СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТУГОПЛАВКИХ ПОРОШКОВЫХ ПРОДУКТОВ Российский патент 2001 года по МПК B22F9/16 B22F9/04 

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к способам получения тугоплавких порошковых продуктов. Преимущественная область использования - получение высокодисперсных порошковых тугоплавких соединений с использованием самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) с регулированием фракционного состава измельчаемого продукта.

Известен способ получения тугоплавких порошковых продуктов, включающий приготовление шихты реакционноспособного состава, самораспространяющийся высокотемпературный синтез и измельчение продуктов синтеза /1/.

Недостатками известного способа являются: низкая производительность из-за длительности процесса измельчения в жидкой среде, повышенная опасность производства при использовании в качестве жидкой среды легковоспламеняющихся жидкостей (ацетон, бензин, спирт и т.д.); усложнение технологического цикла вследствие необходимости применения дополнительного оборудования (для предотвращения образования агломератов после измельчения и для удаления жидкой среды); ухудшение качества измельченного продукта вследствие влияния жидкой среды, а также вследствие внесения примесей за счет истирания измельчающих тел.

Известен также способ получения тугоплавких порошковых продуктов, взятый за прототип, включающий приготовление реакционноспособной шихты, самораспространяющийся высокотемпературный синтез и измельчение продуктов синтеза /2/.

Недостатком известного способа-прототипа является: низкая производительность из-за длительности процесса измельчения в шаровой мельнице (часы и десятки часов), наличие примесей в конечном продукте из-за истирания ударных мелющих тел, что приводит к ухудшению качества продукта, и невозможности осуществления непрерывности процесса вследствие его длительности.

Технический результат от использования изобретения выражается в повышении производительности процесса и повышении качества получаемого продукта.

Это достигается тем, что в способе получения тугоплавких порошковых продуктов, включающем приготовление шихты реакциопноспособного состава, самораспространяющийся высокотемпературный синтез и измельчение продуктов синтеза до порошкообразного состояния, согласно изобретению измельчение продуктов синтеза до порошкообразного состояния осуществляют путем пропускания продукта между валками прокатного стана при соблюдении следующего условия:

где L_o - исходное межосевое расстояние пары валков при сомкнутом их положении,
L_i - межосевое расстояние пары валков в рабочем положении;
В частном случае, когда требуется повысить выход мелкой фракции, измельчение продукта проводят в режиме пробуксовывания одного валка но отношению к другому при соблюдении следующей зависимости:

где D, N - соответственно диаметр и число оборотов валка, пробуксовывающего относительно другого валка в паре, диаметр которого d и число оборотов n.

В отдельных случаях, когда хотят дополнительно повысить производительность или получить одновременно продукт различной дисперсности, измельчение ведут на валках со ступенчатым изменением диаметров по длине валка, при этом диаметры пары валков каждой ступени связаны между собой следующим соотношением:
D_выст+d_вп=L_о
где: D_выст - диаметры валков по выступам ступеней,
d_вп - диаметры валков во впадинах ступеней.

L_о - исходное межосевое расстояние пары валков при сомкнутом их положении.

Анализ опубликованных источников информации подтвердил неизвестность заявленного способа, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности.

Существенность отличительных признаков обусловлена следующими причинам:
На измельчение продуктов синтеза в прокатном стане потребовалось в 14 раз меньше времени, чем на измельчение в шаровой мельнице, как по прототипу. Это обусловлено тем, что при пропускании между валками происходит раздавливание продуктов синтеза, при этом в измельчаемых зернах образуется сеть трещин, способствующих ускорению измельчения. При этом время силового воздействия на измельчаемый продукт не превышает 1 с, то есть меньше, чем по прототипу, на четыре порядка. Следствием уменьшения времени силового воздействия является повышение качества продукта, а именно - чистоты за счет предотвращения внесения в продукт примесей от истирания измельчающих тел и футеровки. Пропускание продукта межу валками прокатного стана в сочетании с приведенной в формуле математической зависимостью дает новый эффект - вместо уплотнения обрабатываемого материала - наоборот его разуплотнение (измельчение).

Соблюдение математической зависимости

определяющей условие регулирования межосевого расстояния пары валков (или пар валков, если их несколько), обеспечивает работоспособность стана в операции измельчения. Данную зависимость необходимо соблюдать, чтобы избежать просыпания продукта, или, наоборот - спрессовывания. Уравнение получено экспериментальным путем. Результаты представлены в материалах описания в табличной форме.

Существенность частных отличительных признаков объясняется следующими причинами:
Режим пробуксовывания обеспечивает увеличение выхода мелкой фракции до 2 раз за счет того, что при этом на порошок действуют сдвиговые нагрузки, разрушающие зерна по образовавшимся в них трещинам, при этом математическая зависимость

соответствует режиму работы, когда валок с диаметром D пробуксовывает относительно валка с диаметром d.

В частном случае, для более равномерного по длине валков распределения измельчаемого продукта за счет его предварительного перемешивания перед входом в раствор валков или, когда одновременно хотят снять со стана порции продукта, отличающиеся степенью дисперсности, измельчение ведут на валках со ступенчатым изменением диаметром валков, при этом изменение диаметров ступеней по длине валка обеспечивает различные по силе сдвиговые нагрузки, следовательно, на участках, где валки имеют разные диаметры ступеней по выступом и впадинам, снимается продукт с соответствующей нагрузке степенью дисперсности. Кроме того, в этом случае дополнительно повышается производительность в результате увеличения количества продукта, захватываемого валками за счет более развитой поверхности профилированных валков по сравнению с гладкими валками.

Соблюдение зависимости
D_выст+d_вп=L_о
необходимо для соблюдения работоспособности, исходя из условия регулирования межосевого расстояния (для предотвращения просыпания или спрессовывания продукта). В случае необходимости дальнейшего уменьшения степени дисперсности измельчаемый продукт может быть повторно пропущен между ватками или измельчен во второй паре валков прокатного стана.

Сущность изобретения иллюстрируется графическими материалами, где на фиг. 1 изображена схема валков в исходном (а) и рабочем (б) положении; на фиг. 2 изображена схема валков с различными диаметрами (D и d) в исходном положении; на фиг. 3 изображена схема профилированных валков со ступенчатым изменением диаметров подлине валка.

На фиг. 1 валки 1,2 соединены с шестернями 3,4 привода вращения; соединение осуществлено через плавающие муфты 5,6; опоры 7,8 валков 1,2 соединены с устройством 9 для изменения межосевого расстояния; 10 - опоры шестеренчатого привода.

L_о - исходное межосевое расстояние пары валков 1,2 при сомкнутом их положении;
Δ - величина смещения каждого из валков;
δ - раствор валков, соответствующий изменению межосевого расстояния валков 1,2
δ = 2Δ = L_i-L₀
На фиг. 2 валки 1,2 выполнены с диаметрами d и D соответственно и соединены с шестернями 3,4, вращающимися с оборотами n и N соответственно, при этом диаметр D больше диаметра d.

На фиг. 3 валки 1,2 выполнены со ступенчатым изменением их диаметров по длине валка на участках I и II. Ступени A,B и C,D валков 1,2 на участках I и II выполненых в виде выступов диаметром D_выст^I, D_выст^II и впадин диаметром d_вп^I и d_вп^II соответственно, соединенных наклонными гранями 3,4. Выступы диаметром D_выст^I и D_выст^II каждого из валков (1 или 2) входят во впадины диаметром d_вп^I, d_вп^II другого валка. На участке II разница между диаметрами выступов и впадин валков 1,2 больше, чем на участке I, поэтому на участке II величина пробуксовывания больше, чем на участке I.

Способ получения тугоплавких порошковых продуктов заключается в приготовлении шихты реакционноспособного состава в стехиометрическом соотношении, осуществлении высокотемпературного синтеза в реакторе и измельчении продуктов синтеза до порошкообразного состояния пропусканием между валками 1,2 (фиг. 1б) прокатного стана при условии:

где L_о - исходное межосевое расстояние пары валков при сомкнутом их положении,
L_i - межосевое расстояние пары валков в рабочем положении.

Изменяя межосевое расстояние L_i (фиг. 1б), можно влиять на выход требуемых фракций, в том числе для наиболее широко используемых фракций: 40...100 мкм в пределах 15 - 60%, менее 40 мкм в пределах 5 - 50%, без внесения примесей от истирания измельчающих тел (валков 1,2 фиг. 1б). При этом, время измельчения до среднего размера частиц 44 мкм сократилась по сравнению с прототипом на порядок. Для получения более мелких фракций (средний размер частиц до 20,8 мкм) измельчение ведут в режиме пробуксовывания валка 2 (фиг. 2) диаметром D по отношению к валку 1 диаметром d, что достигается изменением числа оборотов N, n или(и) диаметров валков в соответствии со следующей зависимостью:

где D и N - соответственно диаметр и число оборотов валка 2 (фиг. 2), пробуксовывающего относительно другого валка 1 в паре, диаметр которого d и число оборотов n.

Для одновременного получения порошков с разной степенью дисперсности или для увеличения производительности (за счет увеличения поверхности валков) и более равномерного распределения продукта по длине валков измельчение ведут на валках 1,2 (фиг. 3) со ступенчатым изменением диаметров по длине валка, причем диаметры пары валков 1,2 каждой ступени A,В,C,D связаны между собой следующим соотношением (для сохранения раствора валков δ по всей их длине):
D_выст+d_вп=L_о
гдe D_выст - диаметры валков по выступам ступеней;
d_вп - диаметры валков во впадинах ступеней.

L_о - исходное межосевое расстояние пары валков при сомкнутом их положении.

На участке II фиг. 3 получают порошок более мелкой фракции, чем на участке I, так как разница между диаметрами выступов и впадин на участке II больше, чем на участке I. На ступенях A,C фиг. 3 валок 1 пробуксовывает относительно валка 2, так как D_выст больше d_вп, а на ступенях В, D валок 2 пробуксовывает относительно валка 1, то есть сдвиговые нагрузки направлены в противоположные стороны. Это обеспечивает более равномерное распределение измельчаемого продукта по длине валка за счет его перемешивания непосредственно перед входом в раствор δ.

Осуществимость способа подтверждается следующими примерами.

Пример 1.

Получение тугоплавкого порошкового продукта - сложного карбида титана (TiC-Cr₃C₂) осуществляли следующим образом:
Приготавливай шихту реакционноспособного состава в требуемом соотношении. Шихту размещали в реакторе и осуществляли синтез методом СВС. Продукты синтеза с размером частиц 0,4...1,5 мм измельчали до порошкообразного состояния путем пропускания между парой валков диаметром 150 мм, вращающихся со скоростью 12 об/мин. При измельчении продукта изменяли межосевое расстояние пары валков в пределах:

Полученные результаты, приведенные в табл.1, показали, что при превышающим 0,007, или меньшем 0,002, измельчение продуктов синтеза прекращается (происходит просыпание продукта между валками или спрессовывание продукта - опыт 1,6), то есть нарушаются условия работоспособности. Поэтому данные параметры могут быть приняты в качестве предельных. При изменении межосевого расстояния в рекомендуемых пределах (опыты 2 - 5) обеспечено регулирование фракционного состава, в том числе для наиболее широко используемых фракций: 40...100 мкм в пределах 15 - 60%, менее 40 мкм в пределах 5 - 50%. При двухкратном пропускании измельчаемого продукта через валки прокатного стана количество средней (40...100 мкм) и мелкой <40 мкм) фракций увеличилось в 1,2 и 2 раза соответственно (опыты 7,4).

Пример 2.

Получение тугоплавкого порошка диборида титана (TiB₂) осуществляли следующим образом:
Подготавливали шихту реакционноспособного состава из смеси компонентов титана и кристаллического бора в стехиометрическом соотношении (69/31) и осуществляли самораспространяющийся высокотемпературный синтез в проточном реакторе. Продукты синтеза с размером частиц 2...3 мм измельчали до порошкообразного состояния путем пропускания между валками прокатного стана диаметром 150 мм, вращающихся со скоростью 12 об/мин. Время измельчения двух килограммов диборида титана составило 0,2 часа, средний размер частиц 44 мкм, что подтвердило работоспособность способа при соотношении равном 0,007 (опыт 2, табл. 2).

Для оценки эффективности способа было проведено также измельчение контрольной партии диборида титана по прототипу (в шаровой мельнице). Время измельчения до среднего размера 44 мкм составило 2,8 часа; учитывая то, что измельчение прокаткой является непрерывным процессом, за это время может быть измельчено 28 кг диборида титана, то есть в 14 раз больше, чем по прототипу.

Пример 3.

В условиях примера 2 были получены партии диборида титана с осуществлением пробуксовывания валков от 5 до 20%. Пробуксовывание валков осуществлялось за счет изменения соотношения числа оборотов N/n. Полученные результаты приведены в табл.2 (опыты 3- 6). Результаты опытов 2-6 показывают, что изменение величины пробуксовывания валков N/n·D/d до величины 1,2 обеспечило уменьшение среднего размера частиц до 2 раз по сравнению с прокаткой без пробуксовывания, где средний размер частиц составил 44 мкм (опыт 2, табл. 2). При пробуксовывании в пределах 1,15 - 1,2 выход мелкой фракции практически не изменяется, поэтому отношение N/n·D/d, равное 1,2, можно принять в качестве предельного.

Пример 4.

В условиях примера 1 был получен сложный карбид титана (TiC- Cr₃C₂) с обеспечением пробуксовывания валка за счет ступенчатого изменения диаметров по длине валка. Были использованы варианты валков:
вар. 1 - D_выст=150 мм; d_вп=148,8 мм; D/d=1,008;
вар. 2 - D_выст=150,4 мм; d_вп=148,4 мм; D/d=1,013.

Полученные результаты приведены в табл. 2.

Из опытов 2,7 следует, что при соотношении D/n·D/d, равном 1,008, разница среднего размера частиц (по сравнению с отсутствием пробуксовывания) составила менее 10%, то есть находится в пределах точности измерения. Влияние пробуксовывания на степень измельчения практически начинается при отношении N/n·D/d, равном 1,013 (количество мелкой фракции увеличивается более чем на 20% - опыт 8). Поэтому данная величина принята в качестве нижнего предела.

Таким образом, предложенный способ в условиях описываемых примеров обеспечил:
- повышение производительности процесса за счет сокращения времени измельчения на порядок;
- регулирование фракционного состава измельчаемого продукта до 60%;
- повышение качества продукта за счет предотвращения примесей, вносимых измельчаемыми телами;
- уменьшение степени дисперсности порошка (среднего размера частиц) за счет пробуксовывания валков;
- непрерывность производственного цикла, так как измельчение производится по мере засыпания продукта в бункер прокатного стана.

Изобретение может быть использовано в порошковой металлургии при получении методом СВС тугоплавких порошковых неорганических соединений, например диборида титана, сложного карбида титана, применяющихся, в частности, в безвольфрамовых твердых сплавах, в составе пластин для футеровок в электролитическом производстве, сварочных электродах, в качестве износостойкого покрытия, наносимого плазменным напылением.

Литература.

1. F.J. Limpo,.1.A. Escriiia, N.S. Makhonin and M.A. Rodriguez, "Post-Synthesis Processing of SHS Nitride" lnternational Journal of SHS, v 5, 1; 87 - 92, 1996.

2. В.М. Бунин, И.П. Боровинская, Л.Ф. Микулинская, А.Е. Сычев, "Безвольфрамовые твердые сплавы на основе СВС-карбида титана с никель-молибденовой связкой". Неорганические материалы, том 29, N 8, 1993, стр. 1160, 1161.

Изобретение относится к порошковой металлургии. Способ включает приготовление шихты реакционноспособного состава, самораспространяющийся высокотемпературный синтез и измельчение продуктов синтеза до порошкообразного состояния, при этом измельчение осуществляют путем пропускания продукта между валками прокатного стана при соблюдении следующего условия: где L_о - исходное межосевое расстояние пары валков при сомкнутом их положении; L_i - межосевое расстояние пары валков в рабочем положении. Измельчение продукта ведут в режиме пробуксовывания одного валка относительно другого валка в паре при саблюдении следующей зависимости: где D, N - соответственно диаметр и число оборотов валка, пробуксовывающего относительно другого валка в паре, диаметр которого d и число оборотов n. Кроме того, измельчение продукта ведут на валках со ступенчатым изменением диаметров по длине валка, причем диаметры пары валков каждой ступени связаны между собой следующим соотношением: D_выст+d_вп = L_о, где D_выст - диаметры валков по выступам ступеней; d_вп - диаметры валков во впадинах ступеней; L_о - исходное можосевое расстояние пары валков при сомкнутом их положении. Способ позволяет повысить производительность процесса и качество получаемого продукта. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Способ получения тугоплавких порошковых продуктов, включающий приготовление шихты реакционноспособного состава, самораспространяющийся высокотемпературный синтез и измельчение продуктов синтеза до порошкообразного состояния, отличающийся тем, что измельчение осуществляют путем пропускания продукта между валками прокатного стана при соблюдении следующего условия:

где L₀ - исходное межосевое расстояние пары валков при сомкнутом их положении;
L_i - межосевое расстояние пары валков в рабочем положении. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измельчение продукта ведут в режиме пробуксовывания одного валка относительно другого валка в паре при соблюдении следующей зависимости:

где D, N - соответственно диаметр и число оборотов валка, пробуксовывающего относительно другого валка в паре, диаметр которого d и число оборотов n. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что измельчение продукта ведут на валках со ступенчатым изменением диаметров по длине валка, причем диаметры пары валков каждой ступени связаны между собой следующим соотношением:
D_выст + d_вп = L₀,
где D_выст - диаметры валков по выступам ступеней;
d_вп - диаметры валков во впадинах ступеней;
L₀ - исходное межосевое расстояние пары валков при сомкнутом их положении.