Загальні положення

Отримання порошків розпиленням розплавів

Метод одержання порошків розпиленням розплавів – один з основних, застосовний для виробництва порошків на основі заліза та кольорових металів, особливо міді, бронзи, олова, свинцю та ін. Він має багато переваг перед іншими промисловими способами виробництва металевих порошків: високу продуктивність і технологічність процесу, можливість його автоматизації, малі енергозатрати, високу якість отримуваних порошків.

Процес отримання порошків з розплавів грунтується на руйнуванні струменя рідини на пучки чи краплі та подальшому їх диспергуванні енергоносієм – газом чи рідиною до одержання дрібних частинок порошку. Різноманітні технологічні варіанти диспергування розплавів можна поділити на дві основні групи: центробіжне диспергування (механічна дія на струмінь металу) і форсункове розпилення. Крім того, використовуються ультразвуковий, електроімпульсивний, детонаційний методи, а також методи із застосуванням електромагнітних полів й електронного випаровування – іонним чи лазерним променем.

Найбільш поширене форсункове розпилення за допомогою газів чи рідини високого тиску. У разі використання газів застосовують тиск від 0,2 до 2,0 МПа, а рідини – від 2,0 до 10,0 МПа.

Принципову схему розпилення струменя розплавленого металу показано на рис. 3.1 і 3.2. Руйнування струменя металу газом можна описати так. За малих відносних швидкостей (близько 5 м/с) струмінь металу розпадається на окремі краплі (рис. 3, а) під дією капілярних сил і вісесиметричних коливань, інтенсивність яких зростає зі збільшенням швидкості газу до 25 м/с; довжина струменя, що не розпався, зменшується (рис. 3.1, б). Подальше збільшення швидкості (до 100 м/с) приводить до того, що під дією газового потоку струмінь набуває хвилеподібних коливань (рис. 3.1, в) і його розпадання прискорюється. Збільшення відносної швидкості понад 150 м/с зумовлює інтенсивне диспергування струменя металу й утворення металогазового факела (рис. 3.1, г), схему якого показано на рис. 3.2.

Швидкість руху газу, за якої починається інтенсивне диспергування струменя металу, називають критичною, яку можна оцінити виразом

де – поверхневий натяг розплаву; g_г – густина газоенергоносія; d_к – діаметр першопочаткової краплі розплаву.

Рис. 3.1. Схема руйнування струменя розплаву

Рис. 3.2. Схема диспергування струменя розплаву:

1 – струмінь розплаву; 2 – форсунка; 3 – первинні краплі;

4 – фокус розпилення

Швидкість руху газу, за якої починається інтенсивне диспергування струменя металу, називають критичною, яку можна оцінити виразом

де – поверхневий натяг розплаву; g_г – густина газоенергоносія;

d_к – діаметр першопочаткової краплі розплаву.

Згідно зі схемою розпилення (рис. 3.2) збурення струменя металу починається у першій зоні і закінчується розпадом на пучки чи краплі розміром 0,5…2,0 мм у нижній його частині. Подальше диспергування пучків і крапель на дещо менші частинки відбувається в другій зоні, а найінтенсивніше – в зоні фокуса розпилення, який характеризується найвищими показниками швидкостей, густини та кінетичної енергії газового потоку.

У нижній частині другої зони (зона 2, б) відбувається завершення диспергування великих крапель і починається охолодження дрібних. Процес охолодження і формування частинок порошку відбувається у третій зоні.

Механізм розпаду струменя розплавленого металу чи сплаву на первинні елементи дробіння (пучки, краплі) і подальшого їх диспергування залежить від властивостей розплавів та параметрів процесу, серед яких істотну роль відіграє кут зіткнення струменя розплаву з газовим потоком. Залежно від кута зіткнення струмінь може розпадатись від удару струменя газу об розплав чи сил тертя на межі між газом і розплавом. У разі малих кутів переважає процес руйнування струменя над механізмом тертя, а в разі більших – над ударним механізмом. Якщо значення тиску газу та швидкості його витікання великі, процес руйнування струменя металу набуває характеру вибуху, в процесі якого з однієї великої краплі розплаву утворюється багато дрібних. Параметри процесу розпилення, за яких реалізується вибуховий механізм диспергування розплавів, називають критичними, які найбільш часто застосовуються на практиці. Це зумовлено тим, що в цьому випадку поряд з інтенсивним диспергуванням крапель спостерігається якісний стрибок властивостей отримуваних порошків (збільшення гомогенності та виходу придатної фракції).

Перегріті металеві розплави зазвичай розглядають як типові ньютонівські рідини процесів диспергування, у зв’язку з чим їх взаємодія зі струменем газового потоку можна в загальному випадку описати критеріальним рівнянням:

де We– критерій Вебера, що характеризує співвідношення сил інерції і сил поверхневого натягу;

Lp– критерій Лапласа, що характеризує співвідношення сил поверхневого натягу і сил в’язкості рідини:

М – критерій, що характеризує співвідношення густини газу і рідини

N – критерій, що характеризує співвідношення в'язкості газу і рідини

де U_г – швидкість газу, h_р, h_г – динамічна в’язкість відповідно розплаву і газу; g_р, g_r – густина відповідно рідини й газу; s – поверхневий натяг; d_к – початковий діаметр краплі; d – кінцевий розмір частинок.

Якщо як визначальний параметр процесу розпилення припустити відносні швидкості руху струменя розплаву і енергоносія, то кількісно процес диспергування можна подати у вигляді функціональних залежностей між критеріями Лапласа (Lp) і Рейнольдса (Re), які відповідно дорівнюють:

і ,

де r_г – густина газу; V_г– швидкість газу; D_р – діаметр газового сопла.