УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПЫЛЕНИЯ РАСПЛАВЛЕННЫХ МЕТАЛЛОВ
MOLTEN METALS SPUTTERING DEVICE

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к устройствам для получения порошков алюминия, магния и их сплавов распылением расплавленных металлов газовым потоком.
Известны способы и устройства для получения металлических порошков распылением пленки расплава внешним кольцевым потоком сжатого газа. [1].
Известна форсунка, в выходной части ниппеля которой для повышения дисперсности получаемого порошка (пульверизата) выполнены щелевидные пазы [2] для дополнительного ввода сжатого газа в зону распыления пленки расплава. Поступающие через щелевидные пазы струи газа внедряются в пленку расплава и создают в ней возмущения, способствующие образованию мелкодисперсных капель в факеле распыла.
Известна форсунка для распыления расплавов металлов, в которой для повышения дисперсности получаемых порошков на движущуюся пленку жидкого металла накладываются возмущающие ее звуковые колебания, генерируемые спрофилированными определенным образом каналами для подачи распыляющего газа [3]. Основными недостатками данной форсунки являются сложность конструкции и необходимость ее охлаждения в рабочем режиме.
Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности является форсунка для распыления расплава горячим сжатым газом [4], содержащая корпус с кольцевой полостью для подачи сжатого газа и ниппель с центральным каналом для подачи расплава, выполненным в виде двух соприкасающихся вершинами усеченных конусов.
Недостатком данной форсунки является низкий выход высокодисперсной фракции в наработанном порошке (~20 мас.% частиц диаметром менее 10 мкм [5]).
Техническим результатом изобретения является повышение массовой доли высокодисперсной фракции в пульверизате, образующемся при распылении расплава металла.
Технический результат достигается тем, что разработано устройство для распыления расплавленных металлов, содержащее корпус с крышкой и кольцевой полостью, соединенной с газопроводом для подачи нагретого сжатого газа, и ниппель с центральным каналом для подачи расплава металла. Кольцевая полость соединена с дополнительным газопроводом через золотниковый клапан с вращающимся золотником и цилиндрическое сопло. Во вращающемся золотнике выполнены полукруглые вырезы, равномерно расположенные по его окружности. Давление в дополнительном газопроводе определяется соотношением
,
а диаметр цилиндрического сопла - соотношением
,
1
где p - давление в газопроводе;
2
p - давление в дополнительном газопроводе;
k - показатель адиабаты газа;
2
d - диаметр цилиндрического сопла;
S - площадь выходного сечения сопла, образованного внутренней поверхностью крышки и внешней поверхностью ниппеля.
Полученный положительный эффект изобретения связан со следующими факторами.
1. При периодическом открывании золотникового клапана давление в кольцевой полости форсунки периодически повышается. Импульсный характер изменения давления распыляющего газа приводит к нестационарности поля скоростей в струе газа, что интенсифицирует процесс дробления пленки расплава и капель и, как следствие, повышает дисперсность получаемого порошка.
2. Значение давления в дополнительном газопроводе
выбирается из условия обеспечения сверхкритического режима истечения газа из дополнительного газопровода в кольцевую полость форсунки. Критическое значение перепада давления определяется выражением [6]:
где k - показатель адиабаты газа.
Верхняя граница давления
1
выбирается из условия обеспечения надежности и экономичности работы устройства. При значении давления в газопроводе p=(4,0÷6,0) МПа технически сложно обеспечить герметичность системы импульсной подачи газа при высоких значениях давления в дополнительном газопроводе.
3. Значение диаметра цилиндрического сопла для пульсирующей подачи газа из дополнительного газопровода определяется из следующих условий:
- Формирование импульсов давления в кольцевой полости, обеспечивающих возмущающее воздействие на пленку расплава.
- Обеспечение устойчивости работы устройства, связанной с поддержанием необходимого уровня разрежения в выходном сечении кольцевого сопла за счет потока газа из газопровода.
Одновременное выполнение этих условий возможно только при корректном выборе диаметра цилиндрического сопла для подачи газа из дополнительного газопровода.
1
2
1
2
Рассмотрим эквивалентную схему газового тракта заявляемого устройства (Фиг.1). Схема включает газопровод 1 с давлением p, дополнительный газопровод 2 с давлением p и кольцевую полость 3 с давлением p. В кольцевую полость 3 газ поступает из газопровода 1 через патрубок 4 с площадью поперечного сечения S и из дополнительного газопровода 2 через золотниковый клапан и цилиндрическое сопло 5 с площадью поперечного сечения S. Истечение газа из кольцевой полости 3 происходит через кольцевое сопло 6 с площадью поперечного сечения S.
1
2
3
Уравнение сохранения массы включает равенство прихода газа от газопровода G и дополнительного газопровода G и расход газа G через кольцевое сопло
1
Приход газа из газопровода при давлении p в кольцевую полость корпуса форсунки происходит в докритическом режиме. При этом массовый секундный расход газа определяется формулой [6]:
где k - показатель адиабаты газа;
1
φ - коэффициент расхода;
R - газовая постоянная;
T - температура газа.
Приход газа из дополнительного газопровода через золотниковый клапан и цилиндрическое сопло в кольцевую полость корпуса форсунки происходит в сверхкритическом режиме. При этом массовый секундный расход газа определяется формулой [6]:
где Г(k) - функция показателя адиабаты
;
2
φ - коэффициент расхода.
Расход газа из кольцевой полости через кольцевое сопло определяется формулой
где φ - коэффициент расхода кольцевого сопла.
1
2
3
Подставляя в (2) значения G, G и G из уравнений (3)÷(5) и полагая значения T, R, k и коэффициентов расхода одинаковыми, получим
2
Максимальное значение S, не изменяющее режим работы форсунки, определяется отношением давлений
.
При этом из уравнения (6) следует
2
2
pS=pS.
2
2
Из этого уравнения определяется площадь поперечного сечения S и диаметр d цилиндрического сопла:
Пример реализации изобретения
1
2
На Фиг.2 показан пример осуществления предлагаемого устройства для распыления расплавленных металлов. Устройство состоит из корпуса 1, ниппеля с центральным каналом для подачи расплава 2, защитного стального чехла 3, крышки 4, патрубка 5 для подачи расплава и газопровода 6 для подачи горячего сжатого газа с давлением p. В корпусе 1 выполнена кольцевая полость 7 для сжатого горячего газа, выходом из которой служит кольцевое сопло, образованное выходными конусами крышки 4 и ниппеля 2. С кольцевой полостью 7 через цилиндрическое сопло 8 соединен золотниковый клапан 9 с вращающимся золотником 10 [7], перекрывающим дополнительный газопровод 11 для дополнительной подачи сжатого газа с давлением p. Вал 12 золотника 10 соединен с устройством, сообщающим золотнику вращательное движение, например, электродвигателем. На золотнике 10 выполнены равномерно расположенные по окружности полукруглые вырезы 13 (Фиг.3).
1
2
2
2
Устройство работает следующим образом. Через газопровод 6 в кольцевую полость 7 корпуса форсунки 1 подается сжатый горячий газ (воздух или азот с контролируемым содержанием кислорода) с давлением p. Истечение газа из кольцевого сопла создает разрежение в выходном конусе ниппеля 2, вызывая за счет эжекционного эффекта поступление расплавленного металла по патрубку 5 в центральный канал ниппеля 2. Одновременно газ с давлением p подается по дополнительному газопроводу 11 к золотниковому клапану 9 (в начальный момент клапан закрыт). Затем включается устройство, сообщающее вращательное движение золотнику 10. При вращении золотника 10 с вырезами 13 открывается дополнительный газопровод 11 и газ с давлением p поступает во внутреннюю полость золотникового клапана 9 и через цилиндрическое сопло 8 в кольцевую полость 7, где вызывает повышение давления. При дальнейшем вращении золотника 10 дополнительный газопровод 11 перекрывается и подача газа с давлением p прекращается, давление в кольцевой полости 7 уменьшается. Таким образом, вращение золотника 10 в золотниковом клапане 9 вызывает пульсации давления в кольцевой полости 7 и, следовательно, пульсации скорости газа в истекающей газовой струе. Частота и амплитуда колебаний давления в кольцевой полости 7 определяются скоростью вращения золотника 10, а также шириной и количеством вырезов 13 на золотнике.
кр
1
2
1
1
2
2
2
При использовании в качестве распыляющего газа азота (показатель адиабаты k=1.4) величина критического давления p=1.893p, поэтому значение давления в дополнительном газопроводе выбирается в диапазоне p=(1.9÷2.85)p. При p=5.0 МПа давление газа в дополнительном газопроводе выбирается в диапазоне p=(9.5÷14.25) МПа. При ширине кольцевого зазора между ниппелем и крышкой, равного 0,54 мм, площадь поперечного сечения кольцевого сопла форсунки равна S=27 мм, а значение диаметра цилиндрического сопла выбирается в диапазоне d≤(4.25÷3.47) мм.
2
1
Изменяя отношение давлений p/p, скорость вращения золотника 10, а также количество вырезов 13, можно изменять частоту и амплитуду следования импульсов давления и в конечном итоге дисперсность пульверизата.
Таким образом, предлагаемое устройство для распыления расплавленных металлов обеспечивает достижение заявленного положительного эффекта - повышение массовой доли высокодисперсной фракции в пульверизате, образующемся при распылении расплава металла, в следующей совокупности условий:
1. Предлагаемое устройство за счет пульсирующей подачи газа из дополнительного газопровода обеспечивает создание нестационарного поля скоростей в распыляющей газовой струе, что интенсифицирует процесс дробления пленки и капель расплава.
2. Выбор соотношения давлений в газопроводе и дополнительном газопроводе в диапазоне
обеспечивает сверхкритический режим ввода дополнительного газа в кольцевую полость форсунки, а значение диаметра цилиндрического сопла
обеспечивает формирование импульсов давления в кольцевой полости без нарушения устойчивости работы форсунки.
3. Подтверждена возможность осуществления изобретения в соответствии с описанием и прилагаемыми чертежами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Федорченко И.М., Андриевский Р.А. Основы порошковой металлургии. - Киев: Изд-во АН УССР, 1963. - 420 с.
2. Пат. РФ №2321475, МПК B22F 9/08. Форсунка для распыления расплавленных металлов / А.В. Кукса, А.В. Мольков, А.В. Губанов, С.В. Линьков. - заявл.02.05.2006; опубл. 10.04.2008.
3. Patent US №4640806, МПК B22F 9/08. Process for atomizing liquid metals to produce finely granular powder / Thomas Duerig, Marcel Escudier, Jakob Keller, Killwangen. - заявл. 01.10.1985; опубл. 03.02.1987.
4. Пат. РФ №2296648, МПК B22F 9/08. Форсунка для распыления расплавленных металлов / А.В. Кукса, А.В. Мольков, А.В. Губанов. - заявл. 19.10.2005; опубл. 10.04.2007.
5. Отчет по отработке технологии распыления алюминия с применением «модернизированной» форсунки. - Шелехов: ООО «СУАЛ-ПМ», 2011. - 11 с.
6. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Наука, 1976. - 888 с.
7. Лемберг М.Д. Системы гидроавтоматики. - М. - Л.: Энергия, 1965. - 120 с.