Способ получения металлического порошка и устройство для его осуществления

 

Приготовленный в плавильной печи расплав заданного состава переливают в металлоприемник, в котором поддерживают постоянными температуру и уровень ванны расплава, а из металлоприемника расплав с постоянным расходом по меньшей мере двумя одинаковыми по длине и диаметру струями подают на поверхность вращающегося кристаллизатора, охлаждаемого посредством хладагента для формирования на нем постоянных во времени по толщине и ширине пленок и интенсивного их охлаждения с образованием чешуек. Способ осуществлен в герметичной камере, в которой размещены плавильная печь с тиглем, в днище которого выполнено центральное отверстие, сопрягаемое с клапаном запорного устройства, соединенного с механизмом управления сливом расплава в металлоприемник, под которым расположен вращающийся охлаждаемый кристаллизатор, выполненный в виде изготовленного из материала с высокой теплопроводностью полого барабана с горизонтальной осью вращения, соединенного с системой подачи хладагента. Металлоприемник снабжен нагревателем и выполнен с по меньшей мере двумя калиброванными отверстиями в днище, которые расположены на одинаковом расстоянии от цилиндрической поверхности барабана. Изобретения позволяют получать металлический порошок в форме чешуек с повышенной однородностью свойств и размеров частиц пои одновременном увеличении производительности труда. 2 с. и 12 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретения относятся к порошковой металлургии, в частности к получению быстрозакаленных металлических порошков, преимущественно в виде чешуек, из расплава.

Одним из распространенных способов получения металлических порошков является способ центробежного диспергирования расплава на вращающемся диске (Аморфные металлические сплавы. - М.: Металлургия, 1987). Порошки, полученные таким способом, имеют разброс по размерам частиц в силу самой природы процесса образования капель расплава. Это распределение частиц по размерам приводит к различию по скоростям охлаждения и, следовательно, к неоднородности свойств, что является основным недостатком способа, который наиболее сильно проявляется в таких технологических процессах порошковой металлургии, где к порошкообразному продукту предъявляются повышенные требования по форме и размеру частиц, однородности их состава и свойств.

Известен способ получения материала быстрым затвердеванием из расплава, описанный в патенте США N 4 637 967, включающий нагрев материала в тигле до стадии расплава индукционным нагревателем, выдавливание его из тигля через сопло на поверхность вращающегося охлаждающего барабана, где материал немедленно затвердевает. Процесс проводится в контролируемой атмосфере. Для выдавливания расплава из тигля необходимо создать над расплавом давление, а это трудно осуществимо в условиях контролируемой атмосферы и высокой температуры. Недостатком этого способа является также недостаточно высокая производительность.

Известен способ получения быстрозакаленных металлов и сплавов в виде чешуек, ленты, нитей, выбранный в качестве прототипа заявляемого способа (А. с. СССР N 1708502, B 22 D 11/06), который включает приготовление расплава заданного состава и подачу расплава на поверхность вращающегося теплоотводящего элемента. Однако данный способ не удовлетворяет требованиям высокой однородности состава и свойств получаемых частиц.

Известно устройство для центробежного диспергирования расплава (Патент РФ N 20025 88, B 22 F 9/10), содержащее корпус с расположенным на нем вращающимся диском, охваченным водоохлаждаемым экраном в виде конуса с образованием зазора, средства подачи расплава на диск, узлы сбора и вывода готовой продукции, расположенные в нижней части корпуса. Данное устройство также не обеспечивает требуемую повышенную однородность свойств частиц.

Наиболее близким решением, выбранным в качестве прототипа заявляемого устройства, является устройство для получения металлического порошка (А.с. СССР N 1519851, B 22 F 9/10), содержащее соединенную с вакуумной системой герметичную камеру, в которой размещены плавильная печь, металлоприемник, расположенный под ним приводной охлаждаемый распылитель, кристаллизатор, систему подачи хладагента и сборник порошка. Основной недостаток этого устройства заключается в невозможности в полной мере удовлетворить требование к качеству продукции из-за прямого контакта обрабатываемого материала с хладагентом, поступающим на поверхность кристаллизатора. Кроме того, выполнение распылителя в виде усеченного конуса с вертикальной осью вращения не обеспечивает необходимой однородности размеров и свойств частиц.

Задачей заявляемых изобретений является повышение качества порошка, а именно повышение однородности размеров и свойств получаемых чешуек, при одновременном увеличении производительности процесса и его управляемости.

Полученный при этом технический результат - обеспечение высокой равномерности скорости охлаждения расплава путем формирования на поверхности кристаллизатора равномерных во времени по толщине и ширине пленок расплава и интенсивное их охлаждение с образованием чешуек порошка.

Технический результат достигается тем, что в способе получения металлического порошка, включающем приготовление расплава заданного состава и подачу расплава на поверхность вращающегося кристаллизатора, приготовленный расплав переливают в металлоприемник, в котором поддерживают постоянные температуру и уровень ванны, а из металлоприемника расплав с постоянным расходом по меньшей мере двумя одинаковыми по длине и диаметру струями подают на поверхность вращающегося кристаллизатора, охлаждаемого изнутри посредством протока хладагента.

Для предотвращения окисления расплава и обеспечения высокой чистоты способ может быть осуществлен в условиях вакуума или инертной атмосферы.

Для повышения однородности расплава после его приготовления осуществляют электродинамическое перемешивание.

Для очищения от посторонних включений расплав переливают в металлоприемник через фильтрующий элемент.

Технический результат достигается также тем, что в устройстве для осуществления способа получения металлического порошка, содержащем соединенную с вакуумной системой герметичную камеру, в которой размещены плавильная печь, металлоприемник, расположенный под ним вращающийся охлаждаемый кристаллизатор и систему подачи хладагента, внесены следующие изменения: в днище размещенного внутри плавильной печи тигля выполнено центральное отверстие, сопрягаемое с клапаном запорного устройства, соединенного с механизмом управления сливом расплава, кристаллизатор выполнен в виде изготовленного из материала с высокой теплопроводностью полого барабана с горизонтальной осью вращения, соединенного с системой подачи хладагента, а металлоприемник снабжен нагревателем и выполнен с по меньшей мере двумя калиброванными отверстиями в днище, которые расположены на одинаковом расстоянии от цилиндрической поверхности барабана.

Отверстия в днище металлоприемника могут быть расположены в вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения барабана, или смещены от указанной плоскости на одинаковое расстояние. Благодаря этому можно устанавливать не только длину струй расплава, но и угол их падения на поверхность кристаллизатора, а также продолжительность контакта с этой поверхностью, что позволяет управлять формой и размерами образующихся частиц.

Плавильная печь и металлоприемник могут быть снабжены индукционными нагревателями.

К днищу тигля может быть пристыкован тепловой экран, расположенный в зоне действия индукционного нагревателя плавильной печи и служащий для стабилизации скорости истечения расплава при переливе его в металлоприемник.

Для очищения расплава от посторонних включений металлоприемник может быть оснащен фильтрующим элементом.

Устройство может быть снабжено загрузочным контейнером, который расположен снаружи камеры над плавильной печью и соединен с внутренним пространством камеры через вакуумный затвор.

Для хорошего механического и теплового контакта барабана со струями расплава образующая поверхность барабана выполнена отполированной.

Перелив расплава из плавильной печи сначала в металлоприемник, в котором поддерживают постоянные температуру и уровень ванны расплава, обеспечивает постоянный расход истечения струй расплава на поверхность вращающегося кристаллизатора, охлаждаемого посредством протока хладагента, что приводит к формированию на последней тонких пленок расплава с равномерными во времени толщиной и шириной, а следовательно, обеспечивается высокая равномерность скорости охлаждения расплава. Это дает возможность стабилизировать размеры и свойства получаемых частиц порошка, преимущественно в виде чешуек, однородных по размерам и свойствам. Подача расплава по меньшей мере двумя одинаковыми по длине и диаметру струями на поверхность кристаллизатора обеспечивает повышение производительности процесса, обеспечивая при этом равномерные скорости их охлаждения.

Расплав заданного химического состава готовили в индукционной печи, нагреваемой до температуры 1550^oC, осуществляли его электродинамическое перемешивание, переливали в металлоприемник до достижения уровня ванны расплава ~ 200 мм, в металлоприемнике поддерживали постоянными температуру ~1500^oC и уровень ванны расплава ~200 мм. Из металлоприемника расплав с постоянным расходом 0,15 ... 0,32 л/мин (1 ... 2,5 кг/мин) десятью одинаковыми по длине (не более 150 мм) и диаметрам (d~ 1,0 ... 2,5 мм) струями подавали на поверхность вращающегося с линейной скоростью на поверхности 5 ... 25 м/с кристаллизатора. Кристаллизатор постоянно охлаждался изнутри протоком хладагента. Струи расплава, попадая на поверхность кристаллизатора, формировались в постоянные во времени по ширине и толщине пленки расплава, которые интенсивно охлаждались с образованием чешуек порошка.

Изобретения поясняются чертежом, где на фиг. 1 изображен вариант устройства для осуществления способа получения металлического порошка в разрезе: на фиг. 2 показано расположение калиброванных отверстий со смещением относительно оси вращения кристаллизатора, а на фиг. 3 - разрез по A-A фиг. 2.

Устройство состоит из соединенной с вакуумной системой герметичной камеры 1, в которой размещены плавильная печь 2 с индукционным нагревателем 3, обогреваемый индукционным нагревателем 4 металлоприемник 5 с десятью калиброванными отверстиями 6 в днище диаметрами ~ 1,0 ... 2,5 мм, расположенный под ним кристаллизатор 7, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью, например из меди, в виде полого барабана с горизонтальной осью вращения, систему подачи хладагента (не показана) и сборник порошка 8. По варианту, представленному на фиг. 2, отверстия 6 в днище металлоприемника 5 смещены на одинаковое расстояние ~15 мм от вертикальной плоскости Б, проходящей через ось вращения барабана и отстоят от его поверхности на одинаковое расстояние ~ 150 мм. Плавильная печь 2 снабжена тиглем 9 с отверстием 10 в днище, которое закрывается запорным устройством 11, соединенным с механизмом управления сливом расплава 12. К днищу тигля 9 пристыкован соосно отверстию 10 тепловой экран 13, расположенный в зоне действия индукционного нагревателя плавильной печи 2. По варианту на фиг. 2 металлоприемник 5 оснащен фильтрующим элементом 14, например в виде графитового диска. Снаружи камеры 1 над плавильной печью 2 расположен загрузочный контейнер 15, соединенный с внутренним пространством камеры 1 через вакуумный затвор (не показан).

Устройство работает следующим образом. В плавильную печь через загрузочный контейнер 15 загружают исходные компоненты сплава или сам сплав. После приготовления расплава для повышения его однородности осуществляют электродинамическое перемешивание. Для этого снижают частоту индукционного нагревателя 3 печи 2. После этого запорное устройство 11 выводят с помощью механизма управления сливом 12 из отверстия 10 в днище тигля и переливают расплав через фильтрующий элемент 14 в металлоприемник 5. При этом тепловой экран 13 стабилизирует температуру расплава в области отверстия 10 для того, чтобы избежать застывания расплава. В металлоприемнике постоянная температура поддерживается с помощью индукционного нагревателя 4. При достижении в металлоприемнике уровня ванны расплава ~ 200 мм запорное устройство 11 прикрывает отверстие 10 с образованием зазора, который при помощи механизма управления сливом расплава 12 регулируется таким образом, чтобы обеспечить постоянный уровень расплава ~ 200 мм. Расплав поступает в калиброванные отверстия 6 металлоприемника, а затем на поверхность вращающегося барабана 7. За счет того, что отверстия 6 в днище металлоприемника 5 расположены в вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения барабана и отстоят от его поверхности на одинаковое расстояние ~ 150 мм, струи вытекающего из металлоприемника расплава одинаковы по длине и диаметру. Поэтому при вращении барабана 7, охлаждаемого изнутри с помощью системы подачи хладагента, струи расплава формируются на его поверхности в постоянные во времени по ширине и толщине пленки. При этом образовавшиеся после интенсивного охлаждения чешуйки порошка, сбрасываемые в сборник 8, имеют высокую однородность свойств и размеров частиц при одновременном увеличении производительности процесса.

Изменением скорости вращения и диаметра барабана 7, а также расстояния от барабана до металлоприемника можно регулировать размеры и форму чешуек.

Заявляемые способ получения порошка и устройство для его осуществления при определенном соотношении параметров или при использовании определенных материалов может быть применен и для получения лент, нитей, пленок и т.п.

Изобретения могут найти применение в технологических процессах порошковой металлургии при получении кристаллических и аморфизированных материалов, например при производстве электродного материала для металл-гидридных аккумуляторных батарей.

В настоящее время на ОАО "ЧМЗ" заявляемое устройство изготовлено и прошли успешные испытания способа. В результате получено 3000 кг порошка чешуйчатой формы из сплава на основе Ni-Zr.

Формула изобретения

1. Способ получения металлического порошка, преимущественно в виде чешуек, включающий приготовление расплава заданного состава и подачу расплава на поверхность вращающегося кристаллизатора, охлаждаемого изнутри протоком хладагента, отличающийся тем, что приготовленный расплав переливают в металлоприемник и поддерживают в нем постоянные температуру и уровень расплава, а подачу расплава на поверхность вращающегося кристаллизатора осуществляют с постоянным расходом, по меньшей мере, двумя одинаковыми по длине и диаметру струями.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что его осуществляют в условиях вакуума.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что его осуществляют в условиях инертной атмосферы.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после приготовления расплава заданного состава производят его электродинамическое перемешивание.

5. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что приготовленный расплав переливают в металлоприемник через фильтрующий элемент.

6. Устройство для получения металлического порошка, содержащее герметичную камеру, соединенную с вакуумной системой, размещенные в камере плавильную печь, металлоприемник, охлаждаемый кристаллизатор, выполненный с возможностью вращения и установленный под металлоприемником, и систему подачи хладагента, отличающееся тем, что оно снабжено тиглем, размещенным внутри плавильной печи, запорным устройством с клапаном, механизмом управления сливом расплава, соединенным с запорным устройством, при этом тигель выполнен с центральным отверстием, сопрягаемым с клапаном запорного устройства, кристаллизатор выполнен в виде полого барабана с горизонтальной осью вращения, соединен с системой подачи хладагента и изготовлен из материала с высокой теплопроводностью, а металлоприемник снабжен нагревателем и выполнен с, по меньшей мере, двумя калиброванными отверстиями в днище, расположенными на одинаковом расстоянии от цилиндрической поверхности барабана.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что отверстия в днище металлоприемника расположены в вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения барабана.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что отверстия в днище металлоприемника смещены на одинаковое расстояние от вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения барабана.

9. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что плавильная печь снабжена индукционным нагревателем.

10. Устройство по любому из пп.6 и 9, отличающееся тем, что к днищу тигля пристыкован тепловой экран, расположенный в зоне действия индукционного нагревателя плавильной печи.

11. Устройство по п.6, отличающееся тем, что нагреватель металлоприемника выполнен индукционным.

12. Устройство по п.6, отличающееся тем, что оно снабжено фильтрующим элементом, размещенным в верхней части металлоприемника.

13. Устройство по любому из пп.6 - 12, отличающееся тем, что оно снабжено загрузочным контейнером, установленным снаружи камеры над плавильной печью и соединенным с внутренним пространством камеры через вакуумный затвор.

14. Устройство по п.6, отличающееся тем, что образующая поверхность барабана выполнена отполированной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3