способ получения порошков алюминия и его сплавов

Формула изобретения

1. Способ получения порошков алюминия и его сплавов, включающий приготовление расплава алюминия или его сплавов, его перегрев выше температуры ликвидуса на 50-150^oС и распыление газовым потоком, отличающийся тем, что расплав подают через необогреваемый металлоприемник, распыление осуществляют холодным воздухом при соблюдении следующей зависимости:

Р_в= (0,07-0,15)D_м,

где P_в - давление воздуха, МПа;

D_м - диаметр выпускного отверстия металлоприемника, мм,

а образующиеся металлические частицы улавливают в емкость с водой, расположенную на расстоянии 2,5 - 3,0 м от торца форсунки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при приготовлении расплава, содержащего до 30% мелких кусковых отходов, применяют покровно-рафинирующие флюсы на основе галоидных солей щелочных и щелочноземельных металлов в количестве 0,5-5,0% от массы отходов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области литейного производства и порошковой металлургии, в частности к получению порошков алюминия и его сплавов распылением.

Известен способ получения порошков алюминия и его сплавов, согласно которому после расплавления и нагрева металла до 720^oС его сначала под воздействием эжекции, а затем электромагнитного поля подают в форсунку и на выходе из сопла диспергируют сжатым газом [1].

Известен также способ получения порошка алюминия, сущность которого заключается в том, что после расплавления алюминия в отражательной печи и перегрева до (74020)^oС расплав, через отверстие 4-6 мм, подают в форсунку, где распыляют воздухом, разбавленным азотом до содержания кислорода 5-10% или инертным газом при давлении 0,8-1,0 МПа [2].

Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления порошков из активных легкоплавких металлов и сплавов, согласно которому расплав, перегретый выше температуры ликвидус на 50-150^oС поступает в зону распыления струей, диаметром 6-8 мм, где диспергируется технически чистым азотом, истекающим из форсунки с кольцевым соплом [3].

Общими недостатками вышеперечисленных способов являются высокая себестоимость процесса получения алюминиевого порошка и сложное аппаратурное оформление при его осуществлении, обусловленное необходимостью применения азота, инертных газов с низким содержанием кислорода и охлаждения порошка в инертной среде.

Задача, решаемая изобретением, заключается в снижении затрат при получении порошкового алюминия за счет использования стандартного технологического оборудования, не требующего дополнительного переоснащения, и воздуха вместо инертного газа.

Для решения поставленной задачи при использовании способа получения порошков алюминия или его сплавов, включающем приготовление расплава алюминия или его сплавов, перегрев выше температуры ликвидус на 50-150^oС и распыление газовым потоком, расплав подают через необогреваемый металлоприемник, распыление осуществляют холодным воздухом при соблюдении следующей зависимости:

Р_в=(0,07-0,15) D_м,

где Р_в - давление воздуха, МПа;

D_м - диаметр выпускного отверстия металлоприемника, мм,

а образующиеся металлические частицы улавливают в емкость с водой, расположенную на расстоянии 2,5-3,0 м от торца форсунки.

При приготовлении расплава, содержащего до 30% мелких кусковых отходов применяют покровно-рафинйрующие флюсы на основе галоидных солей щелочных и щелочноземельных металлов в количестве 0,5-5,0% от массы отходов.

Метод распыления расплавов газообразными энергоносителями является высокопроизводительным, сравнительно дешевым и технологически пригодным для промышленного использования в условиях неспециализированных предприятий машиностроительного комплекса. Механическое воздействие газового потока на расплав является основным, но не единственным фактором, определяющим эффективность распада струи на мелкодисперсные частицы. Большое влияние на их размер, форму и состояние поверхностного слоя оказывают теплофизические свойства газа - энергоносителя и характер физико-химического взаимодействия между каплей расплава и газом. Процесс распыления алюминия и его сплавов воздухом сопровождается мгновенным образованием защитного оксидного слоя на поверхности частиц и препятствует повышению температуры в камере распыления более критического уровня, величина которого составляет 180-200^oС, предотвращая тем самым их самовозгорание. Кроме того, процесс распыления алюминия холодным воздухом характеризуется интенсивным конвективным теплообменом между газовым потоком и образующимися каплями расплава, что позволяет получать мелкодисперсные частицы. При этом общее количество оксида Аl₂О_з не превышает 5-7% (объем). Таким образом, применение холодного дутья позволяет отказаться от использования дорогостоящих инертных газов и сложного в эксплуатации технологического оборудования.

Подачу металлического расплава в камеру распыления осуществляют с помощью ковшевой разливки через необогреваемый металлоприемник, снабженный выходным патрубком с калиброванным отверстием диаметра D_м. Перегрев металла на 50-150^oС выше температуры ликвидус и высокая скорость процесса распыления обеспечивают стабильность процесса истечения струи металлического расплава и получение 80-95% порошка фракции 50-250 мкм при условии соблюдения соотношения Р_в=(0,07-0,15)D_м.

Выпускное отверстие металлоприемника изготавливают по шаблону с помощью нанесения покрытий из огнеупорных составов, что позволяет изменять его диаметр в широком диапазоне, а следовательно, и скорость истечения металла в зависимости от основных литейных параметров сплава и присутствия в его составе таких поверхностно-активных элементов, как магний, цинк и др. Так, например, согласно экспериментальным данным, если при распылении силуминов минимальный диаметр отверстия D_м, ориентировочно 5 мм, давление при этом находится в пределах 0,35-0,75 МПа, то в случае изготовления порошка из сплавов типа дюралей D_м не должен быть меньше 8 мм, а давление, соответственно 0,56-1,2 МПа.

Уменьшение Р_в<0,07 D_м приводит к существенному укрупнению частиц порошка вплоть до прекращения процесса распыления. Увеличение Р_в>0,15 D_м недопустимо вследствие повышения вероятности ошлаковывания струи расплава в результате увеличения скорости газового потока, переохлаждения металла в зоне выходного отверстия металлоприемника и его кристаллизации. Выполнение этого условия достигается либо за счет регулирования давления, либо путем изменения диаметра выпускного отверстия металлоприемника при постоянном Р_в.

С целью улавливания частиц образующегося алюминиевого порошка и поддержания температуры в камере распыления на безопасном уровне, т.е. менее 180-200^oС, приемную емкость, наполненную водой, располагают на расстоянии 2,5-3,0 м от торца форсунки. Расположение приемной емкости на расстоянии менее 2,5 м увеличивает долю крупных спеченных конгломератов частиц, не пригодных для дальнейшего использования в реализации различных технологических процессов, например, при алюминотермическом восстановлении оксидов различных металлов. Увеличение расстояния более 3 м не способствует улучшению основных технологических характеристик процесса, следовательно, неэкономично и нецелесообразно.

Использование в качестве шихты для приготовления металлического расплава различных отходов алюминия и его сплавов позволяет существенно уменьшить себестоимость получаемого порошка, т.к. цена отходов может быть в 3-5 раз меньше, чем первичных сплавов.

Необходимым и достаточным условием, обеспечивающим при использовании в составе шихты мелких отходов и стружки получение чистого по неметаллическим включениям расплава, является применение 0,5-5,0% (от их массы) покровно-рафинирующих флюсов на основе галоидных солей щелочных и щелочноземельных металлов. При этом независимо от размеров и чистоты отходов процесс распыления полученного расплава протекает стабильно, что объясняется адсорбирующими свойствами флюсов по отношению к неметаллическим включениям. Количество флюса менее 0,5% не обеспечивает качественный контакт с поверхностью отходов, а следовательно, и абсорбцию флюсом крупных оксидных плен. Флюс, взятый в количестве более 5% от массы отходов, способствует снижению производительности процесса вследствие уменьшения рабочего объема тигля, а также повышенному расходу реагентов, что неэкономично и нецелесообразно.

Способ осуществляют следующим образом. В тигле плавильного агрегата наплавляют алюминий или алюминиевый сплав. После его полного расплавления и перегрева выше температуры ликвидус на 50-150^oС с помощью ковшевой разливки подают в необогреваемый металлоприемник, из которого расплав истекает в камеру распыления, причем зависимость давления воздуха (Р_в, МПа) от диаметра выпускного отверстия металлоприемника (D_м, мм) выражается как: Р_в=(0,07-0,15) D_м, а распыление производят не подогретым воздухом. При этом факел распыления находится на расстоянии 50-70 мм от торца форсунки. Образующиеся металлические частицы улавливают в емкость, наполненную водой и расположенную на расстоянии 2,5-3,0 м от торца форсунки.

Переплав мелких кусковых отходов, например, стружки, производят совместно с покровно-рафинирующим флюсом на основе галоидных солей щелочных и щелочноземельных металлов, взятом в количестве 0,5-5,0% от массы отходов. При этом общее количество отходов в металлозавалке не превышает 30%.

Пример.

Процесс получения порошка алюминиевого сплава АВ 87 осуществляли следующим образом. Металл расплавляли в электрической печи сопротивления с графитошамотным тиглем, емкостью 30 кг (по алюминию). После его перегрева до 750^oС, т.е. выше температуры ликвидуса на 125^oС, с помощью разливочного ковша подавали в необогреваемый металлоприемник, выполненный в виде воронки. Величина диаметра выпускного отверстия D_м составляла 6,8 и 10 мм. Распыление производили не подогретым воздухом, а улавливание образующихся металлических частиц - в емкость, наполненную водой и расположенную на расстоянии 2,8 м от торца форсунки.

В таблице представлена зависимость степени дисперсности и выхода годного Вг порошка от величины диаметра выпускного отверстия D_м, и давления воздуха P_в при распылении сплава АВ 87.

Как видно из представленной таблицы, только при соблюдении соотношения Р_в= (0,07-0,15) D_м, выход годного порошка фракций 50-250 мкм, пригодных для нужд алюминотермии, составляет 90-95%. Несоблюдение этого соотношения резко снижает выход годного и ухудшает стабильность процесса распыления в целом.

Экспериментально установлено, что при использовании не более 30% мелких кусковых отходов и стружки, основные показатели процесса получения порошка не изменяются.

Таким образом, предложенный способ получения алюминиевого порошка позволяет, по сравнению с прототипом, снизить затраты за счет использования стандартного технологического оборудования, не требующего дополнительного переоснащения, и сетевого воздуха вместо инертного газа.

Источники информации

1. Патент РФ 2040374, МПК 6 В 22 F 9/08.

2. Грацианов Ю.А. и др. Металлические порошки из расплавов. М., Металлургия, 1970, с. 206.

3. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия. М., Металлургия, 1980, с. 49-50.