CC BY
7
УДК 621.762
РАЗМЕРНЫЙ АНАЛИЗ ЧАСТИЦ ПОРОШКА ЭЛЕКТРОКОРУНДА, ПОЛУЧЕННОГО ЭЛЕКТРОДИСПЕРГИРОВАНИЕМ ОТХОДОВ
АЛЮМИНИЯ МАРКИ АД0Е* Агеева Анна Евгеньевна, студент, Новиков Евгений Петрович, к.т.н., с.н.с. E-mail: [email protected] Юго-Западный государственный университет, г. Курск, Россия
*Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ (МК-2539.2022.4).
Представлены результаты размерного анализа частиц порошка электрокорунда, полученного электродиспергированием отходов алюминия марки АД0Е в воде дистиллированной. Отмечены особенности формирования фракционного состава частиц порошка в процессе электроэрозионной металлургии отходов алюминия марки АД0Е, а именно наличие двух экстремумов размеров частиц 10 мкм и 100 мкм: мелкая фракция (0,25 ... 25,0 мкм) образуется за счет конденсации парообразной фазы и крупная фракция (25,0 ... 100 мкм) образуется за счет конденсации жидкой фазы.
Ключевые слова: отходы алюминия марки АД0Е, электроэрозионное диспергирование, вода, порошок, размерный анализ.
На сегодняшний день алюминий является одним из самых популярных металлов и используется во многих промышленных областях, в быту и сельском хозяйстве. Кроме того, алюминий чаще применяется не в чистом виде, а в качестве составляющей многих сплавов. Так, алюминий получил широкое распространение в судо-, автомобиле- и авиастроении, в пищевой и холодильной промышленности, в изготовлении бытовых предметов и многое другое. Помимо этого, алюминий является популярным материалом в строительстве. Это объясняется его преимуществами, отличительными характеристиками и высоким качеством. Среди преимуществ стоит выделить то, что этот металл отличается небольшим весом, устойчивостью к атмосферным влияниям, также он не подвержен коррозийным процессам.
С экономией алюминия тесно связаны мероприятия по сбору отходов алюминиевых сплавов и их переработка [1-3]. В отечественной и зарубежной промышленности в настоящее время применяют несколько методов переработки отходов алюминия, которые в большинстве своем характеризуются крупнотоннажностыо, энергоёмкостью, большими производственными площадями, малой производительностью, а также экологическими проблемами. Одним из перспективных методов получения порошка, практически из любого токопроводящего материала, в том числе отходов алюминия, отличающийся относительно невысокими энергетическими затра-
тами и экологической чистотой процесса, является метод электроэрозионного диспергирования (ЭЭД) [4-9].
Широкое использование метода ЭЭД для получения электрокорунда из отходов алюминия сдерживается отсутствием в современной научно-технической литературе полноценных сведений по влиянию исходного состава, режимов и среды получения на свойства порошков и технологий практического применения. Для разработки технологий для получения электрокорунда из отходов алюминия и оценки эффективности их практического применения требуется проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований [10-14].
Целью данной работы являлось проведение размерного анализа частиц порошка электрокорунда, полученного электродиспергированием отходов алюминия марки АД0Е в воде дистиллированной.
Электродиспергирование отходов алюминия марки АД0Е (рис. 1) осуществляли в дистиллированной воде на оригинальной установке [15-20].
Рис.1. Отходы алюминия марки АД0Е
Блок-схема процесса электроэрозионного диспергирования отходов сплава представлена на рисунке 2.
В результате воздействия кратковременных электрических разрядов в воде образовывались частицы порошка различного размера [21-24].
Установка злск I ро грозном ною диспергировали
V.
ч.
( Ни дач схемп СПСТСМЫ оборудования > IС К I ро 1 [И Н Л IН1ИI >1 о лнсиорпци танин 1 Ллттер. 2 установка "ЭД. ? жснкягор, 4 -встряхивлтель, 5 н 6 — электроды. 7 -)лект]кп[№11о|{)ше частицы, 8 - кольцо. 0 ■ ПИОНЫ с Пу1Ьф|]. 10 рйбоЧАЯ жидкость
К» ?,'* Г 7*7*"»"
Схема процесса ЭЭД 1 ~ установка ЭД. 2 и 3 -»легтроды 4 эютроэроэвонные ЧДСПШЫ. 5 рабочая АНД КОСТЬ. 6 -
отходы, 7 - КАНАЛ р;пря;к1. К ючки рА1рядя, 9 - газовым пузарь
Рис. 2. Блок-схема процесса электродиспергирования металлоотходов
Размерные характеристики частиц порошка, полученного электроэрозионным диспергированием отходов алюминия марки АД0Е в воде, исследовали на лазерном анализаторе размеров частиц «Analysette 22 NanoTec» (Германия). Блок-схема методики исследования гранулометрического состава представлена на рисунке 3.
Лазерный анализатор размеров частиц «Analysette 22 NanoTec plus» определяет распределение по размерам частиц в суспензиях и эмульсиях. По сравнению с «классическими» методами измерения - рассевом, седиментацией либо анализом по изображению, лазерная дифракция обладает рядом важных преимуществ, таких как краткое время анализа, хорошая воспроизводимость и точность, простая калибровка, большой диапазон измерений и высокая универсальность. Диапазон измерений «Analysette 22 NanoTec plus» составляет от 0,01 до 2000 мкм. В анализаторах, определяющих распределение частиц по размерам посредством лазерной дифракции, используется физический принцип рассеяния электромагнитных волн. Конструкция состоит из лазера, через измерительную ячейку направленного на детектор. При помощи диспергирующего устройства частицы подают в измерительную ячейку и проходят сквозь лазерный луч. Свет, рассеянный пропорционально размеру частиц, посредством линзы фокусируется на детектор. По распределению рассеянного света при помощи комплексной математики рассчитывают распределение частиц по их размерам. В результате получают объемные доли, соответствующие эквивалентным диаметрам при лазерной дифракции. Благодаря встроенной ультразвуковой ванне (объем около 500 мл, энергия и частота ультразвука 80 Вт/36 кГц), даже труднодиспергируемые пробы могут анализироваться без применения дополнительного оборудования. Цифровой ультразвуковой генератор всегда поддерживает установленную мощность на оптимальном и постоянном уровне. Нижний предел чувствительности при малых количествах мелких и крупных частиц в распределениях их по размерам (в пределах диапазона измерений) - 3 %. Воспроизводимость согласно ISO 13320-1 d50 < 1 %.
Л
Лазерный анализатор размеров частиц «Апа1учеие 22 №шоТес»
Линза
Иэмэрительная Фурье Детектор ячейка
Лазер
I I
Параллельный лазерный луч
Отраженный луч
Падающий луч света
зломленныи лун
Конструкция состоит из лазера, через измерительную ячейку направленного на детектор. Важным компонентом каждого лазерного прибора для измерения размера частиц яв.ляется линза Фурье, которая фокусирует рассеянный свет лазера по траектории луча на детектор. Свет, рассеянный пропорционально размеру частиц, посредством линзы фокусируется на детектор.
Частичное отражение на внутренней стоионе
500 1ШЕ 2000
Рээм<?р частик, мкм
По распределению рассеянного света при помощи комплексной математики рассчитывают распределение частиц по их размерам. В результате получают объемные доли, соответствующие эквивалентным диаметрам при лазерной дифракции.
Рис. 3. Блок-схема методики определения среднего размера частиц
Экспериментально установлено, что частицы порошка, полученного электроэрозионным диспергированием отходов алюминия марки АД0Е в воде, имеют размеры от 0,25 до 100 мкм (рис. 4).
Размер чдспщ. moi г
Рис. 4. Интегральная кривая (1) и гистограмма (2) распределения по размерам частиц порошка
Отмечены особенности формирования фракционного состава частиц порошка в процессе электроэрозионной металлургии отходов алюминия марки АД0Е, а именно наличие двух экстремумов размеров частиц 20 мкм и 40 мкм: мелкая фракция (0,1 ... 25,0 мкм) образуется за счет конденсации парообразной фазы и крупная фракция (25,0 ... 100 мкм) образуется за счет конденсации жидкой фазы.
Отмечено, что смещение экстремумов размеров частиц, образующихся при кристаллизации парообразной и жидкой фаз, определяется электрическими параметрами работы установки: напряжением на электродах, емкостью разрядных конденсаторов и частотой следования импульсов [23, 24].
Установлена зависимость, показывающая, что средний размер частиц увеличивается с повышением энергии импульса. Получены зависимости, позволяющие выполнить расчетную оценку фракционного состава диспергируемого материала, получаемого в условиях действия электроконтактных тепловых источников.
Размерные характеристики частиц порошка, полученного электроэрозионным диспергированием отходов алюминия марки АД0Е в воде, представлены в таблице 1.
Из представленных данных в таблице 1 видно, что в порошке, полученном электроэрозионным диспергированием отходов алюминия марки АД0Е в воде, содержится: 10% частиц с размером до 1,686 мкм; 20% частиц с размером до 4,089 мкм; 30% частиц с размером до 9,112 мкм; 40% частиц с размером до 13,292 мкм; 50% частиц с размером до 20,711 мкм; 60% частиц с размером до 28,656 мкм; 70% частиц с размером до 33,696
мкм; 80% частиц с размером до 39,164 мкм; 90% частиц с размером до 47,646 мкм включительно.
Таблица 1 - Размерные характеристики частиц порошка
Размерная характеристика Величина
Б10, мкм 1,686
Б20, мкм 4,089
Б30, мкм 9,112
Б40, мкм 13,292
Б50, мкм 20,711
Б60, мкм 28,656
Б70, мкм 33,696
Б80, мкм 39,164
Б90, мкм 47,646
Средний объемный диаметр, мкм 23,07
При этом удельная поверхность полученного порошка, представляющая сумму наружных поверхностей всех частиц, составляющих единицу его объема, составляет 8246 см2/см3. Данная характеристика порошка, зависящая от размера и формы частиц, а также степени развитости их поверхности, возрастает с уменьшением размера, усложнением формы и увеличением шероховатости поверхности частиц и определяет его поведение при последующих операциях прессования и спекания.
Заключение
На основании проведенных экспериментальных исследований, направленных на проведение размерного анализа частиц порошка электрокорунда, полученного электродиспергированием отходов алюминия марки АД0Е в воде дистиллированной, показана высокая эффективность применения технологии электроэрозионного диспергирования, которая обеспечивает при низких затратах электроэнергии получение порошков, пригодных для практического применения. Отмечены особенности формирования фракционного состава частиц порошка в процессе электроэрозионной металлургии отходов алюминия марки АД0Е, а именно наличие двух экстремумов размеров частиц 10 мкм и 100 мкм: мелкая фракция (0,25 ... 25,0 мкм) образуется за счет конденсации парообразной фазы и крупная фракция (25,0 ... 100 мкм) образуется за счет конденсации жидкой фазы. Помимо того, установлено, что смещение экстремумов размеров частиц, образующихся при кристаллизации парообразной и жидкой фаз, определяется электрическими параметрами работы установки: напряжением на электродах, емкостью разрядных конденсаторов и частотой следования импульсов.
Экспериментально установлено, что частицы порошка, полученного электроэрозионным диспергированием алюминия марки АД0Е в воде дис-
тиллированной, имеют размеры от 0,25 до 100 мкм со средним объемным диаметром 23,7 мкм и содержат: 10% частиц с размером до 1,686 мкм; 20% частиц с размером до 4,089 мкм; 30% частиц с размером до 9,112 мкм; 40% частиц с размером до 13,292 мкм; 50% частиц с размером до 20,711 мкм; 60% частиц с размером до 28,656 мкм; 70% частиц с размером до 33,696 мкм; 80% частиц с размером до 39,164 мкм; 90% частиц с размером до 47,646 мкм включительно. При этом удельная площадь поверхности порошка составляет 8246 см2/см3.
Список литературы
1. Утилизация отходов алюминия / Яковец Ю.С. // Юный ученый. 2020. № 11 (41). С. 46-49.
2. Бесфлюсовая плавка отходов алюминия - путь к безотходной технологии / Три-бушевский Л.В., Немененок Б.М., Румянцева Г.А. // Металлургия машиностроения. 2020. № 2. С. 2-4.
3. Использование отходов производства алюминия в различных отраслях промышленности / Иванков С.И., Троицкий А.В. // Научные и технические аспекты охраны окружающей среды. 2020. № 3. С. 27-37.
4. Разработка и исследование высокопрочных быстрорежущих сталей на основе диспергированных электроэрозией частиц сплава Р6М5 [Текст] / С.В. Пикалов, Е.В. Агеев, А.Е. Агеева // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. - 2021. - Т. 11. - № 4. - С. 53-67.
5. Состав, структура и свойства твердосплавных порошков, полученных электродиспергированием сплава Т5К10 в воде / Е.В. Агеев, А.Е. Агеева // Металлург. - 2022. - №2. - С. 39-43.
6. Структура и свойства спеченных образцов из электроэрозионных хромсодержа-щих порошков, полученных в бутиловом спирте / Агеева Е.В., Хардиков С.В., Агеева А.Е. // Современные материалы, техника и технологии, 2021. - №6 (39). - С. 4-13.
7. Анализ характеристик износостойкости спеченных изделий из электроэрозионного порошка стали Х13, полученного в бутиловом спирте / Хардиков С.В., Агеева Е.В., Агеева А.Е. // Современные материалы, техника и технологии, 2021. - №6 (39). -С. 58-64.
8. Свойства порошков корунда, полученных электродиспергированием металлоот-ходов / Е. П. Новиков, В. О. Поданов, А. Е. Агеева // Вестник ВолгГТУ. - 2022. - №7 (266). - С. 90-94.
9. Агеев, Е. В. Микроструктура и элементный состав порошков, полученных в условиях электроэрозионной металлургии отходов жаропрочного никелевого сплава ЖС6У в воде / Е.В. Агеев, В.О. Поданов, А.Е. Агеева // Металлург. - 2022. - №3. - С. 90-95.
10. Исследование гранулометрического состава частиц порошка, полученного электродиспергированием сплава Х20Н80 в воде / Бобков Е.А., Агеева А.Е., Агеева Е.В. // Актуальные вопросы науки, нанотехнологий, производства: сб. науч. ст. Междунар. науч.-практ. конф. - Курск, 2021. - С. 25-27.
11. Микроструктура высокопрочных быстрорежущих сталей на основе диспергированных электроэрозией частиц сплава Р6М5 / Пикалов С. В., Агеева А.Е. // Актуальные вопросы науки, нанотехнологий, производства: сб. науч. ст. Междунар. науч.-практ. конф. - Курск, 2021. - С. 207-209.
12. Элементный состав частиц порошка, полученного электродиспергированием сплава Х20Н80 в керосине / Е.В. Агеева, А.Е. Агеев, Е.А. Бобков // Инновационный потенциал развития общества: взгляд молодых ученых: сб. науч. ст. 2- й Всерос. науч. конф. в 5 т. - Курск, 2021. -Т. 5. - С. 37-40.
13. Элементный состав высокопрочных быстрорежущих сталей на основе диспергированных электроэрозией частиц сплава Р6М5 / С.В. Пикалов, А.Е. Агеева // Инновационный потенциал развития общества: взгляд молодых ученых: сб. науч. ст. 2- й Все-рос. науч. конф. в 5 т. - Курск, 2021. -Т. 5. - С. 115-117.
14. Исследование элементного состава частиц порошка, полученного электродиспергированием сплава Х20Н80 в воде / Е.В. Агеева, А.Е. Агеев, Е.А. Бобков // Наука молодых - будущее России: сб. науч. ст. 6-й Междунар. науч. конф. в 5 т. Курск, 2021. -Т. 5. - С. 13-15.
15. Фазовый состав высокопрочных быстрорежущих сталей на основе диспергированных электроэрозией частиц сплава Р6М5 / С.В. Пикалов, А.Е. Агеева // Наука молодых - будущее России: сб. науч. ст. 6-й Междунар. науч. конф. в 5 т. Курск, 2021. - Т. 5. - С. 150-153.
16. Элементный состав частиц порошка, полученного электродиспергированием сплава Х20Н80 в керосине / Бобков Е.А., Агеева А.Е., Агеева Е.В. // Современные материалы, техника и технология: сб. науч. ст. 11-й Междунар. науч.-практ. конф. Курск, 2021. - С. 42-44.
17. Размерные характеристики частиц порошка, полученного электродиспергированием сплава Х20Н80 в керосине / Бобков Е.А., Агеева А.Е., Агеева Е.В. // Перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении: сб. науч. ст. 7-й Всерос. науч.-техн. конф. Курск, 2022. - С. 37-40.
18. Получение электрокорунда электродиспергированием алюминиевых отходов / Новиков Е.П., Поданов В.О., Агеева А.Е. // Перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении: сб. науч. ст. 7-й Всерос. науч.-техн. конф. Курск, 2022. - С. 134-138.
19. Исследование гранулометрического состава электрокорунда, полученного электродиспергированием отходов сплава АД0Е / Новиков Е.П., Поданов В.О., Агеева А.Е. // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: сб. науч. ст. 17-й Междунар. науч.-практ. конф. Курск, 2022. - С. 320-324.
20. Фазовый состав никельхромового сплава Х20Н80, спеченного из электроэрозионных порошков, полученных в керосине / Бобков Е.А., Агеева А.Е., Агеева Е.В. // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: сб. науч. ст. 17-й Междунар. науч.-практ. конф. Курск, 2022. - С. 110-114.
21. Форма и морфология частиц электрокорунда, полученного электродиспергированием отходов сплава АД0Е / Новиков Е.П., Поданов В.О., Агеева А.Е. // Электроэнергетика сегодня и завтра: сб. науч. ст. Междунар. науч.-техн. конф. Курск, 2022. - С. 127-131.
22. Фазовый состав никельхромового сплава Х20Н80, спеченного из электроэрозионных порошков, полученных в воде / Бобков Е.А., Агеева А.Е., Агеева Е.В. // Современные инновации в науке и технике: сб. науч. ст. 12-й Всерос. науч.-техн. конф. Курск, 2022. - С. 65-68.
23. Исследование фазового состава порошка электрокорунда, полученного электродиспергирование отходов сплава АД0Е / Новиков Е.П., Поданов В.О., Агеева А.Е. // Современные инновации в науке и технике: сб. науч. ст. 12-й Всерос. науч.-техн. конф. Курск, 2022. - С. 186-190.
24. Рентгеноспектральный микроанализ порошка электрокорунда, полученного электродиспергирование отходов сплава АД0Е / Новиков Е.П., Поданов В.О., Агеева А. Е. // Перспективные материалы науки, технологий и производства: сб. науч. ст. Меж-дунар. науч.-практ. конф. Курск, 2022. - С. 244-248.
25. Восстановление распределительного вала дизельного двигателя/ Латыпов Р. А., Агеев Е.В., Латыпова Г.Р.// Современные материалы, техника и технологии. 2016. № 2 (5). С. 146-150.
26. Оценка относительной прочности соединения металлов на этапе схватывания при сварке давлением/ Латыпова Г.Р., Латыпов Р.А., Булычев В.В., Агеев Е.В.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 2 (2). С. 102-110.
27. Исследование и разработка технологии восстановления вала ротора турбокомпрессора электроискровой обработкой электроэрозионными наноматериалами/ Латыпов Р.А., Денисов В.А., Агеев Е.В.// Современные материалы, техника и технологии. 2016. № 2 (5). С. 141-146.
28. Свойства электроэрозионных порошков, используемых в производстве твердосплавных заготовок/ Кругляков О.В., Угримов А.С., Осьминина А.С., Агеев Е.В.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 1 (1). С. 119-121.
29. Исследование свойств спеченных заготовок из порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов быстрорежущей стали/ Агеев Е.В., Карпенко В.Ю.// Современные материалы, техника и технологии. 2016. № 4 (7). С. 10-16.
Ageeva Anna Evgenievna, student,
Novikov Evgeny Petrovich, Candidate of Technical Sciences, S.N.S. E-mail: [email protected] South-West State University, Kursk, Russia
DIMENSIONAL ANALYSIS OF ELECTROCORUNDUM POWDER PARTICLES OBTAINED BY ELECTRODISPERSION OF AD0E GRADE ALUMINUM WASTE*
*The work was supported by a grant from the President of the Russian Federation (MK-2539.2022.4).
The results of dimensional analysis of electrocorundum powder particles obtained by electrodispersing aluminum waste of the AD0E brand in distilled water are presented. The features of the formation of the fractional composition ofpowder particles in the process of electroerosion metallurgy of aluminum waste of the AD0E brand are noted, namely, the presence of two extremes ofparticle sizes of 10 microns and 100 microns: a small fraction (0.25 ... 25.0 microns) is formed due to condensation of the vapor phase and a large fraction (25.0 ... 100 microns) is formed due to condensation of the liquid phase.
Key words: AD0E grade aluminum waste, electroerosive dispersion, water, powder, dimensional analysis.
