Технологические параметры распыления водой расплава

нержавеющей стали

Технологические параметры	Численные значения
Температура плавления, °С	1365
Температура расплава, °С	1510
Диаметр струи металла, мм	6
Расход расплава (производительность), кг/мин	22
Число гидравлических форсунок, ед.	8
Угол атаки водяных струй, градус	38
Давление воды на входе, МПа	9
Расход воды, л/мин	200
Скорость воды на выходе, м/с	110
Средний размер частиц порошка, мкм	60

1.11.9. Технология центробежного распыления

Применение центробежных сил для распыления металлических расплавов привлекательно тем, что процесс можно проводить в вакууме или в инертной безобменной атмосфере без участия энергоносителей. Это позволяет получать более чистые порошки, а в ряде случаев и удешевляет процесс. Существуют две принципиальные схемы центробежного распыления (рис. 1.40). Первая из этих схем реализуется при оплавлении торца быстро вращающейся заготовки. Источником нагрева может служить электрическая дуга, плазменная струя или электронный луч. По этой схеме формирование расплава и его распыление совмещены и происходят одновременно.

Рис. 1.40. Центробежное распыление расплава: а – метод вращающегося электрода; б – метод заливки на вращающийся распылитель; в – формирование капель (1 – частицы; 2 – тороидальный валик; 3 – вращающийся распылитель

Расплавляемый на торце заготовки металл под действием центробежных сил перемещается к периферии торца, образуя по его периметру тороидальный валик, удерживаемый силами поверхностного натяжения. Толщина пленки расплава на торце оплавляемой заготовки определяется уравнением:

,

(1.62)

где G - удельный расход расплава; ω - угловая скорость вращения электрода; D - диаметр вращающегося электрода.

По мере накопления металла в валике центробежные силы, действующие на расплав, возрастают и в какой то момент превосходят силы поверхностного натяжения. Происходит распыление металла, причем в зависимости от расхода расплава режим образования капель меняется. При малом расходе отдельные капли расплава срываются непосредственно с кромки вращающейся заготовки.

Вторая схема центробежного распыления принципиально отличается от первой тем, что процессы плавления и распыления металла разделены. Металл расплавляют как при производстве слитков и фасонных отливок в тигле, а затем сливают образующийся расплав через калиброванное отверстие на быстро вращающийся распылитель. В качестве распылителя применяют диски, в том числе диски с лопатками, стаканы или чаши различной формы, в том числе стаканы с отверстиями для выброса струй расплава в окружающую среду. Такая схема центробежного распыления обеспечивает значительное повышение производительности процесса в сравнении со схемой вращающейся оплавляемой заготовки.

При большом расходе расплава вокруг распылителя образуется тонкая круговая пленка, не связанная с кромкой распылителя. Такая пленка разрушается силами поверхностного натяжения на отдельные пряди или крупные капли, которые могут дополнительно распадаться на капли меньших размеров. Очевидно, что жидкая капля отрывается от кромки распылителя в тот момент, когда центробежная сила превысит силу поверхностного натяжения:

,

(1.63)

где m – масса сферической частицы-капли; D_р – диаметр распылителя.

С учетом (1.63) уравнение для оценки среднего размера капель, образующихся при центробежном распылении, можно представить в виде:

(1.64)

где k – эмпирический коэффициент, учитывающий условия формирования капли в момент ее отрыва от кромки распылителя.

Методы центробежного распыления расплава обеспечивают возможность легкого регулирования среднего размера частиц изменением скорости вращения распылителя. Для этих методов типичен узкий фракционный состав порошка и сферическая форма частиц. Недостатком методов центробежного распыления является ограниченная возможность получения порошков мелких фракций, поскольку с повышением числа оборотов распылителя увеличивается вибрация движущихся элементов и всей распылительной установки. В условиях вибрации эффективность воздействия центробежных сил на процесс диспергирования расплава снижается.

Рис. 1.41. Схема установки центробежного распыления с

вращающимся электродом: 1 – вакуум, инертный газ;

2 – приводной ремень; 3 – вращающийся электрод; 4 – шпиндель;

5 – вакуумное уплотнение на вводе электрода; 6 – контактные щетки; 7 – вольфрамовый охлаждаемый катод;

8 – люк для выгрузки порошка

При производстве порошков из титановых, никелевых и некоторых других сплавов часто применяют различные модификации способа центробежного распыления с вращающимся электродом. В США получил распространение процесс вращающегося электрода, который называют методом ВЭП. На рис. 1.41 показано конструктивное оформление этого метода в установке с длинным электродом. Плавка осуществляется электрической дугой в цилиндрической камере, заполненной гелием. Диаметр камеры выбирается с таким расчетом, чтобы капли расплава во время полета успели затвердеть до того, как они соприкоснутся со стенками камеры. Теплофизические расчеты показывают, что до полного затвердевания капли титана диаметром 0,5 мм длина траектории ее движения в вакууме составит около 13 м. Наличие гелия, при давлении немного выше атмосферного, резко повышает интенсивность охлаждения распыленных частиц, что позволяет вести распыление в камерах диаметром 2 – 3 м. В качестве расходуемых электродов (анодов) используют цилиндрические заготовки диаметром от 60 до 90 мм разной длины. В установках с длинным электродом электрод длиной ~ 1830 мм закрепляется в патроне снаружи камеры и вводится в камеру через вакуумное уплотнение. Существуют установки и с коротким электродом. В этих установках патрон для крепления электрода расположен в камере, и электроды длиной до 250 мм загружаются в камеру до начала процесса. Скорость вращения электродов обычно составляет от 10000 до 20000 об/мин.

Основным недостатком метода ВЭП является его низкая производительность, особенно в установках с коротким электродом. Установки с длинным электродом более производительны, однако для них требуется особо тщательная подготовка электродов. Малейшая кривизна и дисбаланс длинных электродов недопустимы при высокой скорости вращения. Требуется также особо чистая поверхность у длинных электродов, поскольку неровность поверхности выводят из строя вакуумное уплотнение на входе электрода в камеру. К недостаткам метода ВЭП надо отнести и то, что он не обеспечивает высокую чистоту порошка по посторонним включениям, особенно частицам вольфрама, образующимся в результате эрозии вольфрамового электрода.

Рис. 1.42. Схема установки ВГУ-2: 1 – корпус;2, 3 – механизм подачи заготовок; 4 – станина; 5 – регулятор зазора;6 – опорные валки;

7 – вращающаяся распыляемая заготовка; 8 – ведущий ролик;

9 – толкатель; 10 – магазин заготовок;

11 – бункер для выгрузки порошка

Более эффективным является отечественный метод центробежного распыления по схеме бесцентрового вращения заготовки в установке ВГУ–2. На рис. 1.42 приведена схема установки. Основной идеей этого метода является использование принципа гироскопа – способности быстро вращающегося тела сохранять свое положение в пространстве. В этом случае отпадает необходимость в жестком закреплении электрода, как это имеет место в американских установках метода ВЭП. Свободно лежащая на приводных валках заготовка – электрод тем устойчивее, чем выше скорость ее вращения. Даже при наличии небольших неровностей на поверхности электрода и вызванного этим несовпадения геометрического и фактического центров тяжести, вращающийся электрод сам "находит" равновесное положение в пространстве. При высокой скорости вращения электрод как бы парит в пространстве между опорными валками, соприкасаясь с ними в отдельных точках.

Установка ВГУ-2 снабжена магазинным устройством, вмещающим 10 электродов. По ходу процесса возможно проведение сварки следующего электрода с огарком предыдущего, чем обеспечивается практически безотходное производство. Наличие разницы в диаметрах электрода и опорных валков, скорость вращения которых значительно ниже, чем у электрода, снижает нагрузку на подшипники. Эта же конструктивная особенность установки ВГУ-2 позволяет, при необходимости, существенно увеличить скорость вращения электродов для получения более мелких фракций порошка. Наличие шлюзовых устройств обеспечивает загрузку электродов и выгрузку порошка без разгерметизации установки. Это дает большую экономию в расходе гелия и повышает степень чистоты порошка по кислороду и азоту. Наконец, возможность снизить требования к качеству поверхности и точности размеров расходуемых электродов существенно удешевляет процесс.

Основные технические характеристики установки ВГУ-2:

‑ размер электродов – диаметр 50 – 75 мм, длина до 500 мм;

‑ размер камеры распыления – диаметр 2000 мм, ширина 250 мм;

‑ источник нагрева – плазмотрон постоянного тока с независимой дугой, сила тока 1200 А при напряжении 35 В;

‑ число оборотов электрода – до 15 тыс. об/мин с плавной регулировкой;

‑ размер приводных (опорных) валков – диаметр 150 мм, длина 800 мм;

‑ двигатель для валков – мотор постоянного тока мощностью 6 кВт;

‑ двигатель для продольного перемещения электрода – мотор постоянного тока мощностью 0,7 кВт;

‑ производительность – 80 кг порошка за смену;

‑ крупность порошка 100 … 500 мкм в зависимости от числа оборотов электрода.

Разрабатываются и более производительные технологии центробежного распыления, к числу которых можно отнести французский метод ПВВ. Поэтому методу вертикально расположенный слиток вращается со скоростью 1000 - 4500 об/мин в вакуумной камере при глубине вакуума ~ 10^-3 Па. С верхнего торца слиток оплавляется электронной пушкой. Диаметр камеры ~ 2 м, диаметр слитка 100 мм, длина 500 мм. Мощность электронной пушки 150 кВт. Распыленные частицы не успевают затвердеть за время полета, поэтому у стенок камеры размещены специальные водоохлаждаемые экраны с покрытиями, которые поглощают кинетическую энергию удара капель при сохранении их сферической формы. Отраженные от экранов частицы падают в кольцеобразный накопительный бункер. Производительность установки до 100 т порошка в год. Покрытия экранов под действием ударов капель постепенно разрушаются, загрязняя получаемый порошок примесями, в том числе углеродом и кислородом. Кроме того, в порошке, получаемом методом ПВВ, часто наблюдаются скорлупчатые частицы, что наряду с примесями, попадающими в порошок, является существенным недостатком метода. Из-за сравнительно низкой скорости вращения слитка, методом ПВВ нельзя получать мелкие порошки (100 мкм и меньше). Существуют ограничения и по химическому составу получаемых порошков, поскольку при электронно-лучевой плавке в вакууме происходит интенсивное испарение компонентов сплава, обладающих высоким давлением насыщенного пара. Более производительная установка центробежного распыления (производительность 30 кг/ч) разработана в Германии фирмой «Крупп». Как и французская установка, она имеет вертикально расположенный слиток, вращающийся со скоростью до 7500 об/мин. Плавка ведется в вакууме с помощью двух электронных пушек. Главным отличием этой установки от французской является непрерывность в работе, что обеспечивается наличием специального устройства, с помощью которого в установку вводятся слитки для распыления в непрерывном режиме работы.

В Англии разработан метод ЦЛД (центробежное литье дроби), который позволяет получать сферические или чешуйчатые частицы порошка с размерами от 100 до 1500 мкм. Процесс пригоден для широкой номенклатуры материалов, включая сплавы на основе железа, никеля, кобальта, титана, тугоплавких металлов. Материал в виде расходуемого электрода (катод) подается сверху в вакуумную камеру и расплавляется дугой, возбуждаемой между электродом и вращающимся тиглем. Тигель из меди с водяным охлаждением может вращаться со скоростью от 500 до 4000 об/мин. Стекающий с электрода в тигель расплав под действием центробежной силы выбрасывается из тигля в виде микрокапель.

Рис. 1.43. Устройство с вращающимся перфорированным стаканом:

1 – газовый канал; 2 – сопло на входе; 3 – диск турбины; 4 – вал;

5 – перфорированный стакан; 6 – сопло на выходе;

7 – камера охлаждения

Распыление ведут в атмосфере нейтрального газа, чтобы уменьшить длину траектории микрокапли до ее затвердевания. Достоинством процесса ЦЛД является простота оборудования и сравнительно высокая производительность (~ 1 кг/мин). Недостатками метода являются крупный размер частиц из-за низкой скорости вращения тигля и неоднородность получаемого порошка по форме и размерам частиц. Частицы правильной сферической формы составляют 25 – 30 %, а остальные частицы имеют неправильную форму, в виде игл и пластин.

Для получения порошков из легкоплавких, например, алюминиевых сплавов, иногда применяют центробежные установки с перфорированным стаканом. Пример такой установки показан на рис. 1.43. В этой установке газ под давлением ~ 1 МПа из распределительного кольца 1 через сопла 2 поступает на лопатки турбинного диска 3, который через фланец 4 передает вращение перфорированному стакану 5. Расплав, заливаемый в стакан 5, диспергируется при истечении из отверстий сначала центробежными силами, а затем газовым потоком через сопла 6. Перфорированный цилиндр вращается со скоростью до 4600 об/мин. Размер частиц определяется не только скоростью вращения стакана, но и размером отверстий в цилиндре. Тонкие порошки с размером частиц менее 50 мкм образуются при размерах отверстий 0,7 – 0,8 мм, крупные порошки (более 160 мкм) – при размере отверстий 1,5 - 1,6 мм.

Крупные порошки алюминия и магния получают методом вращающейся тарелки, внутренняя поверхность которой имеет форму параболоида вращения. Тарелка нагрета до температуры, превышающей точку плавления металла для образования на ней пленки жидкого металла. Распыление проводят в среде защитного газа. Размер частиц магниевого порошка колеблется от 70 до 450 мкм.

Автором с сотрудниками разработан способ центробежного распыления металлических расплавов с затвердеванием частиц в жидкости. На рис. 1.44 показана схема установки для распыления расплава этим способом. Процесс осуществляется следующим образом. В сборник порошка заливается охлаждающая жидкость (вода или минеральное масло) в объеме 100 л. Камера установки герметизируется, для чего в донной части литейной воронки устанавливается проплавляемая прокладка из фольги или тонкой жести. Материал прокладки тот же, что и распыляемый расплав. Затем камера вакуумируется и, при необходимости, заполняется инертным газом. Перед распылением литейная воронка нагревается газовой горелкой до 1000 – 1100 °С. После завершения подготовительных операций включаются приводы вращения стакана-распылителя и сборника порошка, и жидкий металл заливается в литейную воронку.

Рис. 1.44. Опытная установка центробежного распыления:

1 – вакуумная камера; 2 – электропривод центробежного стола;

3 – ролик; 4 – бак; 5 – защитный кожух; 6 – сборник порошка с

охлаждающей жидкостью; 7 – стакан-распылитель с автономным электроприводом; 8 ‑ литейная воронка; 9 – металлопровод;

10 – центробежный стол

После проплавления прокладки струя расплава попадает в стакан, а распыленные частицы в сборник с охлаждающей жидкостью. Эксперименты показали, объем жидкости должен выбираться с таким расчетом, чтобы толщина слоя жидкости во вращающемся сборнике порошка была не менее 100 мм. При меньшей толщине слоя крупные капли не успевают затвердеть и образуют на стенке сборника настыли. В экспериментальной установке получали порошки инструментальных и конструкционных сталей, чугунов, медных и алюминиевых сплавов. В качестве охлаждающих жидкостей применяли воду и вакуумное масло с низкой упругостью пара. При использовании такого масла процесс распыления можно вести в вакууме. В тех случаях, когда охлаждающей жидкостью была вода, камеру установки после вакуумирования заполняли азотом. Объем воды в количестве 100 л позволяет получить за одну плавку 20 кг стального порошка (без кипения воды). Средний размер частиц порошка при скорости вращения стакана-распылителя 3000 об/мин составил 400 мкм.

В военно-морской исследовательской лаборатории США разработан двухстадийный метод распыления расплава на быстро вращающемся диске-мишени, кромка которого покрыта масляной пленкой.

Рис. 1.45. Схема распыления расплава на диске с масляной пленкой:

1 – крыльчатка; 2 – подача масла; 3 – резервуар с маслом;

4,5 – электроприводы; 6 – плавильная печь;

7 – сборник порошка; 8 – дозатор

Опытная установка (рис. 1.45) состоит из вакуумной камеры, на верхней крышке которой смонтирована индукционная плавильная печь и резервуар для масла. В распылительном процессе используется масло для вакуумных насосов с низкой упругостью паров. Внутри камеры смонтирован диск диаметром 840 мм с отбортованной кромкой. У края диска, с внутренней стороны его кромки, размещается крыльчатка с лопатками, которая может вращаться как по часовой, так и против часовой стрелки. Скорость вращения диска до 7000 об/мин, максимальная скорость вращения крыльчатки 8000 об/мин. Жидкий металл поступает из печи по каналу с электроподогревом и направляется на лопатки крыльчатки, где происходит первая стадия дробления расплава. Образующиеся капли расплава отбрасываются лопатками на кромку диска. На поверхности диска все время присутствует масляная пленка толщиной ~ 0,5 мм. При ударе капли о поверхность масляной пленки, скорость которой составляет ~ 300 м/с, происходит вторая, особенно эффективная стадия дробления. Масло подается не только на диск, но и на крыльчатку для того, чтобы предотвратить налипание металла на лопатки и обеспечить их охлаждение. В опытной установке получали порошки олова со средним размером частиц 24 мкм, а также порошки эвтектического сплава Al – Cu.