УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА МЕТОДОМ ЦЕНТРОБЕЖНОГО РАСПЫЛЕНИЯ
DEVICE FOR MAKING POWDER AND AXIAL-FLOW SPRAYING

Изобретение относится к металлургии, к области производства металлических порошков.
Известно устройство для получения металлических 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 все вместе размещены в герметичной камере, заполненной инертной газовой средой [статья «Разработка установки для получения гранул центробежным распылением расплава», авт. Каринский В.Н. и др., сб. статей «Металлургия гранул» под ред. А.Ф.Белова, вып.2, Москва, 1984 г., с.242-250].
Недостатком данного устройства является нестабильность процесса распыления расплава, обусловленная его подхолаживанием при контакте с диском с образованием настыли (гарниссажа) на поверхности. Дисбаланс вращающихся масс диска, возникающий при этом, приводит к нарушению процесса распыления, образованию «отрывов» - срывающихся с диска крупных частиц гарниссажа, снижению выхода годной продукции и, часто, к вынужденной остановке процесса распыления из-за вибраций и поломок.
Другим известным устройством для получения порошка методом центробежного распыления является установка типа УЦР-2 [статья «Установка для получения порошков методом центробежного распыления вращающейся заготовки», авт. Кононов И.А. и др., в сб. «Металлургия гранул», под. ред. Белова А.Ф., вып.2, Москва, 1984 г., стр.242-250].
Данное устройство, принятое за прототип, включает камеру с накопителем заготовок и устройством их поштучной подачи на распыление, приводами вращательного и поступательного движения заготовки, а также вертикально ориентированную камеру распыления заготовки, снабженную плазмотроном, направленным на торец распыляемой заготовки. Камера распыления сообщена материалопроводом с приемником порошка, причем все элементы установки, вместе сообщены между собой и образуют общее герметизированное рабочее пространство, заполненное инертной газовой атмосферой.
Недостатком данного устройства является низкий выход годного продукта из-за остатка заготовки (огарка), который не удается распылить, вследствие особенностей механизма его удержания при распылении. Другим недостатком являются высокие затраты на трудоемкую механическую обработку заготовок, включающую шлифование ее боковой поверхности также из-за необходимости обеспечить сбалансированность быстровращающейся заготовки.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение затрат производства, повышение выходов годной продукции и расширение номенклатуры по крупности частиц получаемого порошка.
Поставленная задача решается применением устройства, включающего камеру с накопителем заготовок и манипулятором для их поштучной подачи на распыление, с приводами вращательного и поступательного движений заготовки, камеру распыления с плазмотроном, направленным на торец распыляемой заготовки, приемник порошка, которые все вместе герметично соединены между собой, при этом приемник порошка снабжен пневмопитателем, камера распыления снабжена отсекателем крупных частиц и просеивающей машиной, размещенной перед приемником, привод вращательного движения заготовки выполнен в виде полого вертикального шпинделя с кольцевым диском чашеобразной формы на верхнем торце и зажимными кулачками, расположенными непосредственно под диском, а привод поступательного движения выполнен в виде толкателя, размещенного под шпинделем соосно с ним, камера распыления выполнены линзообразной формы и ориентирована горизонтально, при этом осевые линии камеры распыления, плазмотрона и шпинделя совпадают. Кроме этого, зажимные кулачки шпинделя выполнены с возможностью работы от центробежных сил при вращении шпинделя, толкатель снабжен упорной пятой, выполненной с возможностью ввода ее в полость шпинделя и вращения совместно с ним, а кольцевой диск выполнен из жаропрочного материала, смачиваемого расплавом заготовки, и снабжен вентилирующими лопатками снизу.
Снижение затрат производства достигается за счет отделения товарных фракций порошка и их пневмотранспортирования за пределы устройства. Это обеспечивают за счет отсекателя крупных частиц и просеивающей машины, которыми снабжена камера распыления, размещенными перед приемником порошка.
В устройстве-прототипе не предусмотрено выделение товарной фракции порошка, а его перемещение обеспечивают с помощью бункеров-приемников порошка с последующим выделением товарных фракций на отдельном просеивающем агрегате.
Повышение выходов годной продукции и снижение затрат производства обеспечивают также за счет того, что привод вращательного движения заготовки выполнен в виде полого вертикального шпинделя с кольцевым диском чашеобразной формы на верхнем торце и зажимными кулачками, расположенными непосредственно под диском, а привод поступательного движения в виде толкателя, размещенного под шпинделем соосно с ним, и снабженным упорной пятой, выполненной с возможностью ввода ее в полость шпинделя и вращения совместно со шпинделем. Все эти признаки обеспечивают совместно эффект надежного удержания «огарка» минимальной длины в процессе распыления заготовки и тем самым способствуют наиболее полному ее распылению, т.е. повышению выходов годного порошка с каждой заготовки.
Кроме этого, конструкция приводов вращательного движения в предлагаемом устройстве позволяет снизить требования к механической обработке заготовок, в сравнении с прототипом, и сократить затраты на ее выполнение. Этот эффект достигается тем, что при одинаковой заданной крупности порошка, получаемого в предлагаемом устройстве и устройстве прототипе, в последнем требуется существенно более высокая окружная скорость вращения заготовки. Отсюда и более высокие требования к геометрии заготовки и ее механической обработке.
Разница в требуемой скорости вращения, в сравниваемых устройствах, обусловлена разницей в диаметрах кромок вращающихся распылителей, с которых срываются капли расплава.
В предлагаемом устройстве - это диаметр кромки кольцевого диска, а в прототипе - диаметр кромки торца заготовки. При равенстве частот вращения диска и заготовки соотношение окружных скоростей пропорционально отношению диаметров их кромок, которое может составлять 1,5÷2 раза и более.
Выполнение геометрии камеры распыления линзообразной формы, ориентированной горизонтально так, что осевые линии камеры распыления, плазмотрона и шпинделя совпадают, решает задачу расширения номенклатуры по крупности частиц производимых порошков.
Это достигается тем, что расплав, образующийся на торце вращающейся в шпинделе заготовки, под действием центробежной силы попадает с торца заготовки на кольцевой диск чашеобразной формы, который дробит его на частицы меньшего размера, чем это обеспечивается в устройстве-прототипе за счет большей окружной скорости на кромке диска, чем на кромке торца заготовки при одинаковой частоте их вращения. Линзообразная форма камеры распыления, ориентированная в отличие от прототипа в горизонтальной плоскости, обеспечивает при этом свободный полет таких частиц в газовой атмосфере камеры без столкновения частиц с ее стенками.
Снабжение диска снизу вентилирующими лопатками, равно как и применение жаропрочного материала, смачиваемого расплавом заготовки для его изготовления, решает задачу устойчивой без перегрева работы диска как распылителя при получении мелких фракций порошка, а смачивание стенок кольцевого диска расплавом гарантирует образование равномерной пленки на его поверхности и формирование однородных капель на его кромке.
Схема предлагаемого устройства для получения порошка методом центробежного распыления представлена на фиг.1, а ее распылительный узел (фрагмент) на фиг.2.
Установка включает камеру 1 с накопителем 2 заготовок 3, которые посредством манипулятора 4 могут перемещаться на ось толкателя 5 телескопического типа. Соосно с толкателем 5 в камере 1 в верхней его части размещен вертикальный шпиндель 6 с приводом вращения, в полость которого входит пята 7 толкателя 5.
Шпиндель 6 на верхнем своем торце снабжен кольцевым диском чашеобразной формы 8 и зажимными кулачками 9, размещенными непосредственно под диском 8.
К камере 1, в ее верхней части, пристыкована камера распыления 10 с отъемной крышкой 11, перемещение которой в направлениях «вверх» и «в сторону» в приподнятом положении обеспечивает подъемник 12. В крышку 11 встроен плазмотрон 13, ось которого совпадает с осями шпинделя 6 и камеры распыления 10. Камера распыления 10 по периферии снабжена отсекателями 14 крупных частиц, под которыми смонтированы приемные воронки 15 порошка, сообщенные патрубками 16 с материалопроводом 17, состыкованным с просеивающей машиной 18.
Непосредственно под просеивающей машиной 18 размещен приемник порошка 19, снабженный пневмопитателем 20, затвором 21 и патрубком 22 для транспортировки готового порошка по назначению. Кроме этого, установка снабжена обслуживающими системами (на фиг.1 не показаны). К ним относятся системы: вакуумная, газовая, электро- и пневмосистемы, система водоохлаждения теплонагруженных элементов установки, в том числе стенок камеры распыления 10 и плазмотрона 13.
Камера 1, камера распыления 10, материалопровод 17 и приемник порошка 19 герметично соединены между собой и образуют рабочее пространство установки, которое может быть отвакуумировано и заполнено газовой средой.
Работа установки обеспечивается следующим порядком.
Накопитель 2 с партией заготовок 3 загружают в камеру 1. Затем системы установки готовят к работе, для чего ее пространство герметизируют, вакуумируют для удаления окислительной газовой среды и заполняют инертной газовой средой заданного состава, включают в работу систему водоохлаждения и обеспечивают проток воды через охлаждаемые элементы установки (рубашки охлаждения, плазмотрон и др.).
Включают в работу просеивающую машину 18, открывают затвор 21 приемника гранул 19, а патрубок 22 перекрывают (герметизируют).
Рабочий цикл начинают с подачи заготовки 3 на позицию распыления. Для этого шток толкателя 5 опускают в нижнее крайнее положение, манипулятором 4 захватывают заготовку 3 из накопителя 2, перемещают ее на ось шпинделя 6, подводят к нижнему торцу заготовки 3 пяту 7 толкателя 5 и вводят заготовку 3 в полость шпинделя 6, после чего отводят манипулятор 4 в позицию ожидания.
Заготовку 3 толкателем 5 перемещают вверх на позицию распыления с заданной величиной «h» - фиг.2. Включают привод вращения шпинделя 6, при этом под действием центробежной силы от массы грузов «Гр.» (фиг.2), кулачки 9 зажимают заготовку и фиксируют ее в соосном со шпинделем 6 положении. Усилия зажима кулачков 9 при этом ограничено в связи с необходимостью проталкивания заготовки 3 в зажатом состоянии толкателем 5 в процессе ее распыления. Доводят частоту вращения шпинделя 6 с заготовкой 3 до заданного уровня оборотов, включают плазмотрон 13 и подводят его к торцу заготовки 3 на заданную величину зазора между ними, увеличивают до рабочей величины мощность плазмотрона 13.
Расплав с торца заготовки 3 центробежными силами перемещается на диск 8 и растекается по его поверхности тонкой пленкой. Чашеобразная форма диска создает некоторый объем распалава вблизи его борта, который вытесняется к верхней кромке борта и срывается с нее в виде мелких капель.
Капли расплава, в процессе полета в газовом пространстве камеры 10, охлаждаются, кристаллизуются и в виде твердых частиц порошка через отсекатели 14, воронки 15, патрубки 16 попадают в материалопровод 17, из которого скатываются в просеивающую машину 18, где из общей массы отделяется товарная фракция частиц порошка и самотеком поступает через затвор 21 в приемник 19 и накапливается там.
Распыление заготовки 3 ведут при равномерной подаче ее толкателем 5 на плазмотрон 13 со скоростью, при которой зазор между плазмотроном 13 и торцом заготовки 3 остается неизменным (т.е. при подаче со скоростью плавки и распыления расплава).
На завершающем этапе распыления заготовки 3, при ее продвижении вверх, происходит сход небольшой ее части (огарка) с зажимных кулачков 9. При этом отключают привод вращения шпинделя, а освобожденный от зажима огарок выталкивается из шпинделя 6 толкателем 5 и, попадая на вращающийся на выбеге диск 8, отбрасывается к периметру камеры распыления 10 на отсекатели 14, где задерживается от провала в приемные воронки 15 порошка.
Одновременно с отключением вращения шпинделя 6 снижают мощность плазмотрона 13 до значения холостого хода и отводят его от шпинделя 6 в исходное положение (т.е. удаляют от торца шпинделя).
Опускают вниз на исходную позицию толкатель 5, манипулятором 4 захватывают из накопителя 2 следующую заготовку 3 и, как описано ранее вводят ее в полость шпинделя 6 на позицию распыления.
После этого процесс плавки и распыления возобновляется. При этом включают вращение шпинделя и повышают частоту его вращения до требуемого значения, увеличивают мощность плазмотрона 13 до требуемой величины и подводят его к торцу заготовки, соблюдая заданную величину зазора между заготовкой и плазмотроном.
Далее рабочий цикл продолжается так же, как это было описано выше, вплоть до выработки последней заготовки 3 из накопителя 2. По завершении рабочего цикла распыления партии заготовок кондиционный порошок, отсеянный на просеивающей машине 18 и ссыпанный в приемник 19, удаляют посредством пневмопитателя 20 через патрубок 22. Для удаления крупных частиц, образовавшихся при распылении заготовок, а также для чистки рабочего пространства камеры распыления 10 с нее подъемником 12 приподнимают и отводят в сторону отъемную крышку 11. При этом открывается доступ для удаления с поверхности отсекателей 14 крупных частиц и огарков, а также для чистки стенок камеры.
Предлагаемое устройство было апробировано по модельной установке. При этом центробежному распылению на ней были подвергнуты заготовки ⌀80 мм, длиной 700 мм из жаропрочного сплава на никелевой основе.
-1
Частоту вращения шпинделя с диском ⌀120 мм на торце варьировали в диапазоне 10000-12000 мин, при этом получен порошок крупностью в диапазоне - 140÷50 мкм, определены показатели производства такие как выход годной продукции и затраты на 1 кг товарной продукции. Для сравнения результатов, полученных на модельной установке, проведен цикл распыления аналогичных заготовок на установке-прототипе (УЦР-2) при аналогичных параметрах распыления. При этом получен порошок с крупностью в диапазоне - 200÷150 мкм.
Сравнение показателей производства по вариантам дали следующие результаты:
- затраты на производство порошка на модельной установке оказались ниже чем на установке прототипе на 16%;
- выход годного продукта выше, чем у прототипа на 7,5%;
- диапазон крупности порошка с модельной установки смещен в сторону более мелких фракций при одинаковой частоте вращения заготовок.