способ производства металлических гранул из расплавленного металла

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ГРАНУЛ ИЗ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА, включающий подачу струи расплава металла на поверхность опорного элемента, дробление струи на капли путем удара об опорный элемент с последующим погружением в воду в кольцевой зоне от опорного элемента, находящегося над поверхностью воды, при периодическом изменении высоты опорного элемента над поверхностью воды путем его возвратно-поступательного перемещения в вертикальном направлении, охлаждение и кристаллизацию, отличающийся тем, что перемещение опорного элемента из крайнего нижнего положения в верхнее проводят с изменяющейся в течение цикла скоростью, причем сначала опорный элемент подвергают разгону до достижения максимальной скорости и затем перемещают с уменьшающейся скоростью до верхнего граничного положения с последующим ускоренным возвращением в крайнее нижнее или исходное положение, а дробление осуществляют во время перемещения опорного элемента вверх.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при перемещении в нижнее положение опорный элемент размещают на 5 - 50 см над поверхностью воды, вертикальное возвратно-поступательное перемещение элемента осуществляют на 10 - 100 см.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что высоту струи поддерживают постоянной, равной 40 - 200 см.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что возвратно-поступательное перемещение опорного элемента проводят с частотой 30 - 300 циклов/мин.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что перемещение опорного элемента в исходное положение проводят со скоростью, превышающей скорость подачи струи расплава.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве расплава металла берут расплав кремния или феррокремния.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам получения металлических гранул из расплавленного металла.

Известен способ получения дисперсных металлических материалов, включающий подачу струи расплава на ударную поверхность рабочего инструмента для диспергирования, в результате удара о которую происходит разделение струи на капли и формирование дисперсных частиц [1]. Способ не позволяет изменять и регулировать радиальное расстояние во время дробления и обладает ограниченными возможностями по формированию гранул заданного размера.

Известен также способ получения гранул из расплава, включающий подачу струи расплава на опорную поверхность рабочего инструмента, установленного с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оси устройства, дробление струи, формирование гранул и охлаждение их в емкости с охлаждающей жидкостью [2]. Способ также обладает ограниченными возможностями, т.к. дробление струи ведут только во время верхнего хода рабочего инструмента, при этом исключено периодическое изменение радиального расстояния падения гранул в охлаждающую среду во время дробления.

Наиболее близким к предложенному является способ производства металлических гранул из расплавленного металла, включающий подачу струи расплава металла на поверхность опорного элемента, дробление струи на капли путем удара об опорный элемент с последующим погружением в воду в кольцевой зоне от опорного элемента, находящегося над поверхностью воды, при периодическом изменении высоты опорного элемента над поверхностью воды путем его возвратно-поступательного перемещения в вертикальном направлении, охлаждение и кристаллизацию [3].

Целью изобретения является расширение технологических возможностей способа и повышение производительности процесса.

На фиг.1 схематично изображено устройство, в котором осуществляют описываемый способ; на фиг.2-6 - диаграммы в виде графиков, показывающих радиус распределения капель расплавленного металла в зависимости от времени в течение рабочего цикла для различных параметров: высоты расположения опорного элемента над поверхностью воды (h), полной высоты падения (Н), длины хода (S) и периода (Р); на фиг.7-11 - столбчатые диаграммы, иллюстрирующие распределение (% ) гранул, образованных на разных средних расстояниях от ударного элемента, для разных случаев, связанных с фиг.2-6.

Способ осуществляют в устройстве, содержащем цилиндрический бак 1, наполненный водой 2 до уровня 3. Дно 4 бака выполнено коническим и сужается вниз в направлении к разгрузочному трубопроводу 5 для выгрузки полученных гранул 6. Трубопровод 7 для подачи воды соединен с баком в верхней его части. В центре бака расположен опорный элемент 8 на высоте h выше уровня 3 воды. Высоту h периодически изменяют во время дробления и гранулирования между нижним положением h_е и верхним положением h_и посредством привода 9.

Опорный элемент (или разбрызгиватель) 8 выполнен в виде круглого блока из огнеупорного материала. Блок имеет плоскую верхнюю поверхность и соединен с приводом 9 посредством вертикального стержня 10. В соответствии с предпочтительным вариантом привод 9 состоит из гидроцилиндра, причем находящийся в цилиндре поршень соединен со стержнем 10, который образует поршневой шток или является его продолжением. Привод 9 в виде гидроцилиндра размещен в кожухе 11, поддерживаемом посредством опор 12. Кожух 11 может быть заполнен водой. Проход для штока 10 обозначен позицией 13. Через кожух 11 и через нижнюю часть водяного бака проходят трубопроводы 14 для подачи гидравлического масла в цилиндр и отвода его оттуда. Схематически показано средство 15 для регулирования расхода масла, текущего в привод 9 и оттуда.

Выше опорного элемента (разбрызгивателя, или блока) 8 установлено промежуточное разливочное устройство 16 с желобом (течкой) 17 для подачи расплавленного металла в разливочное устройство 16. Точно над опорным элементом 8 расположено выпускное (выливное) отверстие 18. Струя жидкого металла, ударяющая в опорный элемент 8, обозначена позицией 19. Полная высота падения расплавленного металла, то есть уровень расплавленного металла в промежуточном разливочном устройстве 16 над уровнем 3 воды, обозначена буквой Н.

При ударении струи расплавленного металла 19 об опорный элемент 8 расплавленный металл дробится на капли 20, которые распределяются по поверхности воды во всех радиальных направлениях, разлетаясь по траекториям, имеющим более или менее форму плоских парабол. Если полная высота Н падения и высота h расположения опорного элемента 8 над уровнем 3 воды постоянны, то все капли 20 будут достигать поверхности воды в пределах ограниченной кольцевой зоны на некотором радиальном расстоянии от опорного элемента 8. При подъеме элемента 8 со сравнительно высокой скоростью посредством гидравлического цилиндра привода 9 к скорости падения струи 19 добавляется вертикальная скорость перемещения элемента 8, в результате чего энергия удара и, следовательно, радиус распределения капель 20 будут увеличиваться. Между длиной S хода блока, его конечными положениями h_e и h_и, полной высотой Н падения, скоростью опорного элемента и периодом движения существуют определенные взаимосвязи.

На фиг.2-11 показаны пять примеров, в которых упомянутые функциональные взаимосвязи были проанализированы теоретически. В таблице даны цифровые значения наименьшей высоты расположения опорного элемента 8 над уровнем воды, длины хода, полной высоты падения, периода и максимальной скорости опорного элемента при движении в направлении вверх для пяти случаев.

График, иллюстрирующий скорость опорного элемента одинаков в примерах 1-4. Начиная со скорости 0 в начале каждого периода движение опорного элемента 8 вверх сначала ускоряли, в результате чего скорость достигала максимума - 125 см/с а время 0,18 с. После этого движение замедляли до 0 (когда опорный элемент 8 достигал своего верхнего положения), когда высота h_и над уровнем 3 воды была 40, 45, 50 и 40 см соответственно, что происходило через 0,36 с. В момент, когда опорный элемент имел наибольшую скорость V_max движения вверх, он только что прошел первую половину хода, что означает, что высота h в первых четырех примерах в этот момент составляла 25, 30, 35 и 25 см соответственно. После достижения наивысшей точки (высоты h_и над уровнем 3 воды) разбрызгиватель 8 быстро возвращали в исходное положение (высота h_е = 10 см над уровнем 3 воды) за 0,04 с (оставшаяся часть периода).

Высота расположения опорного элемента над уровнем 3 воды, выраженная в метрах, скорость движения опорного элемента в направлении вверх, выраженная в метрах в секунду, и радиус распределения гранул, выраженный в метрах (среднее значение радиального расстояния, на котором капли достигали поверхности воды), в зависимости от времени в течение цикла показаны на фиг.2-6 в виде графиков h₁, h₂...h₅; v_1, v₂...v₅; и r₁, r₂...r₅. в пяти примерах соответственно.

Во всех примерах наибольший радиус распределения (r_max) получали немедленно за моментом прохождения опорного элемента 8 половины его общей длины хода. Наименьший радиус распределения во всех примерах получали в исходном положении, когда опорный элемент 8 находился в его крайнем нижнем положении h_е над уровнем воды.

Желательно, чтобы капли 20 распределялись равномерно по поверхности воды в течение каждого цикла работы, что означает, что большее количество капель должно попадать в крайнюю наружную кольцевую зону, поскольку капли в этой зоне могут быть распределены по большей поверхности, чем в кольцевых зонах, находящихся ближе к центру. Кроме того, охлаждение более эффективно в наружных частях (из-за близости ввода охлаждающей воды через трубопровод 7), что также благоприятно для более плотного (густого) распределения капель расплавленного металла в наружных зонах. Наилучшая диаграмма распределения (фиг.7) была получена в примере 1. В примерах 2 и 3 центральные части бака не были эффективно использованы для гранулирования. В примере 4, где полная высота падения была ниже, чем в других примерах, не были использованы периферийные (наружные) части бака, что не хорошо, поскольку для большого бака оказывается лишним некоторый его объем. С другой стороны, такое распределение может быть желательным в тех случаях, когда имеется в наличии лишь относительно небольшой бак. Это в некоторой степени касается также примера 5, в котором общий характер диаграммы распределения (фиг.11) подходит ближе к идеалу.

Описываемый способ позволяет улучшить условия гранулирования таких материалов, как железо, ферроникель, никель, феррохром, сталь, кремний, ферросилиций и других металлов и сплавов со сравнительно низкой плотностью и/или с высоким тепловыделением. Способ обеспечивает возможность легкого повышения производительности на существующих установках для гранулирования расплавов металлов.