Механические методы получения металлургических порошков

      На  интенсивность и механизм размола  оказывают сильное влияние скорость вращения барабана мельницы, число  и размер размольных тел, масса измельчаемого  материала, продолжительность и  среда размола. С увеличением скорости вращения барабана мельницы размольные тела падают с большей высоты, производя главным образом дробящее действие. При дальнейшем увеличении скорости вращения барабана размольные тела будут вращаться с барабаном и материал будет измельчаться незначительно. Эту скорость называют критической скоростью вращения.

     Рассмотрим  поведение единичного размольного  тела, например шара (Рисунок 2). Одиночный  шар весом Р на поверхности  барабана мельницы, вращающегося со скоростью v (м/с), в точке m будет находиться под действием центробежной силы, равной Pv²/gR, где g – ускорение силы тяжести, R - внутренний радиус барабана мельницы. При угле подъема a сила собственного веса шара может быть разложена на силы, одна из которых направлена по радиусу и равна Р sin a  , а другая – по касательной и равна Р cos  a .

     Не  принимая во внимание трение, можно  установить, что одиночный шар  будет удерживаться на стенке барабана до тех пор, пока

     (Pv²/gR) = Р sin a  , или (v²/gR) = sin  a .

     Если  скорость вращения n такова, что в момент прохождения шара через зенит, при котором a  = 90^o, шар остается на стенке барабана, то sin 90° = v²/gR = 1, или v² = gR. При этом число оборотов барабана мельницы n_кр (об/мин), а v=pDn_кр.l60, поэтому

     p ²D²n_кр.²/60² = g D/2                       (1),

     где D — внутренний диаметр барабана мельницы. Отсюда находим, об/мин:

     n_кр.= Ö g/2p ²(60/Ö D)=42,4/Ö D         (2).

      На  процесс измельчения большое  влияние оказывает масса шаров  и ее отношение к массе измельчаемого  материала. Обычно в мельницу загружают 1,7-1,9 кг стальных шаров на 1 л. объема. При этом коэффициент заполнения j является оптимальным, и составляет 0,4 - 0,5. При больших значениях j шары сталкиваются друг с другом, теряя энергию, и не производят достаточно эффективного измельчающего действия, а при меньшей загрузке шаров резко снижается производительность измельчающего устройства. Количество (масса) загружаемого для размола материала должно быть таким, чтобы после начала измельчения его объем не превышал объема пустот (зазоров) между размольными телами. Если материала будет больше, то часть его, не вмещающаяся в зазоры, измельчается менее интенсивно. Обычно соотношение между массой размольных тел и массой измельчаемого материала составляет 2,5 - 3. При интенсивном измельчении это соотношение увеличивается до 6 - 12 и даже больше.

      Размер  размольных тел (диаметр шаров) также  оказывает влияние на процесс  размола. Размер размольных тел должно быть в пределах 5 - 6% внутреннего  диаметра барабана мельницы. Лучше применять набор размольных тел по размерам (например, при соотношении 4:2:1).

      Для интенсификации процесса размола его  проводят в жидкой среде, что препятствует распылению материала. Кроме того, проникая в микротрещины частиц, жидкость создает  большое капиллярное давление, способствуя  измельчению. Жидкость также уменьшает трение как между размольными телами, так и между частицами обрабатываемого материала. Жидкой средой обычно служат спирт, ацетон, вода, некоторые углеводороды и пр.

      Длительность  размола составляет от нескольких часов  до нескольких суток.

      Для шаровых вращающихся мельниц соотношение средних размеров частиц порошка до и после измельчения, называемое степенью измельчения, составляет 50 – 100. Форма частиц, получаемая в результате размола в шаровых вращающихся мельницах, обычно осколочная, т.е. неправильная, с острыми гранями, а шероховатость их поверхности невелика.

      Возможны  несколько режимов измельчения. Наконец, может быть создан еще один вариант режима размола, получивший название режима скольжения. При использовании мельниц с гладкой внутренней поверхностью барабана и при небольшой относительной загрузке размольные тела не циркулируют внутри барабана мельницы. Вся их масса скользит по поверхности вращающегося барабана и их взаимное перемещение почти отсутствует. Этот режим называют режимом скольжения (сектор АВС, рисунок 3, а). Измельчение материала при таком режиме размола малоэффективно, так как происходит путем истирания его лишь между внешней поверхностью размольных тел и стенкой барабана мельницы.

      При получении измельченных материалов с размером частиц порядка 1 мкм размол путем дробления падающими шарами становится малоэффективным. В таких  случаях применяют режим перекатывания шаров (рисунок 3, б), при котором они не падают, а поднимаются вместе со стенкой вращающегося барабана мельницы и затем скатываются по наклонной поверхности, образованной их массой. Измельчаемый материал истирается между шарами, циркулирующими в объеме, занимаемом их массой. При режиме перекатывания различимы четыре зоны движения шаров: зона их подъема по стенке барабана с некоторой не очень высокой скоростью, зона скатывания с наибольшей скоростью, зона встречи скатившихся шаров со стенкой барабана и центральная застойная зона, в которой шары почти неподвижны. Увеличивая скорость вращения барабана мельницы, можно повысить эффективность режима перекатывания путем сужения или полной ликвидации застойной зоны в шаровой загрузке.

      Наличие перекатывания или скольжения размольных тел при вращении барабана мельницы зависит (при прочих равных условиях) от относительной загрузки j. При загрузке большого числа шаров (или размольных тел другой формы, но обязательно полиэдрической) происходит перекатывание, а при малой загрузке — скольжение. Изменяя величину загрузки мельницы размольными телами, можно получать в одних случаях режим перекатывания, а в других — режим скольжения, причем в зависимости от устанавливающегося режима эффективность размола будет различной.

      Кроме вращающихся мельниц используют также вибрационные, планетарные, центробежные и гироскопические мельницы (вращаются относительно горизонтальных и вертикальных осей), мельницы с магнитно-индукционным вращателем (для ферромагнитных материалов), вихревые мельницы (измельчение за счет создания вихревых потоков, создаваемых двумя пропеллерами, расположенных друг против друга), молотковые мельницы (используется молот для дробления губчатых материалов).

     1-корпус-барабан, 2-вибратор вращения, 3-спиральные  пружины, 4-электродвигатель, 5-упругая  соединительная муфта

     Рисунок 4 - схема вибрационной мельницы  

     При более высокой частоте воздействия внешних сил на частицы материала применяют вибрационные мельницы (рисунок 4). В таких  мельницах  воздействие на материал заключается я создании сжимающих и срезывающих усилий переменной величины, что создает  усталостное разрушение порошковых частиц.  В показанной на рисунке  2 мельнице дисбалансный вал - вибратор 2,  вращающийся с частотой  1000-3000об/мин при амплитуде 2...4 мм вызывает круговые движения корпуса 1 мельницы с размольными телами  и  измельчаемым материалом. В этом случае измельчение протекает интенсивнее, чем в шаровых мельницах.

     Измельчение ультразвуком. Измельчение ультразвуком производят в среде, где распространяются упругие волны, образующиеся при периодическом чередовании сжатия и разрежения этой среды с частотой свыше 16000 Гц. В жидкой среде возникает кавитация, то есть разрывы из- за действия  на жидкость растягивающих усилий. Диспергирование ведут в воде, спирте, ацетоне. Генерирование ультразвуковых колебаний производится с использованием магнитострикции и обратного пьезокварцевого эффекта. 

      Другим  распространенным методом получения  порошков является диспергирование расплавов.

      Эти методы квалифицируются по  трем признакам.

1) вид  энергии, используемой для создания  расплава: электрическая дуга, плазма, лазерный, индукционный нагрев.

2) вид  силового воздействия на расплав:  гравитация, энергия газовых и  водяных струй, центробежные силы, энергия газов и паров, выделяющихся  из расплава, механическое, магнитогидродинамическое, ультразвуковое.

3) среда  реализации процесса плавления и диспергирования: окислительная, восстановительная, инертная, реакционная заданного состава, вакуум и другая.

      Диспергирование расплавленного металла или сплава струей сжатого газа, жидкости или механическим способом позволяет получать порошки, называемые распыленными. Процесс характеризуется высокими производительностью, технологичностью, степенью автоматизации и сравнительно малыми энергозатратами, экологически чистый. Промышленное производство порошков в нашей стране составляет в соотношении 4-5 : 1 в пользу распыленных порошков.

      В настоящее время метод распыления широко используют для получения не только порошков железа, сталей и других сплавов на основе железа, но и порошков алюминия, меди, свинца, цинка, тугоплавких металлов (титана, вольфрама и др.), а также сплавов на основе этих цветных металлов. Распыление весьма эффективно при получении порошков многокомпонентных сплавов и обеспечивает объемную равномерность химического состава, оптимальное строение и тонкую структуру каждой образующейся частицы. Это связано с перегревом расплава перед диспергированием, что приводит к высокой степени его однородности на атомарном уровне из-за полного разрушения наследственной структуры твердого состояния и интенсивного перемешивания, и кристаллизацией дисперсных частиц с высокими скоростями охлаждения – от 10³ – 10⁴ до нескольких десятков и даже сотен миллионов градусов в секунду.

      Сущность  получения металлических порошков из расплава заключается в нарушении  сплошности его потока (струи или  пленки) под действием различных  источников возмущений с возникновением дисперсных частиц.

      Центробежное  распыление представляет собой один из основных видов диспергирования расплава. По методу вращающегося электрода распыление происходит в момент формирования расплава (Рисунок 5 – электрическая дуга, или электронный луч, плазма или другие источники энергии). Образовавшаяся на торце расходуемого электрода, вращающегося со скоростью 2000–20000 об/мин, пленка расплава толщиной 10–30 мкм под действием центробежных сил перемещается к его периферии и срывается с его кромки в виде частиц-капель преимущественно размером 100–200 мкм (увеличение диаметра расходуемого электрода и скорости его вращения приводит к уменьшению размера частиц-капель) Кристаллизация капель со скоростью охлаждения порядка 10⁴°С/сек происходит в атмосфере инертного газа.

      При других схемах диспергирования (рисунок 6) плавление металла проводят автономно, вне зоны распыления. Когда струю расплава подают на вращающийся со скоростью до 24000 об/мин диск, на его вогнутой поверхности образуется пленка жидкого металла, от которой затем отрываются капли-частицы преимущественно размером <100 мкм и кристаллизуются в атмосфере инертного газа со скоростью 10⁵ – 10⁶ °С/сек.