1.3. Механическое измельчение твердых материалов

Работа измельчения

Механическое измельчение представляет собой разрушение материала путем раздавливания, резания, истирания, удара, или при комбинации этих действий. Наиболее целесообразно применять механическое измельчение при производстве порошков из хрупких металлов и сплавов, таких как кремний, хром, марганец, бериллий, ферросплавы, чугуны, сплавы алюминия с магнием и др. В принципе, механическим способом можно измельчить и пластичные материалы, склонные к наклепу (цинк, алюминий, медь, железо и др.), но размол пластичных и вязких металлов затруднен, поскольку они деформируются без разрушения.

По теории, предложенной П. А. Ребиндером, работа, затрачиваемая на измельчение, может быть выражена следующим образом:

ΔА = γΔS + кΔV, (1.1)

Слагаемое γΔS представляет собой энергию, расходуемую на образование новых поверхностей раздела; γ – удельная поверхностная энергия; ΔS – приращение поверхности, происходящее при измельчении. Слагаемое кΔV это объемная энергия деформации: к – работа упругой и пластической деформации на единицу объема, разрушаемого тела; ΔV – часть объема твердого тела, подвергнутого деформации. При грубом дроблении приращение новой поверхности мало, поскольку при дроблении образуются крупные частицы. Соответственно, γΔS << кΔV. Это означает, что затрачиваемая энергия примерно пропорциональна объему разрушаемого тела. При тонком измельчении вновь образующаяся поверхность велика, в этом случае γΔS >> кΔV, поэтому расход энергии пропорционален вновь образующейся поверхности. Полезная энергия измельчения очень мала, поскольку основная часть энергии тратится на деформацию и нагрев разрушаемого тела.

Измельчение в дробилках

Первичное измельчение кускового твердого материала обычно производят в щековых, валковых и конусных дробилках. В щековых дробилках, измельчают спеки порошков, осадки с электродов, ферросплавы и другие твердые материалы с пределом прочности на сжатие до 300 МПа. Дробление материала происходит за счет раздавливания кусков между неподвижной и подвижной щеками дробилки. При сближении щек происходит дробление материала, а при расхождении щек дробленый материал высыпается через разгрузочную щель. Дробящие щеки работают в наиболее тяжелых условиях, поэтому их делают из износостойких материалов, например из деформационно-упрочняемой стали Г13, или упрочняют износостойкими наплавками. Минимальный размер частиц на выходе дробилки 1 – 4 мм.

Валковые дробилки из двух валков, оси которых расположены в горизонтальной плоскости, позволяют получать молотый продукт с размером частиц 0,5 – 1мм. Валки вращаются навстречу друг другу с окружной скоростью 2 – 4 м/c. Один или оба валка имеют возможность совершать возвратно-поступательное движение по направляющим на тот случай, если в раствор между валками попадет недробимый кусок. Валки могут быть гладкими или зубчатыми. Эффективность дробления во многом зависит от условий подачи материала в дробилку. Наиболее эффективна непрерывная подача материала с равномерным его распределением по длине валка.

В последние годы для получения крупки и порошков применяются конусно-инерционные дробилки (рис. 1.3). В дробилках этого типа измельчение материала происходит в зоне дробления между неподвижным 1 и подвижным конусами 2. Отличительной особенностью таких дробилок является наличие дебалансного вибратора 5, закрепленного на валу дробилки. При вращении вибратора возникает центробежная сила, возбуждающая перемещения подвижного (дробящего) конуса. Этот конус вибрирует с частотой, соответствующей скорости вращения вибратора и одновременно вращается с небольшой скоростью, раздавливая материал, поступающий в зону дробления.

Рис. 1.3. Дробление отходов в конусно-инерционной дробилке:

1 – неподвижный конус; 2 – подвижный конус; 3 – электродвигатель;

4 – основание; 5 – дебаланс; 6 – корпус

Между дробящим конусом и валом дробилки нет жесткой кинематической связи, что предотвращает поломку дробилки при попадании в зону дробления недробимых тел. Наиболее часто в ПМ применяется конусно-инерционная дробилка КИД-300 с диаметром дробящего конуса 300 мм. Максимальный размер куска на входе в эту дробилку 15 мм. Типичный средний размер частиц после дробления около 1 мм. Повторное дробление позволяет дополнительно измельчить порошок, однако с каждым последующим проходом эффективность измельчения падает, а износ мелющих тел растет.

Измельчение в шаровых мельницах

Простейший аппарат для измельчения твердых материалов представляет собой цилиндрический барабан, внутри которого находятся размольные тела в форме шаров или близких к шарам цилиндров округлой полиэдрической формы. При вращении такого барабана (шаровой мельницы) размольные шары поднимаются на некоторую высоту, после чего скатываются или падают вниз, дробя или истирая измельчаемый материал. Отношение диаметра барабана D к его длине L изменяет соотношение между дробящим и истирающим действием шаров. При D/L > 3 превалирует дробящее действие шаров, что эффективно измельчает хрупкие материалы. При D/L < 3 преобладает истирающее действие, более эффективное при измельчении пластичных материалов.

Рис. 1.4. Схема к расчету критической скорости барабана

шаровой мельницы

Рассмотрим поведение единичного шара при работе мельницы, в соответствии со схемой, показанной на рис. 1.4. Одиночный шар с массой Р на поверхности вращающегося барабана имеет окружную скорость v (м/с). В точке m на шар действует центробежная сила Рv²/gR, где g - ускорение силы тяжести, (м²/с); R – внутренний радиус барабана, м. При некотором угле подъема α силу собственного веса шара можно разложить на силы, одна из которых направлена по радиусу Рsinα, а другая направлена по касательной Рсos α. Если пренебречь силой трения, то можно утверждать, что одиночный шар будет удерживаться на поверхности барабана, не падая, до тех пор пока Рv²/gR ≥ Рsin α или v²/gR ≥ sin α. Если скорость вращения барабана такова, что в момент прохождения шара через зенит (α = 90^о), шар не упадет, то v²/gR = sin α = 1. Следовательно, v² = gR. Это условие будет соответствовать критической скорости вращения барабана n_кр (мин^-1). Отсюда v = πDn_кр/60.

Соответственно v² = gR можно представить как π²D²n_кр² = gD/2. Окончательно получаем формулу для определения критической скорости вращения барабана:

n_кр = (g/2π²)^1/2 60/D^1/2 = 42,4/ D^1/2. (1.2)

В действительности для массы шаров не существует единой критической скорости вращения из-за проскальзывания одного ряда шаров по отношению к другим, а также из-за переменного расстояния центра шаров от оси вращения. На практике расчетную величину критической скорости вращения понимают как некую условную величину, в долях которой удобно выражать частоту вращения барабана мельницы.

При небольшой скорости вращения барабана n < 0,2 n_кр имеет место режим перекатывания шаров. В этом случае шары поднимаются вместе со стенкой барабана, а затем скатываются по стенке. В центре образуется застойная зона, где шары практически не двигаются. Повышение скорости вращения до n = 0,4-0,6 n_кр интенсифицирует движение шаров и сужают до минимума застойную зону. Этот интервал скорости вращения барабана обеспечивает наибольший эффект истирания материала. Он применяется обычно при получении тонких порошков с микронным размером частиц. Дальнейшее повышение скорости вращения барабана изменяет режим движения шаров. При n = 0,75-0,85 n_кр наступает «водопадный» режим, когда шары не скатываются, а падают. Такой режим целесообразно применять при получении крупных порошков из хрупких материалов. При n > n_кр шары прижимаются к поверхности барабана и перемещаются с небольшой скоростью. Этот режим редко применяется на практике.

Большое влияние на процесс измельчения материала в шаровых мельницах оказывает размер шаров, их масса и отношение этой массы к массе измельчаемого материала. По приближенным оценкам диаметр шара не должен превышать 5 – 6 % от внутреннего диаметра барабана мельницы. Эмпирически определены параметры загрузки барабана шарами и исходным материалом. Обычно в барабан загружают 1,7 – 1,9 кг стальных шаров на 1 л его объема. При этом коэффициент заполнения барабана шарами (φ) не должен превышать 0,4 – 5. При φ > 0,5 шары чаще сталкиваются друг с другом, что снижает эффективность измельчения. При φ < 0,4 снижается производительность мельницы. Объем загружаемого в мельницу материала не должен превышать объема пустот между шарами. Если материала будет больше, то его часть, не вмещающаяся в зазоры, измельчается не эффективно и мешает свободному падению шаров. Обычно соотношении между массами шаров и измельчаемого материала β = 2,5 – 3,5. Если плотность шаров близка к плотности материала, например при измельчении чугунной стружки стальными шарами, то β = 5 – 6. При интенсивном измельчении это соотношение увеличивают до β = 6 – 12. Длительность размола колеблется от нескольких часов до нескольких суток. По мере увеличения времени размола средний размер частиц уменьшается сначала по крутой, а затем по пологой кривой. Чем дольше длится размол, тем меньше отклонение размера частиц от среднего, поэтому иногда приходится увеличивать время размола для выравнивания частиц по размеру.

В США при измельчении материала в шаровых мельницах применяют следующие рекомендации:

‑ размер шара должен быть примерно в 30 раз больше диаметра частиц измельчаемого порошка;

‑ объем шаров должен составлять примерно 1/2 объема барабана;

‑ объем измельчаемого материала должен быть около ¼ объема барабана.

Для расчета времени измельчения за рубежом применяют формулу:

Е = с (1/d₂² – 1/d₁²), (1.3)

где Е – энергия (работа разрушения); с – константа, зависящая от разрушаемого материала, конструкции мельницы и условий измельчения; d₁ и d₂ – начальный и конечный средний диаметр порошковых частиц. Рассмотрим пример конкретного расчета по формуле (1.3). Чугунную стружку с исходным средним размером частиц 300 мкм надо измельчить до среднего размера 75 мкм. Требуется определить время, необходимое для размола стружки. Для решения задачи сначала проводят экспериментальное измельчение стружки при заведомо малом времени размола с определением среднего размера частиц. Например, чугунную стружку с размером 300 мкм мелят 8 ч. После размола получили порошок со средним размером частиц 110 мкм. Поскольку мощность мельницы величина постоянная, то можно решить задачу по соотношению энергий, затраченных на двух, сопоставляемых этапах работы. Пусть Е₁ – энергия, затраченная на измельчение стружки с размера 300 до размера 110 мкм, а Е₂ – энергия, затраченная на дробление стружки с размера 110 до размера 75 мкм. Тогда отношение этих энергий составит: Е₂ / E₁ = (1/75² – 1/110²) / (1 /110² – ‑ 1/300²) = 1,33. Следовательно, для доизмельчения стружки от 110 до 75 мкм потребуется: 8·1,33 ≈ 10,6 ч. Общее время измельчения стружки с 300 до 75 мкм составит: 8 + 10,6 = 18,6 ч. Из сопоставления энергий Е₁ и Е₂ видно, что по мере измельчения материала требуется все больше энергии на приращение поверхности. При измельчении частиц от 300 до 110 мкм удельная поверхность порошка возросла в 7,4 раза и на это затрачена энергия Е₁. При доизмельчении порошка от 110 до 75 мкм понадобилось энергии в 1,33 раза больше, но удельная поверхность порошка возросла при этом только в 2,15 раза.

Длительность размола на практике колеблется от нескольких часов до нескольких суток. Для интенсификации размола его часто проводят в жидкой среде, которая вызывает адсорбционное понижение прочности измельчаемого материала (эффект Ребиндера). Молекулы жидкости адсорбируются на поверхности измельчаемого материала, что уменьшает поверхностную энергию и снижает прочность. Кроме того, жидкость, проникая в микропоры и трещины частиц, создает в них капиллярное давление, способствующее разрушению частиц. Жидкость уменьшает коэффициент трения между шарами и частицами, что облегчает их перемещение относительно друг друга. Жидкая среда исключает пыление материала, препятствует агломерации дисперсных частиц и их окислению. Предельно мелкий размер частиц, получаемый при тонком механическом измельчении менее 100 нм. В литературе имеются сведения о получении порошков железа с размером частиц 10 – 20 нм и порошков оксидов вольфрама и молибдена размером 5 нм.

Наиболее интенсивное измельчение исходного материала достигается в планетарных центробежных мельницах (ПЦМ). В ПЦМ, схема которой показана на рис. 1.5, электродвигатель через клиноременную передачу вращает корпус-шкив, на периферии которого в обоймах закреплены барабаны, способные вращаться вокруг своей оси. Центры этих барабанов при вращении шкива получают ускорение 20-35g. При вращении барабана вокруг оси шкива шары располагаются в виде сегмента, форма и положение которого во времени не меняется. Массив шаров движется с барабаном, а каждый шар движется по окружности, центром которой является ось барабана.

Рис. 1.5. Планетарная центробежная мельница: 1 – корпус – шкив с

обоймами; 2 – основание; 3 – электродвигатель; 4 – кожух; 5 – подставка

По достижении «зоны отрыва» шары начинают перекатываться в сегменте и вращаться вокруг собственных центров тяжести, что обеспечивает интенсивное истирание материала. «Отрыв» шаров в ПМЦ наблюдается при выполнении следующего неравенства:

RΩ² > rω² + g, (1.4)

где R – расстояние от оси корпуса-шкива до оси рабочего барабана; r – радиус рабочего барабана; Ω – угловая скорость вращения корпуса – шкива;

ω – угловая скорость вращения рабочего барабана; g – ускорение силы тяжести.

Наиболее интенсивное измельчение достигается при противоположном вращении корпуса-шкива и рабочих барабанов. В этом случае

R/ r = (1 – k²), (1.5)

где k – передаточное отношение.

С теоретических позиций в ПМЦ можно неограниченно ускорять процесс размола, подбирая соответствующие значения R, r и k. Однако на практике, для определенной конструкции мельницы, параметры R и r остаются постоянными величинами, и процесс измельчения обрабатываемого материала регулируется выбором оптимального значения передаточного отношения (k). Следует иметь в виду, что измельчение в ПМЦ сопровождается значительным намолом примесей в обрабатываемый материал. Это вызвано интенсивным износом размольных тел и стенок барабанов, что является существенным недостатком процесса.

Для быстрого и тонкого измельчения твердых сплавов, карбидов и других, преимущественно, тугоплавких соединений широко применяются вибрационные шаровые мельницы. Принципиальная схема вибрационной мельницы показана на рис. 1.6.

Электродвигатель 1 через эластичную муфту 2 приводит во вращение дебалансный вал 5, что вызывает круговые колебания корпуса 3. Амплитуда колебаний 2 – 4 мм, частота 1000 – 3000 1/мин. Корпус мельницы опирается на пружины 6, амортизирующие действие инерционных сил. Загрузка мельницы, состоящая из измельчаемого материала и шаров, получает частые импульсы от стенок корпуса мельницы. Шары подбрасываются, соударяются, вращаются и скользят по стенкам корпуса. Во всех зонах корпуса на измельчаемые частицы действуют в разных направлениях ударные, сжимающие и срезывающие усилия переменной величины. В отличие от падающих шаров вращающейся мельницы в вибромельнице импульс единичного шара невелик, но большое число шаров и высокая частота вибрации корпуса обеспечивают интенсивное измельчение материала.

Рис. 1.6. Вибрационная мельница: 1 – электродвигатель; 2 – упругая

соединительная муфта; 3 – стальной корпус; 4 – загрузочный люк;

5 – вал с дебалансами; 6 – спиральные пружины; 7 – неподвижная рама

Суммарное число импульсов I сообщаемых шарам в единицу времени составляет:

I = Vkφnzb, (1.6)

где V – объем корпуса мельницы; k ‑ количество размольных шаров в единице объема; φ – коэффициент заполнения корпуса шарами; n – частота вращения дебалансного вала; z – число импульсов, сообщаемых каждому шару со стороны корпуса мельницы за один оборот вала; b – коэффициент, учитывающий дополнительное число импульсов, сообщаемых шару его соседями. Если принять k = 1250 шт/дм³; φ = 0,8; n = 1500 об/мин; z = 1, b = 1, то число импульсов в корпусе мельницы объемом 200 дм³ составит:

I = 200 · 1250 · 0,8· 1500 = 3 · 10⁸ 1/мин.

Для порошка, полученного в вибромельнице, характерна округлая форма частиц, что свидетельствует о ведущей роли истирающего воздействия шаров.

Конструкции вибромельниц различаются по технологическим и конструктивным признакам. По технологическим признакам различают мельницы сухого и мокрого помола. По конструктивным признакам мельницы различаются формой корпуса, конструкцией опор, системой загрузки и выгрузки материала и др. Технологические параметры виброразмола обычно устанавливают эмпирическим путем с учетом свойств измельчаемого материала и требуемой дисперсности порошка.

Механическое легирование

За рубежом разработаны высокоскоростные шаровые вращающиеся мельницы с лопастями внутри барабана. При вращении барабана со скоростью n > n_кр шары прижаты к внутренней поверхности барабана, а лопасти перемешивают их и возвращают в рабочую зону. Такая мельница применяется, в частности, для получения композитных порошков методом механического легирования. В этом методе совмещается размол двух металлов. При механическом легировании отношение массы шаров к массе смеси порошков составляет более 6/1. Процесс измельчения условно делится на пять стадий:

‑ расплющивание и размол отдельных частиц (10 – 12 мин);

‑ холодное соединение разнородных материалов с образованием «склепанных частиц» с характерной, слоистой структурой (12 – 30 мин);

‑ разрушение «склепанных» частиц и превращение их в более мелкие композитные частицы (30-60 мин);

‑ нарушение параллельности в строении композитных частиц (60 – 100 мин);

‑ повышение внутренней гомогенности частиц, истончение разнородных компонентов и увеличение их числа (более 100 мин).

Механическое легирование – перспективный метод получения порошков дисперсно-упрочняемых материалов, или композиций, компоненты которых обладают малой взаимной растворимостью или сильно различаются по температуре плавления.

Рис. 1.7. Схема вертикального аттритора: 1 – корпус; 2 – рубашка

водяного охлаждения; 3 – вал мешалки; 4 – измельчаемый материал;

5 – размольные шары; 6 – лопасти мешалки

Рис. 1.8. Схема движения шаров в аттриторе

Для интенсивного измельчения материалов и механического легирования применяются также аттриторы, которые представляют собой современную разновидность шаровых мельниц. Схематичное изображение аттритора показано на рис. 1.7. Этот аппарат состоит из неподвижного вертикального барабана, внутри которого со скоростью ≥ 100 1/мин вращается лопастная мешалка. На лопастях мешалки закреплены дополнительные гребки-направляющие с наклоном по отношению к горизонту. Вращение мешалки приводит в движение шары, которые эстафетно передают один другому импульс движения. Шары перемещаются в аттриторе по сложной траектории (рис. 1.8) с разными скоростями.

Произвольное турбулентное движение каждого шара и конвективное движение массы шаров повышает интенсивность измельчения и обеспечивает получение порошков с более равномерным распределением по размерам. В несколько раз сокращается время размола по сравнению с обычной шаровой мельницей.

При механическом легировании чаще всего применяют стальные шары диметром 4 – 10 мм с отношением массы шаров аттритора к массе порошков от 12/1 до 40/1. Продолжительность процесса 10 ч и более. В последние годы за рубежом появились аттриторы с горизонтальной осью вращения, которые называют симолойерами.

Измельчение в вихревых и струйных мельницах

Схема вихревой мельницы приведена на рис. 1.9.

В рабочей камере мельницы вращаются пропеллеры-била в противоположных направлениях со скоростью около 3000 1/мин, создавая вихревой поток. Измельчаемый материал в виде обрезков проволоки или крупного порошка поступает из бункера в вихревой поток, где частицы материала сталкиваются друг с другом и самоизмельчаются. В камеру мельницы насосом нагнетается газ (воздух, азот), поток которого направляет измельченные частицы в приемную камеру.

Рис. 1.9. Вихревая мельница: 1 – рабочая камера; 2 – пропеллеры; 3 – бункер; 4 – насос; 5 – приемная камера; 6 – отсадочная камера

Рис. 1.10. Струйная мельница: 1 – впускной вентиль; 2 – бункер; 3 – дозатор; 4 – псевдосжиженный слой материала; 5 – форсунки; 6 – ввод газа; 7 – камера измельчения; 8 – сепаратор; 9 – патрубок для вывода измельченного материала и газа

Скорость газового потока регулируют таким образом, чтобы захватить частицы требуемого размера. Обычно это частицы от 50 до 350 мкм. Более крупные частицы оседают на дне камеры и вновь направляются для повторного измельчения. Форма частиц может быть осколочной, чешуйчатой или округлой. Часто на поверхности расплющенных частиц образуются характерные углубления, напоминающие по форме тарелку. Такие частицы называют тарельчатыми. При вихревом измельчении могут формироваться и дисперсные порошки с пирофорными свойствами, склонные к самовозгоранию. Для предотвращения самовозгорания в рабочую камеру вводят инертный, или нейтральный газ, содержащий до 5 % кислорода. Это обеспечивает создание на поверхности частиц порошка тонкой оксидной пленки, которая устраняет пирофорность.

Часовая производительность вихревых мельниц мощностью 30 кВт составляет 7-15 кг/ч.

Более производительны близкие по принципу работы струйные мельницы, обеспечивающие сверхтонкое измельчение материала. Схема струйной мельницы показана на рис. 1.10.

В рабочую камеру мельницы из трех-четырех форсунок вводят сжатый газ (азот, воздух, перегретый пар) со звуковой и даже сверхзвуковой скоростью. Измельчаемый материал, обрабатываемый газовыми струями, находится в псевдосжиженном состоянии (в кипящем слое). Вихревое движение и многократное соударение частиц приводит к их интенсивному истиранию и самоизмельчению до размера 1-5 мкм. Измельчаемые частицы практически не контактируют со стенками камеры, что предотвращает как износ стенок, так и загрязнение порошка. Из зоны размола дисперсные частицы выводятся направленным вверх газовым потоком и попадают на диск сепаратора. Более крупные частицы (крупнее заданных) сбрасываются сепараторным диском обратно в зону измельчения.

Измельчение металлов резанием

Измельчение металлов резанием это слишком дорогой метод, поэтому он применяется в ограниченном масштабе для получения порошков из металлов с повышенным химическим сродством к кислороду. Например, порошки магния получают с помощью кратц-машины, которая снабжена специальной лентой со стальными щетками. Пластину магния подают в машину, где она прижимается к щеткам ленты. Пластине придается возвратно-поступательное движение. Щетки ленты царапают металл, в результате чего образуются сравнительно крупные частицы магния. Крупность порошка можно регулировать числом и толщиной зубьев щетки, а также скоростью подачи ленты. Минимальный размер частиц – 220 мкм. При необходимости получить более дисперсный порошок, его доизмельчают в шаровой мельнице, в среде углекислого газа.

Более производительным является способ получения порошка магния фрезерованием. Литые заготовки фрезеруют при больших скоростях резания (30 – 40 м/с) и получают частицы размером 90 мкм и более. Образующийся порошок отсасывается в циклон и через шлюзовый затвор поступает на вибрационный грохот для разделения на фракции. Мелкие порошки, не осевшие в циклоне, улавливаются фильтром, брикетируются и переплавляются.

Измельчение ультразвуком

Ультразвуком называют упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 – 20 кГц. Низкочастотные УЗК 15 – 100 кГц; средние частоты 100 кГц – 10 МГц; высокие частоты – 10 МГц – 1ГГц и гиперзвук > 1ГГц. Упругие колебания при распространении в газе, жидкости или твердом теле создают звуковую волну, которая образует сгущения и разряжения, соответствующие частоте колебаний. Движение частиц с ускорением приводит к возникновению избыточного, по отношению к атмосферному, давления звуковой волны. В жидкой среде УЗК определенной мощности нарушают сплошность среды и в ней появляются разрывы в виде полостей (коверн), которые в фазе разряжения растягиваются, а в фазе сжатия сжимаются. Подобный процесс пульсации полостей, заполненных газом или паром, называют кавитацией. Реальные жидкости разрываются даже при небольших давлениях, близких к давлению упругости их паров. Это вызвано наличием в жидкостях газовых пузырьков и твердых частиц размером от десятых долей до нескольких микрон. Такие пузырьки и частицы являются зародышами кавитации.

Механизм ультразвукового измельчения материала включает в себя:

‑ кавитационное разрушение частиц за счет энергии, освобождающейся в фазе сжатия, при захлопывании кавитционных пузырьков;

‑ гидроабразивное разрушение, возникающее вследствие взаимодействия частиц в кавитационных потоках.

Кавитационное разрушение объясняется образованием на поверхности частицы в местах концентрации напряжений (микротрещины, неровности поверхности и т. п.) кавитационных пузырьков, пульсация которых приводит к заполнению концентраторов напряжений жидкостью и захлопыванию самих пузырьков. В момент захлопывания пузырька возникает ударная волна, если пузырек больше частицы, или микроструя, если пузырек меньше частицы. Ударные волны и микроструи создают на поверхности частицы растягивающие напряжения порядка 10² – 10³ МПа. Таких напряжений вполне достаточно для разрушения твердых частиц, прочность которых понижена из-за наличия разного рода дефектов.

Гидроабразивное разрушение твердых частиц вызвано их соударением при движении в жидкости под воздействием кавитационных потоков. Средняя скорость акустических макропотоков в жидкости невелика и составляет 1 – 1,5 м/с. В то же время скорость микропотоков, возникающих при вторичном расширении кавитационной полости достигает 1500 – 2000 м/с. Возможны даже сверхзвуковые скорости порядка 10⁴ м/с.

Эффективность ультразвукового измельчения зависит от структурно-морфологического состояния частиц материала, прочностных характеристик, параметров ультразвука, длительности процесса и свойств жидкой среды. Наиболее эффективной жидкой средой является вода, поскольку у органических растворителей (спирт, ацетон, бензин, четыреххлористый углерод и др.) упругость паров выше, чем у воды. С повышением упругости пара резко снижается микроударное действие кавитации. Повышение поверхностного натяжения жидкости также снижает эффективность кавитации из-за ухудшения смачиваемости. Соответственно поверхностно-активные вещества (ПАВ), снижающие коэффициент поверхностного натяжения, усиливают процесс кавитации. Повышение температуры жидкости оказывает двоякое воздействие на процесс кавитации. С одной стороны повышение температуры снижает растворимость газов и увеличивает число зародышей кавитации, с другой стороны повышение температуры повышает упругость пара в кавитационной полости и этим снижает кинетическую энергию при захлопывании кавитационного пузырька. Поэтому существует оптимальная область температур для разных жидкостей. Для воды и водных растворов 35 – 50 ºC (средняя упругость пара); для органических жидкостей (спирт, ацетон, бензин) 15 – 25^оС (высокая упругость пара); глицерин 80 – 85 ºC (низкая упругость пара).

Объемная концентрация твердых частиц в жидкости (т/ж) обычно выбирается в пределах соотношений от 1/8 до 1/20. Чем концентрированнее суспензия, тем крупнее порошок. Длительность измельчения обычно составляет от 5 до 60 минут. Увеличение времени обработки приводит к образованию агрегатов из частиц.

Ультразвуковые установки для измельчения обычно имеют вертикальное расположение рабочей ванны в форме цилиндра или конуса. Дно и стенки ванны снабжены магнитострикционными преобразователями энергии. Наиболее распространены установки с ванной цилиндрической формы УЗВД-6. Корпус установки выполнен из нержавеющей стали, ее дно является излучателем УЗК. Порошки, получаемые с помощью ультразвука, отличаются повышенной чистотой и дисперсностью. Частицы порошка имеют округлую форму.

Контрольные вопросы

1. Для каких металлов и сплавов целесообразно механическое измельчение в твердом состоянии?

2. Каков принцип работы шаровой вращающейся мельницы?

3. Что такое критическая скорость вращения барабана и как влияет скорость его вращения на процесс измельчения материала?

4. Каковы принципиальные особенности измельчения в аттриторах и планетарных мельницах?

5. В чем преимущество шаровой вибрационной мельницы перед вращающейся?

6. Что представляет собой механическое легирование?

7. Каков механизм ультразвукового измельчения твердых веществ в жидкости?