СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТИТАНОВОЙ ДРОБИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК B22F9/10 

Группа изобретений относится к области порошковой металлургии и способам получения металлических порошков, в частности к производству порошка титанового сплава.

Из уровня техники известен (RU 2361698, B22F 9/10, 20.07.2009 /1/) способ получения сферических порошков, включающий вращение цилиндрической заготовки вокруг горизонтальной оси, оплавление торца заготовки плазменной струей дугового плазмотрона с обеспечением распыления расплавленных частиц под действием центробежных сил и затвердевания частиц при полете в газовой среде, отличающийся тем, что на торце заготовки формируют вогнутую полость, диаметр которой равен диаметру заготовки, а глубина - 0,1-0,35 диаметра заготовки, путем изменения расхода газа через плазмотрон и перемещения плазмотрона относительно оси вращения заготовки, а распыление расплавленных частиц осуществляют по конической поверхности, образованной касательной к криволинейной поверхности вогнутой полости.

Недостатком указанного способа-прототипа является его склонность к образованию пористости внутри порошков (гранул), что обусловлено следующим. Расплавленные частицы, оторвавшиеся от кромки торца заготовки, разлетаются в вертикальной плоскости в виде диска. При этом расплавленные частицы, летящие вверх, сталкиваются с уже затвердевшими частицами, падающими вниз. Распыленные сферические частицы имеют разные размеры, и некоторые мелкие твердые частицы при столкновении с более крупными расплавленными частицами протыкают их с образованием каналов или пустот. Это приводит к снижению качества изделий, получаемых из порошков-гранул, и даже вынуждает браковать некоторые изделия. При этом наличие недопустимой внутригранульной пористости выявляется только после изостатического прессования и термообработки изделий, что приводит к непроизводительным затратам вследствие непреднамеренного изготовления бракованных изделий.

Также, из уровня техники известны способ получения гранул (RU 2376111, B22F 9/06, 20.12.2009 /2/) и устройство для получения порошков и гранул, содержащие рабочую камеру, заполняемую инертным газом, дуговой плазмотрон для плавления вращающейся заготовки и компрессоры с трубопроводами для непрерывной откачки инертного газа из рабочей камеры и подачи его в плазмотрон, отличающиеся тем, что в качестве компрессоров установлены вакуумные мембранные наносы, а трубопроводы снабжены вентилями, при этом устройство выполнено с возможностью предварительной откачки воздуха из рабочей камеры, заполнения ее инертным газом и последующей непрерывной откачки газа из камеры и подачи его в плазмотрон.

Недостатком данной конструкции является то, что забор газа из камеры распыления происходит только через систему циркуляции газа для плазмотрона, который осуществляется с помощью вакуумных насосов с целью обеспечения ионизации газа для последующего распыления плазмой торца вращающейся заготовки. Попадая в камеру, плазма снова превращается в газ и забирается компрессором, затем снова подается в плазмотрон. Охлаждение газа происходит через охлаждаемые стенки камеры распыления, однако газ на некотором расстоянии от охлаждаемых стенок камеры застаивается в нагретом состоянии, таким образом, понижая эффективность охлаждения капель металла в полете за счет конвекции. Получаемая степень охлаждения для производства гранул титановых сплавов явно недостаточна и ведет к получению частиц несферической формы, что приводит к понижению выхода годного порошка.

При производстве титановых гранул возможно образование частиц несферической чешуйчатой формы. Это объясняется тем, что гранулы из-за недостаточного охлаждения в полете претерпевают существенное формоизменение при соударении со стенкой камеры распыления, вследствие чего они теряют сферическую форму [Статья в журнале «Технология легких сплавов», 2010, №2, с.44-48]. На некотором расстоянии от водоохлаждаемых стенок камеры распыления нагретый газ застаивается у стенок камеры распыления, а так как теплоотдача у титановых сплавов меньше, чем у никелевых, то гранулы не успевают полностью закристаллизоваться в полете. Поэтому при соударении со стенкой камеры происходит их пластическая деформация, что и ведет к образованию частиц несферической формы. Это, в свою очередь, приводит к понижению выхода годного порошка, так как при дальнейшей ситовой классификации гранул частицы такой формы не проходят через стандартную сетку и попадают в отсев.

При этом опытным путем установлено, что при получении дроби титановых сплавов методом центробежного распыления из-за значительного увеличения размеров (до 3 мм) и, соответственно, массы дроби снижается скорость ее охлаждения в камере распыления. Дробь начинает «налипать» на боковые стенки камеры распыления с образованием массивных спеков, затрудняющих процесс ее движения (ссыпания) в приемный бункер и вызывающих перегрев внутренних поверхностей камеры распыления, приемной трубы и приемного бункера, включая герметичные уплотнения из РТИ, при разрушении которых может возникнуть аварийная ситуация и разгерметизация установки.

Задача, на которую направлена группа изобретений, заключается в разработке устройства и способа, при которых возможно получение гранул (дроби) титановых сплавов фракционного состава до 3,0 мм, минимизируя образование спеков дроби.

Техническим результатом группы изобретений является снижение температуры в камере распыления, увеличение скорости охлаждения (кристаллизации) дроби в процессе распыления и ссыпания ее в приемный бункер, улучшение теплоотвода с внутренних поверхностей приемной трубы и приемного бункера.

На достижение указанного технического результата оказывают влияние следующие существенные признаки.

Способ получения титановой дроби, включающий оплавление торца вращающейся вокруг горизонтальной оси цилиндрической титановой заготовки плазменной струей плазмотрона с обеспечением центробежного распыления расплавленных частиц дроби в камере распыления и затвердевания их в среде рабочих газов, сбор дроби, отличающийся тем, дробь собирают из камеры распыления через приемную трубу в приемный бункер, при этом горячую смесь рабочих газов из камеры распыления направляют в теплообменник, далее направляют в фильтр, затем прошедшую через фильтр очищенную смесь рабочих газов подают в компрессор, после чего в ресивер и в охладитель с получением охлажденной смеси рабочих газов, которую подают в приемный бункер и через приемную трубу подают в виде восходящего потока навстречу движению расплавленных частиц титановой дроби в камеру распыления и обеспечивают охлаждение полученной титановой дроби.

Данный способ получения титановой дроби позволяет минимизировать образование спеков дроби и, соответственно, улучшает ее сбор/ссыпание в специально разработанный приемный бункер, охлаждаемый поступающей в него рабочей смесью внутри и имеющий водоохлаждение снаружи, и исключает разгерметизацию установки по причине потери свойств вакуумных уплотнений камеры распыления, приемного бункера и приемной трубы, которая также исполняется водоохлаждаемой.

Устройство для получения титановой дроби вышеуказанным способом характеризуется тем, что оно содержит камеру распыления с плазмотроном для плавления вращающейся вокруг горизонтальной оси цилиндрической титановой заготовки, выполненную с возможностью предварительной откачки воздуха и заполнения ее инертным газом, которая снабжена компрессором для непрерывной откачки смеси рабочих газов, приемный бункер для сбора частиц дроби, соединенный через приемную трубу с камерой распыления, и соединенные посредством трубопровода с компрессором для непрерывной откачки смеси рабочих газов и установленные последовательно через металлорукава и трубопроводы теплообменник, фильтр, компрессор, ресивер и охладитель смеси рабочих газов, при этом приемный бункер выполнен с возможностью подачи в него охлажденной смеси рабочих газов и через приемную трубу в виде восходящего потока навстречу движению расплавленных частиц титановой дроби в камеру распыления.

В возможном варианте исполнения устройство содержит мембранный компрессор.

В возможном варианте исполнения мембранный компрессор выполнен двухкорпусным четырехкамерный.

В возможном варианте исполнения устройство содержит пористый фильтр.

В возможном варианте исполнения в устройстве в качестве фильтра используется тканевый фильтр.

Устройство изображено на фиг. 1:

1 - Установка центробежного распыления

2 - Теплообменник

3 - Фильтр

4 - Компрессор

5 - Ресивер

6 - Охладитель смеси рабочих газов

7 - Приемный бункер

8 - Трубопроводы и металлорукава

9 - Приемная труба

Установка центробежного распыления в конструкции предназначена для получения металлических порошков (гранул/дроби) металлов, в нашем случае титана и его сплавов, методом центробежного распыления заготовок-электродов, торцы которых оплавляются при вращении заготовки, плазменным источником нагрева (плазмотроном) в смеси инертных газов (гелий, аргон) с одновременным пересыпанием получаемых гранул в герметичную емкость (приемный бункер) без контакта с воздухом. В установке предусмотрена загрузка нескольких электродов, но плавятся они поштучно.

Через теплообменник осуществляется забор горячего газа из камеры распыления посредством мембранного компрессора. Для исключения температурного воздействия на мембрану компрессора этот горячий газ предварительно охлаждается в этом теплообменнике. Конструктивно теплообменник представляет собой водоохлаждаемый цилиндр, внутри которого проходит спиралевидный трубопровод смеси рабочих газов.

Фильтр используется для исключения попадания в мембранный компрессор пылевых частиц распыляемого материала, а также прочих механических примесей.

Можно использовать как фильтр типа «циклон», так и пористый тканевый фильтр.

Работа фильтра циклона построена на функционировании центробежных сил. С их помощью загрязненный воздух начинает входить в циклон по патрубку, после чего с высокой скоростью спиралеобразно смещается вниз. Частицы пыли под воздействием центробежной силы прижимаются к внутренним стенкам, а под воздействием силы притяжения смещаются в нижнюю часть циклона, собираясь в бункере для сбора пыли.

В основе работы пористых фильтров всех видов лежит процесс фильтрации газа через пористую перегородку, в ходе которого твердые частицы задерживаются, а газ полностью проходит сквозь нее. В процессе очистки запыленного газа частицы приближаются к волокнам или к поверхности зерен материала, сталкиваются с ними и осаждаются главным образом в результате действия сил диффузии, инерции и электростатического притяжения.

Насос-компрессор мембранный в устройстве предназначен для откачки и нагнетания в камеру распыления неагрессивной к материалам конструкции смеси рабочих газов (гелий, аргон), не содержащей капельной влаги и механических загрязнений.

Ресивер применяется для достижения большей инерционности в пневматической сети, т.е. для сглаживания пульсирующих потоков сжатого инертного газа, который поступает от компрессора мембранного (в нашем случае двухкорпусного четырехкамерного).

Детали ресивера изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и герметично соединены аргонно-дуговой сваркой.

Смесь рабочих газов поступает из ресивера в охладитель и на его выходе (после охлаждения) формирует восходящий газовый поток, направленный через приемный бункер и приемную трубу в камеру распыления. Конструктивно охладитель газа представляет собой сосуд, изготовленный по принципу сосуда Дьюара, объем которого заливается жидким азотом и внутри которого проходит спиралевидный трубопровод смеси рабочих газов. Детали охладителя газа изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и герметично соединены аргонно-дуговой сваркой.

Приемный бункер служит для сбора через приемную трубу получаемых гранул (дроби), улучшения теплоотвода с его наружной поверхности и транспортирования бункера с гранулами. Также он увеличивает скорость охлаждения гранул, поступающих в приемный бункер из камеры распыления через приемную трубу. Обеспечивает возможность формирования восходящего потока рабочей смеси инертных газов с принудительной циркуляцией.

Трубопроводы и металлорукава высокого давления изготовлены полностью из нержавеющей стали, что позволяет широко использовать их для транспортировки/подачи различных технических газов и жидкостей, включая агрессивные. Широкий диапазон рабочих температур (от криогенных до +600°C), стойкость к агрессивным средам, герметичность до высоких давлений позволяют практически безальтернативно использовать нержавеющие металлорукава в металлургическом, нефтегазовом, химическом и других видах оборудования.

Приемная труба полностью изготовлена из нержавеющей стали, служит для транспортировки/ссыпания полученных гранул/дроби в приемный бункер, транспортировки/подачи охлажденной смеси рабочих газов в рабочую камеру и улучшения теплоотвода с ее наружной поверхности.

Последовательное расположение различных частей в устройстве продиктовано в том числе необходимостью обеспечения эффективной работы устройства и требованием подачи очищенной и охлажденной смеси рабочих газов в компрессор.

В одном из вариантов исполнения устройство для получения титановой дроби содержит рабочую камеру, заполняемую смесью инертных газов (гелий - 90%, аргон - 10%), дуговой плазмотрон для плавления вращающейся заготовки и компрессор с трубопроводами для непрерывной откачки смеси рабочих газов из рабочей камеры, при этом устройство выполнено с возможностью предварительной откачки воздуха из рабочей камеры, заполнения ее инертным газом и последующей непрерывной откачки газа из камеры и подачи его в плазматрон ПСМ-100 из установки центробежного распыления, характеризуется тем, что устройство содержит последовательно соединенные через металлорукава и трубопроводы из нержавеющей стали:

теплообменник, который представляет собой водоохлаждаемый цилиндр, внутри которого проходит спиралевидный трубопровод смеси рабочих газов, детали теплообменника изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и герметично соединены аргонно-дуговой сваркой;

пористый тканевый фильтр, детали фильтра изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и герметично соединены аргонно-дуговой сваркой;

двухкорпусный четырехкамерный мембранный компрессор (МНВК 2×4),

ресивер, детали которого изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и герметично соединены аргонно-дуговой сваркой,

охладитель смеси рабочих газов, представляющий собой сосуд, изготовленный по принципу сосуда Дьюара, объем которого заливается жидким азотом и внутри которого проходит спиралевидный трубопровод смеси рабочих газов, детали охладителя газа изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и герметично соединены аргонно-дуговой сваркой.

Устройство содержит приемный бункер и приемную трубу, конструкция которых образует восходящий поток охлажденных инертных рабочих газов, при этом они расположены и соединены таким образом, что смесь разогретых рабочих газов направляется из рабочей камеры через металлорукава и трубопроводы в теплообменник, а приемный бункер через металлорукав и приемную трубу соединен с рабочей камерой и образует восходящий поток охлажденных инертных рабочих газов, который подается в рабочую камеру.

Таким образом, группа изобретений обеспечивает снижение температуры в камере распыления, увеличение скорости охлаждения (кристаллизации) дроби в процессе распыления и ссыпания ее в приемный бункер, улучшение теплоотвода с внутренних поверхностей приемной трубы и приемного бункера. Что способствует получению дроби титановых сплавов фракционного состава до 3,0 мм, минимизируя образование спеков дроби.

Группа изобретений относится к получению титановой дроби. Оплавляют торец вращающейся вокруг горизонтальной оси цилиндрической титановой заготовки плазменной струей плазмотрона с обеспечением центробежного распыления расплавленных частиц дроби в камере распыления и затвердевания их в среде рабочих газов, проводят сбор дроби из камеры распыления через приемную трубу в приемный бункер. Горячую смесь рабочих газов из камеры распыления направляют в теплообменник, далее в фильтр, затем в компрессор, после чего в ресивер и в охладитель с получением охлажденной смеси рабочих газов, которую подают в приемный бункер и через приемную трубу подают в виде восходящего потока навстречу движению расплавленных частиц титановой дроби в камеру распыления и обеспечивают охлаждение полученной титановой дроби. Предложено устройство для реализации упомянутого способа получения титановой дроби. Обеспечивается снижение температуры в камере распыления, увеличение скорости охлаждения дроби в процессе распыления и ссыпания ее в приемный бункер, улучшение теплоотвода с внутренних поверхностей приемной трубы и приемного бункера. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения титановой дроби, включающий оплавление торца вращающейся вокруг горизонтальной оси цилиндрической титановой заготовки плазменной струей плазмотрона с обеспечением центробежного распыления расплавленных частиц дроби в камере распыления и затвердевания их в среде рабочих газов, сбор дроби, отличающийся тем, дробь собирают из камеры распыления через приемную трубу в приемный бункер, при этом горячую смесь рабочих газов из камеры распыления направляют в теплообменник, далее направляют в фильтр, затем прошедшую через фильтр очищенную смесь рабочих газов подают в компрессор, после чего в ресивер и в охладитель с получением охлажденной смеси рабочих газов, которую подают в приемный бункер и через приемную трубу подают в виде восходящего потока навстречу движению расплавленных частиц титановой дроби в камеру распыления и обеспечивают охлаждение полученной титановой дроби.

2. Устройство для получения титановой дроби способом по п. 1, характеризующееся тем, что оно содержит камеру распыления с плазмотроном для плавления вращающейся вокруг горизонтальной оси цилиндрической титановой заготовки, выполненную с возможностью предварительной откачки воздуха и заполнения ее инертным газом, которая снабжена компрессором для непрерывной откачки смеси рабочих газов, приемный бункер для сбора частиц дроби, соединенный через приемную трубу с камерой распыления, и соединенные посредством трубопровода с компрессором для непрерывной откачки смеси рабочих газов и установленные последовательно через металлорукава и трубопроводы теплообменник, фильтр, компрессор, ресивер и охладитель смеси рабочих газов, при этом приемный бункер выполнен с возможностью подачи в него охлажденной смеси рабочих газов и через приемную трубу в виде восходящего потока навстречу движению расплавленных частиц титановой дроби в камеру распыления.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что оно содержит мембранный компрессор.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что мембранный компрессор выполнен двухкорпусным четырехкамерным.

5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что оно содержит пористый фильтр.

6. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в качестве фильтра использован тканевый фильтр.