УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОГО ДИСПЕРГИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ В НАСЫПНОМ СЛОЕ Российский патент 1994 года по МПК B22F9/14 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к устройствам для получения порошков, порошковых суспензий и паст электроэрозионным диспергированием металлов.

Известны устройства для электроэрозионного диспергирования металлов в насыпном слое, предназначенные для получения порошков металлов, карбидов, оксидов и гидроксидов при использовании в качестве сырья гранулированного или нарубленного на мелкие куски металла, а также стружки и других сыпучих металлоотходов. Известно устройство [1] для электроэрозионного диспергирования металлов, состоящее из диэлектрического сосуда с отверстием в его днище для подачи в сосуд рабочей жидкости, над которым установлено дополнительное сетчатое днище из диэлектрического материала, а в сосуд опущены до упора в сетчатое днище два электрода, установленные под углом к днищу 70-85^о.

Через горловину в крышке сосуда в него засыпают гранулы металла, подлежащего электроэрозионному диспергированию, а на электроды подают импульсы электрического напряжения. При этом между электродами происходят электрические разряды по цепочкам из гранул, контактирующих друг с другом и с электродами. В точках контакта гранул друг с другом и с электродами возникают искровые разряды в жидкости, осуществляющие электроэрозионное диспергирование металла гранул и электродов. Продукты электроэрозии выносятся потоком рабочей жидкости, прокачиваемой через сосуд снизу вверх. Этот же поток осуществляет перемешивание слоя гранул над сетчатым дополнительным днищем, что предотвращает его утрамбовку и спаивание, ведущие к коротким замыканиям в нагрузке источника электропитания. Высокая эффективность перемешивания достигается тем, что в расходящемся кверху пространстве между наклонными электродами возникает фонтанирующий псевдоожиженный слой из гранул.

Недостатком этого устройства является быстрый эрозионный износ электродов под действием искровых разрядов, происходящих у их поверхности.

Для уменьшения эрозионного износа электродов [2] предложено все пространство в диэлектрическом сосуде между двумя плоскими электродами, установленными вертикально параллельно друг другу, разделитель на три отсека двумя плоскими вертикальными перегородками, установленными параллельно электродами. При этом в нижней части перегородок выполнена перфорация, позволяющая гранулам соседних отсеков контактировать друг с другом через отверстия в перегородке. Загрузку гранул металла в средний отсек осуществляют до высоты их слоя, меньшей, чем высота слоя гранул в двух крайних отсеках, прилегающих к электродам. При подаче на электроды импульсов напряжения искровые разряды происходят в основном в среднем отсеке, где слой гранул менее сжат своим весом. А в крайних отсеках гранулы плотно прижаты к электродам и друг к другу под действием веса более толстого слоя гранул. Здесь искровые разряды происходят реже. В результате эрозионный износ электродов уменьшается, что продлевает срок их службы.

Недостатком этого устройства является то, что через отверстия в перфорированных перегородках гранулам не всегда удается соприкоснуться, что приводит к уменьшению производительности электроэрозионного диспергирования. Кроме того, в двух крайних отсеках возникают застойные зоны, в которых происходит утрамбовка и слипание слоя гранул в комки, края которых, обращенные к перфорированной перегородке, после их эрозионного износа перестают доставать до гранул, находящихся на противоположной стороне перфорированной перегородки. Тогда процесс диспергирования прерывается.

Наиболее близким к заявляемому известным техническим решением (прототипом) является устройство для электроэрозионного диспергирования металлов [3]. Оно состоит из диэлектрического сосуда с отверстием в днище для подачи снизу вверх рабочей жидкости и установленного горизонтально над этим отверстием дополнительного днища, образованного двумя плоскими перфорированными электродами, обращенными своими краями друг к другу и разделенными сплошной вертикальной перегородкой, которая выступает над поверхностью электродов на высоту, меньшую верхнего уровня слоя гранул, подлежащих электроэрозионному диспергированию и насыпаемым в сосуд через горловину в его крышке.

Слой гранул, насыпанных в сосуд, плотно прижимает своим весом нижние гранулы к горизонтальной поверхности плоских перфорированных электродов. А у поверхности насыпного слоя гранулы менее сжаты и даже слегка шевелятся восходящим потоком рабочей жидкости, прокачиваемой через устройство. Поэтому при подаче на электроды импульсов электрического напряжения искровые разряды происходят преимущественно у поверхности слоя гранул над вертикальной перегородкой и вблизи ее поверхности. А по нижним гранулам, плотно прижатым к электродам, электрический ток проходит почти без искрения в точках контакта их друг с другом и с электродами. Этим достигается уменьшение эрозионного износа электродов. Продукты электроэрозии выносятся восходящим потоком рабочей жидкости из устройства.

Недостатком этого устройства является отсутствие возможности регулирования электрического сопротивления нагрузки при переходе от одного вида сырья к другому и при изменении размеров гранул, загружаемых в устройство. В этих случаях приходится использовать другое почти такое же устройство, имеющее другую высоту диэлектрической перегородками, оптимальную для этого сырья. Отсутствие возможности плавного регулирования высоты перегородки не дает возможности оперативно подбирать оптимальное сопротивление нагрузки, а тем более корректировать его в ходе работы устройства, согласовывая с заданными выходными параметрами источника импульсов электрического напряжения и тока. Все это снижает эффективность работы устройства.

Другим недостатком описанного известного устройства являются большие потери электроэнергии при использовании в качестве рабочей жидкости воды или других электропроводных жидкостей. Эти потери обусловлены утечками электрического тока с одного электрода на другой по рабочей жидкости под диэлектрической перегородкой, где расстояние в жидкости между краями электродов равно толщине этой перегородки.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности работы устройства для электроэрозионного диспергирования металлов насыпном слое.

Другой целью является уменьшение утечек электрического тока по рабочей жидкости с одного электрода на другой.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для электроэрозионного диспергирования металла в насыпном слое, содержащем диэлектрический сосуд с отверстием в его донной части для подачи рабочей жидкости, установленные над отверстием плоские электроды и вертикальную диэлектрическую перегородку между ними, согласно предлагаемому изобретению, перегородка установлена с возможностью перемещения ее вверх и вниз, а устройство снабжено приспособлением для перемещения перегородки вверх и вниз и регулирования высоты выступления ее над краями электродов.

Вторая поставленная цель достигается тем, что нижний край диэлектрической перегородки при любом ее положении в пределах регулируемой высоты выступления перегородки над краями электродов, согласно предлагаемому изобретению, выступает за нижние края электродов на длину, превышающую толщину перегородки.

Установление перегородки с возможностью перемещения ее вверх и вниз позволяет легко изменять высоту выступления перегородки над нижними краями электродов и тем самым без изменения конструкции устройства легко изменять в широких пределах сопротивление нагрузки разрядной цепи устройства (величину сопротивления току разряда по цепочке из гранул, идущей от одного электрода к другому, огибая перегородку сверху). А снабжение устройства приспособлением для перемещения перегородки вверх и вниз и регулирования высоты выступления ее над краями электродов позволяет осуществлять изменение и регулирование сопротивления разрядной цепи непосредственно во время работы устройства, не прерывая электрические разряды в нем. Более того, можно легко автоматизировать процесс подъема и опускания перегородки, если снабдить это приспособление электроприводом, управляемым от сигналов датчиков мощности нагрузки источника электропитания. Это позволяет автоматически поддерживать оптимальную для производительности электроэрозионного диспергирования величину сопротивления нагрузки и тем самым повысить эффективность работы устройства.

Обеспечение выступления нижнего края диэлектрической перегородки за нижние края электродов на длину, превышающую толщину перегородки при любом ее положении в пределах регулируемой высоты выступления перегородки над краями электродов, позволяет при любом положении перегородки сохранять большой длину электрической цепи по рабочей жидкости для токов утечки с одного электрода к другому, огибающих перегородку снизу. А большая длина этой цепи обеспечивает большое сопротивление токам утечки и уменьшение потерь электроэнергии на эти токи утечки.

На фиг. 1, 2 показано в двух проекциях предлагаемое устройство с горизонтальным расположением электродов; на фиг. 3 - в двух проекциях предлагаемое устройство с наклонным расположением электродов.

Предлагаемое устройство (фиг. 1, 2, 3) состоит из диэлектрического сосуда 1, имеющего в своем днище отверстие со штуцером 2 для подачи в сосуд рабочей жидкости. Над этим отверстием установлены два плоских электрода 3. При выполнении устройства по схеме (фиг. 1, 2) электроды 3 установлены горизонтально, а по всей их площади имеются отверстия перфорации для прохода рабочей жидкости. При выполнении устройства по схеме (фиг. 3) электроды 3 установлены наклонно друг к другу расходящимися концами кверху. В этом случае электроды не имеют отверстий перфорации. К электродам 3 присоединены токопроводы 4, идущие к источнику импульсов электрического напряжения (на фиг. не показан).

Между сопрягаемыми краями электродов 3 установлена вертикальная плоская диэлектрическая перегородка 5, имеющая возможность перемещения вверх и вниз в вертикальных направляющих пазах, выполненных в боковых стенках диэлектрического сосуда 1. При выполнении устройства по схеме (фиг. 1, 2) края электродов 3 подходят вплотную к перегородке 5. А при выполнении устройства по схеме (фиг. 3) между нижними краями электродов 3 и перегородкой 5 оставлены зазоры, имеющие ширину, меньшую минимального размера металлических гранул, подлежащих электроэрозионному диспергированию в описываемом устройстве. К верхнему краю перегородки 5 прикреплены две вертикальные тяги 6 с винтовой резьбой, проходящие через отверстия в верхней крышке 7 диэлектрического сосуда, где установлены ходовые гайки 8, закрепленные стопорными шайбами 9. Ходовые гайки 8 могут снабжаться электроприводом (на фиг. не показан) для механизации и автоматизации перемещения перегородки 5.

Возможны и другие варианты приспособлений для перемещения перегородки 5, например, гидропривод тяг 6. Рекомендуется устанавливать величину вертикального хода перегородки 5 такой, чтобы нижний край перегородки 5 при любом положении перегородки в пределах ее рабочего хода в направляющих выступал за нижние края электродов 3 на длину, большую толщины перегородки 5. Для этого рекомендуется делать расстояние от электродов 3 до отверстия 2 в днище сосуда большим высоты перегородки 5, а высоту перегородки 5 деталь меньшей расстояния от электродов 3 до крышки сосуда 8, но большей толщины слоя засыпки гранул диспергируемого металла в сосуде 1. В одной из боковых стенок сосуда 1 вблизи его крышки 7 имеется прямоугольное отверстие 10 для слива из сосуда рабочей жидкости вместе с продуктами электроэрозии.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Подлежащие электроэрозионному диспергированию металлические гранулы загружают в сосуд 1 через горловину в его крышке 7. Уровень загрузки гранул (толщину слоя гранул в сосуде 1) подбирают экспериментально для каждого вида сырья такой, чтобы при работе устройства количество искровых разрядов у поверхности электродов 3 было минимальным, но в то же время, чтобы восходящий поток рабочей жидкости в слое гранул осуществлял их шевеление и/или перемешивание. При этом толщину слоя гранул не рекомендуется делать больше половины расстояния от поверхности электрода 3 до крышки сосуда 7.

В устройство подают рабочую жидкость через патрубок 2, постепенно повышая расход жидкости до тех пор, пока гранулы в слое не начнут шевелиться. При этом в устройстве (фиг. 3) возникает фонтанирование псевдоожиженного слоя гранул, обеспечивающее перемешивание гранул между электродами. После этого на электроды подают импульсы напряжения от источника электропитания. При этом происходят электрические разряды между электродами 3 по цепочкам из гранул, контактирующих друг с другом и с электродами. Эти цепочки огибают перегородку 5 сверху. В тех точках цепочек, в которых гранулы слабо контактируют друг с другом, возникают искровые разряды в жидкости, осуществляющие электроэрозионное диспергирование металла гранул. У поверхности электродов 3, к которой прилегающие к ней гранулы прижаты силой тяжести слоя гранул, искровые разряды происходят наиболее редко. А над верхним краем диэлектрической перегородки 5, где гранулы наиболее подвижны и шевелятся потоком жидкости, искровые разряды происходят наиболее часто. Здесь и происходит преимущественно электроэрозионное диспергирование металла гранул.

При большой толщине слоя загруженных в устройство гранул и при большой плотности металла гранул нижние гранулы слоя могут оказаться столь плотно сжаты силой веса слоя гранул, что теряется их подвижность и может произойти нежелательное слипание, спаивание и комкование слоя гранул, препятствующее нормальному прохождению электрического тока по разрядным цепочкам. Величина электрического сопротивления этих цепочек электрическому току разряда зависит от длины этих цепочек, которая определяется высотой выступления диэлектрической перегородки 5 над сопрягаемыми краями электродов 3. Изменяя эту высоту, регулируют величину электрического сопротивления нагрузки, подбирая ее наиболее соответствующей электрическому напряжению и мощности источника электропитания.

После подбора оптимальной высоты выступления перегородки 5 ее фиксируют в данном положении до изменения условий работы, отражающихся на производительности электроэрозионного диспергирования и работе источника электропитания. Последнее можно контролировать его измерительными приборами. При наличии автоматизированного привода механизма подъема и опускания перегородки 5 управление процессом подъема и опускания перегородки 5 осуществляют от сигналов датчиков и приборов источника электропитания. Продукты электроэрозии металла гранул и электродов (высокодисперсный порошок и газы, образующиеся в результате пиролиза рабочей жидкости) выносятся из сосуда 1 потоком рабочей жидкости через отверстие 10 в боковой стенке сосуда 1, расположенное вблизи крышки сосуда 7.

П р и м е р 1. Диэлектрический сосуд 1 (фиг. 1, 2) выполнен из оргстекла и имеет размеры в плане 100х100мм. В нем установлены горизонтально два плоских электрода 3 из листового титана толщиной 3 мм. В электродах по всех их площади просверлены отверстия диаметром 1 мм с шагом 10 мм между отверстиями. Между электродами 3 установлена вертикальная перегородка 5, выполненная из текстолита толщиной 5 мм. Полная высота перегородки 5 составляет 60 мм. Перегородка 5 имеет возможность перемещаться вверх и вниз в направляющих пазах, выфрезерованных в боковых стенках сосуда 1. Высоту выступления перегородки 5 над краями электродов 3 регулируют вручную вращением руками ходовых гаек 8.

В сосуд 1 загружены кусочки титана с размерами от 2 до 5 мм, имеющие вид осколков прямоугольной или округлой формы. Загрузку кусочков титана осуществляют до уровня выше верхнего края перегородки 5 на 10-20 мм. Через патрубок 2 подают в сосуд 1 керосин, постепенно увеличивая его расход до тех пор, пока кусочки титана в сосуде 1 в верхней части слоя кусочков титана (над перегородкой 5) не начнут шевелиться восходящим потоком жидкости. Затем подают на электроды 3 импульсы электрического напряжения с амплитудой 500В от источника импульсов электрического напряжения мощностью 10 кВт, повторяющиеся с частотой 1 кГц. При этом между электродами 3 происходят электрические разряды по цепочкам из контактирующих друг с другом и с электродами кусочков титана в керосине.

В тех точках этих цепочек, в которых кусочки не очень плотно соприкасаются друг с другом или с электродами, возникают искровые разряды в керосине. Их свечение можно наблюдать через прозрачные стенки сосуда 1. Наиболее интенсивное свечение наблюдается над верхним краем перегородки 5. Искровые разряды осуществляют электроэрозионное диспергирование металла кусочков и электродов. Порошкообразные продукты электроэрозии выносятся потоком керосина через сливное отверстие 10. Потом их отделяют от жидкости осаждением и центрофугированием и взвешивают. По результатам взвешивания порошка и остатков кусочков титана и электродов в сосуде 1 определяют производительность диспергирования и удельные энергозатраты. Параметры и результаты экспериментов сведены в табл. 1.

П р и м е р 2. Устройство выполнено также, как в примере 1, с тем отличием, что электроды 3 изготовлены из свинца, а в устройство загружена свинцовая дробь с размерами от 1 до 3 мм. Высота перегородки 3 составляет 70 мм. Устройство работает также, как в примере 1, с тем отличием, что в качестве рабочей жидкости используют воду. Параметры и результаты экспериментов сведены в табл. 1.

П р и м е р 3. Верхняя часть сосуда 1 (фиг. 3) имеет размеры в плане 500х100 мм. Две боковые стенки сосуда с выфрезерованными в них вертикальными пазами для перемещения в них диэлектрической перегородки выполнены из оргстекла и установлены вертикально. В сосуд опущены плоские прямоугольные электроды 3 из стали Ст3 толщиной 10 мм. Угол раствора между электродами 45^о. Расстояние между нижними краями электродов 3 составляет 12 мм. Между ними вставлена вертикальная перегородка 5, выполненная из стеклотекстолита толщиной 10 мм. Она имеет высоту 300 мм.

Перегородку 5 перемещают вверх и вниз вращением вручную ходовых гаек 8. В устройстве осуществляют электроэрозионное диспергирование в воде железорудных металлизованных (востановленных в водороде) окатышей, имеющих размеры, указанные в табл. 2. Для этого на электроды устройства подают импульсы электрического напряжения 600 В при частоте повторения их 2 кГц и средней во времени мощности 40 кВт. Параметры и результаты экспериментов сведены в табл. 2.

П р и м е р 4. Устройство выполнено так же, как в примере 3, с тем отличием, что ходовые гайки 8 снабжены электроприводом, управляемым от датчиков усредненной мощности нагрузки источника импульсов электрического напряжения и тока. В устройстве осуществляют электроэрозионное диспергирование железорудных металлизованных окатышей в питьевой воде. Работает устройство так же, как в примере 5, с тем отличием, что в горловину крышки 7 по мере расхода гранул в сосуде 1 непрерывно добавляют новые порции гранул в количествах, равных производительности диспергирования их в устройстве. А перегородку 5 практически непрерывно перемещают вверх и вниз (сканируют) на 5-10 мм относительно оптимального ее положения с помощью электропривода, управляемого сигналами от датчиков мощности в нагрузке источника тока.

При уменьшении мощности нагрузки перегородка опускается вниз на 5-10 мм. При этом уменьшается на 10-20 мм средняя длина цепей разряда по слою гранул и уменьшается сопротивление разрядной цепи, а в работу включается большее число разрядных цепей по гранулам. В результате возрастает мощность в нагрузке и производительность диспергирования. Когда же мощность в нагрузке начинает превышать оптимальную для данного источника электропитания, перегородка 5 автоматически поднимается с помощью того же электропривода на 5-10 мм и интенсивность разрядов в сосуде 1 уменьшается. Этим достигается непрерывность работы устройства в оптимальном режиме и повышение суммарной производительности. Параметры и результаты экспериментов сведены в табл. 2.

Использование: в порошковой металлургии. Сущность изобретения: устройство состоит из диэлектрического сосуда с отверстием в донной части для подачи рабочей жидкости, установленных над отверстием плоских электродов и вертикальной диэлектрической перегородки между ними, заставляющей электрические разряды между электродами по цепочкам из гранул насыпного слоя огибать перегородку сверху, удлиняя тем самым цепь разряда. При этом перегородка установлена с возможностью перемещения ее вверх и вниз, а устройство снабжено приспособлением для перемещения перегородки вверх и вниз и регулирования высоты выступления ее над краями электродов. Это дает возможность регулировать электрическое сопротивление разрядной цепи и согласовывать его с источником импульсов электрического тока. Кроме того, предлагается нижний край диэлектрической перегородки делать выступающим за нижние края электродов на длину, превышающую толщину перегородки при любом ее положении в пределах регулируемой высоты выступления перегородки над краями электродов. Это удлиняет путь электрическому току утечки по рабочей жидкости под перегородкой и тем уменьшает потери электроэнергии. 1 з. п. ф-лы, 2 табл., 3 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОГО ДИСПЕРГИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ В НАСЫПНОМ СЛОЕ, содержащее диэлектрический сосуд с отверстием в донной части для подачи рабочей жидкости, плоские электроды, установленные в сосуде над отверстием, и вертикальную диэлектрическую перегородку между ними, отличающееся тем, что оно снабжено приспособлением для перемещения перегородки вверх и вниз и регулирования высоты превышения ее над краями электродов. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нижний край диэлектрической перегородки при ее положении в пределах регулируемой высоты превышения перегородки над краями электродов установлен с выступанием за нижние края электродов на длину, превышающую толщину перегородки.