способ испарения металла и устройство для его осуществления
Классы МПК: | B22F9/12 из газообразного материала |
Автор(ы): | Фришберг И.В., Ландау М.Б., Брезанский В.Г., Ефремов С.Г. |
Патентообладатель(и): | Фришберг Ирина Викторовна |
Приоритеты: |
подача заявки:
1997-05-27 публикация патента:
27.06.1998 |
Изобретение относится к технологии получения высокодисперсных порошков металлов и сплавов газофазным методом, а также для нанесения металлических покрытий на металлические и неметаллические изделия. Изобретение позволяет улучшить качество целевого продукта, увеличить его выход и производительность процесса, а также снизить материалоемкость, удельную энергоемкость и трудозатраты. Способ испарения металла осуществляют путем нагрева расплавленного металла до температуры кипения, при этом металл последовательно пропускают через зоны нагрева, кипения и перегрева пара при постепенном повышении температуры, а движение пара в зоне перегрева до выхода из нее осуществляют в виде организованного направленного по оси потока. Температуру в зоне нагрева поддерживают на 100-200oC выше температуры плавления металла, температуру в зоне кипения - на 200-400oC выше температуры кипения, а в зоне перегрева - на 500-800oC выше температуры кипения металла. Для осуществления способа используют устройство, содержащее корпус, внутри которого размещен металлоприемник, нагревательный элемент и канал для истечения металла и его паров, металлоприемник снабжен отверстиями для подачи и вывода металла и сообщен с нагревательным элементом, отверстие для вывода металла соединено с каналом для истечения металла и его паров, последний образован двумя цилиндрическими элементами, расположенными коаксиально, и разделен на зону кипения металла и зону перегрева его паров, нагревательный элемент и каждый из цилиндрических элементов выполнены из токопроводящего материала и соединены с токоподводами. Канал для истечения металла и его паров может быть снабжен различными съемными приспособлениями для регулирования направления потока пара, а также для управления формой струи истечения пара из испарителя. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 2 табл., 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
1. Способ испарения металла, включающий нагрев расплавленного металла до температуры кипения и отвод образующихся паров, отличающийся тем, что металл последовательно пропускают через зоны нагрева, кипения и перегрева пара при постепенном повышении температуры, а движение пара в зоне перегрева до выхода из нее осуществляет в виде организованного направленного по оси потока. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температуру в зоне нагрева поддерживают на 100-200oC выше температуры плавления металла, температуру в зоне кипения - на 200-400oC выше температуры кипения, а в зоне перегрева - на 500-800oC выше температуры кипения металла. 3. Устройство для осуществления способа испарения металла, содержащее корпус, в котором размещен металлоприемник, снабженный отверстиями для подачи и вывода металла, металлоприемник сообщен с нагревательным элементом, выполненным из токопроводящего материала и соединенный с токоподводом, отличающийся тем, что внутри корпуса на пути вывода расплавленного металла из металлоприемника дополнительно размещен канал для истечения металла и его паров, внешний контур которого образован двумя цилиндрическими элементами, расположенными коаксиально, при этом каждый из элементов выполнен из токопроводящего материала и соединен с токоподводом, а канал для истечения металла и его паров разделен на зону кипения металла и зону перегрева его паров. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что канал для истечения металла и его паров герметично соединен с отверстием для вывода металла из металлоприемника. 5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что канал для истечения металла и его паров снабжен приспособлениями для регулирования направления потока пара и формы струи истечения пара из испарителя. 6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что приспособления для регулирования направления потока пара и формы струи истечения выполнены съемными. 7. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что канал для истечения металла и его паров заполнен насадкой. 8. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено линией для подачи расплавленного металла из плавильного аппарата, например, барометрической трубой.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к технологии получения высокодисперсных порошков металлов и сплавов газофазным методом, а также для нанесения металлических покрытий на металлические и неметаллические изделия. Известен способ испарения металла путем нагрева расплавленного металла до температуры кипения, обеспечение его поверхностного испарения с отводом образующихся паров металла посредством обеспечения пониженного давления в зоне конденсации паров [1]. Известный способ испарения металла имеет ряд существенных недостатков, а именно недостаточный выход металлического порошка с заданным гранулометрическим составом, разброс значений гранулометрического состава получаемого порошка. Известно устройство для получения высокодисперсных и ультрадисперсных порошков металлов и сплавов газофазным методом, у представляющее собой испаритель, который содержит закрытый цилиндрический корпус - контейнер с отверстием для выхода пара в верхней его части и отверстием для ввода расплавленного металла, размещенного в торцевой части контейнера. Испаритель имеет нагревательный элемент, выполненный в виде стержня из токопроводящего материала, который проходит внутри корпуса и размещен над зеркалом расплавленного металла. К обоим концам нагревательного элемента, выходящим за пределы корпуса, подведен ток. Нагревательный элемент изолирован от корпуса посредством двух изоляторов [1]. Известное устройство имеет недостаточную производительность, низкий КПД, а также характеризуется повышенной материалоемкостью и неудобством эксплуатации. Задача изобретения - увеличение выхода целевого продукта и улучшение его качества за счет снижения разброса значений гранулометрического состава при одновременном повышении производительности процесса, снижение материалоемкости, удельной энергоемкости и трудозатрат. Задача достигается тем, что способ испарения металла осуществляют путем нагрева расплавленного металла до температуры кипения с отводом образующихся паров, при этом металл последовательно пропускают через зоны нагрева, кипения и перегрева пара при постепенном повышении температуры, а движение пара в зоне перегрева до выхода из нее осуществляют в виде организованного направленного по оси потока. Предлагаемый способ дополнительно характеризуется тем, что температуру в зоне нагрева поддерживают на 100-200oC выше температуры плавления металла, температуру в зоне кипения - на 200-400oC выше температуры кипения, а в зоне перегрева - на 500-800oC выше температуры кипения металла. Для осуществления способа предлагается устройство, содержащее корпус, внутри которого размещен металлоприемник, снабженный отверстиями для подачи и вывода металла, металлоприемник сообщен с нагревательным элементом, выполненным из токопроводящего материала и соединенным с токоподводом, отличающееся тем, что внутри корпуса на пути вывода расплавленного металла из металлоприемника дополнительно размещен канал для истечения металла и его паров, внешний контур которого образован двумя цилиндрическими элементами, расположенными коаксиально, при этом каждый из них выполнен из токопроводящего материала и соединен с токоподводом, а канал для истечения металла и его паров разделен на зону кипения металла и зону перегрева его паров. Канал для истечения металла и его паров герметично соединен с отверстием для вывода металла из металлоприемника. Канал для истечения металла и его паров может быть снабжен различными приспособлениями для регулирования направления потока пара, а также для управления формой струи истечения пара из испарителя. При этом указанные приспособления, как правило, выполняют съемными. Дополнительно для улучшения процесса парообразования зона кипения канала для истечения металла и его паров заполнена насадкой. В качестве насадки используют высокоплавкие, химически инертные, углеродсодержащие материалы. Кроме того, устройство может быть снабжено линией для подачи расплавленного металла из плавильного аппарата, например, барометрической трубой. Предлагаемые способ и устройство связаны между собой единым изобретательским замыслом, что удовлетворяет требованию "единство изобретения". Предлагаемый способ отличается от известного тем, что нагретый металл последовательно пропускают через зоны нагрева, кипения и перегрева пара при постепенном повышении температуры, а движение пара в зоне перегрева до выхода из нее осуществляют в виде организованного направленного по оси потока. Предлагаемое устройство отличается от известного тем, что в его корпусе на пути выхода расплавленного металла, дополнительно размещены два коаксиально размещенных цилиндрических элемента из токопроводящего материала, каждый из которых с одного конца соединен с токоподводом, при этом внутренний цилиндрический элемент служит каналом для истечения расплавленного металла и отвода его паров. Сравнительный анализ предлагаемого способа испарения металла и устройства для его осуществления с прототипом позволяет сделать вывод об их соответствии критерию "новизна". Предложенный способов отличие от известного позволяет управлять процессом парообразования и главным образом процессом отвода паров металла из зоны испарения. Благодаря созданию температурного градиента внутри корпуса от зоны испарения до места истечения паров из испарителя возникает направленный поток парожидкостной смеси и пара. Он организован таким образом, что при выходе паров из испарителя в зону конденсации формируется широкоразвернутая струя пара (струя истечения), геометрия которого подбирается таким образом, чтобы исключить массовый выброс капель металла в зону конденсации. Это позволяет снизить потери металла и повышает выход годного продукта - порошка заданного гранулометрического состава. Использование в предлагаемом устройстве дополнительного канала, размещенного на пути выхода расплавленного металла и образованного двумя цилиндрическими токопроводящими элементами, выполняющими функцию дополнительного нагревательного элемента, обеспечивает новый принцип испарения металла. В известном устройстве нагревательный элемент размещен над поверхностью расплавленного металла и не имеет непосредственного контакта с ним. Тепловая энергия от нагревателя излучается во все стороны, при этом только незначительная ее часть расходуется на нагрев и испарение металла, основная же масса тепла расходуется на нагрев корпуса испарителя. Частично это тепло передается к металлу от стенок контейнера, но значительная часть его теряется за счет излучения в окружающее пространство. Кроме того, в известном устройстве специально выбирается такое расстояние от нагревательного элемента до отверстия для выхода пара, которое позволяет повысить температуру стенок этого отверстия. Следствием такого приема является перегрев цилиндрической стенки контейнера, прилегающей к отверстию для выхода пара, что также ведет к увеличению потерь тепла в окружающее пространство. Помимо этого дополнительные потери тепла в известном устройстве обусловлены конструкцией нагревательного элемента испарителя. Подвод тока к нагревательному элементу осуществляется с двух концов с помощью металлических деталей, расположенных вне корпуса испарителя, которые для поддержания их в рабочем состоянии должны охлаждаться, что и ведет к дополнительным потерям тепла. В известном испарителе заложен принцип испарения металла с поверхности и вследствие этого производительность устройства зависит от площади зеркала расплава, которая, в свою очередь определяется размерами цилиндрического контейнера. Чтобы увеличить производительность известного испарителя, необходимо увеличить диаметр корпуса, а соответственно и площадь наружной поверхности испарителя. При этом пропорционально увеличиваются тепловые потери за счет излучения в окружающее пространство. При получении порошка металлического цинка производительность испарителя известной конструкции, рассчитанного на мощность 35-40 кВт![способ испарения металла и устройство для его осуществления, патент № 2113942](/images/patents/358/2113002/183.gif)
а) подача тока непосредственно к цилиндрическим элементам корпуса, выполненным по типу "труба в трубе", обеспечивает повышение плотности тока в поперечном сечении нагревателя, а следовательно, и плотности выделяющейся тепловой энергии;
б) благодаря расположению металлоприемника и пароотводящего канала внутри нагреваемого корпуса резко снижаются потери тепла в окружающий объем;
в) передача тепла к металлу осуществляется не путем излучения, как в известном устройстве, а путем кондуктивного нагрева (непосредственно от греющей стенки), что намного эффективнее;
г) температурные зоны испарителя расположены таким образом, что самая холодная находится с одного конца - у токоподводов, а самая горячая - у другого конца, у отверстия для выхода пара. Благодаря этому, с одной стороны, устраняется необходимость в охлаждении токоподводов для устранения опасности их перегрева, т.е. экономится энергия, с другой стороны - обеспечивается необходимый перегрев стенок отверстия для выхода паров без дополнительной затраты энергии. Повышение выхода и качества готового продукта обусловлено возможностью регулирования параметров парового потока в самом испарителе и параметров истечения пара из испарителя. Осуществляется за счет использования насадок, различных форм сопел и др. При этом уменьшается вынос брызг металла из испарителя, соответственно снижаются потери металла, и повышается выход годного продукта. Повышение теплового КПД устройства и повышение выхода готового продукта обусловливает снижение удельной энергоемкости. Повышение производительности устройства при сопоставимых геометрических размерах обусловлено, во-первых, переходом от поверхностного испарения в прототипе, при котором производительность по пару пропорциональна площади зеркала испарения, к испарению в объеме, во-вторых, - увеличением плотности выделяемой тепловой энергии. К другим преимуществам заявляемого устройства можно отнести следующие: экономия материалов, поскольку имеется возможность замены наиболее быстроизнашивающихся деталей (элементов сопла и насадок) без замены самого устройства; удобство обслуживания и большая рациональность размещения благодаря одностороннему расположению токоподводов. Несмотря на то, что некоторые приемы осуществления способа испарения металла и конструктивные элементы устройства известны, заявляемые новые признаки способа и устройства, а также совокупность существенных признаков позволяет получить новый технический результат - повышение теплового КПД действия, производительности процесса, снижение материало-, энергоемкости и трудозатрат. Все вышеизложенное, позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критериям "изобретательский уровень" и "промышленная применимость". На фиг. 1 приведен общий вид установки для получения высокодисперсного порошка металла; на фиг.2 - схема испарителя в разрезе. Устройство для получения высокодисперсного порошка металла состоит из корпуса испарителя 1, емкости для конденсации паров 2, фланцев 3, металлоприемника 4, снабженного отверстием для подачи металла 5 и отверстием для вывода металла, снабженного каналом для отвода металла из металлоприемника 6, нагревателя металлоприемника 7, цилиндрического элемента 8, образованного коаксиально расположенными наружным цилиндрическим элементом 8а и внутренним цилиндрическим элементом 8б, токоподвода 9, состоящего из наружного токоподвода 9а и внутреннего токоподвода 9б, соединенных с нагревателем металлоприемника 7 и цилиндрическими элементами 8а и 8б, источника тока 10, канала для истечения металла и его паров, разделенного на зону кипения расплавленного металла 11 и зону перегрева 12, зоны 11 и 12 герметично соединены с каналом для отвода металла из металлоприемника 6 и разделены приспособлением для регулирования направления потока пара 13, сопла 14 с отверстием для выхода паров из испарителя 15. Устройство работает следующим образом. Расплавленный металл подают в металлоприемник 4 через отверстие 5 в стенке корпуса 1. От источника 10 по токоподводам 9а и 9б подают ток, который, проходя через нагреватель 7 и цилиндрические элементы 8а и 8б, нагревает их. При этом испаряемый металл в металлоприемнике 4 по каналу 6 перетекает в зону 11, где происходит испарение металла в режиме направленного потока парожидкостной и паровой смеси. Образующиеся пары через приспособление 13 поступают в зону перегрева 12, а затем в сопло 14, где формируется широкоразвернутая струя пара металла. Температуру в зоне кипения 11 поддерживают на 200-400oC выше температуры кипения металла, а в зоне перегрева 12 - на 500-800oC выше температуры кипения металла. Вследствие возникающего градиента температур происходит испарение и выкипание металла, а затем перегрев образующихся паров по мере их перемещения к выходному отверстию 15. Выходящие из испарителя пары конденсируются в объеме конденсатора 2, а образовавшийся металлический порошок выгружают в качестве готового продукта. В зависимости от требуемой степени дисперсности металлического порошка подбираются форма приспособления для регулирования направления потока пара 13 для закручивания потока перегретых паров металла и диаметр сопла 14, определяющий геометрию струи истечения (факела), от которой в свою очередь зависит форма и размер частиц металлического порошка, образующихся при конденсации паров металла. Способ иллюстрируется примерами 1-3, приведенными в табл. 1. Исходный продукт: чушковый цинк марки ЦО; состав, %: Zn 99, 98; (Pb + Cd) 0.12; температура плавления 420oC, температура кипения при атмосферном давлении 906oC. Цинк с указанными выше характеристиками загружают в испаритель. Режим подачи тока на испаритель подбирают таким образом, чтобы установить заданный градиент температур по зонам испарителя. Пар, выходящий из испарителя, конденсируют и полученный порошок цинка анализируют по показателям: насыпной вес; гранулометрический состав - содержание фракций менее 4 мкм, 4-12 мкм и более 12 мкм. В табл. 1 приведены данные, иллюстрирующие влияние температурного режима в испарителе на качество получаемого продукта. В примере 1 поддерживался температурный режим с более низким градиентом температур по зонам испарителя в сравнении с заявленным, в примере 2 - заявленный градиент температур, в примере 3 - повышенный градиент температур. При этом только в примере 2 получен порошок заданного качества, соответствующий марке ПЦВД (порошок цинка высокодисперсный). В примере 1 в порошке преобладают крупные частицы, в примере 3 - слишком велико содержание ультрамелких частиц. В табл. 2 приведено сопоставление основных технических характеристик прототипа и заявляемого устройства при сопоставимых геометрических размерах. Приведенные данные относятся к получению высокодисперсного порошка металлического цинка. Под годным продуктом в данном случае понимается порошок цинка с преимущественно сферической формой частиц, с насыпной плотностью 1.7-2.5 г/см3 и с содержанием частиц размером более 20 мкм не выше 15%. Из представленных в табл. 2 данных видно, что использование предлагаемого способа испарения металла и устройства для его осуществления позволяет решить поставленную задачу, т. е. повысить выход целевого продукта и его качество при одновременном увеличении производительности процесса, снижении удельной энергоемкости, а также снизить материало- и трудозатраты.
Класс B22F9/12 из газообразного материала