Оборудование для переработки металлического лома и получение металлических порошков

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

РЕФЕРАТ

Оборудование для переработки металлического лома и получение металлических порошков

СОДЕРЖАНИЕ

1. СОСТАВ МЕТАЛЛИЧЕСКОКО ЛОМА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ

2. СПОСОБЫ ПЕРЕРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЛОМА

3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЛОМА

3.1 Мини — заводы для производства стали

3.2 Мобильные пресс-ножницы для металлолома серии ALC

3.3 Мобильные прессы для пакетирования металлического лома серии AL 5000M

3.4 Мобильный пресс для пакетирования металлического лома MAX500

3.5 Линии для прессования (брикетирования)

3.6 Стационарный гидравлический пресс для пакетирования цветного лома

3.7 Рельсоломы

3.8 Ломовозы АЛЬФА-СПК

3.9 Стационарные шредерные установки для металлолома

3. 10 Перегружатели лома

4. ОСНОВЫ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

4.1 Методы получения порошков

4.2 Механические методы получения порошков

4.2.1 Измельчение материала в мельницах

4.2.2 Диспергирование расплавов

4.3 Физико-химические способы получения порошков

4.3.1 Химическое восстановление

4.3.2 Электролиз водных растворов или расплавленных солей различных металлов

4.3.3 Диссоциация карбонилов

4.3.4 Термодиффузионное насыщение

4.3.5 Испарение и конденсация

4.3.6 Межкристаллитная коррозия

5. ФОРМОВАНИЕ ПОРОШКОВ

6. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

6.1 Достоинства порошковой металлургии

6.2 Недостатки порошковой металлургии

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

1. СОСТАВ МЕТАЛЛИЧЕСКОКО ЛОМА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ

Современный высокопроизводительный электросталеплавильный процесс предъявляет достаточно высокие требования к качеству металлозавалки по химическому составу, габаритам, пустой породе и насыпному весу. В завалке, как правило, используется металлолом габаритный, специально подготовленный, от легковесного до тяжеловесного, с различной насыпной плотностью (от 0,6 до 2,7 т/) для обеспечения средней насыпной плотности 0,75−0,9 т/, что позволяет загружать лом в электропечь двумя корзинами. В завалке допускается применение небольшого количества пакетов. Нельзя использовать замасленный лом и стружку. Содержание железа в ломе не должно быть более или равно 95%. Максимальные размеры кусков лома должны соответствовать следующим размерам -1,5×0,5×0,5 м, максимальный вес куска не должен превышать — 1,0 т. Предпочтительные размеры кусков лома: длина — 300−600 мм, вес — до 0,4 т. Массовая доля кусков, вес которых составляет более 0,5 т, не должна превышать 5% от общей массы завалки. Содержание неметаллических материалов и мусора не должно превышать 1,5%. Содержание цветных металлов, особенно меди, не допускается более 0,3%. По опыту эксплуатации современных электропечей в России и в мире, наиболее оптимальным является следующий состав завалки: габаритный лом (2А, ЗА) — 80−85%; пакеты (8А, 9А, 10А) — 5−8% (предпочтительные размеры пакета — 0,6×0,6×0,6м); легковесный лом (11А, 12А, 13А) — 5−10%; стружка стальная (14А, 15А, 16А) — 2%.

2. СПОСОБЫ ПЕРЕРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЛОМА

Выбор способа подготовки негабаритного лома — наиболее важный вопрос и зависит он, в первую очередь, от вида поступающего на завод лома. Для переработки легковесного лома существует несколько основных способов: пакетирование, шредерная переработка и резка металлолома.

Пакетирование металлолома известно давно и применялось довольно широко. Но с ростом требований к шихте по качеству стали и эффективности работы использование пакетов ограничивается из-за большого количества мусора и вредных неметаллических примесей. Для получения пакетов относительной чистоты по вредным примесям требуется более тщательная сортировка легковесного лома перед пакетированием, заключающаяся в использовании магнитных сепараторов, виброгрохотов и другого оборудования для максимального отсева мусора и вредных примесей. Это достаточно дорого и кардинально не решает проблему чистоты пакетов. Поэтому в шихте электропечей допускается использовать не более 15% пакетов (на практике — 5−8%) размером — 600×600×600 мм.

Шредерная переработка легковесного лома кардинально решает проблему получения габаритного, готового к использованию в сталеплавильных агрегатах лома с отделением вредных примесей, то есть является наиболее современным и пока единственным способом эффективной переработки легковеса. Необходимо отметить, что большое количество шредерных установок расположено в западных странах (которые используются, главным образом, для переработки отслуживших свой срок автомобилей). В странах Европейского Союза число таких машин составляет 40−50 штук, в Соединённых Штатах Америки число шредерных установок достигает 200 штук. В России в настоящее время построены только 5 шредерных установок — в Московской области, Санкт-Петербурге, пос. Афипский и в городе Старый Оскол.

Другим современным способом утилизации негабаритного лома является переработка металлолома на пресс-ножницах с предварительной подпрессовкой в приемной камере. Пресс-ножницы — наиболее универсальный агрегат для переработки как крупного, так и легковесного и смешанного лома с гораздо меньшим объемом предварительной сортировки, в отличие от шредерной установки.

3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЛОМА

3.1 Мини — заводы для производства стали.

В настоящее время наибольший интерес получили мини — заводы для производства стали. Эти заводы выплавляют сталь из металлолома и имеют производительность от 50 000 тонн заготовок или арматуры в год. В перспективе создание мини заводов с производительностью 120 000 тонн готовой продукции в год.

Проект такой технологии разработан на основании сокращенного технологического процесса, который включает 2×10 т электродуговых печи с эркерным выпуском, 1×25 т печь-ковш для рафинирования стали и 1 х R6 м двухмоторную двухпотоковую установку непрерывного литья заготовок. Такой мини — завод специализируется на выпуске низколегированной, конструкционной и инструментальной стали. Поперечное сечение литых заготовок составляет: 120 мм х 120 мм, 150 мм х 150 мм, а их длина — 6000 мм. Заводы могут иметь в комплекте прокатный стан для изготовления арматуры.

3.2 Мобильные пресс-ножницы для металлолома серии ALC

Мобильные пресс-ножницы для металлолома серии ALC с усилием реза 300, 400, 500, 600 и 800 тонн полностью автономное оборудование, является машиной особенно подходящей для смятия автомобильных кузовов, переработки металлических отходов, или цветного металлолома, так же как большого количества разных отходов сбора, благодаря большой мощностью усилия резки — 600 тонн, и благодаря большой вместимости его заряженной коробки, которая может быть полностью открыта.

Мобильные пресс-ножницы, это мобильные установки, качество которых полностью соответствует европейским дорожным стандартам.

3.3. Мобильные прессы для пакетирования металлического лома серии AL 5000M.

Мобильные прессы для пакетирования металлического лома серии AL 5000M — это мощные установки с двумя цилиндрами окончательного сжатия. Прессы серии AL применяются для смятия автомобильных кузовов, переработки металлических отходов, или цветного металлолома. Они могут использоваться в стационарном и мобильном вариантах. Мобильные прессы полностью соответствуют европейским дорожным стандартам. Мобильные прессы, установленные непосредственно на шасси, легче перевозить по сравнению с переносными или стационарными. Для их перевозки потребуется только тягач. После приезда на площадку тягач можно оставить прикрепленным к оборудованию, что придаст ей большую устойчивость.

3.4 Мобильный пресс для пакетирования металлического лома MAX500

Мобильный пресс для пакетирования металлического лома MAX500 применяется для смятия автомобильных кузовов, переработки металлических отходов, или цветного металлолома. Он может использоваться в стационарном и мобильном вариантах, как с манипулятором, так и без него. Полное управление прессом производится одним человеком (от загрузки до извлечения готового пакета) рычагами, которые расположены в кабине оператора.

3.5 Линии для прессования (брикетирования)

Линии для прессования служат для брикетирования металлической (стальной, алюминиевой, чугунной, медной) стружки. Производительность установки до 5 тонн в час готовых брикетов. Оборудование отличается несравненно высокими показателями по усилиям прессования 500 т х 2, за счет чего достигается отличное качество конечного продукта: плотность для стали достигает 5,5 кг/ дм?, для алюминия 2,4 5,5 кг/ дм?. Вес установок: в зависимости от технических показателей оборудования варьируется от 40 до 44 тонн.

3.6 Стационарный гидравлический пресс для пакетирования цветного лома.

Стационарный гидравлический пресс для пакетирования цветного лома модели AL 30 C. Этот пресс представляет собой оборудование трехступенчатого цикла сжатия, работающее в автоматическом режиме. Удобство конструкции заключается в отсутствии крышки, которой зачастую оснащены подобные прессы. Данная особенность облегчает загрузку и положительно влияет на скорость цикла. Непрерывная загрузка осуществляется с помощью конвейера или грейфера. Непрерывный цикл выполняется за счет резки во время первой ступени прессования (второй цикл выполняется по принципу гильотины). Возможные режимы работы: полностью автоматический и режим цикла. Оборудование идеально подходит для эксплуатации в промышленной сфере

3.7 Рельсоломы

Рельсоломы или аллигаторные ножницы КАЙМАН являются современной, патентом защищённой конструкцией, которая превосходит своей несложностью, техническими параметры, качеством и надёжностью. Опцией моделей 800 и 1000 является функция рельсолома. Дополнительные узлы, не влияя на основную функцию аллигаторных ножниц позволяют осуществлять резку (измельчение) рельс любой категории. Измельчение рельс становится действительно простым и максимально экономичным. Конструкция всего модельного ряда не требует фундамента. Конструкция отличается сравнительно небольшими габаритными размерами, что позволяет без труда перевозить ее на необходимое место эксплуатации.

3.8 Ломовозы АЛЬФА-СПК

Ломовозы АЛЬФА-СПК осуществляют перевозку металлолома объёмом до 64 кубов. Автомобиль-ломовоз монтируют на шасси КАМАЗ-65 115−1095 с манипулятором Epsilon E90L80 (либо ОМТ-97М) или с системой мультилифт на базе КАМАЗ. На базе ломовозов можно сформировать автопоезд для более эффективной перевозки металлического лома на переработку.

3.9 Стационарные шредерные установки для металлолома.

Стационарные шредерные установки для металлолома предназначены для переработки лома черных и цветных металлов. Требования к качеству лома черных металлов для электросталеплавильного производства постоянно повышается.

Насыпная плотность должна обеспечивать функциональную эффективную работу печей, металлолом не должен содержать взрывоопасных предметов, токонепроводящей шихты и вредных примесей. Шредерный лом является самым благоприятным сырьем для электросталеплавильного производства. Шредерные машины кардинально решают проблемы подготовки металлического лома.

3. 10 Перегружатели лома

Перегружатели лома предназначены для выполнения работ по складированию металлического лома и выполнению работ по загрузке бункеров и ёмкостей для транспортировки металлического лома к месту переработки: брикетированию, пакетированию, переплавке. Перегружатели оснащены стрелой с гидроприводом и рабочим органом, ковшом или драглайном.

4. ОСНОВЫ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

Порошковая металлургия — это область техники, охватывающая совокупность методов изготовления порошков металлов и металлоподобных соединений, полуфабрикатов и изделий из них (или их смесей с неметаллическими порошками) без расплавления основного компонента. Технология порошковой металлургии включает следующие операции:

— получение исходных металлических порошков и приготовление из них шихты (смеси) с заданными химическим составом и технологическими характеристиками;

— формование порошков или их смесей в заготовки с заданными формой и размерами (главным образом прессованием);

— спекание, то есть термическую обработку заготовок при температуре ниже точки плавления всего металла или основной его части. После спекания изделия обычно имеют некоторую пористость (от нескольких процентов до 30--40%, а в отдельных случаях до 60%). С целью уменьшения пористости (или даже полного устранения её), повышения механических свойств и доводки до точных размеров применяется дополнительная обработка давлением (холодная или горячая) спечённых изделий; иногда применяют также дополнительную термическую, термохимическую или термомеханическую обработку. В некоторых вариантах технологии отпадает операция формования: спекают порошки, засыпанные в соответствующие формы. В ряде случаев прессование и спекание объединяют в одну операцию так называемую, горячего прессования -- обжатия порошков при нагреве.

4.1 Методы получения порошков

Производство порошка — первая технологическая операция метода порошковой металлургии. Способы получения порошков весьма разнообразны, что позволяет широко варьировать их свойства. Это, в свою очередь, делает возможным придание изделиям из порошка требуемых физических, механических и других специальных свойств. Кроме того, метод изготовления порошка в значительной мере определяет его качество и себестоимость. Способы получения порошков делятся на механические и физико-химические.

Механические методы обеспечивают превращение исходного материала в порошок без заметного изменения его химического состава. Чаще всего используют измельчение твердых материалов в мельницах различных конструкций и диспергирование расплавов.

К физико-химическим методам относят технологические процессы производства порошков, связанные с физико-химическими превращениями исходного сырья. В результате получаемый порошок по химическому составу существенно отличается от исходного материала.

4.2 Механические методы получения порошков

Основным механическим методам получения порошков относятся:

— дробление и размол твердых материалов. Измельчение стружки, обрезков и компактных материалов проводят в шаровых, вихревых, молотковых и других мельницах, к.п.д. которых сравнительно невелик. Получают порошки Fe, Cu, Mn, латуни, бронзы, хрома, алюминия, сталей.

— диспергирование расплава. Струю расплавленного металла диспергируют механическим способом (воздействием центробежных сил и др.) или действуя на нее потоком энергоносителя (газа или жидкости). Получают порошки алюминия, свинца, цинка, бронзы, латуни, железа, чугуна, стали.

— грануляция расплава. Порошок образуется при сливании расплавленного металла в жидкость (например, в воду). Получают крупные порошки железа, меди, свинца, олова, цинка.

— обработка твердых (компактных) металлов резанием. При станочной обработке литых металлов или сплавов подбирают такой режим резания, который обеспечивает образование частиц, а не стружки. Получают порошки стали, латуни, бронзы, магния.

Механическое измельчение компактных металлов широко распространено в порошковой металлургии. Измельчение может быть дроблением, размолом, истиранием. Наиболее целесообразно применять механическое измельчение при производстве порошков хрупких металлов и сплавов, таких как Si, Be, Cr, Mn, сплавы Al с Mg и др. Размол вязких пластичных металлов (Zn, Al, Cu) затруднен, так как они в основном расплющиваются, а не разрушаются. При измельчении комбинируют раздавливание и удар (при получении крупных частиц) и истирание и удар (при тонком измельчении). При дроблении затрачиваемая энергия расходуется на упругую и пластическую деформацию, на теплоту и на образование новых поверхностей. При дроблении под действием внешних сил в наиболее слабых местах тела образуются замкнутые или начинающиеся у поверхности трещины. Разрушение наблюдается тогда, когда трещины пересекают твердое тело по всему его сечению в одном или нескольких направлениях. В момент разрушения напряжения в деформирующемся теле превышают некоторое предельное значение (предел прочности материала).

Работа, затрачиваемая на измельчение, представляет собой сумму:

А= s D S + KD V

Слагаемое s D S — это энергия, расходуемая на образование новых поверхностей раздела при разрушении твердого тела (s — удельная поверхностная энергия, D S — происходящее при измельчении приращение поверхности). Слагаемое KD V — выражает энергию деформации (К — работа упругой и пластической деформации на единицу объема твердого тела, а D V — часть объема тела, подвергшаяся деформации).

При крупном дроблении вновь образующаяся поверхность невелика. Поэтому s D S < < KD V и расход энергии приблизительно пропорционален объему разрушаемого тела. При тонком измельчении вновь образующаяся поверхность очень велика и s D S > > KD V. Поэтому расход энергии на измельчение приблизительно пропорционален вновь образующейся поверхности.

Среди методов измельчения твердых материалов наибольшее распространение получили обработка металлов резанием с образованием мелкой стружки или опилок, измельчение металла в шаровых, вихревых, молотковых и других мельницах, ультразвуковое диспергирование.

4.2.1 Измельчение материала в мельницах

На рисунке 1 представлена схема размола твёрдых материалов в шаровых мельницах.

Рисунок 1 — Схема шаровой мельницы.

Простейший аппарат для измельчения дробленых твердых материалов — шаровая вращающийся мельница, которая представляет собой металлический цилиндрический барабан (Рисунок 1). Внутри барабана находятся размольные тела полиэдрической или округлой формы, чаще всего стальные или твердосплавные шары. При вращении мельницы размольные тела поднимаются на некоторую высоту в направлении вращения, затем падают или скатываются и измельчают материал, истирая его и раздрабливая. Соотношение между дробящим и истирающим действием размольных тел в мельнице зависит от отношения диаметра цилиндра D к длине цилиндра L при одинаковом объеме. При D: L>3 преобладает дробящее действие размольных тел (полезно для измельчения хрупких тел), при D: L<3 — истирающее действие (более эффективное для измельчения пластичных материалов).

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.

Рисунок 2 — Схема к расчету критической скорости вращения барабана шаровой мельницы

На рисунке 2 представлена схема к расчету критической скорости вращения барабана шаровой мельницы.

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

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

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

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

p 2D2nкр. 2/602 = g D/2

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

nкр. = Ц g/2p 2(60/Ц D)=42,4/Ц D

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 барабана мельницы 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. 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.

Рисунок 3 — Схемы движения размольных тел в шаровой вращающейся мельнице

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).

4.2.2 Диспергирование расплавов

Другим распространенным методом получения порошков является диспергирование расплавов.

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. Методы распыления металлического расплава различаются по виду затрачиваемой энергии (нагрев индукционный или косвенный, электродуговой, электронный, лазерный, плазменный и др.), виду силового воздействия на расплав при диспергировании (механическое воздействие, энергия газовых и водяных потоков, силы гравитационные, центробежные, воздействия ультразвука и т. д.) и по типу среды для его создания и диспергирования (восстановительная, окислительная, инертная или какая-либо иная среда заданного состава, вакуум).

Сущность получения металлических порошков из расплава заключается в нарушении сплошности его потока (струи или пленки) под действием различных источников возмущений с возникновением дисперсных частиц. На рисунке 4 представлена схема центробежного распыления расплава.

Рисунок 4 — Схема центробежного распыления расплава.

Центробежное распыление представляет собой один из основных видов диспергирования расплава.

По методу вращающегося электрода распыление происходит в момент формирования расплава (Рисунок 4 — электрическая дуга, или электронный луч, плазма или другие источники энергии). Образовавшаяся на торце расходуемого электрода, вращающегося со скоростью 2000−20 000 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.

Рисунок 5 — Схема диспергирования при автономной подаче жидкого металла

При других схемах диспергирования (Рисунок 5) плавление металла проводят автономно, вне зоны распыления. Когда струю расплава подают на вращающийся со скоростью до 24 000 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.

В последнее время активно развиваются методы распыления расплавов, обеспечивающие очень высокие скорости охлаждения частиц. Один из вариантов, обеспечивающий затвердевание жидкой капли со скоростью 107 — 108 °С/с, позволяет получать так называемые РИБЗ — (распыленные и быстрозакаленные порошки), когда на пути летящей капли устанавливают охлаждаемый экран под углом 15−45° к направлению ее движения; при ударе об экран капля перемещается по его поверхности и последовательно кристаллизуется в виде частицы пластинчатой формы.

а б

Рисунок 6 — Схема получения распыленных и быстрозакаленных порошков

На установке для сверхбыстрого охлаждения в вакууме или инертном газе (Рисунок 6, а) капли расплава 1 выдуваются аргоном из отверстия в графитовом тигле 2, находящемся в трубчатой индукционной печи 3, и попадают на медный крылообразный кристаллизатор 4, вращающийся со скоростью до 104 об/мин (встречная скорость движения капли и кристаллизатора до 500 м/с). Высокоскоростное затвердевание расплава обеспечивает извлечение малых объемов металла кромкой быстровращающегося (2000−5000 об/мин) в вертикальной плоскости диска из высокотеплопроводного материала (Рисунок 6, б). При контакте с расплавом на кромке диска затвердевает некоторый слой металла, затем он выходит из расплава и охлаждается, после чего частица отделяется от кромки диска (скорость охлаждения 106-108 °С/с).

В любом случае методы распыления при кристаллизации капли расплава со скоростью более 106 °С/с приводят к получению порошков, частицы которых имеют аморфную структуру, придающую им чрезвычайно специфические свойства, позволяющие создавать уникальные материалы для различных отраслей техники.

4.3 Физико-химические способы получения порошков

Краткая характеристика некоторых физико-химических методов получения порошков:

4.3.1 Химическое восстановление

а — восстановление происходит из оксидов и других твердых соединений металлов. Этот способ является одним из наиболее распространенных и экономичных способов. В общем случае простейшую реакцию восстановления можно представить как:

МеА + Х «Ме + ХА ± Q,

где Ме — любой металл, порошок которого хотят получать;

А — неметаллическая составляющая восстанавливаемого соединения МеА (кислород, хлор, фтор, солевой остаток и др.);

Х — восстановитель; Q — тепловой эффект реакции.

Восстановителями служат газы (водород, конвертированный природный газ и др.), твердый углерод (кокс, сажа и др.) и металлы (натрий, кальций и др.). Исходным сырьем являются окисленные руды, рудные концентраты, отходы и побочные продукты металлургического производства (например, прокатная окалина), а также различные химические соединения металлов. Таким путем получают порошки Fe, Cu, Ni, Co, W, Mo, Ti, Ta, Zr, U и других металлов и их сплавов, а также соединений с неметаллами (карбиды, бориды и др.)

б — химическое восстановление различных соединений металлов из водных растворов. Этот способ также является одним из самых экономичных способов, позволяющий получать высококачественные металлические порошки. Восстановитель — водород или оксид углерода. Исходное сырье — сернокислые или аммиачные растворы солей соответствующих металлов. Например, как получают порошки из меди? Медь может быть выделена восстановлением водородом, как из кислых, так и щелочных растворов. Обычно используют раствор сульфата меди или медноаммиачной комплексной соли; реакции восстановления имеют вид:

CuSO4 + Н2 = Cu + H2SO4

[Cu (NH3)4]SO4 + Н2 + 2Н2O = Cu +(NH4)2SO4 + 2NH4OH

Восстановление проводят при суммарном давлении газа 2,4−3,5 или 3,5−4,5 МПа и температуре 140−170 или 180−200оС, соответственно. Извлечение меди в осадок составляет около 99%. Скорость процесса восстановления возрастает с увеличением количества суспендированной меди. Химическая чистота порошков, полученных таким способом, высокая (99,7−99,9%Cu, < 0,1%O2, < 0,01%Fe), а себестоимость меньше себестоимости электролитических порошков меди. Форма частиц может быть самой разнообразной: дендритной, округлой и др. Таким путем получают порошки Cu, Ni, Co, Ag, Au.

в — химическое восстановление газообразных соединений металлов.

Порошки металлов высокой чистоты можно получить из низкокипящих хлоридов и фторидов вольфрама, молибдена, рения, ниобия или тантала по реакции:

МеГх+ 0,5хН2 = Ме + хНГ,

где Г — хлор или фтор.

Для получения высокодисперсных порошков металлов или их соединений (карбидов, нитридов и др.) перспективны плазмохимические методы. Восстановителем служит водород или углеводороды и конвертированный природный газ. Низкотемпературную (4000−10 000°С) плазму создают в плазмотроне электрической дугой высокой интенсивности, через которую пропускают какой-либо газ или смесь газов. В плазменной восстановительной струе происходит превращение исходных материалов в конденсированную дисперсную фазу. Метод используется для получения порошков тугоплавких металлов W, Mo, Ni.

4.3.2 Электролиз водных растворов или расплавленных солей различных металлов

На катоде под действием электрического тока осаждают из водных растворов или расплавов солей чистые порошки практически любых металлов. Стоимость порошков высока из-за больших затрат электроэнергии и сравнительно низкой производительности электролизеров. Таким путем получают из водных растворов — порошки Cu, Ni, Fe, Ag, а из расплавленных сред — порошки Ta, Ti, Zr, Fe.

4.3.3 Диссоциация карбонилов

Карбонилами называют соединения элементов с СО общей формулы Меа(СО)с. Карбонилы являются легколетучими, образуются при сравнительно небольших температурах и при нагревании легко разлагаются.

В промышленных масштабах диссоциацией карбонилов производят порошки Ni, Fe, Со, Сr, Мо, W и некоторых металлов платиновой группы. Схематически карбонил — процесс идет по схеме:

Meaбb + сСО ® bБ + Меa(СО)c

Меa(СО)c ® аМе + сСО

В первой фазе по первой реакции исходное сырье МеаБb, содержащее металл Me в соединении с балластным веществом Б, взаимодействует с СО, образуя промежуточный продукт (карбонил). Во второй фазе карбонил металла при нагреве разлагается по второй реакции на металл и СО. Реакция образования карбонила идет везде, где СО соприкасается с поверхностью металла в исходном сырье: снаружи твердого тела, в его трещинах и порах. В некоторых случаях возможно образование нескольких карбонилов. Термическая диссоциация карбонила на металл и СО в большинстве случаев наступает при невысокой температуре. В первый момент появляются атомы металла и газообразные молекулы СО. Частицы порошка формируются в результате кристаллизации парообразного металла в два этапа: сначала образуются зародыши, а затем из них вырастают собственно порошинки различной формы, что является результатом адсорбции паров металла на поверхности каждого из зародышей. Расширение производства карбонильных порошков существенно сдерживается их высокой стоимостью, так как они в десятки раз дороже восстановленных порошков аналогичных металлов.

4.3.4 Термодиффузионное насыщение

Чередующиеся слои или смесь порошков разнородных металлов нагревают до температуры, обеспечивающей их активное взаимодействие. Получают порошки латуни, сплавов на основе хрома, высоколегированных сталей.

4.3.5 Испарение и конденсация

Для получения порошка металл испаряют и затем конденсируют его пары на холодной поверхности. Порошок является тонкодисперсным, но содержит большое количество оксидов. Получают порошки Zn, Cd и других металлов с невысокой температурой испарения.

4.3.6 Межкристаллитная коррозия

В компактном (литом) металле или сплаве при помощи химического травителя разрушают межкристаллитные прослойки. Получают порошки коррозионностойких и хромоникелевых сталей.

5. ФОРМОВАНИЕ ПОРОШКОВ

Основной метод формования металлических порошков -- прессование в пресс-формах из закалённой стали под давлением 200--1000 МПа на быстроходных автоматических прессах (до 20 прессовок в 1 мин). Прессовки имеют форму, размеры и плотность, заданные с учётом изменения этих характеристик при спекании и последующих операциях. Возрастает значение таких новых методов холодного формования, как изостатическое прессование порошков под всесторонним давлением, прокатка и Экструзия порошков.

Спекание проводят в защитной среде (водород; атмосфера, содержащая соединения углерода; вакуум; защитные засыпки) при температуре около 70--85% от абсолютной точки плавления, а для многокомпонентных сплавов -- несколько выше температуры плавления наиболее легкоплавкого компонента. Защитная среда должна обеспечивать восстановление окислов, не допускать образования нежелательных загрязнений продукции (копоти, карбидов, нитридов и т. д.), предотвращать выгорание отдельных компонентов (например, углерода в твёрдых сплавах), обеспечивать безопасность процесса спекания. Конструкция печей для спекания должна предусматривать проведение не только нагрева, но и охлаждения продукции в защитной среде. Цель спекания -- получение готовых изделий с заданными плотностью, размерами и свойствами или полупродуктов с характеристиками, необходимыми для последующей обработки. Расширяется применение горячего прессования (спекания под давлением), в частности изостатического.

6. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

6.1 Достоинства порошковой металлургии

Порошковая металлургия имеет следующие достоинства, обусловившие её развитие:

— Возможность получения таких материалов, которые трудно или невозможно получать другими методами. К ним относятся: некоторые тугоплавкие металлы (вольфрам, тантал); сплавы и композиции на основе тугоплавких соединений (твёрдые сплавы на основе карбидов вольфрама, титана и др.): композиции и так называемые псевдосплавы металлов, не смешивающихся в расплавленном виде, в особенности при значительной разнице в температурах плавления (например, вольфрам -- медь); композиции из металлов и неметаллов (медь -- графит, железо -- пластмасса, алюминий -- окись алюминия); пористые материалы (для подшипников, фильтров, уплотнений, теплообменников).

— Возможность получения некоторых материалов и изделий с более высокими технико-экономическими показателями. Порошковая металлургия позволяет экономить металл и значительно снижать себестоимость продукции (например, при изготовлении деталей литьём и обработкой резанием иногда до 60--80% металла теряется в литники, идёт в стружку).

— При использовании чистых исходных порошков можно получить спечённые материалы с меньшим содержанием примесей и с более точным соответствием заданному составу, чем у обычных литых сплавов.

— При одинаковом составе и плотности у спечённых материалов в связи с особенностью их структуры в ряде случаев свойства выше, чем у плавленых, в частности меньше сказывается неблагоприятное влияние предпочтительной ориентировки (текстуры), которая встречается у ряда литых металлов (например, бериллия) вследствие специфических условий затвердевания расплава. Большой недостаток некоторых литых сплавов (например, быстрорежущих сталей и некоторых жаропрочных сталей) -- резкая неоднородность локального состава, вызванная ликвацией при затвердевании.

— Размеры и форму структурных элементов спечённых материалов легче регулировать, и главное, можно получать такие типы взаимного расположения и формы зёрен, которые недостижимы для плавленого металла. Благодаря этим структурным особенностям спечённые металлы более термостойки, лучше переносят воздействие циклических колебаний температуры и напряжений, а также ядерного облучения, что очень важно для материалов новой техники.

6.2 Недостатки порошковой металлургии

Порошковая металлургия имеет и недостатки, тормозящие её развитие: сравнительно высокая стоимость металлических порошков; необходимость спекания в защитной атмосфере, что также увеличивает себестоимость изделий. Трудность изготовления в некоторых случаях изделий и заготовок больших размеров; сложность получения металлов и сплавов в компактном беспористом состоянии; необходимость применения чистых исходных порошков для получения чистых металлов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Недостатки порошковой металлургии и некоторые её достоинства нельзя рассматривать как постоянно действующие факторы: в значительной степени они зависят от состояния и развития как самой порошковой металлургии, так и других отраслей промышленности.

По мере развития техники порошковая металлургия может вытесняться из одних областей и, наоборот, завоёвывать другие. Впервые методы порошковой металлургии разработали в 1826 П. Г. Соболевский и В. В. Любарский для изготовления платиновых монет.

Необходимость использования для этой цели порошковой металлургии была обусловлена невозможностью достижения в то время температуры плавления платины (1769 °С). В середине 19 века в связи с развитием техники получения высоких температур промышленное использование методов порошковой металлургии прекратилось.

Порошковая металлургия возродилась на рубеже 20 века как способ производства из тугоплавких металлов нитей накала для электрических ламп. Однако развивавшиеся в дальнейшем методы дугового, электроннолучевого, плазменного плавления и электроимпульсного нагрева позволили получать не достижимые ранее температуры, вследствие чего удельный вес порошковой металлургии в производстве этих металлов несколько снизился. Вместе с тем прогресс техники высоких температур ликвидировал такие недостатки порошковой металлургии, ограничивавшие её развитие, как, например, трудность приготовления порошков чистых металлов и сплавов: метод распыления даёт возможность с достаточной полнотой и эффективностью удалить в шлак примеси и загрязнения, содержавшиеся в металле до расплавления.

Благодаря созданию методов всестороннего обжатия порошков при высоких температурах в основном преодолены и трудности изготовления беспористых заготовок крупных размеров.

В то же время ряд основных достоинств порошковой металлургии -- постоянно действующий фактор, который, вероятно, сохранит своё значение и при дальнейшем развитии техники.

металлический лом порошковый механический

ЛИТЕРАТУРА

1. Кузьмин Б. А. и др. Технология металлов и конструкционные материалы. — М.: Машиностроение, 1989, 496с.

2. Ржевская С. В. Материаловедение. -М.: Логос, 2004,421с.

3. Самохоцкий А. И. и др. Металловедение — М.: Металлургия, 1990, 416с.

4. Фетисов Г. П. Материаловедение и технология металлов. — М.: ОНИКС, 2007, 621с.

5. Черток Б. Е. Технология металлов и конструкционные материалы. — М.: Машиностроение, 1964, 412с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой