СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТИТАНОВЫХ ГРАНУЛ Российский патент 2016 года по МПК B22F9/14 

Изобретение 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 известен способ получения гранул (RU 2376111, B22F 9/06, 20.12.2009, /2/) и устройство для получения порошков и гранул, содержащее 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, отличающееся 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 при получение гранул из титановых сплавов методом центробежного распыления гранулы начинают «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 направлено изобретение, заключается в разработке способа, при котором возможно получение гранул титановых сплавов, минимизируя образование спеков гранул.

Техническим результатом изобретения является снижение температуры в камере распыления, увеличение скорости охлаждения (кристаллизации) гранул 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 титановых гранул заключается в том, что осуществляют вращение цилиндрической заготовки вокруг горизонтальной оси, оплавляют торец заготовки плазменной струей дугового плазмотрона с обеспечением распыления расплавленных частиц под действием центробежных сил и затвердевания частиц при полете в среде рабочих газов, характеризующийся тем, горячую смесь рабочих газов забирают из камеры распыления, направляют, далее направляют в фильтр первичной очистки, далее направляют в фильтр сверхтонкой очистки, после чего очищенную смесь рабочих газов направляют через теплообменник в компрессор, оттуда ее направляют в ресивер, после чего смесь рабочих газов направляют в охладитель смеси рабочих газов, после охлажденную смесь рабочих газов подают в формирователь охлаждающего потока смеси рабочих газов и далее формируют поток смеси охлажденных рабочих газов, направляя его через формирователь охлаждающего потока смеси рабочих газов в камеру распыления таким образом, что расплавленные частицы титана охлаждаются создаваемым потоком охлажденной смеси рабочих газов, после чего предварительно охлажденные частицы гранул ссыпают в приемный бункер.

Способ поясняется с помощью фиг. 1:

1 - Камера (центробежного) распыления

2 - Формирователь охлаждающего потока рабочих газов

3 - Фильтр первичной очистки

4 - Фильтр сверхтонкой очистки

5 - Охладитель смеси рабочих газов

6 - Теплообменник

7 - Ресивер

8 - Охладитель смеси рабочих газов

9 - Формирователь охлаждающего потока рабочих газов

10 - Камера загрузочная

11 - Камера приводов

12 - Приемная труба

13 - Приемный бункер.

Камера центробежного распыления или плавильная камера в конструкции предназначена для получения металлических порошков гранул 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. Вращение цилиндрической заготовки вокруг горизонтальной оси, оплавление торца заготовки плазменной струей дугового плазмотрона с обеспечением распыления расплавленных частиц под действием центробежных сил осуществляют с целью получения из заготовки мелких титановых частиц.

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. Направление горячей смеси рабочих газов в теплообменник осуществляют с целью первичного охлаждения, что увеличивает продолжительность работы фильтра и улучшает его рабочие свойства.

Фильтр первичной очистки используется для исключения попадания в мембранный компрессор пылевых частиц распыляемого материала, а также прочих механических примесей. Подача в него горячей смеси рабочих газов, прошедших первичное охлаждение осуществляется для очищения смеси.

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.

Фильтр сверхтонкой очистки предназначен для отчистки от мелких частиц, пыли и т.д.

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.

Подача в ресивер осуществляется 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.

Подачу смеси рабочих газов из ресивера в охладитель осуществляют для полного или более существенного охлаждения.

После охлаждения смесь рабочих газов подают в формирователь охлаждающего потока рабочих газов для формирования встречного газового потока (который может образовывать, например, облако), направленного в камере распыления навстречу разлетающимся гранулам, которые образуются из расплавленного электрода.

Подача смеси рабочих газов из формирователя охлаждающего потока рабочих газов в камеру распыления через форсунки осуществляется для равномерного распределения в камере потока рабочих газов и возможности придания ему определенной (векторной) направленности, например перпендикулярно горизонтальной оси вращающейся заготовки (электрода).

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 и возможности транспортирования бункера с гранулами.

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°С), стойкость к агрессивным средам, герметичность до высоких давлений позволяют практически безальтернативно использовать нержавеющие металлорукава в металлургическом, нефтегазовом, химическом и других видах оборудования. Трубопроводы и металлорукава последовательно и герметично соединяют каждый элемент конструкции - установку центробежного распыления, теплообменник, фильтр, компрессор, ресивер, охладитель смеси рабочих газов, формирователь охлаждающего потока рабочих газов. Кроме того, они (трубопроводы и металлорукава) соединяют между собой камеру (центробежного) распыления и приемный бункер, в рамках нашей заявки этот элемент конструкции мы называем приемной трубой.

Приемная труба полностью изготовлена из нержавеющей стали, служит для транспортировки/ссыпания полученных гранул 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 плазмотрон (например, ПСМ-100) из установки центробежного распыления и 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. Устройство содержит пористый тканевый фильтр. Детали фильтра изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и герметично соединены аргонно-дуговой сваркой. Также устройство содержит двухкорпусной 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, при этом они расположены и соединены таким образом, что охлажденные/кристаллизованные гранулы направляются/ссыпаются из рабочей камеры через металлорукава и трубопроводы, в нашем варианте исполнения это приемная труба 12, в приемный бункер 13 под действием силы тяжести.

Таким образом, изобретение обеспечивает снижение температуры в камере распыления, увеличение скорости охлаждения (кристаллизации) гранул в процессе распыления и ссыпания их в приемный бункер, что способствует получению гранул из титана и титановых сплавов фракционного состава без образования спеков гранул.

Изобретение относится к получению титановых гранул. Осуществляют вращение цилиндрической заготовки вокруг горизонтальной оси, оплавляют торец заготовки плазменной струей дугового плазмотрона с обеспечением распыления расплавленных частиц под действием центробежных сил и затвердевания частиц при полете в среде рабочих газов. Горячую смесь рабочих газов забирают из камеры распыления, далее направляют в фильтр первичной очистки, далее направляют в фильтр сверхтонкой очистки, после чего очищенную смесь рабочих газов направляют через теплообменник в компрессор, оттуда ее направляют в ресивер, после чего смесь рабочих газов направляют в охладитель смеси рабочих газов, после охлажденную смесь рабочих газов подают в формирователь охлаждающего потока смеси рабочих газов и далее формируют поток смеси охлажденных рабочих газов путем направления его через формирователь охлаждающего потока смеси рабочих газов в камеру распыления с обеспечением охлаждения расплавленных частиц потоком охлажденной смеси рабочих газов, после чего предварительно охлажденные частицы гранул ссыпают в приемный бункер. Обеспечивается снижение температуры в камере распыления, увеличение скорости охлаждения гранул, улучшение теплоотвода с внутренних поверхностей приемной трубы и приемного бункера. 1 ил.

Способ получения титановых гранул, 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 среде рабочих газов, отличающийся тем, что горячую смесь рабочих газов забирают из камеры распыления, далее направляют в фильтр первичной очистки, далее направляют в фильтр сверхтонкой очистки, после чего очищенную смесь рабочих газов направляют через теплообменник в компрессор, оттуда ее направляют в ресивер, после чего смесь рабочих газов направляют в охладитель смеси рабочих газов, после охлажденную смесь рабочих газов подают в формирователь охлаждающего потока смеси рабочих газов и далее формируют поток смеси охлажденных рабочих газов путем направления его через формирователь охлаждающего потока смеси рабочих газов в камеру распыления с обеспечением охлаждения расплавленных частиц потоком охлажденной смеси рабочих газов, после чего предварительно охлажденные частицы гранул ссыпают в приемный бункер.