Процессы получения металлических порошков. Лабораторный практикум

указанием фракций порошков и их масс, а также гистограммы массового распределения частиц по размерам до измельчения и после соответствующих циклов размола, выводы по работе. Условия выполнения экспериментов включают в себя коэффициент загрузки барабанов мельницы, массу и средний размер размольных шаров, природу и массу размалываемых материалов, соотношение массы размольных тел и измельчаемого материала. В обсуждении полученных результатов следует указать их возможные причины.

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.

Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза [Текст] : учеб. пособие / Е.А. Левашов

[и др.]. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2011. – 377 с.

Контрольные вопросы

Проверка готовности к выполнению работы

1Назовите преимущества и недостатки ПЦМ.

2Опишите схему движения барабанов в ПЦМ.

3Охарактеризуйте движение размольных тел в барабане ПЦМ при различных скоростях вращения.

4Назовите кинематическое условие наиболее интенсивного измельчения в ПЦМ.

Основные вопросы для сдачи работы

1 Объясните полученные экспериментальные результаты с учетом индивидуального задания на проведение лабораторной работы.

2 Укажите причину интенсивного загрязнения измельчаемого порошка материалом барабана и размольных тел в ПЦМ и способы борьбы с этим явлением.

3 Сравните шаровые, вибрационные и планетарные мельницы с точки зрения использования для сухого и мокрого размола в практике порошковой металлургии.

21

Лабораторная работа 4

ПОЛУЧЕНИЕ ПОРОШКА ЖЕЛЕЗА ВОССТАНОВЛЕНИЕМ ЕГО ОКСИДОВ ВОДОРОДОМ

(4 часа)

4.1 Цель работы

Приобретение навыков получения порошков железа восстановлением его оксидов водородом и работы на электрических печах с защитной атмосферой.

4.2 Теоретическое введение

Под восстановлением в порошковой металлургии понимают процесс получения металла из его химического соединения путем удаления атомов неметаллической составляющей (кислорода, галогена и т.п.) с помощью вещества, называемого восстановителем, вступающего с этой составляющей во взаимодействие и окисляющегося

входе такой реакции.

Всоответствии с диаграммой состояния Fe–O существует три оксида железа:

1 Fe2O3 – гематит (30,06 % кислорода); 2 Fe3O4 – магнетит (27,64 % кислорода);

3 FexO – вюстит (теоретическое содержание кислорода 22,27 %

при х = 1).

На диаграмме состояния вюстит имеет широкую область

гомогенности. При температурах ниже 572 С FexO должен распадаться на -Fe и гематит Fe3O4.

В соответствии с принципом Байкова восстановление Fe2O3 до железа может идти по трехступенчатой (выше 572 С) или двухступенчатой (ниже 572 С) схеме:

Fe2O3 + H2 Fe3O4 + H2O + Q,

Fe3O4 + H2 FexO + H2O – Q,

FexO + H2 Fe + H2O – Q

или

Fe2O3 + H2 Fe3O4 + H2O + Q, Fe3O4 + H2 Fe + H2O – Q.

22

В отличие от других реакций восстановление Fe2O3 до Fe3O4 экзотермично, поэтому с ростом температуры газовая фаза должна обедняться парами воды и обогащаться водородом. Однако константа этой реакции настолько велика, что можно говорить о необратимости превращения даже при исчезающе малом содержании водорода в газовой фазе. Константы равновесия эндотермических реакций увеличиваются с температурой, т.е. восстановительная способность водорода повышается, а его необходимая концентрация в газовой смеси наоборот снижается. Механизм восстановления оксидов основывается на адсорбционно-автокаталитической теории.

Восстановление оксидов железа водородом осуществляется в стационарном слое в лодочках, поддонах и т.п. в муфельных (в том числе и трубчатых) печах, а также в конвейерных печах на специальном пористом подслое. Также разработаны технологии восстановления в нестационарном слое во вращающейся печи, а также в реакторе кипящего слоя.

4.3 Оборудование и методика

Восстановление оксидов железа проводят в лабораторной трубчатой печи с нихромовым нагревателем в атмосфере водорода, подаваемого противотоком со стороны холодильника (рисунок 4.1). Исходное сырье загружают в прямоугольные лодочки из малоуглеродистой или нержавеющей стали. Температуру в рабочей зоне печи контролируют хромель-алюмелевой термопарой.

1 – труба из жаростойкого сплава; 2 – керамическая труба; 3 – теплоизоляция; 4 – спиральный нагреватель; 5 – водоохлаждаемый

холодильник; 6 – лодочка с восстанавливаемым материалом; 7 – пробка с термопарой; 8 – пробка с трубкой для ввода водорода;

9 – трубка для вывода водорода (водорода с парами воды)

Рисунок 4.1 – Схема лабораторной трубчатой печи для восстановления и спекания

23

Результаты процесса оценивают по степени восстановления исходного оксида и свойствам полученного железного порошка: форме и размеру частиц, оцениваемым микроскопическим методом, насыпной плотности и текучести (см. лабораторную работу 7).

4.4 Порядок выполнения работы и указания по охране труда

По указанию преподавателя работу выполняют по одному из следующих вариантов:

Вариант 1. Изучение влияния длительности изотермической выдержки на степень восстановления исходного оксида и свойства железного порошка.

Три навески высокодисперсного гематита (Fe2O3) в количестве, необходимом для получения 20–30 г чистого железа (задается преподавателем), загружают в стальные лодочки, масса которых предварительно определена с помощью лабораторных весов. Лодочку с навеской порошка загружают в трубчатую лабораторную печь, предварительно разогретую до температуры 750, 800, 850 или

900 С, после чего входное отверстие печи плотно закрывают пробкой с термопарой (см. рисунок 4.1). Длительность выдержек составляет (в зависимости от температуры) 30, 40 и 50 мин; 20, 30 и 40 мин или 10, 20 и 30 мин. Загрузка следующей лодочки осуществляется после проталкивания предыдущей лодочки в холодильник по завершении изотермической выдержки. Если в распоряжении есть несколько трубчатых печей, восстановление ведется в них параллельно при одинаковой температуре.

Охлаждение лодочки в холодильнике осуществляется в течение 15–20 мин в зависимости от температуры в рабочей зоне печи. После извлечения лодочек из печи их массу вместе с порошком определяют на лабораторных весах и по разнице масс оценивают степень восстановления исходного оксида.

Полученную железную губку (пористый спек) измельчают в лабораторной ступке до тех пор, пока не получится гомогенный порошок, в котором при визуальном осмотре отсутствуют крупные агломераты. Затем для каждого из полученных порошков оценивают форму и размер частиц микроскопическим методом, определяют насыпную плотность и текучесть.

24

Вариант 2. Изучение влияния температуры изотермической выдержки при восстановлении на степень восстановления исходного оксида и свойства железного порошка.

Три навески высокодисперсного гематита (Fe2O3) в количестве, необходимом для получения 20–30 г чистого железа, загружают в стальные лодочки, масса которых предварительно определена с помощью лабораторных весов. Лодочки загружают в трубчатые лабораторные печи, предварительно разогретые до температуры 750,

800, 850 С или 800, 850, 900 С. Длительность выдержки составляет 40 или 30 мин соответственно.

После окончания выдержки лодочки проталкивают в водоохлаждаемые холодильники, где выдерживают 15–25 мин в зависимости от температуры в рабочей зоне печи.

После извлечения лодочек из печей выполняют действия, указанные в варианте 1.

Вариант 3. Изучение влияния длительности изотермической выдержки и природы исходного оксидного сырья на свойства восстановленного железного порошка.

Три навески высокодисперсного гематита (Fe2O3) и три навески железной окалины, полученной в лабораторных условиях, в количествах, необходимых для получения 20–30 г чистого железа, загружают в стальные лодочки, масса которых предварительно определена с помощью лабораторных весов. Две лодочки, содержащие железную окалину и гематит соответственно, загружают в две трубчатые лабораторные печи, предварительно разогретые до

одинаковой температуры 800, 850 или 900 С. Длительность изотермической выдержки в зависимости от температуры составляет 40, 30 и 20 мин. Загрузка следующей лодочки осуществляется после проталкивания предыдущей лодочки в холодильник по завершении изотермической выдержки.

Охлаждение лодочки в холодильнике осуществляется в течение 15–20 мин взависимостиоттемпературы врабочейзонепечи.

После извлечения лодочек из печей выполняют действия, указанные в варианте 1.

При выполнении работы следует соблюдать следующие меры безопасности:

1 Загрузку лодочек в печь, проталкивание их из горячей зоны в холодильник и выгрузку из холодильника разрешается выполнять только в присутствии учебного мастера или преподавателя, ведущего занятия.

25

2 При открывании трубы печи со стороны загрузочного отверстия или со стороны холодильника необходимо находиться в стороне от оси трубы.

3 Запрещается эксплуатировать лабораторную печь при отключенной или неработающей спирали для воспламенения водорода у выводной трубки.

4 Запрещается эксплуатировать лабораторную печь при отключенной или неработающей вытяжной вентиляции над ней.

5 Запрещается эксплуатировать лабораторную печь при отсутствии подачи воды в холодильник.

6 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.

4.5 Обработка результатов эксперимента

Полученные экспериментальные данные в соответствии с вариантом выполнения работы сводятся в таблицу. По результатам определения свойств полученных порошков необходимо построить их зависимости от длительности восстановления и/или температуры процесса.

4.6 Требования к отчету о работе

Отчет о лабораторной работе должен содержать краткую теоретическую часть, условия выполнения экспериментов, таблицы и графики зависимостей свойств полученных железных порошков от длительности и/или температуры восстановления и/или от природы исходных материалов, выводы по работе. В обсуждении полученных результатов следует указать их возможные причины.

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.

26

Металлические порошки и порошковые материалы [Текст] : справ. / под ред. Ю.В. Левинского. – М. : ЭКОМЕТ, 2005. – 520 с.

Металлургия железных и легированных порошков [Текст] / В.Б. Акименко [и др.]. – М. : Металлургия, 1992. – 256 с.

Контрольные вопросы

Проверка готовности к выполнению работы

1 Назовите существующие оксиды железа и условия их существования.

2 Назовите и охарактеризуйте основные сырьевые источники для получения железных порошков в промышленных условиях.

3 Назовите основные стадии восстановления в соответствии с адсорбционно-автокаталитической теорией.

4 Опишите основные способы получения водорода в промышленных масштабах.

5 Назовите основные промышленные способы получения железного порошка восстановлением водородом.

Основные вопросы для сдачи работы

1 Объясните полученные экспериментальные результаты с учетом индивидуального задания на проведение лабораторной работы.

2 Охарактеризуйте влияние температуры и длительности восстановления на химические, физические и технологические свойства получаемых железных порошков.

3 Охарактеризуйте влияние природы и дисперсности исходного оксидного сырья на кинетику его восстановления и свойства получаемых железных порошков.

4 Соотнесите свойства порошков, полученных в лабораторной работе, со свойствами промышленных железных порошков, взятых из справочника.

27

Лабораторная работа 5

ПОЛУЧЕНИЕ ПОРОШКА ЖЕЛЕЗА ВОССТАНОВЛЕНИЕМ ЕГО ОКСИДОВ УГЛЕРОДОМ

(4 часа)

5.1 Цель работы

Приобретение навыков получения порошков железа восстановлением его оксидов твердым углеродом и работы на электрических печах с локальной защитной атмосферой.

5.2 Теоретическое введение

Восстановление окалины или богатой окисленной руды твердым углеродом является одним из распространенных и эффективных способов получения железного порошка.

Непосредственное взаимодействие твердых оксидов железа с твердым углеродом развивается очень слабо из-за ничтожно малой поверхности их соприкосновения. Фактически восстановление обеспечивает СО, образующийся при газификации твердого углерода по реакции Будуара – Белла:

С + O2 CO2,

C + СO2 CO.

Соответствующие превращения можно записать следующим образом:

- при Т > 572 С

Fe2O3 + CO Fe3O4 + CO2 + Q,

Fe3O4 + CO FexO + CO2 – Q, FexO + CO Fe + CO2 + Q;

- при Т < 572 С

Fe2O3 + CO Fe3O4 + CO2 + Q,

Fe3O4 + СО Fe + CO2 + Q.

Константа равновесия (Kр) первой реакции уменьшается с увеличением температуры, хотя и остается достаточно большой, что позволяет легко проводить восстановление гематита до магнетита. При восстановлении последнего до вюстита, фактически

28

представляющего собой твердый раствор FeO–Fe3O4, Kp зависит не только от температуры, но и от состава этого раствора. С увеличением температуры реакция восстановления вюстита до чистого железа требует увеличения концентрации СО.

Следует иметь в виду, что при температурах ниже 572 С магнетит восстанавливается до чистого железа оксидом углерода, только при подаче СО в реакционное пространство из внешнего источника.

Из зависимости концентрации CO, получаемого по реакции Будуара – Белла, от температуры, следует, что вюстит можно

получить при температуре выше 650 С, а чистое железо – только выше 690 С (при этом содержание оксида углерода в газовой фазе должно быть не менее 60 %).

Существенное влияние на процесс восстановления оказывает цементит Fe3C, который хотя и является термодинамически

неустойчивым, распадается медленно и при температурах ниже 1100 C может менять состав газовой фазы в системе Fe–C–O. Образование Fe3C и твердых растворов углерода в железе загрязняет получаемые порошки и усложняет технологическую цепочку.

5.3 Оборудование и методика

Восстановление оксидов железа углеродом проводят в лабораторной камерной печи с нихромовым нагревателем. Температуру в рабочей зоне печи контролируют хромельалюмелевой термопарой. В качестве восстановителя используют измельченный древесный уголь или его смесь с сажей, содержание которой может составлять до 15 %. Исходное сырье и восстановитель загружают послойно в тигли из Al2O3, закрываемые крышками из того же материала (рисунок 5.1). Нижний слой восстановителя можно слегка уплотнить и выровнять для облегчения отделения от него восстановленной губки.

Результаты процесса оценивают по степени восстановления исходного оксида и свойствам полученного железного порошка: форме и размеру частиц, оцениваемым микроскопическим методом, насыпной плотности и текучести (см. лабораторную работу 7).

29