Общая характеристика методов распыления жидких металлов и сплавов

Одним из наиболее производительных методов получения порошков является метод распыления, или пульверизации, жидких металлов и сплавов. В его основе лежит распыление струи расплавленного металла с помощью воздуха, инертного газа, пара или ударов лопаток вращающегося диска. К методам распыления тесно примыкает метод грануляции, заключающийся в сливании жидких металлов в воду, при этом струя предварительно размельчается на сетке либо на конвейерной ленте.

Распыление и грануляция широко применяются при изготовлении порошков легкоплавких металлов и сплавов: алюминия, свинца, цинка, олова, бронзы, латуни, меди, — а также при получении порошка чугуна, ферросплавов, стали, железа. Предельная температура плавления получаемых металлов и сплавов ограничена стойкостью огнеупоров и трудностью получения больших перегревов жидкого металла и составляет не выше 1500—1600°, а практически 1400°.

Распыленные и гранулированные порошки могут получаться сферическими по форме, что особенно важно для изготовления фильтровых материалов. Однако такого рода порошки не отличаются высокой чистотой, они значительно окислены и почти всегда требуют дополнительного восстановительного отжига.

Основными преимуществами методов распыления и грануляции являются высокая производительность, легкость изготовления порошков сплавов и возможность получения сферических частиц. Стоимость распыленных и гранулированных порошков ненамного превышает стоимость литых металлов. Недостатками этих методов являются ограниченный выбор металлов для распыления, невысокая чистота порошков и необходимость наличия плавильных агрегатов.

Методы распыления известны давно. Существует много вариантов этих методов, ниже будут охарактеризованы важнейшие из них.

Грануляция, или литье в воду, издавна применяется для изготовления свинцовой дроби. Однако таким методом можно получать только сравнительно грубые порошки размером 0,5—1 мм и выше. Более мелкие фракции образуются, если применять интенсивное размельчение струи при помощи движущейся конвейерной ленты.

Схема такой установки показана на рис. 24. Расплавленный металл выливается из ковша в желоб, откуда поступает на движущуюся ленту транспортера. На ленте струя разбивается и в виде капелек или струек попадает в воду. По мере накопления порошок извлекают через нижний люк.

Таким путем получают порошок с размерами частиц от 0,16 мм и выше. В случае необходимости его подвергают дополнительному отжигу и размолу. Струю жидкого металла можно дробить пропусканием через металлическую сетку. Методом грануляции получают порошки свинца, алюминия, цинка, олова, меди, серебра и сплавов (бронзы, чугуна).

Более интенсивное диспергирование струи жидкого металла (а следовательно, и получение более тонких фракций порошка) осуществляется на вращающихся дисках с лопатками или без лопаток.

Диски могут вращаться либо на вертикальной, либо на горизонтальной оси, скорость вращения диска достигает 1000 об/мин.

Одна из схем такого распыления (так называемое центробежное распыление) показана на рис. 25. Тонкая струя металла (диаметр 6—8 мм), вытекая из сопла, увлекается водой, подаваемой под давлением, на вращающийся диск, где происходит распыление струи с помощью особых ножек-насадок. За рубежом получение порошка методом, использующим устройство, изображенное на рис. 25, известно под названием метода DPG. Таким путем получаются порошки железа, стали, ферросплавов и других металлов и сплавов.

В России установка центробежного распыления была разработана А.Ф. Силаевым (рис. 26). Эта установка позволяет в широких пределах менять параметры процесса распыления: скорость вращения диска от 2800 до 4000 об/мин, число ударных лопаток с различным сечением путем смены диска, диаметр струи металла, количество воды и др.

Тигель снабжен устройством для предварительного подогрева; перед заливкой металла тигель нагревается до 650—700°. Вода, вытекающая из конусообразного кольца, принимает форму воронки, внутри которой проходит струя металла. Жидкий металл распыляется ударами лопаток, наличие воды предотвращает спекание образующихся отдельных частиц порошка. Эти частицы вместе с водой падают на наклонное дно камеры и через патрубок поступают в приемник, а затем на сушку и отжиг.

Вода в установку подается под давлением 3,5—4 ат, ее расход составляет 4 л на 1 кг металла. Недостатком метода распыления жидкого металла ударами вращающегося диска является то, что в процессе работы на лопатки налипает расплавленный металл и это вызывает необходимость смены диска.

Распыление жидких металлов с помощью воздуха, инертных газов, пара и воды применяется гораздо шире, чем центробежное распыление. Это объясняется как большей экономичностью, так и возможностью более стабильной работы. Эти методы основаны на разрушении струи жидкого металла кинетической энергией воздуха, инертного газа, пара или воды. Принципиальная схема процесса распыления показана на рис. 27. Воздух под давлением не ниже 5 ат поступает из сопел, расположенных под углом 60° по отношению к оси струи.

Скорость выхода воздуха из сопел составляет около 380 м/сек. В месте встречи воздушных потоков происходит интенсивное разрушение струи расплавленного металла, последняя превращается в отдельные капли, которые теряют скорость и охлаждаются. Полупромышленная установка конструкции А.Ф. Силаева для распыления жидкого чугуна и ферросплавов показана на рис. 28. В камеру распыления здесь подается вода, которая служит для охлаждения капель металла и для предохранения их от спекания. Вместе с водой порошок по наклонному желобу камеры распыления поступает в контейнеры, а оттуда на сушку и отжиг.

Распыление может проводиться с помощью инертных газов, например азота. В этом случае содержание кислорода в полученном порошке незначительно. Так, по данным, в распыленных порошках ферромарганца, феррохрома, ферромолибдена, нержавеющей стали содержание кислорода при использовании азота в качестве распылителя составляло 0,03—0,1%. Количество азота было также незначительным (0,007—0,01 %).

Оригинальная конструкция установки распыления с помощью воды предложена в работе (рис. 29). В этой установке струя металла подвергается действию воды, которая поступает из вращающейся кольцеобразной водяной форсунки с 16 отверстиями. Скорость истечения воды равна 90—150 м/сек, скорость вращения форсунки составляет 6000 об/мин. Установка обеспечивает хорошее распыление с большим выходом порошков тонких фракций и используется для получения порошков различных сталей.

Почти все описанные выше установки были разработаны для грануляции и распыления чугуна, стали, ферросплавов. Установки для получения распыленных порошков цветных металлов и сплавов ничем принципиально не отличаются от описанных. Однако более низкая температура плавления этих металлов позволяет использовать недефицитные огнеупорные материалы и значительно облегчает все манипуляции, связанные с нагревом и плавлением шихты. На рис. 30 показана схема установки для распыления меди и ее сплавов. Жидкий металл из ковша по желобу из ZrO2 поступает в форсунку, где распыление проводится воздухом под давлением 8 ат.

Камера распыления представляет собой цилиндр высотой 3 м и диаметром 1,2 м. Распыленный порошок собирается внизу, а тонкие фракции, уносимые благодаря действию вентилятора, собираются в специальном отстойнике. Зернистость порошка определяется температурой жидкого металла, давлением воздуха и другими факторами.

Для распыления алюминия используются установки, работающие по принципу пульверизатора. В закрытом ковше над ванной расплавленного алюминия создается избыточное давление воздуха (—0,75 ат), в силу чего металл поднимается вверх по трубе, которая оканчивается соплом диаметром около 3 мм.

Выходящая струя алюминия распыляется воздухом, подающимся под давлением 5—6 ат.

Частицы порошков, полученных методом распыления или грануляции, имеют форму, близкую к сферической, хотя наряду с этим встречаются и частицы разветвленной формы. Форма частиц порошка зависит от поверхностного натяжения расплавленного металла, его вязкости, содержания примесей в металле и от параметров распыления.

Гранулометрический состав порошка может изменяться в широких пределах, но обычно основное количество частиц имеет размеры +0,056—0,25 мм.

Чистота порошков, полученных методом распыления, сравнительно невысока, что объясняется возможностью окисления в процессе распыления. Порошки цветных металлов и сплавов, менее склонные к окислению, обычно не отжигаются после распыления. Отжиг необходим для распыленных порошков железа и стали, если распыление не проводилось в защитной атмосфере. На режимах получения и отжига распыленного порошка чугуна и стали следует остановиться особо. Для получения этих порошков используется чугун с содержанием углерода 3,5% и с малым количеством примесей (меньше 0,1 % Si, Mn, P и 0,03% S). Чугун вместе с отходами мягкой стали, железной стружки расплавляется в вагранке, а также в высокочастотной индукционной печи или электропечи с основной футеровкой.

Распыление осуществляется либо на центробежной установке, либо на установке воздушного распыления. Температура заливки чугуна в металлоприемник установки не превышает 1350—1400°. Распыленный порошок для удаления влаги сушится в паровых сушилках в течение 45 мин. при температуре 300°.

После распыления порошок (его называют порошок-сырец) содержит 5—6% О в виде окислов FeO, Fe3O4 и Fe2O3; в случае центробежного распыления содержание кислорода не превышает 1—3%. Такой порошок не может быть использован в металлокерамическом производстве, он плохо прессуется и спекается, поэтому его подвергают отжигу.

Отжиг может проводиться либо в восстановительной атмосфере, либо в закрытых контейнерах.

В последнем случае отношение содержания кислорода к содержанию углерода для проведения отжига рекомендуется поддерживать равным 1,5—1,7. Защитная и восстановительная атмосфера при отжиге в закрытых контейнерах не нужна, потому что за счет выгорания углерода образуется CO и CO2, присутствие которых и обеспечивает безокислительный и восстановительный отжиг.

Иногда к порошку-сырцу добавляют до нужного соотношения О:С окалину или руду.

Окись углерода сжигают на выходе из контейнера, прекращение горения CO служит своего рада сигналом о конце процесса обезуглероживания.

Температура отжига порошка зависит от химического состава, обыкновенно она составляет 900—1050°, продолжительность 3—4 час. В Чехословакии порошок чугуна, распыленный водой, отжигается при температуре 840° в течение 14—15 час. до прекращения выделения CO из контейнеров.

В сборнике указывается, что фирма Easton применяет более высокие температуры отжига (1100—1250°). Отжиг проводится в трехзонных печах общей длиной 13,7 м; порошок насыпается в контейнеры, которые непрерывно продвигаются по поду печи. Толщина слоя насыпки 20 мм. Производительность печи 90 кг/час. Общее производство порошка в месяц достигает 450 т. Процесс получения железного порошка путем воздушного распыления чугуна и последующего отжига в воздушной атмосфере за границей называется RZ-процессом. Химический состав распыленного железного порошка после отжига следующий: 0,14—0,20% С; 0,8—1,0% O2; 98—99% Feобщ и 94—96% Feмет.

К методам распыления можно отнести и расплавление проволоки в вольтовой дуге под водой. Таким методом можно получать сферические частицы размером 0,1—0,8 мм. Широкого распространения этот метод не получил.