Разработка технологии и оборудования для производства металлических порошков центробежным распылением пленки расплава

В настоящее время наблюдается активное расширение областей применения технологий порошковой металлургии в различных отраслях промышленности. Наряду с традиционными потребителями порошковой продукции, йоследняя стала широко использоваться в радиотехнической отрасли, в машиностроении, как компонент сырья для линий конструкционной пайки, при производстве взрывчатых веществ и т. д. Поэтому номенклатура и объем применяемых порошковых материалов постоянно расширяется, что обуславливает необходимость не только в разработке новых технологий, но и в совершенствовании существующих.

Характеристики современных порошковых материалов, требуют при их получении применения качественных металлических порошков, к которым с каждым годом предъявляются все более высокие требования. При этом процесс их производства продолжает оставаться связанным с трудностями, вызванными в основном недостаточной эффективностью работы существующего оборудования, как с точки зрения получения порошков с необходимыми свойствами, так и с позиции производительности процесса.

Например, для широко применяемого газового распыления расплавов, наиболее актуальна проблема снижения удельного расхода газа. Для получения качественных порошков с высокими требованиями по химической чистоте и сферичности частиц используют дорогие, и дефицитные инертные газы, такие как аргон и гелий. В условиях высоких удельных расходов газа это приводит к росту себестбимости получаемых порошков, необходимости включения в технологическую цепочку газификаторов, а также создания сложных и дорогих систем очистки и регенерации отработавшего газа.

Другой проблемой, характерной для распыленных металлических порошков, является значительная неоднородность гранулометрического состава, вследствие чего часть порошка (иногда до 50%) приходится отсеивать и направлять на утилизацию или на переработку, что в некоторых случаях представляется крайне затруднительным. Удлинение же технологической цепочки также отражается на повышении стоимости годного продукта, впрочем, как и решение вопросов, связанных с экологической безопасностью.

Кроме того, наметившаяся в промышленности тенденция к миниатюризации выпускаемых изделий и, соответственно, компактности их составляющих обуславливает переход производителей электроники на пайку припоями и паяльными пастами, включающими более дисперсные порошки многокомпонентных сплавов. В настоящее время актуальными стали размеры частиц порошка менее 25 мкм и число производств, где требуются такие дисперсные порошки, продолжает увеличиваться.

Также необходимо указать на тот факт, что широкое применение порошковых материалов в различных отраслях промышленности ограничивается их высокой себестоимостью. Это зачастую делает экономически оправданными только крупномасштабные проекты производств металлических порошков. Такой вид производства не способен обеспечить широкую номенклатуру изделий, востребованных в настоящее время на внешнем и внутреннем рынках. Решение данной проблемы видится в создании многофункциональных установок, позволяющих получать разнообразные металлические порошки для конкретного потребителя, хоть и с небольшой производительностью, но при существенном сокращении капитальных и прямых затрат на производство.

Указанные выше проблемы делают актуальным проведение работ, направленных на повышение эффективности существующего оборудования, как в техническом, так в экономических аспектах.

Цель настоящей диссертационной работы заключается в разработке технологии получения порошков распылением расплава, которая бы позволила повысить выход годных фракций порошка в определенном диапазоне размеров частиц при сохранении требуемого качества порошка и одновременном снижении себестоимости производства.

Предпосылками достижения цели стали: а) опыт получения распыленных порошков, накопленный в научно-исследовательской лаборатории № 8 НГТИб) проект создания новой опытно-промышленной установки распыления металлов и сплавов с температурой плавления до 1000 °C на производственной базе НПП «НЕТРАММ" — в) программа работ с предприятиями порошковой металлургии по совершенствованию технологий производства порошковых материалов, в рамках НИОКР, выполняемых научно-исследовательской лабораторией № 8 НГТИ.

Для достижения поставленной цели выполнены следующие работы:

— рассмотрены основные способы получения порошковых материалов, в частности методами центробежного распыления расплавов;

— проведен анализ научной и патентной литературы по методам распыления расплавов, основанных на использовании центробежной силы, и существующим конструкциям центробежных распылителей. В результате этого рассмотрения намечены основные пути повышения эффективности работы данного типа распылительных устройств;

— предложен способ получения металлического порошка, сочетающий в себе достоинства ' традиционного центробежного распыления диском и центробежно-гидравлического распыления;

— рассмотрены физико-химические основы процессов центробежного диспергирования расплава в различных формах и даны рекомендации по осуществлению взаимодействия потока расплава и распылительного диска;

— разработана конструкция узла центробежного распыления пленки расплава, методика проведения экспериментов и осуществлены модельные испытания, позволяющие выбрать оптимальные параметры узла распыления;

— спроектирована и изготовлена опытно-промышленная установка центробежного распыления пленки металлических расплавов для исследования предложенного метода и отработки технологии получения порошковых материалов центробежным распылением;

— поставлены эксперименты по распылению металла, демонстрирующие эффективность метода, а также выполнен анализ свойств полученных порошков;

— по результатам экспериментальных исследований на опытной установке выработан комплекс рекомендаций по проектированию промышленного варианта технологического4 оборудования для получения порошков центробежным распылением пленки расплава;

— оценена экономическая эффективность производства металлических порошков центробежным распылением пленки расплава.

На защиту выносятся:

1. Рекомендации по организации взаимодействия пленки расплава и центробежного распылителя, позволяющие повысить эффективность процесса распыления.

2. Метод диспергирования расплава, заключающийся в центробежном распылении конической пленки расплава, формируемой в центробежно-гидравлической форсунке.

3. Методика проведения модельных испытаний узла распыления, включающая комплексное исследование процесса диспергирования.

4. Технология и оборудование для получения металлических порошков центробежным распылением пленки расплава, позволяющие значительно повысить выход годного продукта и снизить затраты.

Работа выполнена в соответствии с программой госбюджетных научно-исследовательских работ, ведущихся в научно-исследовательской лаборатории № 8 Новоуральского государственного технологического института, а также в рамках развития новых направлений в программе по производству порошковых материалов НПП «НЕТРАММ».

10. Результаты работы положены в основу способа получения металлических порошков, на который подана заявка № 2 005 106 010 на патент [13], и использованы при создании опытно-промышленной установки по получению порошков сплава ПОС-61 на производственных мощностях НПП «НЕТРАММ» (Приложение 4), при создании промышленного производства порошков припойных сплавов для паяльных паст в рамках производственной программы ООО «Распылительные Системы и Технологии» (Приложение 5), а также при создании промышленного производства порошков ПОМ-3 для ЗАО «Русское олово» (г.Балашиха, Московской обл.) (Приложение 6).

11. Основные материалы работы представлены на VI международной студенческой конференции «Полярное сияние-2003» 31 января-6 февраля 2003 г. в Санкт-Петербурге [2]- Международном конгрессе и выставке по порошковой металлургии «РМ2004"^ 17−21 октября 2004 в Вене, Австрия [78]- Научной сессии МИФИ-2005 IV научно-практической конференции «Научно-инновационное сотрудничество» 24−28января 2005 г. в Москве [50]- IV межотраслевой научно-технической конференции «Автоматизация и прогрессивные технологии -2005» 26−29 сентября 2005 г. в Новоуральске [10, 57, 59];

Считаю своим приятным долгом выразить признательность сотрудникам Новоуральского Государственного Технологического института, а особенно работникам научно-исследовательской лаборатории № 8 НГТИ, оказавшим всестороннюю поддержку при подготовке и выполнении работы.

Кроме того, выражаю благодарность доценту кафедры «Технология машиностроения» НГТИ кандидату технических наук Станиславу Владимировичу Лагуткину за постоянную помощь в работе. 1 2 3 4 5 6 7 8 9.

10 и.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Рассмотрены перспективные направления развития порошковой металлургии, области применения порошковых и композиционных материалов и выделены основные проблемы. Среди них: высокая стоимость порошковых материалов, ограничивающая их широкое применение при решении многих технических задач и сложность регулирования свойств порошка при его получении, ' обусловленная недостаточной эффективностью работы существующего оборудования.

2. Проведен анализ наиболее распространенных методов получения порошка, связанных с использованием центробежных сил для диспергирования расплавов и произведена их классификация с помощью системы существенных технологических и конструктивных признаков.

3. Выполнен патентный обзор существующих конструкций распылительных устройств, цель которого — систематизация достоинств и недостатков устройств центробежного распыления и выявление основных направлений работ по повышению эффективности процесса распыления. На основании этого предложен принципиально новый комбинированный метод диспергирования расплава, получивший название «центробежное распыление пленки расплава». Идея данного метода заключается в сочетании центробежно-гидравлического и традиционного центробежного распылений, т. е. распыление тонкой пленки расплава, формируемой центробежными силами, вращающимся центробежным распылителем.

4. Проанализированы физико-химические основы процессов диспергирования расплава в виде тонкой пленки, рассмотрены условия ее устойчивости,' деформации и распада как для случая центробежного распыления вращающимся диском, так и для центробежно-гидравлического метода. Кроме того, обобщены представления о формообразовании и течении пленки расплава на поверхности вращающегося диска, рассмотрены виды механизмов дробления при центробежном распылении и изучены представления о процессах отделения капли от кромки диска и ее дальнейшего полета в атмосфере камеры осаждения. На основании анализа опубликованных.

167 данных даны' рекомендации по осуществлению эффективной организации процесса взаимодействия расплава и центробежного распылителя.

5. Разработаны конструкция узла центробежного распыления пленки расплава и экспериментального стенда, предназначенные проведения модельных испытаний. В результате, определена оптимальная геометрия центробежно-гидравлической форсунки. Экспериментальные работы по центробежному распылению металлических расплавов, позволили определить необходимые параметры технологического оборудования и выработать ряд рекомендаций, для разработки опытной установки распыления.

6. Эксперименты на металле, для которых была спроектирована и изготовлена опытно-промышленная установка, подтвердили на практике эффективность предложенного метода по сравнению с традиционным распылением, использующим поле центробежной силы. Получены образцы порошков, имеющие сферическую форму и небольшое содержание сателлитов. При этом отмечено снижение среднего размера частиц получающегося порошка и повышении его однородности.

Кроме прочего, эксперименты показали, что предложенный метод имеет преимущества перед традиционным методом центробежного распыления струи в вопросе получения дисперсных порошков при сохранении высоких показателей по производительности процесса распыления.

Также, у него отсутствует зависимость между расходом расплава, поступающего на распыление, и гидростатическим напором расплава, находящимся в тигле над сливным устройством, характерная для обычных схем центробежного распыления струи расплава, что дает возможность эффективно управлять процессом распыления, добиваясь обеспечения заданных свойств порошка и производительности в широких пределах при минимальных энергозатратах.

7. В результате экспериментальных работ по изучению предложенного метода на опытно-промышленной установке, был выработан ряд рекомендаций для реализации предложенного метода в производственных условиях и спроектирован промышленный вариант установки, работающей на основе предложенного метода.

8. Были получены результаты по изготовлению партий порошков припоев на опытно-промышленной установке центробежного распыления пленок расплава, а также изучен ряд вопросов, связанных с конструкцией узла центробежного распыления пленки расплава в рамках работ по получению алюминиевых порошков и гранул на установке центробежного гранулирования расплавов.

9. На основании результатов по получению опытно-промышленных партий порошков на установках, работающих на основе предложенного метода ЦРПР, произведена оценка экономической эффективности метода, свидетельствующая о значительном сокращении затрат при его внедрении в производство.