Устройство для получения металлических порошков методом центробежного распыления
DEVICE FOR PRODUCTION OF METAL POWDERS BY CENTRIFUGAL SPRAYING METHOD

Изобретение относится к металлургии, а именно к получению металлических порошков методом центробежного распыления.
Известно устройство для получения порошков методом центробежного распыления, включающее источник получения расплава в виде тигля индукционной плавки, промежуточную воронку, формирующую струю расплава с определенным расходом, распылитель в виде чашеобразного диска с приводом вращательного движения, которые вместе размещены в герметичной камере, заполненной инертным газом (Статья «Разработка установки для получения гранул центробежным распылением расплава», авт. Каринский В.Н. и др. под ред. А.Ф. Белова, вып. 2, Москва 1984 г., стр. 242-256).
Недостатком данного устройства является нестабильность процесса распыления, вызванная образованием настыли (гарниссажа) на поверхности распылительного диска. Дисбаланс масс, возникающий при этом, приводит к образованию «отрывов» - срывающихся с диска крупных частиц гарниссажа и частым поломкам из-за сильной вибрации. Кроме того, устройство не позволяет получать порошки тугоплавких и химически активных металлов из-за неизбежного их взаимодействия с материалом тигля.
Известно устройство для получения порошка методом центробежного распыления - установка типа УЦР-2 (статья «Установка для получения порошков методом центробежного распыления вращающейся заготовки», авт. Кононов И.А. и др. в сборнике «Металлургия гранул» под ред. Белова А.Ф. вып. 2, Москва, 1984 г. Стр. 242-250). Устройство включает камеру с накопителем заготовок, устройство их поштучной подачи на распыление, приводы вращательного и поступательного движения заготовки и плазмотрон, направленный на торец распыляемой заготовки. Камера установки снабжена материалопроводом с приемником порошка, причем все элементы установки сообщены между собой и образуют общее герметизированное пространство, заполненное инертной газовой атмосферой.
Недостатком устройства является низкий выход годного продукта из-за большого остатка заготовки (огарка), который не удается распылить вследствие особенностей конструкции механизма его удержания при распылении. Другим недостатком данного устройства являются высокие затраты на трудоемкую механическую обработку заготовок, включающую шлифование ее боковой поверхности из-за необходимости обеспечить сбалансированность вращающейся с высокой скоростью заготовки.
Известна установка для получения металлических порошков распылением вращающейся заготовки (Патент РФ 2549797, МПК B22F 9/10, опубл. 2015 г.). Установка содержит камеру с накопителем заготовок и устройством их поштучной подачи на распыление, камеру с механизмом вращения заготовки в виде двух приводных опорных барабанов с нажимным роликом и механизмом продольной подачи заготовки с толкателем, камеру плавления с плазмотроном, направленным на торец распыляемой заготовки. Камера с накопителем заготовок снабжена шлюзовым затвором, отделяющим ее от камеры с механизмами вращения и продольной подачи заготовки. Камера плавления снабжена блоком рециркуляции газа, включающим вентилятор, холодильник и ловушки для вымораживания влаги. Плазмотрон снабжен механизмом перемещения в продольном и поперечном направлениях относительно заготовки, а также устройством контроля промежутка между торцом заготовки и плазмотроном. Опорные барабаны механизма вращения заготовки снабжены вибропоглощающими кольцами, контактирующими с заготовкой, а толкатель механизма продольной подачи выполнен в виде нажимного ролика с ребордой.
Недостатком устройства является высокие затраты на трудоемкую механическую обработку заготовок, включающую шлифование ее боковой поверхности из-за необходимости обеспечить сбалансированность вращающейся с высокой скоростью заготовки.
Наиболее близким является устройство (Патент РФ 2467835, МПК B22F 9/10, 9/14, опубл. 2012 г.). Устройство включает камеру с накопителем заготовок и манипулятор для их поштучной подачи на распыление, приводы вращательного и поступательного движения заготовки, камеру распыления с плазмотроном, направленным на торец распыляемой заготовки, приемник порошка, которые все вместе соединены между собой, при этом привод вращательного движения выполнен в виде полого вертикального шпинделя с кольцевым диском чашеобразной формы на верхнем торце с зажимными кулачками, расположенными непосредственно под диском, а привод поступательного движения заготовки выполнен в виде толкателя, размещенного под шпинделем соосно с ним, при этом осевые линии камеры распыления, плазмотрона и шпинделя совпадают, а кольцевой диск выполнен из жаропрочного материала, смачиваемого материалом заготовки и снабжен вентилирующими лопатками снизу.
К недостаткам данного устройства можно отнести сложность балансировки распылителя, что ограничивает скорость его вращения и, следовательно, возможность получения мелкодисперсных порошков. Кроме того, устройство не позволяет получать порошки тугоплавких и химически активных металлов из-за взаимодействия расплава с материалом диска-распылителя, а также, требует высоких энергозатрат при плавлении заготовки плазменной струей.
Задачей изобретения является разработка конструкции устройства, обеспечивающей расширение технологических возможностей устройства при получении порошков тугоплавких и химически активных металлов и их сплавов, а также расширить номенклатуру по крупности получаемых порошков (получение более мелких порошков по крупности), повысить производительность и снизить энергозатраты.
Техническим результатом является расширение технологических возможностей устройства при получении порошков тугоплавких и химически активных металлов и их сплавов, расширение номенклатуры по крупности получаемых порошков, повышение производительности и снижение энергозатрат.
Технический результат достигается в устройстве для получения металлических порошков методом центробежного распыления заготовок, включающее герметичную камеру с плазмотроном, механизм вращения распылителя с закрепленным на нем распылительным диском и приводы поступательного и вращательного движения заготовки в зону плавления, причем приводы поступательного и вращательного движения заготовки в зону плавления расположены выше распылительного диска навстречу друг другу таким образом, что закрепленные в них заготовки пересекают ось вращения распылителя в точке между плазмотроном и диском под углом 70-80 градусов к вертикали, при этом заготовки изолированы от элементов конструкции устройства и соединены с источником переменного тока.
Схема предлагаемого устройства показана на чертеже.
Установка включает герметичную распылительную камеру (1) с расположенным по ее оси в верхней части плазмотроном (2), механизм вращения (8) распылителя с закрепленным на верхнем торце вала охлаждаемого распылительного диска (7). В средней части камеры размещены навстречу друг другу два привода (5) поступательного и вращательного движения заготовок (6) в зону распыления. Распыляемые заготовки (6) изолированы от камеры изоляторами (4) и соединены источникам переменного тока (3). В нижней части к распылительной камере (1) присоединены емкости (9) для сбора порошка.
Устройство работает следующим образом:
Заготовки закрепляют в приводах (5) поступательного и вращательного движения заготовок (6), камеру (1) установки герметизируют, вакуумируют. После откачки камеру (1) установки заполняют инертным газом и включают систему водяного охлаждения стенок камеры (1), плазмотрона (2), механизма вращения (8) распылителя и приводов (5). Далее приводят во вращение с требуемой скоростью распылительный диск (7) и включают плазмотрон (2). На заготовки (6) подают переменное напряжение, приводят их в медленное вращение (несколько оборотов в минуту) и вводят в плазменную струю над центром вращающегося распылительного диска (7). В потоке плазмы между заготовками (6) загорается электрическая дуга, под действием которой материал заготовок (6) плавится и расплав под действием силы тяжести и давления плазменной струи попадает в центр вращающегося охлаждаемого диска (7). Динамическое воздействие плазменной струи обеспечивает равномерное поступление расплава на вращающийся распылительный диск (7) в виде мелких капель, что способствует хорошему смачиванию и равномерному распределению расплава по его поверхности. Расплав под действием центробежной силы перемещается по поверхности охлаждаемого диска (7) и частично кристаллизуется, образуя гарниссаж, препятствующий взаимодействию расплава с материалом диска (7). Толщина гарниссажа определяется условием теплового равновесия на поверхности диска (7) и определяется количеством тепла, поступающим с расплавленным металлом от плазменной струи. Наличие в предлагаемом устройстве двух независимых источников тепла обеспечивает эффективное регулирование тепловых потоков для поддержания требуемой толщины гарниссажа и стабильности процесса распыления. Перемещаясь по поверхности гарниссажа, расплав достигает края распылительного диска (7) и разбрызгивается с образованием капель, размер которых зависит от скорости вращения и диаметра распылительного диска (7). Капли расплава кристаллизуются в полете до удара о стенку камеры (1), и собираются в приемном бункере (9), расположенном в нижней части камеры (1).
В предлагаемом устройстве распыляемые заготовки не связаны с механизмом вращения распылительного диска, что позволяет уменьшить дисбаланс и за счет этого значительно увеличить его скорость вращения.
Расширение диапазона возможных скоростей вращения распылителя с распылительным диском позволяет получать порошки в широком диапазоне размеров частиц, в том числе, мелкодисперсные. Применение двух приводов поступательного движения и медленного вращения заготовок, расположенных друг напротив друга таким образом, что оси заготовок пересекают ось вращения распылителя в точке между плазмотроном и диском под углом 70-80 градусов к вертикали, позволяет осуществлять эффективный нагрев и плавление заготовок электрической дугой горящей между торцами заготовок. Угол пересечения и медленное вращение заготовок обеспечивает равномерное оплавление торцов заготовок и стекание расплава в центр распылительного диска. Расположение плазмотрона над точкой пересечения заготовок обеспечивает стабилизацию горения электрической дуги, равномерность расхода расплава и перенос расплава в центр распылительного диска в виде мелких капель, что стабилизирует растекание расплава по поверхности распылительного диска. Кроме того, плазменная струя из плазмотрона направляет поток плазмы электрической дуги, горящей между торцами заготовок на поверхность распылительного диска, обеспечивая дополнительный нагрев его поверхности и стабилизацию гарниссажа. Таким образом, электродуговое плавление заготовок существенно увеличивает эффективность нагрева и скорость плавления, что повышает производительность, а бестигельная плавка и применение охлаждаемого диска с гарниссажем позволяет получать порошки тугоплавких и химически активных металлов и сплавов. Отсутствие необходимости быстрого вращения распыляемой заготовки снижает требования к механической прочности и качеству обработки поверхности заготовок, что снижает энергозатраты на их изготовление. Предлагаемое устройство было апробировано по модельной установке. При этом центробежному распылению на ней были подвергнуты заготовки 40 мм, длиной 700 мм из титана.
Частоту вращения распылителя с диском 80 мм варьировали в диапазоне 20000-30000 мин-1, при этом получен порошок крупностью в диапазоне - 80÷30 мкм. Таким образом, диапазон крупности порошка смещен в сторону более мелких фракций. На установке прототипа из-за взаимодействия распылительного диска с расплавом титана невозможно получать порошки титана.
Таким образом, разработана конструкции устройства, обеспечивающая расширение технологических возможностей устройства при получении порошков тугоплавких и химически активных металлов и их сплавов, а также расширяется номенклатура по крупности получаемых порошков, повышается производительность и снижаются энергозатраты.