Способ получения стальных порошков
METHOD OF PRODUCING STEEL POWDERS

Изобретение относится к получению мелкодисперсных металлических порошков.
Из патента № 2294383 на изобретение известен способ струйно-вакуумного рафинирования стали в кавитационном режиме, при котором до струйного вакуумирования осуществляют предварительное раскисление стали путем введения в расплав раскислителей, таких, как алюминий, титан, кальций, магний и/или их сплавы, в количестве, определяемом содержанием углерода в этом расплаве. Предварительное глубокое раскисление стали перед ее дальнейшей обработкой позволяет получить в ней содержание кислорода максимально связанным в ОНВ и, следовательно, уменьшить объем пузырьково-пленочной структуры (ППС) (но не количество зародышей газовых пузырьков, обеспечиваемое заданной вязкостью стали, достигаемое температурным фактором).
Из патента № 2294383 на изобретение известно, что развитие пузырьково-пленочной структуры струи стали при истечении ее в вакуум происходит в три этапа:
- на первом возникают кавитационные полости (разрывы) в объеме струи стали за счет центробежных сил внутри турбулентных вихрей, которые обеспечиваются температурным интервалом обработки;
- на втором этапе в эти разрывы происходит переход растворенных в атомарном виде газов в металле путем их молизации (водород и азот) или по реакции С+О=СО;
- на третьем этапе газовые зародыши, достигшие размеров больше критического, начинают расти за счет дальнейшего перехода растворенных в металле газов и формируется пузырьково-пленочная структура струи стали.
При обработке стали струйным способом в кавитационном режиме формирование ППС происходит на 10-20% за счет выделившегося водорода, на 40-60% за счет выделившегося кислорода в виде СО и на 20-30% за счет выделяющегося азота.
Предварительное введение в металл до струйного вакуумирования таких сильных раскислителей, как алюминий, титан, кальций, магний и/или их сплавы, позволяет формировать ППС в достаточном объеме (позволяющем эффективно удалять из металла растворенные в нем газы) и необходимых параметров (толщина пленки металла в такой ППС остается минимальной, что обеспечивает минимальные пути диффузии для газов), т.к. мы не вмешиваемся в первый этап формирования ППС струи стали, обеспечивающий ее эффективность.
Недостатком способа по патенту № 2294383 является то, что он не позволяет получать металлический порошок.
Из патента № 2621748 на изобретение известен способ получения мелкодисперсного металлического порошка, включающий механическое диспергирование металлического материала с получением полидисперсного металлического порошка, перемешивание смеси полидисперсного металлического порошка с химически инертной к нему жидкой средой до образования суспензии, воздействие на суспензию ультразвуковыми колебаниями в режиме кавитации и выделение мелкодисперсной фракции металлического порошка из суспензии, при перемешивании в суспензию вводят алмазный порошок, который удаляют перед выделением мелкодисперсной фракции.
Способ по патенту № 2621748 выбран в качестве наиболее близкого аналога.
Недостатком способа наиболее близкого аналога является его сложность и ограниченные функциональные возможности.
Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением – создание способа получения стальных порошков, обладающего широкими функциональными возможностями и одновременно, являющегося простым и надежным.
Технический результат, достигаемый изобретением – расширение функциональных возможностей способа получения стальных порошков, упрощение способа, повышение качества получаемого порошка.
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в способе получения стальных порошков, включающий подачу стального расплава в вакуумную камеру в режиме кавитации в виде пенной структуры, согласно изобретению обеспечивают охлаждение дна камеры, подачу стального расплава осуществляют через входное отверстие диаметром Dвх. = (4 - 10) мм, высоту вакуумной камеры выбирают из условия обеспечения высоты падения стального расплава внутри вакуумной камеры, составляющей не менее 150 х Dвх., степень раскисленности стального расплава составляет не более 100 г алюминия на тонну стального расплава.
Охлаждение дна камеры можно обеспечивать путем размещения на дне камеры водоохлаждаемых элементов.
Из уровня техники известна  возможность формирования пенной структуры при  истечении струи стали в вакуумное пространство в кавитационном режиме. В результате получаемая мелкодисперсная пенная структура обеспечивала эффективное удаление растворенных в стали газов лучше, чем любой из известных способов вакуумной обработки. При этом рафинирующие способности пенной структуры были тем выше, чем дольше она сохраняется при вакуумировании.
Таким образом, если для получения максимальной чистоты металла во время вакуумирования в кавитационном режиме необходимо как можно дольше сохранять пенную структуру, то для получения металлического порошка необходимо обеспечить максимально быстрое разрушение такой пенной структуры после ее образования, что будет способствовать увеличению объема образующегося металлического порошка.
Заявляемый способ получения металлических (стальных) порошков основан на том, что сталь конкретного состава разливают в вакууме в кавитационном режиме, в результате чего образуется мелкодисперсная пенная структура, которая при дальнейшем падении под действием собственной силы тяжести и разности давлений в вакуумном пространстве разрушается, образуя мельчайшие стальные капли строго сферической формы.
Для обеспечения затвердевания тех капель, которые не успели затвердеть во время свободного падения в результате разрушения пенной структуры, и для исключения слипания капель в комки при их падении друг на друга до того, как они остынут, дно камеры выполняют охлаждаемым или на дне размещают охлаждающие элементы (например, емкости с водой). При соприкосновении с охлажденным дном (или охлаждающими элементами, размещенными на дне емкости), долетающие до дна стальные капли мгновенно затвердевают с образованием отдельных неслипшихся частиц. Образующиеся металлические частицы удаляются из камеры.
То есть осуществляются одновременно два процесса: удаление газов из стали и формирование металлического порошка (из пенной структуры.)  Кроме того, пенная структура очень эффективно удаляет любые неметаллические включения из стали размером более 5 мкм.
Таким образом, предлагаемое решение не только позволяет получать порошки идеальной сферической формы, но одновременно резко повышает чистоту стального порошка по содержанию газов и неметаллических включений.
Для того, чтобы пенная структура успела разрушиться на мельчайшие капли при падении в вакуумной камере, соотношение между высотой падения пенной структуры (т.е. высота вакуумной камеры) к диаметру отверстия, через которое сталь попадает в вакуумную камеру должно быть более 150.
В нашем же случае, необходимо обеспечить разрушение пенной структуры как можно быстрее. Для этого диаметр отверстия, через которое поступает металл в вакуумную камеру, должен быть небольшим – порядка 4-10 мм. А отсюда и масса единовременно обрабатываемого металла не может быть более нескольких килограммов.
Степень раскисленности металла должна быть небольшой, при этом величина раскисленности обусловлена двумя факторами:
- раскисленность должна быть такой, чтобы при нагреве заготовки любой марки стали для распыления "удержать" углерод в заданных пределах по марке;
- чем меньше раскисленность, тем больше кислорода будет участвовать в формировании пенной структуры, тем быстрее она будет разрушаться при истечении в вакуум, тем меньшего диаметра дробинки (порошинки) будут формироваться.
С учетом необходимости соблюдения обоих вышеприведенных условий, степень раскисленности должна быть не более 100 г алюминия на тонну стального расплава.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом.
Для осуществления способа используется вакуумная камера с диаметром входного отверстия, равным от 4 до 10 мм. На дно вакуумной камеры уложены водоохлаждаемые элементы. Высота падения металла (расстояние от входного отверстия до водоохлаждаемых  элементов) составляет более (4-10) х 150 мм.
Расплавленный металл (сталь) пропускают через  вакуумную камеру в кавитационном режиме. Образующаяся пенная структура в виде металлических капель падает на охлаждаемое дно камеры. Не успевшие затвердеть в процессе падения металлические капли затвердевают при попадании на охлаждаемое дно камеры.
Образующиеся металлические частицы представляют собой мелкий металлический порошок, частицы которого имеют практически идеальную круглую форму.
Заявляемый способ является простым, не требует использования специального оборудования.
Расширение функциональных возможностей способа получения стальных порошков, обеспечивается за счет возможности получения металлического порошка из стали любых марок.
Поскольку подача металла в вакуумную камеру осуществляется в режиме кавитации, процесс образования металлических частиц сопровождается очисткой металла от газов и примесей, что в итоге позволяет получить металлический порошок с высокой чистотой.
Следует отметить, что явление кавитации присуще всем жидким металлам, поэтому авторы полагают, что данный способ применим и для получения порошков из металлов других видов, например, цветных.