Спосіб отримання монодисперсних гранул металу або сплаву

Реферат: Винахід належить до галузі порошкової металургії, зокрема до способу отримання металевих монодисперсних порошків, гранул з металів або сплавів. Спосіб полягає в дії на струмінь рідкого металу або сплаву імпульсного електричного струму через невелику ділянку цього струменя і внаслідок дії тиску пінч-ефекту від цього струменя відокремлюється потрібна частина рідкого металу або сплаву, котра після остигання утворює гранулу заданого розміру. Винахід забезпечує диспергування струменя металу з високим коефіцієнтом корисної дії з заданим розподілом отримуваних гранул за розмірами, незалежно від величини коефіцієнта поверхневого натягнення і окислення металу або сплаву та дозволяє уникнути застосування герметичних об'ємів і інертних газів при цьому. UA 106133 C2 (12) UA 106133 C2 UA 106133 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі порошкової металургії, зокрема до способів здобуття металевих порошків, гранул, у тому числі з металів або сплавів, які створюють окисну плівку, і може бути використаний в металургії, машинобудуванні (при використанні способу для здобуття кульок для шарикопідшипників), хімії, нафтохімії та інші. Відомий спосіб виготовлення гранул при застосуванні вимушеного капілярного розпаду струменя [Монодиспергирование веществ: принципы и применения/ Е.В. Аметистов, В.В. Блаженков, А.К. Городов и др.; Под ред. В.А. Григорьева. - М.: Энергоатомиздат, 1991.-336 с.]. Спосіб полягає в тому, що на поверхні струменя рідкого металу збуджують капілярні коливання. Капілярна нестійкість призводить до розпаду струменя на краплі, які остигають і утворюють гранули. Недоліком способу є то, що капілярній розпад чутливий до коефіцієнта поверхневого натягнення, яке дуже змінюється при окисненні поверхні рідкого металу. Це призводить до того, що диспергування необхідно проводити в інертному газі, що підвищує собівартість отриманих гранул. Ще одним недоліком є залежність від коефіцієнта поверхневого натягнення розміру отримуваних гранул. Відомий спосіб виготовлення гранул [Рудой А.П., Петров С.В. Спосіб електродугового розпилення металів. Патент України №1180, МПК (2006) B22F 9/14 (2007.01) В05В 7/16], який полягає в електродуговому розпиленні металів і включає подачу одного з електродів, що витрачається, співвісно, а другого - під гострим кутом до осі потоку, збудженні електричної дуги, при цьому регулювання параметрів електричної дуги проводять в два етапи, на першому встановлюють співвідношення швидкостей подачі бічного і осьового електродів, рівне одиниці, а на другому - збільшують дане співвідношення до моменту мінімізації амплітуди коливань напруги дуги, при цьому співвідношення приростів швидкостей подачі електродів і амплітуди коливань напруги вибирають в межах 3-15. Недоліком є неконтрольований відрив крапель металу, що призводить до значного розкиду отримуваних гранул по розміру. Відомий спосіб отримання гранул з розплаву металу і пристрій для його здійснення [Procede d'obtention de granules a partir du metal fondu et dispositif pour sa mise en oeuvre, Патент Франції FR2505672(Al). МПК: B01J2/02; 22F9/14]. Спосіб полягає в тому, що на вільний струмінь розплавленого металу діють магнітним полем і електричним струмом таким чином, що створювані електромагнітні сили діють на розплавлений метал з такою частотою, яка забезпечує створення однорідних по формі і розмірах гранули. Основний недолік способу в тому, що він може бути реалізований тільки в інертній атмосфері (аргон, азот, гелій і ін.), так як на повітрі метал миттєво покривається оксидною плівкою, яка легко пригнічує малоамплітудні коливання поверхні струменів і робить їх розпад на краплі неможливим. Тому реалізація даного способу вимагає створення герметичної камери, відкачування з неї повітря, заповнення інертним газом і проведення постійного контролю за станом інертної атмосфери, яку після кожної технологічної операції необхідно коригувати. При цьому виникають певні складнощі з охолодженням інертного газу і видаленням отриманих гранул з герметичної камери. Таким чином, необхідність створення герметичної камери знижує ефективність даного способу. Як найближчий аналог вибраний спосіб отримання гранул з розплаву металу [Осокин Е.Н. Процессы порошковой металлургии. Красноярск: ИПК СФУ, 2008.- С. 75-80]. Спосіб полягає в тому, що по струменю рідкого металу пропускають електричний струм, при цьому магнітний тиск струму (пінч-ефект) призводить до розпаду струменя на краплі - частинки розміром 10-500 мкм. Недоліками способу є випадковий характер розпаду струменя, випадковий розподіл гранул по розміру, великі витрати на електроенергію за рахунок виникнення протяжних електричних дуг. Задачею, на рішення якої спрямовано пропонований винахід, є диспергування струменя металу або сплаву з високим коефіцієнтом корисної дії і заданим розподілом отримуваних гранул за розмірами, зменшення впливу коефіцієнта поверхневого натягнення (окиснення металу або сплаву) на диспергування, уникнення застосування герметичних камер і інертних газів. Поставлена задача вирішуються способом отримання монодисперсних гранул металу або сплаву дією на струмінь рідкого металу або сплаву електричного струму, магнітне поле якого викликає розпад струменя, і відрізняється тим, що здійснюють імпульсне пропускання електричного струму через невелику ділянку струменя, внаслідок чого вона переривається тиском пінч-ефекту, який відділяє потрібну частину струменя металу або сплаву, котра після остигання утворює гранулу заданого розміру. Здійснюється спосіб наступним чином. На кресленні відображена схема здійснення способу. Між металевими електродами 1 і струменем рідкого металу 2 (який, наприклад, формується при витіканні з ємності 3) утворюють електричну дугу 4, так, щоб через невелику ділянку струменя 1 UA 106133 C2 5 10 15 проходив електричний струм. При цьому максимальну силу струму дуги та її тривалість підбирають так, щоб електромагнітні сили пінч - ефекту 5 гарантовано перетискали струмінь у місці проходження струму. Управляють струмом з джерела 6 за допомогою електронного ключа 7. Після відділення частки струменя 8 вона під дією сил поверхневого натягнення утворює сферичну форму і після остигання утворює гранулу 9. При великій частоті диспергування за допомогою електричної дуги для нівелювання дії сили електронного тиску доцільно використовувати три або більше дуг, як: розташовуються у одній площині (перпендикулярній струменю), з сумарним необхідним струмом. Об'єм гранули металу V визначають з формули V  SU / N , де: S - площа перерізу струменя, U - швидкість струменя (див. фіг.), N - частота запалювання дуги. Між проходженням струму t і періодом генерації 1/ N виконують співвідношення 1 1/ N . Час перетискання струменя поверхневим тиском оцінюють як t ~ (  d3 / )1/ 2 , де:  - щільність рідини струменя рідкого металу або сплаву d - характерний розмір (діаметр струменя),  - коефіцієнт поверхневого натягу ("Монодиспергирование вещества: принципы и применение/ Е. В. Аметистов, В. В. Блаженков, А. К. Городов и др.; Под ред. В. А. Григорьева. - М.: Энергоатомиздат, 1991.-336 с"). Тиск в струмені, який викликається пінчефектом, розраховують за формулою 20 Pe  B 2 / 8 , де: B - індукція поля. На відрізку струменя рідкого металу з електричним струмом B  2 0I / d , де:  - магнітна проникність навколишнього середовища,  0 - магнітна постійна, яка рівна 4  10 7 Гн/м, I - величина струму. За аналоги з тиском, що викликається поверхневим натягом,  e , визначають електромагнітним тиском Pe  2 e / d , звідки 25 30 35 40 45 50 t ~ [  d3 /(  Pe d / 2)] 1/ 2 . Наведені формули визначають необхідні і достатні зв'язки між параметрами диспергування. Можливість здійснення винаходу, що заявляється, показано наступними прикладами. Приклад 1. Як рідкий метал, що диспергувався, було використано олово. Діаметр отвору, через який продавлювалося олово, становив 300 мкм. Швидкість струменя була близько 1 м/с. Методом вимушеного капілярного розпаду струмінь не диспергувався (із за окиснювання). При подачі імпульсів струму на ділянку струменя (довжина ділянки - 300 мкм) за допомогою двох мідних електродів виникало диспергування. Величина струму була 10 А, час дії- 5 мкс, частота варіювалась від 500 Гц до 1000 Гц. У результаті отримали (після остигання крапель олова у повітрі) гранули олова діаметром від 1 мм до 0,81 мм, відповідно. Приклад 2. Як рідкий метал, що диспергувався, було використано свинець. Діаметр отвору, через який продавлювався свинець, становив 300 мкм. Швидкість струменя була близько 1 м/с. Струмінь виходив з отвору в сталевій ємності з рідким свинцем. Методом вимушеного капілярного розпаду струмінь не диспергувався (з-за окиснювання). При подачі імпульсів струму на ділянку струменя (довжина ділянки - 300 мкм) за допомогою двох мідних електродів виникало диспергування. Величина струму була 10 А, час дії - 5 мкс, частота варіювалась від 500 Гц до 1000 Гц. У результаті отримали (після остигання крапель свинцю у повітрі) гранули діаметром 1 мм і 0,81 мм, відповідно. З наведених прикладів видно, що запропонований винахід дозволяє отримувати гранули зі струменя рідкого металу або сплаву з окисною плівкою, а крімтого, частоту диспергування можна варіювати. Винахід дозволяє диспергувати струмінь металу або сплаву з високим коефіцієнтом корисної дії з заданим розподілом отримуваних гранул по розмірах, незалежно від величини коефіцієнта поверхневого натягнення і окиснення металу або славу, уникнути обов'язкове застосування герметичних об'ємів і інертних газів. 2 UA 106133 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 Спосіб отримання монодисперсних гранул металу або сплаву, що полягає в дії на струмінь рідкого металу або сплаву електричного струму, магнітне поле якого викликає розпад струменя, який відрізняється тим, що здійснюють імпульсне пропуcкання електричного струму через невелику ділянку вказаного струменя, внаслідок чого вона переривається тиском пінч-ефекту, яким відділяють потрібну частину струменя металу або сплаву, котра після остигання утворює гранулу заданого розміру. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3