СПОСОБ БРИКЕТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУЖКИ Российский патент 2001 года по МПК C22B1/248 

Изобретение относится к области переработки металлической стружки, преимущественно титановой, путем ее брикетирования.

Одной из проблем в данной области является получение брикетов плотности, позволяющей осуществлять их транспортировку и дальнейшую переработку с обеспечением свойств основного металла. Этому требованию отвечают брикеты с плотностью не менее половины плотности основного металла. Если учесть, что плотность исходной стружки в десять раз меньше желаемой плотности брикета, а сама титановая стружка имеет большую твердость и упругость, низкие антифрикционные свойства и в связи с этим плохо поддается брикетированию, то становятся очевидными те трудности, которые необходимо преодолеть при разработке способа брикетирования.

Ранее были предложены способы брикетирования металлической стружки, заключающиеся в ее дроблении, очистке, просушивании, добавлении связующего материала, перемешивании и уплотнении смеси в пресс-форме. При этом в качестве связующего материала используют либо жидкое стекло с продувкой брикета горячим воздухом [1], либо в качестве связующего материала используют термореактивную смолу и катализатор, а отвердение брикета ведут в пресс-форме при температуре 220-240^oC в течение 30-40 сек [2], либо в качестве связующего материала применяют жидкое стекло с добавлением гидрофобной массы в виде не разлагающейся эмульсии, а в качестве газообразного реагента используют углекислый газ [3].

Полученные вышеуказанными способами брикеты обладают низкой прочностью, проходят длительную тепловую сушку, содержат большой процент связующего материала, что приводит к недостаточной плотности и к чрезмерному увеличению количества шлаков в процессе плавки и, как следствие, к повышенному разъеданию футеровки плавильного агрегата, загрязнению сплавов при переплавке брикетов.

Известен также способ брикетирования металлической стружки [4], включающий ее дробление, очистку, добавление связующего материала, перемешивание и уплотнение в пресс-форме, при этом в качестве связующего используют металлический порошок, полученный обогащением шламовых отходов металлообработки с коэффициентом заполнения брикета порошком от 0,3 до 0,7 его объема.

По этому способу для получения брикета, пригодного к транспортировке и переработке, необходимо приложить усилие прессования, равное 9 т/см², а кроме того, требуется наличие большого количества металлического порошка.

Известен способ брикетирования металлической стружки [5], согласно которому с целью повышения чистоты брикетов и увеличения их плотности без приложения сжимающей нагрузки стружку при заполнении емкости смешивают с металлическим расплавом из металла стружки. Плотность и прочность брикета регулируют расходом и температурой металлического расплава.

Такой способ требует наличия средств расплава основного металла, а поэтому его применение непосредственно на месте образования стружки не всегда возможно. Кроме того, такой способ требует больших затрат электрической энергии.

Поэтому очень перспективным является применение теплового сварочного процесса для соединения элементов стружки в брикет с использованием источника энергии, основанного на превращении в тепло энергии электрического тока. Использование электрического нагрева обеспечивает чистоту процесса и возможность точного регулирования нагрева при одновременной доступности и экономичности. Электрические источники тепла разнообразны по природе и принципу действия. Однако не все из них могут быть применены для брикетирования титановой стружки. Дело в том, что титан активно поглощает кислород, азот и активно взаимодействует с углеродом. При этом его химическая активность возрастает с повышением температуры самого титана, что в конечном итоге сказывается на его свойствах. Поскольку в процессе брикетирования титановая стружка оказывается в контакте со средой, содержащей перечисленные газы и углерод, поэтому необходимо предпринять меры, которые позволили бы исключить их воздействие на термические зоны брикета.

Известен способ брикетирования металлической стружки [6], включающий подготовку стружки к брикетированию, засыпку стружки в пресс-форму, уплотнение стружки до заданной плотности и ее спекание путем пропускания электрического тока через уплотненную стружку. Способ предусматривает также дробление стружки до необходимого размера и ее очистку от смазочно-охлаждающей жидкости, при этом уплотнение стружки осуществляют путем передачи на верхний пуансон-электрод усилия 20-25 МПа, а пропускаемый в течение 10-15 с через стружку электрический ток имеет плотность 8-11 А/мм². Для устранения насыщения поверхности разогретой стружки кислородом, азотом и углеродом и предотвращения образования альфированного слоя, одновременно с пропусканием электрического тока через стружку, продувают со скоростью 10 л/мин инертный газ - аргон, в который в количестве 5,8-12,3% добавлен водород. Плотность электрического тока 11 А/мм² для брикета диаметром 100 мм эквивалента величине электрического импульса в 90000 А.

Необходимость продувать через стружку аргон значительно усложняет способ брикетирования, а большая продолжительность импульса тока при его значительной величине потребует отвода тепла от пресс-формы.

Наиболее близким по своей технической сущности по отношению к заявляемому изобретению является способ брикетирования металлической стружки [7], включающий подготовку стружки к брикетированию, засыпку стружки в пресс-форму, уплотнение стружки до заданной плотности и ее спекание путем пропускания импульса электрического тока через уплотненную стружку. Способ [7] так же, как и способ [6], предусматривает предварительное дробление стружки до необходимого размера и се очистку от смазочно-охлаждающей жидкости. Отличие способа [7] от способа [6] состоит в том, что длительность и величину электрического импульса устанавливают в определенных соотношениях, являющихся функциями физических характеристик материала стружки, ее размера и физико-механических характеристик брикета. В результате этого в процессе брикетирования нагревают только незначительную часть стружки и за очень короткое время, исчисляемое в миллисекундах, при этом пропускаемый ток достигает нескольких сотен тысяч ампер. Столь быстрый нагрев позволяет процесс брикетирования титановой стружки вести без пропускания через стружку инертного газа.

В известных способах [6, 7] предусмотрено пропускание электрического тока в направлении прессования через электрод-пуансоны, из которых один электрод-пуансон - неподвижный, а второй - подвижный. Подвижный электрод-пуансон осуществляет уплотнение стружки до заданной плотности, а затем через нее пропускают импульс электрического тока. Если учесть, что плотность исходной титановой стружки в десять раз меньше плотности брикета, то становятся очевидными те трудности, которые необходимо преодолеть при изготовлении брикетов длиной 100-300 мм при традиционной схеме пропускания импульса электрического тока в направлении приложения усилия прессования. В этом случае подвижный электрод-пуансон должен перемещаться для уплотнения стружки до заданной плотности на 1-3 м. С учетом того, что для подвода к подвижному электрод-пуансону импульса электрического тока в несколько сотен тысяч ампер требуется кабель сечением порядка 70 мм², то в случае непосредственного присоединения такого кабеля к подвижному электрод-пуансону возникнут определенные механические и электротехнические проблемы.

Такой кабель имеет большую жесткость, а следовательно, большой радиус безопасного изгиба, что приведет к возникновению механических нагрузок на подвижный электрод-пуансон и узел электрического соединения и к увеличению общей длины кабеля между источником импульсного тока и электрод-пуансоном. Увеличение длины кабеля скажется на увеличении его омического сопротивления и приведет к дополнительному увеличению индуктивности кабеля, а следовательно, к изменению характеристики разряда (амплитуды тока, продолжительности разряда). При этом следует учесть, что при присоединении кабеля к подвижному электрод-пуансону не представляется возможность каким-либо образом зафиксировать его пространственное положение. Неопределенный характер положения такого кабеля в пространстве после каждого перемещения электрод-пуансона в процессе уплотнения стружки приведет к неопределенному характеру изменения его индуктивности и, как следствие, к неопределенному характеру изменения характеристики разряда, к сдвигу момента прохождения импульса тока через максимум. Все это обусловлено неопределенным характером изменения переходных процессов в электрической цепи "источник импульсного тока - электрод", что в конечном итоге скажется на качестве изготовляемых брикетов.

Существующие возможности передачи электрического тока к подвижному электроду с помощью скользящих контактов [8] не могут быть применены для целей брикетирования в силу того, что они имеют ограничения по величине подводимого тока, связаны с изнашиванием скользящих контактов и вызывают значительный разогрев места контакта.

В основу изобретения была поставлена задача разработать способ брикетирования, который позволил бы упростить процесс изготовления брикетов из титановой стружки и повысить их качество.

Технический результат заявляемого изобретения состоит в снижении неопределенности в характере изменения переходных процессов в цепи разряда.

Технический результат достигается тем, что в способе брикетирования металлической стружки, преимущественно титановой, включающем подготовку стружки к брикетированию, засыпку стружки в пресс-форму, уплотнение стружки прессованием до заданной плотности и ее спекание путем пропускания импульса электрического тока через уплотненную стружку, согласно изобретению импульс электрического тока пропускают в направлении, перпендикулярном направлению прессования, электроды выполняют неподвижными и размещают их на стенках камеры прессования и спекания пресс-формы.

Благодаря тому что импульс электрического тока пропускают в направлении, перпендикулярном направлению прессования, электроды можно выполнить неподвижными и разместить их на стенках камеры прессования и спекания пресс-формы. В этом случае участок электрической цепи "источник импульсного тока - брикет", образованный кабелем, шиной, электродом и предварительно сжатой до размера брикета стружкой, имеет практически постоянную характеристику цепи разряда. Это обусловлено тем, что размеры элементов, составляющих участок цепи, определены конструктивно, то есть точно известны, а положение кабеля в пространстве не зависит от величины перемещения пуансона. Имеющаяся некоторая неопределенность переходного процесса в указанной выше электрической цепи зависит только от параметров брикета, в частности от взаимного расположения стружки внутри брикета, но эта величина хотя и переменная, но ее изменение не столь значительно, а поэтому она не скажется существенно на характеристике разряда.

Эти и другие особенности и преимущества настоящего изобретения будут приведены ниже при рассмотрении принципиального устройства для брикетирования стружки:
фиг. 1 - продольный разрез устройства,
фиг. 2 - разрез по А-А.

Устройство 1 для брикетирования титановой стружки 2 в брикет 3 содержит станину 4, размещенную на ней пресс-форму 5 с расположенными в ней камерой прессования и спекания 6 и загрузочной камерой 7 и бункер 8 для стружки, установленный над загрузочной камерой. Пресс-форма содержит также пуансон 9, соединенный с реверсивным приводом 10, разгрузочное окно 11, расположенное на торцевой стенке камеры прессования и спекания 6 соосно пуансону 9, затвор 12 с приводом 13 для перекрытия разгрузочного окна 11 и электроды 14. Электроды 14 выполняют неподвижными и размещают на противолежащих стенках 15 камеры прессования и спекания 6. Таким образом внутренний объем камеры прессования и спекания 6 образован затвором 12, пуансоном 9 и противолежащими стенками 15 с электродами 14, основанием и верхней плитой пресс-формы 5. С электродами 14 соединены шины 16, зафиксированные на камере прессования и спекания. Шины соединены с кабелем 17, а сам кабель соединен с источником импульсного тока 18. Кабель зафиксирован известным способом (не показано), а его длина определяется возможностью максимального приближения источника импульсного тока к пресс-форме.

В тех случаях, когда будущий брикет имеет вытянутую форму, например параллелепипеда, пуансон 9 целесообразно выполнить в виде подвижной стенки камеры прессования и спекания, имеющей наименьшую площадь. В этом случае усилие прессования стружки будет меньше, поскольку его величина связана прямой зависимостью с площадью приложения усилия прессования. Тогда электроды 14 размещают на стенках камеры прессования и спекания, имеющих площадь больше площади подвижной стенки камеры прессования и спекания. Как известно, прохождение электрического тока через проводник, обладающий сопротивлением, всегда сопровождается выделением тепла. Количество этого тепла прямо зависит от сопротивления проводника, а сопротивление проводника имеет обратную зависимость от площади поперечного сечения проводника. Таким образом, с увеличением площади электродов потери мощности импульса электрического тока, обусловленные выделением тепла в электродах, уменьшатся. Следовательно, импульс тока в этом случае использован более эффективно для соединения между собой предварительно спрессованных элементов стружки.

Заявленный способ осуществляют следующим образом. Подлежащую брикетированию стружку предварительно обрабатывают для уменьшения ее размера и очищают от масла и эмульсии, удаляют посторонние включения. Затем подготовленную стружку загружают в бункер 8, а из него - в загрузочную камеру 7. Включают привод 10 перемещения пуансона и стружку из загрузочной камеры 7 подают в камеру прессования и спекания 6 с одновременным уплотнением стружки до заданной плотности. Исходя из площади поперечного сечения пуансона и величины удельного давления, необходимой для достижения заданной плотности брикета, к пуансону прикладывают необходимое усилие прессования. В процессе уплотнения стружки между ее элементами образуется механический контакт. После уплотнения стружки через нее в направлении, перпендикулярном направлению прессования, пропускают импульс электрического тока с заданными параметрами разряда (величина тока и его продолжительность), которые определяются в процессе отработки процесса брикетирования. Сопротивление элементов стружки в месте их взаимного соприкосновения всегда представляет собой точечное контактное сопротивление. Однако это сопротивление не подчиняется известным зависимостям для металлов. Это обусловлено тем, что поверхности стружки никогда не являются идеально ровными, кроме того, степени контакта под действием усилия прессования между отдельными элементами стружки в силу их хаотичного расположения всегда будут различными, на поверхности стружки могут оставаться после очистки жировые пленки, толщина окисных пленок также может отличаться на отдельных участках. Все это вызывает большое омическое сопротивление в зонах контактов стружки, а прохождение через эти участки импульса электрического тока сопровождается выделением большого количества тепловой энергии, результатом которого является локальный разогрев и локальное расплавление отдельных контактирующих между собой участков стружки, диффузия металла в местах расплавления и соединение элементов стружки между собой с образованием брикета.

Для извлечения брикета из камеры прессования и спекания затвор 12 приводом 13 поднимают вверх, открывая разгрузочное окно 11. После этого дополнительным перемещением пуансона 9 в направлении приложения усилия прессования готовый брикет выталкивают из камеры прессования и спекания. Затем затвор 12 опускают вниз, перекрывая разгрузочное окно 11, а пуансон 9 перемещают в исходное положение. На этом цикл изготовления брикета заканчивается. За время извлечения брикета из камеры прессования и спекания и возврата пуансона в исходное положение осуществляют известным способом подзарядку источника импульсного тока.

В силу того что пропускаемый через стружку импульс электрического тока подают через неподвижные электроды, которые размещают на стенках камеры прессования и спекания, пространственное положение электрической цепи, по которой пропускают импульс электрического тока, всегда постоянно и не зависит от величины перемещения пуансона, а это означает, что характер изменения переходных процессов на участке разряда можно считать постоянным, то есть неизменной будет и характеристика разряда. Следует также отметить, что в предложенном способе брикетирования титановой стружки в отличие от традиционного, при котором направление пропускания импульса электрического тока через спрессованную стружку и направление усилия прессования совпадают, достигают снижение потери мощности импульса тока на электродах (более полное использование импульса тока для целей брикетирования), при одновременном снижении усилия прессования. Кроме того, присоединение кабеля к неподвижным шинам камеры прессования и спекания исключает проблемы, связанные с обеспечением надежного электрического соединения, которые возникают в случае подвижного электрод-пуансона, снижает механические нагрузки на пуансон и упрощает процесс извлечения готового брикета из камеры прессования и спекания.

Источники информации
1. а.с. СССР N 653135, кл. B 30 B 9/32.

2. а.с. СССР N 709385, кл. B 30 B 9/32.

3. а.с. СССР N 783043, кл. B 30 B 9/32.

4. а.с. СССР N 448967, кл. B 30 B 9/32.

5. а.с. СССР N 1375475, кл. B 30 B 9/32.

6. а.с. СССР N 1748942, кл. B 30 B 9/32.

7. п. РФ N 2063304 кл. B 30 B 9/32.

8. А. Н. Шамов и др. Высокочастотная сварка металлов. Л. Политехника, 1991, с. 105-132.

Изобретение относится к переработке металлической стружки, преимущественно титановой. Способ включает подготовку стружки к брикетированию, засыпку стружки в пресс-форму, уплотнение стружки прессованием до заданной плотности и спекание путем пропускания импульса электрического тока через уплотненную стружку. Импульс электрического тока пропускают в направлении, перпендикулярном направлению прессования, при этом электроды выполняют неподвижными и размещают их на стенках камеры прессования и спекания пресс-формы. Изобретение позволяет наиболее полно использовать импульс тока для целей брикетирования при одновременном снижении усилия прессования, обеспечить надежное электрическое соединение, снизить механические нагрузки на пуансон. 2 ил.

Способ брикетирования металлической стружки, преимущественно титановой, включающий подготовку стружки к брикетированию, засыпку стружки в пресс-форму, уплотнение стружки прессованием до заданной плотности и спекание путем пропускания импульса электрического тока через уплотненную стружку, отличающийся тем, что импульс электрического тока пропускают в направлении, перпендикулярном направлению прессования, при этом электроды выполняют неподвижными и размещают их на стенках камеры прессования и спекания пресс-формы.