СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СФЕРОИДИЗИРОВАННЫХ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ
METHOD OF PRODUCING SPHEROIDISED POLYDISPERSE POWDERS

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к технологии производства неорганических мелкодисперсных наполнителей, которые могут быть использованы в различных отраслях техники.
Сфероидизированные полидисперсные порошки являются материалами, которые в настоящее время имеют большую востребованность, благодаря их уникальным свойствам обеспечивать улучшение физических параметров материалов и устройств, в которых они применяются в качестве наполнителей, защитного покрытия и др.
Мелкодисперсные наполнители в виде микрошариков-микросфер получают, в частности, путем низкотемпературной электроплазменной обработки дисперсных тугоплавких материалов.
Из уровня техники известны способы изготовления стеклянных микрошариков и других сфероидизированных порошков, полученных из тугоплавких материалов. За последние два десятилетия запатентовано значительное количество изобретений, в том числе отечественных, на способы электроплазменной обработки тугоплавких порошковых материалов, преимущественно неорганических веществ, с целью их сфероидизации.
В патенте РФ №847647, опубликованном 27.11.2005 по индексу МПК С03В 19/10, заявлен способ изготовления стекломикрошариков, изготовленных из гранул кварцевой крупки, включающий предварительную промывку и последующее прокаливание гранул в факеле низкотемпературной плазмы при температуре 900-2600°С до сфероидизации.
В патенте РФ №2081858, опубликованном 20.06.1997 по индексу МПК С03В 19/10, заявлен способ получения стеклянных микрошариков, используемых в качестве мелкодисперсных наполнителей пластмасс в химической промышленности, для струйно-абразивной обработки металлоизделий в машиностроении и других отраслях промышленности. Способ заключается в подготовке микропорошков стекла путем совмещения процессов измельчения исходного стеклогранулята и классификации порошков стекла. Подготовленный микропорошок подают в печь формования с помощью предварительно нагретого сжатого воздуха. Формование микрошариков осуществляют в газопламенном потоке. Отформованные микрошарики охлаждают и подвергают дополнительной двухступенчатой классификации по размерам.
В патенте РФ №2233808, опубликованном 20.03.2004 по индексу МПК С03В 19/10, описан способ изготовления стеклянных шариков, цельных и пустотелых для фильтров различного назначения. Способ включает измельчение исходного сырья, предварительную термическую обработку измельченного стеклопорошка в газопламенном потоке при температуре 500-900°С, его классификацию для отделения оплавленных частиц от продуктов сгорания, разделение по размерным группам и удаления стеклянной пыли, термическое формование стеклошариков в печи при огневом потоке 1000-1400°С, последующее охлаждение и классификацию по размерным группам.
Данный способ относится конкретно к технологии изготовления стеклошариков и также, как и предыдущие аналоги, включает предварительную обработку сырья для получения заявленного результата - получение определенных фракций, характеризующихся размерами составляющих частиц продукции.
В патенте РФ №2301202, опубликованном 20.02.2007 по индексу МПК С03В 19/10, заявлен способ изготовления стеклянных шариков или микросфер, как цельных, так и пустотелых, предназначенных для изготовления теплозащитных химически стойких облегченных материалов и сферопластиков. Способ включает измельчение исходного сырья, подачу его в печь, предварительную термическую обработку и классификацию по размерным группам, подачу стеклянного порошка в печь, термическое формование стеклянных шариков или микросфер раздельно по каждой группе стеклопорошка, их охлаждение и отделение от продуктов сгорания.
Данный способ предполагает использование большой совокупности довольно габаритных устройств.
В приведенных выше аналогах защищены способы получения стеклянных микрошариков, в которых большое внимание уделяется операциям предварительной обработки исходного сырья. Такие операции представляют собой в совокупности процесс значительной трудоемкости с использованием для этой цели габаритных установок. К тому же операции очистки и размельчения сырья сопровождаются загрязнением окружающей атмосферы, хотя и предусматривает использование пылеуловителей и других приспособлений, но это полностью не решает задачу экологической чистоты производства.
В патенте РФ №2133172, опубликованном 20.07.1999 по индексу МПК B22F 9/02, заявлен способ переработки металлических отходов, в частности стружки, где применяется размол исходного сырья в шаровой мельнице, который вводят в плазменную струю в количестве 7-10 кг/ч и обрабатывают в потоке низкотемпературной плазмы при подаваемом токе 300-600 А. Данным способом получают гранулированный порошок, который разделяют на фракции по размеру. Здесь тоже требуется подготовка исходного сырья, а также присутствует существенное ограничение по весу обрабатываемого материала.
В патенте BY №9772, опубликованном 30.10.2007 по индексу МПК B22F 9/02, описан способ получения сфероидизированных полидисперсных керамических порошков, который включает гранулирование и обработку исходного материала в плазменном потоке. В качестве исходного материала используют конгломераты из керамических порошков дисперсностью не более 200 мкм, которые подают в плазму со скоростью 200-400 г/ч при мощности плазменной струи 56-80 кВА.
Данное техническое решение относится к области порошковой металлургии. В способе предполагается возможность использования сырья в виде керамических, металлокерамических порошков, в том числе и отходов производства твердых материалов, например абразивного производства.
Патент BY №9772 выбран в качестве прототипа нового изобретения, как наиболее близкий по назначению и решению задачи получения полидисперсных порошков с высокой степенью сфероидизации.
Однако в прототипе ограничено применение по виду исходного материала в виде конгломератов керамических порошков дисперсностью не более 200 мкм. Способ характерен большим количеством подготовительных операций исходного материала, которые трудоемки и требуют соответствующего оборудования. Производительность процесса довольно низкая. Экономические показатели производства изначально зависят от применяемого сырья, которое в данном случае весьма недешево, так как цена отходов керамики значительно выше, чем, например, цена минерального сырья. Диапазон классификации полученного продукта узкий, т.к. связан только с размерностью полученных частиц массы продукта.
Задачей настоящего изобретения является расширение диапазона дисперсности исходного сырья, упрощение технологического процесса, увеличение производительности, расширение диапазона классификации полученного продукта и повышение экономических показателей в целом.
Технический результат достигается за счет подбора и использования доступного недорогого минерального сырья, в том числе в виде отходов других производств, увеличения объема и массы обрабатываемого в плазматроне материала, обеспечения возможности классифицирования полученных частиц по множеству различных параметров.
Поставленная задача решается в способе получения сфероидизированных полидисперсных порошков, включающем загрузку исходного сырья в виде компонентов неорганических порошков в камеру плазмотрона, обработку исходного сырья в плазменном потоке до получения сфероидизированных частиц, их последующее охлаждение и выгрузку полученного продукта, в котором, в отличие от прототипа, в качестве исходного сырья используют порошки минералогического состава дисперсностью до 1 мм, в том числе с содержанием органических включений, обработку в плазменном потоке производят при мощности 100 кВА, на выходе плазмотрона охлажденный продукт в виде микрошариков классифицируют по заданным свойствам для последующего использования.
Минералогический состав может представлять собой смесь компонентов, например, стекломуки с минеральным фракционированным порошком и/или порошком композитов.
Минералогический состав может представлять собой оксиды, добываемые из песков и другого минерального сырья.
Минералогический состав может представлять собой отходы пескоструйной обработки, дробеструйной обработки, водно-абразивной резки, прошедшие очистку от крупных примесей.
Классифицирование полученного охлажденного продукта в зависимости от задач его последующего использования осуществляют по размеру, удельному весу, магнитным свойствам, сыпучести, гидрофильности, гидрофобности, трибологическим и оптическим свойствам.
Загрузку сырья возможно осуществлять в различных количествах, предпочтительно от 1 до 150 кг/ч в зависимости от вида обрабатываемого сырья.
Для осуществления данного способа применим высокочастотный плазмотрон мощностью от 20 до 100 кВА, предпочтительно 80-100 кВА, который обеспечивает процесс расплавления тугоплавких материалов с образованием микрочастиц сферической формы обрабатываемых составов. При этом температура плазмы находится в диапазоне 8000-10500°С и имеет постоянное значение в зависимости от плазмообразующего газа.
Отличительные признаки заявляемого способа обеспечивают расширенный диапазон полидисперсности за счет применения доступного минерального сырья, представляющего собой широкий класс тугоплавких материалов, которые в виде микрошариков в больших масштабах могут быть затребованы в различных отраслях. Использование широкого класса отходов различных производств, включая абразивные, строительные, металлургические, химические, отходы горнодобывающей промышленности, позволяет удешевить производство микрошариков за счет цены сырья, а также за счет исключения подготовительных операций обработки сырья, которые применяются в известных способах.
Причем в качестве исходного сырья могут быть различные смеси минеральных компонентов по составам и фракциям. Наиболее распространенным видом минерального сырья являются оксиды, которые находят максимальное применение в виде сфероидизированных микрочастиц.
Исключение подготовительных операций обработки сырья обеспечивает чистое производство. Классифицирование микрошариков на выходе уже не создает лишних загрязнений, тем более в том количестве, которое присутствует в аналогах и в прототипе.
В предлагаемом способе расширен диапазон первичных фракций сырья до 1 мм, т.к. процесс плазменной обработки в заявленном режиме обеспечивает обработку сырья, состоящего из частиц от самых минимальных размеров до 1 мм.
Особенное значение в новом способе уделяется процессу классификации выходного продукта. Виды классификации в зависимости от задачи получения микрошариков из конкретного материала, их последующего использования, назначения, могут быть различными:
- по размеру,
- по удельному весу,
- по магнитным свойствам,
- по свойству текучести - сыпучести,
- по гидрофильно-гидрофобным свойствам,
- по трибологическим свойствам (особенности по трению и износу),
- по оптическим свойствам.
Все операции классификации на выходе плазмотрона охлажденного готового продукта являются достаточно чистым производством.
В результате предложенный способ позволяет получать широкий спектр различных материалов. При этом производительность процесса достаточно высокая и составляет 60-80% выхода годного в зависимости от используемого сырья, а при обработке сырья, прошедшего предварительную очистку, может составлять 96-98%.
Пример конкретной реализации №1. Исходное сырье в виде мелкодисперсной шихты оксида алюминия, имеющей средний размер фракций 80 мкм и более в количестве 50 кг загружают в высокочастотный плазмотрон типа ВЧ-П/50, в его входную емкость - дозатор. Данный плазмотрон имеет следующие параметры источника питания: ток анода Ia - 1,5-3,0 А, ток сетки Ig - 8,5-10 А, анодное напряжение Ua - 8,5-11 кВ. Температура плазмы - 1000°С. Режим плазменной обработки непрерывный. Время сфероидизации частиц, пролетающих сквозь плазму, составляет 1-5 микросекунд. Обработка всего объема загруженного сырья происходит в течение 2-2,5 часов.
Охлаждение сфероидизированных частиц происходит естественным путем в реакторной камере плазмотрона в ее охлажденной выводной части.
На выходе плазмотрона охлажденные микрошарики попадают в приемную емкость, после чего их взвешивают. В результате получили 49,3 кг микрошариков оксида алюминия, что составило ~ 98% выхода годного. Микрошарики классифицировали по размерам частиц, что показало наличие фракций от 20 до 80 мкм примерно равных количеств по весу.
В таблице приведены данные по реализации способа изготовления сфероидизированных порошков из различных исходных материалов минералогического состава.
Таблица
При-мер№
Вид исходного сырья
Количество обрабатываемого исходного сырья; размер фракций
Режим обработки
Выход годного продукта
Вид классифицикации полученного продукта
1
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
10 кг
Ua - 10 кВ
9,385 кг
По размеру, ситовым способом
Фракции 100-300 мкм
Ia - 10 А
Ig - 2,7 A
2
Смесь:
Всего - 10 кг
Ua - 10 кВ
Всего:
1/ по размеру;
Стекломука;
5 кг
Ia - 10 А
8,79 кг
2/ по магнитным свойствам;
более 100 мкм
Стекло - 4,31 кг
Ig - 2,9 A
3/ по оптическим свойствам;
Отходы абразивного граната
5 кг
Гранат - 4,48 кг
100-300 мкм
4/ по удельному весу
3
Смесь:
Всего - 10 кг
Ua - 10 кВ
Всего:
1/ по магнитным свойствам;
Порошок магнетита;
5 кг; до 600 мкм
Ia - 10 A
8,78 кг
Магнетит - 3,85 кг
2/ по размеру;
Ig - 2,7 A
3/ по трибологическим свойствам
Стекломука
5 кг; до 600 мкм
Стекло - 4,93 кг
4
Смесь:
Всего - 8 кг
Ua - 10 кВ
Всего:
1/ по размеру;
Стекломука;
5 кг; 30-80 мкм
Ia - 10 A
6,96 кг
2/ по магнитным свойствам;
Отходы абразивного граната, прошедшие очистку - рециклинг
3 кг
Ig - 2,85 A
Стекло - 4,01 кг
3/ по удельному весу;
100-200 мкм
4/ по сыпучести;
Гранат - 2,95 кг
5/ по оптическим свойствам
5
Смесь оксидов из песков 4-х месторождений;
Всего 50 кг
Ua - 10 кВ
Всего:
1/ по размеру
40 кг оксидов
Ia - 9,5 A
44,71 кг
2/ по гидрофильности
100-600 мкм
Ig - 2,4 A
Оксиды - 35,7 кг
3/ по гидрофобности;
4/ по сыпучести
Стекломука
10 кг стекломуки
Стекло - 9,01 кг
До 160 мкм
В таблице приведены примеры получения микрошариков из различного исходного сырья, которое в зависимости от производственных нужд может использоваться в виде различных вариантов смесей.
Следует отметить, что применение стекломуки в отдельных случаях улучшает сыпучесть смеси, в которой она присутствует.
При классифицировании продукта по оптическим свойствам, как правило, определяют коэффициенты отражения и преломления материала.
При классифицировании продукта по удельному весу применяют воздушный гравитационный классификатор или его аналог.