СПОСОБ БРИКЕТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУЖКИ Российский патент 1996 года по МПК B22F3/12 B30B9/32 

Изобретение относится к технологии переработки вторичных ресурсов, а именно металлической стружки, листовой обрези, проволоки канатов и т.д. в том числе реакционных материалов, таких как сплавы титана, циркония и пр. у которых стружка обладает большой твердостью, упругостью, сильно окислена на поверхности и в связи с этим плохо поддается прессованию. А также может быть использовано для получения пористых материалов и изделий: фильтров, поглощающих материалов и т.п.

Брикетирование металлической стружки производится с целью упрощения ее транспортировки и дальнейшей переработки [1] Как правило оно осуществляется путем прессования стружки. Сцепление стружки в брикет осуществляется за счет механических контактов, возникающих при большой деформации стружки. Достаточно прочные брикеты (пригодные для транспортировки и дальнейшей переработки) получаются при плотности брикета не менее 60 70% от плотности металла. Давление прессования зависит от пластичности металла и составляет для обычных сталей и чугуна 3 4 т/см² [1] а для титановых сплавов 3 9 т/см² [2] Высокопрочные, легированные стали и другие высокопрочные сплавы фактически не поддаются брикетированию этим способом т.к. для их брикетирования в связи с малой пластичностью необходимы более высокие давления, а использование таких давлений ведет к резкому снижению производительности.

Для получения брикетов из высокопрочных металлов их прессуют в нагретом состоянии для увеличения пластичности [1] Сталь и чугун подогревают до температуры 600 700^oC, а жаропрочные сплавы до более высоких температур (примерно 50% от температуры плавления). Нагрев позволяет существенно уменьшить усилие прессования, но сцепление стружки в брикет по -прежнему осуществляется за счет механических контактов, возникающих при большой деформации металла. Брикетирование в нагретом состоянии приводит к окислению металла и в особенности химически активных, дорогостоящих легирующих компонентов (ванадий, титан, и др.), как следствие, ухудшается качество металла.

Для уменьшения окисления металла брикетирование ведут в инертной среде или в вакууме. Если процесс проводить в защитной среде или в высоком вакууме, металлы, в том числе реакционные, можно нагревать до высокой температуры, близкой к температуре плавления. Сцепление стружки в брикет в этом случае может осуществляться как за счет образования механических контактов при большой деформации стружки, так и за счет спекания отдельных частей стружки в результате диффузии металла в зоне контакта этих частиц. Если сцепление стружки осуществляется только за счет диффузионной сварки, то такой способ дает возможность получить брикеты из стружки с плотностью ≈20% от плотности металла [3] Однако для осуществления этого процесса необходимо иметь исходно малоокисленную стружку (т.к. толстый окисный слой будет препятствовать диффузии), тщательно очистить поверхность стружки от загрязнений, создать защитную среду высокой чистоты (чтобы избежать окисления металла при нагреве), нагреть металл до температуры, близкой к температуре его плавления, и выдержать его при температуре в течение времени, необходимого для растворения окисного слоя и диффузии металла, охладить полученный брикет в защитной среде. Таким образом, реализация этого способа требует больших затрат времени, энергии и материалов (инертного газа высокой чистоты), что делает способ малопроизводительным и дорогостоящим. Кроме того, использование этого способа ведет к ухудшению качества металла как за счет окисления металла остаточными газами, так и особенно за счет испарения летучих легирующих компонентов (ванадий, олово, цинк и др.). Стоимость полученных титановых брикетов близка к стоимости металла в слитках, что фактически не позволяет использовать этот способ для брикетирования стружки с целью вторичной переработки, для облегчения ее транспортировки и дальнейшей переработки.

Известен также способ брикетирования стружки, преимущественно титановой, который является наиболее близким аналогом данного изобретения /4/. Этот способ состоит в следующем: дробленую и очищенную стружку, в частности титановую, загружают в герметичную, электроизолированную пресс-форму; включают пресс, который создает давление 0,2 0,25 т/см², при этом происходит предварительное уплотнение стружки до плотности ≈ 2 г/см³ (40% от плотности металла); прокачивают через пресс-форму инертный газ, аргон с дроблением водорода, для создания инертной среды; пропускают электрический ток с плотностью 8 11 А/мм² в течение 10 15 с. Стружка нагревается электрическим током, ее пластичность возрастает как за счет нагрева, так и за счет наводороживания металла, происходит дальнейшее уплотнение стружки (до плотности 70 80% от плотности металла) и образование механических контактов за счет большой деформации металла. Затем полученный брикет охлаждают в инертной атмосфере и извлекают.

Нагрев металла в этом случае производят до температуры, равной примерно 50% от температуры плавления металла, что дает возможность использовать защитную среду не очень высокой частоты. Способ не позволяет получить пористые брикеты с плотностью менее 50% от плотности металла, кроме того, получаемые брикеты большей плотности в ряде случае имеют недостаточную прочность; так как при указанных режимах невозможно образование прочных контактов между частицами стружки за счет их спекания, прочное сцепление частиц стружки в брикет может быть осуществлено только за счет большой деформации стружки. Этот способ брикетирования также не позволяет избежать ухудшения качества металла из-за его окисления остаточными газами и испарения легирующих компонентов.

Задачей предлагаемого решения является расширение диапазона плотности получаемых брикетов, вплоть до насыпной плотности стружки, при сохранении качества металла.

Задача решается в способе брикетирования металлической стружки, включающем уплотнение стружки до заданной плотности и пропускание электрического тока, новым в котором является то, что длительность и величину электрического тока устанавливают соответственно из следующих соотношений:


где






E₁ 0,5c(T_пл-T₀), Дж/кг;
E₂ = c (T_пл - T_о) + θДж/кг;
Q Q_зад Q_пр дополнительная прочность брикета на разрыв, создаваемая обработкой электрическим током, н;
безразмерный коэффициент;
толщина скин-слоя, м;
τ длительность пропускания электрического тока, с;
t_пред предельная минимальная длительность, с;
τ_max максимально возможная длительность пропускания электрического тока, с;

t время, с;
μ магнитная проницаемость брикета, безразм.

m_o 1,257•10^-6 г/м магнитная постоянная;
h толщина стружки (толщина резания), м;
γ_м плотность металла, кг/м³;
ρ_o удельное электросопротивление прессовки (брикета), см•м;
γ_σ плотность брикета, кг/м³;
c теплоемкость металла, Дж/кг•град;
k коэффициент теплопроводности, Дж/м•град.

S площадь сечения брикета в направлении, перпендикулярном направлению пропускания тока, м²;
q прочность возникающего контакта, н/м²;
b ширина стружки (ширина резца), м;
r_м удельное электросопротивление металла, Ом•м;
T_пл температура плавления металла, град;
T₀ начальной температура брикета, град;
θ удельная теплота плавления, Дж/кг;
Q_зад требуемая прочность брикета на разрыв, н;
Q_пр собственная прочность брикета на разрыв без его обработки током, н;
y расстояние от поверхности брикета до точки интегрирования, м.

Пропускание импульса электрического тока, величина и длительность которого отвечают соотношениям приведенным выше, через предварительно спрессованную до заданной плотности стружку позволяет вводить джоулеву энергию в зону контактов между отдельными частицами стружки (за счет большого омического сопротивления контактов) быстрее чем она будет уходить за счет теплопроводности металла. Это дает возможность локального разогрева зоны контактов между частицами стружки, без разогрева всей массы стружки. Установлено, что при вышеуказанных параметрах импульса электрического тока происходит прочная электросварка контактов, при этом реализуется механизм контактирования, отличающийся от обычной диффузионной сварки, т.к. диффузия не может идти столь быстро. В процессе брикетирования не происходит ухудшения качества металла, т.к. нагревают незначительную часть стружки (в зоне контактов) до относительно небольшой температуры (≈ 0,5 T_пл) и на очень короткое время (≈ милисекунды); основная масса стружки при обработке прессовки таким импульсом тока нагревается незначительно, не более чем на 100 300^oC и поэтому не происходит испарения и окисления металла.

Таким образом, с помощью данного технического решения возможно получение брикета различной плотности, вплоть до насыпной, при сохранении качества металла за счет микросварки контактов между частицами стружки.

При длительности импульса тока энергия, вводимая в контакты, перераспределяется на всю массу стружки и расходуется на нагрев металла, а не на сваривание контактов; образование брикета возможно только при разогреве всей массы стружки до высокой температуры и большой ее деформации, что позволяет получать брикеты лишь с большой плотностью (более 50% от плотности металла), а также приводит к ухудшению качества металла.

При использовании очень короткого импульса тока τ<τ_пред расчетная толщина скин слоя становится порядка размеров стружки, в этом случае процесс микросварки контактов при указанной величине импульса тока не будет происходить.

Для того, чтобы обеспечить микросварку контактов в брикете, необходимо сочетание двух заданных параметров длительности τ и величины I импульса тока; если длительность импульса тока удовлетворяет указанному соотношению (1), а величина тока (2) недостаточна микросварка контактов не происходит, либо сваривается лишь незначительное количество мелких контактов, в результате прочность брикета снижается ниже заданной (прессовка может и вообще рассыпаться).

Если напротив величина больше, чем величина I, определяемая из соотношения (2), вводимая в контакты энергия слишком велика, происходит плавление контактов и их разрушение за счет развития МГД неустойчивости. В этом случае прочность полученных брикетов резко снижается и становится ниже заданной, брикеты могут разваливаться на несколько кусков.

Форма импульса тока может быть любой.

Прессование стружки осуществляют обычным образом с помощью гидравлического, пневматического или любого другого пресса. Заданная плотность брикета может быть обеспечена при заданных размерах брикета, например, путем дозирования стружки по весу.

В известном техническом решении /4/ используют постоянный электрический ток, который пропускают в течение, например, 10 с. Ток используют для разогрева всей стружки с целью увеличения ее плотности, что позволяет получить брикеты при меньшем усилии прессования, однако плотность получаемых брикетов не может быть меньше 50% от плотности металла, так как образование прочных контактов между частицами стружки происходит в этом случае главным образом за счет большой деформации стружки, а это возможно лишь при большой плотности брикета. Кроме того, несмотря на использование защитной среды, происходит ухудшение качества металла за счет окисления и испарения металла. Использование импульса тока, длительность и величина которого отвечают соотношениям (1, 2), позволяет использовать ток для микросварки частиц стружки, а это позволяет превратить спрессованную стружку любой плотности в прочный брикет, пригодный для транспортировки и дальнейшей переработки.

Данный способ пригоден для брикетирования любой стружки, измельченной и витой, сильно и слабоокисленной, очищенной и загрязненной смазочно-охлаждающей жидкостью; любых металлов и сплавов, в том числе сплавов реакционных металлов, сверхтвердых и тугоплавких сплавов, причем брикетирование осуществляется без использования защитной среды на воздухе. Удельное сопротивление прессовки r_s при заданной плотности брикета можно определить следующим образом: спрессовать прессовку с заданной плотностью, измерить электросопротивление прессовки на постоянном токе (например, с помощью четырехконтактного метода с использованием источника тока, амперметра и микровольтметра), и вычислить удельное сопротивление брикета по формуле где R_σ измеренное сопротивление прессовки, H размер брикета в направлении пропускания тока.

Прочность образующегося соединения q можно считать примерно равной пределу текучести брикетируемого сплава ( s_т ), при необходимости она может быть определена экспериментально, исходя из прочности пробной партии брикетов на разрыв.

Прочность брикета Q_зад не может быть слишком маленькой, она должна многократно превышать собственный вес брикета, а также превышать внутренние остаточные напряжения брикета, которые могут составлять до 1% от усилия прессования. Максимальная дополнительная прочность брикета, создаваемая в результате его обработки импульсным электрическим током, Q_max, определяется из условия: W₁ W₂, и составляет

Способ реализуется с помощью устройства, схема которого представлена на чертеже, где I источник импульсного электрического тока, 2 пресс, 3 - изоляторы, 4 электроды-пуансоны, 5 пресс-форма, 6 стружка.

Способ осуществляют следующим образом: в зависимости от требований к качеству брикетов и к технологическому процессу производят подготовку стружки: ее измельчение до необходимого размера и отмывку от смазочно охлаждающей жидкости (СОЖ); подготовленную стружку дозируют (например, по весу) и загружают в пресс-форму 5; включают пресс 2 и стружка 6 прессуется между электродами-пуансонами до заданной плотности; через прессовку от источника импульсного электрического тока I пропускают ток, готовый брикет извлекают.

Пример реализации способа.

Установка состояла из:
источника батареи импульсного электрического тока (конденсаторной батареи, состоящей из 70 конденсаторов типа ИС-5-200, соединенных параллельно, общей емкостью 14 милифарад; зарядного устройства, позволяющего заряжать батарею от сети, и схемы запуска, 4 игнитрона типа ИР Т-6, которая позволяет замыкать батарею на нагрузку). Источник импульсного тока может генерировать в нагрузке импульсы тока длительностью 200 мкс с амплитудой до 400 кА;
ручного винтового пресса с усилием до 4 т;
изоляторов, изготовленных из текстолита;
Электродов пуансонов диаметром 50 мм, изготовленных из алюминия. Нижний электрод был закреплен жестко, а верхний имел возможность перемещения. Электроды соединены с источником тока кабелями.

пресс-формы с внутренним диаметром 50 мм и высотой 100 мм, пресс-формы изготавливались из капрона и фарфора.

Получали брикеты из стружки высокопрочного титанового сплава ВТ-20, характерный размер частиц стружки: толщина 0,5 мм, ширина 5 мм, длина 10 40 мм. Стружка получена при высокой скорости резания, поверхность стружки со сколами и следами незначительного окисления.

Насыпная плотность такой стружки составляет 0,2 0,3 г/см³.

Получали брикеты с заданной плотностью:
γ_σ1 0,35 г/см³ (близкой к насыпной плотности стружки, 8% от плотности металла).

γ_σ2 1,1 г/см³ (24% от плотности металла).

γ_σ3 1,8 г/см³ (40% от плотности металла).

Форма получаемых брикетов цилиндрическая, диаметр: 50 мм, высота: 70 85 мм.

Удельное сопротивление стружки составило:
ρ_σ1 3,7•10^-4 Ом•м, при плотности 0,35 г/см³;
ρ_σ2 1,5•10^-4 Ом•м, при плотности 1,1 г/см³;
ρ_σ3 1,2•10^-4 Ом•м, при плотности 1,8 г/см³,
(электрическое сопротивление прессовки ≈ 0,01 Ом измерялось с помощью источника тока ВСП-33 со встроенным амперметром и вольтметра В7-27.).

Вычислим для такой стружки максимально возможную и предельную минимальную длительность импульса тока по формуле , τ_max 500 1200 мкс, а τ_пред 0,2 мкс.

Длительность импульса тока батареи составляет 200 мкс, что меньше чем τ_max и больше τ_пред.

Импульс тока периодический сильно затухающий, основной вклад энергии в первом полупериоде тока (≈ 90%), форма импульса близка к синусоидальной, т. е.
где I₀ амплитуда первого полупериода импульса тока. Предел текучести (σ_т) для высокопрочных титановых сплавов в пределах 100 - 140•10⁷н/м², зададим величину q 100•10⁷н/м².

Для заданных плотностей брикета Q_пр 0 и Q Q_зад, а Q_max и Q_min составляют:
1. для γ_σ1 0,35 г/см³ Q_max 300 н, Q_min ≈ 5 н (усилие прессования ≈ 200 н).

2. для γ_σ2 1,1 г/см³ Q_max 1500 н, Q_min ≈ 120 н (усилие прессования ≈ 12000 н).

3. для γ_σ3 1,8 г/см³ Q_max 2200 н, Q_min 400 н (усилие прессования ≈ 40000 н).

Зададим прочность брикета Q:
1. для γ_σ1 0,35 г/см³ Q 50 н (5 кГ).

2. для γ_σ2 1,1 г/см³ Q 150 н (15 кГ).

3. для γ_σ3 1,8 г/см³ Q 500 н (50 кГ).

Рассчитаем соответствующий диапазон амплитуды электрического тока:
1. для γ_σ1 0,35 г/см³ I_omin 40 кА, I_omax 69 кА.

2. для γ_σ2 1,1 г/см³ I_оmin 58 кА, I_omax 110 кА.

3. для γ_σ3 1,8 г/см³ I_omin 96 кА, I_omax 160 кА.

1. В первом опыте получали брикет плотностью, близкой к насыпной стружке заданная плотность брикета: γ_σ1 0,35 г/см³ (8% от плотности компактного металла).

Навеску стружки весом 49 г загрузили в пресс-форму. Для получения заданной плотности брикета (при диаметре 50 мм) сажали стружку до высоты 70 мм. При этом давление прессования составило менее 1 кг/см³.

Пропустили через прессовку импульсный электрический ток длительностью 197 мкс и амплитудой 47 кА. При этом полная энергия, запасенная в конденсаторной батарее, составляла 4,2 кДж, что обеспечивает нагрев прессовки не более чем на 160^o.

Полученный брикет был извлечен из пресс-формы, измерен и взвешен. Плотность брикета составила 0,355 г/см³.

Затем полученный брикет был подвергнут механическим испытаниям на разрывной машине. Прочность брикета на разрыв составила 7 кг, или 0,35 кг/см².

2. Затем получали брикет плотностью γ_σ2 1,1 г/см³ (24% от плотности компактного металла).

Загрузили навеску весом 151 г и спрессовали стружку до высоты 70 мм, при этом давление прессования составило 60 кг/см².

Пропустили через прессовку импульсный электрический ток: длительность импульса 208 мкс, амплитуда импульса тока 60 кА, энергия, запасенная в батарее 7,5 кДж, что обеспечивает нагрев стружки не более чем на 100^o. Плотность полученного брикета составила 1,1 г/см³. Прочность брикета на разрыв 15 кг, или 0,75 кг/см².

3. Получали брикет плотностью γ_σ3 1,8 г/см³ (40% от плотности компактного металла).

Партию стружки весом 301 г спрессовали до высоты 85 мм, при этом давление прессования составило 200 кг/см².

Пропустили электрический ток: длительность импульса тока 208 мкс, амплитуда 150 кА, энергия, запасенная в батарее 43 кДж, что обеспечивает нагрев стружки на 270^o.

Плотность полученного брикета составила 1,8 г/см³, прочность брикета более 540 кГ.

В последующих опытах получены брикеты диаметром 30 90 мм, высотой 30 - 100 мм из различных титановых сплавов, из различных видов стружки: дробленой и витой, слабо и сильно окисленной, чистой и загрязненной СОЖ. Брикеты, изготовленные из чистой стружки сплава ВТ-5, были переплавлены с помощью высокочастотной индукционной плавки во взвешенном в магнитном поле состоянии. Затем был выполнен химический анализ исходного металла, полученной из него стружки, брикета, полученного по предлагаемой технологии, и выплавленного из него металла. Анализ показал, что в процессе брикетирования не происходит окисления металла, а металл, выплавленный из брикета, соответствует требования ГОСТ по всем контролируемым примесям.

Таким образом показано, что данный способ позволяет получать брикеты малой плотности из металлической стружки, в том числе из реакционных материалов титановых сплавов, в процессе брикетирования не происходит ухудшения качества металла.

Способ пригоден для брикетирования стружки любых металлов и сплавов, в том числе реакционных, сверхтвердых, тугоплавких. Способ позволяет брикетировать любые виды легковесного металлолома: листовой обрези, проволоки, тросов и т.п. получать брикеты любой плотности, начиная от насыпной плотности, без ухудшения качества металла.

Кроме того, с помощью данного способа возможно сваривать уже готовые брикеты между собой или приваривать их к одноименному компактному металлу.

Использование: в области переработки вторичных ресурсов, а именно металлической стружки, листовой обрезки, проволоки, каналов и т.д., в том числе из реакционных материалов, обладающих высокой твердостью и упругостью и плохо поддающихся прессованию. Сущность изобретения: стружку уплотняют до заданной плотности и пропускают через нее импульс электрического тока. Длительность импульса тока и его величину определяют из приведенных соотношений. 1 ил.

Способ брикетирования металлической стружки, включающий уплотнение стружки до заданной плотности и пропускание через нее электрического тока, отличающийся тем, что длительность пропускания электрического тока и его величину определяют соответственно из следующих соотношений:
τ_пред < τ < τ_max;

где





E₁ 0,5с(Т_пл Т₀), Дж/кг;
E₂ = C(T_пл- T_о) + θ, Дж/кг;
τ длительность пропускания электрического тока;
t_пред предельная минимальная длительность, с;
τ_max максимально возможная длительность пропускания электрического тока, с;
безразмерный коэффициент;
толщина скин-слоя, м;
τ₁ = τ при использовании немодулированного импульса тока, τ₁ 1/2 периода высокочастотных (модулирующих) колебаний, при использовании импульса высокочастотного тока,
t время, с;
μ магнитная проницаемость брикета, безразм.

μ₀=1,257•10^-6 г/м магнитная постоянная;
h толщина стружки (толщина резания), м;
γ_м плотность металла, кг/м³;
ρ_б удельное электросопротивление прессовки (брикета), Ом•м;
γ_б плотность брикета, кг/м³;
с теплоемкость металла, Дж/кг•град;
κ коэффициент теплопроводности, Дж/м•град;
S площадь сечения брикета в направлении, перпендикулярном направлению пропускания тока, м²;
q прочность возникающего контакта, н/м²;
b ширина стружки (ширина резца), м;
r_м удельное электросопротивление металла, Ом•м;
Т_пл температура плавления металла, град;
Т_о начальная температура брикета, град;
θ удельная теплота плавления, Дж/кг;
Q Q_зад Q_пр дополнительная прочность брикета, создаваемая обработкой электрическим током, н;
Q_зад требуемая прочность брикета на разрыв, н;
Q_пр собственная прочность брикета на разрыв без его обработки током, н;
Y расстояние от поверхности брикета до точки интегрирования, м.