг в смену. Очевидно, при использовании форсунок эта производительность может быть увеличена до 480 кг, при условии обеспе15 чения такой производительности выплавки жидкого металла плавильной печью. Если обьем обогреваемой емкости по прототипу составляет 24 л, а давление в опытах

0,8 МПа, то расход инертного газа на 1 кг

20 расплава составит 3 л. При одинаковых прочих расходах инертного газа а предлагаемом способе можно снизить расход инертного газа на производство 1 кг порошка в количестве до 3 л.

25 При производстве порошка по предлагаемому,способу расширяются пределы реализуемых давлений в расплаве при сохранении безопасных условий эксплуатации устройства.Так, при примененииемко30 сти диаметром 200 мм с центробежной форсун кой, установленной на расстоянии

100 мм от оси вращения емкости с расплавом, и при частоте ее вращения 3000 об/мин. в расплаве, например, олова реализуются

35 У, 10з 9 104 . 10 давления Р -3 МПа

=- =30 атм. При этом исключается расход сжатого до высоких давлений инертного газа и повышается безопасность условий экс40 плуатации установки. Оборудование, реализующее предлагаемый способ, просто в эксплуатации и не требует больших капитальных затрат при его изготовлении, Формула изобретения

1. Способ получения металлического порошка, включающий центробежное распыление расплава металла, о т л и ч а ю щ и йс я тем; что распыление осуществляют путем тангенциальной подачи расплава под давлением из обогреваемой емкости в камеру закручивания центробежной форсунки, причем давление на расплав осуществляют вращением обогреваемой емкости и камеры закручивания с частотой, устанавливаемой из соотношения

3,7 10 (3 1 10 - в - -, 1/с

Р » Р

1827325 твблица 1 в 1/с

500 420

З10

200

170

Зо бс . М<4

Р, Мпа

0.078

0,081

0,092

0.11

015

0,28

0.35

4,9

З,2

1,8

0,81

О,Е2

О,07

0,035

Твбннцэ 2

Составитель Л.Гамаюнова

Редактор В.Трубченко Техред М.Моргентал Корректор Л.Пилипенко

Заказ 2342 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

t. де r — расстояние между осью вращения оасплава в камере закручивания и осью вращения емкости, м; р- плотность расплава, кг/м, з причем камеру закручивания форсунки по-. Б мещают в периферийной части емкости с параллельным расположением оси вращения расплава в емкости и s камере закручивания.

2. Способ по п2, î i л и ч а ю ц и и с я тем, что распыление осуществляют при вра- щении расплава в камере. закручивания в направлении, совпадающем с направлением вращения обогреваемой емкости.