Термическая обработка металлических порошков в вихревой противоточной печи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.06, кандидат технических наук Цыбульская, Оксана Николаевна

• Цыбульская, Оксана Николаевна
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Цыбульская, Оксана Николаевна

Условные обозначения.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ЧИСТОТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ.

1.1. Влияние способов получения металлических порошков на их чистоту и содержание вредных примесей.

1.1.1. Загрязнения металлических порошков при восстановлении.

1.1.2. Загрязнения металлических порошков при распылении.

1.1.3. Загрязнения металлических порошков при размоле.

1.2. Влияние загрязнений на технологические свойства порошков и механические свойства спеченной стали.

1.2.1. Влияние загрязнений на технологические свойства порошков.

1.2.2. Влияние загрязнений на механические свойства спеченной стали.

1.3. Способы обработки металлических порошков с целью улучшения их качества.

1.4. Аппаратурное оформление технологических процессов термической обработки металлических порошков.

1.4.1. Анализ возможностей оптимизации процессов, обеспечивающих интенсивный тепломассообмен при обработке металлических порошков в газовых средах.

1.4.2. Типы печей для обработки металлических порошков.

1.5. Выводы по главе. Постановка цели и задач исследований.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Описание лабораторной установки и материалов.

2.2. Методика и результаты измерения температуры нагрева и охлаждения частиц порошка.

2.3. Методика и результаты измерения скоростей газового потока в объеме камеры.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА МЕЖДУ ЧАСТИЦАМИ ПОРОШКА И ГАЗОВОЙ СРЕДОЙ В ПРОТИВОТОЧНОЙ ВИХРЕВОЙ КАМЕРЕ.

3.1. Определение эффективных коэффициентов теплоотдачи.

3.2. Обобщение экспериментальных результатов в виде критериальных зависимостей.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ В ВИХРЕВОЙ ПРОТИВОТОЧНОЙ ПЕЧИ.

4.1. Исследование изменения массы порошков в процессе сушки.

4.2. Определение экспериментальных коэффициентов массоотдачи.

4.3. Обобщение результатов исследования процессов сушки порошка в безразмерных параметрах.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И ОКИСЛЕНИЯ ПОРОШКОВ ЖЕЛЕЗА И МЕДИ В ВИХРЕВОЙ ПРОТИВОТОЧНОЙ ПЕЧИ.

ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГИДРОФОБИЗАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ.

6.1. Методы нанесения гидрофобизирующих покрытий на металлические порошки.

6.2. Технологические свойства исследуемых порошков.

6.3. Коррозионные свойства исследуемых порошков.

ГЛАВА 7. ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ

В ПРОТИВОТОЧНОЙ ВИХРЕВОЙ КАМЕРЕ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОШКОВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРЕССОВОК. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ПРОМЫШЛЕННОЙ ПЕЧИ.

7.1. Сушка и восстановительный отжиг железных и медных порошков, свойства обработанных порошков.

7.2. Свойства материалов, изготовленных из обработанного порошка.

7.3. Результаты опытно-промышленных испытаний и характеристики печи для сушки и отжига металлических порошков.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Термическая обработка металлических порошков в вихревой противоточной печи»

В современной порошковой металлургии, машиностроении, химической промышленности и других отраслях промышленности широко применяются процессы, связанные с использованием дисперсных материалов, в частности металлических порошков, к которым можно отнести получение материалов и покрытий методами порошковой металлургии и газотермического напыления, различные виды термической и химико-термической обработки сырья, а также многие другие процессы. Повышение эффективности этих производств обусловлено в первую очередь получением высококачественных и чистых порошков. Проведенный анализ современного состояния вопроса чистоты металлических порошков свидетельствует о неизбежности загрязнения металлических порошков в процессе их изготовления, обработки, последующей транспортировки и хранения, что значительно ухудшает качество порошков. Это вызывает необходимость совершенствования существующих и разработки новых эффективных технологических процессов для улучшения качества металлических порошков, а также решения вопросов аппаратурного оформления разработанных технологических процессов.

В настоящее время промышленность располагает обширным классом различных теплотехнологических устройств (печей) для проведения процессов химико-термической обработки, сушки, обжига металлических порошков. Эти установки весьма энергоемки, часто имеют сложную конструкцию, большие габариты и вес, что вызывает необходимость их совершенствования, разработки более эффективных и надежных конструкций.

Значительные возможности в этом направлении дает использование закрученных потоков, позволяющее существенно интенсифицировать процессы физико-химического взаимодействия и тепломассообмена между газовым теплоносителем и обрабатываемым металлическим порошком. Перспективной представляется организация противоточного движения закрученного потока газа и металлического порошка. Однако малоизученность процессов тепломассообмена в таких условиях сдерживает разработку новых перспективных вихревых печей.

В связи с многообразием отечественной и зарубежной литературы и отсутствием системного подхода к анализу качества металлического порошка в первой главе настоящей работы обобщен теоретический и экспериментальный материал по вопросам чистоты металлического порошка, влияния загрязнений на технологические свойства порошков и механические свойства спеченных изделий, а также способам обработки металлических порошков с целью улучшения их качества. Проанализированы возможные режимы, обеспечивающие оптимизацию процессов обработки металлических порошков. Для выбора рационального метода организации процессов обработки рассмотрены возможные пути интенсификации тепло- и массопереноса в гетерогенных системах, типа газ-порошковый материал, в том числе в закрученных газопорошковых потоках.

На основе современных представлений о теории и практике тепло- и массообмена в закрученном газовом потоке установлены основные нерешенные вопросы, определяющие направления дальнейших исследований в области изучения тепломассообменных процессов в закрученном газовом потоке с проти-воточным движением фаз.

В связи с вышеизложенным, целью данной работы является, на базе исследований тепломассообмена между газовой и порошковой компонентами, разработка технологического процесса сушки и восстановительного отжига металлических порошков в закрученном газовом потоке с противоточным движением компонентов, а также создание на основе полученных данных промышленной вихревой печи для сушки и восстановительного отжига порошков.

Во второй главе содержится описание материалов, оборудования и методики исследований. В третьей и четвертой главах приводятся результаты экспериментального исследования тепломассопереноса между газовой средой и металлическими порошками в закрученном газовом потоке, их анализ и обобщение в виде расчетных критериальных зависимостей. В пятой главе излагаются результаты исследования сушки и восстановительного отжига железного и медного порошков в вихревой противоточной печи. Шестая глава посвящена исследованию процессов гидрофобизации металлических порошков. В седьмой главе приводится описание разработанных технологических процессов обработки металлических порошков, а также результаты опытно-промышленных испытаний и характеристики вихревой печи для сушки и отжига металлических порошков.

В целом предполагается, что данная работа дополнит накопленный ранее значительный теоретический и экспериментальный материал и даст для исследователей и практиков представление об особенностях, способах исследования, расчета и технической реализации возможностей обработки металлических порошков в закрученном газовом потоке в вихревой противоточной печи.

Заключение диссертации по теме «Порошковая металлургия и композиционные материалы», Цыбульская, Оксана Николаевна

ВЫВОДЫ

Теоретическое и экспериментальное изучение процессов переноса тепла и массы между порошковыми материалами и газовой средой в закрученном потоке с противоточным движением компонентов, а также разработка и реализация в производстве вихревой противоточной печи, позволили сформулировать основные выводы: разработана методика исследований тепломассообмена между порошковым материалом и газовой средой в закрученном потоке с противоточным движением компонентов; установлены закономерности влияния на интенсивность процессов обработки порошковых материалов и тепло- и массоотдачи различных факторов эксперимента: влажности порошков (WH), крупности частиц порошка (5), массовой концентрации порошка в газовом потоке (|ы), скорости газового потока (VBX), температуры газа (tr); определены коэффициенты тепло- и массоотдачи (а и р), указывающие на интенсивный внутренний межкомпонентный теплообмен (а -до 8 КВт/м2град) и массообмен ((3 - до 2 м/с) в условиях вихревого проти-воточного движения газа и порошковых материалов; определены численные значения безразмерных коэффициентов теплоотдачи и массоотдачи Nu и Nud , получены критериальные зависимости Numax= 2-f AReTPr0'33 и NuDmax= 2+AReTPrD 0,33, которые дают возможность рассчитать тепло- и массообмен при обработке различных металлических порошков в вихревых печах в широком диапазоне изменения конструктивных и режимных параметров; показано, что при противоточном движении компонентов в вихревом потоке создаются оптимальные условия для физико-химического взаимодействия между обрабатываемыми частицами и газом, в результате чего отсутствует спекание и агломерация частиц, кроме того скорость проведения процессов возрастает многократно и не только за счет улучшения теплообмена и интенсификации внешней диффузии, а также и за счет активации реакционной поверхности раздела при ударах частиц о стенку аппарата; исследованы процессы нанесения гидрофобизирующих покрытий на металлические порошки, определены их технологические и коррозионные свойства, разработана технология нанесения гидрофобизирующих покрытий на металлические порошки; результаты изучения технологических свойств обработанных порошков и спеченных материалов свидетельствуют о том, что сушка и восстановительный отжиг порошков в закрученном газовом потоке позволяют значительно повысить технологические свойства порошков и физико-механические характеристики изготовленных на его основе изделий; показано, что полученные экспериментальные данные могут быть использованы не только для уточнения модельных представлений о тепломассообмене в закрученном газопорошковом потоке, но и в различных практических приложениях, в частности, на основе проведенных исследований разработан технологический процесс сушки и восстановительного отжига металлических порошков в закрученном газовом потоке с про-тивоточным движением фаз; разработана и реализована в промышленной практике простая и компактная по конструкции промышленная печь для сушки и восстановительного отжига металлических порошков, в которой использован принцип вихревого противоточного движения газа и порошкового материала, обеспечивающий высокую интенсивность тепломассообмена между газом и порошком; технико-экономическая целесообразность выполненной разработки подтверждена прилагаемыми к диссертации актами внедрения.

Совокупность полученных в работе экспериментальных данных и основанных на них технологическом и техническом решении является научно-технической основой для создания и реализации в промышленной практике устройств, основанных на принципе вихревого противоточного движения, в частности, перспективных высокоэффективных вихревых противоточных печей для термической обработки металлических порошков с целью улучшения их качества.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Цыбульская, Оксана Николаевна, 2003 год

1. Акименко В.Б., Буланов В.Я., Гуляев И.А., Залазинский Г.Г., Калашникова О.Ю., Щенникова Т.Л., Анциферов В.Н. Состав, структура и свойства железных легированных порошков. Екатеринбург: Наука, 1996. 351с.

2. Зеленова И.М. Железные порошки как основа для получения новых материалов и изделий с улучшенными свойствами.//Технол.мет., 2001, №1. С.14-19.

3. Дзядикевич Ю.В., Горбатюк P.M. Выведения вредных примесей внедрения из молибдена и вольфрама. // Порошковая металлургия (Киев), 2000.-1-2. С.48-55.

4. Петрдлик М. Загрязнения и примеси в спеченных металлах. М.: Металлургия, 1971. 176с.

5. Richardson and Jeffes. J. Iron Steel Inst., 160, 261, 1948.

6. Даркен Л.С., Гурри Р.В. Физическая химия металлов. М.: Металлургиздат, 1960. 582с.

7. Meyer Н. Mitt. К. Wilh.-Inst. Eisenforschung, 13, 1931, S. 199-204.

8. Offermann E. К. Mitt. Kohle-Eisenforschung, 1936, S. 85-120.

9. Petrdlik M. Sbornik prednasek о spekanych kovoch, vyd. Dom. techniky, Bratislava, 1959, s. 1/9.

10. Kieffer R., Hotop W. Sintereisen und Sinterstahl, Springer-Verlag, Wien, 1948.

11. Strobl J., Petrdlik M., Stetina К. В сб. "Berichtetiber die II. Intermationale pulvermetallurgische Tagung in Eisenach", Akademie-Yerlag, Berlin, 1962, S. 519-523.

12. Petrdlik M. Hutn. Listy, VI11, 1953, v 5-6, s. 241-246, 297-301.

13. Левин А.И., Помосов A.B. ДАН СССР, 72, 1950, 6 с.

14. Fischmeister H.F., Exner H. E. Planseeberichte fur Pulvermetallurgie, Bd 13, 1965, S. 178-198.

15. Williams, J.-J. Iron and Steel Inst., 1952, v. 172, p. 19-24.

16. Clasing, M., Sauerwald, F.-Z. anorgan und allgem. Chem., 1952, Bd 271, S. 81-87.

17. Schreiner, H.-Z. anogran und allgem. Chem., 1950, Bd 262, S. 113-21.

18. Agte C., Petrdlik M. Hutn. Listy, VI1, 1952, № 3/4, s. 121-124, 190194.

19. Petrdlik M., Born M. Konferencja metallurgii proszkow, Materialy konferencyjne, Zagadnienia podstawowe i ogolne cast 1, Krakow 19-21 zari 1963.

20. Pound М. A., Rowley A.E.S., Elliott J. Е. Powder Metallurgy, 1960, №6, p. 129-149.

21. Balschin M.J. Pulvermetallurgie, vyd. VEB Wilhelm Knapp-Verlag, Halle (Saale), 1954, S. 136.

22. Айзенкольб Ф. Порошковая металлургия. M.: Металлургиздат, 1959.518с.

23. Thtimmler F. В кн. F. Eisenkolb. Fortschritte der Pulvermetallurgie. Band 1, Akad. Berlag, Berlin, 1963, S.401.

24. Федорченко И.М. ЖТФ, т. 21, 1951, №2, с. 196-205.

25. Mtiller D., Pawlek F., Wever H. Zs. Metallkunde 1966, №3.

26. Wassermann G. Zs. Metallkunde, Bd 37, 1966, №7, S. 493-499.

27. Haessner F., Harnbogen Е., Mukherjee Mukul. Zs. Metallkunde, 1966, №3.

28. Clasing M., Sauerwald F. Zs. f. anorg. und allg. Chem. 271, 1952, S. 81-92.

29. Rutkowski W. Intern. Journal of Powder Metallurgy 1 (3), 20, 1965.

30. Wiemer, H., Fischer, F. A. Arch. Eisenhuttenwesen, 1948, Bd 19, S. 125-35.

31. Chiglieno, C. Metallurgia Ital., 1953, v. 45, p. 128-32.

32. Cordiano, J.J. In: Proc. of the Fifth Annual Meeting, Metal Powder Assoc., Chicago, April 5-6, 1949, p. 21-28.

33. Lenel, F. V. In: Proc. of the Fifth Annual Meeting, Metal Powder Assoc., Chicago, April 5-6, 1949, p. 65-69.

34. Акименко В.Б., Буланов В.Я. и др. Железные порошки. Технология, состав, структура, свойства, экономика. М.: Наука, 1982.263с.

35. Попиченко Э.Я., Болшеченко А.Г. Сравнительная оценка себестоимости железных порошков, полученных методом распыления расплава и комбинированным восстановлением прокатной окалины. -Порошковая металлургия, 1978, №2, с. 81-86.39.