Geum.ru

Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003

Вид материалаУчебное пособие

Содержание


Рис. 101. Классификация продукции порошковой металлургии 7.2. ПРОИЗВОДСТВО ПОРОШКОВ
Механические методы
Распыление и грануляция
Механическое измельчение
Подобный материал:
1   ...   28   29   30   31   32   33   34   35   ...   48


Рис. 101. Классификация продукции порошковой металлургии

7.2. ПРОИЗВОДСТВО ПОРОШКОВ




Металлический порошок — совокупность частиц металла, сплава или металлоподобного соединения размерами до миллиметра, находящихся во взаимном контакте. Производство металлического порошка является первой из основных технологических операций, характеризующих сущность порошковой металлургии.

В промышленном масштабе изготавливаются порошки таких металлов, как железо и его сплавы, никель, медь, кобальт, алюминий, титан, олово, цинк, свинец, магний, вольфрам, молибден, тантал, ниобий и др. Размеры частиц порошка обычно составляют от 0,1 мкм до 0,1 мм. Более крупные фракции называются гранулами, а более мелкие — пудрой.

Основные свойства порошков условно можно разделить на две группы: частные (форма, удельная поверхность, плотность и химический состав) и общие (гранулометрический состав, сыпучесть, насыпная плотность, прессуемость, формуемость, плотность утряски, коэффициент межчастичного трения).

Существуют различные методы производства порошков, при этом условно принято их подразделять на физико-химические и механические. Физико-химические методы связаны с глубокими физико-химическими превращениями исходного сырья, к ним относятся методы восстановления, электролиз и термическая диссоциация карбонилов. В результате получаемый порошок по химическому составу и структуре существенно отличается от исходного материала.

Механические методы обеспечивают превращение исходного материала в порошок без существенного изменения его химического состава. Чаще всего применяют размол, дробление, обработку металлов резанием, диспергирование расплавов (распыление и грануляцию).

При выборе метода получения металлического порошка необходимо учитывать требования, предъявляемые к изготавливаемой из него конечной продукции, себестоимость порошка и стоимость дальнейшей переработки в изделие. Поскольку основными способами получения порошков являются распыление, восстановление и механическое измельчение, кратко рассмотрим суть этих методов.

Распыление и грануляция жидких металлов является наиболее простым и дешевым способом изготовления порошков металлов (алюминия, железа, сталей, меди, цинка, свинца, никеля и др.) с температурой плавления до 1600 °С. Процесс характеризуется высокими производительностью (до 10 т/ч), технологичностью, степенью автоматизации и экологической чистотой, сравнительно малыми энергозатратами.

В зависимости от свойств расплава и требований к качеству порошка распыление производят разными способами, которые различаются по виду энергии для его создания (нагрев индукционный или косвенный, электродуговой, электронный, лазерный, плазменный и др.), виду силового воздействия на него при диспергировании (механическое, энергия газовых и водяных потоков, силы гравитационные, центробежные или магнитогидродинамические, воздействие ультразвука и т. д.) и по типу среды для его создания (восстановительная, окислительная, инертная, вакуум или какая-либо иная среда заданного состава).

Распыление воздухом — самый экономичный способ изготовления порошков, при этом охлаждающей средой для распыленной струи может быть вода, газ, органическая жидкость (рис. 102, 103). При различных условиях проведения процесса получают частички порошка разных форм: каплеобразной, шарообразной и др. размером от 0,01 до 1 мм.


Рис. 102. Технологическая схема получения железных порошков распылением жидкого металла водой

Рис. 103. Технологическая схема получения порошка распылением расплава азотом высокого давления


При бесконтактных методах распыления расплава чаще используют мощные импульсы тока или электромагнитные поля. При этом ток большой силы, проходя по тонкой металлической проволоке, мгновенно ее нагревает, и она распыляется с разлетом капель со скоростью до 1000 м/с.

Восстановление окислов является одним из распространенных методов получения металлических порошков. Восстановление — это процесс превращения оксид в элемент или низший оксид путем отнятия кислорода при помощи другого вещества — восстановителя. При исследовании процесса получения восстановленного железного порошка необходимо выделять две основные стадии: получение губчатого железа и выпуск железного порошка. На первой стадии заданным в переработку материалом является восстанавливаемое сырье, на второй — полученное ранее губчатое железо (рис. 104).

Около 80 % мирового производства металлических порошков составляют порошки железа и сплавов на его основе. Химически чистые оксиды железа в качестве сырья применяют редко, только для изготовления некоторых специальных материалов, так как получаемый в этом случае железный порошок очень дорог. Самым распространенным сырьем являются концентраты окисленных руд железа и прокатная окалина (рис. 105).

Восстановление окислов железа

Твердым углеродом
Газом
Комбинированным способом

Сыпучая шихта
Брикетированная шихта

Взвешенное состояние
Кипящий слой
Стационарный слой

Специальные агрегаты
Туннельная печь
Муфельная проходная печь
Шахтная печь
Печь с шагающим подом
Вращающая печь
Кольцевая печь

При умеренном давлении восстановительного газа (4–6 ат)
При повышенном давлении восстановительного газа (20–40 ат)
При нормальном давлении восстановительного газа

При повышенных температурах (800–850 °C)
При умеренных температурах (500–600 °C)
При высоких температурах (более 1000 °С)



Рис. 104. Технологическая схема получения железного порошка восстановлением

Рис. 105. Классификация методов восстановления оксидов железа


Кроме железа методом восстановления получают порошки вольфрама, молибдена, титана, циркония, тантала, ниобия, легированных сталей и сплавов.

Качество восстановленного порошка выше распыленного в условиях сопоставимых марок, однако потенциально возможный уровень затрат по распылению представляется более низким, чем по восстановлению. Связано это с необходимостью двукратного применения операций нагрева и дробления при восстановлении, в результате за один цикл производства дважды учитываются затраты в повышение энергетического потенциала основного материала и на разрушение внутренних связей частиц.

В процессе распыления нагрев (расплавление) и разделение как основные операции выполняются однократно. При этом получение расплава связано с более высокими температурами, чем в процессе восстановления, но одновременно разделение расплава энергетически более выгодно, чем разделение твердого спека в процессе восстановления. Кроме того, экономически невыгодными при восстановлении являются применение дорогостоящего энергоносителя (водорода) и большое число операций, каждая из которых требует специального оборудования и обслуживающего персонала.

Механическое измельчение наиболее целесообразно применять при производстве порошков хрупких металлов и сплавов, таких как кремний, бериллий, хром, марганец, ферросплавы, сплавы алюминия с магнием и др., а также пластичных материалов, склонных к наклепу. Размол вязких пластичных металлов (цинк, медь, алюминий и др.) затруднен, так как они чаще расплющиваются, а не разрушаются. Наибольшая экономическая эффективность достигается при использовании в качестве сырья отходов, образующихся при механической обработке металлов.

Предельный размер частиц, которого можно достичь в процессах тонкого измельчения хрупких тел, составляет обычно 0,1 мкм. Операцию механического измельчения обычно совмещают с процессом приготовления смесей порошков. Наибольшее распространение среди методов измельчения получили: обработка металлов резанием с образованием мелкой стружки или опилок; измельчение металла в шаровых, вихревых, молотковых и других типах мельниц, в щековых, валковых и конусных дробилках; ультразвуковое диспергирование.

Возросшая масса лома приводит к необходимости разработки мероприятий по увеличению степени утилизации отходов, совершенствованию методов их переработки, повышению качества получаемого продукта. В настоящее время основным технологическим способом переработки металлического лома является его переплав, однако этот процесс имеет ряд недостатков: невысокий коэффициент полезного использования (около 40 %), безвозвратные потери металла в виде угара (10–15 %), высокая температура процесса (1500–1600 С). Одной из возможных альтернатив процессу переплава может быть технология порошковой металлургии, включающая в себя процесс дробления металлического лома до порошка. Процесс дробления, протекающий при обычных температурах, не сопровождается потерями металла и более предпочтителен с экологической точки зрения. Однако следует иметь в виду, что при переработке отходов металла дроблением предъявляются более высокие требования к чистоте исходного продукта. Необходимы обязательная предварительная его сортировка по маркам и тщательная промывка.