устройство для получения металлических порошков из расплава

Формула изобретения

1. Устройство для получения металлических порошков из расплава, содержащее частично заполненную жидкостью камеру, в которой размещены разливочный тигель, распылительная чаша, хвостовик чаши, обечайка с отклоняющим козырьком, охватывающая распылительную чашу, вертикальный полый вал, соединенный с хвостовиком, и узел охлаждения, расположенный ниже уровня отклоняющего козырька обечайки, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено установленными соосно с распылительной чашей фиксирующей втулкой и опорным элементом, хвостовик чаши выполнен в виде планшайбы с центральным отверстием, фиксирующая втулка размещена между распылительной чашей и обечайкой, опорный элемент имеет форму диска и установлен под чашей на планшайбе в ее центральной части, обечайка размещена по периферии планшайбы и жестко соединена с ней, а верхняя часть полого вала закреплена в центральном отверстии планшайбы, узел охлаждения выполнен в виде кольцевого коллектора, имеющего патрубки с насадками, выходные отверстия которых обращены в сторону обечайки, при этом распылительная чаша, опорный элемент и фиксирующая втулка выполнены из огнеупорного материала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что распылительная чаша изготовлена из смеси нитрида бора и нитрида кремния, взятых в соотношении 1 0,15 0,45, или из оксида циркония, а фиксирующая втулка и диск изготовлены из шамота.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что планшайба имеет верхний и нижний концентрические выступы, при этом верхний концентрический выступ находится на некотором расстоянии от края планшайбы, его внутренняя стенка соприкасается с наружной кромкой диска, наружная стенка с внутренней стенкой обечайки, а нижний концентрический выступ находится вблизи от центрального отверстия планшайбы и охватывает верхнюю часть полого вала.

4. Устройство по пп. 1 3, отличающееся тем, что наружная стенка чаши, внутренняя и внешняя стенки фиксирующей втулки, а также внутренняя стенка обечайки имеют коническую форму.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии и предназначено для изготовления металлических порошков из расплавов на основе железа, никеля, кобальта и меди путем распыления расплава с использованием центробежной силы.

При изготовлении металлических порошков центробежных распылением расплава с поверхности вращающегося рабочего органа, изготовленного из материала, обладающего высокой теплопроводностью (металл, металлокерамика), происходит образование гарнисажа на кромке рабочего органа, что делает процесс нестабильным и приводит к снижению выхода кондиционного порошка. При распылении высокотемпературных (более 1000^oC) расплавов возрастает вероятность разрушения рабочего органа в результате гидродинамического воздействия расплава.

Известно устройство для получения металлических порошков из расплава ( патент Франции N 2 538 281, МПК B 22 F 9/08, 1984 ), включающее охлаждаемый распылительный диск и вертикальный вал, соединенный с диском. Распылительный диск имеет вогнутую поверхность и состоит из высокотемплопроводного медного цилиндра, бандажированного кольцом из нержавеющей стали, края которого выступают над поверхностью цилиндра. Внутри образовавшейся полости на торце цилиндра закреплена круглая керамическая пластина из цирконата магния или оксида алюминия, или оксида магния, на которой зафиксирована металлическая пластина толщиной менее 0,25 мм, принимающая на себя струю расплава на основе никеля или железа.

Недостатком этого устройства является то, что на периферии металлической пластины в зоне ее контакта с кольцом из нержавеющей стали образуется слой гарнисажа, который обусловливает нестабильность процесса распыления и снижает выход кондиционного порошка. Организация теплоотвода с поверхности распылительного диска посредство медного цилиндра приводит к изменению теплофизических свойств расплава, что в итоге дополнительно снижает выход продукта.

Известно также устройство для получения металлического порошка (авт. свид. СССР N 761 145, МПК B 22 F 9/08, 198 ), включающее частично заполненную жидкостью камеру, в которой размещены разливочный тигель, металлическая распылительная чаша цилиндрической формы, имеющая буртик с отклоняющим козырьком и огнеупорную конусную вставку, установленную в днище чаши по ее оси симметрии, обечайка с отклоняющим козырьком, охватывающая распылительную чашу, хвостовик чаши, вертикальный полый вал, соединенный с хвостовиком и образующий с конусной вставкой и обечайкой полости и каналы узла водоохлаждения чаши. Обечайка выполнена подвижной конусообразной с винтовыми лопастями на внутренней поверхности и снабжена стационарно установленным кожухом.

Недостатком известного устройства является то, что на внутренней стенке и буртике распылительной чаши образуется слой гарнисажа, обусловливающий нестабильность процесса и снижение выхода кондиционного продукта. Система водоохлаждения чаши обеспечивает интенсивный отвод тепла от распыляемого расплава, что приводит к его захолаживанию и затрудняет получение качественного продукта, особенно при распылении высокотемпературных расплавов.

Изобретение направлено на решение задачи повышения степени выхода кондиционных металлических порошков за счет исключения образования гарнисажа и улучшения термоизоляционных характеристик устройства при работе с высокотемпературными (более 1000^oC) расплавами.

Задача решается тем, что устройство для получения металлических порошков из расплава, включающее частично заполненную жидкостью камеру, в которой размещены разливочный тигель, распылительная чаша, хвостовик чаши, обечайка с отклоняющим козырьком, охватывающая распылительную чашу, вертикальный полый вал, соединенный с хвостовиком, и узел охлаждения, расположенный ниже уровня отклоняющего козырька обечайки, согласно изобретению дополнительно содержит установленные соосно распылительной чаше фиксирующую втулку и опорный элемент, хвостовик чаши выполнен в виде планшайбы с центральным отверстием, фиксирующая втулка размещена между распылительной чашей и обечайкой, опорный элемент имеет форму диска и установлен под чашей на планшайбе в ее центральной части, обечайка размещена по периферии планшайбы и жестко соединена с ней, а верхняя часть полого вала закреплена в центральном отверстии планшайбы, узел охлаждения выполнен в виде кольцевого коллектора, установленного вокруг планшайбы ниже уровня отклоняющего козырька обечайки и снабженного патрубками с насадками, выходные отверстия которых обращены в сторону обечайки, при этом распылительная чаша, опорный элемент и фиксирующая втулка выполнены из огнеупорного материала.

Задача решается также тем, что распылительная чаша изготовлена из смеси нитрида бора и нитрида кремния, взятых в соотношении 1:0,15-0,45 или из оксида циркония, а фиксирующая втулка и диск изготовлены из шамота.

Решению задачи способствует то, что планшайба имеет верхний и нижний концентрические выступы, при этом верхний концентрический выступ находится на некотором расстоянии от края планшайбы, его внутренняя стенка соприкасается с наружной кромкой диска, наружная стенка с внутренней стенкой обечайки, а нижний концентрический выступ находится вблизи от центрального отверстия планшайбы и охватывает верхнюю часть полого вала.

Задача решается и тем, что наружная стенка чаши, внутренняя и внешняя стенки фиксирующей втулки, а также внутренняя стенка обечайки имеют коническую форму.

Введение в устройство для получения металлических порошков фиксирующей втулки и опорного элемента, установленных соосно распылительной чаше и изготовленных, так же как и чаша, из огнеупорного материала, обеспечивает снижение теплопередачи от расплава к другим конструктивным элементам устройства (валу, обечайке), что исключает образование гарнисажа как внутри чаши, так и на ее рабочей кромке. В результате повышается стабильность распыления расплава и увеличивается выход кондиционного продукта.

Выполнение хвостовика чаши в виде планшайбы с центральным отверстием позволяет закрепить на ней огнеупорные теплоизолирующие элементы и обечайку и обеспечить надежное соединение с верхней частью вертикального полого вала, что способствует стабильности работы устройства.

Размещение фиксирующей втулки между распылительной чашей и обечайкой позволяет снизить теплопередачу от боковой стенки распылительной чаши к обечайке и закрепить распылительную чашу в обечайке на планшайбе.

Выполнение опорного элемента в виде диска и размещение его под распылительной чашей на планшайбе в ее центральной части обеспечивает снижение теплопередачи от днища распылительной чаши к планшайбе и полому валу, способствует надежному закреплению чаши в обечайке.

Размещение обечайки по периферии планшайбы и жесткое соединение с ней позволяет создать объемное пространство, образованное стенками обечайки и планшайбой, для размещения и закрепления в нем распылительной чаши, фиксирующей втулки и опорного элемента.

Выполнение узла охлаждения в виде кольцевого коллектора, имеющего патрубки с насадками, выходные отверстия которых обращены в сторону обечайки, позволяет подавать охлаждающие водяные струи на обечайку и обеспечивает на ее стенках необходимый тепловой режим.

Изготовление распылительной чаши из смеси нитрида бора и нитрида кремния, взятых в соотношении 1:0,15-0,45, придает рабочему органу требуемые теплофизические и прочностные свойства необходимые при центробежном распылении высокотемпературных расплавов металлов. Содержание нитрида кремния менее 0,15 вес. долей не позволяет получить необходимые прочностные характеристики распылительной чаши, а при содержании более 0,45 вес. долей значительно возрастает твердость материала, что усложняет процесс финишной обработки чаши при ее изготовлении.

Изготовление распылительной чаши из оксида циркония сообщает ей необходимые теплофизические и прочностные характеристики, но срок использования чаши ниже, чем в случае нитридного огнеупорного материала.

Изготовление фиксирующей втулки и диска из шамота обеспечивает при достаточной механической прочности шамота компенсацию разницы в линейном расширении чаши и обечайки при высоки температурах в установившемся режиме распыления расплава. Кроме того, шамот является дешевым и легкодоступным материалом.

Выполнение планшайбы с верхним и нижним концентрическими выступами обеспечивает строго фиксированное взаимное положение распылительной чаши, фиксирующей втулки, диска и обечайки относительно планшайбы и полого вала, что имеет важное значение для повышения стабильности распыления расплава, а также при монтаже и демонтаже элементов устройства.

Придание конической формы наружной стенке чаши, внутренней и внешней стенкам фиксирующей втулки и внутренней стенке обечайки повышает точность размещения указанных деталей относительно друг друга, что увеличивает стабильность распыления расплава и надежность работы устройства при высоких центробежных нагрузках.

На фиг. 1 показано устройство для получения металлических порошков, вертикальный разрез; на фиг. 2 узел 1 на фиг. 1 в увеличенном изображении.

Устройство для получения металлических порошков (фиг. 1-2) состоит из камеры 1, частично заполненной жидкостью 2. В камере 1 размещены разливочный тигель 3 с расплавом 4, вращаемая распылительная чаша 5 с хвостиком, выполненным в виде планшайбы 6, имеющей центральное отверстие с резьбой 7, верхний 8 и нижний 9 концентрический выступы, фиксирующая втулка 10, установленная соосно распылительной чаше 5 вокруг нее, обечайка 11 с отклоняющим козырьком 12, охватывающая фиксирующую втулку 10 и распылительную чашу 5, опорный диск 13, вертикальный водоохлаждаемый полый вал 14, верхняя часть которого закреплена в центральном отверстии посредством резьбового соединения 7, планшайбы 6, и охлаждающий кольцевой коллектор 15, установленный вокруг планшайбы 6 ниже уровня отклоняющего козырька 12 и снабженный патрубками 16, имеющими насадки 17, выходные отверстия которых обращены в сторону обечайки 11.

Вращаемая распылительная чаша 5 может быть изготовлена из оксида циркония или смеси нитрида бора и нитрида кремния, а фиксирующая втулка 10 и опорный диск 13 из шамота.

Опорный диск 13 размещен соосно распылительной чаше 5 на планшайбе 6 в ее центральной части так, что его наружная кромка соприкасается с внутренней стенкой верхнего концентрического выступа 8, который расположен на некотором расстоянии от края планшайбы 6.

Обечайка 11 по периферии планшайбы 6 и соприкасается своей внутренней стенкой с наружной стенкой выступа 8 планшайбы 6. Нижняя часть обечайки 11 отогнута наружу и образует с периферийной частью планшайбы 6 фланцевое соединение 18, скрепленное болтами 19.

Нижний концентрический выступ 9 планшайбы 6 находится вблизи от центрального отверстия планшайбы и охватывает верхнюю часть полого вала 14. Вал 14 установлен в шпинделе 20, закрепленном посредством фланцевого соединения 21 в основании камеры 1. В нижней части вала 14 имеется шкив 22 с приводным ремнем 23 который соединен с регулируемым электрическим приводом (не показан).

Для разделения потока распыленных частиц расплава и воды, охлаждающей обечайку, а также ограничения влияния вентиляторного эффекта от вращаемых элементов устройства предусмотрен отбойный конус 24, установленный на уровне отклоняющего козырька 12 обечайки 11.

Камера 1 снабжена смотровым окном 25 для визуального контроля за работой устройства и приемником 26 порошка.

Наружная стенка распылительной чаши 5, внутренняя и внешняя стенки фиксирующей втулки 10 и внутренняя стенка обечайки 11 могут иметь коническую форму.

Работа устройства для получения металлических порошков осуществляется следующим образом. При включении электрического привода вращение посредством приводного ремня 23 передается на шкив 22 и вал 14, который сообщает вращательное движение распылительной чаше 5, выполненной из огнеупорного материала. Включается система охлаждения полого вала 14. Охлаждающая вода подает также в коллектор 15, проходит через патрубки 16 и насадки 17 и орошает поверхность металлической обечайки 11 под отклоняющим козырьком 12. Одновременно осуществляют разогрев вращаемой распылительной чаши 5, например газовой горелкой, до температуры 600-900^oC. Контроль за температурой чаши 5 осуществляется оптическим пирометром через смотровое окно 25.

Из разливочного тигля 3 расплав металла 4, имеющий температуру более 1000^oC, подается во вращаемую чашу 5 в виде струи, которая растекается под действием центробежных сил по ее днищу и стенкам в виде тонкой пленки и приобретает кинетическую энергию, достаточную для распыления расплава с кромки чаши 5. В установившемся режиме распыления чаша 5 приобретает температуру расплава, что позволяет исключить образование гарнисажа на внутренней поверхности и кромке чаши 5 и повышает стабильность распыления расплава. Наличие фиксирующей втулки 10 и диска 13, выполненных из огнеупорного материала, обеспечивает надежную теплоизоляцию чаши 5 от обечайки 11 и вала 14. При этом температура наружной стенки обечайки 11 не превышает 300-350^oC, а вала 200-250^oC. Распыленные частицы расплава попадают в жидкость 2, охлаждаются и концентрируются в приемнике 26 камеры 1.

Таким образом предлагаемое устройство для получения металлических порошков обеспечивает повышение стабильности процесса распыления высокотемпературных расплавов на основе меди, железа, никеля и кобальта, что позволяет в широком диапазоне управлять формой и размером распыленных частиц и повысить степень выхода кондиционного порошка. Устройство обеспечивает производительность по распыляемым расплавам, равную 60-200 кг/мин. Рабочий орган предлагаемого устройства, выполненный из огнеупорного материала, может быть использован в течении 6-8 циклов распыления расплава.