СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОДИСПЕРСНОГО ПОРОШКА ИЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МЕДИ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК B22F9/04 

Изобретение относится к технологии получения металлических порошков, в частности медных, и может быть использовано в цветной металлургии и порошковой металлургии.

В настоящее время значительно возросло потребление высококачественных медных порошков, так называемых легких медных порошков, обладающих структурой, высокодисперсным фракционным составом, необходимым содержанием кислорода, низкой насыпной плотностью.

Именно такие порошки используют в автомобильной и электротехнической отраслях промышленности для нанесения на изделия тонких слоев меди при минимальном расходе ее. Как известно, медь с частицами дендритной структуры может быть получена электролизом ее из растворов, однако при этом частицы не будут отвечать указанным выше требованиям, т.е. необходима дополнительная технологическая переработка.

Кроме того, полученная электролизом медь содержит достаточно большое количество серной кислоты, которую необходимо удалить. Это осуществляется путем отмывки с последующим центрифугированием. Однако этого процесса недостаточно для полного удаления влаги, а потому полученную медь необходимо высушивать.

Удаление влаги центрифугированием предопределяет снижение качества получаемого при электролизе медного порошка сушкой, т.к. после центрифуг медный порошок представляет собой агломерированную массу, а не порошок из отдельных частиц дендритной структуры, как они получаются в процессе электролиза. Поэтому в данной ситуации перед сушкой электролитической меди следует разрушить агломераты меди и после сушки предусмотреть переделы, которые бы обеспечили сохранение тех свойств, которые предъявляются к тонкодисперсным, легким медным порошкам.

Рассмотрим известные из уровня техники решения, предназначенные для получения высококачественных медных порошков.

Известен способ изготовления порошка из металла или металлического сплава (заявка ЕПВ N 0062221, кл.B 22 F 9/04, 1981). Он предусматривает получение порошка с пластинчатыми частицами и основан на механическом измельчении пластинчатого исходного материала. Для измельчения материала, а также для повышения КПД диспергирующего устройства в исходный материал добавляют вещества (модификатор), которые образуют особую фазу по границам кристаллов исходного материала.

В связи с тем, что данным способом не предусмотрено получение частиц дендритной структуры, то он не может быть использован для получения тонкодисперсных медных порошков.

Известен способ получения порошков с частицами малого размера из материала, являющегося продуктом электролитического процесса и имеющего дендритную структуру (патент США N 4944797, кл.B 22 F 9/04, 1989), который принят в качестве прототипа.

Способ включает измельчение исходного материала за счет энергии струи жидкости. В результате получается мелкий порошок, диаметр частиц которого не превышает 20 мкм. Затем полученный порошок в струе газа пропускает через высокотемпературную зону, температура в которой установлена выше, чем температура плавления металла порошка, и составляет 5500 - 17000^oC. После прохождения через высокотемпературную зону расплавляется не менее половины всего количества порошка, что необходимо для образования достаточно мелких сферических частиц. Затем проводят быстрое охлаждение и кристаллизацию порошка с образованием частиц, диаметр которых меньше 20 мкм. Способ также предусматривает высокотемпературный нагрев медного порошка, находящегося во время обработки в сухом состоянии и в атмосфере инертного газа.

Порошок получается тонкодисперсным, без излишней влаги, с достаточным содержанием кислорода. Однако перевод частиц порошка из дендритной в сферическую неблагоприятно сказывается на качестве, а именно сплошности покрытий изделий, на которые наносится медный порошок.

Отсутствие введения модификатора в массу перерабатываемого материала обусловит окисление поверхности частиц, т.к. не будет защитного слоя, создаваемого модификатором, что снизит активацию порошка - свойство, необходимое при нанесении тонкослойных покрытий из меди на изделия.

Кроме того, велики затраты электроэнергии на осуществление высокотемпературного нагрева с целью расплавления медного порошка, и не исключено, что у частиц сферической формы насыпная плотность выше, чем у частиц дендритной формы, что не позволит получить конечный продукт легким, т.е. одна из сторон качества медных порошков, используемых для тонкослойных покрытий, будет потеряна.

Анализ известных, обнаруженных при проведении патентных исследований изобретений (патент США N 3549350, кл. B 22 F 9/00, 1967; патент США N 4943322, кл. B 22 F 9/02, 1986; заявка Японии N 63-72805, кл. B 22 F 9/04; заявка РСТ N 91/04810, кл. B 22 F 9/04), а также описанных выше аналога и прототипа, выявил, что ни в одном из них не достигается желаемый результат - получение легких тонкодисперсных медных порошков.

Предложенный способ включает пропускание в потоке газа частиц меди дендритной структуры через высокотемпературную зону и измельчение их до тонкодисперсного порошка.

Способ отличается от прототипа тем, что сначала осуществляют разрушение агломератов исходного материала в атмосфере газообразного теплоносителя с температурой 90 - 100^oC и просеивание разрушенных агломератов, после чего пропусканием через высокотемпературную зону сушат частицы меди дендритной структуры, приводя их во взвешенное состояние потоком газа, нагретого до температуры ниже температуры плавления меди, причем на стадиях разрушения агломератов исходного материала и сушки в высокотемпературной зоне частиц меди дендритной структуры вводят модификатор для образования на границах частиц мономолекулярного защитного слоя, а затем, произведя сепарацию газопорошковой смеси, высушенные частицы дендритной структуры направляют на измельчение до тонкодисперсного порошка ударным воздействием в центробежном поле.

Достижение вышеупомянутого результата возможно только при осуществлении заявляемого способа на установке, также являющейся объектом изобретения по настоящей заявке.

Патентуемые способ и установка представляют собой группу изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом, т.к. установка предназначена для осуществления способа, и только реализация последнего с помощью заявляемой установки обеспечивает достижение заявляемого технического результата - получение высококачественных тонкодисперсных, легких медных порошков, способных создавать тонкослойные покрытия на изделиях.

Необходимостью решения этой проблемы вызвано усовершенствование авторами настоящей заявки известных установок путем создания новой установки, что обусловливает их совместное использование при переработке электролитической меди для получения их нее тонкодисперсного порошка при сохранении дендритной структуры частиц и других физико-механических свойств.

Аналогом заявляемой установки является установка для измельчения металлов (авт. св. СССР N 1014661, кл.B 22 F 9/04, 1981), включающая загрузочное устройство, молотковую дробилку, циклон с бункером и классификатором.

Достоинством данной установки является то, что с помощью ее конструктивных признаков возможно осуществление разрушения агломератов исходного материала - электролитической меди после удаления влаги центрифугированием, сепарация и классификация. Однако отсутствие сушильного аппарата и мельницы для тонкодисперсного измельчения частиц меди, а также отсутствие средств для введения в массу материала-модификатора, защищающего поверхности частиц от окисления, исключают достижение ожидаемого технического результата.

Отсюда следует, что эту известную установку невозможно использовать для осуществления заявляемого способа.

Известна установка (устройство) для измельчения редкоземельных металлов (патент ФРГ N 2809003, кл. B 22 F 9/04, 1978 или патент-аналог по заявке Японии N 53-29167, кл.B 22 F 9/04).

Данное устройство принято в качестве прототипа. Устройство оснащено мельницей, содержащей закрытый кожухом контейнер, в котором помещены сферические мелющие элементы и мешалка для перемещения исходного материала с мелющими элементами.

Контейнер имеет узел загрузки исходного материала и модификатора - гексана и сито. Трубопроводами контейнер сообщен с вакуум-насосом и с источником инертного газа. В данной части кожуха расположен узел разгрузки, снабженный ситом. Узел разгрузки сообщен с устройством для тепловой обработки медного порошка - испарителем, содержащим нагревательный кожух и сообщенным трубопроводами с вакуумным насосом и источником инертного газа. Устройство включает конденсатор, сообщенный с патрубком отвода парообразного продукта из испарителя, а в донной части его размещен патрубок выгрузки измельченного продукта.

Однако и это известное устройство не может быть использовано для осуществления заявляемого способа. С помощью его может быть реализована только часть операций заявляемого способа: разрушение агломератов исходного материала в шаровой мельнице, подача модификатора для образования защитного мономолекулярного слоя по границам частиц меди, тепловая обработка испарением (но не сушкой) для удаления из материала части влаги. Обеспечение конструктивными признаками известной установки только указанных операций с обрабатываемой электролитической медью не позволит получить тонкодисперсный легкий медный порошок, т.е. отсутствуют операции тонкого измельчения, сепарации получаемого порошка.

Указанных недостатков лишена заявляемая установка.

Она, как и установка-прототип, содержит шаровую мельницу, выполненную в виде контейнера с помещенными в нем сферическими мелющими элементами, снабженного ситом и узлом загрузки исходного материала и модификатора и закрытого кожухом с узлом разгрузки, и сообщенное с последним устройство для тепловой обработки частиц меди дендритной структуры с патрубком отвода обрабатываемого материала.

Установка отличается от установки-прототипа тем, что она дополнительно снабжена сообщенными между собой по обрабатываемому материалу сепаратором и ударно-центробежной мельницей; устройство для тепловой обработки частиц меди дендритной структуры выполнено в виде вертикальной трубчатой сушилки с патрубком подачи модификатора, при этом сушилка и кожух шаровой мельницы снабжены патрубками ввода газообразного теплоносителя, и патрубок отвода обрабатываемого материала из трубчатой сушилки сообщен с патрубком ввода его в сепаратор, а боковая поверхность контейнера шаровой мельницы, расположенного на горизонтальном валу вращения, выполнена в виде скрепленных между собой по периметру окружности стержней с зазором, сито мельницы установлено концентрично снаружи контейнера, при этом размер зазоров между стержнями и размер ячеек сита не превышают максимальный размер частиц меди дендритной структуры, и сферические мелющие элементы выполнены из высокотемпературной кислостойкой резины.

Заявляемые способ и установка отвечают всем критериям патентоспособности.

Они новы, т.к. аналогичные известные из уровня техники решения не обладают тождественной совокупностью признаков, о чем свидетельствует проведенный выше анализ известных способов и установок.

Предлагаемые для патентной экспертизы изобретения имеют изобретательский уровень, т.к. они для специалиста явным образом не следуют из известного уровня техники, т.е. не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемых способа и установки, а значит и не может быть подтверждена известность отличительных признаков на указанный заявителем технический результат.

Заявляемая группа изобретений является промышленно применимой, т.к. оба изобретения могут быть использованы в производстве по своему назначению, т. е. для получения тонкодисперсных медных порошков электролитической меди. Ни один признак, взятый в отдельности, ни вся совокупность признаков и способа, и устройства не противоречат возможности их применения в промышленности и не препятствуют достижению усматриваемого заявителем технического результата.

Иллюстрациями заявляемых положений являются представленные далее описание установки в статике и конкретный пример осуществления способа при описании работы установки.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемой установки; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 в увеличенном масштабе.

Установка для получения тонкодисперсного порошка из электролитической меди содержит шаровую мельницу, выполненную в виде контейнера 1, расположенного на горизонтальном валу 2, с помещенными в нем сферическими мелющими элементами 3, выполненными из высокотемпературной кислотоупорной резины. Боковая поверхность контейнера 1 выполнена в виде стержней 4, скрепленных, например, стяжками 5, между собой по периметру окружности с зазором δ. Контейнер 1 снабжен ситом 6, установленным концентрично снаружи контейнера 1, при этом размер зазора δ и размер ячеек Δ сита 6 не превышают максимальный размер частиц меди дендритной структуры. На внутренней стенке сита 6 равномерно по периметру закреплены ребра 7. Контейнер 1 снабжен узлом загрузки исходного материала и модификатора, состоящим из бункера 8, подающего шнека 9, патрубка 10 для подачи исходного материала и патрубка 11 для подачи модификатора - бензотриазола, растворенного в керосине. Контейнер 1 закрыт кожухом 12 с узлом разгрузки 13. Кожух 12 снабжен патрубком 14 ввода газообразного теплоносителя. С узлом 13 разгрузки через патрубок 15 сообщено устройство для тепловой обработки частиц меди дендритной структуры, которое выполнено в виде вертикальной трубчатой сушилки 16 с патрубком 17 подачи модификатора и патрубком 18 отвода обрабатываемого материала, при этом сушилка 16 снабжена патрубком 19 ввода газообразного теплоносителя.

Установка снабжена сообщенными между собой по обрабатываемому материалу сепаратором и ударно-центробежной мельницей 20. В качестве сепаратора использованы циклоны 21 и 22, которые сообщены между собой по газообразному теплоносителю трубопроводом 23, и патрубок 18 отвода из сушилки 16 обрабатываемого материала сообщен с патрубком 24 ввода материала в циклон 21. Между ударно-центробежной мельницей 20, представляющей собой супермельницу-диспергатор, и циклонами 21 и 22 установлен промежуточный бункер 25 - сборник отсепарированных в циклонах частиц меди дендритной структуры.

Установка имеет в своем составе калориферы 26 и 27 для нагрева газа, подаваемого соответственно в шаровую мельницу и в трубчатую сушилку 16 вентиляторами 28 и 29.

Осуществление способа и работа установки происходят следующим образом.

В бункере 7 находится исходный материал, представляющий собой электролитическую медь, отмытую от серной кислоты до ее содержания 0,01 вес.% и обезвоженную до влажности 10-15 вес.%. Необходимо получить продукт с остаточной влажностью, не превышающей 0,05%.

На переработку заявляемым способом в заявляемую установку поступает достаточно влажный и плотный (насыпная плотность 1200 - 1500 кг/м³) материал, а потому определенно состоящий из агломератов.

Исходный материал через патрубок 10 поступает в шнек 9 и далее в шаровую мельницу, а именно в контейнер 1. Одновременно через патрубок 11 подается модификатор - бензотриазол. Во вращающейся шаровой мельнице агломераты материала размером > 1000 мкм разрушаются резиновыми элементами до частиц меди дендритной структуры размером до 200 мкм, в виде которых была получена медь в процессе электролиза. Выбор материала - высокотемпературной кислотоупорной резины - мелющих шаров предопределен именно целью разрушения агломератов, а не истирания частиц меди дендритной структуры. В шаровую мельницу одновременно с подачей исходного материала вентилятором 28 подается газообразный теплоноситель, нагретый в калорифере 26 до температуры 80 - 100^oC. Одновременность подачи в шаровую мельницу исходного материала, модификатора и газообразного теплоносителя обеспечивает благоприятные условия для разрушения агломератов до отдельных частиц, на границах которых образуется защитный слой из бензотриазола, их частичного подсушивания и аэрирования, а значит и исключения повторного образования агломератов. Частицы меди дендритной структуры, имеющие исходный после электролиза меди размер, проходят через зазоры между стержнями 4 и, просеиваясь через ячейки сита 6, попадают в кожух 12, а затем через патрубок 13 шаровой мельницы и патрубок 15 сушилки 16 поступают в нее. Те агломераты меди, которые не были разрушены в контейнере 1 до размера менее 200 мм, ребрами 7 сита 6 поднимаются снизу вверх и при падении сверху вниз, проходя через зазоры δ между стержнями 4, попадают в контейнер 1, где снова подвергаются разрушению.

Поступающие в сушилку 16 частицы меди дендритной структуры попадают в высокотемпературную зону (400^oC, что ниже температуры плавления меди), образуемую нагретым в калорифере 27 газообразным теплоносителем, и под напором, создаваемым вентилятором 29, потока газа частицы приводятся во взвешенное состояние, окончательно высушиваются и со скоростью, превышающей скорость витания, продвигаются от места подачи в сушилку и патрубку 18 отвода обрабатываемого материала - газопорошковой смеси. Через патрубок 17 в сушилку 16 подается модификатор - раствор бензотриазола в керосине - для гарантированного обволакивания частиц меди дендритной структуры мономолекулярным защитным слоем, чему способствует взвешенное состояние частиц. Затем отведенный из сушилки 16 обрабатываемый материал (газопорошковая смесь) поступает через патрубок 24 в циклон 21 на сепарацию, где происходит отделение частиц меди дендритной структуры от газообразного теплоносителя, который поступает по трубопроводу 23 на дополнительную сепарацию в циклон 22 и далее на фильтры (не показаны) и выброс в атмосферу.

Отделившиеся в циклонах 21 и 22 частицы меди дендритной структуры собираются в бункере 24, откуда их направляют на измельчение ударным воздействием в центробежном поле до тонкодисперсного порошка в ударно-центробежную мельницу. Размер частиц меди дендритной структуры после измельчения в ударно-центробежной мельнице составляет от 5 до 40 мкм. После измельчения медный порошок может быть направлен в классификатор для разделения на фракции.

В заявляемой установке заявляемым способом может быть получен в качестве целевого продукта медный порошок легкий (насыпная плотность 600-800 кг/м³) тонкодисперсный, пористый, активированный, пригодный для нанесения тонкослойных покрытий на изделия в электротехнической, автомобильной и машиностроительной отраслях промышленности.

Способ заключается в том, что сначала осуществляют разрушение агломератов исходного материала в атмосфере газообразного теплоносителя с температурой 80-100^oС и просеивание разрушенных агромератов, после чего пропусканием через высокотемпературную зону сушат частицы меди дендритной структуры, приводя их во взвешенное состояние потоком газа, нагретого до температуры ниже температуры плавления меди, причем на стадиях разрушения агломератов исходного материала и сушки в высокотемпературной зоне частиц меди дендритной структуры вводят модификатор для образования на границах частиц мономолекулярного защитного слоя, а затем производя сепарацию газопорошковой смеси, высушенные частицы меди дендритной структуры направляют на измельчение до тонкодисперсного порошка ударным воздействием в центробежном поле. Установка снабжена сообщающимися между собой по обрабатываемому материалу сепаратором и ударно-центробежной мельницей, устройство для тепловой обработки выполнено в виде трубчатой сушилки с патрубком подачи модификатора, при этом сушилка и кожух шаровой мельницы снабжены патрубками ввода газообразного теплоносителя, и патрубок отвода обрабатываемого материала из трубчатой сушки сообщен с патрубком ввода его в сепаратор, а боковая поверхность контейнера шаровой мельницы, расположенного на горизонтальном валу вращения, выполнена в виде скрепленных между собой по периметру окружности стержней с зазором, сито мельницы установлено концентрично снаружи контейнера, при этом размер зазоров между стержнями и размер ячеек сита не превышает максимальный размер частиц меди дендритной структуры, и сферические мелющие элементы выполнены из высокотемпературной кислотостойкой резины. Способ обеспечивает получение легких тонкодисперсных медных порошков. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения тонкодисперсного порошка из электролитической меди, включающий пропускание в потоке газа частиц меди дендритной структуры через высокотемпературную зону и измельчение их до тонкодисперсного порошка,отличающийся тем, что сначала осуществляют разрушение агломератов исходного материала в атмосфере газообразного теплоносителя с температурой 80 - 100^oC и просеивание разрушающих агломератов, после чего пропусканием через высокотемпературную зону сушат частицы меди дендритной структуры, приводя их во взвешенное состояние потоком газа, нагретого до температуры плавления меди, причем на стадиях разрушения агломератов исходного материала и сушки в высокотемпературной зоне частиц меди дендритной структуры вводят модификатор для образования на границах частиц мономолекулярного защитного слоя, а затем, произведя сепарацию газопорошковой смеси, высушенные частицы дендритной структуры направляют на измельчение до тонкодисперсного порошка ударным воздействием в центробежном поле. 2. Установка для осуществления способа по п.1, содержащая шаровую мельницу, выполненную в виде контейнера с помещенными в нем сферическими мелющими элементами, снабженного ситом и узлом загрузки исходного материала и модификатора и закрытого кожухом с узлом разгрузки, и сообщенное с последним устройство для тепловой обработки частиц меди дендритной структуры с патрубком отвода обрабатываемого материала, отличающаяся тем, что установка снабжена сообщенными между собой по обрабатываемому материалу сепаратором и ударно-центробежной мельницей, устройство для тепловой обработки частиц меди дендритной структуры выполнено в виде вертикальной трубчатой сушилки с патрубком подачи модификатора, при этом сушилка и кожух шаровой мельницы снабжен патрубками ввода газообразного теплоносителя, и патрубок отвода обрабатываемого материала из трубчатой сушилки сообщен с патрубком ввода его в сепаратор, а боковая поверхность контейнера шаровой мельницы, расположенного на горизонтальном валу вращения, выполнена в виде скрепленных между собой по периметру окружности стержней с зазором, сито мельницы установлено концентрично снаружи контейнера, при этом размер зазоров между стержнями и размер ячеек сита не превышают максимальный размер частиц меди дендритной структуры, и сферические мелющие элементы выполнены из высокотемпературной кислотостойкой резины.