Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Общая характеристика размола порошков

01.05.2019

Получение металлических порошков методом механического измельчения в практике порошковой металлургии имеет большое распространение.

Размол в различного рода мельницах применяется не только как самостоятельный метод получения порошков, но он широко распространен как дополнительная операция в производстве порошков, основанном на физико-химических методах. Для измельчения спекшейся губки или катодного осадка применяются размольные мельницы. Часто операция размола совмещается со смешиванием шихты.

С наибольшей эффективностью методы механического измельчения применяются, когда в качестве сырья для размола используются отходы производства — стружка, обрезки, скрап и т. п. Часто, однако, механический размол наиболее приемлем. Даже если исходное сырье не является отходами производства (например, получение порошков таких хрупких материалов, как кремний, бериллий, порошков бронзы и алюминия с чешуйчатой формой частиц, порошков легированных сплавов строго заданного химического состава и т. п.).

В основе измельчения лежит ударное, скалывающее и истирающее действие шаров, стенок мельницы и самой размалываемой массы.

При дроблении твердых тел затрачиваемая энергия расходуется на упругие и пластические деформации, на теплоту и на образование новых поверхностей. Главная часть энергии при измельчении металлов затрачивается на деформацию и на образование теплоты, работа же на диспергирование, т. е. на увеличение поверхностей раздела системы (численно равная 2оAS, где о — поверхностная энергия, а AS — прирост поверхности), исчезающе мала. Поэтому коэффициент полезного действия всякого рода размалывающих устройств очень низок. Дроблению и размолу легко поддаются хрупкие непластичные материалы, например кремний, марганец, сурьма, хром, бериллий, различные тугоплавкие соединения и сплавы, а также пластичные металлы, способные к упрочнению за счет наклепа, например железо. Значительно хуже поддаются размолу такие вязкие пластичные металлы, как медь, цинк, алюминий. Последние при размоле расплющиваются и даже слипаются.

Хрупкость материалов можно повышать, проводя измельчение при низких температурах или вводя соответствующие легирующие добавки. Например, добавление окислов и сульфидов железа в расплав сплава Fe—Ni увеличивает хрупкость сплава и облегчает размол.

Разрушение или диспергирование твердых тел в значительной степени определяется природой среды, в которой происходит размол. В деформируемом теле в процессе деформации зарождаются и накапливаются микрощели, которые образуют новые поверхности раздела с окружающей средой. Наличие в окружающей среде поверхностно-активных веществ приводит к интенсификации процесса размола.

Роль поверхностно-активной среды в процессе разрушения твердых тел детально изучена в работах П.А. Ребиндера и его школы. Применение жидких сред при размоле позволяет значительно интенсифицировать процесс и получить более тонкие порошки.

Общая схема изготовления порошков механическим измельчением обычно складывается из следующих процессов: 1) подготовка шихты, состоящая в предварительном грубом дроблении, в механической обработке слитков для получения стружки, в приготовлении сечки (малых кусков проволоки); 2) размол шихты в шаровых, вибрационных, молотковых или вихревых мельницах; 3) отжиг для снятия наклепа.

Для грубого дробления используются щековые, валковые и конусные дробилки и бегуны. Это оборудование ничем не отличается от оборудования, применяемого в горнорудной промышленности. Для целей порошковой металлургии размер конечного продукта грубого дробления обычно составляет не более 10—20 мм, в большинстве же случаев 1—10 мм. Для изготовления вихревого железного порошка исходное сырье в виде проволоки измельчается на специальных фрезерных станках на кусочки длиной 10—12 мм.

Окончательный размол проводится в шаровых, вихревых, молотковых или вибрационных мельницах. Шаровая мельница обычно представляет собой металлический барабан с металлическими шарами, которые при вращении мельницы поднимаются вместе со стенкой барабана и скатываются, измельчая шихту. В стержневых мельницах вместо шаров применяются стержни.

Для мягких материалов иногда применяются фарфоровые мельницы с такими же шарами.

В практике порошковой металлургии в большинстве случаев используются шаровые мельницы с периодической загрузкой и разгрузкой. Известны также мельницы с центральной разгрузкой, мельницы непрерывного действия и др.

Схемы движения шаров в шаровой мельнице рассмотрены нами ниже (рис. 20).

Подробно конструкции шаровых мельниц описаны В.А. Перовым и В.Ю. Бранд. Вращение шаровых мельниц осуществляется либо непосредственно от электромотора, либо применяются рольганги, на которые устанавливаются одновременно несколько барабанов.
Общая характеристика размола порошков

Оригинальный тип шаровой мельницы разработан фирмой Steel and Cowlishaw (рис. 17). Барабаны с шихтой вращаются с большой скоростью по кругу вокруг центральной оси. Одновременно каждый из барабанов вращается вокруг собственной оси в противоположном направлении. Вследствие этого интенсивность измельчения многократно увеличивается. Мощность такой мельницы 10 л. с., наибольшая пропускная способность 114 кг (4 барабана по 28,5 кг).

Во избежание быстрого износа и загрязнения размалываемой шихты материалом футеровки барабаны мельниц облицовываются вкладышами из износостойких материалов: марганцовистых сталей, твердых сплавов и т. п. Из такого же материала изготавливаются шары. В промышленности порошковой металлургии объем шаровых мельниц обычно не превышает 400 л.

В шаровых мельницах можно измельчать хром, бериллий, кремний, ферросплавы, тугоплавкие соединения и другие материалы.

Размол в шаровых мельницах бериллия, марганца и некоторых других материалов производится в защитных средах (азот, гелий, аргон, спирт, бензин), которые .предохраняют шихту от окисления и самовозгорания.

Размол чугунной стружки в шаровой мельнице в водном растворе едкого натрия и соды, описанный в работах, позволяет снизить общее содержание углерода в чугуне с 3,22 до 0,47% за счет перехода графита в пульпу и удаления последней декантацией.

Методы размола используются для получения алюминиевой и бронзовой пудр, применяющихся в изготовлении красок. Исходным сырьем для этого является порошок алюминия, полученный распылением, и бронзовая стружка. Размол осуществляется в шаровых мельницах с непрерывной загрузкой и удалением размолотого материала газовым потоком. Алюминий размалывается в атмосфере азота с контролируемым содержанием кислорода (2—8 об.%), бронза — в воздушной среде. Добавки кислорода в атмосферу при размоле алюминия необходимы для создания защитных окисных пленок и предотвращения интенсивного окисления порошка при разгрузке. Верхний предел содержания кислорода должен строго соблюдаться, ибо в противном случае возможно возникновение взрывов.

Перед размолом в шихту добавляются небольшие количества стеарина с целью предотвращения свариваемости отдельных частичек при размоле и создания дополнительных защитных пленок, предохраняющих от окисления. Количество размалываемого материала обычно составляет 10—20% от веса шаровой нагрузки, которая может доходить до нескольких тонн (объем мельниц в данном случае составляет около 20 м3). После шаровых мельниц порошки поступают на операцию полировки, которая осуществляется в специальных полировальных барабанах волосяными щетками. В результате этого частицы приобретают лепестковую форму, их толщина составляет около 1 мк, подавляющее большинство из них проходит через сито 0042.

Порошки, предназначенные для изготовления красок, оцениваются по кроющей способности, т. е. по площади, которую покрывают частицы весом 1 г. По ГОСТу 5494-50 кроющая способность на воде алюминиевых пудр марок ПАК-1, ПАК-2, ПАК-3 и ПАК-4 должна быть соответственно не менее 3000, 5000, 6000 и 7000 см2/г.

Важную роль в развитии порошковой металлургии железа сыграл разработанный в Германии фирмой Hartmetall А.—G. метод вихревого размола.

Вихревые мельницы позволяют более успешно, чем шаровые, размалывать вязкие и пластичные металлы, так как в вихревой мельнице разрушение частиц происходит как за счет ударного, так и истирающего действия при встрече частиц друг с другом, со стенками рабочей камеры и с вращающимися билами.

В первых образцах вихревых мельниц для создания вихревых потоков в рабочей камере вращались в противоположном направлении два пропеллера, установленных друг против друга на независимых валах. В дальнейшем конструкция мельницы была упрощена. Пропеллеры заменены билами, укрепленными на шарнирах на одном валу, вращающемся со скоростью 3000 об/мин.

Сечка проволоки или мелкая стружка, загружаемые в бункер, вводится шнековым дозатором в рабочую камеру. При вращении бил частицы металла сталкиваются друг с другом, со стенками камеры и с билами, в результате чего происходит измельчение. В рабочей камере с помощью компрессора создается непрерывная циркуляция воздуха или инертного газа, который подается в мельницу для предотвращения окисления и самовозгорания порошка. Разогрев внутренних частей мельницы при работе может быть значительным. Так, свинцовые образцы, закрепленные на билах после размола оказались оплавленными, однако цинковые тела уже не плавились. В связи с пирофорностью и взрывоопасностью большинства металлических порошков вихревой размол преимущественно проводится в защитной атмосфере.

Газовый поток непрерывно удаляет размолотый порошок. Скорость потока регулируется так, чтобы удаляемые частицы имели размер от 0,06 до 0,4 мм. Газовый поток с порошком проходит через первый отстойник, в котором осаждаются более крупные частицы, возвращающиеся в мельницу на дополнительный размол. Более мелкий порошок осаждается в приемном бункере, из которого порошок ссыпается в контейнер.

Производительнось вихревых мельниц мощностью 30 квт составляет 7—15 кг порошка в час, расход энергии 2,5—3 квт*ч/кг порошка. Обычно в качестве сырья применяют сечку проволоки диаметром 1—1,25 мм и длиной 10—12 мм.

В последнее время в вихревых мельницах стали использовать в качестве сырья отходы производства жести. Вихревой размол успешно применяется также для более тонкого измельчения порошков, полученных другими методами, например, распылением жидких металлов.

Для увеличения срока службы стенки рабочей камеры облицовываются износостойкими марганцовистыми сталями. Кожух

мельницы охлаждается водой, так как при размоле выделяется большое количество тепла.

Получение порошка в вихревых мельницах за рубежом носит название Hametag-npouecca.

В настоящее время, как уже подчеркивалось, преимущественно применяются вихревые мельницы, в которых вместо двух пропеллеров с двумя электродвигателями завихрения воздуха создаются вращением бил, свободно насаженных на вращающийся вал. Схема одной из таких конструкций, предложенная М.И. Чулковым, показана на рис. 18.

Вращение вала 4 с билами 2 осуществляется от электродвигателя I. На этом же валу посажен и вентилятор 5, который создает разряжение в бункере 6, куда размолотый порошок поступает из корпуса мельницы. Одновременно вентилятор 5 нагнетает воздух в трубопроводы 9, по которым шихта из приемников 7 поступает в мельницу. Мельница снабжена двумя независимыми приемниками: один для проволочной сечки, другой для отсевов крупного порошка, который нуждается в дополнительном размоле. Шихта поступает в мельницу через специальное устройство 8, которое обеспечивает герметичность системы. Во избежание окисления размол может проводиться в защитной атмосфере, которая заполняет мельницу, бункер 6 и соединительные трубопроводы. Габариты такой мельницы 2140x2225x2600 мм, количество оборотов вала в минуту — 3000, мощность — 25 квт.

Вихревые мельницы используются для получения порошков железа и различных легированных сталей, например, нержавеющих и быстрорежущих. Размол в вихревых мельницах практически не меняет химического состава размалываемого материала, и чистота конечного продукта зависит в основном от состава сырья. Характерной для частиц вихревого порошка является тарельчатая форма или форма дисков. Частицы порошка наклепаны и, если размол проводился в воздушной атмосфере, окислены. Для снятия наклепа и восстановления окислов вихревой порошок подвергается восстановительному отжигу.

Для железа температура отжига составляет 700—800°. Примерный гранулометрический состав вихревого порошка следующий: + 0,25 мм — 5—15%; +0,16 мм — 30—50%; +0,08 мм — 25—45%; —0,08 мм — остальное.

Размол стружки и проволоки в вихревых мельницах широко применяется также для получения порошков с частицами сферической формы. Такого рода порошки нужны для изготовления фильтровых материалов, технология производства которых подробно освещена в монографии К. Агте и К. Оцетека.

Диаметр сферических частиц, полученных вихревым размолом, составляет 0,2—0,8 мм. Выход сферических частиц может достигать 70% и выше. Таким методом изготавливают порошки железа, углеродистой и легированной стали, никеля, бронзы, латуни. Сырьем в этом случае является проволока диаметром от 0,2 до 1 мм, на поверхности которой наносится на расстоянии 0,4—1 мм (в зависимости от диаметра проволоки) насечка прокаткой между специальными рифлеными валками. Размол коротких, имеющих насечки отрезков проволоки в вихревой мельнице длится от 5 до 20 мин., при этом сначала проволочные отрезки ломаются по насечкам, затем округляются. Частицы порошка приобретают почти правильную сферическую форму. Однако тонких фракций получить не удается, так как для этого требуется или очень тонкая проволока или увеличение времени размола, что в результате интенсивного истирания и дробления частиц может приводить к очень низкому выходу сферических частиц. Стружка, также используемая в качестве сырья, изготовляется на токарном станке, причем глубина резания примерно равна подаче.

Близки к вихревым мельницам по принципу действия молотковые мельницы, упоминаемые выше. Молотковые мельницы применяются для дробления спекшейся губки и губчатых электродных осадков. В этом случае процесс дробления происходит в течение нескольких минут, в результате чего получающийся порошок почти не наклепывается. Это исключает необходимость дополнительного отжига порошка.

В молотковой мельнице дробление осуществляется билами (12—16 шт.), укрепленными на шарнирах на валу, вращающемся в рабочей камере со скоростью 1500 об/мин.

Куски губки поступают сверху из бункера в рабочую камеру. В нижней части рабочей камеры имеется отверстие, закрытое сеткой, через которую проваливаются в сборник частицы после размола.

Более крупные частицы остаются в рабочей камере до их полного раздробления. Молотковые мельницы отличаются высокой производительностью. Одна такая мельница может обслужить размолом губки до 10 вихревых мельниц.

В последнее время для тонкого размола самых различных материалов все чаще используются вибрационные мельницы. Действие их основано на энергичном высокочастотном воздействии на измельчаемую смесь многочисленных мелющих тел (шаров, цилиндров), которые перемещаются в различных направлениях с переменными скоростями.

На рис. 19 показана схема устройства вибрационной мельницы М-200 с объемом 200 л, разработанной в России. Колебательные движения мельницы создаются вибратором, который представляет собой эксцентриковый вал, соединенный с электромотором через упругую муфту и вращающийся в двух опорах.

Частота вибраций равна числу оборотов вала и может составлять 1500 или 3000 колебаний в минуту. Колебания мельницы совершаются по замкнутой траектории в плоскости, перпендикулярной оси вращения вибратора.

Амплитуда колебаний составляет 2—3 мм. Барабан мельницы установлен на спиральных пружинах, а сама мельница крепится на деревянной подставке с резиновыми амортизаторами. Мельница снабжена устройством для охлаждения корпуса и вибратора.

Вибрационные мельницы целесообразно использовать только для тонкого и сверхтонкого размолов, для получения частиц до 60 мк и ниже. Вибрационный размол может быть периодическим и непрерывным, последний вид размола более производителен и экономичен. Комплексные вибропомольные установки непрерывного действия нашли широкое применение в производстве строительных материалов.

В промышленности порошковой металлургии применение вибрационного размола непрерывно расширяется. Некоторые твердосплавные заводы перешли полностью на размол в вибромельницах, что обусловлено их высокой производительностью и возможностью получения очень тонких фракций. В металлокерамическом производстве используются вибромельницы объемом 0,6, 6, 50, 125 и 250 л.

Общим недостатком всех методов механического измельчения является высокая стоимость порошков и относительно низкая производительность. Поэтому удельный вес порошков, полученных методами механического измельчения, в общем балансе производства металлических порошков относительно невелик. Однако механическое измельчение в качестве промежуточного этапа технологии в производстве восстановленных и электролитических порошков, тугоплавких соединений имеет большое распространение.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: