УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДИСПЕРГИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ

Полезная модель относится к технологическому оборудованию, которое позволяет диспергировать металлические порошки, в частности из оловянистой бронзы, алюминиевой бронзы и железные порошки исходных фракции от 200 мкм до 400 мкм на фракции меньших размеров воздействуя ультразвуком высокой частоты на жидкую фазу, в которой находятся исходные порошки. Полученные диспергированием порошки меньших фракции используют в качестве наполнителей при изготовлении изделий методами порошковой металлургии с высокими эксплуатационными характеристиками (плотностью, прочностью, теплопроводностью и, электропроводностью, фильтрующей способностью, триботехническими характеристиками) изделий электромашиностроения, общего машиностроения и других отраслей промышленности.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели устройством, принимаем за прототип, является Проточный кольцевой УЗ диспергатор ПКД-1М, используемый для диспергирования металлических порошков (Руководство пользователя Проточным кольцевым УЗ диспергатором ПКД-1М 23380399.4.36361.002 РП). На рис. 1 приведена блок-схема ПКД-1М (1 - рабочий модуль; 2 - ультрозвуковой излучатель; 3 - емкость рабочего модуля; 4 - емкость промежуточного накопителя диспергированного порошка, 5 - емкость основного накопителя диспергированного порошка; 6 - противоточный водяной холодильник; 7 - циркулярный водяной насос; 8 - предохранительный клапан сброса парожидкостной смеси из жидкостного циркулярного контура; 9 - трубопровод соединяющий элементы жидкостного циркулярного контура; 10 - патрубок заливки рабочей жидкости и суспензии с порошком в емкость рабочего модуля 3; 11 - водяные краны для перепуска рабочей жидкости из емкости 3 в емкости 4 и 5, и удаления диспергированного порошка из ПКД-1М; 12 пробки для закрытия отверстий для слива промывочной жидкости; 13, 15, 17 - патрубки подачи охлаждающей воды в противоточный холодильник 6, в ультразвуковой излучатель 2, в рубашку емкости рабочего модуля 3, в магнитострикционный преобразователь соответственно; 14, 16, 18 - соответственно патрубки слива охлаждающей воды; 19 - вводы тока резонансной УЗ-частоты).
Недостатками известного устройства являются:
непроизводительные затраты в связи с необходимостью систематических промывок крупных конгломератов из мелкодисперсных частиц, ранее диспергированных и активированных излучением большой мощности (около 2,5 кВт) в рабочем модуле и агрегатируемых в конгломераты на шероховатой внутренней поверхности емкостей накопителей, изготовленных из обычных нержавеющих труб большого диаметра, с целью повторного разрушения конгломератов на мелкие фракции;
необходимость длительных многоразовых промывок жидкостного циркулярного контура (ЖЦК) с целью полного удаления из контура ранее диспергированных порошков и подготовки установки для диспергирования порошков других сплавов и марок;
наличие большого количества трудно промываемых застойных зон, способствующих накоплению в них и последующему уплотнению и агрегации порошков мелкодисперсных фракций в крупные конгломераты.
Техническим результатом полезной модели является создание устройства для ультразвукового диспергирования металлических порошков, обеспечивающего повышение эффективности процесса диспергирования порошка в жидкости, за счет уменьшения трудно промываемых застойных зон и ликвидации образования порошковых конгломератов.
Технический результат достигается за счет того, что предложена конструкция устройства для ультразвукового диспергирования металлических порошков, включающая рабочий модуль, соединенный с ультразвуковым излучателем, на котором находятся вводы тока резонансной УЗ-частоты с емкостью рабочего модуля, емкость рабочего модуля соединена с емкостью промежуточного накопителя, емкость промежуточного накопителя соединена с основным накопителем и через трубопровод, на котором находится циркулярный насос, соединена с рабочим модулем, рабочий модуль соединен трубопроводом через предохранительный клапан и противоточный водяной холодильник с емкостью промежуточного накопителя, при этом емкости рабочего модуля, промежуточного и основного накопителей диспергированного порошка конической формы, промежуточный накопитель диспергированного порошка дополнительно оборудован магнитострикционным преобразователем на базовую частоту 18 кГц, мощностью излучения не более 160 Вт, для исключения агрегации мелких частиц в крупные конгламераты. Так же в устройстве применяются шаровые проходных вентили с полированной поверхностью рабочей проточной части, вместо обычных водяных кранов для перепуска рабочей жидкости, а емкости рабочего модуля, промежуточного и основного накопителей диспергированного порошка, выполнены из полированной нержавеющей стали.
На рисунке 2 представлена блок схема заявляемого устройства для ультразвукового диспергирования металлических порошков (1 - рабочий модуль; 2 - ультразвуковой излучатель; 3 - емкость рабочего модуля; 4 - емкость промежуточного накопителя диспергированного порошка, 5 - емкость основного накопителя диспергированного порошка; 6 - противоточный водяной холодильник; 7 - циркулярный водяной насос; 8 - предохранительный клапан сброса парожидкостной смеси из жидкостного циркулярного контура; 9 - трубопровод соединяющий элементы жидкостного циркулярного контура; 10 - патрубок заливки рабочей жидкости и суспензии с диспергируемым порошком в емкость рабочего модуля; 11 - шаровые проходные вентили с полированной поверхностью проточной части; 12 - магнитострикционный преобразователь на базовую резонансную частоту 18 кГц, мощностью не более 160 Вт, для исключения агрегации мелких частиц в крупные конгломераты; 13, 15, 17, 19 - патрубки подачи охлаждающей воды в противоточный холодильник 6, в ультразвуковой излучатель 2, в рубашку емкости рабочего модуля 3, в магнитострикционный преобразователь 12 соответственно; 14, 16, 18, 20 соответственно патрубки слива охлаждающей воды; 21, 22 - вводы тока резонансной УЗ-частоты). Рабочий модуль (1) соединен с ультразвуковым излучателем (2), на котором находятся вводы тока резонансной УЗ-частоты с емкостью рабочего модуля (3); емкость рабочего модуля (3) соединена с емкостью промежуточного накопителя (4), емкость промежуточного накопителя (4)соединена с основным накопителем (5) и через трубопровод (9), на котором находится циркулярный насос (7), соединен с рабочим модулем, рабочий модуль (1) соединен трубопроводом через предохранительный клапан (8) и противоточный водяной холодильник (6) с емкостью промежуточного накопителя (4).
Заявляемая полезная модель позволит создать направленную жидкотекучесть суспензии диспергируемого порошка за счет применения конусных емкостей в конструкциях рабочего модуля, промежуточного и основного накопителя диспергированного порошка при этом емкости рабочего модуля, промежуточного и основного накопителей диспергированного порошка, а также трубопровод, соединяющий элементы жидкостного циркулярного контура, выполнены из нержавеющей стали с электрополированной внутренней поверхностью, что позволит исключить прилипание активированных мелких частиц диспергированного порошка к внутренним поверхностям конусных емкостей рабочего модуля, промежуточного и основного накопителей, и исключит возможность последующей агрегации мелких частиц в крупные конгломераты. Полезная модель позволяет значительно увеличить производительность устройства за счет повышения концентрации текущего акустического воздействия на уплотняющуюся суспензию диспергируемого порошка по мере ее перемещения в конусной емкости рабочего модуля к вершине конуса. Снизить время и затраты на промывку ЖЦК перед диспергированием в нем порошков новых сплавов и новых марок материала за счет оптимизации конструктивного исполнения элементов ЖЦК (ликвидации вварных сливных герметизируемых пробок, уменьшение числа резких поворотов трубопровода рабочей жидкости, электрополировки внутренних поверхностей труб и проточных элементов противоточного водяного холодильника, замена водяных буксовых кранов прямоточными запорными шаровыми вентилями с электрополированной поверхностью проточных элементов). Значительно снизить длительность и повысить качество профилактики устройства за счет применения емкостей конусной формы для рабочего модуля, промежуточного и основного накопителей порошка, изготавливаемых из тонкостенных листов нержавеющей стали, электрополировки внутренней поверхности конусов, и монтажа емкостей вершиной конуса вниз. Исключить формирование крупных конгломератов, образующиеся из мелкодисперсных частиц диспергированного в рабочем модуле порошка, за счет ввода излучателя-волновода УЗ-диспергатора с базовой резонансной частотой 18,5 кГц мощностью не более 160 Вт в емкость промежуточного накопителя порошков, исключая при этом необходимость многократных длительных промывок конгломератов вне ЖЦК с целью их разрушения жидкими дисперсантами (глицерином, этиленгликолем, этанолом, дистиллированной водой).
Предлагаемая полезная модель «Устройства» реализована в НПЭК НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей» для диспергирования порошков бронзы оловянистой марки ПБР-1 исходных фракций +400 и +315/+200; бронзы алюминиевой марки Бр-АЖНМц исходной фракцией -200, железного порошка марки ПЖВ-1 исходной фракцией -315. При диспергировании порошков бронзы оловянистой марки ПБР-1 исходной фракцией +400 [измеренная оптико-лазерным дифрактометром +446,7 (мак. объем 4,21%)] в дистилляте в течение 20 мин получены фракции размерами в 1,62 раза меньше исходной, а при увеличении длительности диспергирования до 150 мин фракции размером до 0,158 мкм. РСМА порошка бронзы оловянистой фракцией +400 после диспергирования в течение 60 мин в дистилляте зафиксировано: - множество вновь образованных сферических частиц, приваренных и частично глубоко внедренных в крупные частицы сферической формы размером более 400 мкм; - спектральный состав порошка фракцией 434 мкм (Al - 0,40; Р - 0,55; Cu - 93,62; Sn - 5,44,% масс).
При диспергировании порошков бронзы алюминиевой марки БрАЖНМц-8,5-4-5 - исходной фракцией -200 [измеренная оптико-лазерным дифрактометром 195,5 (22,34%)] в дистилляте в течение 60 мин получены фракции размером в 2,14 раза меньше исходных, а минимальная -91,2 мкм. По данным РСМА форма практически всех порошинок в пробе округлая и близка к «сферической».
При диспергировании железного порошка марки ПЖВ-1 исходной фракцией -315 [измеренная оптико-лазерным дифрактометром Mastersizer-20-00 -339,65 (11,79%%))] в дистилляте в течение мин получены фракции размером в 2,4 раза меньше исходных, а минимальная -138,038 мкм. Растровым двулучевым электронно-ионным микроскопом Quanta 200 3D FEG (в сочетании с энергодисперсионным спектрометром 10EDX Apollo-10 EDAX) определены спектральные составы исходной порошинки фракцией 496,2 мкм в % масс: О - 11,39; Al - 0,26; Si - 0,33; S - 0,15; Са - 0,12; Cr - 0,40; Mn - 0,39; Fe - 84,96, в сферических частицах размером 53,2 мкм и 27,6 мкм после их диспергирования в дистилляте в течение 60 мин, соответственно, Al - 0,19; Si - 0,12; Mn - 0,15; Fe - 99,54 и Al - 0,25; Si - 0,04; Mn - 0,04; Fe - 99,67 Приведенные данные позволяют констатировать: с уменьшением размера частицы в ней закономерно уменьшается содержание кремния и марганца, и значительно увеличивается содержание железа.
Результаты испытаний устройства убедительно показали его эффективность для диспергирования порошков на медной и железной основе.