CC BY
0
_ МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ.
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор Г.С. Гарибов
УДК 621.762
001: 10.24412/0321-4664-2024-2-33-39
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОСЕПАРАЦИИ МАССЫ ГРАНУЛ
Генрих Саркисович Гарибов1, докт. техн. наук, профессор, Максим Геннадиевич Ягодин2, канд. техн. наук
1АО «Металлургический завод «Электросталь», Электросталь, Россия 2 ОЦ «ФЛАГМАН», Одинцово, Россия, e-mail: yag8odinm@bk.ru
Аннотация. В статье в виде аналитического обзора рассмотрены основные закономерности электростатической сепариции разнородных частиц (металлических и неметаллических). Дана оценка эффективности операции по извлечению электросепорацией неметаллических включений из массы мелких гранул в технологии металлургии гранул.
Ключевые слова: гранулы; электросепарация; коронный разряд; пондеромо-торная сила; неметаллические включения
Theoretical Studies of Electroseparation of Powder Bulks. Dr. of Sci. (Eng.), Professor Genrikh S. Garibov1, Cand. of Sci. (Eng.) Maxim G. Yagodin2
1 «Electrostal» Metallurgical Plant JSC, Electrostal, Russia
2 Educational Center «FLAGMAN», Odintsovo, Russia, e-mail: yag8odinm@bk.ru
Abstract. In the article, the basic regularities of electrostatic separation of heterogeneous particles (metallic and non-metallic) are considered in the form of an analytical review. The efficiency of the extraction of non-metallic inclusions from the bulk of small-sized powders by electroseparation is evaluated as applied to powdermetallurgy.
Keywords: powders; electroseparation; corona discharge; ponderomotive force; non-metallic inclusions
Введение
В настоящее время одним из наиболее перспективных методов производства ответственных деталей для нужд авиационной техники является метод металлургии гранул. Наиболее предпочтительным методом получения гранул является центробежное распыление с последующей классификацией гранул по крупности и электросепарацией [1].
В технологической цепочке чаще всего отражаются следующие операции:
- изготовление исходной массы гранул из литой заготовки [2];
- отделение гранул по размеру (классификация по крупности) [3];
- очистка гранул от примесей;
- контроль качества гранул [4].
При очистке гранул от примесей особое внимание обращают на отделение неметаллических включений от массы гранул, так как они являются концентраторами напряжений и источниками зарождения трещины в готовом изделии. Неметаллические включения - это пре-
имущественно оксиды основного и примесных элементов и деинсталлированная керамика (в том числе керамические волокна). Отделить неметаллические включения от массы гранул можно различными способами: пневматическими, отделением на вибростолах, электрической сепарацией и по удельному весу.
Пневматические методы требуют значительных расходов газа, дополнительных операций и оборудования, а у вибрационных столов низкая производительность. Метод электрической сепарации имеет ряд преимуществ: непрерывность процесса, не требующего дополнительного оборудования и дополнительных операций; производительность может достигать до 70 мм/ч; сепарация может происходить в инертной атмосфере.
Наибольшую эффективность показали барабанные сепараторы с коронирующими электродами и многократной (двух-, трехкратной) очисткой [5].
В сепараторе содержатся три каскада. Сам процесс отделения неметаллических включений происходит непосредственно в каскаде сепаратора (рис. 1).
Рис. 1. Схема каскада электросепаратора:
1 - коронирующий электрод; 2 - осадительный электрод (барабан); 3, 4 - отсекатели; 5 - область щеток; 6 - щетка (вращающаяся); 7 - подача питания к осадительному электроду (барабану) и щетке
Анализ параметров процесса электрической сепарации, оказывающих влияние на качество отделения из массы гранул неметаллических включений
Одним из важнейших параметров, оказывающих влияние на качество очистки гранул и электрическую сепарацию в целом, является рас-
стояние между осадительным и коронирующим электродами. В зависимости от этого параметра определяют напряжение подачи на электроды.
С увеличением напряжения подачи есть возможность более качественной очистки гранул. Но при больших значениях напряжения подачи возможно возникновение пробоев. В зависимости от величины напряжения изменяются напряженность электрического поля и плотность тока, проходящего через межэлектродный промежуток, а следовательно, величина заряда, приобретаемая частицей, и силы, действующие на частицу. При этом увеличение напряженности электрического поля ограничено пробивной напряженностью в газе, которая в данном случае из-за наличия в этом промежутке проводящих частиц имеет низкое значение и составляет, например, для воздуха 6 • 105 В/м. Если устанавливать рабочую напряженность, близкую к пробивной, то возникают разряды, развивающиеся по случайно образовавшимся цепочкам частиц. В момент пробоя напряжение на межэлектродном промежутке падает и электрические силы, прижимающие частицы примесей к осадительному электроду (барабану), резко уменьшаются, в результате чего шлаковые и другие неметаллические включения могут попадать в бункер для кондиционного продукта. Величину зарядов частиц можно изменять, регулируя ток коронного разряда. При этом заряды гранул и включений отличаются не только по величине, но и по знаку. Вследствие этого гранулы отлетают от барабана, а включения, прижимаются к нему, после чего счищаются с барабана специальными щетками.
Сила тока определяет надежность работы установки. При резком увеличении силы тока может произойти возгорание сепаратора.
В начале процесса частица попадает на питатель. Последний предназначен для поддержания постоянного расхода гранул, подаваемых в поле коронного разряда, а также для равномерного распределения потока гранул (создания тонкого монослоя гранул) на поверхности осадительного электрода (барабана). Создание тонкого монослоя гранул необходимо для того, чтобы влияние поля коронного разряда на частицу не перекрывалось соседними частицами и вся поверхность осадитель-
ного электрода (барабана) была задействована в процессе очистки гранул. Работу питателя характеризуют частота и амплитуда колебаний желоба питателя. При высоких значениях частоты и амплитуды может не произойти создания тонкого монослоя частиц, и очистка не будет достаточно качественной. При низких значениях этих параметров не произойдет перемещения частиц в поле коронного разряда.
В результате воздействия поля коронного разряда частица попадает на осадительный электрод (барабан). От частоты вращения осадительного электрода (барабана) зависит величина центробежной силы, действующей на частицы. Кроме этого, частота вращения барабана должна обеспечивать свободное «поле» для оседания частиц в индивидуальном порядке, т.е. так, чтобы частицы не мешали друг другу взаимодействовать с поверхностью осадительного электрода. Из этих соображений должна задаваться частота вращения осадительного электрода и четко коррелировать с расходом гранул, поступающих на него от питателя. Состав газа в сепараторе влияет на процесс, причем повышенное содержание гелия в смеси газа ведет к увеличению тока коронного разряда вне зависимости от знака потенциала на электродах.
В электросепараторе создают инертную атмосферу для избежания насыщения гранул кислородом. Для этого проводят вакуумирование (остаточное давление не более 1 - Ю-3 мм рт. ст., изменение давления от натекания не более 7,5 - Ю-4 мм рт. ст./мин) и последующее заполнение установки инертным газом (остаточное давление в установке поддерживают на уровне 1,25 кгс/см2) [6]. Для заполнения установки, как правило, используют гелий, аргон и азот (коронный разряд невозможен при отсутствии азота).
Исследование процесса электросепарации гранул
В настоящее время наблюдается тенденция к производству гранул крупностью менее 70 мкм. Представляет интерес выяснить ограничения на применение метода электросепарации при производстве гранул крупностью менее 70 мкм [7]. Рассмотрим модели взаимодействия
металлических гранул и примесных частиц малых размеров с осадительным электродом (барабаном). Исходные данные приведены в [8].
Движение частиц в питателе. Частицы попадают на желоб питателя или из исходного бункера с массой гранул, или с предыдущего каскада. Желоб имеет вибрационный привод, поэтому движение частицы по нему происходит в соответствии с дифференциальными уравнениями задачи о движении сыпучих тел по плоской поверхности, совершающей колебания (плоскость питателя - хОz, ось Оу перпендикулярна к плоскости питателя) [9]. Дифференциальные уравнения решения данной задачи имеют вид:
mx = mA®2cosp sin ю t - mg sina + F;
(1)
my = mA<B2sinp sinюt - mg cos a + N, где m - масса частицы, кг; А - амплитуда, м; ю - частота колебаний, с-1; a - угол наклона плоскости (питателя) по отношению к горизонту; в - угол наклона траектории колебания частицы относительно плоскости (питателя); F - сила сопротивления движению частицы, Н;
N - сила реакции опоры, Н.
Решение системы уравнений приведено в [9]:
sin(a±p) . 2Cos(P + р) . .
x = -g---— + Аю2-И'sinюt, (2)
cosp cosp
где р - угол трения.
Отличительной особенностью движения частиц по желобу питателя является создание тонкого монослоя гранул под действием вибрации. Амплитуда и частота колебаний при этом подбираются с учетом необходимости создания тонкого монослоя, попадающего в поле коронного разряда.
Движение частиц в каскаде электросепаратора. После поступления в каскад сепаратора частицы попадают в поле коронного разряда. В качестве электродов применяют: коронирующий электрод - металлическая заостренная проводящая нить с высокой кривизной наружной поверхности - на него подается отрицательный потенциал; осадительный электрод - вращающийся барабан - на него
подается положительный потенциал, электрод заземлен. Происходит ионизация газовой атмосферы вблизи коронирующего электрода, в которую попадают частицы. Частицы получают отрицательный заряд. Вследствие действия пондеромоторных сил частица движется и притягивается к осадительному электроду (барабану), имеющему положительный потенциал.
На частицу действуют сила тяжести и пон-деромоторная сила (рис. 2). Пондеромоторная сила возникает в неоднородном электрическом поле и зависит от соотношения диэлектрических проницаемостей частицы и среды [10]. Определяется выражением:
Осадительный электрод
Коронирующий электрод
Рп = 4пе 0е сР 3
б ч + 2е с
ЕдгаЬ Е,
(3)
2.
F = ОЕ,
(5)
где О - заряд частицы, Кл;
Е - напряженность электрического поля, В/м.
Рис. 2. Движение проводящей частицы в поле коронного разряда
Осадительный электрод
где е0 - диэлектрическая проницаемость, Ф/м; ес - диэлектрическая проницаемость среды; еч - диэлектрическая проницаемость частицы; г - радиус частицы, м; Е - напряженность, В/м дгас1Е - градиент напряженности электрического поля.
При рассмотрении движения легких неметаллических частиц (например, керамических волокон) следует учитывать силу сопротивления среды.
Fс = срУ 2в/2, (4)
где с - коэффициент обтекаемости; в - площадь поперечного сечения, м р - плотность среды, кг • м-3; V- скорость падения гранулы, м • с-1. При выходе из поля коронного разряда металлические частицы (проводники), взаимодействуя с осадительным электродом (барабаном), вследствие высокой электропроводности быстро «отдают» отрицательный заряд и заряжаются от него положительно, затем «отталкиваются» от барабана вследствие действия электростатических сил (рис. 3).
На частицу действуют сила тяжести и электрическая кулоновская сила. Она определяется по выражению:
Рис. 3. Взаимодействие металлической частицы с барабаном вне зоны коронного разряда
Неметаллические включения при выходе из поля коронного разряда сохраняют отрицательный заряд и оседают на барабане. Затем неметаллические частицы попадают в область щеток (см. рис. 1), которые счищают их с осадительного электрода (барабана) и направляют в бункер отходов.
Взаимодействие неметаллических включений с осадительным электродом происходит под действием силы зеркального отображения и сил адгезии (значение этих сил превосходит значение силы тяжести и центробежной силы, вследствие чего неметаллические включения не слетают с осадительного электрода).
Сила зеркального отображения Fз - это сила взаимодействия заряда частицы и индуцированного на осадительном электроде электрического заряда, равного по величине, но противоположного по знаку. Сила направлена к электроду и стремится удержать частицу на нем либо вблизи него. Это разновидность ку-лоновской силы, она способствует более длительному удерживанию на электроде частиц диэлектрика по сравнению с проводящими частицами. Определяется по формуле:
Рз = (6)
где ОР - остаточный заряд частицы, Кл;
I - расстояние между центрами зарядов, м. При расчете учитывается молекулярная составляющая силы адгезии. Сила адгезии равна:
Fа = пАст<ач, (7)
где ст - поверхностное натяжение; 0 - диаметр частицы; А - постоянный коэффициент. Центробежная сила, действующая при вращении барабана:
Рцб = л0ч3рю20/12, (8)
где сач - диаметр частицы, м; р - плотность, кг/м3; ю - частота вращения барабана, с-1; D - диаметр барабана, м. Очевидно, что чем меньше значение силы тяжести (меньше диаметр частицы), тем больше возможность проводящей частицы «удержаться» на осадительном электроде и попасть в область щеток. Ниже приведен расчет для определения размера проводящей частицы, которая под действием силы адгезии может попасть в область щеток.
Уравнение баланса сил имеет вид:
Facos(90° - а) = тд + Fц.бcosа + Fcosa. (9)
Рассчитаем значения сил.
Fаcos(90° - а) = пАст<ач = 3,14 • 1 • 0,509<ач^а = = 1,598^^(90° - а), (10)
тд = 0? • 7800 • 3,14 • 9,8/6 = 40003,60?, (11)
Fцбcosа = л0ч3рю^/12 = = 3,1403 • 7800 • 2002 • 0,640/12 • 0,7071 =
= 536293370ч3^а, (12)
FзCOSa = (0,8 • 10-12)2/<а2^а • 4 = = 2,56- 10-24/0ч2^а. (13)
Балансовое уравнение для определения диаметра металлической проводящей частицы, удерживающейся на барабане:
1,5980^(90° - а) = 40003,60ч3 + + 536293370ч3^а + 2,56 • 10-24/0ч2^а. (14)
Расчеты с использованием численных методов [11] показывают, что при значении угла а в диапазоне 6-10° за счет сил адгезии на осадительном электроде (барабане) может «удержаться» и проводящая частица (гранула) диаметром 55 мкм. Частица попадает в область щеток и далее в отходы, вследствие чего снижается выход годного продукта.
Приведенные расчеты и аргументы свидетельствуют о том, что очистка мелких металлических гранул, например, крупностью менее 63 мкм от неметаллических включений не эффективна.
Транспортировка гранул и неметаллических включений в тару. После прохождения каскадов электросепаратора металлические гранулы и неметаллические включения раздельно направляются в бункеры готовой продукции и отходов соответственно. Порядок транспортировки не оказывает влияния на качество очистки гранул от неметаллических включений.
Анализ движения керамических волокон в каскадах сепаратора в поле действия коронирующего разряда
Расчет выполнен для керамического волокна, не являющегося проводником, диаметром 10 мкм, длиной 300 мкм.
Номинальные значения сил: пондеромо-торной силы Fп ^ 3,7 • 10-10 Н; силы тяжести Fт ^ 4,2-10-8 Н; силы сопротивления среды Fс.с * 2,8 • 10-8 Н.
Номинальное значение результирующей силы для силы тяжести и пондеромоторной силы Р = 420-10-10 Н.
Сила сопротивления среды для керамического волокна по абсолютному значению больше пондеромоторной силы, следовательно, волокно будет отдаляться от осадитель-ного электрода, а сила тяжести больше силы сопротивления среды, т.е. волокно «попадет» в массу проводящих очищенных гранул. Из вышеуказанных рассуждений можно сделать вывод о том, что процесс электросепарации не гарантирует качественного удаления керамических волокон из массы гранул.
Эффективность процесса электрической сепарации
Металлизированные частицы, в том числе металлизированный шлак (в отличие от неметаллических), методом электрической сепарации отделить невозможно. Для отделения металлизированных частиц, керамических волокон особенно из партии гранул крупностью менее 63 мкм применяют другие методы, например, разделением по плотности частиц. Данные результаты были подтверждены экспериментально в рамках работы [6].
Степень очистки гранул от неметаллических включений зависит от ряда технологических параметров процесса [12]. В отдельных случаях процесс электросепарации позволяет отделить до 98 % неметаллических включений.
Возможна иная конструкция осадительного электрода. В качестве последнего, как правило, применяют цилиндр. Но при этом активная «рабочая» поверхность цилиндра, взаимодействующая с частицами, составляет одну четвертую часть от всей поверхности цилиндра. В связи с этим для качественной очистки необходимо высокое напряжение, подаваемое на коронирующий электрод. В качестве альтернативы гипотетически возможно применить вал с системой концентрических дисков. Тогда активная поверхность будет составлять половину от поверхностей дисков. При этом
увеличится кривизна поверхности вблизи дисков, что позволит снизить напряжение на ко-ронирующем электроде.
Выводы
1. Процесс электросепарации включает несколько стадий: движение частиц по желобу питателя, в каскаде электросепаратора, транспортировку гранул и неметаллических включений в приемную тару. На каждой из них важно поддерживать оптимальные параметры процессов, которые получили оценку в данной статье.
2. Метод электросепарации имеет ограничения на применение для мелких гранул. При электросепарации гранул крупностью менее 63 мкм процесс не гарантирует качественного отделения неметаллических включений, дополнительно к этому снижается выход годной продукции.
3. Керамические волокна при электросепарации отделяются менее эффективно, чем частицы другой геометрической конфигурации. Для очистки массы гранул от керамических волокон следует применять другие методы, например, разделение по плотности частиц.
4. Процесс электросепарации позволяет в целом качественно отделять неметаллические включения из массы гранул (до 98 %) с высоким выходом годного. При повторном проведении процесса степень очистки гранул от неметаллических включений повышается.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Gessigner G.H., Bomford M.J. Powder Metallurgy of Superalloys // International Metallurgical Reviews. 1974. Vol. 19. N 2. Р. 51-76.
2. Рудской А.И., Кондратьев С.Ю., Волков К.Н., Соколов Ю.А. Физические процессы и технологии получения металлических порошков из расплава. Санкт-Петербург: Политехнический университет, 2018. С. 102-150.
3. Ягодин М.Г. Теоретические исследования процесса классификации гранул по крупности // Технология легких сплавов. 2019. № 1. С. 48-54.
4. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия. М.: Металлургия, 1991. С. 228-270.
5. Ходкин В.И., Мешалин В.С., Месеняшин А.И., Дурманова Г.Я., Ермаков В.В. Отделение неметаллических частиц от металлических гранул методом электрической сепарации // В кн.: Металлургия гранул. Вып. 3. М.: ВИЛС, 1986. С. 72-78.
6. Ягодин М.Г. Исследование процесса и разработка технологии производства мелкодисперсных гранул жаропрочных никелевых сплавов для произ-
водства дисков газотурбинных двигателей и аддитивных технологий. Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. М.: ВИЛС, 2020. С. 54-95.
7. Иноземцев А.А. Проблемы технологии. Инновации // Технология легких сплавов. 2013. № 4. С. 13-19.
8. Ходкин В.И., Мешалин В.С., Месеняшин А.И., Дурманова Г.Я. Отделение неметаллических частиц от массы гранул жаропрочных никелевых сплавов методом электрической сепарации // В кн.: Металлургия гранул. Вып. 1. М.: ВИЛС,1983. С. 89-96.
9. Челомей В.Н. Вибрация в технике. М.: Машиностроение, 1981. С. 13-76.
10. Олофинский Н.Ф. Электрические методы обогащения. М.: Недра, 1970. С. 139-165.
11. Федотов А.А., Храпов П.В. Численные методы. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. С. 109-118.
12. Ходкин В.И., Мешалин В.С., Месеняшин А.И. Очистка массы гранул от неметаллических включений методом электросепарации // В кн.: Металлургия гранул. Вып. 4. М.: ВИЛС, 1988. С. 253-257.
REFERENCES
1. Gessigner G.H., Bomford M.J. Powder Metallurgy of Superalloys // International Metallurgical Reviews. 1974. Vol. 19. N 2. P 51-76.
2. Rudskoy A.I., Kondrat'yev S.Yu., Volkov K.N., Sokolov Yu.A. Fizicheskiye protsessy i tekhnologii polucheniya metallicheskikh poroshkov iz rasplava. Sankt-Peterburg: Politekhnicheskiy universitet, 2018. S. 102-150.
3. Yagodin M.G. Teoreticheskiye issledovaniya protses-sa klassifikatsii granul po krupnosti // Tekhnologiya legkikh splavov. 2019. № 1. S. 48-54.
4. Kiparisov S.S., Libenson G.A. Poroshkovaya me-tallurgiya. M.: Metallurgiya, 1991. S. 228-270.
5. Khodkin V.I., Meshalin V.S., Mesenyashin A.I., Durmanova G.Ya., Yermakov V.V. Otdeleniye ne-metallicheskikh chastits ot metallicheskikh granul metodom elektricheskoy separatsii // V kn.: Metallurgiya granul. Vyp. 3. M.: VILS, 1986. S. 72-78.
6. Yagodin M.G. Issledovaniye protsessa i razrabotka tekhnologii proizvodstva melkodispersnykh granul zharoprochnykh nikelevykh splavov dlya proizvod-
stva diskov gazoturbinnykh dvigateley i additivnykh tekhnologiy. Avtoref. dis. na soisk. uchen. step. kand. tekhn. nauk. M.: VILS, 2020. S. 54-95.
7. Inozemtsev A.A. Problemy tekhnologii. Innovatsii // Tekhnologiya legkikh splavov. 2013. № 4. S. 13-19.
8. Khodkin V.I., Meshalin V.S., Mesenyashin A.I., Durmanova G.Ya. Otdeleniye nemetallicheskikh chastits ot massy granul zharoprochnykh nikelevykh splavov metodom elektricheskoy separatsii // V kn.: Metallurgiya granul. Vyp. 1. M.: VILS, 1983. S. 89-96.
9. Chelomey V.N. Vibratsiya v tekhnike. M.: Mashino-stroyeniye, 1981. S. 13-76.
10. Olofinskiy N.F. Elektricheskiye metody obogash-cheniya. M.: Nedra, 1970. S. 139-165.
11. Fedotov A.A., Khrapov P.V. Chislennyye metody. M.: MGTU im. N.E. Baumana, 2012. S. 109-118.
12. Khodkin V.I., Meshalin V.S., Mesenyashin A.I. Ochistka massy granul ot nemetallicheskikh vklyu-cheniy metodom elektroseparatsii // V kn.: Metallurgiya granul. Vyp. 4. M.: VILS, 1988. S. 253-257.
