СПОСОБ ДРОБЛЕНИЯ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B22F9/04 B02C19/06 

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно, к получению порошков металлов дроблением, например, из титановой губки и может быть использовано в горнообогатительной, химической отраслях промышленности, при обработке алмазов.

Известен способ для переработки кускового титана и его сплавов в порошок и брикеты (см. патент США N 4369078 кл. B 22 F 1/00), по которому кусковой материал подвергается высокому водородному охрупчиванию, после чего измельчается на установке имеющей ударные элементы. Измельченный материал с размером частиц менее 10 мм вводится в реактивную струю инертного газа, где разгоняется и ударяется об экранированную стенку, полученный порошок дегидрируется.

Недостатком способа является насыщение титана водородом, который полностью из него недегидрируется, ухудшая его свойства, кроме того, требуются большие энергетические затраты и сложное технологическое оборудование для обеспечения наводораживания и последующей дегидрации.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ дробления твердых хрупких материалов (авт. свид. N 709172, кл. B 02 C 19/06), заключающийся в разгоне частиц материала, помещенного в жесткую оболочку, которая тормозится об упругую преграду.

В результате резкого торможения частицы материала продолжают двигаться под действием сил инерции от задней стенки оболочки к передней и ударяются об нее, при этом происходит их разрушение.

Данный способ позволяет исключить наводораживание и дегидрацию материала, а также позволяет придать всем частицам одинаковые скорости полета и, как следствие, повышает выход бездефектных зерен.

Недостаток способа в том, что материал, например, титан при ударе нагревается, при этом повышается его химическая активность, вызывающая диффузию различных газов, например, азота, водорода, в титан, что приводит к изменению его химической чистоты, кроме того, способ не позволяет исключить самовозгорание дробленного материала.

Данное техническое решение позволяет получать порошок из твердых материалов, например, титановой губки, без изменения его химической чистоты, за счет исключения диффузии различных газов в процессе его дробления, кроме того, позволяет исключить самовозгорание полученного порошка и не требует больших габаритов устройства для его измельчения.

Для этого в известном способе дробления твердых материалов, помещенных в жесткую капсулу, предусматривающем разгон капсулы энергоносителем и удар ее об отбойную плиту с амортизатором, капсулу загружают материалом на 1/10-1/3 ее высоты, заполняют инертным газом или вакуумируют, разгон капсулы осуществляют при достижении заданного максимального давления энергоносителя на ее дно, при этом время торможения капсулы при ее ударе об отбойную плиту с амортизатором меньше времени полета материала через свободный объем капсулы, кроме того, капсула может быть заполнена аргоном, в качестве энергоносителя для разгона капсулы используют сжатый воздух.

Высота заполнения капсулы измельчаемым материалом должна составлять 1/10-1/3 ее высоты, что обеспечивает заданную скорость полета материала внутри капсулы, исключает стесненный удар, увеличивает выход бездефектных зерен.

Заполнение капсулы менее 1/10 ее высоты вызывает с одной стороны увеличение массы движущихся частей, а с другой стороны отклонение скорости полета частиц материала от заданной в процессе их свободного полета внутри капсулы за счет сопротивления среды, а при заполнении капсулы свыше 1/3 ее высоты происходит стесненный удар. В каждом случае ухудшается качество измельченного материала. Разгон капсулы начинается после создания необходимого давления энергоносителя на ее дно, чем достигается заданная скорость капсулы в достаточно простом, небольшом по габаритам устройстве. Торможение капсулы обеспечивается амортизатором за время меньшее, чем время полета материала через свободный объем капсулы, за счет чего достигается жесткий удар материала о переднюю стенку капсулы и хорошее его дробление.

Заполнение капсулы аргоном упрощает процесс ее заполнения и контроля газовой смеси, так как аргон тяжелее воздуха.

Применение в качестве энергоносителя сжатого воздуха, исключает загрязнение окружающей среды, упрощает процесс дробления материала.

Совокупность существенных признаков позволяет получить новое свойство: повысить выход бездефектных зерен, качество измельчаемого материала, исключить самовозгорание получаемого порошка, использовать небольшие габариты устройства для его измельчения.

Известно устройство для дробления твердых материалов, содержащее боек, механизм разгона бойка, направляющую трубу, наковальню с отбойной плитой, ограничитель и демпфер (полиуретан) (авт. свид. N 854438, кл. B 02 C 19/06).

В этом устройстве измельчаемый материал размещается внутри ограничителя навинченного на боек, под который подается сжатый газ, в процессе дробления измельчаемый материал не защемляется между бойком и отбойной плитой, а процесс дробления происходит за счет инерционных сил, вызывающих его самоизмельчение.

Недостатком устройства является:
необходимость использования резьбового соединения бойка с ограничителем, которое в процессе ударов быстро разрушается;
применение демпферного устройства из полиуретана не обеспечивает гашения больших ударных нагрузок и, как следствие, не позволяет получить большие скорости разгона бойка с материалом, будет сдерживать увеличение массы бойка и загружаемого материала, снижая при этом производительность устройства;
возможность попадания измельчаемого материала на поверхности ограничителя и разгонной трубы, что может вызвать повреждение поверхности гильзы и заклинивание бойка в гильзе;
невозможность создания начального максимального давления газа на боек из-за отсутствия фиксатора, что вызывает преждевременное начало движения бойка в разгонной трубке и, как следствие, необходимость увеличения длины разгонной трубы для достижения бойком заданной скорости.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее разгонную трубу с щелевидными отверстиями и затвором, отбойную плиту, капсулу с исходным материалом, клапан подачи энергоноситетля (сжатого газа) и блок управления (авт. свид. N 1544432, кл. B 02 C 19/06).

Устройство имеет перед аналогом следующие преимущества:
материал для дробления размещается в капсуле, что исключает возможность попадания материала между разгонной трубой и капсулой, при этом не требуется боек с резьбовым соединением;
разгонная труба снабжена затвором для ввода и вывода капсулы, повышающим удобство обслуживания.

Недостатками устройства являются:
отсутствие демпфера приводит к быстрому разрушению капсулы в момент ее удара об отбойную плиту, так же как и в конструкции демпфера из полиуретана в устройстве-аналоге;
негерметичность капсулы не позволяет заполнить ее инертным газом или вакуумировать для предохранения измельченного материала его примесями различных газов из воздуха (азот, водород, кислород и т.д.)
Заявляемое техническое решение позволяет получать порошок из твердых материалов, например, из титановой губки, без изменения его химической чистоты, за счет исключения диффузии различных газов в процессе его дробления, выхода бездефектных зерен, повысить качество раздробленного материала, кроме того, позволяет исключить самовозгорание получаемого порошка, а также использовать устройство с небольшим габаритами.

Это достигается тем, что в известном устройстве для дробления твердых материалов, содержащем разгонную трубу с отверстиями, капсулу с твердыми материалом и отбойную плиту с амортизатором, разгонная труба снабжена фиксатором, в задней части разгонной трубы выполнена предкамера с выпускным отверстием, причем суммарная площадь сечения кольцевого зазора между разгонной трубой и амортизатором и отверстий в трубе больше площади внутреннего поперечного сечения трубы, при этом капсула выполнена герметичной и имеет по высоте переменное сечение в сторону увеличения в направлении к отбойной плите. Устройство может быть снабжено одной или несколькими разгонными трубами, установленными с возможностью поворота относительно отбойной плиты, при этом капсула может быть выполнена быстроразъемной и может быть снабжена клапанами, а на наружной поверхности капсулы может быть выполнен кольцевой выступ, при этом капсула выполнена, например, из нержавеющей стали или титанового сплава, исключающих насыщение порошка из титановой губки примесями железа, а выпускное отверстие предкамеры может быть снабжено дросселем.

Снабжение разгонной трубы фиксатором позволяет зафиксировать капсулу в исходном положении для создания необходимого давления газа на ее дно, что значительно сокращает путь разгона капсулы до заданной скорости и уменьшает длину разгонной трубы.

Установка в задней части разгонной трубы предкамеры позволяет накапливать энергоноситель в необходимом объеме непосредственно под дном капсулы, а наличие выпускного отверстия с вмонтированным в него дросселем позволяет обеспечить регулирование скорости опускания капсулы после удара ее об отбойную плиту, а также погасить энергию отскакивания капсулы от отбойной плиты.

Увеличенная площадь кольцевого зазора и отверстий в трубе по сравнению с площадью внутреннего поперечного сечения разгонной трубы обеспечивает свободный выход воздуха, находящегося перед капсулой при ее движении, исключает создание воздушной подушки.

Герметичность капсулы обеспечивает сохранение инертной среды или вакуума ее, а переменное сечение капсулы по высоте снижает сопротивление газа при свободном полете частиц материала после удара капсулы об отбойную плиту.

Снабжение устройства несколькими разгонными трубами с возможностью их поворота относительно отбойной плиты сокращает время загрузки-выгрузки, повышает производительность труда.

Быстроразъемность капсулы упрощает процесс загрузки-выгрузки капсулы, а наличие клапанов обеспечивает заполнение инертным газом или вакуумирование капсулы.

Наличие кольцевого выступа на наружной поверхности капсулы обеспечивает самозахват ее механизмом загрузки-выгрузки, повышает производительность устройства.

Совокупность существенных признаков позволяет получить новое свойство:
обеспечить получение высококачественного порошка из твердых материалов, увеличить выход бездефектных зерен, исключить самовозгорание порошка, использовать небольшие габариты устройства.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен общий вид устройства, на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1, на фиг. 3 продольный разрез капсулы.

Устройство содержит в данном варианте разгонную трубу 1 с предкамерой 2 и разгонную трубу 1' (предкамера и фиксатор на чертеже не показаны), размещенные на поворотном столе 3, поворачивающемся относительно одной из колонн 4. Колонны 4 установлена на основании 5. В верхней части колонн 4 установлена отбойная плита 6 с амортизатором 7. На одной из колонн 4 смонтирован механизм загрузки-выгрузки 8 с захватом 9. Внутри разгонной трубы 1 помещена капсула 10, удерживаемая фиксатором 11. Подача энергоносителя осуществлена через клапан 12, а выпуск через отверстие 13 и дроссель 14 предкамеры 2 для регулирования скорости падения капсулы 10. В верхней части разгонной трубы 1 открыты отверстия 15, а между разгонной трубой 1 и амортизатором 7 установлен кольцевой зазор 16. Капсула 10 имеет кольцевой поясок 17 для фиксатора 11 и снабжена быстросъемной крышкой 18. На наружной поверхности капсулы 10 выполнен кольцевой выступ 19 для самозахвата капсулы 10 механизмом загрузки-выгрузки 8. Заполнение капсулы 10 газом или вакуумирование осуществляется через клапаны 20.

Способ дробления с заявляемым устройством осуществляют следующим образом.

Титановую губку 21, предварительно измельчают до частиц 12-18 мм, помещают в капсулу 10, закрывают быстросъемной крышкой 18. Высота заполнения капсулы губкой не превышает 1/3 высоты ее. Через клапан 20 капсулу 10 заполняют аргоном или вакуумируют. Подготовленную капсулу 10 захватом 9 зацепляют за кольцевой выступ 19 и механизмом загрузки выгрузки 8 опускают в разгонную трубу 1, в которой фиксатор 11 захватывает капсулу 10 за кольцевой поясок 17. Поворотный стол 3 с разгонной трубой 1 устанавливают в положение под отбойной плитой 6. В этом положении происходит загрузка-выгрузка другой капсулы 10 во вторую разгонную трубу 1'. Положение разгонной трубы 1 в позиции 1' соответствует загрузке-выгрузке первой капсулы 10.

В предкамеру 2 разгонной трубы подают энергоноситель сжатый воздух через клапан 12. При достижении необходимого давления фиксатор 11 освобождает капсулу 10, которая разгоняется энергоносителем до заданной скорости, при этом столб воздуха, выходящий перед капсулой 10, вытесняется ею через отверстие 15 в разгонной трубе 1 и кольцевой зазор 16. Капсула 10 ударяется в амортизатор 7, гасящий энергию удара капсулы 10 и предохраняющий ее от разрушения, при этом частицы титановой трубки 21 продолжают свободный полет по инерции внутри капсулы 10 и ударяются о дно капсулы и разрушаются.

Энергоноситель из предкамеры 2 выпускается через отверстие 13 и дроссель 14 в атмосферу, капсула 10 опускается в исходное положение.

Поворотным столом 3 разгонная труба 1 устанавливается в положение 1'' для разгрузки, а разгонная труба 1' в положении под отбойной плитой 6. Цикл повторяется.

В конкретном способе и конструкции использовали:
капсулу высотой h 390 мм;
площадь внутреннего сечения разгонной трубы 154 см²;
суммарная площадь кольцевого зазора и отверстий в трубе 208 см².

Насыпали титановую губку до высоты h₁ 130 мм, разгоняли до скорости 40-50 м/сек, предварительно создав давление в предкамере 2,5 МПа.

Время торможения капсулы 0,0013 сек.

Время свободного полета материала в капсуле 0,005 сек.

Кроме того, осуществляли способы дробления титановой трубки, при которых высота h₁ составляла 1/10 h, т.е. 39 мм, 1/6h, т.е. 65 мм, а также 1/12h, т. е. 32,5 мм и 1/2h, т.е. 195 мм.

Испытания показали, что загрузка титановой трубки на высоту h₁=32,5 мм приводит к переизмельчению титанового порошка, а при h₁=195 мм происходит стесненный удар и снижение выхода дробленного материала до 40%
Испытания показали, что использование заявляемого способа и устройства для дробления твердых материалов позволяют подвергнуть титановую губку дробление до 86% при этом выход бездефектных зерен 65-78% что на 3-5% больше, чем в аналогичных устройствах и способах.

Использование в горнообогатительной, химической отраслях промышленности, при обработке алмазов. Сущность изобретения: устройство содержит разгонную трубу 1 с отверстиями 15, капсулу 10 с измельченной титановой губкой 21, отбойную плиту 6 с амортизатором 11, имеет предкамеру 2 с выпускным отверстием. Причем суммарная площадь сечений кольцевого зазора 16 и отверстий в трубе 1 больше площади внутреннего поперечного сечения разгонной трубы 1. Капсула 10 выполнена герметичной и имеет по высоте переменное сечение в сторону увеличения в направлении к отбойной плите 6. Устройство может быть снабжено одной или несколькими разгонными трубами 1, установленными с возможностью поворота относительной отбойной плиты 6. Капсула 10 может быть выполнена быстроразъемной и снабжена клапанами, иметь кольцевой выступ 19. Способ дробления с использованием данного устройства осуществляют следующим образом. Капсулу 10, заполненную измельченной титановой губкой 21 на 1/10-1/3 ее высоты разгоняют энергоносителем. Вакуумированная или заполненная инертным газом капсула 10 ударяется об отбойную плиту 6 с амортизатором 7, при этом частицы титановой губки 21 продолжают свободный полет по инерции внутри капсулы 10 и ударяются об дно капсулы и разрушаются. При этом время торможения капсулы 10 при ее ударе от отбойную плиту 6 с амортизатором 7 меньше времени полета материала через свободный объем капсулы 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ дробления твердых материалов, включающий загрузку материала в жесткую капсулу, разгон капсулы энергоносителем и удар ее об отбойную плиту с амортизатором, отличающийся тем, что загрузку материала в капсулу осуществляют на 1/10 1/3 ее высоты, затем капсулу заполняют инертным газом или вакуумируют, а разгон капсулы осуществляют при достижении заданного максимального давления энергоносителя на ее дно, при этом время торможения капсулы при ударе об отбойную плиту с амортизатором меньше времени полета материала через свободный объем капсулы. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что капсулу заполняют аргоном. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве энергоносителя применяют сжатый воздух. 4. Устройство для дробления твердых материалов, содержащее разгонную трубу с отверстиями, капсулу и отбойную плиту с амортизатором, отличающееся тем, что разгонная труба снабжена фиксатором, в задней части разгонной трубы выполнена предкамера с выпускным отверстием, причем суммарная площадь сечения кольцевого зазора между разгонной трубой и амортизатором и отверстий в трубе больше площади внутреннего поперечного сечения разгонной трубы, при этом капсула выполнена герметичной и имеет по высоте переменное сечение в сторону увеличения в направлении к отбойной плите. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно снабжено одной или несколькими разгонными трубами, установленными с возможностью поворота относительно отбойной плиты. 6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что капсула выполнена быстроразъемной и снабжена клапанами. 7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что капсула выполнена с кольцевым выступом на наружной поверхности. 8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что капсула выполнена, например, из нержавеющей стали или титанового сплава. 9. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что оно снабжено дросселем, установленным в выпускном отверстии предкамеры.