Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Производство металлических порошков.
Распыление жидких металлов

Из-за низкой механической прочности жидкого металла его можно легко «распылить». Распыление жидких металлов — удобный и широко применяемый метод. Практически все порошки промышленных металлов и сплавов производятся или производились по этому методу.

Рассмотрим жидкость, вытекающую под давлением через форсунку в атмосферу газа.

Скорость течения жидкости

где v — скорость; g — ускорение силы тяжести; р1 — давление подачи жидкости; р2 — давление атмосферы; р — плотность; с — коэффициент, значение которого меняется в зависимости от типа форсунки и условий потока.

Для расплавленного алюминия, вытекающего через форсунку диаметром 4 мм в воздух, величина коэффициента с составила 0,22, причем скорость жидкости, подсчитанная по указанной формуле, равнялась около 28 м/сек.

В зависимости от скорости струи выпускаемой жидкости происходит ее сохранение, распад или распыление в форсунке или вблизи нее. Это определяется рядом факторов; некоторые из них зависят от условий турбулентности, создающихся при выходе потока жидкости. При этом чем больше турбулентность, тем выше степень распыления. Поэтому форсунки часто используют для обеспечения большей турбулентности потока путем резкого изменения его скорости или направления движения в самой форсунке, развитием движения в тангенциальном направлении при использовании спиральных канавок, приложением вибрации и т. п. При прочих равных условиях степень влияния таких возмущений в большой степени зависит от вязкости жидкости. Поскольку вязкость жидких металлов в общем ненамного отличается от вязкости легких масел или воды, нужно ожидать, что поведение струи жидкого металла, так же как и в случае обычных жидкостей, будет зависеть от типа форсунки.

После выхода из форсунки возникшие в ней возмущения струи останутся в форме колебаний, вибраций или сложных внутренних скоростей. Такие возмущения сами могут определять разрушение или распыление струи. Но даже при отсутствии внутренних возмущений струя жидкости может оказаться неустойчивой. Райли, например, изучал потоки невязких жидкостей и рассчитал, что при ламинарном (нетурбулентном) движении струя будет неустойчивой и разрушится при длине, большей периметра окружности.

При достаточно больших скоростях выхода струя жидкости разрушается или «распыляется» непосредственно в форсунке. Онезорге пришел к выводу, что точная величина скорости, при которой указанное явление имеет место, определяется числом Рейнольдса.

При малых значениях Re струя жидкости подвержена колебаниям. При некотором критическом значении Re струя неожиданно оказывается неустойчивой и происходит распыление. Необходимо отметить, что скорость, при которой в форсунке происходит распыление, растет с увеличением вязкости и падает с уменьшением плотности. Вязкость и плотность большей части жидких металлов выше вязкости и плотности воды. Экспериментальные данные, подтверждающие выводы Онезорге в отношении металлов, отсутствуют.

Теоретически распыление жидких металлов в вакууме наиболее удобный способ получения тонких порошков любого состава с абсолютно чистой поверхностью. Однако здесь имеются весьма значительные практические трудности. Величина давления вспрыскивания жидкости не влечет за собой особых трудностей в случае низкоплавких металлов, но размер вакуумной камеры, вероятно, будет большим, что потребует крупных затрат на всю установку. На практике жидкости распыляют при вспрыскивании в воздух или другую среду. При этом сопротивление и трение между атмосферой и жидкостью способствуют разрушению струи.

Каслмен утверждает, что перепад скорости и трение между внешними слоями струи и окружающей средой вызывают отрыв мелких струек и прядей первоначально волокнистой формы, которые под действием сил поверхностного натяжения имеют тенденцию к образованию капель. При непрерывной струе такое трение может, очевидно, вызывать возникновение в ней вибраций и колебаний, заставляющих струю изменять форму или направление. Под влиянием сопротивления воздуха в струе нефти происходит образование закручиваний, утолщений и распадение струи на тонкие волокнистые пряди.

Интенсивность процесса образования прядей, очевидно, зависит от величины сил трения между жидкостью и окружающей средой. Увеличение вязкости окружающей среды, а также повышение ее температуры или давления также способствует разрушению струи. Этот вопрос, однако, почти не изучался.

Образование прядей и капель может, по-видимому, регулироваться силами, которые способствуют сохранению жидкости в сплошном потоке, т. е. силами поверхностного натяжения. В случае этилового спирта с поверхностным натяжением 23 дин/см отмечается значительное каплеобразование, в случае воды (73 дин/см) происходит менее интенсивное образование более крупных капель и, наконец, в случае натрия (187 дин/см) капли не образуются вообще.

Поскольку поверхностное натяжение жидких металлов в 5—10 раз больше поверхностного натяжения воды, для достижения той же степени распыления металлов необходим, по-видимому, значительно более высокий перепад скоростей между струей жидкости и окружающей атмосферой.

Процесс дальнейшего разрушения струи может продолжаться после выхода из форсунки и первичного каплеобразования. Капля, перемещающаяся с большой скоростью в какой-либо атмосфере, будет, очевидно, деформироваться вследствие внешнего давления газа. При этом степень деформации должна зависеть от перепада скоростей и вязкости газа, а также от внутренних сил, препятствующих деформации, т. е. от вязкости и поверхностного натяжения жидкости.

К.п.д. процесса распыления очень низок, если его выражать отношением поверхностной энергии распыленных частиц к энергии, затраченной на повышение давления массы жидкости. Обычно к.п.д. составляет менее 1 % из-за потерь, обусловленных главным образом высокой кинетической энергией капель и отходящих газов.

Лейну удалось сфотографировать разрушение капли воды, движущейся в воздушном потоке. Из фотографий видно, что вначале капля сплющивается, образуя кольцо с тонкой пленкой в центре, а затем пленка раздувается в полый пузырь, который лопается, образуя мелкие капли.

Предполагается, что для воды предельное значение числа Вебера около 10. Так как поверхностное натяжение жидких металлов больше, чем у воды, число Вебера для них, очевидно, должно быть меньшим. Однако экспериментальные данные, подтверждающие это предположение, отсутствуют. Возможно, что на практике при распылении жидких металлов в среде газа распад струи продолжает иметь место на некотором расстоянии от форсунки. Гордон разработал теорию механизма распыления капель в воздушном потоке, которая позволила ему рассчитать время разрушения. Его результаты неплохо согласуются с экспериментальными данными Лейна.

То, что происходит после выхода струи жидкости из форсунки, обусловлено равновесием между продолжающимся распылением и коагуляцией капель. Степень коауляции может быть чрезвычайно высока. Дунский изучал этот вопрос и отметил случай, когда при распылении жидкости газом общее количество капель в результате коагуляции сократилось до одной трети на расстоянии 2 см. Эта проблема требует дальнейшего изучения.

Интенсивность распада зависит, очевидно, от перепада скоростей жидкости и окружающей среды, причем значительный перепад легко достигается и при низкой скорости струи, если струя газа имеет большую скорость; это позволяет распылять жидкие металлы при низких скоростях вспрыскивания и низких давлениях. Обе струи могут иметь одинаковые или противоположные направления, причем они не должны обязательно быть параллельны друг другу. Если происходит столкновение струй, то, как правило, обеспечивается достаточно хорошее распыление.

Изменением скорости жидкости также можно регулировать относительные скорости газа и жидкости. В связи с трудностями практического характера в случае жидких металлов высокие давления не применяются, хотя Бертон предлагал поддерживать над поверхностью ванны давление перегретого пара. Часто достаточная начальная скорость металла достигается при напоре порядка 10 см жидкого металла над соплом форсунки. Холл и Ремингтон вдували металл в форсунку воздушным инжектором и отмечали, что при этом скорость и, следовательно, количество распыляемого металла были пропорциональны скорости (и количеству) пропускаемого воздуха. Впервые, по-видимому, этот метод был разработан Мариоттом в 1872 г. В своем патенте он описывает использование парового инжектора Жиффара для получения струи жидкого свинца, распыляемого выходящим паром.

Изменения продолжительности и характера контакта между жидкостью и газом можно, очевидно, достигнуть изменением формы газового или жидкостного сопла, например, путем изготовления их в форме полумесяца, а также путем использования тангенциальных сопел и отражателей струй, что, кроме того, позволяет менять форму частиц.

Использование различных газов оказывает влияние на результаты распыления. Мариотт, например, применял перегретый пар с температурой, превышающей температуру плавления распыляемого металла. Еще ранее для интенсификации окисления железа при распылении предлагалось использовать воздух, обогащенный кислородом. В 1883 г. Кросс нашел, что для распыления жидких металлов могут применяться воздух, N2, СО2, СО, газообразные углеводороды, пар или вода, используемые самостоятельно или в сочетании друг с другом. Ремингтон отмечает применение влажного воздуха, а Тилгмен рекомендует газ-восстановитель (коксовый газ).

Кроме того, в ряде патентов предлагается использовать нейтральные газы или газы-восстановители, в особенности для весьма активных металлов. Например, для распыления магния рекомендовались Не, Аr или пары углеводорода. Применение жидкостей для распыления имеет преимущества не только вследствие их большей вязкости, чем газов, но и из-за более быстрого охлаждения распыленного металла. Это особенно выгодно в случае тугоплавких металлов. В литературе часто упоминаются вода и водные растворы, а также жидкости, не содержащие воду. Такие жидкости могут выполнять и дополнительные функции. Например, коррозионные ингибиторы могут улучшать устойчивость распыленного металла до или во время сушки.

В работе приведены ценные данные о конструкциях и испытаниях различных типов аппаратуры для распыления жидкостей, и хотя в ней не рассматриваются металлы, ее следует рекомендовать для изучения. При распылении жидких металлов правильные выбор и использование аппаратуры зависят от характеристик самого металла, его температуры, а также от ряда других практических соображений. Очевидно, например, что нельзя допускать затвердевания металла до его выхода из форсунки. Это может потребовать нагрева форсунки газом, электричеством или путем подогрева газа, используемого при распылении. Очевидно также, что металл после распыления требует охлаждения. Это достигается применением вентиляторов, вращающихся барабанов, вторичного охлаждающего воздуха или газа, распыления металла струей воды или в водяную ванну.

Чем дольше охлаждается капля жидкого металла до застывания, тем больше вероятность, что под влиянием сил поверхностного натяжения она приобретет шарообразную форму. Практически это подтверждается тем, что порошки с такой формой частиц наиболее легко получаются при распылении металлов при высоких температурах или при использовании нагретых газов или пара. Порошки с иной формой частиц легче получить при распылении металлов при низких температурах или при использовании холодных газов, жидкостей или растворов. Это отчетливо видно на фотографиях процесса распыления канифоли, снятых с выдержкой 3 мксек: при более высоких температурах распыления получаются сферические капли (а), а при более низких температурах — преимущественно волокна (б).

Форма частицы может также меняться в некоторых случаях в зависимости от поверхностного натяжения жидкого металла при наличии различных добавок (например, Р, S, 02), а также от межфазного натяжения между жидким металлом и газом или жидкостью, которые применяются для распыления. Даны три распыленных порошка нержавеющей стали: а — с добавкой бора для изменения поверхностного натяжения, б и в — порошки, для распыления которых использовались соответственно воздух и вода. Как следует из фотографий, форма частиц становится более неправильной в направлении от а к в.

Приводится пример изменения формы частиц меди под влиянием небольших добавок Ti, Zn, Mg и др. При этом может быть получен порошок меди с довольно низким насыпным весом (2 г/см³); по характеристикам прессования и спекания порошок очень близок к электролитическому. Порошок, полученный без добавок, обычно имеет насыпной вес 3,5 — 4,0 г/см³ и не пригоден для целей порошковой металлургии.

Процесс распыления жидких металлов усложняется в результате изменений, происходящих с частицами при охлаждении. В первую очередь это относится к сплавам. Наиболее часто встречаются следующие явления.

1. Крупные капли дольше затвердевают в охлаждающей среде (в газе или жидкости), чем мелкие. Поэтому промежуток времени, в течение которого поверхностные силы могут действовать на металл, оказывается больше, что заметно влияет на форму частиц. Особенно отчетливо такое влияние выявляется в сплавах, затвердевающих в некотором интервале температур. Однако в каплях размерами менее 5 мкм также можно ожидать длительного затвердевания. В ходе работы установлено, например, что капли олова диаметром менее 5 мкм могут быть значительно переохлаждены.

2. В частицах сплавов во время затвердевания может развиваться сегрегация, т. е. образование наружных слоев из фазы с более высокой температурой плавления и центральной части — из фазы с низкой температурой плавления. В порошке из сплавов Сu — РЬ, например, часто можно найти частицы, состоящие из медной оболочки и свинцовой сердцевины.

3. Высокая скорость охлаждения частиц жидкого металла препятствует удалению газов из металла. Например, при распылении чугуна образуются полые частицы, так как они захватывают газы, выделившиеся из металла во время охлаждения. Это явление выгодно использовано в процессе Маннесмана для получения железного порошка. Порошок с такими полыми частицами обладает лучшей прессуемостью.

4. Высокая скорость охлаждения частиц может вызывать закалку сплавов и образование соответствующей фазовой структуры. Если это не желательно, то такие порошки следует подвергать отжигу. Это надо всегда иметь в виду, особенно при получении порошков углеродистой и нержавеющей стали и латуни.

 

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика