физико-химическим методам относят технологические процессы производства порошков, связанные с глубокими физико-химическими превращениями исходного сырья. В результате получаемый порошок по химическому составу и структуре существенно отличается от исходного материала.
Механические методы обеспечивают превращение исходного материала в порошок без существенного изменения его химического состава. Чаще всего используют размол твердых материалов в мельницах различных конструкций и диспергирование расплавов.
Таблица 1. 1
Основные методы промышленного производства металлических порошков
Методы получения порошков
|
Характеристика метода
|
Получаемые порошки
|
Механические методы
|
Дробление, размол твердых материалов
|
Измельчение стружки, обрезков и компактных материалов проводят в шаровых, вибрационных, вихревых, планетарных, центробежных, гироскопических мельницах, в аттриторах, ультразвуком и др.
|
Железо, медь, марганец, латунь, бронза, хром, алюминий, сталь
|
Диспергирование расплава
|
Струю расплавленного металла диспергируют механическим способом (воздействием центробежных сил и др.) или действуя на нее потоком энергоносителя (газа или жидкости)
|
Алюминий, свинец, цинк, бронза, латунь, железо, чугун, сталь
|
Обработка твердых (компактных) металлов резанием
|
Получают крупные порошки. При станочной обработке литых металлов или сплавов подбирают такой режим резания, который обеспечивает образование частиц, а не стружки
|
Сталь, латунь, бронза, магний
|
Физико-химические методы
|
Химическое восстановление:
оксидов и других твердых соединений металлов
различных соединений металлов из водных растворов
газообразных соединений различных металлов
|
Один из наиболее распространенных и экономичных способов. Восстановителями служат газы (водород, конвертированный природный газ и др.), твердый углерод (кокс, сажа и др.) и металлы (натрий, кальций и др.). Исходным сырьем являются окисленные руды, рудные концентраты, отходы и побочные продукты металлургического производства (например, прокатная окалина), а также различные химические соединения металлов
Один из самых экономичных способов, позволяющий получать высококачественные металлические порошки. Восстановитель — водород или оксид углерода. Исходное сырье — сернокислые или аммиачные растворы солей соответствующих металлов
Газообразные соединения металлов восстанавливают водородом в реакторе кипящего слоя или в плазме
|
Железо, медь, никель, кобальт, вольфрам, молибден, титан, тантал, цирконий, уран, сплавы, а также соединения с неметаллами (карбиды, бориды и др.)
Медь, никель, кобальт, серебро, золото
Вольфрам, молибден, никель
|
Электролиз водных растворов или расплавленных солей различных металлов
|
На катоде под действием электрического тока осаждают из водных растворов или расплавов солей чистые порошки практически любых металлов. Стоимость порошков высока из-за больших затрат электроэнергии и сравнительно низкой производительности электролизеров
|
Медь, никель, железо, серебро — из водных растворов; тантал, титан, цирконий, железо — из расплавленных сред
|
Методы получения порошков
|
Характеристика метода
|
Получаемые порошки
|
Диссоциация карбонилов
|
Соединение металла с СО типа Меа(СО)с разлагают нагреванием. Применяют в промышленности для производства высококачественных дисперсных порошков, стоимость которых очень велика
|
Железо, никель, кобальт, вольфрам, молибден
|
Термодиффузионное насыщение
|
Чередующиеся слои или смесь порошков разнородных металлов нагревают до температуры, обеспечивающей их активное взаимодействие
|
Латунь, сплавы на основе хрома, высоколегированные стали
|
Испарение конденсация
|
Для получения порошка металл испаряют и затем конденсируют его пары на холодной поверхности. Порошок является тонкодисперсным, но содержит большое количество оксидов
|
Цинк, кадмий и другие металлы с невысокой температурой испарения
|
Межкристаллит- ная коррозия
|
В компактном (литом) металле или сплаве при помощи химического травителя разрушают межкристаллитные прослойки
|
Коррозионно- стойкие и хромо- никелевые стали
|
К механическим методам получения порошков относится и грануляция расплава (образование порошка происходит при сливании расплавленного металла в жидкость). Однако получаемые частицы имеют размеры больше одного миллиметра (до 2—5 мм). С помощью этого метода получают гранулы таких металлов, как олово, свинец, цинк, висмут и пр. Совокупность методов их получения и превращения в изделия относится к другой области металлургического производства — гранульной металлургии.
Выбор метода получения металлического порошка проводят на основе анализа требований, предъявляемых к конечной продукции, и экономической оценки процессов, влияющих на его себестоимость (размер капиталовложений, затрат энергии, стоимости исходного сырья и пр.).
В зависимости от размеров частиц порошки весьма условно подразделяют на следующие группы: нано- (размер частиц < 0,01 мкм), ультра- (0,01—0,1 мкм), высокодисперсные (0,1—10 мкм), мелкие (10—40 мкм), средние (40—250 мкм) и крупные (250—1 000 мкм).
Одновременно с разработкой порошков новых марок проводятся исследования по регулированию их гранулометрического состава, насыпной массой, сфероидизации частиц, повышению степени чистоты, а также изыскиваются пути снижения себестоимости как порошков, так и изделий и материалов из них.
Контрольные вопросы и задания
Из какого сырья получали железные изделия до XIV в.?
Кто из наших соотечественников разработал в XIX в. способ получения изделий из платины?
Назовите причины возрождения интереса к порошковой металлургии в конце XIXв.
Укажите основные переделы и преимущества порошковой металлургии перед традиционной металлургией.
На какие основные группы делятся методы производства порошков?
Перечислите механические методы получения порошков.
Перечислите физико-химические методы получения порошков.
Назовите основные группы порошков и их соответствие размерному ряду.
Что определяют международные стандарты в области порошковой металлургии?
-
Решению каких задач способствуют международные стандарты серии ИСО в области порошковой металлургии?
Охрана труда и окружающей среды в порошковой металлургии
План лекции
Основные операции процессов порошковой металлургии и виды воздействия на персонал производств.
-
Пожаро- и взрывоопасность порошков. Мероприятия по охране труда и защите персонала.
Основные операции процессов порошковой металлургии и виды воздействия на персонал производств
Разработка защитных мероприятий по охране труда и окружающей среды на предприятиях порошковой металлургии связана со специфическими (для этой отрасли промышленности) факторами операций технологических процессов получения порошков и изделий на их основе.
Основными операциями технологий порошковой металлургии являются:
размол исходных материалов и полученной губки в производстве порошков методом восстановления;
распыление расплавленных металлов в порошок; смешивание и рассев металлических и неметаллических порошков; электролиз растворов при получении порошков методом электролиза и при нанесении гальванических покрытий;
формование изделий методами прессования, прокатки и др.; спекание изделий в газовых защитных средах;
термическая и механическая обработка изделий (резанием, шлифованием, калиброванием);
пропитка пористых изделий смазками, расплавленными металлами и др. При их выполнении возможно загрязнение воздуха различными веществами в пыле- и газообразном состояниях, часть из которых являются вредными для человека или пожаро- и взрывоопасными.
В технологические процессы порошковой металлургии вовлекаются такие вещества, как порошки железа, меди, графита, вольфрама, молибдена, олова, цинка, свинца, порошки различных соединений - карбидов, нитридов, боридов, сульфидов, ферросплавов, оксидов железа, кремния, цинка, алюминия, порошки сложных соединений - асбеста, муллита, слюд и др.
К газовым средам относятся водород, диссоциированный аммиак, конвертированный природный газ, эндо- и экзогазы и др. Применяются и химикаты - серная и соляная кислоты, цианистые соли, едкий натрий, а также спирт, бензин и др.
Выполнение технологических операций осуществляется с помощью прессов, прокатных станов, вибросит, печей, металлообрабатывающих станков и другого оборудования.
Для обеспечения безопасной работы в производствах порошковой металлургии применяются меры по охране труда и технике безопасности, существующие в металлургическом и химическом производстве, в гальванических и механических цехах, а также правила, специально разработанные для технологических процессов порошковой металлургии.
Последние предусматривают защиту работающих от токсического, теплового, взрывного, шумового и вибрационного воздействий.
Производство изделий методами порошковой металлургии по степени вредности и безопасности можно отнести к категории «В».
Для технологии порошковой металлургии характерно загрязнение атмосферы на рабочих местах пылеобразными металлами или различными соединениями. Загрязнения отмечаются при размоле, просеве и смешивании порошков, дозировании шихты, транспортировке порошковых материалов, прессовании, разгрузке и обработке спеченных изделий шлифованием. Пыль, загрязняющая атмосферу, имеет размер частиц менее 4 мкм. Содержание пыли на рабочих местах определяется соответствующей операцией производства порошков или изделий (табл. 1.2). Систематическое вдыхание металлических и неметаллических порошков и газов может приводить к профессиональным заболеваниям.
Таблица 1.2 Содержание пыли на рабочих местах при изготовлении изделий методами порошковой металлургии, мг/м3
Операции
|
Изделия на основе
|
железа
|
меди
|
Просев порошка железа
|
10,2
|
|
Просев порошка графита
|
15,8
|
|
Загрузка вибросита вручную и просев материа
|
|
|
ла (без укрытия)
|
|
166,6
|
Просев бронзографитовой смеси в укрытии
|
|
11,3
|
Прессование железографитовых изделий:
|
|
|
на полуавтоматических прессах
|
0,32
|
|
на гидравлических прессах
|
2,7
|
|
Ручная дозировка железографитовой смеси
|
19,5
|
|
Загрузка бункера полуавтоматического пресса
|
|
58,9
|
Прессование изделий:
|
|
|
на полуавтомате
|
|
69,5
|
вручную
|
|
86,3
|
Шлифовка изделий:
|
|
|
влажная
|
|
16,6
|
сухая
|
|
584,6
|
Пыль медного порошка способствует заболеванию органов дыхания, сердечно-сосудистой системы, желудочно-кишечного тракта, может вызывать отравления с поражением органов дыхания, печени и др. Еще более вредное влияние на организм человека оказывает оксид меди, который кроме токсичного оказывает фиброгенное воздействие.
Особое внимание должно быть уделено вопросам охраны труда при производстве медного порошка методом электролиза. На основных операциях производства - электролизе, промывке, стабилизации, сушке, размоле, просеве, смешении и упаковке - часто допускается большое количество ручных трудоемких операций. Все операции обработки медного порошка сопровождаются значительным пылеобразованием.
Вредное воздействие медного порошка на организм человека является причиной повышенной заболеваемости рабочих гриппом, острым гастритом и бронхитом.
Порошки и пыль чистого железного порошка малотоксичны. Однако при систематическом их вдыхании они могут быть причиной пневмокониотических изменений и способствовать развитию хронических бронхитов. Соединения железа обладают значительной токсичностью.
Токсичны порошки свинца. Стабилизированный свинец находится в виде тонкодисперсного порошка и легко переходит в пыль при встряхивании и перемешивании.
Допустимая концентрация свинца по утвержденным в нашей стране нормам составляет 10 мг/м воздуха, что в пять раз ниже норм, принятых в некоторых зарубежных странах.
Свинец может быть причиной острых и хронических отравлений, сопровождающихся поражением многих систем и органов человека. При работе со свинцом должны быть разработаны четкие инструкции по упаковке, хранению и обработке порошка, снижающие содержание пыли свинца в воздухе. Необходимо также обеспечить систематический медицинский контроль и обслуживание работающих.
Аналогичным токсическим действием обладают порошки марганца и ферромарганца, которые при попадании в организм человека могут быть причиной острых и хронических заболеваний.
Пыль никеля и оксида обладает выраженным общетоксическим действием и может вызвать острые и хронические отравления с преимущественным поражением легких, в основе которого лежит резкое сосудистое расстройство. Возможно также появление аллергической сыпи. Допустимое содержание пыли этих веществ в воздухе составляет 0,5 мг/м3.
Из всех порошков, используемых в производстве твердых сплавов, наибольшей токсичностью обладает кобальт. Смеси пылевидных частиц вольфрама, титана и кобальта действуют аналогично кобальту, однако в присутствии вольфрама активность кобальта увеличивается.
Возгоны цинка, образующиеся при нанесении цинковых покрытий методом напыления и при термообработке изделий с цинковыми покрытиями, вызывают в человеческом организме лихорадочное состояние.
Порошки хрома могут быть причиной аллергической сыпи и появления язв на коже и в носовой полости. Фиброз легких может быть следствием длительного контакта с порошками алюминия.
Титан и его диоксид имеют слабо выраженную токсичность. Гидрид титана проявляет умеренно выраженное пневмокониотическое и общетоксическое действие, превышающее таковое титана и его оксида. Рекомендуемая предельно допустимая концентрация (ПДК) гидрида титана составляет 6 мг/м3.
В производстве тарированного вольфрама используется азотнокислый торий или диоксид тория, которые являются источником радиоактивного излучения. Радиационный фактор меньше в том случае, когда используется азотнокислый торий, а не диоксид тория.
Пыль диоксида кремния, особенно с дисперсностью менее 5 мкм, способствует заболеванию силикозом, пыль асбеста приводит к легочным заболеваниям, пыль олова и оксида олова способствует заболеванию туберкулезом.
Вредное действие на организм человека оказывает также пыль порошка нитрида бора (слабо выраженное фиброгенное действие), карбидов кремния и бора (поражение органов дыхания, слизистой оболочки, органов обоняния).
Рабочие, занятые в производстве ферритов, подвергаются воздействию неблагоприятных факторов (пыли, шума, инфракрасного излучения, токсичных газов). Наиболее отрицательно сказывается пыль ферритов.
Ее воздействие на организм характеризуется слабовыраженным фиб- рогенным и общетоксическим действием. У работающих в производстве ферритов без достаточных защитных мер отмечается повышенный уровень заболеваемости органов дыхания.
Значения предельно допустимых концентраций для различных веществ
Установлены предельно допустимые концентрации для различных веществ (табл. 1.3).
Таблица 1.3
Вещество
|
ПДК, мг/м
|
Вещество
|
ПДК, мг/м
|
Медь
|
0,5
|
Аммиак
|
0,02
|
Оксид меди
|
0,1
|
Бензин
|
0,3
|
Медь с добавками графита до 30 %,
|
|
Оксид углерода
|
0,02
|
олова до 10 %, никеля до 30 %
|
0,5
|
Серная кислота
|
0,001
|
Марганец (в пересчете на МпО4)
|
0,3
|
Спирт этиловый
|
1,0
|
Железо восстановленное с со
|
|
Цианистый водород и соли си
|
|
держанием до 3 % графита
|
6,0
|
нильной кислоты (в пересчете на
|
|
Оксид железа
|
6,0
|
HCN)
|
0,0003
|
Свинец
|
0,01
|
Аммиак
|
0,02
|
Оксид алюминия
|
2,0
|
Бензол
|
0,05
|
Карбид бора
|
2,0
|
Оксид азота (в пересчете на
|
|
Карбид кремния
|
5,0
|
N2O5)
|
0,05
|
Нитрид бора
|
6,0
|
Сернистый газ
|
0,02-0,04
|
Дисульфид молибдена
|
10,0
|
Сероводород
|
0,01
|
Степень опасности порошков и промышленных пылей для здоровья человека определяется многими факторами: химическим составом, размером частиц, концентрацией, длительностью воздействия, путями проникновения в организм человека.
Пожаро- и взрывоопасность порошков. Мероприятия по охране труда.
Пожаро- и взрывоопасность процессов порошковой металлургии обусловлена применением тонкодисперсных порошков, а также легковоспламеняющихся и хорошо горящих основных и вспомогательных материалов (водород, диссоциированный аммиак, конвертированный природный газ).
Пирофорность порошков (способность при определенных условиях воспламеняться под действием внутренних экзотермических процессов) и их взры- ваемость зависят от природы порошка, его дисперсности, формы частиц и др.
Взрывная активность смеси порошков повышается при возрастании содержания наиболее активной примеси, снижении степени окисленности, уменьшении размера частиц, повышении их удельной поверхности. Большинство порошков взрывоопасны при размере частиц меньше 200 мкм и концентрации от десяти до десятков тысяч граммов на кубический метр.
Наибольшее давление взрыва наблюдается при концентрации 500-2 000 г/м3 и размере частиц менее 50 мкм.
Показатели пирофорности и взрываемости металлических порошков
Пирофорностъ порошков зависит от их дисперсности и химического состава (табл. 1.4).
Таблица 1.4
Материал
|
Диаметр частиц Пч, мкм
|
Порошок в слое
|
Взвешенная в воздухе пыль
|
Температура самовозгорания Тсв, °С
|
Температура воспламененияТв,°С
|
Температура воспламененияТв,°С
|
Нижняя концентрация пылевой взвеси (НКПВ), г/м3
|
Железо восстановленное
|
< 50
|
475
|
350
|
300
|
66
|
Кремний
|
< 74
|
790
|
|
770
|
100
|
Ферромарганец
|
< 74
|
240
|
|
450
|
130
|
Медь
|
< 44
|
|
|
700
|
|
Взрывным процессам присущи высокие скорости распространения. Над слоем осевших порошковых активных металлов возможно распространение взрывной волны со сверхзвуковыми скоростями. Воспламенение пыли, состоящей из различных взрывоопасных материалов, включая металлы, может привести к взрыву.
Взрыв происходит при строго определенной концентрации огнеопасных материалов, находящихся во взвешенном состоянии в воздухе. Для предотвращения пирофорности и взрываемости порошков применяют их пассивацию.
Наличие специфических факторов опасного воздействия на организм человека требует проведения в производстве мероприятий санитарно- технического и технологического порядка, предупреждающих выделение пыли, газов и испарений и доведение их концентрации до допустимых норм.
К этим мероприятиям относятся: использование менее токсичных материалов, герметичной аппаратуры, эффективных пылеуловителей, замена сухих способов производства мокрыми, применение средств индивидуальной защиты работающих (масок, респираторов, перчаток, одежды).
Наиболее радикальным решением проблемы обеспечения безопасности труда является автоматизация операций, представляющих опасность для здоровья рабочего.
Контрольные вопросы и задания
Назовите основные операции процессов порошковой металлургии.
К какой категории по степени вредности и безопасности относятся производства порошковой металлургии?
Перечислите факторы вредного воздействия на организм персонала производств порошковой металлургии.
Назовите наиболее опасные факторы воздействия.
Какие размеры имеют частицы порошка, находящиеся в пылевой
массе?
При выполнении каких операций наблюдается большое содержание пылевой фракции на рабочих местах?
Что такое пирофорность порошков?
От чего зависит пирофорность порошков?
При каких условиях порошок может взорваться?
-
Что является радикальным решением проблем обеспечения безопасности труда?
Механические методы получения порошков
План лекции
Теоретические основы процессов разрушения твердых материалов.
Предварительное измельчение крупных сырьевых материалов в щековых, валковых, конусных дробилках и молотковых мельницах.
Получение порошков резанием металлических заготовок.
Теоретические основы процессов разрушения твердых материалов
Механическим измельчением можно превратить в порошок практически любой из металлов, их окислов и тугоплавких неметаллических соединений (боридов, нитридов, карбидов и пр.). Измельчение дроблением, размолом или истиранием – старейший метод перевода твердых веществ в дискретное состояние. Он может быть самостоятельным способом получения порошков или дополнительной операцией при других способах их изготовления.
Под измельчением понимают уменьшение начального размера частиц материала путем разрушения их действием внешних усилий, преодолевающих внутренние силы сцепления.
Наиболее целесообразно применять механическое измельчение при производстве порошков хрупких металлов, сплавов и неметаллических соединений (кремний, бериллий, хром, марганец, ферросплавы, оксиды, бориды, карбиды и др.). Размол таких металлов, как медь, алюминий, серебро, золото, затруднен, что объясняется их высокой пластичностью.
В процессе измельчения на материал действуют различные разрушающие усилия - раздавливающие (расплющивающие), ударные, истирающие. При механическом измельчении твердых материалов затрачиваемая энергия расходуется на деформацию (упругую и пластическую) и на увеличение поверхности измельчаемого материала, которое свидетельствует об уменьшении размеров частиц, что и является основной целью процесса.
Разрушение твердого тела может происходить на различных масштабных уровнях:
Субмикроскопическом;
Микроскопическом;
Макроскопическом;
Процесс деформации твердых тел заключается в том, что под действием внешней статической нагрузки в твердом теле начинается движение дислокаций. Движущиеся дислокации образуют дислокационные «стенки», столкновение которых приводит к появлению зародышей трещин. Образованию трещин способствуют и многочисленные дефекты на поверхности частиц твердого тела, а также на его межзерновых границах. Действие динамических ударных нагрузок приводит к быстрому увеличению этих микротрещин. Однако при «снятии» внешней нагрузки трещины под действием сил межатомарного взаимодействия могут смыкаться («самозаживляться», релаксировать).
В момент разрушения напряжения в деформирующемся теле превышают некоторое предельное значение («предел прочности материала»), упругая деформация сменяется деформацией разрушения и происходит уменьшение размеров (измельчение) исходных агрегатов. Согласно теории дробления, предложенной П.А. Ребиндером, работа, затрачиваемая на измельчение, в общем случае является суммой двух энергий: энергии затрачиваемой на образование новых поверхностей и энергии, расходуемой на деформацию.
При крупном дроблении вновь образующаяся поверхность невелика, так как получаемые частицы имеют сравнительно большие размеры. В связи с этим энергия, затрачиваемая на образование новой поверхности, намного меньше энергии деформации, а расход энергии на дробление приблизительно пропорционален объему разрушаемого тела.
При тонком измельчении вновь образующаяся поверхность очень велика. Поэтому расход энергии на измельчение приблизительно пропорционален вновь образующейся поверхности. Однако сама работа диспергирования всегда незначительна, так как почти вся энергия измельчающего устройства затрачивается на деформацию разрушаемого тела и на образование теплоты. Коэффициент полезного действия любого такого устройства очень низок.
Поведение материала при измельчении является следствием двух соперничающих процессов - разрушения (дезинтеграции) иагрегатирования(интеграции) частиц. Проявление второго процесса связано с явлениями адгезии, физико-химических и физико-механических реакций, протекающих в процессе измельчения. Действие этих сил (помимо «заживления» трещин) приводит к агрегатированию и комкованию порошка. Поэтому в подавляющем большинстве случаев предельный размер частиц, которые удается получить при механическом измельчении материала, не превышает 0,1 мкм.
Среди методов измельчения твердых материалов наибольшее распространение получили обработка металлов резанием, измельчение металла в шаровых, вихревых, молотковых и других мельницах, ультразвуковое диспергирование. Иногда применяют комбинированные методы.
Для интенсификации процесса диспергирования приобретают актуальность работы о влиянии силовых полей различной физической природы на дисперсные системы с целью изменения их физико-технологических характеристик путем создания псевдоожиженного слоя. Для получения псевдоожиженного состояния дисперсных систем используют вибрационные, гидро- и аэрационные, акустические, электродинамические и электромагнитные способы воздействия.
Эффективность внешнего воздействия на дисперсные системы определяется параметрами силовых полей и физико-технологическими характеристиками дисперсной системы.
Предварительное измельчение крупных сырьевых материалов в щековых, валковых, конусных дробилках и молотковых мельницах
Щековые, валковые и конусные дробилки применяются для предварительного измельчения крупных (до нескольких сантиметров) кусковых материалов с пределом прочности до 300-400 МПа. В дальнейшем предварительно измельченные в этих агрегатах материалы поступают на доизмельчение другими методами.
Щековые дробилки применяют для измельчения спекшейся губки, осадков с электродов, крупных кусков рудных концентратов и т.п. Размол материала в щековых дробилках до размера частиц 1 - 4 мм происходит за счет раздавливания кусков между неподвижной и подвижной (качающейся с нижней или верхней осью подвеса) щеками установки. Рабочее пространство между щеками называют «пастью» дробилки.
Измельчение материала до крупности частиц 0,5-1 мм обеспечивают валковые дробилки, один или оба валка которых могут совершать возвратно- поступательное движение по направляющим вдоль оси опорной рамы. Валки вращаются навстречу друг другу от отдельных приводов с окружной скоростью 2-4 м/с, причем разность их скоростей обычно не превышает 2 %; при дроблении вязких материалов разность этих скоростей может доходить до 20 %. Эффективность работы валковых дробилок в большой степени зависит от условий подачи материала, особенно от непрерывности его поступления в щель между валками и равномерности распределения по их длине. Валки могут быть гладкими, рифлеными или зубчатыми.
В конусных дробилках измельчение материала осуществляется в кольцевой полости между рабочей частью поверхности конуса и соответствующей частью внутренней поверхности корпуса дробилки (в камере дробления). Конусные дробилки обеспечивают измельчение материала до крупности частиц 1-2 мм.
Молотковые дробилки в основном используются для измельчения губчатых материалов (спекшихся при восстановлении порошков, катодных осадков и пр.). Измельчение обрабатываемого материала в них осуществляется за счет удара молотков (бил), укрепленных шарнирно на валу, вращающемся в рабочей камере с достаточно высокой скоростью (около 1 500 об/мин).
Исходный кусковой материал загружают в приемный бункер установки (рис. 1), откуда он поступает в рабочую камеру мельницы, в нижней части которой имеется отверстие, закрытое сеткой; после размола частицы проваливаются через ситовое полотно в сборник порошка.
Рис. 1. Молотковая мельница: 1 - электродвигатель; 2 - муфта; 3 - губка; 4 - загрузочный бункер; 5 - загрузочный люк с защелкой; 6 - корпус мельницы; 7 - била; 8 - металлическая решетка с ситовым полотном; 9 - порошок
Размол губки в молотковой мельнице происходит в течение нескольких минут, и получаемый порошок мало наклепывается, что исключает необходимость его последующего отжига.
Более тонкое измельчение обеспечивают бесколосниковые молотковые мельницы, рабочим органом которых является ротор с шарнирно закрепленными на нем тонкими пластинчатыми молотками.
Получение порошков резанием металлических заготовок
Получение стружки или опилок для дальнейшего изготовления из них изделий экономически не очень выгодно и поэтому на практике используется крайне редко. Однако образующиеся при обработке металлов резанием отходы в виде мелкой стружки и опилок целесообразно использовать для последующего измельчения в мельницах различных типов.
Мелкую стружку железа, стали и чугуна размером около одного миллиметра (стружка сверления, фрезерования и др.) можно использовать для изготовления изделий без ее дополнительного измельчения.
Чаще всего метод резания применяется при получении порошков металлов, которые весьма активны по отношению к кислороду, особенно в состоянии высокой дисперсности (например, магниевый порошок).
1
Для получения порошка магния используется так называемая кратц- машина (рис. 2), которая представляет собой металлический вращающийся барабан с укрепленной на его поверхности царапающей лентой.
Рис. 2. Схема установки для получения порошка магния с использованием кратц- машины: 1 - барабан ратцмашины; 2 - царапающая лента; 3 - слиток металла; 4 - держатель слитка металла; 5 - металличе-
ский порошок
Пластину магния подают в установку через специальное отверстие и прижимают к царапающей ленте. Равномерность истирания достигается применением непрерывного возвратно-поступательного движения пластины.
Крупность порошка можно регулировать диаметром щетки, числом и величиной зубьев, а также скоростью подачи магниевой пластины.
Минимальный размер частиц получаемого с помощью кратцмашины магниевого порошка составляет около 200 мкм. Если требуется более мелкий порошок, то полученные на кратцмашине частицы измельчают в шаровых мельницах в среде углекислого газа.
Кроме того, порошок магния можно получить обработкой его литых заготовок на фрезерных станках при комбинированном снятии мелкой стружки сразу двумя работающими фрезами - вертикальной и горизонтальной. Фрезерование ведут при больших скоростях перемещения фрезы (до 30-40 м/с), получая порошок с частицами размером до 100 мкм в довольно широких размерных пределах в зависимости от режима работы станка. Отфрезерованный порошок отсасывается в циклон и через шлюзовый затвор поступает на вибрационный грохот для разделения частиц по размерам (рассева на фракции). Мелкие частицы порошка, не осевшие в циклоне, проходят через сепаратор и улавливаются самоочищающимися фильтрами.
Контрольные вопросы и задания
Какие усилия действуют в процессе разрушения материалов?
С какими основными изменениями структурного состояния связана деформация твердых тел?
Чему равна работа, затрачиваемая на измельчение твердых порошкообразных материалов?
Рассмотрите принцип устройства валковых, щековых и молотковых дробилок.
В каких случаях для получения порошков применяется метод резания?
Каковы предельные размеры частиц, получаемых при использовании кратцмашины?
Измельчение материалов в шаровых мельницах
План лекции
Устройство и основные элементы шаровых мельниц. Классификация мельниц.
Понятие критической скорости вращения барабана мельницы.
Факторы, определяющие степень измельчения.
Режимы измельчения материалов.
Управление процессом измельчения.
Устройство и основные элементы шаровых мельниц. Классификация мельниц
Простейший аппарат для измельчения дробленых твердых материалов - шаровая вращающаяся мельница, которая представляет собой металлический цилиндрический барабан.
Внутри барабана находятся размольные тела полиэдрической или округлой формы (чаще всего стальные или твердосплавные шары). Применение при размоле тел цилиндрической формы предпочтительно в связи с большей площадью контактной поверхности. При вращении мельницы размольные тела (под действием сил трения о стенки барабана мельницы) поднимаются на определенную высоту в направлении вращения до тех пор, пока угол подъема не превысит угол естественного откоса, после чего они скатываются или падают вниз, измельчая материал, находящийся в пустотах между ними.
Соотношение между дробящим и истирающим действием размольных тел в мельнице в значительной мере определяется отношением диаметра барабана Dк его длине L. Известно, что в мельницах одинакового объема при L/D> 3 преобладает дробящее действие размольных тел, что полезно для измельчения твердых и хрупких материалов, а при L./D < 3 - истирающее, более эффективное при измельчении пластичных металлов.
В практике порошковой металлургии в большинстве случаев используют шаровые мельницы с периодической загрузкой и разгрузкой, вращение которых осуществляют либо непосредственно от электродвигателя, либо путем установки барабанов на валки.
Известны также мельницы с центральной разгрузкой измельченного материала через полую цапфу, с торцевой разгрузкой через диафрагму - поперечную решетку, установленную у разгрузочного конца барабана, или с периферической разгрузкой через щели в барабане и окружающее его цилиндрическое сито (рис. 3).
Рис. 3. Схемы шаровых вращающихся мельниц: а, в - с центральной загрузкой барабана через цапфу; б - с торцевой загрузкой (цилиндро-коническая); г - с периферической загрузкой и выгрузкой материала через сита; д - разрез шаровой мельницы постоянного действия
Шаровые мельницы, для которых D/L = 0,5-1, часто работают по замкнутому циклу совместно с классификатором, отделяющим недоизмель- ченный продукт после выхода из мельницы и возвращающим его на повторное измельчение.
Производительность мельницы при этом повышается, а расход электроэнергии на измельчение уменьшается.
Решающее влияние на интенсивность и механизм размола оказывают: скорость вращения барабана мельницы, число и размер размольных тел, масса измельчаемого материала, среда размола.
Понятие критической скорости вращения барабана мельницы
С увеличением скорости вращения мельницы в связи с ростом центробежной силы и угла подъема размольные тела падают вниз с большей высоты, производя главным образом дробящее действие. При дальнейшем увеличении скорости вращения мельницы центробежная сила может настолько возрасти, что размольные тела будут вращаться вместе с барабаном и материал практически не будет измельчаться. Скорость, при которой наблюдается подобный режим работы мельницы, называют критической скоростью вращения пкр.
Рис. 4. Схема к расчету критической скорости вращения барабана шаровой мельницы.
Для вывода критической скорости вращения рассмотрим поведение единичного размольного тела, например шара (рис. 4), находящегося в барабане работающей мельницы.
Одиночный шар весом Р на поверхности барабана мельницы, вращающегося со скоростью V, м/с, в точке т будет находиться под действием центробежной силы, равной РV2/gR,где g- ускорение силы тяжести, м/с2; R-
внутренний радиус барабана мельницы, м.
При угле подъема
|
