double arrow

Диспергирование расплавов


Измельчение в аппаратах магнитного индукционного вращателя

Измельчение материала в аппаратах магнитного индукционного вращателя (МИВ) происходит во вращающемся магнитном поле, в котором движется масса ферромагнитных размольных тел. Диспергирование осуществляется главным образом самоизмельчением частиц обрабатываемого материала при их многократно повторяющихся соударениях со сдвигом. Строго дозированное импульсное давление на частицы с их одновременным сдвигом обеспечивает высокую эффективность аппаратов магнитного индукционного вращателя и практически исключает загрязнение измельчаемого материала посторонними примесями.

Принцип работы таких аппаратов состоит в том, что в емкость прямоугольного сечения из диамагнитного материала загружается обрабатываемый материал и цилиндрические размольные тела. Затем возбуждается вращающееся магнитное поле, вызывающее подскоки и вращение размольных тел вокруг собственного центра тяжести, что в результате приводит к измельчению обрабатываемого материала. На эффективность их работы большое влияние оказывает скорость вращения размольных тел.

Основным элементом аппарата МИВ является полая кольцевая рабочая камера, в которой с помощью вращающихся магнитов возбуждается магнитное поле. Оно воздействует на находящиеся в камере рабочие цилиндрические ферромагнитные тела таким образом, что они переворачиваются, ударяются о поверхность камеры и, подскочив на определенную высоту, в свободном полете вращаются вокруг собственного центра тяжести.

Для эффективного ведения процесса тонкого и сверхтонкого измельчения материалов требуются размольные тела малой толщины, которые располагаются ближе друг к другу, что диктуется максимумом энергии системы.

Процесс самоизмельчения материала происходит в зазорах между вращающимися размольными телами, куда он втягивается под воздействием аэродинамического эффекта разрежения.

Диспергирование расплавленного металла или сплава струей сжатого газа, жидкости или механическим способом позволяет получать порошки, называемые распыленными. Процесс характеризуется высокой производительностью, технологичностью, степенью автоматизации и экологической чистотой. Метод диспергирования расплава дает возможность также производства металлического порошка с контролируемыми свойствами и использовать в качестве исходного материала отходы металлообрабатывающей промышленности.

Метод распыления широко используют для получения порошков железа, сталей и сплавов на основе железа, порошков цветных металлов и сплавов (алюминия, меди, свинца, цинка, титана, вольфрама и др.). Распыление весьма эффективно при производстве порошков многокомпонентных сплавов и обеспечивает получение порошков с аморфной структурой, которая позволяет достичь равномерного химического состава композиции, даже при содержании легирующих компонентов выше их предела растворимости в основном компоненте сплава. Кроме того, порошки, полученные с использованием методов диспергирования расплавов, имеют оптимальное строение и тонкую структуру каждой образующейся частицы. Это связано с кристаллизацией дисперсных капель расплава с высокими скоростями охлаждения (до нескольких десятков и даже сотен миллионов градусов в секунду).

Все металлические расплавы обладают близкой к нулю механической прочностью, относительно небольшой вязкостью и склонны к хрупкому разрушению при воздействии на их струю потока газа или жидкости.

Для процесса диспергирования наиболее важны вязкость, поверхностное натяжение и плотность расплава.

Вязкость или обратное ей свойство текучесть характеризует сопротивление жидкости сдвигу, объясняется наличием у нее свободного, т.е. дополнительного по отношению к твердому телу, объема и определяется главным образом прочностью межатомной связи и плотностью упаковки атомов. Для гомогенной жидкости она зависит от температуры, а для гетерогенной жидкости – еще и от формы, размеров и числа включений.

Поверхностное натяжение расплава характеризует работу образования физической поверхности раздела фаз, отнесенную к единице поверхности, и существенно влияет на процессы, сопровождающие диспергирование. Оно зависит от температуры расплава, уменьшаясь с ее повышением.

Плотность расплава линейно зависит от температуры нагрева, уменьшаясь с ее повышением из-за увеличения объема металлической жидкости и появления в ней новых «дырок».

Таким образом, на структуру, физические свойства и форму частиц распыленного порошка большое влияние должен оказывать перегрев расплава над ликвидусом.

Истекающая из отверстия струя жидкости при отсутствии видимого внешнего воздействия как бы самопроизвольно разрушается вследствие неустойчивости ее движения при воздействии малых возмущений, создаваемых шероховатостью стенок канала и отклонением формы его выходного отверстия от идеальной, нестабильностью скорости истечения струи, а также неоднородностью трения на границе жидкость – окружающая среда.

Возникающая в струе расплава пульсация рождает волну с растущей амплитудой. Размер капли зависит от длины этой волны и соответствует ее оптимальной величине.

Внешнее воздействие на струю (обдув потоком газа или жидкости, электромагнитными волнами, мощными импульсами тока и пр.) интенсифицирует процесс ее разрушения и повышает дисперсность капель. При этом жидкость (массивный объем расплава) необходимо преобразовать в такую форму, которая бы обладала наибольшей поверхностной энергией (тонкая струя, пленка) и, соответственно, максимальной неустойчивостью.

Более интенсивное и упорядоченное дробление струи жидкости с сечением любой формы обеспечивает наложение высокочастотных колебаний как на нее, так и на распыливающий газ-энергоноситель. Вторичное диспергирование образовавшихся первичных крупных капель при пневмоакустическом распылении (акустическая энергия подводится к струе или пленке расплава через газ) связано с воздействием на них ультразвуковых колебаний и ударных волн, генерируемых излучателем. Крупная капля по мере движения в направлении излучателя деформируется, затем останавливается, расплющивается, вытягиваясь в пленку в вертикальной плоскости, и дробится на более мелкие капли. Эти возникающие мелкие капли попадают в поток газа, где происходит их дальнейшее разрушение под воздействием его аэродинамического скоростного потока (как это осуществляется и при распылении сжатым газом).

Эффективное диспергирование металлического расплава требует поддержания его высокой температуры (обеспечения перегрева) и сохранения в допустимых пределах значений основных физико-химических параметров на протяжении всего процесса распыления. Если расплав дополнительно не подогревать, процесс распыления может прекратиться.

Механизм диспергирования расплава водой высокого давления принципиально отличается от механизма распыления сжатым газом, так как жидкость имеет высокую плотность (примерно в 1 000 раз выше плотности воздуха), происходит образование пара в зоне непосредственного контакта воды с расплавом (меняются теплофизические характеристики процесса), наблюдается более интенсивное охлаждение образовавшихся капель-частиц.

Непосредственное воздействие на струю расплава и отдельные капли частицы из нее в зоне эффективного дробления оказывает сжатый перегретый пар, плотность которого существенно ниже плотности воды. При этом струя расплава дробится на капли, которые затем вторично диспергируются через окружающую их паровую оболочку (пленку).

При распылении струи металлической жидкости газовым потоком возникшие двухфазные системы газ – жидкость и газ – твердое тело образуют металлогазовый факел, представляющий собой непрерывно пульсирующую двух- или трехфазную смесь жидких и твердых металлических частиц в газе. В нем происходит взаимодействие газового потока с расплавом, теплофизические характеристики и агрегатное состояние которого меняются (расплав и капли остывают, взаимодействуют с окружающей средой и пр.), и отдельных капель между собой. Эти процессы по существу определяют свойства получаемого порошка, прежде всего размер и форму его частиц.

Существует физический предел диспергирования металлических жидкостей, в связи с чем повышение параметров процесса диспергирования (скорости и температуры газа или температуры расплава) не приводит к получению более дисперсных порошков. Установлено, что величина перегрева расплава и температура газа-энергоносителя влияют на фракционный состав порошка.

В первый момент образования любые капли (крупные первичные, средние и мелкие вторичные) жидкого металла имеют неправильную форму и под действием сил поверхностного натяжения стремятся к минимизации поверхности, т.е. принять сферическую форму. Однако стремление капель к сфероидизации может не реализоваться, если она быстро затвердеет. Поэтому, если время сфероидизации капли меньше времени ее затвердевания, то она успеет принять форму шара, если же это не так, то образуются твердые частицы неправильной формы. При распылении расплава водой высокого давления размер частиц порошка зависит от ее скорости и удельного расхода.

На форму частиц порошка большое влияние оказывают скорость, удельный расход и угол атаки струи воды-энергоносителя, физические свойства расплава и другие факторы.

Распылении неизбежно связано с изменением состава расплава из-за взаимодействия металла с энергоносителем или охлаждающей средой. Для распыления наиболее важны процессы взаимодействия расплава с кислородом (окисление), азотом (азотирование) и водородом (наводораживание).

При взаимодействии расплава с кислородом образование первичных оксидных пленок происходит практически мгновенно. Структура такой пленки может быть как аморфной, так и кристаллической. Плотные тугоплавкие оксидные пленки существенно влияют на процесс формообразования частиц, подавляя действие сил поверхностного натяжения, определяющих процесс сфероидизации капли. В итоге это приводит к формированию частиц неправильной формы с рельефной развитой поверхностью.

Водород в зоне распыления может образовываться в результате диссоциации паров воды при высоких температурах. При снижении температуры растворенный водород выделяется из металла, являясь в ряде случаев причиной пористости распыленных порошков и изделий из них.

Азот попадает в расплав практически на всех этапах технологии. Он хорошо растворяется в железе, хроме, ванадии, марганце, молибдене, титане, цирконии и других металлах с образованием нитридов, что приводит к повышению твердости и снижению пластичности порошков, в связи с этим азот является нежелательной примесью. Медь, никель, серебро, золото, вольфрам не растворяют азот и не взаимодействуют с ним.

Для получения высококачественных, чистых по кислороду и азоту порошков жаропрочных сталей, титана, циркония и других металлов в качестве технологических сред широко используют инертные газы (аргон, гелий) и вакуум.


Сейчас читают про: