Физико-химические основы ГДД 1

Предисловие

Решение противоречий между уменьшением источников природного сырья и растущими требованиями различных отраслей промышленности к количеству и качеству получаемой из этого сырья продукции, предопределяет необходимость интенсификации процессов его переработки. Развитие способов получения исходного сырья и комплексного его использования потребовали разработки многоступенчатых и комбинированных технологических схем, в которых реализуются сложные, часто нетрадиционные, процессы переработки мелкозернистых материалов. Развивающийся в последние десятилетия сырьевой и энергетический кризис потребовал концентрации научно-исследовательских сил для решения этих проблем. Одним из основных факторов конкурентоспособности производимой продукции на современном рынке является её качество. Качество и безопасность потребляемой продукции определяются её свойствами, зависящими от состава входящих в неё химических элементов, характером взаимодействия, а также превращениями, претерпеваемыми этими элементами и их соединениями. Таким образом, экономичность, качество и безопасность производимой продукции достигаются с гарантией только при ведении технологических процессов в точном соответствии с оптимальным технологическим регламентом переработки сырья. Основные направления оптимизации технологического передела материалов были определены более 300 лет назад Френше Беконом, отмечавшим четыре способа обработки, которые, в сущности, и до сих пор стоят в ряду важнейших процессов при изготовлении промышленной и общепотребительской продукции . Один из этих способов – измельчение. [Bacon F. In: Opuscula Varia Posthuma, by Rawley (1658). See Shaw. P. The philosophical works of the Hon. R. Bovle, istcd., vol. 1, 1733. pp 54 – 56. (Цитируется из работы: И. Д. Лиин, С. Надив и Д.Д.М. louboutin homme Гродзян. Изменения в состоянии и механо-химические реакции при продолжительном измельчении твердых веществ. Перевод с английского № 4652 Торгово-промышленная палата СССР, Свердловское отделение. Бюро переводов. Свердловск 1976)]. Потребность в более тонком измельчении возрастает в результате создания новых процессов и продуктов в химической, горнорудной, керамической, лакокрасочной, металлургической областях производства. Ограничения тонины продукта, достижимой при измельчении, а также ограничения, накладываемые на неё объемами производства и стоимостью процессов измельчения, приобретает все возрастающее значение для этих отраслей промышленности. В области измельчения эти усилия направлены с одной стороны, на определение зависимости затрат труда (энергии) от объема измельченной массы, а с другой — на развитие методов техники и технологии измельчения, способствующих снижению энергоемкости процесса измельчения. В этой связи на первый план выдвигаются задачи технического и технологического плана, связанные, прежде всего, с проблемами управления процессом превращения энергии, используемой на измельчение сырья, характеризующегося высокой энергоемкостью. Промышленностью освоен выпуск большого количество разнообразного измельчительного оборудования и систем для сокращения размеров твердых материалов органического и минерального происхождения. В измельчительных установках, нашедших практическое применение, реализован, в основном, механический принцип разрушения. Элементарный акт преобразования подводимой к измельчительной установке энергии в энергию разрушения осуществляется возбуждением в частицах упругих контактных напряжений путем их сжатия, прямого или скользящего удара, предварительно ускоренным рабочим органом. Механическое воздействие на частицу измельчаемого материала вызывает несимметричное (ангармоническое) колебание атомов, что приводит к изменению линейных размеров твердых тел и, при определенных условиях – их разрушение. Энергия упругой деформации, аккумулированная на эффективном участке разрушаемой частицы, может релаксировать различными путями в тепловую, химическую, ядерную (электронную) энергию с образованием новых энергонапряженных дислокаций и трещин. Решение проблемы интенсификации процесса переноса энергии в измельчаемом материале реализуется увеличением частоты механических воздействий рабочих органов и подводимой к ним мощности. Такое решение вполне естественно, в нем, несомненно, есть здравый смысл, однако такие возможности интенсификации процесса измельчения в целом часто весьма ограничены. Отсутствие прогресса в коренном усовершенствовании и (когда это становится необходимым) кардинальном изменении существующего технологического процесса получения тонкомолотого продукта приводит к тому, что, например, для решения задач по увеличению объема выпускаемой продукции и единичной производительности мельниц создаются гигантские весьма энерго- и материалоемкие установки огромной единичной мощности, работающие по традиционному, далекому от совершенства, технологическому принципу с традиционной формой преобразования подводимой к ним энергии. По конструктивному исполнению рабочих органов, определяющих способ преобразования подводимой к измельчительному аппарату мощности в энергию разрушения материала, различают: шаровые, стержневые мельницы, мельницы «Аэрофол», молотковые мельницы, дисковые мельницы с пальцами, мельницы с кольцами, трубчатые мельницы. Каждый вид оборудования обладает характерными особенностями и может включаться в различные технологии для получения порошковых продуктов разной категории крупности и свойств. Важной проблемой является конструирование высокопроизводительных измельчающих установок. Попытки оптимизации тонкого измельчения в классических измельчительных установках направлены на повышение их мощности за счет увеличения геометрии барабана (диаметр которых достигает 4-5 метров, а длина 24-30 метров) и режима измельчения (селективная классификация материала с требуемой крупностью, увеличения частоты вращения, добавление поверхностно активных веществ (ПАВ) в качестве измельчающих присадок и т. д.). Таким образом, пути решения этой проблемы весьма разнообразны, но в значительном числе случаев интенсификация достигается за счет изменения режимов измельчения, модификации конструкций и автоматизации процесса при сохранении традиционного, сформированного десятилетиями, технологического принципа разрушения материала. Такие решения проблемы интенсификации процесса измельчения вполне естественны. Однако очень часто возможности интенсификации за счет модификации отдельных технологических операций и изменения режимов в целом, весьма ограничены, поскольку для большинства существующих измельчительных систем форма подведения энергии к этим системам, и, прежде всего, подведения механической энергии к измельчаемым частицам, остается неизменной. С 20-х годов прошлого столетия ведутся работы по созданию конструкций измельчительных установок нового типа, с повышенной интенсивностью воздействия на измельчаемый материал. Наиболее представительными конструктивными вариантами из этой группы являются вибрационные, планетарные и высокоскоростные мельницы типа дезинтегратор. Вибрационные и планетарные мельницы относятся к мельницам барабанного типа, отличающиеся формой движения разрушающих (рабочих) элементов. Характерной особенностью этих мельниц является то, что при достигнутом ускоренном движении разрушающих элементов, во много раз превышающем гравитационное ускорение, форма подведения энергии к этим системам остается прежней. Поэтому, решение задачи интенсификации измельчения усложняется повышением интенсивности нагружения конструктивных элементов таких мельниц, сопровождающееся значительным износом разрушающих элементов в зонах больших скоростей. Наибольший прогресс в решении проблемы интенсификации процесса разрушения, без увеличения нагрузки на конструктивные элементы измельчительного оборудования, достигнут в измельчительных установках без разрушающих элементов. Наиболее представительным классом таких мельниц являются различные модификации пневматических (струйных) мельниц — газодинамических дезинтеграторов. В газодинамических дезинтеграторах функции рабочего элемента выполняет газовая струя, энергетический потенциал которой (кинетический, термодинамичесий и химический), наряду с механическим разрушением, в процессе ускоренного движения, частиц, обеспечивает термодинамическую, и химическую их обработку. Благотворное влияние отмеченных факторов на процесс получения тонкодисперсных материалов с требуемыми физико-химическими свойствами объясняется увеличением реакционной поверхности и возникновением термодинамических напряжений в окрестности нагружения измельчаемых частиц, снимая тем самым проблему конструирования измельчительных установок большой производительности. Техника измельчения материалов в струях газового энергоносителя в настоящее время стоит на пороге широкой практической реализации. Создание эффективных струйных мельниц (газодинамических дезинтеграторов) начинает выходить из стадии поисковых научных исследований. Газодинамические дезинтеграторы становятся объектами работ конструкторских организаций. Именно поэтому разработке теоретических основ газодинамических дезинтеграторов, предназначенных для получения высокодисперсных материалов с заданными физико-химическими свойствами, также как и вопросам их промышленного применения, уделяется все большее внимание. За последний, более чем тридцатилетний период накоплено большое количество материалов, посвященных теории измельчения в таких мельницах. Значительный вклад в развитие этого направления был внесен учеными Советского Союза: М. Л. Кисельгофом, В. И. Акуновым, Б. К. Тельновым и рядом других исследователей. Попытка обобщить эти материалы и на их основе сформировать цельное представление о характерных процессах струйных мельниц с единых методических позиций, была сделана в диссертации Горобца В. И., положенной в основу книги: Горобец В.И., Горобец Л.Ж. Новое направление работ по измельчению. – М.: «Недра», 1977, 183 с. С момента выхода в свет этих работ, благодаря исследованиям, выполненным сотрудниками лаборатории газодинамического диспергирования под патронажем (руководством) доктора экономических наук, профессора Руцкого А. В. и научным руководством Горобца В. И., расширились представления о закономерностях рабочих процессов в основных элементах газодинамических дезинтеграторов, составляющих единый технологический комплекс по переработке материалов минерального и органического происхождения. В настоящее время можно считать установленным, что при выборе измельчительной установки, кроме оценки влияния характеристик измельчаемого материала, определения механизма и энергоемкости его разрушения, а также способов получения продукта с заданной крупностью, все большее значение приобретают вопросы удовлетворения требований, предъявляемых технологиями к качеству измельченного продукта, оптимизации конструктивной и аэродинамической интеграции функциональных элементов, в ряде случаев определяющих оптимальную структуру и параметры газодинамических дезинтеграторов при переработке конкретного вида материала. Результаты проведенных исследований по выбору типа и параметров ГДД для измельчения различных материалов, а также результаты промышленной эксплуатации струйных мельниц в различных отраслях промышленности, дают возможность более правильно оценить практическую значимость процесса струйного измельчения не только с позиций возможности получения сверхтонких материалов, но и реализации сопутствующих процессов (изменение формы частиц, активация их поверхности, полиморфная трансформация частиц, механохимические реакции, включая химические изменения на поверхности и внутри частиц, ускорение реакции с окружающими веществами и т. д.). Все это повлияло на объем и содержание настоящего издания. В книге большое внимание уделяется особенностям рабочего процесса, функциональных элементов дезинтеграторов, их характеристикам, а также регулированию режимов, анализу способов повышения эффективности и определению области применения. Стремление отразить наиболее общие термогазодинамические закономерности струйного измельчения определило целесообразность анализа параметров этого процесса с единых методических позиций и необходимость рассмотрения специфических особенностей рабочих процессов в функциональных элементах конкретных технологических схем с учетом характеристик измельчаемого материала и получаемого продукта. В основу оценки эффективности функционирования объекта положено качество получаемого продукта (физико-механические характеристики измельченного сырья, устанавливаемые требованиями потребителей) – потребительские свойства полученного продукта. Задача измельчения – придание продукту определенных потребительских свойств.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГДД

Гл.5. Принципы (Концентрационный фактор и структурообразование) газодинамического диспергирования материалов.

5.1 Основные свойства (дисперсных) структуры газодинамического диспергирования.

Выделение процесса газодинамического диспергирования материалов в одно из важнейших научных направлений в области измельчения материалов – следствие весьма быстрого расширения потребности различных производств в тонкомолотых материалах, а также всестороннего развития учения о дисперсном состоянии вещества. Важное значение этого способа измельчения определяется также и тем, что он служит основой для получения таких архиважных материалов, как пищевые добавки, сорбенты и катализаторы, цементные бетоны и серобетоны, пигменты и сухие красители, древесная мука и мука из цельного зерна с отрубями, лаки и краски, наполненные полимерные материалы, керамика и т. д. и т. п. Основное содержание теоретических исследований ГД диспергирования материалов составляет изучение закономерностей образования двухфазных (дисперсных) систем, как основы получения высокодисперсных материалов с сильно развитой поверхностью, их кинетической и агрегативной устойчивости, разнообразных поверхностных явлений на межфазных границах, в частности адсорбции из газовых сред на твердых поверхностях, электроповерхностных явлений и т. п. Одним из важнейших факторов, определяющих основные свойства высокодисперсных систем, является концентрационный фактор. Особенность концентрационной зависимости свойств дисперсных систем, т. е. зависимость свойств от концентрации дисперсной фазы в газовой дисперсионной среде состоит в том, что по мере увеличения концентрации дисперсной имеет место не только плавное изменение свойств, но при определенных для каждой системы специфических значениях концентрации эти свойства меняются качественно и ход концентрационной зависимости свойств при превышении критической концентрации и по мере её дальнейшего увеличения резко изменяется. Характерные для газодинамических дезинтеграторов сильно развитая межфазная поверхность S и высокая концентрация µ в газовой дисперсионной среде приводит к тому, что в такой системе возникают пространственные структуры, коагуляционные свойства которых главным образом определяются поверхностными явлениями на межфазных границах. Разрушение коагуляционных структур и измельчаемых частиц осуществляется внешними силовыми полями. Количественной мерой процесса может служить величина кинетической энергии, необходимой для преодоления энергетического барьера, сообщаемой частицам внешним силовым полем. По литературным данным [Полак А. Ф. Твердение мономинеральных вяжущих веществ. – М.: Стройиздат , 1966. 208 с.] максимальное значение кинетической энергии, которая должна быть сообщена частицам дисперсной фазы для преодоления энергетического барьера и фиксации в положении ближайшей коагуляции

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ДИСПЕРГИРОВАНИЯ

ГЛАВА I ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ПРИНЦИПЫ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Физико-механические основы разрушения материалов

Разработка научных основ газодинамического диспергирования материалов (как и других дисциплин) должна основываться на следующих концепциях: создание его общих научных принципов; введение специфических для нее основных количественных понятий; установление количественных параметров, характеризующих наиболее важные процессы. Эти направления неразрывно связаны между собой. Трудно, например, количественно формулировать общие принципы газодинамического диспергирования без создания соответствующих специфических количественных понятий. Решение этой проблемы позволит аналитически вывести ряд общих правил, основанных на созданных общих принципах (в некоторых случаях с учетом общих законов физики и опыта смежных отраслей науки). В дальнейшем достижение достаточно высокого уровня разработки этих основ позволяет найти общие методы решения некоторых задач газодинамического диспергирования. Наконец, создание общих принципов газодинамического диспергирования дает возможность разработать основы управления технологическими процессами получения тонкомолотых материалов и их свойствами (управления процессами диспергирования и свойствами получаемых материалов) а также методы контроля этих процессов и их результатов. Общие научные принципы диспергирования (как и любой другой отрасли науки) должны удовлетворять следующим условиям: 1) они не могут противоречить общим законам физики или другим общим принципам развития техники измельчения материалов; 2) они не должны противоречить опытным данным; 3) они не могут быть аналитически выведены из других его принципов или других законов физики. Наряду с общими (или едиными) принципами измельчения существуют специальные (или частные) принципы и положения, характерные для отдельных разделов, процессов или вопросов техники измельчения. Однако никогда частные принципы или положения не могут противоречить общим. Подтверждение этого обстоятельства дает положительный ответ на вопрос о правильности разработки общих научных основ измельчения. Более того, в ряде случаев общие основы позволяют успешно разрабатывать частные принципы и проблемы ГДД. Исторически разработка частных научных и технологических основ ГДД предшествовала и содействовала развитию ее общих основ, базирующихся на общих научных принципах и их применении. В технологическом цикле получения измельченного материала, процесс разрушения, в силу присущей ему высокой энергоемкости, играет определяющую роль. Любое разрушение твердого тела, связанное с преодолением его прочности и нарушающих равновесное состояние, по сути представляют собой поверхностные явления развивающиеся на основе дефектов кристаллической решетки. (см. Энцикл. С 553 ?) Поверхностные явления составляют адсорбционные явления, при которых изменяется химический состав поверхностного слоя (адсорбция). К этой группе явлений примыкают различные случаи активированной и химической адсорбции, переходящей в поверхностные химические реакции с образованием поверхностного слоя химического соединения. Нарушение равновесного состояния частиц может быть вызвано в результате их нагружения При измельчении порошковых тел, как показывает рис. 1, (Бальшин М. Ю. Порошковое металловедение. М: Металлургия, 1948. 332 с. ;6, с. 66], одновременно сосуществуют различные типы перемещения частиц и изменения формы (типа) контактов в процессах их контактного взаимодействия. В случае а происходит рост прежнего «фиксированного» [11] участка контакта. В случаях б —г контакты смещаются, разрываются и сдвигаются («нарушаются»). I Фиг. 1 Перемещение частиц порошкового тела при консолидации [6]: а — сближение; б — удаление: в — скольжение (перемещение); г — вращение; О — перемещение с подразделением Если всестороннее сжатие пористого тела сопровождается исключительно ростом фиксированных контактов по типу рис. 1,а без нарушения смещения, то должно иметь место воспроизведение («копирование») частицами деформации всего тела. В этом случае среднее линейное уменьшение расстояния между центрами частиц (отнесенное к исходному расстоянию) должно равняься линейной усадке всего тела. В работе [3, с. 121] был установлен тип пористых тел, названных телами первого типа и отвечающих этому условию. Деформация таких тел при консолидации [3, 10] полностью неавтономна (имеет нулевую автономность). При консолидации тел первого типа фиксирующая деформация является одновременно консолидирующей (увеличивающей контакт) и внутричастичной. Обычно при консолидации сосуществуют различные типы деформации. Деформация по типу рис. 1,а является неавтономной, консолидирую-_цей, фиксирующей контакт и обусловленной внутричастнчным транспортом вещества. Авторы работ [12, 13] ошибочно считали, что для уплотнения при спекании типично отсутствие нарушения контактов. На самом деле при любых процессах консолидации, включая и спекание, уплотнение сопровождается нарушением (разрывом, скольжением, сдвигом) контактов (см. рис. 1, б — г). Скольжение, удаление и даже вращение частиц, как правило, приводят к уменьшению контактных участков (деконсолидации). Таким образом, при нарушении контактов деформация частиц отнюдь не воспроизводит деформацию тела (например, местная деконсолидация при общей консолидации тела), а это — один из основных признаков автономности (индивидуальной обособленности). Кроме того, деконсолидация, сопровождающая нарушение контактов, сама по себе увеличивает автономность структурных элементов пористого тела. Деформация по типу рис. 1,6—г является одновременно автономной, деконсолидирующей, нарушающей контакт, и межчастичной (транспорт частиц). При всех процессах консолидации контактные участки — не только самые узкие, но и самые слабые места порошкового тела. Межчастичное сопротивление нарушению контакта (разрыву, смещению) всегда меньше (иногда на несколько порядков), чем контактное давление р_к. Упругая разгрузка происходит под действием контактного напряжения, равного р_к, но имеющего противоположное направление. Поэтому упругая разгрузка (общая или местная) может вызывать необратимое нарушение (уменьшение) контактов и необратимую деформацию тела. Это отличие упругой разгрузки (упругого последействия) от соответствующего явления в сплошных телах было впервые установлено в 1936 г. [4, 5J. Нарушение контактов неизбежно связано с перераспределением нагрузки при уплотнении. А этому перераспределению сопутствуют местная разгрузка и местное нарушение (уменьшение) контактов, облегчающие уплотнение. Таким образом, при консолидации упругая разгрузка (упругое последействие) сосуществует с нагружением с самого его начала, а не возникает с момента снижения нагрузки, как у обычных сплошных тел. Эта вторая характерная особенность упругой разгрузки при консолидации отмечена в работах [3, 14—16]. Adidas Soldes Итак, автономная деформация является одновременно разгружающей, а неавтономная — нагружающей деформацией. Принцип автономности, являющийся сам по себе качественным, формулирует сосуществование при консолидации этих противоположных и дополняющих друг друга до единого целого видов деформации. Для лучшего его понимания следует определить признаки (критерии) полной неавтономности (нулевой автономности), полной автономности, имеющие лишь отчасти количественный характер. Признаки нулевой автономности при формировании порошков консолидации сформулированы по отношению к пористым телам первого типа (см. § 6): а) формоизменение частиц (внутричастичная деформация) воспроизводит (копирует) формоизменение всего тела; б) имеет место только увеличивающая и фиксирующая контакты внутричастичная деформация без их нарушения; в) необратимое течение вещества частиц имеет полностью непрерывный характер; передача напряжений в теле полностью воспроизводит (копирует условия внешнего нагружения, в теле отсутствуют явления единовременного сосуществования нагрузки и упругой разрузки; д) упругая разгрузка не вызывает необратимых изменений размеров тела и величины его контактов ни при нагружении, ни при его снятии. Признаки почти полной автономности, например, в начале уплотнения пористого тела, противоположны признакам нулевой автономности. Это: а) практическое отсутствие формоизменения частиц (внутричастичной деформации), тело уплотняется в результате их перемещения как обособленных индивидов; б) в результате нарушения (уменьшения) контактов при межчастичной деформации доля контактов, остающаяся фиксированной, близка к нулю; в) необратимое течение вещества близко к нулю и не имеет непрерывного характера; г) необратимая деформация не воспроизводит условия внешнего нагружения: нагрузка сопровождается перераспределением и разгрузкой напряжений; д) упругая разгрузка вызывает необратимую деформацию тела и уменьшение величины контактов как при консолидации, так и при снятии нагрузки [3—11, 14—16 – в книге Бальшин М. Ю., Кипарисов С. asics gel lyte 3 С. Основы порошковой металлургии. С. 14] … Таким образом, принцип автономности можно формулировать следующим образом При формовании (консолидации) порошковых материалов сосуществуют процессы неавтономной внутричастичной, формующей ( консолидирующей), увеличивающей и фиксирующей контакты и равновесие) нагружающей деформации и автономной (межчастичной, деконсолидирующей, уменьшающей, нарушающей контакты и равновесие тела) разгружающей деформации, неавтономная консолидирующая деформация повышает, автономная деконсолидирующая (разрушающая) снижает сопротивление уплотнению; течение вещества частиц имеет промежуточный характер между полностью непрерывным и полностью локализованным в контактных участках. Чем больше степень консолидации, тем меньше степень автономности ее процессов. Первое качественное определение автономности было дано в 1936 г. [4, 5]; количестинцип передачи напряжений в консолидируемом автономом теле (сокращенно принцип передачи) дает возможность количественного определения двух сосуществующих групп процесоов неавтономной и автономной деформации, а также и ряда основных характеристик пористого тела и процессов консолидации Принцип передачи можно сформулировать следующим образом [1, 10]. Консолидирующие напряжения, приложенные к консолидируемому автономному телу, передаются путем их упругого уравновешивания в непрерывной критической зоне, лежащей полностью в твердой фазе тела, с равновеликими межчастичными (контактными) и внутричастичными (критическими) сечениями, нормальными к направлению нагрузки. Эти напряжения и упругая нагрузка передаются только через фиксированные, а не через нарушенные в данный момент консолидации контактные сечения, а следовательно, и через фиксированные критические сечения в фиксированной критической зоне. Принцип передачи (который можно назвать и принципом фиксированной передачи) и некоторые характеристики, связанные с ним, можно количественно выразить уравнениями: _об = _м = _в =; (1.1) (/) _общ= (/)_м= (/)_в = (/); (1.2) =_{ф, /} = (/ )_ф (1.3) р = р_к =р_к.ф. = р_ф, р_к= р/= р/_ф = р_к.ф, (1-4) где— концентрация твердой фазы (относительная плотность); _об— безразмерная критическая зона (в долях объема тела), образовавшаяся в результате воздействия консолидирующего давления р и являющаяся геометрическим местом кратчайших путей передачи напряжений; _м, _в — безразмерные значения сечений межчастнчного (контактного ) и внутричастичного (критического), выраженные в долях сечения тела; a — общее обозначение для соответствующих значений контактного и критического сечений и зоны; (/)_об, (/)_M, (/)_B, / — соответствующие значения зоны и сечений, выраженные в долях объема и сечений твердой фазы; р — номинальное, р_к = р/— критическое давление консолидации; индекс «ф» — фиксированный — для и / показывает, что величина этих характеристик полностью фиксирована в данный момент консолидации, для р и р_к — их величина обусловлена фиксированным значением контактного сечения. Принцип передачи констатирует деление частиц порошковых тел (твердой фазы) на две зоны: критическую / и дискретную (окружающую), равную (1—/). Участки дискретной зоны частицы не могут передавать «первичных» внешних напряжений в соответствующие участки соседних частиц (нулевой взаимный контакт). Однако они тормозят течение вещества критической зоны в ее участках, отдаленных от контактных площадок. Такое межзональное силовое и энергетическое взаимодействие вызывает в обеих зонах «вторичные» напряжения (и вторичную работу), которые повышают значение р_к. В частности, по этой причине при —0 значение р_к втрое больше предела текучести частиц и равно его контактной твердости.

1. 2. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

Разработка общих научных основ газодинамического диспергирования имеет целью не только способствовать пониманию его процессов, но и умение прогнозировать направление их развитие при заданных условиях, рассчитывать их характеристики и результаты, контролировать эти процессы. Достижение такого понимания и умения является главной целью научных основ измельчения. Однако при разработке его технологических основ достижение такого понимания и умения является не целью, а только средством управления технологическими операциями. При разработке технологических основ измельчения следует учитывать не только его общие научные принципы, но и следующие общие принципы, лежащие в основе любой, а особенно массовой технологии. 1. Строгая воспроизводимость каждой технологической операции в отдельности, их совокупности и результатов технологических процессов. Сравним два варианта технологии. Пусть вариант №1 обеспечивает получение продукции с верхним, средним и низшим значениями прочности 350, 250, 150 МПа, а по варианту № 2 получается продукция со значениями прочности соответственно 240, 220, 200 МПа. Бесспорно следует предпочесть вариант № 2, так как для потребителя наиболее важна гарантированная минимальная, а не средняя и верхняя прочность. Кроме того, при использовании варианта № 1 предприятия-потребители встретятся с трудностями в монтаже и эксплуатации изделий в связи с разбросом их свойств. 2. Расчленение технологических процессов на операции, каждая из которых имеет ограниченную узкими пределами функциональную задачу. Именно ограничение операции узкими рам камн позволяет выполнять ее в строгом контроле н воспронзз: димости. 3. Получение стандартной высококачественной продукции с высоким процентом выхода годного. Обычно мероприятия, обеспечиваюшие строгую воспроизводимость технологического процесса, позволяют получать изделия со строгой воспроизводимостью свойств, т. е. стандартную высококачественную npoдукцию с высоким выходом годного. В первой части книги было установлено, что явления спекания имеют место уже при контакте несформированных порошков при их формовании. Было также показано, что спекание в любых условиях, т. е. и при комнатной температуре, сопровождаете локальным выделением тепла и нагревом в момент образования контакта (см. § 28, 35). Разработка этих положений является существенным вкладом в развитие общих научных основ порошковой металлургии. Но для технолога этот вклад является в первую очередь не целью, а средством для разработки соответствующих технологических процессов. Преждевременная тенденция к спеканию — явление нежелательное и подлежащее подавлению. Порошки ; такой тенденцией получили название активных f!3]. При хранили, а также при операциях смешивания и формования они имеют тенденцию к окислению и даже к возгоранию при контакте. Порошки образуют при схватывании частиц крупные скопления. Поэтому они имеют нулевую текучесть (сыпучесть) и плохо заполняют полость прессформы. По этой же причине затрудняется операция их смешивания с другими порошками. При прессовании порошки (активные и неактивные) схватываются со стенками матриц и увеличивают и.\ износ. Явления схватывания затрудняют уплотнение любых порошков (см. § 35, табл. 59) к препятствуют получению прессовок со стабильными характеристиками. basket nike tn soldes Поэтому активные порошки следует употреблять только г тех случаях, когда это совершенно необходимо. При хранении таких порошков нужно создавать на их поверхности зашитные пленки. Смешивать такие порошки надо «в мокрую». Все порошки, даже неактивные, нужно формовать с применением смазок, желательно поверхностно активных. Таким образом, ряд технологических операций должен приводиться в условиях подавления нежелательных процессов, в частности подавления явлений преждевременного спекания Средства такого подавления: сведение к минимуму использования активных порошков, применение смазок при формовании предварительная агломерация порошков и др. Выбор режима технологии диктуется и другими специфическими особенностями процессов консолидации. air jordan 31 Прочность порошковых заготовок и изделий имеет межчастичный характер (см. § 6 С.С. Бальшин). Поэтому решающее значение имеет особое свойство порошковых тел на промежуточных и конечных операциях — сопротивление образованию трещин. Это сопротивление повышают использованием порошков с частицами соответствующей величины и формы, предварительной агломерацией порошков и др. (см. гл. VIII). Для всех материалов, склонных к образованию тре-1дин, особенно опасны ударные нагрузки. Поэтому следует предусматривать постепенность снятия консолидирующих нагрузок (см. гл. IX). Вопросы наиболее полного использования преимуществ порошковой металлургии связаны с применением материалов наиболее подходящего состава. Так же как для литейных и деформируемых сплавов, существуют наиболее благоприятные составы «спекаемых» материалов (см. гл. X). В получение консолидированных материалов обычно входят следующие операции: 1) получение или выбор исходных порошков; 2) их предварительная подготовка; 3) формование; 4) спекание; 5) последующая термическая и механическая обработка. Спекание в ряде случаев заменяют горячим уплотнением. Первые две операции (получение порошков и их подготовка) не являются сами по себе процессами консолидации, однако оказывают решающее влияние на их результаты. К процессам прецизионной технологии получения спеченных изделий предъявляются в ряде отношений (например, по производительности труда и по себестоимости изделий) менее жесткие требования, чем к методам массового производства. Поэтому в настоящей книге рассматриваются только основные вопросы управления процессами массовой технологии производства порошковых изделий.

ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ ИЗМЕЛЬЧАЕМЫХ В СТРУЯХ ГАЗА

Измельчаемые материалы и материалы полученные в результате измельчения характеризуются рядом химических и физико-теххнологических свойств. К основным физико-технологическим характеристикам сыпучих материалов относятся: форма частиц; их величина, характеризуемая размерами и распределением частиц по размерам (гранулометрическим рическая плотность частиц; уплотняемость и консолидируемость (формуемость) порошка; текучесть, определяемая скоростью вытекания порошка из отверстий и характеризующая его способностьсоста- вом) и удельной поверхностью (дисперсностью) порошка; твердость частиц; пикномет быстро и равномерно заполнять полость прессформы. Форма частиц обычно определяется методом получения порошка, а их величина и гранулометрический состав — режимом получения. Так, распылением расплавов можно получать сферические частицы, электролизом водных растворов солей металла — дендритные (чем больше плотность тока, тем более разветвлены, шероховаты и дисперсны частицы), восстановлением окислов — пористые губчатые, восстановлением хлоридов — частицы в форме волокна, механическим измельчением — сплющенные частицы. Консолидируемость характеризуется степенью консолидации, т. е. величиной контактного сечения и, следовательно, сопротивлением уплотнению консолидации (прочностью), консолидируемого из порошка тела при заданной плотности. Уплотняемость определяется плотностью тела при данном давлении консолидации р. Из принципа автономности следует, что чем больше консолидируемость порошкового тела, тем меньше его уплотняемость, и наоборот (см. § 6). Поэтому величины насыпной плотности нас и плотности утряски утр, т. е. значения плотностей под давлением собственного веса порошка и при утряске под этим же давлением, характеризуют одновременно и его уп-лотняемость, и его консолидируемость (формуемость). Высокие значения этих характеристик соответствуют большой уплотняемости и малой консолидируемости; низкие, наоборот, — малой уплотняемости и большой консолидируемости [3— 6]. 2 3 Насыпная масса, г/см5 Рис. 13 Влияние насыпной плотности мед ных порошков на предел прочности прессовок при сжатии: /— одинаковая относительная плотность (60%); 3 — одинаковое аавлеиие прессования (392 МПа) В соответствии с изложенным консолидируемость медных порошков, определенная прочностью на сжатие прессовок при =60%= const, падала с увеличением их насыпной плотности [61 (рис. 13,/). Даже при одинаковом давлении прессования (р = 392 МПа) прочность прессовок уменьшалась с ростом насыпной плотности (рис. 13,2). Наоборот, уплотняемость порошков меди (рис. 13) с насыпными плотностями 0,97 (электролитическая), 1,65 (электролитическая) и 3,51 (автоклавная медь МОЗ) под давлением р = 392 МПа увеличивалась с ростом насыпной плотности следующим образом: Насыпная плотность, г/см* . . . 0,97 1,65 3,51 Относительная плотность прессовок, %………. 74 83 90 В табл. 60 приведены характеристики консолидируемости (значение в.и.—предела прочности при изгибе — прессовок с плотностью 6 г/см3) и уплотняемости трех марок железа фирмы «Хеганес» [108], восстановленного из окалины: NC (нормальная уплотняемость; нас.= 0,31); НС (высокая уплотняемоеп», нас= 0,31); SC (сверхуплотняемость. нас= 0,32). Из данных табл. 60 видно, что рост уплотняемости неизменно достигался путем снижения консолиднруемости (уменьшения прочности в). Таблица 60

Все без исключения характеристики порошков количественно взаимосвязаны. Так, увеличение дисперсности обычно (но не всегда) связано и с повышением содержания окислов (содержания кислорода), и с ростом тенденции к схватыванию частиц (см. § 35). Рост схватывания частиц приводит к увеличению консолидируемости, снижению уплотняемости, уменьшению насыпной плотности и текучести. Но повышение содержания окислов, сопровождающее увеличение дисперсности, может, наоборот, повысить насыпную плотность. Увеличение твердости частиц (микротвердости) дисперсных порошков может даже одновременно снизить и уплотняемость, и консолидируемость порошков. Наоборот, при консолидации металлического волокна наивысшая консолидируемость (так как у волокновых тел можно получить предельно большое значение = пр= 2) может сочетаться с наибольшей уплотняемостыо (так как контактное напряжение в этом случае равно величине предела текучести при изгибе) [3,23]. Насыпная плотность существенно зависит от формы частиц. При гладких сферических частицах порошки имеют высокую исходную насыпную плотность (иногда нас>50%). При дендритной и волокнистой формах частиц, наоборот, наблюдались низкие значения насыпной плотности (меньше 10%). Обычно более мелкие фракции порошка имеют более низкую насыпную плотность и худшую уплотняемость. Но иногда в связи с измене нием формы частиц мелкие фракции имеют более высокую насыпную плотность и лучшую уплотняемость, чем более крупные. Именно в связи с количественной взаимосвязью между всеми характеристиками порошка не слишком редко наблюдаются случаи отсутствия закономерной количественной зависимости между двумя характеристиками порошков, например между крупностью частиц и плотностью насыпки или утряски. Так, более дисперсные порошки электролитической меди обычно имеют меньшую плотность. Но это не общее правило для других порошков меди и прочих металлов. В табл. 61 приведены данные работы [89] по плотности насыпки и утряски в зависимости от гранулометрического состава для трех видов железного порошка: восстановленного, распыленного ДПГ, вихревого. Как видно из таблицы, только у вихревого порошка плотности насыпная и утряски (г/см3) были наименьшими у самой тонкой фракции. У восстановленного железа, наоборот, для этой фракции они были наибольшими. Таблица 61

Но одна закономерность все-таки остается неизменной. Уже в работе [5J было замечено, что смеси порошков одного и того же металла с различной дисперсностью частиц, у которых мелкие порошки располагаются между крупными под одним и тем же давлением, уплотняются больше, чем этого требует правило аддитивности. Пусть, например, прессуемый порошок содержит два вида сферических частиц из одинакового металла: 70% (по массе и по объему вещества) имеет диаметр 100 мкм, 30% — диаметр 30 мкм. В этом случае объем каждой мелкой частицы составляет только 2,7% от объема крупных, а их число почти р 16 раз больше количества крупных частиц. При пористости 10%, доля объема, занимаемая твердой фазой, составляет 90%, из них 63% приходится на крупные и 27% на мелкие частицы. Уплотнение такой смеси можно рассматривать, как прессование 63% крупных частиц, между которыми размещаются 27% мелких частиц плюс 10% пор. Эта вторая внутренняя система, занимающая 37% объема смеси, состоит из 100-27/37=75,7% (объ-емн.) мелких частиц, и 24,3% пор.