Устройство для дозирования наноразмерных порошковых материалов

Полезная модель относится к оборудованию для дозированной загрузки широкого спектра наноразмерных порошковых материалов, характеризующихся пониженной текучестью, и их смесей, в том числе, склонных к комкованию и налипанию на стенки тары, используемых для подачи их в качестве компонента в растворы широкого спектра назначения, например, в штампы или пресс-формы для последующего формообразования, в виде таблеток, используемых в качестве модификаторов, вводимых в расплавы в качестве литейных присадок.
Известно загрузочное устройство, содержащее корпус, на котором размещен бункер для дозируемого порошкового материала, имеющий выходной канал для выдачи дозируемого материала. В корпусе с возможностью поворота смонтирован ротор, на котором выполнено, как минимум, одно углубление мерного объема. В нижней части корпуса имеется канал для выдачи дозированного материала. Устройство оснащено элементом регулирования объема мерного углубления ротора, выполненным в виде винта, ввинченного с возможностью настроечного перемещения и фиксации в заданном положении в резьбовое отверстие ротора, причем конец винта имеет возможность расположения в углублении мерного объема.
Перед работой устройства регулированием положения винта в мерном углублении, отстраивают рабочий объем углубления. При работе устройства ротор первоначально располагают таким образом, чтобы углубление (одно из углублений) мерного объема располагалось под выходным каналом бункера, через который из бункера осуществляется загрузка дозируемого материала, после чего ротор поворачивают в положение, при котором углубление с дозируемым материалом располагается напротив выходного канала корпуса, в результате чего отдозированная порция материала под действием собственного веса удаляется из углубления.
(см. патент РФ на полезную модель №115887, кл. G01F 11/00, 2012 г.).
Недостатком данного устройства является наличие винта, регулирующего объем дозирования за счет его вывинчивания/ввинчивания - настроечного перемещения и фиксации. Во-первых к самому винту могут прилипать наночастицы, которые коагулируют и создают «наплывы» изменяющие объем дозируемого материала, так как эти наплывы заполняют проходное сечение дозатора, что ограничивает повторяемость объема дозирования. Во-вторых, за счет трения между наноразмерным материалом и стенкой мерного углубления, количество дозируемого материала раз от раза будет меняться, что существенно снижает точность дозирования.
Известно устройство для загрузки дозированных порошковых материалов в пресс-форму, содержащее корпус с входным и выходным каналами, пристыкованный выходом к входному каналу корпуса бункер, в корпусе с возможностью поворота установлен ротор, в котором выполнена мерная полость для загрузки из бункера материала, мерная полость ротора выполнена сквозной, ее проходное сечение больше проходного сечения входного и выходного каналов, в мерной полости размещен с возможностью перемещения элемент регулирования ее объема, выполненный в виде плунжера, причем плунжер выполнен с возможностью регулирования его размера по высоте, а мерная полость имеет возможность соединения с выходным каналом корпуса.
(см. патент РФ на полезную модель №165026, МПК G01F 11/06, 2016 г.) - наиболее близкий аналог.
Недостатком данного устройства является зависимость работы дозатора от атмосферной влажности производственного помещения, влияющего на качество дозирования, заключающегося в налипании частиц порошка на стенки дозатора в случаях волглости порошковой массы при его хранении вне вакуумного оборудования или содержания в сухом помещении на открытом воздухе. Кроме налипания порошковой массы на стенки дозатора происходит ее комкование из-за применения различных пластифицирующих добавок, в качестве которых выступают жидкости, аэрозоли и твердые наполнители, обладающие поверхностной активностью, уменьшающие текучесть порошкового материал за счет межмолекулярного взаимодействия. Все это приводит к неполному удалению порошка из мерного углубления ротора, а кроме того, к изменению его состава при загрузке смесей материалов, особенно, нанопорошковых.
Таким образом, указанные выше решения-аналоги не могут быть эффективно использованы для точного дозирования наноразмерных порошков и их смесей, так как не в полной мере могут контролировать объем порошковой шихтовой массы, проходящей через полость дозатора, что существенно снижает их точность дозирования.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение точности дозирования наноразмерных порошковых материалов за счет устранения комкования порошковой смеси и налипания дозированной порошковой смеси на стенку мерной полости ротора при его (порошка) выгрузке.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в устройстве для дозирования наноразмерных порошковых материалов, содержащем корпус с входным и выходным каналами, пристыкованный к корпусу бункер для дозируемого материала, выход бункера связан с входным каналом корпуса, в корпусе с возможностью поворота установлен ротор, в котором выполнена сквозная мерная полость, имеющая возможность сообщения с входным и выходным каналами корпуса, размещенный в мерной полости с возможностью возвратно-поступательного перемещения плунжер, новым является то, что к бункеру пристыкован вибратор, а снизу корпуса размещен электромагнит, при этом плунжер выполнен из магнитного материала, а корпус и ротор выполнены из немагнитного материала.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг. 1 - устройство для дозирования наноразмерных порошковых материалов в составе установки для прессования дозированных материалов, (разрез Б-Б по фиг. 4);
- на фиг. 2 - место 1 по фиг. 1;
- на фиг. 3 - схема установки для прессования в положении удаления прессованного брикета (разрез Д-Д по фиг. 4);
- на фиг. 4 - вид А по фиг. 1 (схема установки для прессования вид сверху).
k
k
p
Устройство для дозирования наноразмерных порошковых материалов (фиг. 1) содержит полый корпус 1 с верхним входным 2 (D) и нижним выходным 3 (D) каналами. К входному каналу 2 пристыкован выход бункера 4, пристыкованного к корпусу 1. В полости корпуса 1 с возможностью поворота смонтирован ротор 5, имеющий мерную полость 6 (D) для загрузки в нее из бункера 4 дозируемого материала 7. В полости 6 с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения размещен плунжер, выполненный, предпочтительно, составным из двух частей 8 и 9, имеющих возможность перемещения друг относительно друга для регулирования высоты плунжера. Механизм относительного перемещения частей 8 и 9 может быть выполнен различным известным образом, например, в виде винта, установленного с возможностью вращения в одной части и ввинченного в резьбовое отверстие другой или резьбовой шпильки 10, ввинченной в резьбовые отверстия частей 8 и 9. Между частями 8 и 9 могут быть размещены проставки 11, выполненные в виде упругих элементов (пружин) или в виде шайб. Плунжер имеет форму поперечного сечения, идентичную форме поперечного сечения мерной полости 6 и установлен в ней с минимальным зазором. Это необходимо для исключения попадания дозируемого материала между стенками плунжера и мерной полости.
Ротор 5 оснащен механизмом поворота вокруг своей оси, это может быть электропривод или рукоятка (на фиг. не показано) - для вращения вручную. Угол поворота ротора 5 ограничивается стопором (на фиг. не показан), закрепленным на корпусе и контактирующим с выступом на роторе (на фиг. не обозначен), фиксирующим его поворот на угол 360°, при этом парциальное дозирование происходит при повороте ротора на угол α=180° (фиг. 2).
p
k
Проходное сечение мерной полости 6 ротора 5 (D) всегда больше проходного сечения каналов 2, 3 (D) корпуса 1,
k
p
D<D
Это необходимо для того, чтобы плунжер, сечение которого больше проходного сечения каналов 2 и 3, но меньше проходного сечения мерной полости 6, всегда находился в полости 6 и не мог их нее выпасть.
Корпус 1 крепится на верхней плите 12 установки для прессования и подпружинен относительно данной плиты пружиной 13.
Под выходным каналом 3 корпуса 1 на нижней плите 14 установки для прессования установлена матрица 15 для выгрузки в нее из мерной полости 6 дозированного материала с последующим прессованием его в брикеты (таблетки).
К бункеру 4 пристыкован вибратор 16. Под корпусом 1 расположен электромагнит 17. Плунжер выполнен из магнитного материала, а корпус 1 и ротор 5 выполнены из немагнитного материала (бронзы, нержавеющей никелевой стали и пр.). Электромагнит предназначен для принудительного перемещения плунжера из верхней точки мерной полости ротора в его нижнее положение, что позволяет произвести гарантированное перемещение всего объема дозируемой порошковой смеси из мерной полости в рабочую полость матрицы. При включении электромагнита, магнитное поле, создаваемое им, принудительно перемещает плунжер вниз, счищая налипшие на стенки мерной полости ротора частицы дозируемого материала, который под действием силы тяжести перемещается в рабочую полость матрицы.
Верхние пуансоны 18 (фиг. 3) и нижние пуансоны 19 прессуют формуемый материал 7 в плотный брикет 20.
Устройство работает следующим образом.
Работу устройства рассмотрим на примере дозирования сыпучего материала и загрузки его в матрицы 15 пресс-формы с последующим его прессованием в таблетки (брикеты). Пресс-форма работает по принципу прессования до упора с тем, чтобы формовать брикеты одинаковой высоты с заданной пористостью, регулируемой массой дозируемого порошка.
Пресс-форма оснащена верхними пуансонами для поэтапного прессования материала (фиг. 3).
Корпус 1 и бункер 4 крепят на верхней плите 12 установки для прессования таким образом, что выход бункера стыкуется с входным каналом 2 корпуса 1.
Бункер 4 устройства заполняют дозируемым материалом 7. На корпусе бункера монтируют вибратор 16.
Под матрицей 15 устанавливают электромагнит 17, соединяют его с источником питания.
Перед работой устройства осуществляют настройку объема дозирования мерной полости 6. Настройка объема дозирования осуществляется с помощью регулирования высоты плунжера относительным перемещением его частей 8, 9, для чего одна из частей плунжера (например, 8) свинчивается с резьбовой шпильки 10, после чего на резьбовую шпильку надевается необходимое количество проставок 11 и часть 8 снова навинчивается на шпильку до контакта торцом с верхней проставкой. Выполнение проставок в виде упругих элементов обеспечивает надежную фиксацию элементов 8 и 9 на резьбовой шпильке.
Высота плунжера рассчитывается таким образом, чтобы его верхняя плоскость при нахождении плунжера в нижнем положении в полости 6 (положение загрузки), формировала заданный объем дозируемого материала. Такой расчет не представляет сложностей для специалистов.
Для проведения дозирования ротор 5 устанавливают в положение, при котором его мерная полость 6 совмещена с входным каналом 2 корпуса 1.
В результате дозируемый материал 7 из бункера 4 через канал 2 заполняет рабочий объем мерной полости 6 ротора 5. Плунжер при этом находится в нижнем положении в мерной полости ротора и опирается на корпус 1, определяя дозируемый объем мерной полости.
Далее поворачивают ротор 5 в положение, при котором рабочий объем мерной полости 6 с дозируемым материалом находится напротив выходного канала 3 корпуса 1. В результате дозируемый материал из мерной полости ротора 5 через канал 3 корпуса устройства дозатора 1 поступает в полость матрицы 15. Этому способствует перемещение под действием силы тяжести, плунжера, который толкает перед собой всю массу дозируемого материала, выгружая ее.
Для обеспечения гарантированного перемещения плунжера до нижней точки (до упора в корпус 1), при перемещении ротора в положение выгрузки отдозированного материала, включают электромагнит 17, который обеспечивает на плунжере силу тяги от 0,1 до 1 кгс за счет вектора магнитной индукции от 0,1 до 1 Тл.
Если на плунжере сила тяги менее 0,1 кгс при величине магнитной индукции менее 0,1 Тл, то перемещение плунжера в мерной полости может быть затруднено, в связи с образованием «клинового зажима» между плунжером и стенкой мерной полости ротора в результате проникновения в зазор между ними нано-размерного порошка.
Если на плунжере сила тяги выше 1 кгс и величины магнитной индукции более 1 Тл, то это может привести к необоснованным материальным затратам, связанные со стоимостью приобретения дорогостоящего электрооборудования и затратами на его эксплуатацию.
Выбранная величина магнитного поля от 0,1 до 1 Тл способствует созданию условий для поступательного движения плунжера в нижнее положение за счет образования вектора магнитной индукции в электромагните, что позволяет осуществить эффективное проталкивание порошковой смеси в выходной канал 3 корпуса 1.
В процессе работы устройства периодически во время поворота ротора 5 включается вибратор 16.
Задача электровибратора - воздействовать на находящийся в бункере 4 дозируемый материал силой от 5 до 8 кг в диапазоне частот 50-500 Гц, что позволяет исключить его комкование.
Опытным путем установлено, что если вынуждающая сила вибратора менее 5 кг в диапазоне 50 Гц, то не производится достаточно полного дробления слипшейся в конгломераты порошковой смеси и ответная реакция со стороны стенки дозатора оказывается недостаточной для преодоления сил сцепления порошка со стенками дозатора, так как стенка дозатора не получает достаточную энергию.
Если сила действия вибратора превышает 8 кг при частоте выше 500 Гц в полости бункера 4 происходит образование «тумана» из взвешенных наноразмерных частиц порошковой смеси, что ухудшает условия дозирования.
x
y
Работоспособность устройства и возможность достижения при его эксплуатации указанного технического результата проверяли при изготовлении брикетов в виде таблеток габаритными размерами ∅10×6,3 мм из ультрадисперсного никеля (>150 нм) с наноразмерным модификатором (<50 нм), в качестве которого использовали карбид титана (WC), пористостью до 20%.
Устройство монтировали на восьмипозиционной установке для прессования.
тек
3
На установке получали таблетки весового состава 90%Ni+10%WC, плотностью ρ=7,75 г/см для модифицирования расплава литейных слитков из сплава ЖСЗ-ДК.
Для улучшения прессуемости использовали пластификатор - технический спирт ректификат  из расчета 12% от весового состава шихтовой массы. Массовую долю технического спирта определяли опытным путем с учетом выпаривания спиртового состава из шихтовой смеси при смешивании, транспортировке, хранении и с учетом времени технологического цикла получения брикетов: сборки пресс-формы, дозирования порошковой смеси и прессования брикетов.
3
Перемешивали ультрадисперсный никелевый порошок (НПЭ) с размером частиц от 0,1 до 0,15 мкм с наноразмерными добавками карбида вольфрама (WC) дисперсностью от 1 до 100 нм, составом 90%Ni+10%WC, насыпной плотностью 2,52 г/см в вакууме в центробежной планетарной шаровой мельнице с центростремительным ускорением не менее 28 g.
Перед прессованием порошковую смесь 11 разбавляли пластификатором - техническим спиртом - из расчета 12% от весового состава шихтовой массы NiWC.
Прессуемость порошковой смеси определяли плотностью спрессованного брикета. Формуемость - по внешнему виду спрессованного брикета, или количественно - по величине давления, при котором получают неосыпающийся, прочный брикет.
Прессование проводили за семь переходов (зон прессования).
В итоге, при полном цикле поворота ротора установки имели:
тек
3
- в зоне №2 - брикет в виде таблетки ∅ 10×9 мм, пористостью 45%, текущей плотностью (ρ=5,33 г/см);
тек
3
- в зоне №3 - брикет в виде таблетки ∅ 10×8,3 мм, пористостью 40%, текущей плотностью ρ=5,815 г/см;
тек
3
- в зоне №4 - брикет в виде таблетки ∅ 10×7,7 мм, пористостью 35%, текущей плотностью ρ=6,30 г/см;
тек
3
- в зоне №5 - брикет в виде таблетки ∅ 10×7,2 мм, пористостью 30%, текущей плотностью ρ=6,78 г/см;
тек
3
- в зоне №6 - брикет в виде таблетки ∅ 10×6,7 мм, пористостью 25%, текущей плотностью ρ=7,28 г/см;
тек
3
- в зоне №7 - брикет в виде таблетки ∅ 10×6,3 мм, пористостью 20%, текущей плотностью ρ=7,75 г/см.
- в зоне №8 - таблетка удаляется из пресс-формы.
- зона №1 - зона загрузки.
На выходе из отводного лотка (фиг. 3) установки имели таблетки 20 одного размера, массой 3,81 г., разница по массе не превышала 0,5÷1,0%, что подтверждает практически полное исключение потерь материала при его дозировании.