Установка для получения высокодисперсных порошков неорганических материалов электрическим взрывом и реактор для взрыва металлической заготовки

 

Сущность изобретения: установка для получения высокодисперсных порошков неорганических материалов включает источник питания, содержащий зарядное устройство, накопитель, реактор для взрыва металлической заготовки проволоки, включающий металлический корпус, два электрода, механизм подачи заготовки и патрубки отвода порошка и газа. Для снижения энергозатрат, увеличения ресурса работы и улучшения качества целевого продукта источник питания содержит коммутатор, соединенный с накопителем и реактором. Первый электрод изолирован от корпуса и соединен с коммутатором, второй электрод соединен с корпусом, заземлен и установлен с зазором к заготовке при отношении величины зазора к диаметру заготовки равном 5 10. Механизм подачи заготовки электрически изолирован от корпуса и состоит из катушки для проволоки, подающих проволоку роликов и узла деформации проволоки. Последний установлен на расстоянии к второму заземленному электроду, равном 20 40 диаметрам заготовки. Реактор патрубками соединен со сборником порошка, который имеет трубопровод для возврата газа в реактор и емкость для порошка. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к процессам получения высокодисперсных порошков неорганических материалов электрическим взрывом и может быть использовано в металлургии, химии и энергетике.

Известна установка для получения порошков металлов, состоящая из камеры, заполненной инертным газом, снабженной водяной рубашкой для охлаждения камеры, изоляционными втулками, электродами и подающими роликами, осуществляющими подачу металлической заготовки проволоки внутрь камеры, кроме того, установка включает конденсатор и балластное сопротивление [1] Недостатками этой установки являются низкое качество получаемых порошков и высокие энергозатраты на процесс.

Известно также электроразрядное устройство, содержащее корпус с высоковольтным токоподводом и основанием с установленным на нем внутри корпуса направляющим механизмом, узел захвата и подачи проводников возвратно-поступательного типа, размещенный внутри корпуса, и барабаны с проводниками, в котором узел захвата и направляющий механизм отделены изоляцией от высоковольтного токоподвода и заземленных элементов устройств и снабжены дополнительными электродами, укрепленными с зазорами, причем величина зазора между электродами и проводниками равна диаметру проводника, а зазор между электродами, узлом захвата и направляющим механизмом составляет не менее 2 мм (авт. св. СССР N 890299, кл. G 01 V 1/04, 1980).

Основными недостатками этого устройства являются недостаточно высокое качество получаемых порошков, их неоднородность и высокие энергозатраты.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является установка для получения высокодисперсных порошков неорганических материалов электрическим взрывом, включающая источник питания электроэнергией, содержащий накопитель, реактор для взрыва металлической заготовки, снабженный двумя электродами и механизмом подачи заготовки, патрубками ввода газа и отвода порошка [2] Основными недостатками этой установки, как и предыдущей, являются высокие энергозатраты, низкий ресурс работы и неудовлетворительное качество получаемого товарного продукта.

Целью изобретения является снижение энергозатрат, увеличение ресурса работы и улучшение качества целевого продукта.

Цель достигается установкой для получения высокодисперсных порошков неорганических материалов электрическим взрывом, включающей источник питания электроэнергией, содержащий накопитель, реактор для взрыва металлической заготовки, снабженный двумя электродами и механизмом подачи заготовки, в которой источник питания содержит коммутатор, соединенный с накопителем и реактором, один из электродов реактора соединен с коммутатором, а другой заземлен, и реактор патрубком соединен со сборником порошка, который имеет трубопровод для возврата газа в реактор и емкость для порошка.

При этом коммутатор состоит из делителя напряжения и двухэлектродного разрядника, причем делитель подсоединен параллельно накопителю, а низковольтное плечо делителя подсоединено к электроду разрядника, соединенному с реактором.

Цель достигается также реактором для взрыва металлической заготовки, включающим металлический корпус, два электрода, один из которых изолирован от корпуса, а другой заземлен, механизм подачи заготовки и патрубки отвода порошка и газа, в котором заземленный электрод устанавливают с зазором к заготовке при отношении величины зазора к диаметру заготовки, равном 5-10, причем механизм подачи заготовки электрически изолирован от корпуса и состоит из катушки для проволоки, подающих проволоку роликов и узла деформации проволоки, и последний установлен на расстоянии к заземленному электроду, равном 20-40 диаметрам заготовки.

Кроме того, узел деформации проволоки выполнен в виде стержня со спиральным продольным отверстием, причем параметры спирали выбраны из соотношения 2<H/D<10 и 1<D/d<20, где H шаг спирали; D диаметр спирали; d диаметр проволоки.

Свойства порошков неорганических материалов, получаемых электрическим взрывом металлических заготовок, зависят от размера частиц. Основным параметром, определяющим средний размер частиц , является удельная энергия Е (Дж/г), введенная в проводник, причем E^-3.В свою очередь, введенная в проводник удельная энергия зависит от множества параметров параметров разрядного контура, материала и геометрических размеров взрываемой металлической заготовки, характеристик газовой среды, в которой взрывают эти заготовки.

Значения большинства из этих параметров поддерживать с необходимой точностью в технологическом процессе не представляет проблемы. Однако есть три параметра рабочее напряжение U_o, сечение заготовки S и длина заготовки l, поддержание значений которых с необходимой точностью представляет основную проблему. Для ясности приводят характер зависимости удельной введенной энергии от этих параметров E ≈ (U³_o, S^-2, l^-2) Из уравнения ясно, что значения указанных параметров должны задаваться и поддерживаться с максимально возможной точностью. Существующие и изобретаемые устройства в основном и направлены на решение этой проблемы.

Преимущество предлагаемой конструкции заключается в том, что она позволяет с необходимой точностью поддерживать значения основных технологических параметров.

Основная особенность предлагаемой установки заключается в том, что в схему вводят коммутатор, состоящий из делителя напряжения и разрядника, содержащего два электрода, и один из электродов реактора соединяют с электродом коммутатора. В результате разрядник становится управляемым. Кроме того, эти элементы обеспечивают стабилизацию напряжения, подавае- мого на электроды, обеспечивается контроль за длиной проводника и синхронизация запуска разрядника с моментом, когда проводник займет нужное положение. В установке параллельно накопителю включают делитель, низковольтное плечо которого соединяют с электродом разрядника. Таким путем на разрядник подают запирающее напряжение. Величина его регулируется таким образом, чтобы пробой происходил при оптимально необходимой величине зазоров между заготовкой и электродами и при задаваемом напряжении. Эта конструкция позволяет задавать и контролировать длину взрываемого отрезка проволоки с точностью 1-2% тогда как в известных конструкциях, в том числе и в прототипе, эта точность составляет 10% Кроме того, таким путем контролируется и рабочее напряжение с точностью ≅1% что обеспечивает экономное использование энергии.

Оптимальные величины зазоров, кроме того, обеспечивают надежность работы реактора и всей схемы, так как предотвращается эрозия электродов и налипание материала заготовки на электроды. Эрозия электродов загрязняет получаемый продукт материалом электрода, появляются крупные частицы и ухудшается качество целевого продукта. Заявляемая конструкция реактора позволяет предотвратить эти недостатки, обеспечивает высокое качество целевого продукта и увеличивает ресурс работы конструкции.

Контроль за длиной взрываемого проводника только по зазору не обеспечивает полной надежности, так как зазор может быть в допуске, а сам проводник искривлен, причем каждый раз по разному. Это приведет к тому, что длина взрываемого проводника будет изменяться, что может повлиять на качество порошка. Для того, чтобы исключить такую возможность в предлагаемой конструкции, установлен узел деформации (фиг. 3), который придает проволоке осевую жесткость, исключает неконтролируемое искривление проволоки, повышает точность задания длины взрываемого отрезка проволоки, что повышает качество получаемого порошка.

На фиг. 1 изображена установка для получения высокодисперсных порошков неорганических материалов.

П р и м е р 1. Установка для получения высокодисперсных порошков методом электрического взрыва состоит из источника питания, включающего зарядное устройство 1, емкостной накопитель 2 энергии и коммутатор 3, который в свою очередь включает делитель 4 напряжения и двухэлектродный разрядник 5; реактора, состоящего из металлического корпуса 6, двух электродов 7 и 8, механизма 9 подачи заготовки. Электрод 7 изолирован от корпуса реактора изолятором 10. Электрод 8 соединен с корпусом и заземлен. Механизм подачи размещен на изоляционном основании (изоляторе) 11 и включает в себя узел 12 деформации проволоки, подающие ролики 13, катушку 14 с проволокой и взрываемый отрезок 15 проволоки. Реактор патрубками 16 и 17 соединен со сборником 18 порошка, который соединен с емкостью 19 для порошка.

На фиг. 2 изображен реактор для взрыва металлической заготовки. Нумерация элемен- тов реактора сохранена такой же, как и на фиг. 1.

П р и м е р 2. Реактор состоит из герметичного металлического корпуса 6, в котором размещены два рабочих электрода 7 и 8 и механизм 9 подачи проволоки. Электрод 7 изолирован от корпуса изолятором 10. Механизм подачи изолирован от корпуса изолятором 11 и включает в себя узел 12 деформации, подающие ролики 13 и катушку 14 с проволокой. Взрывается отрезок 15 заготовки-проволоки, который расположен между электродами 7 и 8. Электрод 8 устанавливается на расстоянии S₁=(5-10)d от взрываемого отрезка 15 проволоки. Расстояние S₂ между электродом 8 и узлом 12 деформации выбирается из условия S₂= (20-40)d. Реактор имеет патрубки 16 и 17 для соединения со сборником порошка.

На фиг. 3 изображен узел деформации проволоки.

П р и м е р 3. Узел деформации состоит из корпуса 21 и стержня 20, на поверхности стержня или на поверхности отверстия в корпусе выфрезерована спиральная проточка для формирования спирального отверстия. Взрываемая проволока должна свободно помещаться в этом отверстии.

П р и м е р 4. Установка и реактор работают следующим образом. В зависимости от необходимых потребителю свойств порошка задаются следующие параметры: Вид исходной заго- Проволока товки алюминиевая Вид газовой среды Водород Напряжение нако- пителя (U₀), кВ 50 Запирающее напря- жение на электроды разрядника (U₁), кВ 8 Диаметр заготовки (d), мм 0,3 Шаг спирали (Н), мм 51 Диаметр спирали (D), мм 5,7 Зазор между зазем- ленным электродом реактора и заготовкой (S₁), мм 1,5 Зазор между узлом деформации и зазем- ленным электродом (S₂), мм 6 Отношение величины зазора к диаметру за- готовки S₁: d 5 Отношение величины зазора к диаметру за- готовки S₂:d 20 Отношение H/D 9 Отношение D/d 19 Емкость накопителя, Ф 2 * 10^-6 Индуктивность кон- тура, Гн 4 * 10^-7 Сопротивление кон- тура, Ом 0,05 Включают источник питания электроэнергией, заряжают накопитель 2 до напряжения U₀= 50 кВ. Включают механизм 9 подачи заготовки, подающими роликами 13 через узел 12 деформации заготовку помещают между электродами 7 и 8. После того, как заготовка займет заданное положение под действием напряжения U₁, происходит пробой зазоров между электродом 7, заготовкой и электродом 8. В результате электрод 7 заземляется запирающее напряжение U₁ снимается, происходит включение разрядника 5, энергия накопителя 2 подводится к заготовке, и происходит ее взрыв с образованием высокодисперсных частиц алюминия со средним размером 8 * 10^-8 м, которые через патрубок 16 поступают в сборник 18 порошка, где улавливаются и ссыпаются в емкость 19 для порошка. Очищенная газовая среда через патрубок 17 поступает в камеру реактора.

П р и м е р 5. Задаются следующие параметры: Вид исходной за- Проволока готовки никелевая Вид газовой среды Аргон Напряжение нако- пителя (U₀), кВ 35 Запирающее нап- ряжение на электро- ды разрядника (U₁), кВ 6 Диаметр заготовки (d), мм 0,3 Шаг спирали (Н), мм 7,5 Диаметр спирали (D), мм 3 Зазор между зазем- ленным электродом реактора и заготовкой (S₁), мм 3 Зазор между узлом деформации и зазем- ленным электродом (S₂), мм 12 Отношение величи- ны зазора к диаметру заготовки S₁:d 10 Отношение величины зазора к диаметру за- готовки S₂: d 40 Отношение Н/D 2,5 Отношение D/d 10 Емкость накопите- ля, Ф 2 * 10^-6 Индуктивность кон- тура, Гн 4 * 10^-7 Сопротивление кон- тура, Ом 0,05 Включают источник питания электроэнергией, заряжают накопитель 2 до напряжения U₀= 35 кВ. Включают механизм 9 подачи заготовки, подающими роликами 13 через узел 12 деформации заготовку помещают между электродами 7 и 8. После того, как заготовка займет заданное положение под действием напряжения U₁, происходит пробой зазоров между электродом 7, заготовкой и электродом 8. В результате электрод 7 заземляется, запирающее напряжение U₁ снимается, происходит подключение разрядника 5, энергия накопителя 2 подводится к заготовке, и происходит ее взрыв с образованием высокодисперсных частиц никеля со средним размером 1,1 * 10^-7 м, которые через патрубок 16 поступают в сборник 18 порошка, где улавливаются и ссыпаются в емкость 19 для порошка. Очищенная газовая среда через патрубок 17 поступает в камеру реактора.

Реализация предлагаемой установки позволяет получить следующие преимущества: обеспечить получение высокодисперсных порошков неорганических материалов высокого качества, однородности и удовлетворительной дисперсности; обеспечить высокий ресурс работы установки, надежную работу реактора в течение длительного времени; оптимальные энергозатраты на процесс.

Формула изобретения

1. Установка для получения высокодисперсных порошков неорганических материалов электрическим взрывом, содержащая источник питания электроэнергией с емкостным накопителем, реактор для взрыва металлической заготовки с двумя электродами и механизмом подачи заготовки, отличающаяся тем, что она снабжена коммутатором, соединенным с накопителем и реактором, сборником порошка, трубопроводом для возврата газа в реактор и емкостью для порошка, при этом один из электродов реактора соединен с коммутатором, а другой заземлен, причем реактор соединен со сборником порошка.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что коммутатор выполнен с делителем напряжения и двухэлектродным разрядником, причем делитель подсоединен параллельно накопителю, а низковольтное плечо делителя подсоединено к электроду разрядника, соединенному с реактором.

3. Реактор для взрыва металлической заготовки, содержащий металлический корпус, два электрода, один из которых изолирован от корпуса, а второй заземлен, механизм подачи заготовки и патрубки отвода порошка и газа, отличающийся тем, что заземленный электрод установлен с зазором к заготовке при отношении величины зазора к диаметру заготовки, равном 5 10, механизм подачи заготовки электрически изолирован от корпуса и выполнен в виде катушки для проволоки, подающих проволоку роликов и узла деформации проволоки, при этом узел деформации установлен на расстоянии к заземленному электроду, равном 20 40 диаметрам заготовки.

4. Реактор по п.3, отличающийся тем, что узел деформации заготовки выполнен со спиральным продольным отверстием, причем параметры спирали выбраны из соотношения 2 < H/D < 10 и 1 < D/d < 20, где H шаг спирали, D диаметр спирали, d диаметр проволоки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3