Способ производства карбидов тугоплавких металлов и установка для его осуществления

 

Изобретение относится к способу производства карбидов тугоплавких металлов и установке для его осуществления. В качестве шихтовых материалов используют порошок тугоплавкого металла, в частности вольфрама, и сажу. В паз нижнего фигурного электрода шириной 1,3 - 1,7 диаметра верхнего пуансона и высотой 40 - 70 мм засыпают смесь шихтовых материалов общей массы 20 - 50 кг. На электроды подают ток, зажигают дугу через слой смеси, поданной в паз, и начинают вращать стол с нижним электродом, подавая тем самым равномерно новые порции порошка в зону работы электрической дуги. Длительность процесса получения карбида вольфрама составляет 3 - 10 мин. Скорость вращения стола регулируют в зависимости от площади сечения загруженного смесью кольцевого паза в фигурном электроде. Угловая скорость вращения электрода регулируется в пределах 0,002 - 0,03 рад/с. После плавки блок карбида вольфрама охлаждают, очищают от непрореагировавшей шихты, дробят в дробилке и просеивают. Способ и установка для его осуществления отличаются высокой производительностью. 2 с. п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству тугоплавких металлов, например карбида вольфрама.

Известен способ получения карбида вольфрама, при котором смесь металлического порошка и сажи в прессованном или непрессованном состоянии загружают в графитовых лодочках в графитовые трубчатые печи сопротивления непрерывного действия.

При изготовлении карбида вольфрама используют в большинстве случаев металлический порошок вольфрама. Порошок подвергают сухому смешению с необходимым количеством сажи в смесительных барабанных или шаровых мельницах. Обычно добавляют 5-10% сажи сверх теоретически необходимого количества. Вследствие большой разности плотности, в частности, это относится к крупнозернистому вольфрамовому порошку, следует следить за тем, чтобы не наступило расслаивание смеси. Смесь металлического порошка и сажи в прессованном или непрессованном состоянии загружают в графитовых лодочках в графитовые трубчатые печи сопротивления непрерывного действия. Более или менее прочно спекшиеся куски карбида дробят в винтовых прессах и дробилках, размалывают в молотковых, вихревых, стержневых или шаровых мельницах и просеивают на виброситах, целью карбидизации является получение продукта с содержанием связанного углерода, близким к теоретическому, и с возможно низким содержанием свободного углерода, кислорода и азота [1] Данный способ малопроизводителен, трудно получить карбид заданного состава с одинаковой микроструктурой и иметь при этом высокую производительность процесса.

Известен также способ производства порошка карбида в результате экзотермических реакций в канале сопла плазменно-дуговой горелки. Реакционно-способную аэродинамическую массу с высокой теплоемкостью и высокой концентрацией заданных реагентов получают путем подачи в электропроводный столб дуги, горящей в атмосфере инертного газа, по крайней мере одного галогенида металла или металлоида и углеводорода. Изолированное от электрода сопло служит анодом и выполняет одновременно функцию дросселя, инжектора и смесителя. В канале этого сопла, выполненного из вольфрама или графита, сжимают поток ионизированных реагентов с последующей подачей дополнительных реагентов, что необходимо для проведения основной химической реакции получения карбида. Общий объем реагентов составляет ≥20% от суммарного объема реагентов и инертного плазмообразующего газа, стабилизирующего плазменную дугу [2] Однако при этом трудно получить карбид заданного состава с регулируемой и одинаковой микроструктурой и иметь при этом высокую производительность процесса, так как происходит повышенный вынос готового продукта, усложняется конструкция агрегата и удорожается процесс получения карбида из-за повышенного расхода электроэнергии. Отсутствие высокопроизводительного процесса получения карбидов вольфрама сдерживает широкое применение их в народном хозяйстве.

Цель изобретения повышение качества, увеличение производительности и снижение расхода электроэнергии.

Цель достигается тем, что смесь порошков загружают в приемный паз нижнего фигурного электрода и подают ее в зону дуги с регулируемой скоростью вращения электрода.

Данный способ может быть реализован на установке для производства карбидов тугоплавких металлов, включающей разъемный кожух, состоящий из двух половин, верхний и нижний электроды, системы подвода тока, подачи нейтрального газа и отсоса отработанных газов, в которой нижний электрод выполнен фигурным с кольцевым пазом для загрузки в него смеси и размещен на столе, выполненном с возможностью вращения, а верхний электрод установлен стационарно в верхней половине кожуха над кольцевым пазом, причем нижний торец его входит в последний.

На чертеже показана схема установки для производства карбида вольфрама, продольный разрез.

Установка состоит из водоохлаждаемого стола 1, на котором закреплен нижний электрод 2 фигурного профиля и который приводится во вращение электродвигателем 3 через систему передач. Выше нижнего электрода 2 установлен кольцевой коллектор 4 для подачи через выполненные в нем отверстия азота в зону работы дуги. Нижняя половина 5 кожуха выполнена также водоохлаждаемой, система отсоса отработанных газов через трубопровод 6, закрепленный на нижней половине 5 кожуха, соединена с зоной, в которой происходит реакция образования карбидов металла. Кольцевой паз 7 выполнен в нижнем электроде 2 и предназначен для заполнения смесью из порошка вольфрама и сажи. На нижней половине 5 кожуха установлена верхняя половина 8 кожуха, в которой закреплен верхний электрод 9. Нижний торец верхнего электрода входит в кольцевой паз 7. Токоподводы закрепляются к верхнему и нижнему электродам.

Установка для производства карбидов металла работает следующим образом.

В качестве шихтовых материалов используют порошок вольфрама и сажу. В паз шириной, равной (1,3-1,7) диаметра верхнего электрода, и высотой 40-70 мм засыпают смесь шихтовых материалов общей массой 20-50 кг. Подают ток на электроды, зажигают дугу через слой смеси, поданной в паз, и начинают вращать стол с нижним электродом 2, подавая равномерно (по заданному режиму) новые порции смеси порошка вольфрама марки ПВТ или ПВН и сажи в зону работы электрической дуги. Длительность процесса получения карбида вольфрама в предложенной опытно-промышленной установке (технологическое время работы электрической дуги) составляет 3-10 мин, водоохлаждаемый стол совместно с нижним электродом за указанное выше время делает 1 оборот вокруг вертикальной оси. Скорость вращения стола регулируют в зависимости от площади сечения загруженного смесью кольцевого паза в фигурном электроде и ее плотности (имеет место, что смесь при засыпке паза утрамбовывают). Угловая скорость вращения электрода регулируется в пределах 0,002-0,03 рад/с.

После плавки полученный блок карбида вольфрама охлаждают, очищают его от непрореагировавшей шихты, затем дробят в щековых, молотковых или валковых дробилках, измельченный полупродукт подают в просевальные станки с установкой в них сеток из нержавеющей стали и различным проходным сечением.

Предложенный способ производства карбида вольфрама и установка для его осуществления позволяют получить карбид вольфрама твердый сплав рэлит марки "3" по ТУ 48-19-279-90.

Химический состав сплава рэлит марки "3" представлен в табл. 1.

Гранулометрический состав сплава рэлит марки "3" представлен в табл. 2.

Микротвердость сплава рэлит "3" находится в пределах 2100-2800 кг/мм² (20580-27440 Мн/м²).

П р и м е р получения карбида вольфрама. Из смеси порошка вольфрама и сажи, взятых в соотношении соответственно (96:4), приготовили смесь. Выплавку карбида вольфрама вели в опытно-промышленной установке. Кольцевой паз высотой 50 мм засыпали смесью порошка вольфрама и сажи. Плавку вели при напряжении 60-70 В и токе 3000-7000 А. Плавка длилась 5 мин, затем полученный карбид вольфрама охлаждали в течение 25-30 мин за счет вдувания в камеру установки азота и охлаждения водой стола и нижнего кожуха. Проплавлению подвергали 44 кг смеси и получили 40 кг карбида вольфрама следующего химического состава, мас. Карбид вольфрама 96,15 Углерод связанный 3,7 Углерод свободный 0,03 Железо, не более 0,12 Микротвердость материала составила 2650 кг/мм². Полученный продукт соответствует категории качества по ТУ 48-19-279-90.

Технический эффект данного способа и установки для производства карбидов металла заключается в удовлетворении потребности народного хозяйства России и стран СНГ, в частности, карбида вольфрама, который используется для наплавки деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного износа (например, шарошек буровых долот). Данная установка проста в эксплуатации и экономична.

Каждую партию смеси отдельно загружали в установку и вели процесс как по заявляемому способу (плавки 1, 2, 3), так и по прототипу. Показатели процесса приведены в табл. 3.

Предлагаемый способ и установка для производства карбидов вольфрама позволяет получить карбид вольфрама, соответствующий ТУ 48-19-279-90.

Согласно заключению концерна Химнефтемаш "Уралбурмаш" (г. Верхние Серги Свердловской обл.) карбид вольфрама пригоден для армирования буровых долот. При этом производительность процесса по сравнению с базовым возрастет в 2-2,2 раза, а расход электроэнергии снижается на 20-30%

Формула изобретения

1. Способ производства карбидов тугоплавких металлов, включающий приготовление реакционноспособной смеси порошков исходных компонентов, загрузку ее в реакционный объем и синтез карбида путем плавления электрической дугой, создаваемой между двумя электродами, с последовательной подачей дополнительного количества смеси в зону плавления, отличающийся тем, что в качестве одного из электродов используют фигурный элемент с кольцевым пазом для размещения реакционноспособной смеси, загрузку смеси порошков осуществляют в паз с подачей в зону дуги путем вращения этого электрода с регулирующей скоростью.

2. Установка для производства карбидов тугоплавких металлов, включающая разъемный кожух, состоящий из верхней и нижней частей, установленные в этих частях соответственно верхний и нижний электроды, систему подвода тока для инициирования электрической дуги между электродами, систему подачи нейтрального газа и систему отсоса отработанных газов, отличающаяся тем, что она снабжена столом, установленным с возможностью вращения и размещенным в нижней части кожуха, нижний электрод выполнен в виде фигурного элемента с кольцевым пазом и установлен на столе, а верхний электрод установлен над кольцевым пазом и его нижняя торцевая часть размещена в пазу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3