СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ МАГНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ Российский патент 1996 года по МПК B22F9/08 

Изобретение относится к производству порошков магния и сплавов на его основе с большим содержанием магния.

Преимущественная область применения таких порошков металлургия и пиротехника.

Известны способы получения порошков магния и сплавов на его основе распылением расплавов инертными газами в герметизированную аппаратуру.

Известен способ получения порошков магния, алюминия и их сплавов с помощью специальной форсунки с использованием в качестве распылителя очищенного инертного газа (гелия) [1]
Также известен способ получения порошков магния путем пульверизации жидкого магния при 700-800^оС с применением в качестве распыливающего газа также очищенных инертных газов (аргона или гелия). Недостатком обоих указанных способов является необходимость использования дорогостоящих и дефицитных инертных газов.

Указанные способы не гарантируют полной безопасности, так как при аварийной ситуации, связанной с подсосами воздуха, распыленная газовзвесь порошка может воспламениться и взорваться.

Известен способ, в котором расплавленный магний распыляют азотом в среду бензина. Недостатком этого способа является получение продукта в виде пасты, сложность (многоступенчатость) технологии, необходимость операции сушки пасты, высокая взрывоопасность процесса.

Известен способ разбрызгивания расплавленного магния на вращающемся перфорированном цилиндре. Для предохранения полученных порошков и гранул от окисления в расплавленный магний вводят солевую добавку (флюс) в количестве 2-20% соответствующих из хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов.

Недостатком способа является то, что он требует отмывки порошков и гранул от солей, кроме того при получении дисперсного порошка способ становится взрывоопасным.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, где распыление взрывоопасных порошковых материалов (Al, Mg) предлагается в жидкую среду углеводородов. Главными недостатками этого способа являются сложность технологии и недостаточная ее безопасность.

Целью изобретения является повышение эффективности (удешевление) способа получения магниевого порошка и обеспечение безопасности его производства.

Цель достигается тем, что магний или его сплавы плавятся в тигельной или отражательной печи под защитным флюсом, перегреваются не более чем на 50^оС выше точки плавления магния, а затем эжекционной форсункой, заборная труба которой опущена в толщу металла ниже флюсового покрова, высасываются и распыляются азотом с содержанием кислорода от 0,1 до 1,5 мас. в герметичную приемную камеру. Выходящий из камеры азот очищается от магниевой пыли с помощью масляного фильтра. При этом температуре зоны распыления t₃ магния, рассчитанная по методу двухфазного смешения энтальный двух компонентов в зависимости от удельного расхода распыливающего газа G, определяется по формуле
t_з (1) где C_Мg, С_г удельные теплоемкости магния и газа;
t_Mg, t_г температура тех же компонентов, должна быть всегда ниже температуры воспламенения магниевой аэровзвеси даже при аварийной ситуации, связанной с разгерметизацией приемной камеры или подсосом в нее воздуха. Определенный широкий безопасный диапазон добавляемого в азот кислорода от 0,1 до 1,5 мас. кроме удешевления процесса, служит также для варьирования формы частиц, так как изменение степени окисления поверхности частиц влияет на время их сфероидизации.

Вероятность прохождения реакции окисления и нитрирования магния подтверждается значением теплот образования.

Анализ экспериментальных данных и теоретические расчеты показывают, что реакция при атмосферном давлении между магнием и азотом начинается в диапазоне 600-700^оС и интенсифицируется при 800-1000^оС. Эти и другие данные указывали на невозможность вести распыление магния азотом. Однако при этом не учитывалось характерное время контакта с нагретым магнием, выходящим из сопла форсунки.

Результаты измерения времени (мс) контакта струи магния с азотом до зоны распыления (l) приведены в табл. 1.

Измеренная задержка воспламенения в азоте, содержащем 2,16 мас. кислорода, была на порядок выше.

Химические анализы показали примерно одинаковое содержание азота в исходном металле и распыленном порошке (примерно 0,026-0,028 мас.).

Для предварительного окисления распыленного магниевого порошка с целью безопасного обращения с ним при соприкосновении с атмосферой воздуха в распыливающий газ вводят от 0,1 до 1,5 мас. кислорода. Нижний предел обуславливается тем, что при меньшем содержании кислорода не обеспечивается равномерного окисления магниевых частиц. Верхний предел 1,5 мас. О₂ ограничен условиями безопасности процесса. Согласно исследованиям при зажигании магниевой аэровзвеси в реакторе емкостью 4 л (бомба) минимальное взрывоопасное содержание кислорода (МВСК) составило 2-2,1 мас. Таким образом предложенный интервал 0,1-1,5 мас. обеспечивает необходимый резерв, гарантирующий безопасность процесса получения порошка.

С целью установления минимальной температуры зоны распыления магниевого порошка была определена температура воспламенения аэровзвеси различных порошков магния, которая составила >500^оС, Температура воспламенения аэровзвеси магниевого порошка мало зависит от формы и дисперсности частиц (линейный закон окисления).

Температура зоны распыления определяется по правилу смешения двух фаз обоих компонентов (жидкий магний и распыливающий газ) в зависимости от их энтальпий с учетом удельного расхода распыливающего газа по формуле (1).

В формулу (1) введены упрощения и дополнения:
1) Значение теплоемкостей заменяется их безразмерным соотношением
α 1,27
2) Анализ теневых фото начального участка течения струй показывает, что не вся масса распыливающего газа участвует в теплообмене с жидким магнием. Визуально коэффициент участия определен η_y≥ 0,7.

3) Выходящий из газового сопла азот непосредственно смешивается с эжектируемым жидким магнием. Температура t_г распыляющего газа вблизи среза газового сопла является критической и может быть определена в зависимости от первоначально нагретого газа t_нг из формул газодинамики в градусах Кальвина
Toг

= T T_н.г•0,833 где К отношение теплоемкостей при постоянных давлениях и объеме для двухатомных газов:
K 1,4; в градусах Цельсия:
t_г=(t_нг+273) · 0,833-273=t_н.г· 0,833-46
В окончательном виде формуле (1) температуры зоны пульверизации t₃ имеет вид
t_з (2)
При распылении сплавов магния с другим металлом надо пользоваться правилами аддитивности при определении α.

Примеры вычисления температуры зоны пульверизации при температуре жидкого магния t_мд=650+50=700^оС в зависимости от удельного расхода распыливающего газа и температуры первоначально нагретого газа приведены в табл. 2.

Как видно из данных табл. 2, предложенный способ распыления магния азотом с ограниченным содержанием кислорода позволяет рассчитывать основные технологические условия процесса и определить условия безопасного производства магниевого порошка.

Основными признаками изобретения являются: температура металла, поступающего на распыление, не более чем на 50^оС выше температуры плавления магния; диапазон содержания в азоте кислорода 0,1-1,5% кислорода, что обеспечивает безопасность распыления и позволяет варьировать форму частиц порошка; температура распыления жидкого магния должна быть всегда ниже температуры воспламенения аэровзвеси магния (500^оС), даже при аварийных ситуациях, связанных с разгерметизацией пылеосадительной аппаратуры или подсосом в нее атмосферного воздуха.

Предлагаемый способ проверен в крупнолабораторном и опытно-заводском масштабе. В процессе испытаний получено несколько сотен килограммов магниевого порошка. При соблюдении предложенных условий ведения процесса возгораний и взрывов порошка в технологической системе не происходило. При нарушении этих условий имели место возгорания и взрывы порошка, что подтверждает эффективность предлагаемого способа.

Использование: производство порошков магния и сплавов на его основе с большим содержанием магния. Сущность изобретения: проводят распыление расплава в герметизированную пылеосадительную аппаратуру. Тумпература расплава не выше 700^oС. В качестве распыливающего газа может быть использован любой инертный газ или азот, содержащие от 0,1 до 1,5 мас% кислорода. Распыление ведут при температуре зоны распыления t₃ не выше 500^oС, рассчитанной по формуле t₃= αt_p+(t_н.г.•0,833-46)G•0,7/α+G•0,7, где α отношение теплоемкостей жидкого магния и газа; t_p-температура расплава, ^oС; t_н г-температура нагретого газа, ^oС; G-удельный расход газа, кг/кг; 0,7 - коэффициент участия распыливающего газа в теплообмене с жидким магнием. 2 табл.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ МАГНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ, включающий распыление расплава газами и герметизированную пылеосадительную аппаратуру, отличающийся тем, что распыление ведут при температуре зоны распыления ниже 500^oС, при этом температуру зоны распыления определяют по формуле

где α - отношение теплоемкостей жидкого магния и газа;
t_р - температура расплава, ^oС;
t_н . г - температура нагретого газа, ^oС;
G - удельный расход газа, кг/кг;
0,7 - коэффициент участия распыливающего газа в теплообмене с жидким магнием.