Процессы получения металлических порошков. Лабораторный практикум

Лабораторная работа 2

ПОЛУЧЕНИЕ ПОРОШКА ЖЕЛЕЗА

ИЕГО СПЛАВОВ ИЗМЕЛЬЧЕНИЕМ

ВВИБРАЦИОННОЙ МЕЛЬНИЦЕ

(4 часа)

2.1 Цель работы

Приобретение навыков получения порошков измельчением в вибрационной мельнице.

2.2 Теоретическое введение

Вибрационная шаровая мельница (или вибрационная мельница) является эффективным размольным агрегатом, широко используемым в порошковой металлургии для тонкого измельчения хрупких порошкообразных материалов за счет ударного и истирающего действия размольных тел, находящихся вместе с измельчаемым материалом в рабочей камере. Конструктивно она представляет собой барабан или несколько барабанов, установленных на амортизаторы, которые приводятся в колебательное движение за счет вращающегося вала с дебалансом.

Основной принцип, положенный в основу вибрационной мельницы, – воздействие на размалываемый материал многочисленных частых ударов малой силы. Эти удары приводят к усталостному разрушению частиц, при котором зародившиеся трещины не могут самозаживляться из-за постоянного подвода энергии, сообщаемой размольными телами.

Размольные тела получают импульсы от соударения со стенками мельницы и соседними телами. Колеблясь около своих центров масс, они еще движутся в объеме мельницы по замкнутым траекториям. При этом на размалываемый материал оказывается двойное воздействие: удары малой силы и истирание, причем преобладающее воздействие в этих мельницах выделить сложно.

Суммарное число импульсов, сообщаемое размольным телам в единицу времени, выражается следующей формулой:

11

где V – внутренний объем мельницы;

k – количество размольных тел в единице объема;– коэффициент загрузки (0,75–0,85);

n – частота вращения вала (обычно 1000–3000 мин–1);

Z – число импульсов, сообщаемых каждому размольному телу за одно круговое качание;

B – коэффициент, учитывающий дополнительное число импульсов, сообщаемых размольному телу соседями.

После размола в вибрационной мельнице большинство частиц малопластичных и хрупких материалов имеет округлую (овализованную) форму, а не осколочную, что свидетельствует о существенной роли истирающего воздействия.

2.3 Оборудование и методика

Измельчение производят в многокамерной однокорпусной вибрационной мельнице стальными шарами, загружаемыми в съемные стальные барабаны (рисунок 2.1).

1

1 – барабаны; 2 – корпус; 3 – вал; 4 – дебалансы; 5 – упругая муфта; 6 – электродвигатель

Рисунок 2.1 – Схема вибрационной мельницы

Результаты размола оценивают по изменению гранулометрического состава измельчаемого материала, который определяют ситовым методом (см. лабораторную работу 7) до начала размола и после каждого цикла.

Перед загрузкой материала в барабан мельницы определяют коэффициент его загрузки размольными телами, их средний размер и частотувращенияваласдебалансамипохарактеристикамэлектродвигателя.

12

2.4 Порядок выполнения работы и указания по охране труда

По указанию преподавателя работу выполняют по одному из следующих вариантов:

Вариант 1. Изучение влияния длительности размола и коэффициента загрузки барабанов на измельчение железной губки.

Два одинаковых стальных барабана объемом 1125 см3 заполняют размольными телами с коэффициентом загрузки соответственно 0,45–0,5 (1,94–2,15 кг) и 0,75–0,8 (3,23–3,45 кг).

Гранулометрический состав исходной железной губки определяют ситовым методом, после чего губку по 150 г загружают в оба барабана, которые закрепляют в корпусе вибрационной мельницы. Через 15 мин измельчения полученный порошок выгружают и подвергают ситовому анализу, после чего снова загружают в барабаны для следующего 15-минутного цикла. После окончания второго и третьего циклов также определяют гранулометрический состав порошка.

Вариант 2. Изучение влияния длительности размола и природы материала на характер его измельчения.

Два одинаковых стальных барабана объемом 1125 см3 заполняют размольными телами с коэффициентом загрузки 0,75–0,8 (3,23–3,45 кг). Гранулометрический состав исходной железной губки и чугунного порошка определяют ситовым анализом, после чего оба материала загружают по 150 г в разные барабаны, которые закрепляют в корпусе вибрационной мельницы. Через 20 мин измельчения полученные порошки выгружают и подвергают ситовому анализу, после чего снова загружают в барабаны для следующего 20-минутного цикла. После окончания второго и последующего третьего цикла также определяют гранулометрический состав порошка.

При выполнении работы следует соблюдать следующие меры безопасности:

1 Запрещается прикасаться к подвижным частям вибрационной мельницы и ситового анализатора во время их работы.

2 Запрещается производить загрузку и разгрузку барабанов мельницы за пределами вытяжного шкафа.

3 При выходе оборудования в нештатный режим работы, появлении искрения, посторонних запахов, дыма и т.п. запрещается предпринимать какие-либо самостоятельные действия. В данной

13

ситуации необходимо немедленно прекратить выполнение работы и сообщить о происходящем учебному мастеру и преподавателю, ведущему занятие.

2.5 Обработка результатов эксперимента

Полученные экспериментальные данные в соответствии с вариантом выполнения работы заносятся в таблицы ситового анализа, содержащие обозначения фракций и их массу.

2.6 Требования к отчету о работе

Отчет о лабораторной работе должен содержать краткую теоретическую часть, методику экспериментов, таблицы с указанием фракций порошков и их масс, а также гистограммы массового распределения частиц по размерам до измельчения и после соответствующих циклов измельчения, оценку суммарного числа импульсов, сообщаемого размольным телам в единицу времени (по формуле (2.1)). В отчете необходимо указать: коэффициент загрузки барабанов мельницы, массу и средний размер размольных шаров, природу и массу размалываемых материалов, скорость вращения вала с дебалансами, продолжительность размола. При обсуждении полученных результатовнеобходимоотметить их возможныепричины.

Литература

Либенсон, Г.А. Процессы порошковой металлургии. В 2 т. Т. 1. Производство металлических порошков [Текст] : учеб. для вузов / Г.А. Либенсон, В.Ю. Лопатин, Г.В. Комарницкий. – М. : МИСиС, 2001. – 368 с.

Контрольные вопросы

Проверка готовности к выполнению работы

1 Какое воздействие оказывается на измельчаемый материал в вибрационной мельнице?

2 По какой траектории движутся размольные тела в вибрационной мельнице?

3 За счет чего коэффициент загрузки барабана вибрационной мельницы можно увеличить до 0,8–0,85?

14

4 Укажите преимущества и недостатки измельчения в вибрационной мельнице по сравнению с шаровой вращающейся мельницей.

Основные вопросы для сдачи работы

1 Объясните полученные экспериментальные результаты с учетоминдивидуального задания напроведение лабораторнойработы.

2 Объясните механизмы измельчения материала в вибрационной мельнице.

3 Укажите, какие параметры процесса измельчения в вибрационной мельнице в наибольшей степени влияют на гранулометрический составпорошкаипочему.

4 Укажите причину загрязнения измельчаемого порошка материалом барабана и размольных тел и способы борьбы с этим явлением.

5 Объясните механизм интенсификации измельчения при мокром размоле.

15

Лабораторная работа 3

ПОЛУЧЕНИЕ ПОРОШКОВ МЕТАЛЛОВ, СПЛАВОВ И МЕТАЛЛОПОДОБНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗМЕЛЬЧЕНИЕМ В ПЛАНЕТАРНОЙ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ

МЕЛЬНИЦЕ

(4 часа)

3.1 Цель работы

Приобретение навыков получения порошков измельчением металлов, сплавов и металлоподобных соединений в планетарной центробежной мельнице.

3.2 Теоретическое введение

В планетарных центробежных, или просто планетарных, мельницах (ПЦМ) измельчение происходит во много раз интенсивнее, чем в мельницах других типов, включая вибрационные.

Такая мельница представляет собой несколько барабанов (до 5 и даже более), которые благодаря планетарной системе привода совершают круговые движения вокруг общей оси, находящейся вне проекции барабанов, и одновременно вокруг собственных осей. Направление вращения барабанов может совпадать с направлением вращения общего для них вала, а может быть противоположным. Второй случай более распространен. Чаще всего оси барабанов и ось «водила» лабораторных ПЦМ ориентированы вертикально, однако встречаются аппараты и с горизонтальными осями (рисунок 3.1).

Планетарные мельницы характеризуются высокими центростремительными ускорениями барабанов, которые в большинстве случаев могут достигать сотни единиц g, а в отдельных случаях и более. По этой причине ПЦМ широко используются не только для измельчения, но и для механического активирования (МА) порошковых материалов.

16

материал измельчается за счет истирания между внутренней поверхностью барабана и наружной поверхностью шаровой загрузки.

При увеличении скорости вращения барабанов возможен переход в режим «отрыва», когда размольные тела начинают перекатываться в сегменте и вращаться вокруг своих центров тяжести. При дальнейшем увеличении скорости вращения шары могут перемещаться подобно шарам в «водопадном» режиме работы шаровой вращающейся мельницы. В режиме «отрыва» истирание происходит во всем объеме шаровой загрузки, и к нему добавляется ударное воздействие со стороны размольных тел, усиливающееся по мере увеличения скорости вращения.

Недостаток многих планетарных мельниц связан с загрязнением размалываемого материала материалом размольных тел и барабана из-за механического натирания. Данный эффект в ПЦМ выражен гораздо в большей степени по сравнению с другими методами. Доля «натертого» материала стенок и шаров в измельчаемом материале может составлять несколько процентов.

3.3 Оборудование и методика

Измельчение производят в планетарной мельнице МПП-1 (энерговооруженность – 28g), АИР-0.015 (25g) или Dr.Fritsch PULVERISETTE 5 (22 g) со стальными барабанами рабочим объемом 250 см3, в которые загружены стальные шары диаметром 6, 8 или 10 мм в количестве 500 г. Измельчение проводят периодически по 1–3 мин с перерывом 10 мин для предотвращения перегрева материала из-за интенсивного нагрева.

Результаты размола оценивают по изменению гранулометрического состава измельчаемого материала, который определяют ситовым методом (см. лабораторную работу 7) до начала размола и после 1, 3 и 5 мин измельчения.

3.4 Порядок выполнения работы и указания по охране труда

По указанию преподавателя работу выполняют по одному из следующих вариантов:

Вариант 1. Изучение влияния длительности размола на измельчение металлического порошка.

Гранулометрический состав исходного порошка железа или титана определяют ситовым методом, после чего порошок загружают

18

в барабан планетарной мельницы исходя из соотношения массы размольных тел к массе измельчаемого материала 6:1 или 10:1. Во избежание дисбаланса при работе ПЦМ во второй барабан следует загрузить размольные тела в количестве, равном суммарной массе размольных тел и измельчаемого порошка в первом барабане.

Размол порошка проводят в течение 1 мин, после чего его извлекают из барабана и определяют гранулометрический состав ситовым методом. Затем порошок загружают в барабан и измельчают в течение 2 мин с последующим определением грансостава, после чего 2-минутное измельчение и ситовой анализ повторяют еще один раз.

Вариант 2. Изучение влияния соотношения массы размольных тел и массы измельчаемого материала на результаты размола.

Гранулометрический состав исходного порошка железа или титана определяют ситовым методом, после чего первую партию порошка загружают в барабан планетарной мельницы исходя из соотношения массы размольных тел к массе измельчаемого материала 6:1. Во избежание дисбаланса при работе ПЦМ во второй барабан следует загрузить размольные тела в количестве, равном суммарной массе размольных тел и измельчаемого порошка в первом барабане.

Размол проводят в течение 3 мин, после чего порошок извлекают из барабана и определяют его гранулометрический состав ситовым методом. Затем вторую партию исходного порошка загружают в барабан исходя из соотношения массы размольных тел к массе измельчаемого материала 10:1 и повторяют 3-минутный размол с последующим определением грансостава ситовым методом. При этом второй барабан планетарной мельницы необходимо заново уравновесить с первым барабаном, содержащим измельчаемый порошок.

Вариант 3. Изучение влияния природы измельчаемого материала на результаты размола.

Гранулометрический состав исходного порошка железа и борида титана (II) или (IV) определяют ситовым методом, после чего порошки загружают в барабаны планетарной мельницы исходя из соотношения массы размольных тел к массе измельчаемого материала 6:1 или 10:1. Размол проводят в течение 3 мин, после чего порошки извлекают из барабанов и определяют их гранулометрический состав ситовым методом. Затем порошки опять загружаются в

19

барабаны ПЦМ и 3-минутный размол с последующим определением грансостава ситовым методом производят еще один раз.

При выполнении работы следует соблюдать следующие меры безопасности:

1 Запрещается использовать барабаны с неплотно закрытой крышкой и ненадежной ее фиксацией в закрытом положении.

2 Все барабаны с размольными телами и измельчаемым материалом должны иметь одинаковую массу. Выравнивание массы барабанов осуществляют добавлением или удалением некоторого количества размольных тел.

3 Включение и эксплуатация планетарной мельницы разрешаются только в присутствии преподавателя или учебного мастера.

4 Перед включением мельницы следует убедиться, что все вспомогательные приспособления и инструменты убраны из рабочей зоны мельницы, а ее защитное ограждение надежно закрыто.

5 Запрещается открывать защитное ограждение мельницы до полной остановки барабанов.

6 Запрещается производить загрузку и разгрузку барабанов мельницы за пределами вытяжного шкафа.

7 Разгрузку барабана планетарной мельницы разрешается производить только после его полного охлаждения.

8 Запрещается прикасаться к подвижным частям ситового анализатора во время его работы.

9 При выходе оборудования в нештатный режим работы, появлении искрения, посторонних запахов, дыма и т.п. запрещается предпринимать какие-либо самостоятельные действия. В данной ситуации необходимо немедленно прекратить выполнение работы и сообщить о происходящем учебному мастеру и преподавателю, ведущему занятие.

3.5 Обработка результатов эксперимента

Полученные экспериментальные данные в соответствии с вариантом выполнения работы заносятся в таблицы ситового анализа, содержащие обозначения фракций и их массу.

3.6 Требования к отчету о работе

Отчет о лабораторной работе должен содержать краткую теоретическую часть, условия выполнения экспериментов, таблицы с

20