Устройство и способ для фракционного разделения порошков карбида бора
Владельцы патента RU 2659921:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (ФГАОУ ВО НИ ТПУ) (RU)
Изобретение относится к способам выделения тонких фракций из полидисперсных порошков, в частности, фракционному разделению порошков карбида бора. Устройство для фракционного разделения порошков карбида бора включает флотационную камеру, патрубок подачи вводного вещества, патрубки вывода и емкости сбора продуктов разделения. Основание флотокамеры соединено с гидроциклонной камерой, снабженной входным патрубком, в котором установлен ультразвуковой излучатель. В верхней части полости гидроциклонной камеры расположен сливной патрубок, соединенный с камерой аэрации, расположенной в полости цилиндрической флотационной камеры. Камера аэрации соединена с вертикальной крестообразной перегородкой. Устройство используют для осуществления способа фракционного разделения порошков карбида бора, включающего дезагрегацию и классификацию вещества. Предварительно водную суспензию карбида бора подвергают ультразвуковому дезагрегированию во входном патрубке, затем направляют обработанную суспензию бора в гидроциклонную камеру, выводят крупные частицы, имеющие повышенную массу, а остальную массу направляют в цилиндрическую флотационную камеру. Разделяют массу на фракции и со средним потоком выводят фракцию карбида бора с размером частиц не более 10 мкм и низким содержанием фракции до 1 мкм, а с верхним потоком выводят флотопродукт в виде фракции микропорошка карбида бора с высоким содержанием частиц до 1 мкм и повышенным содержанием наночастиц. Технический результат - увеличение выхода фракции порошка карбида бора с размером частиц не более 10 мкм и повышенным содержанием наноразмерных частиц. 2 н.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.
Область применения
Изобретение относится к способам выделения тонких фракций из полидисперсных порошков, в частности, фракционному разделению порошков карбида бора.
Уровень техники
Известен способ воздушно-центробежной классификации порошков [RU 2407601 С1, МПК В07В 7/083 (2006.01), опубл. 27.12.2010], включающий ввод исходного порошка и части воздушного потока в зону сепарации, дезагрегацию порошка за счет механического действия воздушного потока, его классификацию под действием центробежных сил и противоположно им направленных пульсирующих аэродинамических сил, отдельный вывод из аппарата крупной и мелкой фракций. Воздушный поток разделяют на два потока, один из которых с расходом (10-20)% от общего воздушного потока подают в горловину дозатора, а основной поток с расходом (80-90)% подают на вход в зону разделения, на выходе из зоны разделения создают пульсирующий поток переменного сечения.
Недостатком известного способа является низкая селективность фракционирования мелкодисперсных фракций (с размером частиц менее 10 мкм).
Известен способ получения высокодисперсных порошков [RU 2284265, МПК В29В 13/10 (2006.01), B29K 101/12 (2006.01), опубл. 27.09.2006], в котором воздушно-центробежную классификацию сочетают с измельчением, при котором измельчаемый материал и воздушный поток сначала подают в зону измельчения - в зазор между режущими элементами, а затем в сепарирующее устройство, где отделяются в воздушном потоке частицы порошка заданной фракции от крупных частиц, которые возвращаются на измельчение.
Известен способ сепарации порошков [SU 1738386, МПК5 В07В 4/00, опубл. 07.06.1992], включающий подачу порошка в зону разделения сверху вниз навстречу основному вертикальному потоку воздуха, разделение порошка на легкую и тяжелую фракции и вывод разделенных фракций. В нижней части зоны разделения на порошок воздействуют одновременно с основным воздушным потоком дополнительным воздушным потоком, который предназначен для возврата неразделенного порошка в центральную часть зоны разделения, а также для выравнивания скорости основного воздушного потока, что приводит к ликвидации застойных зон. Скорость дополнительного воздушного потока устанавливают в 1,5-2,0 раза больше скорости основного воздушного потока. Расход воздуха дополнительного воздушного потока в 2-3 раза меньше расхода воздуха основного воздушного потока.
Недостатком всех указанных способов воздушного сепарирования является низкая селективность фракционирования мелкодисперсных фракций (с размером частиц менее 10 мкм).
Известен способ гибридной аэродинамическо-флотационной классификации металлических порошков и установка для его осуществления, выбранные за прототип [RU 2132242, МПК В07В 7/083, опубл. 27.06.1999], который включает дезагрегацию конгломератов, центробежную классификацию в спиральном восходящем потоке и рециркуляцию частиц средних фракций. В центре спирального восходящего потока формируют нисходящий поток пылегазовой смеси частиц средних фракций, направляемый в начало процесса центробежной классификации, а тонкую фракцию после центробежной классификации подвергают флотационной классификации по граничному зерну 3-5 мкм. Установка для аэродинамической классификации металлических порошков включает в себя центробежный классификатор, ротор с приводом, дозатор и патрубок подачи порошка в классификатор, патрубки вывода и емкости сбора продуктов разделения, камеру флотационной классификации, размещенную соосно с камерой центробежной классификации и осью вращения ротора.
Недостатком данного способа является сложное аппаратурное оформление, включающее вращающийся ротор и систему перехода от устройства газофазного центробежного фракционирования к жидкофазному флотационному разделению. Кроме того, этот способ не рассматривает получение фракции микропорошка с повышенным содержанием наночастиц.
Сущность изобретения
Технический результат заключается в увеличении выхода фракции порошка карбида бора с размером частиц не более 10 мкм и повышенным содержанием наноразмерных частиц.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для фракционного разделения порошков карбида бора, включающем флотационную камеру, патрубок подачи вводного вещества, патрубки вывода и емкости сбора продуктов разделения, отличающемся тем, что основание флотокамеры соединено с гидроциклонной камерой, снабженной входным патрубком, в котором установлен ультразвуковой излучатель, в верхней части полости гидроциклонной камеры расположен сливной патрубок, соединенный с камерой аэрации, расположенной в полости цилиндрической флотационной камеры, при этом камера аэрации соединена с вертикальной крестообразной перегородкой.
Технический результат также достигается тем, что в способе фракционного разделения порошков карбида бора, включающем дезагрегацию и классификацию вещества, согласно предложенному решению предварительно водную суспензию карбида бора подвергают ультразвуковому дезагрегированию во входном патрубке, затем направляют обработанную суспензию бора в гидроциклонную камеру, выводят крупные частицы, имеющие повышенную массу, а остальную массу направляют в цилиндрическую флотационную камеру, разделяют массу на фракции и со средним потоком выводят фракцию карбида бора с размером частиц не более 10 мкм и низким содержанием фракции до 1 мкм, а с верхним потоком выводят флотопродукт в виде фракции микропорошка карбида бора с высоким содержанием частиц до 1 мкм и повышенным содержанием наночастиц.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, на фиг. 1 представлен общий вид устройства, на фиг. 2 - разрез А-А, на фиг. 3 - схема врезки ультразвукового излучателя в трубопровод подачи исходной суспензии
Устройство состоит из корпуса 1 флотокамеры с выходным патрубком 2, основание корпуса 1 соединено с гидроциклоном 3, снабженным входным патрубком 4. В полости входного патрубка 4 установлен ультразвуковой излучатель 5. В полости гидроциклонной камеры 3 установлен сливной патрубок 6, соединенный с камерой аэрации 7. Камера аэрации 7 расположена в цилиндрической флотационной камере 8, установленной в полости корпуса 1 флотокамеры. На камере аэрации 7 закреплена вертикальная крестообразная перегородка 9. Флотационная камера 8 соединена с емкостью сбора флотопродукта 10, снабженного выходным патрубком 11.
Осуществление изобретения
На первой стадии исходное вещество, а именно, суспензия порошка карбида бора подвергается ультразвуковой обработке. При обработке жидких сред ультразвуком звуковые волны, которые распространяются в жидкости, приводят к чередованию циклов высокого и низкого давления. При этом механическое напряжение воздействует на притягивающие электростатические силы между отдельными частицами. Ультразвуковая кавитация в жидкостях вызывает возникновение микропотоков, обладающих высокой скоростью (до 600 м/с). Возникновение таких микропотоков создает высокое давление на частицы и их агрегаты, приводя к эффективной дезагрегации. Кроме того, мелкие частицы ускоряются и сталкиваются друг с другом на высоких скоростях, что приводит к дополнительному измельчению микронных и субмикронных частиц. В качестве источника ультразвукового воздействия на поток входной суспензии использован установленный на входной патрубок 4 трубчатый ультразвуковой излучатель 5 фирмы TELSONIC AG, модель RS20-48-1S. Режим обработки - частота колебаний 20 кГц, мощность 600 Вт. После ультразвуковой обработки во входном патрубке 4 аппарата водная суспензия карбида бора сразу попадает в гидроциклонную камеру 3, где для отделения частиц карбида бора размером более 10 мкм используется центробежная классификация (что обеспечивается подобранным режимом работы гидроциклонной камеры). Частицы проходят гидроциклонную камеру 3 в высокоскоростном водном потоке, что препятствует реагрегации наночастиц. Крупные частицы, имеющие повышенную массу, выводятся из гидроциклонной камеры 3 с нижним потоком и возвращаются на измельчение. В результате закручивания жидкости в гидроциклонной камере 3 образуется воздушный столб, в который инжектируется атмосферный воздух. Воздух, захваченный восходящим потоком суспензии, содержащей мелкие и средние частицы карбида бора, выносится через сливной патрубок 6 в полость стакана камеры аэрации 7, где интенсивно диспергируется с образованием развитой пузырьковой структуры. Основная часть частиц карбида бора размером менее 10 мкм выводится из гидроциклонной камеры 3 потоком жидкости и подается во флотационную камеру 8, проходя через ее сегменты, образованные крестообразной перегородкой 9, предназначенной для преобразования вращательного движения флотируемой жидкости в восходяще-поступательное движение. При движении во флотационной камере 8 пузырьков воздуха вверх, они преимущественно захватывают с собой наиболее мелкие частицы карбида бора. В среднем потоке (выводимом из нижней части флотационной камеры 8) содержится фракция карбида бора с размером частиц не более 10 мкм и низким содержанием фракции до 1 мкм. С верхним потоком из флотационной камеры выводится флотопродукт в виде фракции микропорошка карбида бора с высоким содержанием частиц до 1 мкм и повышенным содержанием наночастиц. Поскольку наноразмерные частицы быстро прикрепляются к отдельным воздушным пузырькам и движутся с ними вверх, то реагрегация наночастиц во флотационной камере 8 не успевает пройти до выделения фракции, обогащенной наночастицами.
Пример осуществления способа
В качестве исходного сырья использовали измельченный порошок карбида бора с размерами частиц 0-40 мкм. Концентрация карбида бора в суспензии на входе в гидроциклоне-флотаторе составляла 10 г/л.
В табл. 1 представлены результаты классификации порошка карбида бора без ультразвуковой обработки исходной суспензии карбида бора
В табл. 2 представлены результаты классификации порошка карбида бора с ультразвуковой обработкой исходной суспензии карбида бора.
При проведении испытаний давление на входе в гидроциклон-флотатор составило 0,2 МПа, противодавление на выходах отсутствовало. На сливе обеспечивалось давление, необходимое для подъема столба жидкости во флотокамере.
Таким образом, предлагаемые способ и устройство позволяют эффективно классифицировать порошки карбида бора с получением фракции размером частиц до 10 мкм, обогащенной наночастицами, что может быть использовано для улучшения физико-механических характеристик керамики, изготавливаемой из данного материала.
1. Устройство для фракционного разделения порошков карбида бора, включающее флотационную камеру, патрубок подачи вводного вещества, патрубки вывода и емкости сбора продуктов разделения, отличающееся тем, что основание флотокамеры соединено с гидроциклонной камерой, снабженной входным патрубком, в котором установлен ультразвуковой излучатель, в верхней части полости гидроциклонной камеры расположен сливной патрубок, соединенный с камерой аэрации, расположенной в полости цилиндрической флотационной камеры, при этом камера аэрации соединена с вертикальной крестообразной перегородкой.
2. Способ фракционного разделения порошков карбида бора, включающий дезагрегацию и классификацию вещества, отличающийся тем, что предварительно водную суспензию карбида бора подвергают ультразвуковому дезагрегированию во входном патрубке, затем направляют обработанную суспензию бора в гидроциклонную камеру, выводят крупные частицы, имеющие повышенную массу, а остальную массу направляют в цилиндрическую флотационную камеру, разделяют массу на фракции и со средним потоком выводят фракцию карбида бора с размером частиц не более 10 мкм и низким содержанием фракции до 1 мкм, а с верхним потоком выводят флотопродукт в виде фракции микропорошка карбида бора с высоким содержанием частиц до 1 мкм и повышенным содержанием наночастиц.
