Термическая обработка металлических порошков в вихревой противоточной печи

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

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

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

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

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

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

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

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

ВЫВОДЫ.

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

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