Составитель: И. Г. Троценко - Северо
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)» * * * Кафедра «Металлургия цветных металлов» ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ Научно-исследовательская практика I МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по выполнению Научно-исследовательской практики I для студентов, обучающихся по направлению подготовки 150400 – «Металлургия» Магистратура Составитель: И. Г. Троценко Допущено редакционно-издательским советом Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета) ВЛАДИКАВКАЗ 2015 –1– УДК 621.762 ББК 34.39 Т76 Рецензент: кандидат технических наук, доцент СКГМИ (ГТУ) Алкацев В. М. Т76 Порошковая металлургия. Научно-исследовательская практика I. Методические указания / Сост. И. Г. Троценко; Северо-Кавказский горнометаллургический институт (государственный технологический университет. – Владикавказ: Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Изд-во «Терек», 2015. – 64 с. В методической разработке дана структурная схема переработки твердых сплавов новым способом с совмещением процессов деструкции парами цинка и дистилляции цинка, описан принцип работы реактора деструкции, кинетика деструкции отходов твердых сплавов и дистилляции цинка из сплава, приведено оборудование для измельчения, сепарации, а также разработаны мероприятия по охране окружающей среды при переработке отходов твердых сплавов. Методическая разработка будет весьма полезна для студентов при подготовке и выполнении курсового и дипломного проектов по специальности 150400 – «Металлургия цветных металлов». УДК 621.762 ББК 34.39 Редактор Иванченко Н. К. Компьютерная верстка Меркушевой О. А. © Составление. ФГБОУ ВПО СКГМИ (ГТУ), 2015 © Троценко И. Г., составление, 2015 Подписано в печать 15.06.15. Формат бумаги 60841/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Таймс». Печать на ризографе. Усл. п. л. 3,77. Уч.-изд. 2,81. Тираж 10 экз. Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Изд-во «Терек». Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ). 362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44. –2– СОДЕРЖАНИЕ Введение………………………………………………………………... 4 Деструкция отходов твердых сплавов газообразным цинком……. 8 1. Принцип работы реактора деструкции отходов твердых сплавов газообразным цинком………………………………………………. 9 2. Кинетика деструкции отходов твердых сплавов………………… 13 3. Кинетика дистилляции цинка из сплава…………………………. 16 4. Оборудование для измельчения………………………………….. 19 4.1. Классификация мельниц……………………………………... 19 4.2. Барабанные мельницы………………………………………... 20 Устройство и основные элементы шаровых мельниц…………….. 23 Классификация мельниц…………………………………………….. 23 Понятие критической скорости вращения барабана мельницы…... 24 Факторы, определяющие степень измельчения…………………… 25 Режимы измельчения материалов…………………………………... 28 Расчет технологических характеристик……………………………. 29 5. Сепаратирующее оборудование………………………………….. 33 Вибрационные сепараторы – сита…………………………………... 33 Конструкции вибрационных сепараторов…………………………... 34 Расчет технологических характеристик……………………………. 35 Гидроциклоны………………………………………………………… 38 6. Смесительное оборудование……………………………………... 41 Смесители периодического действия……………………………. 41 7. Сушильное оборудование………………………………………… 47 Сушилки периодического действия……………………………… 47 Охрана окружающей среды…………………………………………. 51 Улавливание пыли и очистка газов…………………………………. 51 Производство металлических порошков и их смесителей………… 53 Прессование и спекание изделий…………………………………… 54 Обработка твердосплавных изделий и тугоплавких металлов…… 54 Пожарная и взрывопожарная безопасность………………………... 55 Правила по охране труда при термической обработке металлов в вакуумных печах…………………………………………………. 59 Литература…………………………………………………………….. 64 –3– Введение Многие отрасли современной техники своими успехами в значительной мере обязаны развитию порошковой металлургии, ставшей во второй половине ХХ века одним из важнейших направлений научно-технического прогресса. Практически в любой из отраслей промышленности применяются те или иные материалы и изделия, полученные методом порошковой металлургии. Научные основы порошковой металлургии заложил в 1752–1763 гг. М. В. Ломоносов, в опубликованных работах которого рассмотрены, например, процесс получения свинца, способы перевода различных материалов в порошкообразное состояние, дано понятие спекания как операции перевода «порошкообразного тела …, которому по желанию придана известная форма, в каменистое вещество». Основоположником же метода порошковой металлургии является русский ученый П. Г. Соболевский, который в 1827 г. впервые в мире опубликовал работу по получению изделий из губчатой платины ее прессованием с последующим спеканием. Этот метод был использован в России в производстве монет и медалей. Вскоре, всего через 20–30 лет, развитие печной техники сделало возможным достижение сравнительно высоких температур и привело к освоению производства изделий из платины и некоторых других тугоплавких металлов литьем. И о порошковой металлургии забыли вплоть до начала 20 века, ознаменовавшегося бурным развитием электротехники, потребовавшей материалов (таких, как проволока из вольфрама и молибдена, медно-графитовые щетки и др.), которые нельзя было изготовить обычными для того времени методами. Порошковая металлургия с успехом преодолела возникшие трудности. Основным отличием метода порошковой металлургии от обычных металлургических методов является то, что в последнем случае получение металла или сплава связано с операцией выплавки, тогда как в порошковой металлургии «сплав» образуется спеканием при температуре ниже точки плавления данного металла или, в случае смеси разнородных порошков, ниже температуры плавления наименее тугоплавкого компонента основы. Порошковая металлургия позволяет изготавливать изделия с уникальными свойствами, которые имеют широкое применение: –4– – конструкционные детали (шестерни, кулачки и др.); – фрикционные детали (диски, колодки и др.); – антифрикционные детали; – инструментальные материалы (резцы, сверла и др.); – электромеханические детали (контакты, магниты, ферриты и др.); – композиционные материалы (жаропрочные и др.). Преимущества использования порошковой металлургии: возможность получать изделия сразу необходимой формы и размеров; без применения механической обработки или с применением минимальной обработки, что, в свою очередь, обеспечивает значительную экономию металла; возможность получения изделий с уникальными свойствами, используя многокомпонентные смеси, объединяя металлические и неметаллические компоненты, изделий различной пористости (фильтры) с регулируемой проницаемостью, подшипников скольжения с эффектом самосмазывания; возможность получения материалов и изделий, которые нельзя получить обычной технологией, например, например изделия из тугоплавких металлов и др.; позволяет значительно более рационально использовать различные отходы. Так, например, из окалины, получаемой при прокате углеродистой стали, можно получать высококачественный железный порошок и использовать его при производстве тяжелых сплавов типа ВНЖК и т. д. Технологическая схема производства заготовок и изделий методом порошковой металлургии включает 4 основные операции: – получение порошка исходного материала; – формование заготовки из него; – спекание; – окончательная обработка (регулирование структуры, калибрование, механическая и химико-термическая обработка). Твердый сплав представляет собой композиционный материал, который состоит из высокопрочного или высокомодульного материала, называемого армирующим компонентом, соединенным со вторым материалом, называемым матрицей. Композиционные материалы обычно сочетают в себе свойства той и другой составляющих, модифицированные условиями их сосуществования. –5– Размеры частиц твердой карбидной и более мягкой цементирующей фаз обычно весьма малы и для большинства технических сплавов составляет 0,5–10,0 мкм. Наиболее широкое развитие в области производства и применения получили инструментальные твердые сплавы, которые изготавливаются на основе карбида вольфрама, карбида титана, карбида тантала или сочетаний этих карбидов, иногда с карбидом ниобия, ванадия, хрома в качестве небольших добавок. "Цементирующим" металлом в сплавах служит кобальт, а иногда никель. Сплавы отличаются высокой твердостью (HRA 82-92), сочетающейся с сопротивлением изнашиванию при трении о металлы и о неметаллические материалы. Эти свойства сохраняются в значительной степени и при повышенных температурах. Сплавы не подвергаются заметной пластической деформации при низких температурах и почти не подвержены упругой деформации, величина модуля упругости у твердых сплавов выше, чем у всех известных в технике материалов. Твердые сплавы отличаются также весьма высоким пределом прочности при сжатии. Значение предела прочности при изгибе и ударной вязкости этих сплавов невелико. Сплавы обладают относительно высокой теплопроводностью и электропроводностью, приближающейся к электропроводности железа и его сплавов. В химическом отношении твердые сплавы являются весьма устойчивыми против воздействия кислот и щелочей, некоторые сплавы практически не окисляются на воздухе, даже при 600–800 °С. Изделия из твердых сплавов производят методами порошковой металлургии, позволяющими создать сплавы из компонентов, значительно различающихся по температуре плавления. Наиболее тугоплавкие компоненты не должны подвергаться плавлению в целях придания сплаву нужных свойств. Твердые сплавы разделяют на: вольфрамокобальтовые WC-Co или ВК; титановольфрамокобальтовые WС-TiC-Co или ТК; титановольфрамокобальтовые WC-TiС-ТаС(NbС)-Со твердые сплавы или ТТК; безвольфрамовые (БВТС) твердые сплавы TiC(TiN)- Ni-Мо. –6– Также сплавы делят по величине зерна карбидной фазы: нанокристаллические – средняя величина зерна менее 0,1 мкм; ультрадисперсные 0,2–0,5 мкм; субмикронные 0,8–1,5 мкм; среднезернистые 2,0–3,0 мкм; крупнодисперсные 4,0–6,0 мкм; особо крупнозернистые 8,0–15,0 мкм. Твердые сплавы применяют в разных областях промышленности: при обработке материалов резанием, фрезерованием, строганием со снятием стружки, при сверлении (стали, чугуна, цветных металлов, неметаллических материалов и дерева); горно-буровые работы (бурение на газ и нефть, проходка туннелей), обработка дорожного покрытия, камнеобработка; бесстружковая обработка металлов (формообразующий инструмент при волочении, высадке, выдавливании, прокатке металлов), вырубка, отрезка, штамповка; работа в тяжелых условиях, в том числе в агрессивной коррозионной среде (быстроизнашивающиеся и конструкционные детали). –7– ДЕСТРУКЦИЯ ОТХОДОВ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ ГАЗООБРАЗНЫМ ЦИНКОМ Мировые запасы вольфраморудного сырья, необходимого для производства металлического вольфрама и его сплавов, весьма ограничены и имеют тенденцию сокращения. Вследствие этого возникает необходимость использования отходов, образующихся в производстве твердых сплавов и особенно при их использовании в промышленности в качестве вторичного сырья, позволяющего значительно снизить материальные и энергетические затраты по сравнению с переработкой природного сырья. Актуальность разработок по деструкции отходов твердых сплавов обусловлена отсутствием в Российской Федерации месторождений вольфрамовых руд с существенными запасами, монопольным владением большей частью вольфрамсодержащих руд, главным образом Китая. Технологическая схема переработки отходов твердых сплавов деструкцией газообразным цинком представлена на рис. 1. Рис. 1. Структурная схема переработки твердых сплавов новым способом с совмещением процессов деструкции парами цинка и дистилляции в одном рабочем пространстве –8– 1. Принцип работы реактора деструкции отходов твердых сплавов газообразным цинком Реактор деструкции отходов твердых сплавов газообразным цинком (рис. 2) состоит из корпуса 1 с загрузочным люком 2, установленным на вакуумной резине. Корпус реактора выполнен из стали толщиной 8 мм (этот размер предотвращает деформацию стенок корпуса при работе реактора в условиях высокого вакуума). Дистилляция цинка и деструкция твердого сплава [1] протекают в графитовом пенале, состоящем из двух стаканов 3 и 4, толщина стенок которых составляет 30 мм. Один из стаканов расположен в зоне нагрева, а другой – в зоне конденсации паров цинка. Нагревательным элементом является тонкостенный графитовый цилиндр 5 толщиной 20 мм, расположенный с внешней стороны стакана 4, с прорезями 6, который соединен через графитовые электроды 7 с трансформатором. Графитовый пенал разделен перегородкой 8 с осевым отверстием 9 и уплотнен высокотемпературной прокладкой 10 в месте контакта стаканов 3 и 4. Для контроля и регулирования температуры в зоне нагрева установлена термопара 11, а для создания вакуума корпус 1 снабжен патрубком 12. Реактор деструкции отходов твердых сплавов газообразным цинком работает следующим образом: в реактор 1 через загрузочный люк 2 поместили графитовый пенал (см. рис. 2). В стакан 4 графитового пенала загружали цинк, который располагали в горячей зоне, а в холодную зону стакана 3 загружали отходы твердых сплавов. Внутри реактора, после его герметизации, создавали вакуум через патрубок 12. Нагрев стакана 4 до температуры 950 С осуществляли с помощью нагревательного элемента 5, расположенного с внешней стороны стакана 4, ток к которому поступал от трансформатора через графитовые электроды 7, закрепленные на водоохлаждаемых фланцах, выполненных из нержавеющей стали. Температуру в горячей зоне контролировали при помощи термопары 11. Газообразный цинк проникал из горячей зоны в зону конденсации через осевое отверстие 9 в перегородке 8 и приводил к деструкции отходов твердых сплавов. После деструкции твердого сплава –9– полученный продукт представлял собой хрупкий пористый цинксодержащий материал, который перемещали из холодной зоны реактора в горячую. Далее процесс повторялся с очередной загрузкой твердых сплавов в холодную зону. Высокотемпературная прокладка 10 предотвращала проникновение паров цинка из реакционной зоны в вакуумную систему. Внешние стенки реактора изолированы от высокотемпературной реакционной зоны муллитокремнеземистым теплоизоляционным материалом LYTX. Рис. 2. Реактор диструкции отходов твердых сплавов газообразным цинком – 10 – При деструкции отходов твердых сплавов на кобальтовой связке (рис. 3) газообразным цинком применяется вакуумная дистилляция цинка, так как в вакууме любая жидкость кипит при более низкой температуре, и вакуум предотвращает окисление металла. Цинк, нагретый до температуры 900–950 С, в вакууме возгоняется с достаточно высокой скоростью и заполняет своими парами вакуумное пространство реакционной зоны, пары цинка, попадая в холодную зону (место расположения отходов твердых сплавов), создают некоторое давление над поверхностью твердого сплава. Так как в порах (капиллярах) твердого сплава в настоящий момент вакуум, то атомы цинка диффундируют по капиллярам внутрь сплава, стремясь уравнять давление. Соприкасаясь с холодными стенками капилляра, атомы цинка конденсируются. При конденсации цинка идет процесс адсорбции с образованием сплава Zn–Со. Кристаллизация сплава приводит к устранению адгезии между зернами карбида вольфрама, а также к образованию вторичных крупных пор, в которых после конденсации атомов цинка образуется вакуум, который моментально заполняется атомами цинка, находящимися снаружи сплава. Процессы капиллярной конденсации и адсорбции цинка идут до тех пор, пока пары цинка поступают из горячей зоны реактора в холодную. Многократное падение прочности отходов твердого сплава, повышение хрупкости обусловлено структурой вновь образованного сплава Zn–Со, наличием пор и трещин, образованием новой поверхности при деформации в результате понижения свободной поверхностной энергии твёрдого сплава под влиянием окружающей среды. Молекулярная природа состоит в облегчении разрыва и перестройке межмолекулярных связей в твёрдом сплаве в присутствии адсорбционно-активных и вместе с тем достаточно подвижных инородных атомов газообразного цинка. Продукт деструкции – хрупкий, пористый, цинксодержащий материал (рис. 4) перемещают из холодной реакционной зоны в горячую, где из него при температуре 900–950 С в вакууме сублимацией отгоняют Zn, пары которого поступают в холодную зону для деструкции очередной загрузки отходов твердого сплава. Продукт дистилляции (рис. 5) измельчают в шаровой мельнице и используют в производстве твердых сплавов. – 11 – Рис. 3. Твердый сплав, установленный на деструкцию Рис. 4. Сплав после взаимодействия с газообразным цинком Рис. 5. Рыхлая масса, полученная после дистилляции цинка из деструктированного сплава Преимуществами аппарата являются: во-первых, одновременное проведение операций дистилляции цинка в обогреваемой зоне и деструкции твердого сплава парами цинка в холодной зоне, что сокращает продолжительность переработки твердого сплава в 2 раза по сравнению с известными технологиями и составляет 50 минут; вовторых, отсутствие специального водоохлаждаемого конденсатора и устройства для переплавки цинка. Цинк непрерывно циркулирует между обогреваемой зоной дистилляции и холодной зоной деструкции твердого сплава в виде пара и твердого сплава цинка с кобальтом. – 12 – 2. Кинетика деструкции отходов твердых сплавов Перенос газообразного цинка (диффузия) в результате вакуумной дистилляции обусловлен хаотическим тепловым движением атомов из зоны дистилляции цинка с повышенным в зону конденсации с пониженным давлением. Такой перенос осуществляется при наличии градиента концентрации частиц. Первоначально в реакционной зоне перенос частиц протекает с определенной скоростью в вакуумной среде (конвективная диффузия), далее движение частиц по капиллярам твердого сплава – диффузия частиц в турбулентных потоках и, наконец, молекулярная диффузия в твердом сплаве. Главной характеристикой диффузии служит плотность диффузионного потока (J) – количество цинка, переносимого в единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению переноса. Это уравнение выражает первый закон Фика (Адольф Фик – установивший законы диффузии в 1855 г.). Учитывая только изменение в среде, градиент концентрации с (х, t), характеризующий ее изменение на единицу длины в направлении х (одномерный случай) в момент времени t, в изотропной покоящейся среде [2] определяем: J D дс , дх (1) где D – коэффициент диффузии (м2/с); знак "минус" указывает на направление потока от больших концентраций к меньшим. Второй закон Фика связывает пространственно-временное распределение концентрации: дс д д дс , ( J ) D дt дх дх дх (2) Трехмерная диффузия [с (х, у, z; t)] описывается уравнениями: J Dgrad c, дс д дс д дс ( D ) D дt дх дх дy дy (3) д дс ( D ), дz дz где J – вектор плотности диффузионного потока, grad – градиент поля концентрации. – 13 – (4) С увеличением давления газа в порах твердого сплава возрастает поверхностная концентрация атомов цинка, адсорбированных на стенках пор. Причина адсорбции – нескомпенсированность межмолекулярных сил вблизи поверхности, т. е. наличие адсорбционного силового поля. Кобальт, создающий такое поле, называется адсорбентом, цинк, молекулы (атомы) которого могут адсорбироваться – адсорбтивом. Образовавшийся адсорбционный слой может оказаться подвижным и перемещаться вдоль поверхности поры, вследствие чего параллельно с объемным диффузионным переносом в ней возможна поверхностная диффузия газа. Последняя оказывает иногда существенное влияние на кинетику химических превращений, обусловливая неравновесное распределение в системе взаимодействий реагентов. Элементарный акт адсорбции осуществляется практически мгновенно (исключение – хемосорбция). Поэтому временные зависимости адсорбции определяются в основном механизмом диффузии, т. е. подводом адсорбтива к месту адсорбции. В случае же пористых адсорбентов, кроме внешней диффузии, важную роль начинает играть внутренняя диффузия, т. е. перенос адсорбтива в порах адсорбента (при наличии в них градиента концентрации). Механизм такого переноса может зависеть от концентрации адсорбтива и размеров пор. Если в поре образовался вогнутый мениск Ð , <1. Согласно адсорбата, то в ней начинается конденсация при Ðs уравнению Кельвина: Ps 2V RT ln , (5) P r где r – средний радиус кривизны поверхности раздела фаз, Р – давление насыщенного пара над сферической поверхностью, Ps – давление насыщенного пара над плоской поверхностью в тех же условиях, – межфазное поверхностное натяжение, V – молярный объём конденсированной фазы, R – универсальная газовая постоянная. Величина 2 , называется капиллярным давлением. В случае r выпуклых поверхностей (капли, кристаллы) r>0, в случае вогнутых поверхностей (пузырьки) r<0. – 14 – Капиллярная конденсация приводит к резкому подъему изотермы адсорбции. При этом часто (но не всегда) наблюдается так называемый адсорбционный гистерезис, т. е. несовпадение адсорбционных и десорбционных ветвей изотермы. Как правило, это связано с тем, что формы менисков при адсорбции и десорбции не совпадают. Взаимная диффузия в твердых телах, как поток атомов одного сорта, может превосходить идущий в обратном направлении поток атомов другого сорта, если для нескомпенсированных вакансий (а, возможно, и для нескомпенсированных атомов) имеются стоки. При этом в кристалле появляются поры, приводящие к нарушению устойчивости кристаллической решетки как механической системы и вследствие этого к смещению кристаллических плоскостей как целого (эффект Киркиндаля). Скорость диффузионного массопереноса в различных веществах или материалах иногда удобно характеризовать константой их проницаемости: П = Dg, где g – константа Генри, определяющая равновесную растворимость переносимого компонента. – 15 – 3. Кинетика дистилляции цинка из сплава Деструктированный твердый сплав – хрупкий, пористый, цинксодержащий материал, нагревают в вакууме и практически полностью сублимацией отгоняют Zn (перевод цинка из твердого состояния (сплава Zn–Со) непосредственно (без плавления) в газообразное состояние). Сублимация подчиняется общим законам испарения. Обратный процесс – конденсация вещества из газообразного состояния, минуя жидкое, непосредственно в твердое состояние называется десублимацией. Сублимация и десублимация – фазовые переходы первого рода. Газовая фаза чаще всего образует идеальную смесь компонентов. Твердая фаза может образовывать системы, в которых компоненты полностью взаимно нерастворимы, неограниченно взаимно растворимы, ограниченно растворимы. Процессы сублимации и десублимации [3] удобно представлять с помощью трехфазной диаграммы состояния (рис. 6). На этой диаграмме процесс сублимации изображен пунктирными линиями, пересекающими кривую с в точке ниже тройной точки Тр при повышении температуры и постоянном давлении либо при понижении давления и постоянной температуре. Рис. 6. Фазовая диаграмма для сублимации – десублимации процессов: а, б, с – кривые давления пара соответственно при плавлении вещества, над жидкостью, над твердой фазой, Тр – тройная точка; p – давление – 16 – В случае однокомпонентных систем уравнением кривой с служит уравнение Клапейрона–Клаузиуса для давления насыщенного пара над твердой фазой при энтальпии сублимации H 0 = const и абсолютной температуре Т: Рn A exp( Н 0 ), RT (6) где A – константа, R – газовая постоянная. Для многокомпонентных систем уравнение для Pп по форме аналогично уравнению (1), но зависит от характера взаимодействия компонентов. Сублимация – многостадийный процесс, для проведения которого необходима дополнительная тепловая энергия. При ее подводе частицы цинка мигрируют на поверхности твердой фазы из состояния с наибольшей прочностью связей в состояние с их меньшей прочностью, а затем в газовую фазу. Максимальная скорость процессов сублимации и десублимации достигается при проведении их в вакууме и ее находят по уравнению Герца–Кнудсена: Wэфф а( рп рг ) М , 2RT (7) где рг – давление паров вещества в газовой фазе, a – коэффициентом конденсации или сублимации (0 a 1). Скорости сублимации и десублимации обусловливаются прежде всего скоростью разрушения кристаллов при сублимации и скоростью кристаллизации при десублимации, а также скоростями переноса массы от поверхности твердой фазы в газовый поток. По мере протекания сублимации и десублимации изменяются характеристики твердой фазы (толщина и пористость слоя, шероховатость поверхности и др.) и соответственно интенсивность тепло- и массообмена с газовой фазой. Один из важных параметров процессов сублимации и десублимации – количество подводимой (отводимой) теплоты. Для сублимации данный параметр определяется теплотой фазового перехода, в – 17 – случае десублимации предварительно находят необходимую величину охлаждения газа по уравнению: t H д pn рп.вх , Cp pг р рп.вх (8) где t – степень улавливания вещества; HД – энтальпия десублимации; рп, рг – плотность пара вещества и газа-носителя; Ср – теплоемкость газа-носителя; pп.вх – давление пара вещества на входе в систему; p – общее давление в ней. – 18 – 4. Оборудование для измельчения 4.1. Классификация мельниц Мельница – машина для измельчения различных материалов [4]. От дробилок мельницы отличаются более тонким помолом материала (до частиц размерами мельче 5 мм). В зависимости от формы и вида рабочего органа и скорости его движения мельницы можно условно подразделить на пять групп (рис. 7, табл. 1). Рис. 7. Схемы мельниц: а – барабанной; б – роликовой; в – кольцевой; г – бегуны; д – молотковой; е – пальцевой (дезинтегратор); ж – вибрационной; з – струйной – 19 – Таблица 1 Классификация мельниц по форме и виду рабочего органа Группа мельниц I II III IV V Форма и вид рабочего органа Барабанная, в том числе шаровая, стержневая, галечная, самоизмельчения Роликовая, валковая, кольцевая, фрикционношаровая, бегуны Молотковая (шахтная), пальцевая (дезинтеграторы) Вибрационные с качающимся корпусом Струйная, аэродинамическая, без дробящих тел Скорость движения рабочего органа Тихоходный Среднеходный Быстроходный Быстроходный Быстроходный 4.2. Барабанные мельницы Одним из наиболее распространенных видов размольного оборудования являются барабанные мельницы. В простейшем конструктивном варианте такая мельница представляет собой вращающийся вокруг горизонтальной оси барабан, внутри которого находится измельчаемый материал и мелющие тела (рис. 8). Рис. 8. Конструктивные схемы барабанных мельниц: а – периодического действия (1 – опора; 2 – барабан; 3 – привод вращения барабана; 4 – люк загрузки-выгрузки; 5 – мелющие тела); б – непрерывного действия (1 – полая цапфа питания; 2 – полая цапфа разгрузки; 3 – барабан; 4 – привод; 5 – загрузочный люк) – 20 – В зависимости от особенностей конструкции барабанные мельницы классифицируют: • по характеру технологического цикла – на мельницы периодического и непрерывного действия; • по виду среды, в которой осуществляется измельчение – на мельницы сухого и мокрого измельчения; • по количеству помольных камер – на одно- и многокамерные; • по возможности фракционирования продукта – на мельницы без фракционирующих элементов и с фракционирующими элементами; • по конструкции барабана – на нефутерованные и футерованные (износостойкой сталью или керамикой, твердосплавными пластинами, твердосплавной наплавкой, резиной); • по виду мелющих тел – на шаровые и стержневые. Основным преимуществом мельниц непрерывного действия является их большая производительность, обусловленная сокращением длительности операций загрузки-разгрузки, а также меньшее загрязнение окружающей среды благодаря устранению пыления при загрузке-разгрузке. Повышенная производительность мельниц непрерывного действия может быть реализована только в том случае, если их работа синхронизирована с работой устройств загрузки-разгрузки. Среда, в которой производится измельчение, оказывает большое, а иногда и решающее влияние на технологические характеристики оборудования и качество получаемого продукта. Измельчение в жидких средах позволяет уменьшить или устранить окисление измельчаемого материала и агрегированных частиц. Наличие среды поверхностно-активной по отношению к измельчаемому материалу дает возможность интенсифицировать процесс измельчения и снизить его энергоемкость благодаря действию эффекта Ребиндера или устранению агрегирования частиц. Использование жидких сред устраняет пыление и улучшает экологические характеристики оборудования. Однако применение жидких сред требует отделения измельчаемого продукта от среды (например, фильтрации) и его сушки, что может удлинить технологический процесс и привести к повышению издержек производства. Конструктивно мельницы мокрого измельчения практически не отличаются от мельниц сухого измельчения. – 21 – Недостатком однокамерных мельниц является то, что размеры мелющих тел, оптимально выбранные применительно к какой-либо одной, например, начальной стадии измельчения, являются заведомо неоптимальными на других стадиях, в результате чего снижается производительность оборудования и увеличиваются энергозатраты на измельчение. Этот недостаток устраняется в многокамерных (трубных) барабанных мельницах. Их рабочий объем разделен на несколько камер перфорированными перегородками или сетками, размер отверстий в которых последовательно уменьшается в направлении от загрузочного к разгрузочному узлу мельницы (рис. 9). Рис. 9. Многокамерная барабанная мельница: 1 – опора; 2 – загрузочный узел; 3 – барабан; 4 – люк; 5, 6 – перфорированные перегородки (сетки); 7 – разгрузочный узел; 8 – мелющие тела; 9 – привод В порошковой металлургии барабанные мельницы используются как индивидуальные агрегаты с ручным управлением. Основными областями их применения являются: совместное измельчение компонентов твердых сплавов; измельчение ферросплавов и лигатурных сплавов, используемых при получении легированных порошков методами диффузионного насыщения; измельчение титановой губки – продукта металлотермического получения титана. Во многих технологических процессах барабанные мельницы применяют в качестве смесителей, уменьшая количество шаров в 3–5 раз по сравнению с используемым при измельчении. Специфическими требованиями техники безопасности к большинству видов оборудования дли получения порошков, в том числе и к барабанным мельницам, являются повышенные требования к пыленепроницае– 22 – мости этого оборудования и необходимость принятия мер против самовозгорания порошков непосредственно в рабочем объеме мельниц или в период их разгрузки. В максимальной степени этим требованиям отвечает оборудование, сблокированное при помощи герметичных трубопроводов и запорной арматуры с устройствами загрузки-выгрузки. Устройство и основные элементы шаровых мельниц. Классификация мельниц Простейший аппарат для измельчения дробленых твердых материалов – шаровая вращающаяся мельница, которая представляет собой металлический цилиндрический барабан. Внутри барабана находятся размольные тела полиэдрической или округлой формы (чаще всего стальные или твердосплавные шары). Применение при размоле тел цилиндрической формы предпочтительно в связи с большей площадью контактной поверхности. При вращении мельницы размольные тела (под действием сил трения о стенки барабана мельницы) поднимаются на определенную высоту в направлении вращения до тех пор, пока угол подъема не превысит угол естественного откоса, после чего они скатываются или падают вниз, измельчая материал, находящийся в пустотах между ними. Соотношение между дробящим и истирающим действием размольных тел в мельнице в значительной мере определяется отношением диаметра барабана D к его длине L. Известно, что в мельницах одинакового объема при L:D > 3 преобладает дробящее действие размольных тел, что полезно для измельчения твердых и хрупких материалов, а при L:D ≤ 3 – истирающее, более эффективное при измельчении пластичных металлов. В практике порошковой металлургии в большинстве случаев используют шаровые мельницы с периодической загрузкой и разгрузкой, вращение которых осуществляют либо непосредственно от электродвигателя, либо путем установки барабанов на валки. Известны также мельницы с центральной разгрузкой измельченного материала через полую цапфу, с торцевой разгрузкой через диафрагму – поперечную решетку, установленную у разгрузочного – 23 – конца барабана, или с периферической разгрузкой через щели в барабане и окружающее его цилиндрическое сито (рис. 10). Рис. 10. Схемы шаровых вращающихся мельниц: а, в – с центральной загрузкой барабана через цапфу; б – с торцевой загрузкой (цилиндроконическая); г – с периферической загрузкой и выгрузкой материала через сита; д – разрез шаровой мельницы постоянного действия Шаровые мельницы, для которых D:L = 0,5–1, часто работают по замкнутому циклу совместно с классификатором, отделяющим недоизмельченный продукт после выхода из мельницы и возвращающим его на повторное измельчение. Производительность мельницы при этом повышается, а расход электроэнергии на измельчение уменьшается. Решающее влияние на интенсивность и механизм размола оказывают: скорость вращения барабана мельницы, число и размер размольных тел, масса измельчаемого материала, среда размола. Понятие критической скорости вращения барабана мельницы С увеличением скорости вращения мельницы в связи с ростом центробежной силы и угла подъема размольные тела падают вниз с большей высоты, производя главным образом дробящее действие. При дальнейшем увеличении скорости вращения мельницы центробежная сила может настолько возрасти, что размольные тела будут вращаться вместе с барабаном и материал практически не будет измельчаться. Скорость, при которой наблюдается подобный режим работы мельницы, называют критической скоростью вращения nкр. – 24 – Для вывода критической скорости вращения рассмотрим поведение единичного размольного тела, например шара (рис. 11), находящегося в барабане работающей мельницы. Одиночный шар весом Р на поверхности барабана мельницы, вращающегося со скоростью V (м/с), в точке т будет находиться под действием ценРис. 11. Схема к расчету тробежной силы, равной РV 2/gR, критической скорости где g – ускорение силы тяжести, вращения барабана м/с2; R –внутренний радиус барашаровой мельницы бана мельницы, м. При угле α сила собственного веса шара можетподъема быть разложена на силы, одна из которых направлена по радиусу и равна Рsin α, а другая – по касательной и равна Рсos α. При этом число оборотов барабана мельницы nкр, об/мин, а V = πDnкр/60, поэтому π 2D 2nкр 2 / 602 = gD/2, где D – внутренний диаметр барабана мельницы, м. Отсюда находим: nкр g 60 42,4 . 2π 2 D D Фактически при nкр шар еще не сможет в зените удержаться на стенке барабана мельницы вследствие скольжения по ее поверхности. При скорости вращения, равной nкр, происходит проскальзывание одного ряда шаров относительно другого. Факторы, определяющие степень измельчения На процесс измельчения большое влияние оказывают масса (коэффициент заполнения барабана) размольных тел и отношение массы (объема) размольных тел к массе (объему) измельчаемого материала. Оптимальный коэффициент заполнения (ϕ) барабана мельницы размольными телами составляет 0,4–0,5. При больших значениях ϕ уменьшается объем пространства в мельнице, необходимый для свободного падения или перекатывания размольных тел. Уменьшение длины свободного падения размольных тел приводит к потере кинети– 25 – ческой энергии, с которой они действуют на измельчаемый материал. При меньшем коэффициенте заполнения снижается производительность мельницы, что связано как с уменьшением объемов загружаемого материала (его должно быть столько, чтобы он не превышал объема пустот между размольными телами), так и переходом мельницы в другой режим работы (менее интенсивный). Из-за уменьшения площади трения сегмента из размольных тел о внутреннюю поверхность барабана размольные тела поднимаются на меньшую высоту, а следовательно, снижается эффект от их действия на измельчаемый материал. Если материала будет больше объема пустот между размольными телами, то часть его, не вмещающаяся в зазоры, измельчается менее интенсивно. Кроме того, размольные тела будут падать как бы на «подушку» из лишнего материала, что также снижает эффект от их действия. Для интенсификации процесса размола его проводят в жидкой среде, которая препятствует распылению материала в свободном объеме барабана мельницы и обратному слипанию тонких частиц благодаря диэлектрическим свойствам. Кроме того, проникая в микротрещины частиц, жидкость создает большое капиллярное давление, способствуя измельчению. Жидкость также уменьшает трение как между размольными телами, так и между частицами обрабатываемого материала, благодаря чему интенсифицируется их перемещение относительно друг друга. Жидкой средой обычно служат спирт, ацетон, вода, некоторые углеводороды и пр. Полезный эффект от размола в жидкости усиливается при добавлении в нее поверхностно-активных веществ (ПАВ). Количество жидкости должно быть таким, чтобы она достигала верхнего уровня размольных тел, находящихся в барабане мельницы, что составляет 0,15–0,25 л на 1 кг размольных тел. Обычно в мельницу загружают 1,7–1,9 кг стальных шаров на один литр ее рабочего объема, а соотношение между массой размольных тел и массой измельчаемого материала составляет 2,5–3,0. При интенсивном измельчении это соотношение увеличивается до 6–12 и даже больше. Если плотности измельчаемого материала и размольных тел близки (как, например, при размоле стальной стружки стальными шарами), указанное соотношение должно составлять 5–6. – 26 – Если плотности измельчаемого материала и размольных тел значительно отличаются, то определить необходимое для эффективной работы мельницы количество материала можно расчетным путем. Известно, что при свободной насыпке сферических размольных тел равного диаметра в барабан мельницы объем пустот между размольными телами составляет около 50 %. Это тот объем, который и может занимать измельчаемый материал. Следовательно, зная объем мельницы и коэффициент заполнения ее размольными телами, можно определить оптимальный объем измельчаемого материала, а зная насыпную плотность материала, – массу. Аналогичным путем можно установить и объем заливаемой в мельницу жидкости. Размер размольных тел (диаметр шаров) также оказывает влияние на процесс размола. По приближенной оценке его максимальное значение должно быть в пределах 5–6 % внутреннего диаметра барабана мельницы. Интенсивность измельчения с уменьшением размера размольных тел возрастает до тех пор, пока усилие от воздействия каждого из них оказывается достаточным для разрушения частиц обрабатываемого материала или нарушения целостности их поверхности. На практике для повышения эффективности помола применяют набор различных по размерам размольных тел (например, при соотношении размеров 4 : 2 : 1). Производительность шаровых вращающихся мельниц во многом зависит от их габаритных размеров и от характера измельчаемого материала. Длительность размола колеблется от нескольких часов до нескольких суток. Для предотвращения быстрого износа стенок барабана и загрязнения в результате этого измельчаемого материала применяют защиту (футеровку) внутренних поверхностей барабана износостойкими материалами: марганцовистыми сталями, твердыми сплавами, наплавочными материалами. Для шаровых вращающихся мельниц соотношение средних размеров частиц порошка до и после измельчения, называемое степенью измельчения, составляет 50–100. Форма частиц, получаемая в результате размола в шаровых вращающихся мельницах, обычно осколочная, т. е. неправильная, с острыми гранями, а шероховатость их поверхности невелика. – 27 – Режимы измельчения материалов При измельчении материалов стараются поддерживать такие режимы работы мельницы, при которых на измельчаемый материал (со стороны размольных тел) действовали бы максимальные усилия. На практике чаще всего применяют два основных режима работы шаровых мельниц: режим интенсивного измельчения, при котором на материал действуют в основном раздавливающие и ударные усилия, либо режим перекатывания, при котором на материал действуют истирающие и раздавливающие усилия. Первый режим применяется для получения грубых, крупных порошков, второй – для тонкого измельчения материала. Переход в тот или иной режим достигается вариацией скоростей вращения барабана мельницы (рис. 12). Рис. 12. Схема движения шаров в барабане шаровой мельницы при различной скорости его вращения: а – режим скольжения при n ≤ 0,2 nкр; б – режим перекатывания при n ≤ 0,4–0,6 nкр; в – режим интенсивного измельчения (водопадный режим) при n ≤ 0,75–0,85nкр; г – движение шаров при n ≥ nкр При получении измельченных материалов с размером частиц порядка одного микрометра размол путем дробления падающими шарами не эффективен. Это связано с тем, что в процессе измельчения материала значительно уменьшается количество ударных воздействий, испытываемых за единицу времени каждой отдельной частицей. Кроме того, у мелких порошков в более значимой степени, чем у крупных, проявляется склонность к комкованию, агрегатированию и релаксации напряжений. Поэтому на предприятиях после сравнительно непро– 28 – должительной (несколько часов) работы мельницы в режиме интенсивного измельчения, ее переводят в режим перекатывания шаров, при котором они не падают, а поднимаются вместе со стенкой вращающегося барабана мельницы и затем скатываются по наклонной поверхности, образованной их массой (рис. 12в). Измельчаемый материал истирается между шарами, циркулирующими в объеме, занимаемом их массой. При режиме перекатывания различимы четыре зоны движения шаров: зона их подъема по стенке барабана с некоторой не очень высокой скоростью; зона скатывания с наибольшей скоростью; зона встречи скатившихся шаров со стенкой барабана, цент-ральная застойная зона, в которой шары почти неподвижны. Увеличивая скорость вращения барабана мельницы, можно повысить эффективность режима перекатывания путем сужения или полной ликвидации застойной зоны в шаровой загрузке. Наконец, может быть создан еще один вариант режима размола, получивший название режима скольжения. При использовании мельниц с гладкой внутренней поверхностью барабана и при небольшой относительной загрузке размольные тела не циркулируют внутри барабана мельницы. Вся масса размольных тел скользит по поверхности вращающегося барабана, а их взаимное перемещение отсутствует (рис. 12 а). Измельчение материала при таком режиме размола малоэффективно, так как происходит путем истирания его лишь между внешней поверхностью сегмента размольных тел и стенкой барабана мельницы. Расчет технологических характеристик При технологическом расчете, выполняемом в связи с проектированием новой мельницы, известными предполагаются: крупность кусков исходного продукта dн и частиц получаемого порошка dк, м; производительность G, т/ч; энергия начала разрушения кусков Е0, Дж; удельная энергия измельчения Э, кВт·ч/т. Задаваясь диаметром барабана Dб, м, определяют частоту вращения n, об/мин, по формуле: n 8 . 2 R6 5 2 – 29 – Для мельниц периодического действия коэффициент заполнения φ принимают равным 0,45, поскольку при этом значении коэффициента масса мелющих тел совершает максимально возможную работу. Для мельниц непрерывного действия с выводом продукта через полую цапфу величина φ составляет обычно 0,25–0,35 и определяется тем, что в невращающемся барабане уровень массы мелющих тел не должен подниматься выше нижней точки полой цапфы, так как при нарушении этого условия мелющие тела при остановке будут выкатываться из барабана через полую цапфу. Длину барабана Lб, м, находят по формуле: 6 10 4 ЭG L6 , Мрн R62.5 где М – коэффициент работы массы мелющих тел, м-0,5/мин, являющийся функцией частоты вращения барабана n и коэффициента заполнения φ (рис. 12); ρн – насыпная плотность мелющих тел, кг/м3. В мельницах непрерывного действия должно выполняться соотношение Lб/Rб ≤ 1,5, при нарушении которого ухудшаются условия вывода измельченного продукта через полую цапфу. Если после определения Dб и Lб окажется, что приведенное соотношение не выполнено, производят перерасчет, задавшись другим значением Dб. Рис. 13. График зависимости коэффициента работы дробящей загрузки от коэффициента заполнения барабана при различных частотах вращения барабана – 30 – Массу мелющего тела q рассчитывают по формуле: q cE0 6 10 2 n 2 4 n 6 n 8 R6 R6 R6 30 30 30 , где с – коэффициент, с = 0,57 при сухом измельчении; с = 5,5 при мокром. Расчетный диаметр размольных шаров dш (мм), находят из соотношения: 3 p102 d ш 23 , 4p0 где ρ0 – плотность материала шаров, кг/см3. При работе мельницы диаметр и масса шаров уменьшаются вследствие их износа, что приводит к уменьшению коэффициента заполнения φ и отклонению условий работы мельницы от оптимальных, поэтому начальный диаметр шаров принимают равным 1,2–1,3 dш. Износ массы мелющих тел восполняют, периодически догружая мельницу новыми мелющими телами. Массу шаровой загрузки Gш рассчитывают по формуле: Gш R62 L6pи . Число шаров при загрузке z = Gш/q. Объем Vр и массу Gр измельчаемого материала, находящегося в мельнице, определяют исходя из того, что Vр должен быть на 10–20 % больше суммарного объема пустот между шарами. Мощность двигателя NД, кВт, вычисляют по формуле: 1,1Мp3 R62 L6 NД , 6 104 где ρ3 – плотность массы мелющих тел, кг/м3; – 31 – p p3 pи 1.151 и pи , p0 где ρИ – плотность измельчаемого материала, кг/м3. Приведенные соотношения между параметрами мельницы, свойствами измельчаемого материала и условиями измельчения позволяют решать, помимо рассмотренной выше, следующие задачи: • по известным или заданным размерам мельницы, заданной начальной и конечной крупности измельчаемого материала устанавливать производительность мельницы, частоту вращения и коэффициент заполнения барабана, размер дробящих тел и мощность двигателя (определение возможности размещения мельницы внутри действующего производства); • по известным размерам, частоте вращения и коэффициенту заполнения барабана, размеру дробящих тел и конечной крупности измельчаемого материала рассчитывать максимальную крупность кусков, подаваемых в мельницу, производительность мельницы, мощность двигателя (определение возможности использования существующей мельницы для измельчения нового вида материала). – 32 – 5. Сепарирующее оборудование Сепарирующее оборудование предназначено для выполнения следующих технологических задач: очистки порошков от примесей, разделения (фракционирования, сепарации) порошков на фракции по тому или иному признаку, выделения твердой составляющей из пылегазовых потоков и суспензий в основных технологических процессах, системах аспирации и мокрого пылеудаления. Признаками разделения порошков могут быть размеры и форма частиц, плотность материала, коэффициенты внешнего трения, упругие и магнитные свойства. В подавляющем большинстве видов сепарирующего оборудования разделение осуществляется по совокупности нескольких признаков: в этом случае один из них является основным, а остальные сопутствующими. Основными технологическими показателями сепараторов являются: производительность; число фракций на выходе из аппарата; коэффициенты, которые характеризуют количество целевого компонента, попавшего в соответствующую фракцию, отнесенное либо к количеству компонента в исходной смеси (коэффициент извлечения), либо к количеству этой фракции (коэффициент чистоты фракции, разрешающая способность сепаратора по данной фракции). Основными видами сепарирующего оборудования в порошковой металлургии являются вибро-, пневмо- и гидросепараторы, магнитные сепараторы. Вибрационные сепараторы-сита Вибрационное сито (рис. 14) содержит короб 1, ситовое полотно 2, подвеску 3, опорную раму 4, привод-вибровозбудитель 5. – 33 – Рис. 14. Схемы вибрационных сит: а – односеточного; б – многосеточного с вертикальным расположением коробов; в – то же с горизонтальным расположением Конструкции вибрационных сепараторов Существуют сита непрерывного и периодического действия. На рис. 15 представлены основные кинематические схемы вибрационных сит. Рис. 15. Схемы качающихся сит: а – на шарнирных подвесках; б – на шарнирных опорах; в – на пружинных опорах; г – на кривошипных опорах; д – на кривошипной опоре и шарнирной подвеске; е – на шарнирной и кривошипной опорах – 34 – Рабочим органом вибрационного сита является колеблющийся ситовой канал (замкнутая ситовая камера – в ситах периодического действия), образованный ситовым полотном и двумя продольными и одной поперечной (передней) стенками. На ситах непрерывного действия осуществляются: • транспортирование смеси вдоль канала, необходимое для непрерывности процесса и характеризуемое средней скоростью центра массы смеси; • самосортирование – погружение к поверхности сита частиц, меньших размеров и большей плотности и всплывание в верхние слои частиц больших размеров и меньшей плотности; • просеивание – прохождение через отверстия сита частиц с размерами меньшими, чем размеры отверстия. Вибрационные сита позволяют реализовать следующие режимы перемещения-просеивания: • прямолинейные гармонические колебания без подбрасывания с двусторонним движением и мгновенными остановками; непрерывный контакт с ситом и отсутствие интервалов относительного покоя увеличивают вероятность просеивания частиц из нижнего слоя и уменьшают динамические нагрузки на сито; • равномерные круговые колебания в вертикальной плоскости с непрерывным подбрасыванием; этот режим применяют для разделения связных (агломерированных) порошков и одновременной сепарации по размерам и плотности; подбрасывание и удары способствуют разрыхлению и самосортированию смесей, но требуют применения прочных и жестких сит; • равномерные круговые колебания в горизонтальной плоскости; этот режим применяют для разделения смесей на большое число фракций с высокой разрешающей способностью. Расчет технологических характеристик Рассмотрим методику расчета вибрационного сита на примере сита с дебалансным вибровозбудителем (рис. 16). Зависимость, связывающая вес сита с порошком Gс, H, амплитуду его колебаний е, м, вес дебаланса q, H, и радиус его вращения r, м, имеет вид: – 35 – Рис. 16. Расчетная схема вибрационного сита Gc e qr . При поверочных расчетах обычно определяют величину е, исходя из известных величин. Мощность привода вычисляют по формуле: N qrdn 3 f , 17.2 106 где d – диаметр подшипников, м; п – частота вращения, об/мин; f – коэффициент трения в подшипниках. Нормальный режим работы односеточного вибрационного сита непрерывного действия при малой толщине слоя сепарируемых частиц осуществляется при условии q тр qcen BL , где qТР – производительность сита как транспортирующего устройства, кг/с; qсеn – удельная производительность сита по проходящей фракции, кг/(м2·с); В – ширина полотна, м; L – длина полотна, м. Удельную производительность рассчитывают по формуле: qcen Cd 3 p0 , где С – коэффициент пропорциональности, зависящий от «живого» сечения сита, концентрации проходящей фракции в смеси, плотности и других свойств частиц, 1/м2; v – линейная скорость центра массы частиц относительно сита, м/с; ρ0 – вероятность просеивания отдельной частицы. Для безотрывного движения эта вероятность подчиняется нормальному закону: – 36 – p0 1 кр 0, 5 e 2 0 1 d , где σ – среднеквадратичное отклонение; vкр – критическое значение скорости при ρ0 = 0,5. Для сферической частицы диаметром d при равномерном движении над прямоугольным отверстием длиной D критическое значение скорости равно: кр 0,5 g 2D 1 R d , d 1 R R 1 R где R – коэффициент восстановления нормальной скорости частицы при ударе о кромку отверстия. При движении частицы с подбрасыванием вероятность просеивания уменьшается вследствие сокращения продолжительности контакта с ситом из-за увеличения нормальной составляющей ускорения сита и нарушения условий безотрывного движения и вследствие отражения частицы вверх в результате удара о кромку отверстия при движении тонкого слоя. Увеличение толщины слоя порошка до некоторого оптимального значения повышает вероятность просеивания. При работе в режиме горизонтальных поступательных круговых (с радиусом r) колебаний в горизонтальной плоскости средняя линейная скорость vср, м/с, движения центра массы порошка описывается выражением: ср 2P gf П r 1 2 gf r 2 , где Рп = Нcp/L (Нср – средняя высота слоя порошка, м; L – длина канала, м); – 37 – g – ускорение силы тяжести, м/с2; f – коэффициент трения частиц нижнего слоя о поверхность полотна; ω – частота колебаний, 1/с. В условиях самосортирования средняя скорость погружения частиц vверт, м/с, рассчитывается по уравнению: верт A 0 H f 0 2 1 2 1 arccos 1 2 , где А0 – коэффициент, зависящий от свойств проходовой частицы и массы порошка в целом, м2/с8; ξ = (f/f0) – 1 – коэффициент, в котором f и f0 – коэффициенты трения, соответственно, нижнего слоя по ситовому полотну и верхнего слоя по нижнему. Формула справедлива, когда послойное движение происходит во всей массе порошка, т. е. при условии ω2r > gf. Гидроциклоны Конструкции гидроциклонов. Сепарация в гидроциклонах основана на тех же принципах, что и в пневмоциклонах, а конструкция гидроциклонов (рис. 17) близка к конструкции пневмоциклонов. Исходную пульпу подают в гидроциклон под давлением через питающую насадку 2 (рис. 17а), установленную тангенциально непосредственно под крышкой аппарата. Порошки разгружают через насадку 3, а слив – через патрубок 4, расположенный в центре крышки и соединенный со сливной трубой 5 непосредственно или через сливную коробку 1 (рис. 17б). Корпус 1 гидроциклона изнутри может защищаться износостойким покрытием или футеровкой, материалы которых выбирают в зависимости от свойств сепарируемого продукта. – 38 – Рис. 17. Схема двухпродуктового (а, б) и трехпродуктового (в) циклонов Различают гидравлические классификаторы, сепараторы и сгустители. Классификаторы применяются для разделения зёрен по крупности, сгустители – для отделения части воды от зёрен, сепараторы – для обогащения полезных ископаемых в минеральных суспензиях. Гидроциклон представляет собой конус 1 (рис. 17а) с короткой цилиндрической частью 2, имеющей питающий патрубок 3, по которому подаётся гидросмесь, и сливное отверстие 4. У конической части предусмотрена насадка 5, через которую разгружается нижний продукт разделения. Питающий патрубок расположен таким образом, что пульпа вводится в гидроциклон по касательной и вращается в нём с образованием внешних и внутренних потоков (рис. 17б). Твёрдые частицы подвергаются воздействию центробежной силы и отбрасываются к периферии. Чем больше масса зерна, тем дальше оно будет отброшено. Зёрна, имеющие большую массу, чем граничные зёрна, по которым производится разделение, остаются во внешнем потоке и, перемещаясь к вершине конуса, разгружаются через насадку. Зёрна с меньшей массой попадают во внутренний поток и выносятся через сливное отверстие. Конструктивные варианты гидроциклонов и схемы потока представлены на рис. 18. – 39 – Рис. 18. Конструкция гидроциклона: 1 – сливная труба; 2 – крышка; 3 – труба; 4 – цилиндрическая часть корпуса; 5, 6 – конические части корпуса; 7 – сливная насадка; 8 – питающая насадка Расчет технологических характеристик. Основными технологическими характеристиками циклона являются производительность, крупность слива, эффективность классификации. Производительность указана для давления на входе 0,1 МПа, минимальных и максимальных значений dэ и dс. Эффективностью классификации Е называют отношение приращения количества материала определенной крупности (по которой осуществляется расчет) в сливе к приращению количества материала той же крупности в сливе в идеальном случае классификации: E α θ β α , α1 α β θ где α, β, θ – содержание частиц расчетного класса, соответственно, в питании, сливе, крупнозернистом продукте. Уточнение расчета и окончательный выбор гидроциклона производятся в зависимости от того, в какой технологической схеме он эксплуатируется. Наиболее часто встречаются схемы классификации при работе совместно с измельчительным оборудованием в замкнутом цикле, то же – в открытом цикле и схема дешламации – выделения твердой фазы суспензии без ее классификации. – 40 – 6. Смесительное оборудование В порошковой металлургии смесительное оборудование применяют для приготовления сухих смесей порошкообразных компонентов друг с другом и пластифицированных (пастообразных) смесей твердых порошкообразных компонентов с жидкими. Основой классификации смесителей является характер технологического цикла (периодический или непрерывный) и механизм процесса смешивания (конвективный, диффузионный, конвективно-диффузионный). Смесители периодического действия Конструкции смесителей. По механизму процесса эти смесители подразделяют на циркуляционные, объемного и диффузионного смешивания. В циркуляционных смесителях происходит замкнутая циркуляция материала по внутреннему объему. Наиболее распространены смесители с планетарно-шнековой мешалкой и центробежно-лопастные. В планетарно-шнековых смесителях (рис. 19а) циркуляция смешиваемого материала осуществляется шнеком, вращающимся вокруг собственной оси и оси аппарата; рабочий объем 1–20 м3, время τсм = 1,0–1,5 ч. В центробежно-лопастных смесителях (рис. 19б) рабочий орган вращается с окружной скоростью наружных кромок 10–15 м/с, что обеспечивает механическое псевдоожижение смешиваемого материала; рабочий объем 0,05–0,5 м3 при τсм = 0,15–0,3 ч. Рис. 19. Циркуляционные смесители: а – планетарно-шнековый; б – центробежно-лопастной – 41 – В аппаратах объемного смешивания (рис. 20) рабочие органы (спирали, лопасти, плужники и т. п.) перемещают материал хаотически по всему рабочему объему. Широкое применение нашли смесители с Z-образными лопастями и разгрузочным шнеком, плужный, пневматический сопловой, барабанный; рабочий объем 0,05–6 м3, τсм = 1–3 ч. Эти смесители используют для смешивания сыпучих материалов с повышенной связностью частиц, а также увлажненных. Рис. 20. Аппараты объемного смешения: а – с Z-образными лопастями; б – с Z-образными лопастями и разгрузочным шнеком; в – плужный; г – пневматический сопловой; д – барабанный В аппаратах диффузионного смешивания частицы одного компонента постепенно внедряются между частицами других компонентов; процесс внешне сходен с молекулярной диффузией. Смесители этой группы – барабанные с гладким корпусом, вибрационные трубчатые с псевдоожиженным слоем смешиваемого материала. Их применяют для смешивания абразивных, взрывоопасных и иных сыпучих материалов. Наиболее распространенными в порошковой металлургии смесителями периодического действия являются барабанные, применяемые для приготовления сухих смесей, и червячнолопастные, в которых можно получать как сухие, так и пластифицированные смеси. Барабанный смеситель представляет собой замкнутую емкость – корпус, вращающийся на оси. На рис. 21 представлены основные типы промышленных барабанных смесителей: цилиндрический горизонтальный с осью вращения, совпадающей с осью цилиндра (а), цилиндрический вертикальный с осью вращения, перпендикулярной к – 42 – оси цилиндра (б), двухконусный горизонтальный с осью вращения, совпадающей с осью корпуса (в), двухконусный вертикальный с осью вращения, перпендикулярной к оси корпуса (г), граненый горизонтальный с осью вращения, совпадающей с осью корпуса (д), бицилиндрический V-образный (е), кубический (ж), тетраэдрический (з), цилиндрический с осью вращения, наклоненной к оси корпуса – «пьяная бочка» (и). Преимуществами барабанных смесителей являются – простота конструкции, возможность смешения компонентов без истирания и изменения формы частиц, возможность смешения абразивных компонентов при минимальном истирании элементов конструкции смесителя. Рис. 21. Основные типы барабанных смесителей Расчет технологических характеристик барабанных смесителей Технологический расчет барабанного смесителя включает определение оптимальной частоты вращения барабана, продолжительности смешивания и энергозатрат. Оптимальную частоту вращения вычисляют по формуле: nопт 1500 2000 dч , Rmax где dч – среднеарифметический диаметр частиц смешиваемых компонентов; Rmax – максимальный радиус вращения корпуса смесителя. – 43 – Расчет продолжительности смешивания (суммарного числа оборотов барабана nΣ) в цилиндрических смесителях основан на модели макродиффузионного массопереноса в направлении вдоль оси барабана и производится по формулам: при малом ожидаемом 10 L2 M 2 n , D2 при большом ожидаемом L2 log 0.8 log 1 M n , 32 D 2 где L – длина барабана; М(nΣ ) – степень смешения, требуемая к моменту окончания nΣ оборотов барабана; D – коэффициент кажущейся макродиффузии, зависящей от физико-химических свойств смеси, степени заполнения смесителя и его размеров. При оценочных расчетах D ≈ 10–3 см2/об. Степень смешения, требуемая к моменту окончания nΣ оборотов барабана, определяют по формуле: S 2 S R2 M 1 2 , 2 S0 SR где S2 – измеренное (требуемое) значение среднеквадратичного отклонения (СКВО); SR2 – СКВО при максимально совершенном в статистическом смысле смешении, S R2 P1 P , m S0 – СКВО концентрации ключевого компонента в пробах для совершенно несмешанной смеси, S02 P1 P , – 44 – Р – фактическое массовое относительное содержание ключевого компонента в смеси; т – число частиц в пробе. В смесителях с двухконусным, двухцилиндрическим, кубическим, тетраэдрическим и наклонным корпусами осевые перемещения частиц происходят путем скольжения материала по наклонным поверхностям корпуса, массоперенос осуществляется за счет среза слоев и их перетасовки, поэтому при их расчете нельзя использовать в качестве базы диффузионную модель процесса смешения. Основные технологические характеристики связаны в этом случае соотношением: Vc Vc, e Фt , где Vc – коэффициент неоднородности смеси к моменту продолжительности смешения t; V'c – предельно достижимый для данного типа смесителя коэффициент неоднородности; Ф – коэффициент скорости смешения, зависящий от конструкции смесителя, скорости вращения его корпуса, физикомеханических свойств смеси. Мощность, кВт, потребляемую смесителем, рассчитывают по следующим формулам: для цилиндрических горизонтального и вертикального Nц G R0 sin , 102 для двухконусных горизонтального и вертикального, заполненных наполовину, N ДК pн sin lк R 2 r 2 R r 2 R 3lц , 165,5 для цилиндрического наклонного N ДК G . R0 sin , 102 – 45 – для тетраэдрического NT 4 pн sin 6000 , где G – масса материала в барабане, кг; R0 – радиус центра массы материала в сегменте, м; ω – частота вращения барабана, рад/с; ρН – плотность перемешиваемого материала, кг/м3; lц и lк – длина цилиндрической и конической частей барабана, м; R – внутренний радиус цилиндрической части барабана, м; r – внутренний наименьший радиус конической части барабана, м; R0′ – расстояние центра тяжести массы в продольном сечении барабана от оси вращения, м; φ – угол, образованный в рассматриваемый момент времени радиусом R0′ с вертикалью, град (φ и R0′ при вращении барабана меняют свои значения, максимальные имеют место, когда уровень материала совпадает с горизонтальной осью); α – сторона тетраэдра. Специфическим видом смесителей периодического действия являются усреднители, предназначенные для объединения и усреднения состава приготовленных ранее отдельных партий смесей, качество каждой из которых находится в пределах допуска. Основными видами усреднителей, которые могут применяться в порошковой металлургии, являются пересыпные, циркуляционные и планетарношнековые. – 46 – 7. Сушильное оборудование В соответствии с многообразием высушиваемых материалов, их свойств и условий обработки конструкции сушилок также очень разнообразны и отличаются: по способу подвода теплоты (конвективные, контактные, специальные); по виду сушильного агента (воздушные, газовые, паровые); по давлению в сушильной камере (атмосферные, вакуумные); по способу организации процесса (периодического или непрерывного действия); по взаимному направлению движения высушиваемого материала и сушильного агента (в конвективных аппаратах – прямоток, противоток, перекрестный ток); по состоянию слоя влажного материала в аппарате (с неподвижным, движущимся или взвешенным слоем). Оборудование для сушки порошков является обязательным элементом аппаратурно-технологических линий получения порошков распылением расплавов водой или газами в воду, гидрометаллургическими (автоклавными) методами, электролизом растворов и расплавов, а также схем, предусматривающих мокрое измельчение, мокрую сепарацию порошков, обработку порошков в жидких средах (например, с целью нанесения покрытий), в некоторых случаях – гранулирование порошков. В зависимости от масштабов производства применяют сушилки периодического или непрерывного действия. Сушилки периодического действия В камерных сушилках высушиваемый материал находится неподвижно на полках, установленных в одной или нескольких сушильных камерах. Засасываемый вентилятором и нагретый в калориферах воздух проходит между полками над материалом. Сушилки работают периодически при атмосферном давлении и вакууме и применяются в малотоннажных производствах для материалов с невысокой температурой сушки. Основными видами сушилок периодического действия, применяемыми в порошковой металлургии, являются полочные вакуумные сушилки и полочные сушилки, в которых сушка производится в условиях контакта порошка с нагретым атмосферным воздухом. – 47 – Применение вакуумных сушилок, несмотря на их более высокую стоимость и сложность по сравнению с атмосферными сушилками, позволяет обрабатывать чувствительные к высоким температурам, а также токсичные и взрывоопасные вещества, получать продукты повышенной чистоты. Вакуум-сушильные шкафы (рис. 22) – простейшие контактные сушилки периодического действия. Такая сушилка представляет собой цилиндрическую камеру, в которой размещены полые плиты, обогреваемые водяным паром или горячей водой. Материал слоем тол- Рис. 22. Вакуум-сушильный шкаф: 1 – камера; 2 – полые плиты щиной до 60 мм находится на противнях, установленных на плитах; напряжение их рабочей поверхности обычно не превышает 0,5–3,5 кг/(м2·ч) влаги. Во время работы камера герметически закрыта и соединена с вакуум-конденсационной системой и вакуумнасосом.Эти сушилки имеют небольшую производительность и малоэффективны, поскольку сушка в них происходит в неподвижном слое при наличии плохо проводящих теплоту воздушных прослоек между противнями и плитами; материал загружается и выгружается вручную. Однако шкафы универсальны, так как обеспечивают возможность сушки разных материалов (в том числе легко окисляющихся и выделяющих ценные пары, например, спирт) при оптимальных условиях. Основные технические характеристики вакуумных сушилок представлены в табл. 2. Таблица 2 Техническая характеристика вакуумных сушилок Параметр 1 Площадь поверхности загрузки, м2 ПВ4,5–0,63НУ-01; ПВ4,5-0,63НК-01 2 Модель ПВ16-2НУ-01; ПВ16-0,63НК-01 3 ПВ33-6,3НУ-02; ПВ33-6,3НК-02 4 4,5 16 33 – 48 – Окончание табл. 2 1 Объем аппарата, м3 Остаточное давление в сушилке, кПа Давление в плитах, МПа Температура стенки плиты, К Плита: число размеры, мм Размеры сушилки, мм Масса, кг 2 0,63 3 2 4 6,3 2,63 0,4 2,63 0,4 5,26 0,6 423 423 423 10 12 65090025 1300127025 141860157027 1 1851 4102 050 1 1851 4102 050 1 1851 4102 050 846 2130 5780 Гребковые вакуум-сушилки (рис. 23) представляют собой горизонтальные, периодически действующие аппараты с цилиндрическим корпусом, снабженным паровой рубашкой. Дисперсный материал, заполняющий 20–30 % объема аппарата, хорошо перемешивается гребками, закрепленными на валу мешалки, имеющей реверсивный привод, который автоматически изменяет направление ее вращения с частотой 6–10 мин–1. Между гребками свободно перекатываются трубы-скалки, способствующие разрушению комков и дополнительному перемешиванию материала. Разгрузка и выгрузка материала механизированы. Напряжение поверхности сушилок по влаге составляет 6–8 кг/(м2 · ч). Рис. 23. Гребковая вакуум-сушилка: 1 – корпус; 2 – рубашка; 3 – вал с гребками; 4 – трубы-скалки – 49 – Производительность полочных сушилок ориентировочно определяется исходной и конечной влажностью материала и напряжением сушильной камеры по влаге, составляющим для вакуумных сушилок 15–20 кг удаляемой влаги на квадратный метр поверхности нагрева в час, для атмосферных сушилок – 1–2 кг удаляемой влаги на кубический метр объема камеры в час. Общий вид полочной сушилки приведен на рис. 24. Необходимый уровень вакуума находится в пределах от 10–3 до 100 мм рт. ст. в зависимости от продукта. Рис. 24. Полочная вакуумная сушилка Рис. 25. Коническая сушилка с перемешиванием и подогревом Для сушки порошков, кристаллов и чувствительных к перегреву материалов идеально подходит коническая вращающаяся сушилка – модель 159 с рабочим объемом от 0,1 до 30 м3 (рис. 25). – 50 – Охрана окружающей среды Улавливание пыли и очистка газов Все пылеулавливающие технические устройства и их коммуникации (электрофильтры, скруббера, циклоны, рукавные фильтры и другие агрегаты, газоходы, утилизационные котлы, устройства для отвода уловленной пыли и т. п.) должны быть герметичны. Состояние герметичности должно систематически проверяться в соответствии с графиком, утвержденным техническим руководителем организации. Во время работы фильтров должна регулярно производиться выгрузка пыли. Накопление пыли в бункере сверх уровня, указанного в технологической инструкции, не допускается. Уборка и выпуск пыли из пылеулавливающих устройств должны быть механизированы с применением увлажнения в случаях, допускаемых технологическим процессом. Электрические фильтры должны оснащаться устройствами (автоблокировка), не позволяющими открывать дверки изоляторных коробок, крышек и люков на защитных колпаках без снятия напряжения с агрегатов питания коронирующих электродов, а также иметь автоматическое управление системой промывки электрофильтров или блокировку включения (отключения) напряжения, подачи воды, газа. Корпус и все металлические части электрофильтров, кроме токонесущих элементов, должны быть заземлены. Вся работа, выполняемая внутри электрофильтров, должна производиться по наряду-допуску в порядке, установленном ОПБМ, с соблюдением следующих требований: напряжение коронирующих электродов должно быть снято, а электроды заземлены; электрофильтр должен быть охлажден, продут и отключен от трубопроводных коммуникаций заглушками, после чего выполнен анализ воздуха рабочей зоны на содержание в нем вредных примесей. Воздушная среда периодически контролируется в процессе работ; осадительные и коронирующие электроды быть освобождены от пыли, а бункер очищен от пыли. – 51 – Механическая система управления рукавных фильтров должна обеспечивать работу фильтра как в ручном, так и в автоматическом режимах. Управление системой регулирования температуры подсосом воздуха должно быть автоматизировано. При использовании механизмов с пневмоприводном для проведения ремонтных и пусконаладочных работ необходимо предусматривать ручное управление механизмами (дублирование) по месту. На местном щите управления электрофильтром предусмотреть кнопку "Стоп" аварийной остановки шнека. Действия эксплуатационного персонала при возгорании рукавов электрофильтров (возгорание пирофорной пыли) определяются технологической инструкций, предусматривающей: остановку вентиляторов, механизмов встряхивания и удаления пыли данного фильтра; закрытие клапанов на воздуховодах очищенных газов и обратной продувки, запорные устройства на газопроводе, а также задвижки на шнеках, удаляющих пыль; применение соответствующих средств тушения пожара; съем рукавов, поврежденных пожаром; включение механизмов удаления пыли после съема рукавов; очистку внутренней полости фильтра, бункера и механизма удаления от пыли после остановки механизма удаления пыли. Проверять состояние рукавов рукавных фильтров следует при отключенном встряхивающем механизме. Циклоны, предназначенные для улавливания взрывоопасной пыли, должны оборудоваться предохранительными (взрывными) клапанами в соответствии с проектом. Одновременная очистка нескольких бункеров батарейных циклонов и коллекторов запрещается. Работы, связанные с внутренним осмотром, очисткой и ремонтом газоходов, должны выполняться по наряду-допуску. В отделении эксгаустеров должна быть предусмотрена установка резервных эксгаустеров (воздуходувок) в количестве, определяемом проектом. В отделении эксгаустеров должна предусматриваться двухсторонняя технологическая связь. – 52 – Производство металлических порошков и их смесей Печи восстановления и карбидизации должны оборудоваться устройствами для отвода и регенерации газообразных продуктов, образующихся в процессе восстановления и карбидизации. Печи восстановления должны оборудоваться установками регенерации водорода. Загрузочные и разгрузочные устройства печей восстановления и карбидизации, работающих с водородной средой, должны оборудоваться запальными устройствами. Печи с водородной средой перед пуском и после установки должны продуваться инертным газом (азотом). После продувки в продувочном газе на выходе из печи (после остановки) водород должен отсутствовать. Содержание кислорода в продувочном газе (перед пуском печи) не должно превышать 4 % (по объему). При работе печей восстановления и карбидизации в них должно поддерживаться давление водорода, обеспечивающее постоянное и устойчивое горение факела. Параметры водорода (расход и давление) должны быть указаны в технологических инструкциях. Мельницы мокрого размола должны оснащаться системой охлаждения. Система включения мельниц должна предусматривать блокировку пуска мельниц при отсутствии подачи охлаждающей воды. Система включения мельниц должна предусматривать блокировку пуска мельниц при отсутствии (при снятых) штатных съемных ограждений и открытых дверках. Работы по загрузке и выгрузке мельниц мокрого помола емкостью, равной или более 180 л, должны быть механизированы. Все металлические конструкции и элементы технических устройств для замешивания порошков должны заземляться. Система включения механических мешалок должна предусматривать блокировку пуска мешалки (привода шнека) при открытом загрузочном люке. В помещении замешивания твердосплавных смесей с применением легковоспламеняющихся жидкостей допускается хранение этих – 53 – жидкостей в закрытых металлических емкостях в количестве, не превышающем сменную норму расхода. Выгрузка смесей из смесителей должна выполняться с использованием инструментов, исключающих искрение. Прессование и спекание изделий Места выполнения работ по заполнению порошковой смесью рабочих полостей пресс-форм (каналы матрицы при автоматическом и полуавтоматическом прессовании, стаканы при ручном прессовании и т. п.) должны оборудоваться местными отсосами. Система управления прессом должна предусматривать блокировку, исключающую работу устройства при нахождении в опасной зоне обслуживающего персонала (оператора – его рук и других частей тела). Все виды ремонтных работ на прессах должны выполняться только после отключения линии высокого давления и сброса давления из гидросистемы пресса. Загрузка изделий в лодочки и выгрузка их из лодочек с применением защитных засыпок должна производиться в вытяжных шкафах. Загрузка и выгрузка изделий из печи при наличии в ней вакуума запрещается. При застревании лодочек в печи их извлечение должно выполняться при снятом напряжении и пониженном расходе водорода согласно технологической инструкции. Технические устройства дробеструйной очистки должны оснащаться аспирационными системами. Обработка твердосплавных изделий и тугоплавких металлов Станки, на которых обрабатываются полуспеченные заготовки, должны оборудоваться местными отсосами. При "мокром" шлифовании изделий применять абразивные круги с минеральной связкой запрещается. – 54 – Запрещается работать на боковой поверхности абразивных кругов, если они не предназначены для данной операции. Размещение и безопасная эксплуатация технических устройств по обработке тугоплавких металлов (прокатные и трубопрокатные станы, ротационно-ковочные машины, пневматические ковочные машины, волочильные машины, станки, пилы, ножницы, установки травления сортового проката, аппараты для высокотемпературной сварки штабиков, насосно-аккумуляторные станции и др.) должны соответствовать требованиям ОПБМ, настоящих Правил, "Правил безопасности в прокатном производстве", утвержденных Постановлением Госгортехнадзора России от 28.11.2002 № 68, зарегистрированным Минюстом России 11.12.2002, рег. № 4024, и других НТД и технологическим инструкциям. Пожарная и взрывопожарная безопасность Пожарно-взрывоопасность, токсические свойства сырья, полуфабрикатов, вспомогательных материалов и средства индивидуальной защиты приведены в таблице № 3 данного раздела. По классу пожароопасности цех по переработке и производству твердых сплавов относится к категории В. Таблица 3 Данные по пожарной безопасности Наименование 1 Токсические свойства ПожароСредства индиви(действие на организм взрывоопасность дуальной защиты человека) 2 3 4 Вольфрамовый Взрывобезопасен Пыль порошок воль- Работать необходипорошок фрама и его соедине- мо в спецодежде, и его соединения ний токсична. Вызы- пылезащитных очвает раздражение ках и респираторах; слизистых оболочек соблюдать личную носа, горло и заболе- гигиену, после кажвание легочных тка- дой рабочей смены ней, предельно до- мыться горячей вопустимая концентра- дой с мылом, чиция пыли вольфрама стить и стирать в воздухе рабочих спецодежду. Необпомещений 6 мг/м3 ходимо следить за работой приточной – 55 – и вытяжной вентиляции. Продолжение табл. 3 1 2 3 Карбид вольфрама Взрывобезопасен Пыль карбида вольфрама токсична. Вызывает раздражение слизистой оболочек носа, горла и заболевания легочных тканей, предельно допустимая концентрация пыли карбида вольфрама в воздухе рабочих помещений 6 мг/м3зистых Сажа Пылевоздушная Сажа, графитовая смесь взрыво- пыль свыше допуопасна. Темпера- стимой концентратура воспламене- ции вызывает забония смеси 830 С. левания дыхательНижний предел ных путей и пищеварения. Предельно взрываемости смеси (17–24) г/м3 допустимая концентрация пыли сажи и графита в воздухе рабочих помещений10 мг/м3 Смеси твердосплавные Взрывобезопасен Пыль твердосплавных смесей токсична, вызывает раздражение слизистых оболочек носа, горла и заболевание легочных тканей. Предельно допустимая концентрация пыли в воздухе рабочих помещений –0,5 – 56 – 4 мг/м3 Продолжение табл. 3 1 2 3 Кобальт металли- Взрывобезопасен Порошок металличеческий (порошок) ского кобальта и его соединения вызывают острый дерматит кожи. Предельно допустимая концентрация пыли кобальта в воздухе рабочих помещений – 0,5 мг/м3 4 Спирт этиловый Огнеопасен и взры- Спирт этиловый ток- Необходимо стротехнический воопасен. Верх- сичен. При частом го соблюдать праний предел взры- соприкосновении со вила противоповаемости 19,0 объ- спиртом возникает жарной безопасёмных процента сухость кожи. Пре- ности. Средствами нижний 3,6 объ- дельно допустимая защиты служит ёмных процента концентрация паров фильтрующий спирта в воздухе противогаз марки рабочих 1000 мг/м3 «А» и спецодежда. Необходимо следить за работой общей и местной вентиляции. В помещении нельзя использовать открытый огонь. Бензин, раствор Взрывоопасен, Пары бензина токкаучука в бензине огнеопасен. Верх- сичны, вызывают ний предел взры- функциональные ваемости 4,9 объ- нервные расстройёмных процента, ства и сухость. Пренижний предел – дельно допустимая 2,4 объёмных концентрация паров процента спирта в воздухе 1000 мг/м3 – 57 – Окончание табл. 3 1 Водород технический Окись углерода 2 3 4 ПожаровзрывоФизиологически Необходимо рабоопасен. Нижний инертный газ, лишь тать в защитных предел взрываемо- при очень высоких очках и спецодежсти – 4 объемных концентрациях вы- де. При загрузке и процента. Темпе- зывает удушье выгрузке печей не ратура воспламе- вследствие снижения открывать обе нения (550–590) С парциального давле- дверцы одноврения кислорода в воз- менно, стоять в духе стороне от загрузочного или выгрузочного люка печи. Следить за вытяжной вентиляцией. При загрузки или выгрузки необходимо поджигать выходящий из печи избыток водорода. Пожаро-взрыво- Токсична. Вытесняет При больших конопасна. Темпера- кислород из оксиге- центрациях необтура воспламене- моглабина крови, ходимо использофильтруюния 610 С. Преде- образуя корбоксиге- вать Кровь щий противогаз лы взрываемости: моглабин. неспо- марки СО (белая нижний – 12,5 объ- становится ёмных процента, собной переносить коробка). Следить верхний –75 объ- кислород из легких к за герметизацией тканям организма, аппаратуры, труёмных процента. наступает удушье. бопроводов, приПредельно допусти- точной и вытяжмая концентрация в ной вентиляций. воздухе – 30 мг/м3 Общие требования безопасности при ведении производственных процессов установлены ГОСТ 12.3.002-75 – 58 – В качестве первичных средств пожаротушения применяют ОУ-2 и ОХП-5. – 59 – Правила по охране труда при термической обработке металлов в вакуумных печах Конструкция вакуумных печей должна удовлетворять требованию максимальной герметичности. Типы и производительность насосов, создающих и поддерживающих вакуум в рабочих камерах печей, определяются в каждом конкретном случае исходя из необходимого вакуума, объема рабочей камеры и требований к чистоте рабочей среды. Уровень вибрации оборудования, возникающей при работе вакуумного механического насоса, не должен превышать значений, определенных "Допустимыми уровнями вибрации на рабочих местах, в помещениях жилых и общественных зданий". СН 2.2.4/2.1.8.562-96. Для снижения уровня вибрации, превышающего допустимые величины, в месте соединения вакуумного насоса с вакуум-проводом должны быть установлены виброгасящие устройства: резиновые или металлические гофрированные трубки. Выхлопные патрубки вакуумных механических насосов печей должны быть выведены за пределы здания цеха или в вентиляцию. В вакуумных печах должно быть предусмотрено принудительное охлаждение рабочей камеры и других ответственных мест оборудования, находящегося под воздействием высоких температур. В качестве хладагентов могут использоваться очищенная вода, масло, воздух. Техническую воду без очистки использовать запрещается. Вакуумные печи должны быть оснащены контрольной аппаратурой, сигнализирующей о нарушении режима работы оборудования. Вакуумные печи должны иметь аварийное питание водой на случай отключения электроснабжения водооборотной системы. Включение аварийного водопровода должно быть автоматическим. Систему водяного охлаждения вакуумных печей следует оборудовать блокировкой, отключающей электронагрев печи при резком снижении давления (расхода) охлаждающей воды, и приборами световой и звуковой сигнализации о повышении температуры воды более 50 °С. Управление вакуумными печами следует осуществлять посредством электрической аппаратуры: автоматически или вручную. – 60 – Вакуумные насосы и насосы водооборотной системы должны иметь автоматический ввод резерва электропитания. Каждая вакуумная печь должна быть снабжена предохранительным клапаном (пружинным или с разрушаемой мембраной), отключающим механический форвакуумный насос при достижении в камере вакуума выше рабочего, и аварийным клапаном, автоматически перекрывающим вакуум-провод при остановке насоса и препятствующим попаданию масла в камеру. К вакуумным печам, помимо требований безопасности для электроустановок, предъявляется дополнительное требование – взрывозащищенность. Прокладка проводов к пирометрическим приборам и к датчикам приборов измерения вакуума должна производиться раздельно от проводов силовых и контрольных цепей. Вакуумные электропечи, предназначенные для закалки в газовой среде под избыточным давлением, должны иметь предохранительные сбросные клапаны и соответствовать требованиям "Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением". Узел подготовки рабочей газовой смеси и. очистки ее компонентов – одна из основных частей вакуумных печей. Очистку газовых смесей рекомендуется производить с применением адсорбентов и приспособлений для вымораживания примесей. Наиболее целесообразно применение вымораживания для крупногабаритных печей, что позволяет производить очистку больших объемов газа. Приемка в эксплуатацию серийно выпускаемых универсальных вакуумных печей и агрегатов должна осуществляться в соответствии с паспортами на данное оборудование, СНиП 3.05.05 и актом приемочной комиссии, утвержденным работодателем. Щиты управления электропечей должны быть закрытого типа. Допускается устройство открытых щитов панельного типа, но только в специально отведенных для них изолированных помещениях с окнами для наблюдения за приборами. На щитах и пультах управления электропечей должна быть световая сигнализация о подаче напряжения на нагревательные элементы и о работе блокировочных устройств. – 61 – Электропечи с ручной загрузкой и выгрузкой деталей должны быть оборудованы блокировочными устройствами для автоматического снятия напряжения с нагревательных элементов при открывании дверец печи. Все токоведущие части электропечей должны быть изолированы или ограждены. Оградительные устройства и другие металлические нетоковедущие части должны быть заземлены. Уравновешивающие грузы заслонок, а также приводы механизмов печей должны быть ограждены. В электропечах с принудительной циркуляцией рабочей атмосферы, в которой не исключается выброс горячего газа через открытый, проем, должно быть предусмотрено блокировочное устройство, отключающее питание электродвигателей печных вентиляторов перед открытием дверцы или крышки. В печах с механизированным подъемом и опусканием дверец или заслонок рабочих окон, или крышек должна быть обеспечена возможность остановки дверцы в любом промежуточном положении, автоматическая остановка механизма подъема и опускания в конечных положениях и исключена возможность падения дверцы при отключении механизма. Печи должны иметь автоматическую регулировку температуры. При повышении температуры выше установленной должны включаться световые и звуковые сигналы. Рабочие площадки, расположенные над сводом электропечи, должны быть теплоизолированы. Загрузка, разгрузка, осмотр, ремонт, очистка электропечей должны осуществляться при полностью снятом напряжении во избежание короткого замыкания и поражения электрическим током. Вся группа электропечей должна иметь аварийный выключатель, снабженный соответствующей надписью и находящийся по возможности ближе к печам. Доступ к аварийному выключателю должен быть всегда свободен. Рядом с вакуумными печами не должно находиться оборудование, работа которого связана со значительными выделениями пыли, дыма и теплового излучения. В помещении не должны осуществляться технологические процессы, связанные с выделением паров – 62 – щелочей, кислот и других веществ, способных взаимодействовать с работающими в вакууме деталями. Вакуумные печи должны быть оборудованы местной вытяжной вентиляцией для удаления газов и тепла. Газы, выбрасываемые из выхлопных патрубков вакуумных насосов, должны выводиться по трубопроводам в атмосферу за пределы производственных зданий. Изделия, загружаемые в вакуумные печи, должны быть очищены от пыли, грязи, смазочных материалов и тщательно просушены. Поверхности всех деталей, находящихся в вакуумном пространстве, и внутренние стенки рабочей камеры должны быть чистыми и без ржавчины. Внутренние поверхности рабочих камер вакуумных печей должны периодически очищаться от технологических загрязнений с помощью металлических щеток, шкурки, скребков, а также промываться пожаробезопасными техническими моющими средствами (ТМС) с помощью щеток, кистей или тряпок, не оставляющих на стенках ниток, ворсинок и других загрязнений. Применять для этой цели ветошь не рекомендуется. При оформлении наряда-допуска на очистку внутренних поверхностей рабочих камер вакуумных печей необходимо учитывать возможность возгорания некоторых веществ, обладающих пирофорными свойствами (способностью к самовозгоранию на воздухе). Просушку промытых поверхностей желательно производить на воздухе, не протирая их тряпками. Уплотняющие резиновые прокладки при сборке вакуумных систем должны также промываться ТМС. Съемные элементы вакуумных установок перед очисткой необходимо удалять из рабочей камеры. Завершающей стадией очистки вакуумной печи является вакуумный отжиг, который проводится с целью дегазации рабочей камеры и внутри камерных устройств. Температура внутри камеры должна быть не ниже 250 °С. Камеру рекомендуется прогревать при непрерывной откачке в течение 2–3 часов. Для предотвращения коррозии внутренних поверхностей рабочей камеры перед заполнением ее атмосферным воздухом необходимо прекратить доступ воды в рубашки охлаждения с тем, чтобы к моменту заполнения камеры воздухом стенки достаточно прогре– 63 – лись, или рабочую камеру необходимо заполнить просушенным воздухом, для чего в цехе должна иметься соответствующая установка. Иногда с этой целью до подачи воздуха в рабочую камеру спускают воду из всех охлаждающих полостей, дав кожуху прогреться, либо охлаждающие полости заполняют горячей водой. Рабочее место должно быть обеспечено резиновым ковриком и другими средствами защиты работающих, необходимыми при работе с электроустановками. Обслуживающий персонал при визуальном контроле за процессом термообработки должен использовать защитные очки. Не допускается производить снятие крышки рабочей камеры в процессе работы вакуумной печи, так как срыв крышки может привести к травмированию людей. Если в результате порчи того или иного элемента конструкции в рабочую камеру попала вода, масло или другие вещества, способствующие скоплению в ней взрывоопасных газов, не рекомендуется сразу после аварии вскрывать камеру. Следует выдержать время до полного остывания оборудования и деталей, произвести откачку газа из камеры и затем подать в нее воздух. Только после этого следует снимать крышку, соблюдая необходимую осторожность. При производстве работ, связанных с ремонтом элементов конструкций, расположенных в вакуумном пространстве, обслуживающий персонал обязан перед началом работы и в процессе производства работ следить за чистотой рук, обуви и одежды; работы следует производить чистым обезжиренным инструментом, в чистой спецодежде и головном уборе. При подготовке деталей к термообработке в вакуумных электропечах (обезжиривание, промывка и т. п.) с использованием токсичных, пожаро- и взрывоопасных веществ (ацетона, спирта) должны соблюдаться требования пожарной безопасности и должна быть исключена возможность воздействия этих веществ на работающих. Места подготовки деталей к термообработке должны находиться в изолированном помещении, оборудованном вентиляцией во взрывобезопасном исполнении и необходимыми средствами пожаротушения. При термообработке в вакуумных печах, заполненных инертным газом – аргоном, удаление его после окончания процесса должно – 64 – осуществляться путем вакуумирования печи с выбросом аргона в атмосферу или в специальную систему сбора и регенерации аргона. Печь, заполненная аргоном, из которой по условиям технологического процесса производится разгрузка деталей, в местах выхода аргона должна быть оборудована патрубками вытяжной вентиляции. После разгрузки печи или контейнера, заполненных аргоном, и после длительных перерывов в работе необходимо проводить продувку рабочей камеры, а также приямков и оборудования, расположенного ниже уровня пола, сжатым воздухом. ЛИТЕРАТУРА 1. Пат. 2276193 Россия С1 МПК. С22В, 7/00. Способ переработки кусковых отходов твердых сплавов / Троценко И. Г., Свистунов Н. В. СКГМИ (ГТУ) (RU) , № 2004134868 29.11.2004 опубл. 10.05.2006, Бюл. № 13. 2. Химический энциклопедический словарь X 46 Гл. ред. И. Л. Кнунянц. М. Сов. Энциклопедия. 1983. 792 с. 3. Павлов П. В. Физика твердого тела. Учебник для вузов, М.: Высш. Школа. 2000. 494 с. 4. Сиденко П. М. Измельчение в химической промышленности. М.: Химия. 1977. 368 с. – 65 – – 66 – ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ Научно-исследовательская практика I МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по выполнению Научно-исследовательской практики I для студентов, обучающихся по направлению подготовки 150400 – «Металлургия» Магистратура Составитель: И. Г. Троценко ВЛАДИКАВКАЗ 2015 – 67 –