Способ получения ультрадисперсных порошков

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения ультрадисперсных порошков, преимущественно , с размерами частиц менее 1000 нм. Цель - повышение производительности технологического процесса. Расплавленный металл, например алюминий, нагревали до 1000-1100 К и подавали в реактор 10 через патрубок 9 Одновременно с подачей расплава включали вибратор 11 и электродуговые плазмотроны 6. Включали подачу газа-реагента (кислорода или азота) В качестве плазмообразующего газа использовали воздух или азот. Гидродинамический напор в плазменных струях составлял 0,5-2000 величины напора струи расплава, разность потенциалов между плазменными струями и струей расплава составляла 15-700 В. Получены порошки оксида или нитрида алюминия с размерами частиц 10-400 нм. При этом производительность процесса в 24-110 раз выше, чем в известном способе. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

СОЮЗ . СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 В 22 F 9/06; 9/14

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4841140/02 (22) 19.06,90 (46) 07.12.92 Бюл. М 45 (71) Алма-Атинский энергетический институт (72) А.В.Болотов, А,В.Колесников, М.Н.Фильков и С.А,Болотов (56) Сизов А.M. Гидродинамика и теплообмен газовых струй в металлургических процессах. М.: Металлургия, 1987, с,166-240.

Патент США

f4 4689075, кл. 750.5, 1985, (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ (57) Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения ультрадисперсных порошков, преимущественно, с размерами частиц менее

1000 нм, Цель — повышение производительИзобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению ульрадисперсных (т.е. частиц с размерами менее 1000 нм) порошков металлов, оксидов, нитридов и их смесей путем распыления расплава металла высокоскоростными газовыми струями и дальнейшей химической реакции продуктов. распыления с газовой атмосферой.

Получаемые порошки могут применяться для создания новых конструкционных материалов, катализаторов, абразивных паст, применяться о качестве пигментов и наполнителей при изготовлении красок и т.п. Известны способы и устройства получения... Ж„„1780242 А1 ности технологического процесса. Расплавленный металл, например алюминий, нагревали до ",000-1100 К и подавали в реактор

10 через патрубок 9. Одновременно с подачей расплава включали вибратор 11 и электродуговые плазмотроны 6. Включали подачу газа-реагента (кислорода или азота).

В качестве плазмообразующего газа использовали воздух или азот. Гидродинамический напор о плазменных струях составлял 0,5-2000 величины напора струи расплава, разность потенциалов между плазменными струями и струей. расплава составляла 15 — 700 В. Получены порошки оксида или нитрида алюминия с размерами частиц 10 — 400 нм. При этом производительность процесса в 24 — 110 раз выше, чем в известном способе, 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл. порошков металлов и керамики путем распыления расплава высокотемпературн ыми струями, . Ъ

Известен способ получения порошков путем дробления струи расплава оксида аы- Щ сокоскоростными газовыми струями, причем струя расплава оытекает через круглое или щелевое отверстие, а подача газа-диспергатора осуществляется через кольцевое сопло (или несколько сопел) ниже по потоку, Недостатком данного способа являются высокие энергоэатраты для расплавления оксида, имеющего температуру плавления, намного превышающую температуру плавления металла, а также необходимость оы1780242 соких расходов газа-диспергатора для эффективного дробления струи расплава оксида, обладающей высокой вязкостью. Кроме того, данный, способ не позволяет получать порошки размером менее 4000 нм.

Известен способ получения порошков металлов, например алюминия, путем диспергировзния струи металла газовыми струями.

Однако в этом процессе не достигается температурз испарения металла необходимая для получения ультрадисперсного порошка, а получаемые частицы лишь

10 окислены с поверхности.

Известны также способы получения ультрадисперсных порошков, оксидов, нитридов, и др. соединений путем переработки в низкотемпературной плазме соо ветствующего состава порошка металлов, получен- . ных другим способом (например, 20 распылением металлического расплава газовой струей). Этот способ позволяет получить порошки необходимой дисперсности. однако имеет высокую энергоемкость, т.к, 25 требует повторного нагрева металлического порошка до температуры плавления и активного химического взаимодействия с другой, более нагретой газовой средой, чем та, которая была использована в первичном процессе рзспыления металла для получе- 30 ния металлического порошка.

Наиболее близким "к предлагаемому изобретению по технической сущности к достигаемому эффекту является способ получения смеси ультрадисперсных порошков 35 металла или керамики. в котором ванна металла или керамики в расплавленном состоянии подвергается воздействию плазменных струй, создаваемых электродуговыми или высокочастотными плазмотро- 40 нами, Процесс проводят в атмосфере, содержащей водород, инертный газ, а также добавки азота, кислорода для получения соответствующего ультрадисперсного порош45

-ка с размерами частиц 10-100 нм.

Недостатком такого способа является низкая скорость образования порошка заданного химического состава, например оксида, так как он образуется путем

50 конденсации паров оксида металла, возникающих при взаимодействии поверхности ванны расплава и плазменной струи. Скорость образования паров оксида низка иэ-эа малой площади поверхности расплава,.с которой происходит интенсивное испарение. 55

Испарение расплава является стадией, лимитирующей скорость всего процесса получения порошка. Самое интенсивное испарение происходит с той поверхности расплава. над которой наиболее высока, температура газовой атмосферы, т.е. области контакта плазменной струи и расплава, Величина площади этой области примерно равна площади поперечного сечения плазменной струи.

Целью изобретения является повышение производительности процесса получения ультрадисперсных порошков (размер частиц менее 1000 нм) металлов и тугоплзвких соединений металлов (нитридов, оксидов), Поставленная цель достигается способом получения ультрадисперсных порошков, преимущественно с размерами частиц менее 1000 нм, вкл юча ющим дисйергирование струи расплава плазменными струями, в котором струю расплава и плазменные струи подвергают колебаниям и одновременно пропускают через них электрический ток; диспергирование проводят при гидродинамическом напоре в каждой плазменной струе 0,5 — 2000 величины гидродинамического напора струи расплава: диспергирование производят при разности потенциалов между плазменными струями и струей расплава 15 — 700 В.

Сущность изобретения заключается в следующем.

При наложении колебаний на струю расплава и плазменные струи (это могут быть колебания, вызванные действием акустического поля, магнитного поля, или вызываемые вибрацией отверстия, из которого вытекает струя расплава) и одновременном протекании через струю расплава электрического тока происходит дробление струи расплава на капли. При создании между плазменными струями и струей расплава определенной разности потенциалов в цепи струя расплава — капли расплава — плазменные струи образуются микродуги.

На фиг.1 показана, физическая картина процесса, где 1 — сопло для запуска струи металла, на которое накладывается колебание вертикального и горизонтального направления и к которому подведен полюс источника тока (не показан); 2 — струя расплавленного металла, разрывающаяся на жидкие фракции-капли 3 под действием вибрации и перегрева протекающим по струе током, создающим зону 4, где протекает ток между каплями металла; 5 — точка встречи воздушных плазменных струй и токовых каналов дуг от электродов плазмотронов 6.

При протекании тока через капли 3 металла на каждой капле образуются на корот-. кое время до ее разрушения анодное и катодное пятна, Истекающие из катодных и

1780242

15

35

45

55 анодных пятен струи пара (т.н. катодные и энодные струи) ускоряют процесс разрушения капли. За счет мощности, выделяющейся в пятнах, каплях практически мгновенно перегревается до температуры кипения и увлекается плазменными струями для дальнейшего диспергирования и протекания химической реакции паров материала капли и газовой атмосферы. Далее в цепь тока включается другая капля и процесс повторяется, Таким образом процесс испарения расплава интенсифицируется за счет увеличения поверхности тепло-массообмена, над которой испарение наиболее интенсивно.

Нестационарный характер процесса образования микродуг создает дополнительный источник акустических колебаний, способствующих диспергированию жидких капель и самой струи расплава, Следует отметить, что именно одновременное наложение колебаний на струю расплава, плазменные струи протекание электрического тока через струю расплава и плазменные струи обеспечивает возникновение микродуг в цепи плазменные струикапли расплава-струи расплава, В результате выполнения этой операции цель изобретения достигается в решающей степени, Указанные новые отличительные признаки в аналогах и других технических решениях не выявлены.

При гидродинамическом напоре каждой плазменной струи менее 0,5 гидродинамического напора струи расплава эффективность диспергации струи расплава снижается, т.к. кинетическая энергия плазменной струи при таком соотношении напора не достаточна для сдувания паровой рубашки и испаряющихся капель и их диспергации. При напоре плазменных струй более чем в 2000 раз превышающие напор струи расплава горения микродуг на каплях расплава становится неустойчивым и производительность процесса снижается, При напряжении в системе струи плазмы — струя металла менее 15 В существование даже одной микродуги невозможно.

Увеличение напряжения выше 700 В нецелесообразно, т.к. возникающий при таком напряжении ток приводит к разрушению струи металла у ее корня и нарушению процесса диспергации в режиме существова ния микродуг. В предлагаемом способе, в отличие от прототипа, скорость испарения расплава увеличивается за счет увеличения испарения расплава путем дробления струи расплава на капли с помощью наложения механических колебаний на струю расплава и возрастает скорость испарения с поверхности каждой капли иэ-за горения микродуг между струей расплава, каплями расплава и плазменными струями.

Предложенный способ осуществляют следующим образом (фиг. 2), Металл расплавляют в плавильной камере 7, далее расплав подают в дозатор 8, где он перегревается на 10 — 40 выше температуры плавления, Затем расплав подают через патрубок 9 в реактор 10. Одновременно с подачей расплава включают электродуговые плазмотроны 6 и вибратор 11. В реакторе 10 на струю расплава найравляют плазменные струи из плазмотронов 6. При протекании электрического тока через электроды плазмотронов, плазменные струи, крупные капли расплава металла и струю расплава металла происходит диспергация струи расплава. Перечисленные процессы в зависимости от химического состава газовой атмосферы в реакторе могут сопровождаться как конденсацией паров металла с образованием металлических" частиц, так и химическими реакциями, ведущими к образованию оксидов, нитридов или других соединений как в газовой, так и в конденсированной фазе.,Затем мелкодисперсные частицы целевого порошка в гаэодисперсном потоке выходят из реактора и фильтруются известным способом.

Повышение производительности процесса диспергации достигается увеличением поверхности контакта расплава и газа-диспергатора путем дробления струи металла на капли; более интенсивным испарением капель за счет их перегрева электродными пятнами микродуг, образующихся при протекании тока по зоне протекания струи металла, капель расплава и плазменных струй; из-за непрерывно возобновляющихся поверхностей тепло-массообмена на границе струи расплава, капли металла, плазменные струи; взаимодействием эффектов изменения формы поверхности струи расплава при ее дроблении эа счет протекания электрического тока и изменения формы струи при ее дроблении эа счет гидродинамического воздействия плазменных струй и наложения колебаний, Для получения металлических порошков, а также порошков более сложного химического состава (оксидов, нитридов) газовая атмосфера в реакторе может быть получена добавлением азота, водорода, зргона, воздуха, кислорода.

При получении оксидов металлов применяется плазма кислород-воздух с содержанием кислорода, обеспечивающим полное окисление пэров металла, fl р и м е р, Использовали аппарат, схематически показанный на фиг.2. Алюминий

1780242 плавили методом индукционного нагрева в ультрадисперсным, т.е. в продукте отсутстплавильной камере 7, далее расплав пода- вуют частицы размерами более 1000 нм. вали в дозатор 8. В доэаторе расплав пере- Пример 5. Параметры процесса соотгревали до 1000 — 1100 К и подавали затем ветствуют режиму 5 таблицы. Отношение через патрубок 9 в реактор 10. Одновремен- 5 гидродинамйческих параметров Аз/A1 соно с подачей расплава включили вибратор ставляет2100,т,е.превышает2000-гранич11 и три злектродуговых плазмотрона 6, ноезначение. Разность потенциаловмежду

Включили подачу газа-реагента (кислорода струей раСплава и плазменными струями или азота). При получении порошка оксида поддерживали 100 В. В таком режиме ведеалюминия в качестве плазмообразующего 10 ния процесса выход ультрадисперсного погаэа испольэовали воздух; при получении рошка снижается, т.к. горение микродуг на ультрадисперсного порошка нитрида алю- каплях расплава становится неустойчивым, миния в качест ве плазмообразующего газа и в продукте появляются крупные частицы . использовали азот. размером более 1000 нм.

Полученные ультрадисперсные порош- 15 Пример 6. Параметры процесса соотки оксида алюминия или нитрида алюминия ветствуют режиму 6 таблицы, Отношение с размерами частиц 10 — 400 нм улавливали гидродинамических напоров А /А> составина рукавном фильтре, Режимы ведения про- ло 22,5, разйость потенциалов между струей цесса приведены в таблиц. -- pacnnaea и плазменными струями поддерПример 1. Технологические парамет- 20 живали 12 В. В таком режиме ведения проры процессасоответствуютрежиму1табли- - цесса образование микродуг на каплях цы. Разность потенциалов между струями расплава прекращается и интенсивность плазмы и струей расплава устанавливали диспергации расплава резко падает. В про100 В. Отношение гидродинамического на- дукте наблюдается крупные частицы порошпора плазменной струи А2 и гидродинами- 25 ка с размерами более 1000 нм. чес кому напору струи расплава А> Пример 7. Параметры процесса соотсоставило 0,43. т,е. менее 0,5. При таком ветствуют режиму 7 таблицы. Отношение отношении A2/А> эффективность дисперга- гидродинамических напоров А /Ai составции струи расплава падает, в получаемом ляло 22.5. разность потенциалов ме по о р шке оксида алюминия наблюдаются 30 струей расплава и плазменными струями 15 ц лов между крупные частицы с размерами более 1000 В. В таком режиме ведения процесса весь нм, что делает йродукт йекондициойным. получаемый поро вок является ультрадисПример 2, Технологические парамет- персным, т.е. в продукте отсутствуют частиры процесса соответствуют режиму 2 табли- цы с размерами более 1000 нм. цы. Разно ть потенциалов между струями 35 Пример 8. Параметры процесса соотплаэмы и струей расплава устанавливали ветствуют режиму 8 таблицы. Отношение равной 100 В. Отношение гидродинамиче- гидродинамических напоров Ар/А> составиского напора плазменной струи А2 и гидро- ло 22.5, Разность потенциалов меж динамическому напору струи расплава A> струей расплава и плазменными струями составило 0,5. При таких параметрах про- 40 700 В. При таких параметрах ведения процесса обеспечиваются условия дисперга- цесса весь полученный порошок является ции, при которых в продукте отсутствуют ультрадисперсным, т.е. в продукте отсутстчастицы оксида алюминия с размеров более . вуют частицы размерами более 1000

1000 нм.. нм.

Пример 9. Параметры процесса соотП р им е р3. Параметры процесса соот- 45 ветствуют режиму 9 таблицы. Отношение ветствуют режиму 3 таблицы. Отношение гидродинамических напоров А /А> составгидродинамических напоров Az/А состав- ляло 22.5, разность потенциалов между ляет 1000, разность потенциалов между струей расплава и плазменными струями струями плазмы и струей расплава 1000 В, . поддерживали 720 В. При таком режиме веПри таких параметрах процесса обеспечи- 50 дения процесса происходитразрушение всеваются условия диспергации, при которых в го обьема струи металла (от точки продуктах отсутствует частицы оксида алю- соприкосновения с ней плазменной струи до миния с размеров более 1000 нм. корня), происходит интенсивное разбрызгиПри ме р4. Параметры процессасоот- вание металла, образование микродуг преветствуют режиму 4 таблицы. Отношение 55 кращается, продукт загрязняется крупными гидродинамических напоров А /А> соответ- частицами металла и его качество снижается. ствует 2000, разность потенциалов между В порошке оксида алюминия появляется струей расплава и плазменными струями фракция частиц с размером более 1000

1 000 В. При таких параметрах ведения ïðî- Пример 10. Параметры про е нм. ц есь получаемый порошок является соответствуютрежиму10таблицы. Отноша ессв в

1780242

Номе ежимы

N.N Технологические пара1О пп метры процесса

1. Мощность подведения к плазмотронам. кВт

2. Мощность подведения к зг,4 зз

32.4 32,4

32.4

60.0

6O,О

50 4 60.0

50,4 плавильной камере и дозатору, кВт

20 го.о

20.0

2О.О 2О.О

20,0 го,о

4О.О

40.0 20.0

Расход плазмообразующего газа. r/с

1.8

18!.8

1,8

1,8

2.7

2,7

2,7

2.1

2.1

4, Расход реагента (кислород-режим 1-9. азот-рех жим 10). г/с 18

2О

18 го

1О

18 го

18

18

18

18

100

1ОО

5. Расход алюминия. г/с

6. Разность потенциалов

1 между струями плазмы и струей расплава. В

120

720

15 700

1ОО

1ОО

1ОО 1ОО

100

7. Отношение гидродина. мического напора плазменной струи Аг к гидродинамическому напору струи расплава А1

22.5

22.5 22.5

2000 2100

22.5

0,5 1000

0.43

Выход продукта на единицу мощности. кг/кВт-ч

1,7 1.7

2.02

2,6

2.6

2,6

2.6

7.52 1.7

7.52

9., Производительность по

1О8

136

136 136

136 136

136

680 136 елевом по ошк . кг/ч

680

П ри меча н и е. В режимах 1. 5. 6,9 в продукте появляются частицы оксида алюминия с размером более 1000 нм. ние гидродинамических напоров Аг/А1 составило 23, разность потенциалов между струей расплава и струями плазмы 120 В. В качестве плазмообраэующего газа использовали азот. На выходе сопла плазмотрона 5 к плазменной азотной струе дополнительно примешивали требуемое для химической реакции количество азота.

При таких параметрах ведения процес- 10 са получили ультрадисперсный порошок нитрида алюминия с размерами 10-80 нм.

Производительность процесса при указанных режимах его ведения составила 15

880-136 кг/ч по целевому продукту ультрадисперсному порошку. Выход ультрадисперсного порошка оксида алюминия на единицу мощности составил 7,52-1,7 кг/кВт-ч, что примерно в 110-24 раза выше, 20 чем у способа-прототипа, Формула изобретения

1. Способ получения ультрадисперсных порошков, преимущественно с размерами частиц менее 1000 нм, включающий диспергирование струи расплава плазменными струями, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности технологического процесса, струю расплава и плазменные струи подвергают колебаниям и одновременно пропускают через них электрический ток, 2. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и и c,ÿ тем, что диспергирование осуществляют при гидродинамическом напоре в каждой плазменной струе, равном 0,5-2000 величины гидродинамического напора струи расплава, 3. Способпоп п.1и2, отлича ющий с я тем, что диспергирование осуществляют при разности потенциалов между струей расплава и плазменными струями, равной

15-700 В.

1780242

„и., 2

Редактор

Заказ 118

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 о о о

Составитель Л,Гамаюнова

Техред М,Моргентал корректор С. Юско

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5