мЕТАЛЛУРГИЯ МЕДИ. Металлургия меди
 Скачать 14.69 Mb.
|
Раздел 1. Введение.Лекция 1. Требования, предъявляемые к современным металлургическим процессам.Вопрос 1. Комплекснгость использования сырья (КИС) Первое и самое главное требование: достижение высокой степени комплексности использования сырья. Кроме меди, рудное сырье Урала содержит: серебро, германий, индий, кадмий, золото, серу, селен, теллур, талий, висмут , сурьму, галлий + железо. Большую ценность представляет и силикатная часть руд, представленная минералами пустой породы. SiO2, Al2O3, CaO. Это новое положение. В рудах есть до 30 ценных компонентов, из которых полезную ценность составляет порядка 20, а извлекается 14. Так коэффициент комплексного использования сырья 46,6%. Этого мало….. У нас в металлургии меди самый высокий коэффициент у Норильского Никеля, более 50%. Основным научным направлением кафедры является повышение комплексности использования сырья в ЦМ. Стоимость ценных компонентов в рудах зависит от их содержания. Например, в медно-цинковых рудах меди 1-2%, Цинка 1-4%. То есть чем больше ценного компонента, тем выше ценность руды. Но кроме содержания металла, ценность руды зависит и от стоимости извлекаемого металла. Это непостоянная величина и изменяется в зависимости от конъюнктуры рынка. В случае оценки сульфидных руд и концентратов следует иметь ввиду, что они обладают высокой теплотворной способностью и должны рассматриваться не только как источник ценных оставляющих, но и как поставляемые энергоносители (для автогенных процессов). Так в понятие КИС (комплексное использование сырья) должно включаться и использование энергетических возможностей сырья. Сульфидных руд добывается порядка 100 млн. тонн. И потенциальное количество теплоты, которое может быть получено при сжигании серы эквивалентно 200-400 млн. тонн условного топлива. (1 кг условного топлива равен 29,3 мДж тепла.) так измеряются расходы комбинированного отопления. Это очень существенная доля в энергетическом балансе страны. Поэтому, при разработке новой схемы надо полностью реализовывать потенциал сырья. В тех случаях, когда теплота от окисления серы используется не полностью, стоимость сульфидов сырья, как энергоносителя, должна вычитаться из экономического эффекта процесса. Вопрос 2. Экологическая безопасность технологий. Технология будущего должна быть безотвальной. Всякого рода отвалы: шлаки, шламы, отвалы, хвосты обогащения приводят к тому, что на их складирование, хранение идет много площадей, которые исключаются из сельского хозяйства. В России на 1 тонну выплавленной меди образуется от 30-100 тонн пустой породы 1-8 тонн шлама. На 1 тонну получаемой меди отходит 0,01 га земли. В целом по стране 500000 га занимают отвалы. На Урале ежегодно формируется 5 миллиардов тонн различных отходов. В том числе хвосты обогащения 220 млн. тонн хвостов и складировано 110 млн. тонн медьсодержащих шлаков 0,37 меди 0,98 серы 7 тонн золота. По свердловской области нарушено 40000 га. Важное условие современной технологии. Это устранение вредных выбросов. За 65 лет только с медеплавильх завов свердловской области выброшено в атмосферу (в тысячах тонн):
Содержание вредных компонентов в городской сети более 10 мг\л. Предприятие платит штрафы за выброс вредных компонентов сверх норматива и за превышение уровней пдк. Все это идет возвратом в себестоимость основной продукции. Серу утилизируют при выборе технологических процессов. Так серу переводят в кислоту, где концентрация SO2 >3,5 объемных процентов, то сернокислотный цех перерабатывает, если меньше то ее выбрасывают. Можно производить элементную серу, удобрения, купорос. Элементной серы много, но она мало кому нужна. Япония предлагает элементную серу закатать в асфальт. Для сохранения водного бассейна применяется водооборот (вода вторично используется в цикле гидрометаллургического производства). Вопрос 3. Удельная производительность оборудования В современных технологиях комплексного использования сырья, важное значения имеет высокая удельная производительность аппаратуры. Это связано с истощением рудной базы и вовлечения в переработку бедного и плохо-извлекаемого сырья. Экономическая составляющая: при высокой удельной производительности снижаются капитальные затраты. Поэтому, нужны высокопроизводительные процессы. Вопрос 4. Совершенствование существующих технологий. Вместе с разработкой новых процессов должны совершенствоваться и существующие технологии (совершенствование и модернизация). Тенденция модернизации оборудования на основе принципов современных процессов явно наблюдается в ведущих зарубежных странах – производителей меди. США, Канада, Япония, Германия. Вопрос 5. Роль вторичной цветной металлургии. В связи с истощением рудной базы возрастает роль вторичной цветной металлургии. Доля вторичного сырья в мире достигает 35%, в США 65%. Европейские страны в большинстве работают на вторичном сырье. Вопрос 6. Разработка непрерывных и поточных линий производства Актуальна схема создания непрерывных процессов или поточных схем, когда технология реализуется в одном или в ряде последовательно расположенных аппаратов (в едином потоке материалов, продуктов, и полупродуктов пр-ва). В данном случае создаются условия для эффективного использования тепла отходящих газов и серы. Вопрос7. Экономия топливно-энергетических ресурсов. В связи с удорожанием Топливно Энергетических Ресурсов актуальна проблема использования вторичных энерго-ресурсов и утилизации тепла в тех агрегатах, где применяются естественные виды топлива. Раздел 2. Порошковая металлургия Область науки и техники, свя занная с получением порошков металлов и их сплавов, а также с производством изделий из порошков. Достоинства порошковой металлургии: — получение композиций (на основе тугоплавких метал лов, их карбидов, нитридов, боридов со значительной разницей температуры, типа Си—XV, из металлов и неметаллов типа Си—С, А1—А1203, которые не удается получать другими спо собами;
Лекция 2. Способы получения порошков цветных металлов. Механическое измельчение. Распыление расплава Вопрос 1. способы получения порошков. Современные способы получения порошков условно разде ляют на следующие три группы:
Выбор способа получения осуществляют с учетом типа сы рья, требуемых свойств порошка, экономической эффективнос ти и экологии. Вопрос 2. Механическое изельчение Используют приемы резания, истирания, дробления и из мельчения. Резанием получают порошки, крупку металлов, весьма ак тивных по отношению к кислороду (в частности, порошки маг ния); используют фрезерные станки или обдирку металла сталь ными щетками. Способ прост, производителен, но имеет ограни ченное применение. В аппаратах дробильно-помольного типа измельчают ме таллы и соединения, обладающие повышенной хрупкостью (висмут, сурьма, кремний, их сплавы, марганец и др.); иногда для повышения хрупкости в состав сырья предварительно вво дят добавки оксидов, сульфидов одноименного металла, наво-дораживают (титан, цирконий, тантал), обрабатывают элект рохимически (никель, Тл—А1, №—Со). При измельчении чаще всего получают частицы осколочной формы, чешуйки, лепест ки. Последние особенно удобны при использовании порошков для получения химических реактивов, красящих пудр, соста вов. Порошки отличаются повышенной насыпной массой, не большой поверхностью. Из-за наклепа возрастает твердость частиц. Проводят крупное (40—80 мм), среднее (3—10 мм) и мел кое (0,3—0,7 мм) дробления и измельчение (-150 мкм). Для крупного и среднего дробления используют щековые дробил ки; мелкое дробление проводят в шаровых мельницах. Из мельчение, особенно пирофорных порошков, проводят в жид кой среде (вода, бензол, спирт и др.), в среде инертного газа или в присутствии ингибиторов. Внутреннюю часть футеруют нержавеющей сталью, твердыми сплавами; из этого же мате риала изготовляют и шары. Измельчение достигается за счет эффекта удара, истирающего воздействия на обрабатываемые материалы. Степень заполнения составляет 40— 50 % объема барабана. На 1 л объема мельницы загружают 1,7—1,9 кг ша ров, чтобы их масса в 2,5—3,0 раза превышала массу обраба тываемого сырья. Диаметр шаров принимают около 0,05 вну треннего диаметра мельницы. Для обработки 5—8 кг сырья до крупности 150—200 мм тре буется 24—28 часов, при этом выход годного составляет 50— 90 %, а степень измельчения 50—100. Вибромельницы, планетарные и вихревые мельницы, ат-триторы применяют для получения небольших партий порош ка с особыми свойствами. При виброизмельчении загружае мые в мельницу исходный материал и размольные тела за счет импульсных движений корпуса совершают сложное движение. Вибромельницы различают по типу размола (сухой или мок- Рис.1. Схема производства порошка распылением водой 1 — приемник с расплавом; 2 — энергоноситель; 3 — форсунка; 4 — бункер; 5 — обезвоживание; 6 — сушка; 7 — рассев; 5 — шихтовка; 9 — контроль; 10 — затаривание Вопрос 3. Распыление расплава При распылении (рис.1) диспергация струи расплава металла проис ходит под воздействием кинетической энергии используемого энергоносителя. При использовании воды достигают высоких скоростей охлаждения (104—106 град/с), однородность порошка по соста ву, большую производительность. Вопрос 3. Твердофазное восстановление. Дисперсность порошка зависит от параметров процесса (тем пература энергоносителя, его давление), конструкции форсунки и свойств расплава (температура, поверхностное натяжение, пе регрев, вязкость, плотность, состав). Повышение давления (расхода и скорости) энергоносителя, температуры расплава и его поверхностного натяжения приво дит к увеличению выхода мелких фракций порошка. Достоин ства способа: высокая производительность и, как следствие, простое регулирование крупности частиц порошка, представи тельный перечень металлов, пригодных для такого способа получения порошков. Однако требуется качественное исход ное сырье, порошки менее пластичны, заметен выход крупных фракций (>0,1 мм). Леция 3.Твердофазное восстановление, электролиз, цементация, карбонильный , автоклавный способы Вопрос 1. Твердофазное восстановление зключаеится в обработке оксидов солей металлов газообразными или твердыми восстановителями при температурах, включающих расплавление шихты обычно не более 0,7- Шихта Вопрос 2. Электролиз. Способ заключается в обработке растворов или расплавов солей металла наложением электрического тока с образованием на катоде порошкообразного металла. Получение порошка электролизом обусловлено формирова нием диффузионных осложнений при зарождении и росте крис таллической фазы, что достигается использованием высокой плотности тока и разбавленного электролита. Из водных рас творов получают порошки меди, никеля, кобальта, цинка, сурь мы, кадмия, свинца, ряда редких и благородных металлов; для получения порошков тугоплавких металлов (2г, "Л, N5, Та, V, Ве) используют поликомпонентные расплавы на основе хлоридов или фторидов. Варьируя типы и составы электролита, скорость его цирку ляции, катодную плотность тока, температуру, тип и расход ПАВ, можно регулировать дисперсность и форму частиц в про цессе электролиза, получать двухкомпонентные порошкообраз ные сплавы, влиять на морфологию осадка. Как правило, в качестве анода используют одноименный ме талл высокой чистоты, а в качестве катода — металл с повы шенной коррозионной стойкостью, низким электрическим со противлением, незначительной шероховатостью поверхности, обеспечивающий соответствующее перенапряжение водорода. От формы катода зависит равномерность плотности тока, условия отделения осадка; чаще всего используют плоскую или стержневую форму катода, иногда — вращающиеся диски или барабаны. Своевременный съем порошка с катодов обеспечивает вос производимость его свойств; порошок снимают щетками, скреб ками, встряхивают катоды вручную, механически, за счет элек трогидравлического удара. Последующая обработка пульпы порошка включает обезво живание (на центрифугах, фильтрах), промывку, стабилизацию от окисления растворами поверхностно-активных веществ, суш ку, исключающую окисление порошка (в вакууме, в среде газа-восстановителя). При необходимости порошок измельчают, рас сеивают на фракции, шихтуют их в требуемом соотношении и упаковывают в герметичной таре. В табл. приведены основные параметры получения и свойства электролитных порошков ряда металлов. Порошки от личаются высокой чистотой, а частицы имеют уникальную ден дритную форму. Способ характеризуется энергоемкостью, невысокой удель ной производительностью, трудоемкостью, использованием до рогого исходного сырья (катодного металла).
Показатели электролиза расплавленных солей для получе ния порошков тугоплавких металлов приведены в табл. 8.2. Вопрос 3. Цементация Этот способ основан на восстановлении ионов металла с помо щью более электроотрицательного металла. Таким способом по лучают порошки меди, ряда благородных металлов. Качество по рошка в значительной степени зависит от природы металла-осади-теля, который должен удовлетворять следующим требованиям:
мого водорода, чтобы исключить дополнительный расход и ускорить завершение процесса. Аппаратурное оформление и технология способа просты, од нако чистота получаемого порошка невысокая из-за неизбежно го загрязнения его металлом-осадителем; высокая стоимость по следнего снижает экономичность процесса. Вопрос 4.Карбонильный метод Технология основана на способности ряда металлов (никель, кобальт, вольфрам, молибден и др.) при взаимодейст вии с монооксидом углерода образовывать летучие соедине ния — карбонилы требуемого металла (Ме(СО)„); при после дующей термической обработке карбонила он разрушается с образованием порошка металла и регенерацией монооксида углерода: (Ме,+Ме2+Ме3)+nСО Рсо,t→ = (Ме2 + Ме3) + М1 (СО) п= Ме, + пСО . Карбонилирование проводят при 350—500 К и давлении мо нооксида углерода до 20—25 МПа. Форма частиц получаемого порошка близка к сферической. Карбонильный способ позволяет:
Технология отличается невысокой энергоемкостью, обеспе чивает количественную регенерацию реакционного газа, харак теризуется высоким уровнем автоматизации. Однако этим спо собом получают ограниченное число металлов (VI—VIII группы периодической системы), требуются специальные меры безопас ности и сложное, громоздкое оборудование. Вопрос 5. Термолиз Способ основан на термической обработке солей органичес ких кислот (формиаты металлов, ацетаты, кислоты) в среде во дорода или инертного газа. При этом получают высокодисперс ные порошки, свойства которых зависят от температуры, про должительности обработки, типа и расхода защитного газа. Как правило, получаемые порошки содержат до 5—10 % оксидов, а форма частиц их близка к равноосной; плотность их 0,4— 0,5 г/см3, а удельная поверхность 4—15 м2/г. Температура начала разложения солей зависит от их приро ды и составляет 450— 570 К. Вопрос 6. Автоклавный способ Физико-химические принципы, используемое оборудование способа описаны в гл. 7. Промышленное значение этот способ имеет для получения порошков никеля, кобальта, композиций на их основе. Параметры и показатели процесса приведены в табл. 7.16, а свойства порошков — в табл. 8.3. Отличительные особенности процесса:
Последующие операции включают обезвоживание пульпы порошка, его сушку, рафинирование в токе водорода; при необ ходимости порошки измельчают, рассеивают, шихтуют, обеспе чивая получение требуемой марки. Порошки никеля, кобальта, полученные автоклавным осаж дением, содержат, %: 99,5—99,9 основного металла, 0,03— 0,05 Ре, 0,01—0,03 8. Наиболее интересные порошковые компо зиции: №—Тп02, Со—\У3С, №—А1203, №/А1, №/С. Вопрос 7. Специальные способы Возрастает внимание к получению ультрадисперсных (0,1— 0,01 мм) порошков, которые используются как наполнители пластмасс, присадки к маслам, компоненты пирофорных смесей, специальных красок и др. Эти порошки получают химическим осаждением, возгонкой и конденсацией, плазменной обработ кой, межкристаллитной коррозией, электролизом металла, ор ганических сред и др. Электроэрозионный способ — образование частиц при раз ряде между двумя электродами, расположенными в газовой или токонепроводящей жидкости. Определяющими параметрами процесса является количество подведенной энергии, плотность и тип газовой атмосферы. Наиболее распространен электроискровой (электроим пульсный) метод, при котором диспергирование металла про исходит за счет взрывообразно протекающего электрического разряда (10—40 кВ); изменением параметров разряда регули руют крупность образующихся частиц; как правило, форма их сферическая. Способ применяют для получения порошков алюминия, карбидов титана, вольфрама, ряда интерметалли-дов. Способ дезинтеграции (межкристаллитной коррозии) — сплавление двух или нескольких металлов — кристаллизация с заданной скоростью для получения особой кристаллической структуры — селективное удаление из сплава одного из компо нентов (химическим, электрохимическим, возгонкой) — размол оставшегося конгломерата. Типичным примером является полу чение порошка никеля из его сплава с алюминием (по 50 % № и А1). Сплав измельчают до крупности — 0,5 мм и обрабатывают щелочным раствором для извлечения алюминия. Остаток из мельчают, получается ультрадисперсный порошок никеля, ис пользуемого в качестве катализатора. Способы специального распыления расплава: — воздействие ультразвуковыми волнами (20 кГц, 50 В/см2);
Использование плазмы: обеспечивается чистая реакционная атмосфера, гибкое регулирование температуры. Используют плазменные реакторы с переносимой и непереносимой дугой, которые применяют для производства дисперсных порошков ту гоплавких металлов, керамик, композитов для плакирования. Схема получения порошка: «плазменное испарение — перегрев возгонов — конденсация (в т. ч. в вакууме)». Крупность получа емых частиц — не более 500 мкм, заметная часть их представле на аморфной фазой. Получение металлических коллоидов: их свойства в значи тельной степени определяются распределением частиц по разме рам, что зависит от способа и условий получения. Условно суще ствует 2 способа получения металлических коллоидов — физи ческие и химические. Наибольшее распространение среди физических методов по лучил способ испарения в вакууме с последующей конденсацией паров металлов в инертном газе (аргон, ксенон), специальных жидкостях. При использовании лазерного луча удается получать не только атомы металла, но и кластеры. Методом «испарение—конденсация» обрабатывают любые металлы с широким диапазоном размеров частиц порошка. Ни же приведены некоторые примеры: •— испарением серебра, золота при 1270 К с последующей конденсацией в атмосфере азота получены частицы размером 7—10 мкм; I
Способ предполагает использование сложного оборудования и затратен. Используют высокочастотный электрический разряд, ульт развуковую обработку в диметилформамиде или в декане, ин тенсивное механическое истирание в жидкой дисперсионной сре де в присутствии стабилизирующих реагентов. Химические способы основаны на восстановлении ионов ме таллов из растворов с помощью концентрированных растворов высокоактивных реагентов (гидразин, боргидриды щелочных металлов, спирты). Мельчайшие частицы металлов образуются на стадии диспропорционирования промежуточных ионов ме таллов с меньшей валентностью. Для стабилизации образую щихся частиц вводят ПАВы (желатин, поливиниловый спирт, высокомолекулярные органические кислоты и др.). В ряде случаев используют радиационно-химические методы (у-радиолиз, фотолиз, облучение потоком электронов) для осаж дения металлических коллоидов из водных, водно-спиртовых и органических сред. Форма осаждаемых частиц — сферическая, крупность их 1—10 мкм. Получают коллоиды золота, серебра, платиноидов, смесей металлов (А§—Си, Аи—РЬ, А§—Аи и др.). Достоинства химических способов приготовления нанопо-рошков заключаются в их быстроте, использовании простого и доступного оборудования, варьировании мощности установки в зависимости от потребности продукта, получении частиц с за данными свойствами в момент синтеза. Масштабы производства подобных порошков небольшие, они предназначены для специальных потребителей. Аппаратур ное оформление (опасность окисления, пирофорность) таких технологий сложное, а затраты на получение порошков высо кие. Лекция 4. Свойства порошков и способы изготовления из них изделий Вопрос 1. Химические свойства Различают химические, физические и технологические свой ства порошков. Химические свойства характеризуются составом (содержа нием примесей), токсичностью и пирофорностью. Содержание основного металла в порошках цветных металлов не менее 98— 99 %. Из примесей отметим кислород (в форме оксидов метал- лов), содержание которого достигает до 1,0—7,0 %, адсорбиро ванные газы, углерод (0,1—2,0 %). Чистота порошка во многом зависит от чистоты исходного сырья (металл, оксид, раствор) и условий его получения. Порошки цветных металлов являются токсичными, особен но для органов дыхания. Предельно допустимые концентрации (ПДК, мг/м3) аэрозолей, металлов в производственной атмосфе ре достаточно малы и не превышают 6—12. Пирофорность — способность порошка к самовозгоранию (и даже к взрыву) при длительном контакте с влажным воздухом. В основе этого процесса — экзотермические реакции спонтанного окисления порошков химически активных металлов с развитой поверхностью. Вопрос 2. Физические свойства Форма частиц. Она зависит от способа получения порошков. Типичные формы частиц приведены на рис. 8.3. От формы час тиц зависят такие свойства, как удельная поверхность, насыпная масса, текучесть, прессуемость порошков. Форму частиц опреде ляют при увеличении под оптическим (хЮО—500) или электрон ным микроскопом; разрешающая способность последнего со ставляет 0,02—1,5 мкм. С помощью сканирующего микроскопа изучается топография поверхности частицы. Крупность порошка. Порошки являются полидисперсным материалом, степень полидисперсности количественно оценива ется гранулометрическим составом — содержанием частиц определенной фракции по отношению к общей массе навески. В зависимости от типа порошка, требуемой точности и опе ративности определения наиболее часто используют методы рассева, микроскопический, седиментационный; распростране ны лазерные дифракционные методики. Способ рассева (ситовой анализ) заключается в обработке навески порошка (50—100 г) на наборе сит с фиксированным размером сетки в течение определенного времени (15—30 ми- Рис.1. Формы порошков1-осколочная;-сфрическая;3-губчатая;4-дендритная нут). Затем взвешивают массу порошка, оставшуюся на каждом сите (фракции со знаком «+») и прошедшую через последнее си то (минусовая фракция). Определяют долю каждой фракции в процентах по отношению к массе исходной навески. Стандарт ный набор сит включает сетки следующих размеров, мкм: 150, 100, 74, 44. Ситовой анализ — оперативный, достаточно надежный и ап-паратурно простой способ определения гранулометрического состава порошков с крупностью частиц не менее 44 мкм. Одна ко на его показатели влияют форма и текстура частиц, продол жительность доизмельчения частиц при рассеве. Микроскопический способ. Под микроскопом с помощью масштабной сетки определяют размеры сотен и даже тысяч час тиц. Оптическим микроскопом определяют частицы крупно стью 0,25—100 мкм, электронным — 0,005—6 мкм. Это наибо лее точный, воспроизводимый, но трудоемкий метод. Способ седиментации основан на определении скорости и ха рактера распределения частиц по размерам при их осаждении в жидкой фазе, в условиях ламинарного движения. Этим способом определяют выход частиц крупностью 0,5—100 мкм. Удельная поверхность (5, м2/г) — наружная и частично вну тренняя поверхности порошка, отнесенные к единице его массы. Это важная характеристика для порошков, используемых как катализаторы, наполнители в лакокрасочной промышленности; ее учитывают при прессовании, спекании изделий. Удельная по верхность порошка зависит от дисперсности, формы и текстуры частиц. Ее определяют, оценивая газопроницаемость слоя по рошка (метод Товарова, Дерягина) или эффективность адсорб ции (по степени адсорбции красителя, азота, криптона, аргона). Поверхность порошков колеблется в широких пределах: от 0,01 до 20 м2/г. Плотность (8, г/см3) — удельная масса единицы объема по рошка; ее определяют пикнометрическим взвешиванием порош ка в среде воды или толуола, реже используют рентгенографию. Микротвердость — способность частицы порошка к дефор мации, что важно при оценке его прессуемости. Эту характерис тику измеряют на приборах ПТМ-2 или ПТМ-4, фиксируя длину диагонали отпечатка от вдавливания алмазной пирамидки (угол при вершине 136°) при усилии не более 4,9 Н. Вопрос 3. Технологические свойства Насыпная масса (унас., г/см3) — масса единицы объема порош ка при его свободном истечении и заполнении фиксированного объема, ее определяют на приборе волюмометре. Эта характе ристика важна при объемном дозировании порошка в схемах прессования, расчете высоты засыпки матрицы, расчете объема расходных бункеров. Чем крупнее частицы и более равноосна их форма, тем больше насыпная масса порошка. Чем меньше на сыпная масса, тем меньше усадка брикета при спекании. Текучесть (Т, г/с) — скорость истечения навески порошка через калиброванное отверстие. Эта характеристика важна при объемном дозировании порошка на автоматических линиях прессования. Чем больше поверхность частиц, меньше их круп ность, тем хуже текучесть порошка. Прессуемосгпъ — способность порошка влиять на плотность изделия в зависимости от давления прессования. Чем пластичнее порошок, чем больше разветвленность его частиц, тем лучше его прессуемость. Прессуемость оценивают по характеру зави симости в координатах «относительная плотность брикета — давление прессования». Формуемостъ — способность изделия из порошка сохранять заданную форму, получаемую при минимальном давлении прес сования. Она зависит от крупности, формы частиц; чем больше насыпная плотность порошка, тем хуже его формуемость. Каче ственно формуемость оценивают по барабанной пробе — устой чивости полученных брикетов к истиранию при вращении бара бана. Технологические свойства порошка регулируют, используя ряд подготовительных операций:
Вопрос 4. Производство изделий из порошков Технологический цикл включает стадию формования (чаще всего приемы прессования, прокатки, экструзии и их разновид ности) и стадию спекания. Иногда, в зависимости от требований, предъявляемых к готовому изделию, этот цикл («пластическая деформация — спекание») повторяют. Прессование — получение изделия из порошка, засыпанного в пресс-форму, под воздействием внешнего давления. Известны различные способы прессования в зависимости от условий (хо лодное, горячее, вакуумное), способа приложения нагрузки (двухстороннее, модификации изостатического прессования, од ностороннее), используемого пресс-инструмента, вида техноло гии (непрерывное, повторное, предварительное) и др. Навески загружают в форму весовым или объемным мето дом вручную (при малом объеме производства) или с помощью автоматических дозаторов. При объемном дозировании важна хорошая текучесть порошка; для формирования более равно мерного и плотного слоя порошка в пресс-формах последние по мещают на вибрационную площадку. Пресс-форма (рис. 2) — инструмент, используемый для прессования порошков; состоит из матрицы, верхнего и нижнего пуансонов. Матрица формирует боковую поверхность изделия и вмещает навеску порошка. Верхний пуансон формирует верхний торец изделия, переда ет давление. Нижний пуансон формирует нижний торец изде лия и исключает высыпание порошка, загружаемого в мат рицу. Конструкция пресс-формы должна обеспечивать получе ние изделия требуемой формы, размеров, одинаковой плотнос- Рис. 2/ Схема пресс-формы: / — пуансон верхний; 2 — матрица; 3 — навеска порошка; 4 — пуансон нижний ти во всем объеме изделия, удобство его выпрессовки, длитель ный срок службы, простоту и экономичность конструкции. Если высота изделия больше диаметра, то используют пресс-форму с подвижными верхним и нижним пуансонами. Пресс-формы изготавливают из износостойкой стали, внут реннюю поверхность матрицы упрочняют с помощью термооб работки. Прессы — машины, обеспечивающие необходимые сжимаю щие усилия (давление) при обработке порошковых материалов. Существуют разнообразные типы прессов в зависимости от источ ника и характера передачи энергии, назначения, рабочего цикла. Наиболее распространены механические (р = 100—1000 кН) и гидравлические (р = 40—100 МН) прессы. Они работают в пе риодическом режиме и автоматически. Гидравлические прессы обеспечивают плавное уплотнение, что важно при получении из делий из дисперсных, плохо прессуемых порошков. В основе типоразмеров прессов заложена 6-значная шкала мощности: 9,8; 15,7; 24,5; 39,2; 61,8; 98,1 кН. Коэффициент пере счета для определения 2-го и 3-го порядков мощности соответст венно 10 и 100-кратный относительно величины в первой шкале. Прокатка порошков — непрерывное формование заготовок из порошка с помощью валков прокатного стана. Этот процесс требует меньше эксплуатационных и капитальных затрат, со кращается выход отходов в сравнении с прокаткой слитков, осо бенно при получении тонкомерного проката. Существуют раз личные способы прокатки в зависимости от расположения осей валков (вертикальная, горизонтальная, наклонная — рис. 8.5), степени нагрева материала (холодная, горячая), формы проката (лист, профиль), режима (периодический, непрерывный). Ско рость вращения валков 0,3—30 мин-1. Для получения качественного проката важную роль играет текучесть порошка: чем она больше, тем больше производи тельность, кроме того, обеспечивается получение сплошной за готовки. Скорость прокатки колеблется в пределах 3—25 м/мин. Толщина и плотность проката зависят от состава, крупности, формы частиц порошка, скорости вращения и создаваемого вал ками давления. Рис. 3 Основные способы прокатки: / — вертикальная; 2 — горизонтальная; 3 — наклонная Для улучшения качества проката используют отжиг, спека ние, повторное уплотнение, защитные среды, герметичные кон тейнеры. Схема цепи аппаратов для получения ленты прокаткой порошка кобальта приведена на рис. 8.6. Мундштучное прессование (экструзия) — формование заго товок из порошка (часто в смеси с пластификатором) путем про-давливания его через калиброванное отверстие в матрице (рис. 8.7), определяющее его форму и сечение. Способ позволя ет получать длинномерные изделия (трубы, прутки, профили) с равномерной плотностью даже из плохо прессуемых порошков, типа вольфрама, молибдена, тугоплавких соединений. Пластификаторами служат парафин, бакелит, полимерные смолы, расход их составляет 6—10 %. Если вести процесс при на греве, то пластификатор не требуется. Таким способом форму ют порошки алюминия и его сплавов при 670—870 К, а порош ки никеля — при 1400—1500 К. При обработке химически ак тивных порошков используют защитные среды. Процесс проводят под давлением в несколько сотен мегапаска-лей, обеспечивая скорость прохода материала 5—10 мм/с и степень обжатия (К, %) — не менее 90 %, последняя представляет отношение разности площадей попе речного сечения отверстия матрицы (5) и мундштука (/) к сечению матрицы: Рис. 4. Схема производства ленты из порошка: / — порошок кобальта; 2 — прокатный стан; 3 — сформированная лента; 4 — бухта-«моталка»; 5 — печь для обжига бухты; 6 — спеченная лента; 7 — стан горячей прокатки; 8 — водяное охлаждение; 9 — узел размотки ленты; 10 — холодная прокатка / — узел формования; // — узел спекания; /// — узел горячей прокатки; IV— узел калибровки ленты Рис. 5. Схема мундштучного прессования: 1 — пуансон; 2 — матрица; ^ — порошок; 4 — мундштук; 5 — обойма; 6 — изделие Прессы, используемые для мундштучного прессова ния, называются экструде-рами. Получаемые изделия подвергают сушке, отжигу или спеканию. Спекание — обработка при температурах, не превышающих 0,7—0,9 от температур плавления основного компонента шихты с целью упрочнения и уплотнения спрессованных изделий и мак симального приближения к свойствам компактного материала. В процессе спекания происходит усадка — уменьшение линей ных и объемных размеров изделия за счет уменьшения его пори стости. Величина усадки возрастает с повышением температу ры, особенно для изделий, полученных при невысоких давлени ях прессования. Спекание ускоряется при повышенной дисперсности и раз ветвленное™ частиц порошка, использовании восстановитель ной среды. Иногда используют жидкофазное спекание — как способ получения прочных и плотных изделий на основе туго плавких, плохо прессуемых материалов. Например, при спека нии изделий на основе карбида вольфрама роль связки выполня ет порошок кобальта, который расплавляется при используе мых температурах. Восстановительную атмосферу обеспечива ют за счет подачи предварительно осушенных газов (водород, эндо-, экзогазы, аммиак). Иногда спекание проводят в вакууме; в этом случае требуется более низкая температура, улучшается равномерность распределения жидкой фазы. Выбор защитной среды предполагает и дополнительную очистку изделия от при месей. Как правило, при спекании применяют защитные засыпки (асбестовая мелочь, графитовая крупка, кварцевый песок); они позволяют изолировать изделия от окружающей атмосферы, обеспечивать равномерность прогрева, достигать поверхностного легиоровпания,предотвращать взаимное припекание изделий. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||