УДК 669-492
ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И ИНЖЕКЦИИ МАТЕРИАЛОВ
©Леонтьев Леопольд Игоревич, академик РАН; Валазинский Георгий Георгиевич, д-р техн. наук; Гельчинский Борис Рафаилович, д-р физ.-мат. наук; Жучков Владимир Иванович, д-р техн. наук; Лопатин Владимир Николаевич; Селиванов Евгений Николаевич, д-р техн. наук Институт металлургии Уральского отделения РАН.
Россия, 620016, Екатеринбург,ул. Амундсена, 101. E-mail: admin@imet.mplik.ru Статья поступила 16.12.2008 г.
Представлены результаты технологических разработок Института металлургии УрО РАН, направленных на получение дисперсных металлов с использованием методов распыления и испарения-конденсации, а также инжекции материалов. Приведены некоторые характеристики разработанного оборудования и получаемых материалов.
Ключевые слова: распыление, испарение, конденсация, инжекция, железо, цинк, оборудование.
Научная деятельность Института металлургии УрО РАН осуществляется по следующим основным направлениям: изучение строения и физико-химических свойств металлических и оксидных расплавов и твердых растворов; разработка теории конденсированного состояния вещества; изучение термодинамики, кинетики и механизма металлургических реакций; разработка научных и технико-экономических основ комплексного использования полиметаллического минерального сырья и техногенных отходов с решением экологических проблем; разработка теоретических основ пиро- и гидрометаллургических, электротермических и газофазных процессов производства металлов, сплавов. Инновационная деятельность Института связана с выполнением хоздоговорных работ в интересах предприятий металлургического комплекса и научно-производственных фирм, развитием и поддержкой Инновационно-технологического центра «Академический», созданием технопарка «Екатеринбург». Если для выполнения научных работ в основном привлекаются средства бюджета РФ и РФФИ, то поддержка инновационной составляющей ведется с привлечением средств Минобрнауки РФ, Фонда развития малого предпринимательства в научно-технической сфере, Правительства Свердловской области, Администрации г. Екатеринбурга, а также инвесторов.
Технология диспергирования металлов. С 1978 г. в ИМЕ'Г УрО РАН ведутся работы по получению порошков, чугунной и стальной дроби методом диспергирования расплавов [1]. Отрабатываются процессы распыления расплавов водой, воздухом и их смесями, процессы разделения частиц металла на заданные фракции и их термообработки.
Размер частиц получаемого продукта в значительной мере зависит от устройства форсуночного узла и условий диспергирования (давление энергоносителя, температура расплава и др.). Обычно диспергирование металла осуществляют сходящимися потоками энергоносителя (вода, воздух) или одной форсункой, расположенной под углом к струе металла, вытекаю-
щей из металлоприемника. Второй способ чаще применяют при получении дроби диспергированием металла водой.
Диспергирование водой через одну форсунку двух струй железоуглеродистого расплава (0,8% С), вытекающего из металлоприемника (рис. 1), представлен в виде следующих стадий: самопроизвольное истечение металла через отверстие (этап 1); сжатие струи, увеличение скорости металла, что приводит к нарушению неразрывности струи и получению отдельных прядей (этап 2); разрушение прядей потоком энергоносителя (этап 3); образование первичных капель
Рис. 1. Этапы водного диспергирования расплавленного металла
(этап 4). При одновременной подаче воды и воздуха в диспергатор с коаксиальным расположением форсунок с равным давлением обоих энергоносителей наблюдаются следующие эффекты:
- образование расходящейся газоводяной струи Энергоносителя, что снижает возможность вторичной коагуляции частиц и увеличивает выход сферических частиц до 92 %;
- более мягкое воздействие несплошной струи энергоносителя на струю металла с образованием преимущественно частиц с близкими размерами, что повышает выход дроби заданного среднего размера. Например, при давлении воды и воздуха 0,2 МПа до 50% частиц имеют размер 1400-1800 мкм, при давлении 0,3 МПа — 500-1000 мкм;
- за счет образования расходящегося потока капель металла в газоводяном потоке происходит эффективное охлаждение частиц крупных фракций (более 2000 мкм) при их меньшей деформации средой энергоносителя. За счет образования вокруг мелких частиц (менее 800 мкм) паровой рубашки в газоводяном потоке уменьшается доля окисленных и пористых частиц. В обоих случаях повышается выход качественной дроби.
Показано, что при диспергировании железоуглеродистых расплавов водой, водовоздушной смесью и воздухом определяющее влияние на размер образующихся капель металла имеет скоростной напор в области диспергирования струи металла энергоносителем.
Для оценки скорости охлаждения капель металла в реальных условиях были установлены мишени на различном расстоянии от области диспергирования струи металла. В результате установлено, что на расстоянии 3,2 м частицы размером менее 1 мм сохраняют сферическую форму при ударе о мишень, что соответствует их полной кристаллизации. Исходя из этого, заданы граничные условия при моделировании процесса охлаждения частиц и их кристаллизации. Результаты расчетов контролировали по графическому интерфейсу, который выдавал информацию о температуре, скорости охлаждения, виде характеристических функций и координаты радиального сечения изотермических поверхностей ликвидуса и квазиравновесного солидуса.
Установлено, что при диспергировании железоуглеродистых расплавов (0,4-0,8% С) сплошная твердая корка на частице формируется только в конце процесса затвердевания. До этого весь объем частицы представляет собой твердожидкую массу с относительно малой прочностью, не обеспечивающей сохранение сферичности при встрече с препятствием. Дальнейшее охлаждение может быть представлено в виде последовательного нарастания твердой корки и уменьшающегося объема жидкости. Для решения задачи на рис. 2 представлено фазовое состояние по сечению капли диаметром 3 мм, с начальной температурой расплава 1575 °С, содержанием углерода 0,6% и продолжительностью охлаждения 0,45 с. При этом температура центра частицы 1490-1575 °С, твердо-жидкой фазы 1490-1200 °С, твердой корки - ниже
-1,0 В = -1,5
-2,0 В = -2,5
Жидкаяфаза Твердо-жидкая фаза
■ Твердая фаза
Рис. 2. Фазовое состояние затвердевающих капель
Т\
Рис. 3. Схема (а) и фотография (б) модульной установки для получения металлической дроби: 1 - плавильный комплекс с индукционной печью; 2 - металлоприемник; 3 - форсуночный узел; 4 - камера распыления; 5 - элеватор подъема сырой дроби; 6 - печь сушки барабанного типа; 7- классификатор частиц по размерам
1200 °С. Полученные данные (см. рис. 2) сопряжены со скоростью отвода тепла (показатель В).
На основании моделирования процесса диспергирования железоуглеродистых расплавов и квазиравновесной модели кристаллизации частиц были оценены условия охлаждения частиц дроби различного размера до температуры 800-850 "С (температура закалки с литейного нагрева), рассчитано время охлаждения до заданной температуры (табл. 1). Это позволило скоррек-
Таблица!. Время охлаждения частиц до температуры закалки с литейного нагрева
Содержание Время охлаждения, с, при <1 капли, мм Г т„°с
0,5 1,5 2,0 3,0
0,4 0,26 0,42 0,51 0,88 840- 860 1507
0,6 0,28 0,45 0,54 0,86 810- 820 1490
0,8 0,58 0,69 0,89 1,12 800- 810 1477
Рис. 4. Микрофотография цинкового порошка ПЦВД
тировать технологию производства дроби: исключить дорогостоящую операцию нагрева под закалку в защитной среде и повторную сушку стальной дроби.
Продолжительность охлаждения определяет расстояние, которое должны пролететь частицы до попадания в среду закалки. Получены частицы размером 0,5-3,0 мм с высокой плотностью (более 7,2 г/см3). После дополнительного отпуска при температуре 300-350 °С их микроструктура включала в себя отпущенный мартенсит с бейнитом, что существенно улучшило качество стальной дроби. Технологические особенности процесса защищены патентом РФ на способ получения порошков и дроби диспергированием расплава одновременно водой и воздухом [2].
В настоящее время проводятся исследования по получению стальной дроби улучшенного качества за счет модифицирующих добавок (до 0,6% Мо; 0,1% V и т.п.), которые позволяют увеличить дисперсность структуры частиц и повысить их механические характеристики (прочность, твердость, износостойкость). На опытно-промышленной базе ИМЕТ УрО РАН (Инновационно-технологический центр «Академический») совместно с НПФ «Гран-Мет» создана экспериментальная установка (рис. 3) по производству дроби производительностью 1000 т в год. Результаты исследований и новые технические решения воплощены в промышленной установке ООО «Инвест-Урал» (г. Нижний Тагил) производительностью 15 тыс. т дроби в год.
Ультра- и нанодисперсные порошки тяжелых цветных металлов и материалы на их основе.
Технология получения ультрадисперсных порошков. Работы по получению высокодисперсных металлических порошков были начаты в ИМЕТ УрО РАН в конце 1960-х годов, одновременно с научными центрами США и Японии. Многолетние исследования на разных веществах, а затем на металлах, в искусственно создаваемых условиях завершились созданием теоретических основ образования металлических порошков в процессе испарения и конденсации в замкнутом объеме, которые стали научным фундаментом новых технологий управляемого получения высоко-, ультра- и нанодисперсных порошков. Для получения таких порошков разработаны и используются оригинальные технология и оборудование испарения-конденсации, обеспечивающие необходимые химический и гранулометрический составы продукции и возможность модифицирования поверхности частиц. Технология передана НПФ «Высокодисперсные металлические порошки», которая организовала про-
мышленное производство порошков цинка, бронзы и меди, а также широко востребованных материалов на их основе.
Антикоррозионные покрытия. Цинкование стали - общепризнанный способ надежной защиты от коррозии. В последние десятилетия с традиционными методами горячего и электролитического цинков
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.