ПОРОШОК МЕДНЫЙ

Полезная модель относится к области производства порошковых материалов, конкретно - к медному порошку марки ПМР, изготавливаемому согласно ТУ48-21-282-73 [1] и предназначенному для очистки хлорида титана от примесей.
Известно, что специализированными предприятиями РФ выпускаются порядка 15-20 марок медных порошков, получаемых различными способами и применяемых по разнообразным направлениям - от изготовления деталей методами порошковой металлургии до применения в производстве медной электролитической фольги, а также для получения лигатуры, используемой в черной и цветной металлургии (таблица) [2].
Среди многих технологических и эксплуатационных характеристик медных порошков важное место занимают гранулометрический (фракционный) состав и насыпная плотность, по которой, независимо от целевых назначений, порошки, приведенные в таблице, можно, естественно, с некоторой долей условности разделить на следующие группы.
3
1. Порошки с высокими значениями насыпной плотности, находящимися в интервале 2,4…3,8 г/см.
3
2. Порошки со средними значениями насыпной плотности, составляющими 1,25…2,0 г/см.
3
3. Порошки с низкой насыпной плотностью, то есть не более 1,0 г/см.
4
4
3
3
4
3
4
4
3
4
Из уровня техники известно, что в ряде производств медные порошки используют для очистки реагентов от примесей. В частности, очистку четыреххлористого титана TiCl от ванадия, находящегося в TiCl в виде оксихлорида ванадия VОСl, проводят химико-технологическими приемами в полностью герметичных химических аппаратах с использованием медного порошка [1-4, 10]. При этом, кроме ванадия, удаляют серу и частично органические примеси, а также хлорид алюминия АlСl, причем при концентрации последнего более 0,01% медь пассивируется [3, с.139-140; 10, с.177-178]. С целью снижения расхода медного порошка операцию очистки TiCl от ванадия проводят в две стадии: сначала путем введения воды (в виде влажного активированного угля) и осуществления реакции гидролиза в реакторах с мешалками АlСl переводят в нерастворимый в TiCl оксихлорид алюминия; затем проводят обработку подогретого до 60…80°С [10] раствора TiCl медным порошком для очистки от ванадия [3, 10], то есть применяют метод избирательного восстановления оксихлорида ванадия медным порошком. Так как концентрация VOCl мала, а TiCl достаточно быстро реагирует с медным порошком, полагают, что непосредственным восстановителем в этом процессе является не медь, а комплексная соль треххлористого титана с хлористой медью [4].
4
Медный порошок вводят из расчета; 0,5% от массы хлорида титана [3]; 0,3% - согласно [4]; 0,25…0,4% - согласно [10] (при содержании в нем 0,1% ванадия), при других концентрациях ванадия проводят соответствующий перерасчет. После засыпки медного порошка и примерно получасового (согласно [3, с.139]) перемешивания отбирают пробу на содержание ванадия, которая имеет вид суспензии со взвешенными частицами. По более современным сведениям, например, согласно [10, с.178], продолжительность контакта TiCl с медью составляет 2-3 ч. Взвешенность частиц меди играет решающую роль в успешном проведении процесса очистки, и поэтому, естественно, стремятся использовать порошки с невысокой насыпной плотностью. Отсюда следует вывод, что порошки первой группы (таких в приведенной таблице насчитывается шесть позиций) решительно не годятся для применения по рассматриваемому назначению.
3
Из порошков второй группы (с насыпной плотностью 1,25…2,0 г/см), содержащихся в приведенной таблице в количестве семи позиций, в качестве прототипа выбран медный порошок марки ПМС-1, ГОСТ 4960-75 [5] производства ОАО «Уралэлектромедь», г.Верхняя Пышма Свердловской области [6].
3
Порошок по прототипу представляет собой медный, полученный электролитическим методом стабилизированный порошок с насыпной плотностью 1,25…1,9 г/см и следующим гранулометрическим составом: до 100 мкм ≥99,5%; до 71 мкм ≥90,0%; до 45 мкм 65…80%.
Несмотря на благоприятный для создания режима взвешенности гранулометрический состав порошка-прототипа, он имеет серьезный недостаток - довольно высокую насыпную плотность, не позволяющую обеспечить в должной мере всплываемость порошка в процессе проведения реакции; это вынуждает значительно увеличивать длительность перемешивания реагентов и снижает продуктивность химических реакций при очистке хлорида титана от ванадия. Другим недостатком порошка-прототипа, также уменьшающим эффективность его использования по рассматриваемому назначению, является шарообразная (или приближенная к ней) форма его частиц - одна из типичных для порошков, измельченных после их получения электролитическим методом. Такая форма частиц порошка, даже при высоком процентном содержании в его гранулометрическом составе мелких фракций, существенно снижает активную поверхность порошка, поскольку хорошо известно, что сферическое тело обладает минимальной площадью поверхности в сравнении с телами других форм. Приведенные недостатки порошка по прототипу оказались настолько значительными, что крупнейшее в РФ предприятие - ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА», имеющее в своем составе производства по переработке титановых руд (рутила и ильменита) в титановую губку, отказалось от использования для очистки от примесей хлорида титана медного порошка марки ПМС-1 и успешно перешло на использование порошка марки ПМР, выпускаемого согласно заявляемой полезной модели.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эксплуатационных характеристик продукции, а именно: обеспечение высокого уровня взвешенности частиц медного порошка и повышение его химической активности.
3
Задача решается тем, что порошок состоит из частиц лепесткообразной формы, имеющих соотношение осей 1,5…2,7 и толщину 3…5 мкм, насыпная плотность порошка составляет 0,6…1,0 г/см, кроме того, поверхность частиц порошка покрыта стеарином в количестве 0,05…0,1% от массы навески порошка.
3
За счет значительного, практически 2-кратного снижения насыпной плотности медного порошка согласно предлагаемой полезной модели по сравнению с медным порошком по прототипу (с 1,25…1,9 до 0,6…1,0 г/см) достигнут высокий и стабильный уровень взвешенности частиц порошка в рассматриваемом процессе очистки хлорида титана от примесей, в частности от оксихлорида ванадия, хлорида алюминия, серы и органических примесей. Другое важное преимущество заявляемого порошка - лепесткообразная форма его частиц с соотношением осей 1,5…2,7 при толщине 3…5 мкм также способствует повышению его взвешенности и химической активности. Заявленное соотношение осей частиц - лепестков 1,5…2,7 получено заявителем целенаправленным образом, то есть путем использования таких режимов, опробованных при изготовлении опытных партий порошка, чтобы гарантированно получить требуемую толщину частицы-лепестка, а именно 3…5 мкм. С учетом того, что при таких малых размерах частиц вступают в действие вероятностные законы, то естественно, что некоторая часть из всей навески порошка выходит за рамки заявленного соотношения осей, однако эта доля не столь велика и согласно статистическим данным заявителя, в зависимости от колебаний параметров размола в условиях реального производства, составляет от 5 до 11%.
Всплываемости порошка в жидкофазной среде служит также покрытие его частиц стеарином (поверхностно-активным веществом), правда лишь в начальной стадии реакции, то есть до тех пор, пока стеарин, температура плавления которого составляет 53°С [9], не расплавится. Однако положительная роль стеарина не сводится только к указанному эффекту. Стеарин практически полностью предохраняет мелкодисперсные частицы порошка от окисления и, кроме того, предотвращает склепывание (по сути - сваривание) частиц порошка; причем эти две функции стеарина осуществляются на всех следующих стадиях производственного цикла: приготовлении порошка путем его размола в шаровой мельнице, сепарации, фасовке, транспортировании к заказчику, хранении и использовании по назначению. Таким образом, реализуется тенденция к длительному поддержанию достаточной для проведения соответствующих реакций химической активности порошка.
Что касается другого направления повышения химической активности предлагаемого порошка по сравнению с порошком-прототипом, то оно неоспоримо следует из сравнения активных поверхностей химического взаимодействия в том и другом случае, что подтверждается приведенным ниже расчетом.
1
1
2
2
2
2
2
2
Площадь поверхности частицы порошка в виде сферы по прототипу рассчитана по формуле S=4πr, где г - радиус сферы. Для максимального радиуса частицы порошка-прототипа при г=100/2=50 мкм эта площадь равна S=4π×50=31400МКМ. Частицы предлагаемого порошка имеют лепесткообразную форму, к которой из геометрических фигур наиболее близок эллипс (овал) с соотношением осей, примерно 1:2, следовательно, при большой оси частицы в виде лепестка, равной согласно гранулометрическому составу 315 мкм, малая ось эллипса составит 315/2=157,5 мкм. Площадь эллипса S=πав, где а и в - его полуоси. Для оптимальных размеров частицы предлагаемого порошка согласно его фракционному составу при а=157,5 мкм и в=а/2=78,75 мкм эта площадь равна S=π×157,5×78,75=38946 мкм. Поскольку частица в виде лепестка является двусторонней, полная площадь ее поверхности составляет 38946×2=77892 мкм. Превышение площади поверхности частицы предлагаемого порошка по отношению к площади частицы порошка-прототипа 77892/31400=2,48 раза.
4
Отсюда следует вывод, что продолжительность контакта реагентов с предлагаемым порошком по сравнению с известным может быть снижена, по крайней мере, в 2 раза. Поскольку химическую очистку медным порошком осуществляют в каскаде реакторов с мешалками, производительность которых должна быть согласована с производительностью кубов-испарителей и ректификационных колонн [10, 11], то при известной из [11] массе подаваемого в ректификационные колонны исходного TiCl, равной 3,5 т/сут (или 145,8 кг/ч), производительность реакторов с учетом высокой эффективности предлагаемого порошка можно повысить также примерно в 2 раза и, таким образом, она составит более 7 т/сут (или 292 кг/ч). Приведенные расчеты подтверждают, что задача предлагаемого технического решения - повышение эксплуатационных характеристик продукции, то есть предлагаемого медного порошка согласно заявляемой полезной модели, решена.
Важным достоинством заявляемого порошка является уникально малая толщина его частиц-лепестков, равная 3…5 мкм, поскольку при таком значительном отношении длины и ширины частицы к ее толщине при попадании в жидкость она переходит в режим аквапланирования, что в сочетании с низкой насыпной плотностью порошка несомненно способствует более полному прохождению процесса очистки хлорида титана в баке-реакторе. Этой же цели служит покрытие частиц медного порошка стеарином, который увеличивает их всплываемость за счет сил поверхностного натяжения.
Далее приведена информация о методах определения характеристик заявляемого порошка в производстве заявителя.
3
Насыпную плотность определяют согласно [1] на волюмометре, в воронку которого свободно насыпают порошок. Легкими движениями деревянной лопатки или жесткой кисточки в воронке осуществляют прохождение порошка равномерной струей через сетку воронки в предварительно взвешенный мерный стакан объемом 100 см. Стакан с порошком взвешивают с точностью до 0,01 г и чистую массу порошка делят на объем стакана. Насыпную плотность порошка вычисляют как среднеарифметическое из трех определений [1].
Размеры частиц порошка находят следующим образом:
- максимальный габаритный размер лепестка, то есть его длину - путем просеивания через сито с сеткой №0315 по ГОСТ 6613-86 [7];
- ширину лепестка - по статистической выборке путем измерения размеров частиц с помощью микроскопа модели LEICA DM IPM; измерение проводят по фотографиям с увеличением 200 раз;
- толщину лепестка определяют с использованием системы анализа изображения LECO LX31 Iа 32.
Определение степени измельчения порошка согласно [1] проводят путем сухого просева навески порошка массой 50 г и взвешивания остатка на сетке №0315 на аналитических весах. Результат анализа выражают в процентах. В частности, для заявляемого порошка количество этого остатка должно составлять не более 8%.
Необходимое количество шихтовки стеарина, заявленное в полезной модели и равное 0,05…0,1 маc.%, было найдено в производствах заявителя и потребителя опытным путем. При содержании стеарина менее 0,05 мас.% резко усиливается склепывание (сваривание частиц) порошка, тем самым значительно снижается уровень его эксплуатационных характеристик. При превышении верхнего предела интервала содержания стеарина, равного 0,1 мас.%, возрастает содержание в порошке жиров, которое, согласно ТУ [1] должно быть не более 0,25%; в противном случае в производстве потребителя усложняется задача очистки хлорида титана от органической примеси.
В качестве примера конкретной реализации получения заявляемого медного порошка ниже в кратком изложении приведена технологическая схема изготовления в производстве заявителя медного порошка марки ПМР с признаками, заявленными в формуле полезной модели.
3
Исходным сырьем служит медная стружка, по размерам и форме соответствующая утвержденному эталону и получаемая путем фрезерования медных слитков, отлитых в производстве заявителя, на фрезерных станках типов КС3-1 и КС3-35 при помощи резьбовых гребенчатых фрез, либо медная сечка по ГОСТ 1639-93. Исходное сырье подвергают измельчению в шаровых мельницах пневмосепарационной системы при помощи мелющих тел. Измельчение ведут непрерывным методом до определенного фракционного состава, соблюдение которого достигают путем изменения положений дросселей мельницы и байпаса. В ходе измельчения в мельницу подают стеарин марок Т-18 или Т-32, ГОСТ6484-96 [9] в количестве 0,05…0,1% от массы навески медного порошка. После проведенной сепарации остаток на сетке фракций размером >315 мкм составляет не более 8% (обычно 5,5…7,5%), его направляют на дальнейшее размалывание. Далее следуют приемка порошка ОТК и отбор проб для определения согласно [1] соответствующих характеристик. Затем порошок, полностью соответствующий фракционному составу [1], упаковывают в металлические банки емкостью до 50дм и отправляют заказчику.
Таблица Технические характеристики медных порошков, выпускаемых предприятиями РФ
№№ пп
Марка порошка, ГОСТ или ТУ
Предприятие-производитель
Насыпная плотность, г/см<sup>3</sup>
Гранулометрический состав, %, в мкм
<26
<45
<63>
>75
>100
<140
>150
>180>
>212
<224
>250
>300
<315
<450
<500
>600
1.
ПМ, ГОСТ 4960-75
ОАО«Уралэлектромедь», г.Верхняя Пышма, Свердловской области
1,25-2,0
65-80
≥90
≥99,5
2.
ПМС-1, ГОСТ4960-75
1,25-1,9
65-80
≥90
≥99,5
3.
ПМС-А, ГОСТ4960-75
1,3-1,5
73-80
≥90
≥99,5
4.
ПМС-В, ГОСТ4960-75
2,4-2,7
10-25
25-35
35-45
5-15
≤0,1
≤1,0
5.
ПМ-К, ГОСТ4960-75
2,5-3,5
≤10
≥90
6.
ПМС-Н, ГОСТ4960-75
2,5-3,5
≥95
7.
ПМР. Для произ-ва фольги и как лигатура
ОАО «Металл энерготранс», г.Рязань
Ост.
60-80
10-20
8.
ПМРк
КМЭЗ
3,8±0,1
95
5
9.
ПМС0М1, ТУ 1793-094-00194429-002
ОАО «Урал-электромедь»
1,6-2,0
95 min
Продолжение таблицы
10.
ПМС-М2, ТУ 1793-094-00194429-2002
ОАО «Уралэлектромедь»
1,25-1,6
95 min
11.
G,GG,SA,SB,SC (5 марок) ТУ 1793-083-00194429-2002
2,8+0,4
В связи со значительным числом марок порошка (пять) привести информацию по гранулометрическому составу не представляется возможным.
12.
ПМСС-11, ТУ1793-368-108-99
1,25-1,9
<img file="00000001.tif" he="10" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
13.
ПМС-12, ТУ1793-368-115-99
1,25-1,9
<img file="00000002.tif" he="10" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
14.
ПМР. Для прессованных изделий,лакокрасочных материалов
ОАО «Металл-энерготранс» г.Рязань
40-80
20-40
2-20
0-2
15.
ПМС. Общего назначения ТУ 1793-057-00194429-2004
2,4+0,5
Информация по гранулометрическому составу отсутствует
16.
ПМР. Для очистки от примесей хлорида титана ТУ48-21-282-73
ОАО «КУЗОЦМ», г.Каменск-Уральский, Свердловской области
0,6-1,0
≤92
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. ТУ 48-21-282-73 Пудра медная ПМР. Код ОКП 179310. УДК669.3-492.2. Группа В56.
2. http://www.elem.ru/ru/business/production/search/index.php? id 15=196.
3. Сергеев В.В., Галицкий Н.В., Киселев В.П. и др. Металлургия титана. М.: Металлургия, 1971. 320 с.
4. Гармата В.А., Гуляницкий Б.С., Крамник В.Ю. и др. Металлургия титана. М.: Металлургия, 1968. 643 с.
5. ГОСТ 4960-75 Порошок медный электролитический. М.: Изд-во стандартов. 9 с. УДК669.3-492.2:006.354. Группа В56.
6. http://www infogeo.ru/metalls/product/? act=show&i=487.
7. ГОСТ 6613-86 Сетки проволочные тканые с квадратными ячейками. М.: Изд-во стандартов. 13 с. УДК621.778.8:677.064.006.354. Группа В76.
8. ГОСТ 1639-93 Лом и отходы цветных металлов и сплавов. Общие технические условия. Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. 56 с. МКС77.120.01. Группа В57.
9. ГОСТ 6484-96 Кислота стеариновая техническая (стеарин). М.: Изд-во стандартов. 12 с. УДК665.127.24:006.354.ОКС67.200.10. Группа H18. ОКП914661.
10. Тарасов А.В. Металлургия титана. М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. 328 с.
11. Надольский А.П. Расчеты процессов и аппаратов производства тугоплавких металлов. М.: Металлургия, 1980. 128 с.