CC BY
46
УДК 621.762
М. А. Василенков, А. Т. Степанов ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ЧАСТИЦ РАСПЛАВА ПРИ РАСПЫЛЕНИИ ВОЗДУХОМ
М. A. Vasilenkov, А. Т. Stepanov FORMING OF MELT PARTICLES DURING AIR SPRAYING
В статье рассматривается процесс распыления железоуглеродистого расплава воздухом. Основное внимание уделено реакции окисления железа кислородом воздуха и реакции обезуглероживания.
Металлический порошок, железоуглеродистый расплав, процесс распыления, обезуглероживание, эксперимент, пробоотборник.
The article considers the process of iron-carbon melt air spraying. The main attention is paid to the reaction of iron oxidation with air oxygen and to the reaction of decarbonization.
Metal powder, iron-carbon melt, spraying process, decarbonization, experiment, sampler.
Введение
Из имеющихся разнообразных способов обработки металлов порошковая металлургия на сегодняшний день очень актуальна, так как позволяет получать не только изделия различных форм и назначений, но и создавать принципиально новые материалы, которые другим путем получить или очень трудно, или невозможно. Известно, что свойства готовых изделий зависят от формы частиц порошка [3]. Оказывая влияние на форму частиц порошка, можно получить материалы с уникальными свойствами, а в ряде случаев существенно повысить экономические показатели производства.
Металлические порошки могут быть получены:
1) физико-механическим методом - измельчение металла в расплавленном состоянии, измельчение металла в твердом состоянии;
2) физико-химическим методом - восстановление окислов, разложение карбонилов, электролиз водных растворов, гидрометаллургический, межкристаллитное разрушение [1].
В данной работе объектом исследования выступает процесс распыления железоуглеродистого расплава воздухом. Распыление железоуглеродистого расплава с целью получения технического порошка обычно осуществляется сжатым воздухом в воду. При распылении стремятся диспергирование струи расплава довести до заданного грансостава, окисление порошка - до требуемой
величины для достижения требуемого соотношения О/С, что не всегда удается. Главная особенность распыления железоуглеродистого расплава воздухом заключается в протекании химических реакций в процессе распыления. Это реакции окисления железа кислородом воздуха и реакция обезуглероживания. Протекание этих реакций усложняет прогнозируемость и управление процессом распыления.
Экспериментальные работы проводились на установках распыления в условиях цеха изложниц ООО «ССМ-Тяжмаш».
Установка распыления железоуглеродистого расплава сжатым воздухом в воду состоит из ме-таллоприемника, узла распыления, металлического бака (о 4,0 м; Н = 7,0 м), узла разгрузки и устройства для пароотсоса. Установка работает в периодическом режиме и позволяет распылять до 10 плавок в сутки. Расстояние от верха бака распыления до уровня воды в баке составляет 2,0 м (рис. 1).
Жидкий металл из печи ДСП - ЗМ сливают в разливочный ковш. Ковш перед сливом металла разогревают под газовой горелкой до температуры ~ 900 °С. Химический состав железоуглеродистого расплава:
С Si Мп Р S
3,5 % < 0,050 % <0,150% <0,010% <0,010%
Температуру металла в разливочном ковше измеряют термопарой погружения. Температура
1
_4
5
Рис. 1. Установка распыления: 1 -разливочный ковш; 2 - металло-приемник; 3 - форсунка; 4 - узел разгрузки; 5 - емкость для порош-ка-сырца; а, б, в - места отбора проб на расстоянии 1,0 м, 1,5 м, 2,0 м
металла должна быть в пределах 1550 - 1570 °С. Подача расплава на распыление производится непосредственно из разливочного ковша в металло-приемник, подогретый предварительно до -900 °С, масса металла - 4,5 тонны. Емкость металлопри-емника ~ 0,25 м3, его футеровка - высокоглиноземистая или магнезитовая с калиброванным отверстием циркониевой вставки 0 13 мм. Струя металла, поступающая из металлоприемника, диспергируется сжатым воздухом под углом 16°, подаваемым через две форсунки, имеющие вид сопла Ло-валя с серповидным диффузором, которые находятся на расстоянии 200 мм друг от друга. Расход воздуха составляет 3250 м3/ч. Давление воздуха перед форсункой 0,4 - 0,5 МПа. Время распыления расплава чугуна составляет в среднем 25 мин. Частицы, образовавшиеся при диспергировании, попадают в воду и оседают в донной части камеры распыления.
Задачи исследования
1. Определить динамику изменения содержания [О] и [С] в железоуглеродистом расплаве в процессе полета капли от узла распыления до воды.
2. Определить, на каком расстоянии от узла распыления происходит затвердевание железоуглеродистого расплава.
Методика проведения эксперимента
Для изучения процессов, протекающих в каплях расплава в струе в процессе распыления, проводили эксперимент - отбор проб на различном расстоянии от узла распыления в точках а, б, в (см. рис. 1). Отбор проб железоуглеродистого расплава производился пробоотборником с рабочей площадки через смотровое окно. Пробоотборник состоит из ручки, длиной 2,5 м, на конце которой для улавливания частиц расплава закреплена цилиндрическая глуходонная емкость 0 50 мм и высотой 150 мм. Емкость снабжена защитной крышкой с ручным телескопическим механизмом. Внутри емкости размещали каолинитовую вату, на которую падают капли металла. Пробоотборник вертикально опускали в бак распыления на заданное расстояние от узла распыления - 1,0, 1,5, 2,0 м. После чего открывали защитную крышку цилиндрической емкости на 1 секунду и извлекали пробоотборник из бака распыления. Скопившиеся частицы подвергали визуальному контролю с применением микроскопа и определяли химический состав.
Результаты эксперимента показали, что время полета частиц составляет 0,3 - 0,4 с. При этом частицы железоуглеродистого расплава, отобранные на расстоянии 1,5 м от узла распыления, - жидкие, а на расстоянии 2м- затвердевшие и имеют неправильную кораллообразную форму. При распылении воздухом железоуглеродистого расплава первостепенное развитие получает реакция обезуглероживания [2]. По мере понижения температуры, то есть с увеличением времени полета частиц, интенсивность обезуглероживания снижается. Это подтверждается тем, что угол наклона линии на участке 0 - 1,0 м больше, чем на участке 1,0-2,0м (рис. 2).
Расстояние от узла распыления, м
Рис. 2. Процесс обезуглероживания железоуглеродистого расплава при распылении
Одновременно продолжается реакция окисления железа, то есть повышается окисленность металла (рис. 3). Содержание углерода при распылении снижается с 3,5 до 2,6 %. Выделяющиеся газообразные продукты окисления углерода разрывают капли расплава, и капли, затвердевая, сохраняют неправильную форму. В случае падения жидких капель в воду они приобретают округлую форму.
Расстояние от узла распыления, м
Рис. 3. Процесс окисления железоуглеродистого расплава при распылении
Таким образом, регулируя параметры распыления, такие как расстояние до поверхности воды в баке, температура расплава, можно получать частицы порошка нужного размера, формы и соотношения О/С.
Выводы
1. Общее время полета частиц составляет 0,3 -0,4 с.
2. Частицы (для условий эксперимента) затвердевают на расстоянии 1,5 - 1,7 м от узла распыления, то есть примерно через 0,2 с.
3. Время затвердевания определяется температурой и химическим составом расплава (при постоянных параметрах узла распыления).
4. За счет реакции обезуглероживания форма частиц приобретает неправильную форму в том случае, если капля затвердевает в полете.
5. В случае падения жидких капель в воду, они приобретают округлую форму.
6. Окисление железа и углерода происходит и в затвердевшей капле при полете и охлаждении в воде.
7. Управлять формой частицы возможно изменением температуры и состава исходного расплава, времени полета частицы, т. е. уровнем воды в баке.
Список литературы
1 .Акименко В. Б., Буланов В. Я., Рукин В. В. и др. Железные порошки. Технология, состав, структура, свойства, экономика / Под ред. В. Ф. Балакирева. - М.: Наука, 1982. -264 с.
2. Грацинов Ю. А., Путимцев Б. Н., Силаев А. Ф. Металлические порошки из расплавов. - М.: Металлургия, 1970.-248 с.
3. Кипарисрв С. С., Либенсон Г. А. Порошковая металлургия. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Металлурия, 1980. -496 с.
Василенков Максим Анатольевич - аспирант кафедры металлургических технологий Череповецкого государственного университета.
Тел.: 8-921-131-99-49.
Степанов Александр Тимофеевич - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой металлургических технологий Череповецкого государственного университета.
Тел.: 8(8202) 51-72-60.
Vasilenkov Maxim Anatolievich - post-graduate student at the Department of Metallurgical Technologies, Cherepovets State University.
Tel.: 8-921-131-99^19.
Stepanov Alexander Timofeevich - Candidate of Science (Technology), Associate Professor, Head of the Department of Metallurgical Technologies, Cherepovets State University.
Tel.: 8(8202) 51-72-60.
