устройство для получения мелкодисперсных металлических порошков

Формула изобретения

Устройство для получения мелкодисперсных металлических порошков, содержащее испаритель металла, генератор плазмы в виде сопла-анода и катода, камеру конденсации и сбора порошка, соединенную с испарителем металла через сопло-анод, отличающееся тем, что сопло-анод выполнено сверхзвуковым, катод размещен в сопле-аноде, а испаритель выполнен в виде вакуумной плавильной печи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению мелкодисперсных металлических порошков конденсацией из паровой фазы.

Известны способы получения металлических порошков из газовой фазы при дуговом распылении металлов, испарении металлов в атмосфере инертного газа, испарении металлов в вакууме и др. [1]. В этих способах различными методами осуществляют нагрев испаряемого металла до высоких температур, при которых создается достаточное давление паров испаряемого металла. Затем пары металла переносят в область камеры с более низкой температурой, где происходит конденсация паров металла в газовом объеме и на холодных стенках камеры.

Известные устройства представляют собой изолированные камеры, откачиваемые до определенного давления или заполненные инертным газом, в одной части которых расположены испарители /тигли, лодочки, электрическая дуга/, а в другой охлаждаемой части камеры находятся сборники порошка.

Известные способы и устройства включают два противоположных этапа: во-первых, необходим нагрев испаряемого металла до высоких температур для получения паров металла и, во-вторых, резкое принудительное охлаждение полученных паров для создания условий их перенасыщения.

Причем от скорости охлаждения и степени перенасыщения паров металла зависят размеры получаемого порошка. При медленной скорости охлаждения паров, что соответствует известным методам [1], диапазон изменения размеров частиц очень широк. Поэтому в получаемом продукте, кроме частиц с требуемым размером, содержатся частицы очень малых размеров, улавливать которые очень сложно.

В металлургии при вакуумном переплаве металлов, наоборот, приходится использовать приемы, снижающие потери переплавляемого металла на испарение. Например, при переплаве титана в электронно-лучевой печи, при оптимальных технологических режимах, потери металла на испарение достигают 7% [2]. Переплав металлов осуществляют в широком диапазоне давлений инертного газа от 10^-2 мм рт.ст. до десятков атмосфер [2]. Повышение давления в печи за счет введения в печь инертного газа существенно снижает интенсивность испарения металла, но эта мера вызывает усложнение плавильного оборудования.

При переплаве никеля и сплавов на никелевой основе решается задача удаления из металла или сплава вредных примесей таких, как свинец, мышьяк, цинк и др. [2]. Причем следует отметить, что эти примеси, выбрасываемые в окружающую атмосферу, вредны не только для металлов, но также для человека и окружающей среды.

Недостатками вакуумного переплава металла являются потери металла на испарение при переплаве и вынос газовой средой паров металла из печей, которые наносят вред человеку и окружающей среде.

Известен способ получения мелкодисперсных металлических порошков [3]. В известном способе порошки металлов подают в плазменные струи двух независимых горелок, составляющие друг с другом прямой угол. В горячей зоне порошки плавятся и испаряются, а в холодных зонах струи происходит конденсация паров в высокодисперсный порошок. Процесс протекает в изолированном рабочем объеме.

К недостаткам известного способа [3] следует отнести использование исходных металлических порошков и энергозатраты на испарение исходного металлического порошка.

Известно устройство для получения мелкодисперсных металлических порошков [4] . Известное устройство содержит узел плавления и испарения металла, генератор плазмы и камеру сбора порошка.

К недостаткам известного устройства [4] следует отнести испарение металла в испарителе, так как это требует значительных энергозатрат.

В качестве ближайшего аналога для предложенного устройства предлагается рассмотреть устройство для получения мелкодисперсных металлических порошков, содержащее испаритель металла, генератор плазмы в виде сопла-анода и катода, камеру конденсации и сбора порошка, соединенную с испарителем металла через сопло-анод (см. RU 2116868 С1, кл. B 22 F 9/12, опубл. 10.08.1998).

Задача изобретения заключается в экономии металла за счет снижения выброса паров металла из вакуумных печей для переплава металла.

Технический результат заключается в совмещении процесса получения мелкодисперсного порошка с процессом переплава металла, и достигаемой при этом экономии энергии, требуемой на переплав металла и улавливание испаряющегося металла.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для получения мелкодисперсных металлических порошков, содержащем испаритель металла, генератор плазмы в виде сопла-анода и катода, камеру конденсации и сбора порошка, соединенную с испарителем металла через сопло-анод, согласно изобретению, сопло-анод выполнено сверхзвуковым, катод размещен в сопле-аноде, а испаритель выполнен в виде вакуумной плавильной печи.

При вакуумном переплаве металла образующиеся при этом пары металла, перед тем как попасть в откачивающую систему, пропускают через электрическую дугу, горящую перед критическим сечением сверхзвукового сопла и со сверхзвуковой скоростью выпускает в камеру конденсации и сбора порошка. Совмещение процесса получения мелкодисперсного металлического порошка с процессом переплава металла приводит к экономии энергии, необходимой на плавление и испарение металла, и снижению выброса паров металла в окружающую атмосферу.

Газовая среда печей для вакуумного переплава, содержащая пары металлов при попадании в область сопла, в котором горит дуга, нагревается до высоких температур /Т>10⁴ К/. При истечении газовой среды через сверхзвуковое сопло-анод происходит расширение и резкое охлаждение /10⁴-10⁷ К/с/ газового потока. Причем скорость охлаждения зависит от начальной температуры истечения газовой среды. Чем выше температура начального истечения, тем больше начальная скорость охлаждения. В результате такого резкого охлаждения газовой среды достигается высокая степень перенасыщения паров металла в струе [5], что приводит к их конденсации и дальнейшей коагуляции частиц в более крупные частицы. Такие частицы менее подвержены влиянию газовых потоков и легко собираются в сборники порошка.

При медленном изменении температуры газовой среды, что соответствует течению газовой среды по откачивающей вакуумной магистрали, таких условий перенасыщения паров металла не создается. В результате этого формируются очень мелкие частицы металла, которые практически невозможно уловить и, следовательно, они вместе с газами выбрасываются через откачные системы в окружающую среду.

Пример

Получение мелкодисперсных металлических порошков осуществляют следующим образом. Пары металла, образующиеся в печах для переплава металла, пропускают через электрическую дугу, горящую между катодом и соплом-анодом в докритическом сечении сопла. В столбе дуги газовая среда, содержащая пары металла, нагревается до высоких температур 10⁴ К. Сопло-анод является еще и дросселирующим элементом и служит для создания перепада давления. При истечении перегретой газовой среды в камеру конденсации и сбора порошка с низким давлением происходит расширение и резкое охлаждение газовой смеси, приводящее к высокой степени перенасыщения паров металла. В результате сильного перенасыщения паров металла образуются ядра конденсации. Образование ядер конденсации снимает перенасыщение и конденсация паров металла продолжается за счет присоединения к ядрам отдельных атомов металла. Одновременно с этим происходит коагуляция частиц в более крупные частицы. На некотором расстоянии от среза сопла-анода, на котором плотность отдельных атомов металла за счет их конденсации становится очень малой, взаимодействия между отдельными атомами металла и ядрами конденсации, а также между ядрами не происходят, рост частиц прекращается. Образованные частицы ссыпаются вниз камеры и после прекращения процесса переплава удаляются из нее.

При переплаве металлов, которые могут образовывать нитриды, например, при переплаве титана, в объем камеры, в которую происходит истечение газовой среды, целесообразно добавлять азот. При взаимодействии частиц металла с остаточной атмосферой азота будет образовываться ценный порошок - нитрид титана. При добавлении в камеру других реакционных газов, кислорода или углеродсодержащего, будут образовываться порошки окислов или карбидов металлов.

Для осуществления описанного способа получения мелкодисперсных металлических порошков предлагается устройство, приведенное на чертеже.

От откачной вакуумной магистрали 1, соединяющей печь для переплава металла 2 с вакуумной системой откачки 3, отводится патрубок 4, соединяющий магистраль 1 с камерой конденсации и сбора порошка 5. На выходе патрубка 4 установлено сопло-анод 6 и катод 7. Откачка из камеры 5 осуществляется через патрубок 6 той же вакуумной системой 3. Магистраль 1 имеет задвижку 9, а патрубок 4 - задвижку 10. Внизу камеры 5 установлена задвижка 11. Дозированная подача реакционного газа в камеру 5 осуществляется с помощью ротаметра 12 и регулирующего вентиля 13. Питание на электроды 6 и 7 подают от источника постоянного тока 14. Ссыпку полученного порошка из камеры 5 осуществляют через задвижку 11 в контейнер 15.

Работает устройство следующим образом. На начальной стадии процесса плавления металла осуществляют откачку из печи для переплава металла 2 системой вакуумных насосов 3 адсорбированных газов при закрытой задвижке 10 и открытой задвижке 9. При достижении температуры в печи, при которой начинается испарение переплавляемого металла, задвижку 10 открывают, а задвижку 9 перекрывают и осуществляют зажигание дуги между катодом 7 и соплом-анодом 6. Питание на электроды подают от источника питания 14. Далее до завершения процесса переплава металла откачку из печи 2 осуществляют через патрубки 4 и 8. Образующийся в процессе резкого адиабатического охлаждения перегретой газовой среды металлический порошок ссыпается вниз камеры 5, а сопутствующие газы откачиваются из камеры 5 через патрубок 8 вакуумной системой насосов 3. При получении нитридов, карбидов и окислов металла в камеру 5 осуществляют напуск соответствующего реакционного газа через ротаметр 12 и регулирующий кран 13. По завершению цикла переплава металла /или нескольких циклов/ полученный мелкодисперсный порошок ссыпают в контейнер 15 через задвижку 11.

Использование предлагаемого устройства для получения мелкодисперсных металлических порошков, в котором используется недостаток существующего в металлургии производства, а именно потеря металла на испарение при переплаве металла в вакуумных печах, позволяет снизить выброс паров металлов, содержащихся в газовой среде печей при переплаве металла, и, следовательно, снизить их пагубное воздействие на человека и окружающую среду. Одновременно с этим появляется возможность получения мелкодисперсных металлических порошков, а также нитридов, карбидов и окислов, которые непосредственно могут использоваться в порошковой металлургии.

Источники информации

1. Romanowski W., Engels S. Hochdisperse Metalle. - Berlin: Akademik - Verlag, 1982. - 171 s.

2. Лакомский В.И. Плазменно-дуговой переплав. - Киев: Техника, 1974. - 336 с.

3. Пат. Японии 51-13262, кл. В 01 F 15/06.

4. Пат. Японии 61-179806, кл. В 22 F 9/14.

5. Сутугин А. Г., Гримберг А.Н. Конденсация пара при охлаждении затопленной струи //Теплофизика высоких температур, 1975, т. 13, 4, с. 787-795.