Распыление металла - это процесс получения мелкодисперсных металлических порошков для различных применений. При этом металл расплавляется, а затем разбивается на мелкие капли под действием газа или центробежной силы. Капли быстро затвердевают, превращаясь в частицы порошка. Системы распыления металлов это оборудование, используемое для эффективного осуществления этого процесса в промышленных масштабах.
Обзор систем распыления металлов
Системы распыления металла состоят из металлоплавильного агрегата, механизма распыления и системы сбора порошка. Основными компонентами являются:
Установка для плавки металла
- Плавильный тигель
- Индукционные катушки или электроды
- Датчики температуры
- Уплотнение инертным газом
Механизм распыления
- Форсунки для распыления газа
- Вращающийся диск или чашка для центробежного распыления
Система сбора порошка
- Циклонные сепараторы
- Рукавные фильтры
- Скрубберы и конденсаторы
Металлическая шихта сначала расплавляется в тигле с помощью индукционного нагрева или электросопротивления. Затем расплавленный металл направляется в секцию распыления.
При газовом распылении струи газа под высоким давлением ударяют по потоку металла и разбивают его на мелкие капли. При центробежном распылении расплавленный металл заливается на вращающийся диск/чашку, который под действием центробежной силы выбрасывает его радиально в виде капель.
Благодаря высокому отношению площади поверхности к объему капли быстро застывают при прохождении через холодильную камеру. Инертный газ предотвращает окисление. Затвердевшие частицы порошка собираются в сепараторах, фильтрах и конденсаторах.
Типы систем распыления металлов
Существует два основных типа используемых механизмов распыления:
Газовая атомизация
- Используются струи инертного газа высокого давления
- Возможность получения тонких порошков до 10 микрон
- Азот, аргон используются в качестве распыляющих газов
Центробежное распыление
- Используется вращающаяся чашка или диск
- Изготавливает более грубые порошки размером более 20 мкм
- Простая конструкция, не требующая обработки газа
Вакуумное распыление
- Проводится в вакууме вместо инертного газа
- Уменьшение поглощения газа порошками
Ультразвуковое распыление
- Для получения капель используются ультразвуковые колебания
- Для производства в исследовательских масштабах
Электростатическое распыление
- Использует электрическое поле для дезинтеграции металлической струи
- Экспериментальная методика
Проектирование системы распыления металла
Основными компонентами типичной системы распыления газа являются:
Таблица 1: Конструкция системы газового распыления
| Компонент | Подробности |
|---|---|
| Плавильный агрегат | Тигель для индукционной плавки, емкость 50-2000 кг |
| Сборка форсунки | Несколько близко расположенных сопел диаметром 2-5 мм |
| Перегрев расплава | Впрыск азота/аргона для перегрева расплава |
| Камера распыления | Водяное охлаждение, высота 3-5 м |
| Газоснабжение | Азот/аргон, давление 50-100 бар |
| Циклонные сепараторы | Несколько последовательно соединенных циклонов для сбора порошка |
| Финальные фильтры | Рукавные, патронные фильтры |
Конструкция и количество сопел важны для получения требуемого гранулометрического состава мелкодисперсного порошка. Высота камеры распыления обеспечивает время для застывания капель перед сбором.
Высококачественные промышленные газы, такие как азот или аргон, подаются из баллонов со сжатым газом или генераторов на месте. Их давление и расход определяют размер капель.
Технические характеристики системы распыления металла
Типичные технические характеристики систем газового распыления промышленного масштаба:
Таблица 2: Технические характеристики системы распыления металла
| Параметры | Технические характеристики |
|---|---|
| Производственная мощность | 10 кг/час - 5000 кг/час |
| Размер частиц | 10 - 150 мкм |
| Виды металлов | Сплавы никеля, железа, кобальта, меди |
| Температура плавления | 1600 °C макс. |
| Давление газа | 10 - 100 бар |
| Скорость охлаждения | 104 - 106 К/с |
| Чистота порошка | 99.5% |
| Конструкция форсунки | Кольцевая щель, дискретная струя |
| Газ для распыления | Азот, аргон |
Производительность зависит от размера тигля и варьируется от лабораторных/пилотных установок производительностью 10 кг/час до крупных установок производительностью 5000 кг/час. В основном распылению подвергаются сплавы никеля, железа и кобальта, но также обрабатываются и другие металлы, такие как алюминий, медные сплавы.
Высокое давление газа и быстрая скорость охлаждения обеспечивают получение мелких микроскопических частиц порошка в диапазоне размеров 10-150 мкм. Возможно получение порошков с чистотой 99,5%.
Области применения металлических распылителей
К числу основных областей применения металлических порошков, получаемых методом распыления, относятся:
Таблица 3: Области применения металлических порошков
| Промышленность | Приложения |
|---|---|
| Аэрокосмическая промышленность | Турбинные лопатки, диски |
| Автомобильная промышленность | Спеченные детали, фильтры |
| Электроника | Чип-резисторы, проводники |
| Аддитивное производство | Порошки для 3D-печати |
| Химическая | Катализаторы, пигменты |
| Биомедицина | Имплантаты, протезы |
В аэрокосмической промышленности порошки никелевых и титановых сплавов используются для изготовления лопаток и дисков турбин сложной формы методом порошковой металлургии. В автомобильной промышленности распыленные порошки железа и стали используются для изготовления спеченных деталей, например зубчатых колес.
Мелкие порошки меди и серебра служат проводниками и резисторами в микроэлектронике. Металлические порошки являются сырьем для аддитивного производства, например 3D-печати.
Порошки специальных сплавов находят применение в качестве химических катализаторов и пигментов. Пористый порошок нержавеющей стали используется для изготовления ортопедических костных имплантатов в биомедицине.
Преимущества систем распыления металлов
Некоторые преимущества использования распыления металлов для производства порошков:
Таблица 4: Преимущества распыления металла
| Преимущества | Подробности |
|---|---|
| Более тонкие порошки | Размеры от микрометра до нанометра |
| Узкое распределение по размерам | Точный контроль размера частиц |
| Высокая чистота | Избежать загрязнения при фрезеровании |
| Более низкая стоимость | Дешевле механического шлифования |
| Контроль состава | Возможно легирование в расплаве |
| Сферические частицы | Хорошая текучесть |
| Универсальный | Широкий спектр распыляемых сплавов |
Газовое и центробежное распыление позволяет получать более тонкие металлические порошки размером до 10 микрон по сравнению с механическим измельчением. Распределение частиц по размерам более узкое, что обеспечивает лучший контроль.
Поскольку в процессе измельчения не используется мелющая среда, чистота порошка выше. Капитальные и эксплуатационные затраты ниже, чем при механическом измельчении.
Легирующие элементы могут быть добавлены в тигель, что позволяет гибко изменять состав порошка. Сферические частицы порошка обеспечивают хорошую текучесть, что важно для заполнения штампов.
Практически любой сплав, от нитинола до инконеля, может быть подвергнут атомизации при надлежащем контроле параметров процесса.
Ограничения распыления металлов
К недостаткам систем распыления металлов относятся:
Таблица 5: Ограничения распыления металлов
| Недостатки | Подробности |
|---|---|
| Высокая температура плавления | Ограниченно для низкоплавких металлов |
| Реактивные металлы | Сложность распыления реактивных металлов, таких как титан, алюминий |
| Подбор газа | Поглощенные газы влияют на качество порошка |
| Спутниковые частицы | Образовалось несколько более крупных нерегулярных частиц |
| Высокая капитальная стоимость | Для создания крупной системы требуются значительные инвестиции |
Металлы с очень высокими температурами плавления свыше 1800°C, такие как вольфрам, молибден, трудно распылять из-за ограничений тигля. Реакционноспособные металлы, такие как титан, алюминий, требуют вакуума или инертной атмосферы.
Газы, поглощаемые в процессе распыления, влияют на характеристики порошка. При распылении наряду со сферическими частицами образуются и спутники неправильной формы.
Крупномасштабные системы распыления металла требуют больших капитальных вложений - более $2 млн. Эксплуатационные расходы также достаточно высоки.
Поставщики систем распыления металлов
К числу ведущих мировых поставщиков оборудования для распыления металлов относятся:
Таблица 6: Поставщики систем распыления металлов
| Компания | Расположение | Масштаб |
|---|---|---|
| Phoenix Scientific | Роквуд, США | От лабораторных до промышленных |
| Металлические порошки Makin | Манчестер, Великобритания | От лабораторных до промышленных |
| ASK Chemicals | Хильден, Германия | От лабораторных до промышленных |
| ZenniZ | Москва, Россия | Промышленность |
| ALD Vacuum | Ханау, Германия | Промышленность |
Эти компании предлагают газовые, центробежные, вакуумные системы распыления производительностью от лабораторных/пилотных 5 кг/час до крупных 2000 кг/час. Предлагаются системы "под ключ" с установками плавления, распыления и транспортировки порошка.
Цены на системы распыления составляют от $100 000 для лабораторных установок до более $2 млн. для промышленных установок в зависимости от мощности и характеристик. На цену также влияют местоположение, налоги, транспортировка и т.д.
Установка системы распыления металла
Основными этапами установки системы распыления металла являются:
Таблица 7: Установка металлического распылителя
| Сцена | Действия |
|---|---|
| Подготовка площадки | Выровнять бетонный пол, проложить коммуникации |
| Сборка | Сборка таких узлов, как тигель, сопловая часть |
| Соединения | Подключение газопроводов, охлаждающей воды, воздуховодов |
| Ввод в эксплуатацию | Тестовый запуск вхолостую, проверка герметичности, испытание с малой производительностью |
| Проверки безопасности | Установить системы аварийного отключения, пожаротушения, сигнализации |
| Обучение персонала | Обучение персонала работе с системой и ее обслуживанию |
Оборудование является тяжелым, поэтому площадка должна иметь ровный бетонный пол без вибраций. Необходимо подключить такие инженерные коммуникации, как охлаждающая вода, инертный газ и вытяжные каналы.
Затем система собирается, выравнивается, проверяется на герметичность и первоначально запускается вхолостую до ввода в эксплуатацию в горячем состоянии. Системы безопасности на случай аварийного отключения, пожара или утечки расплава должны быть работоспособны.
Тщательное обучение обслуживающего персонала со стороны поставщика является залогом бесперебойной работы.
Эксплуатация и обслуживание металлического распылителя
Основные аспекты эксплуатации системы распыления металла включают в себя:
Таблица 8: Работа металлического распылителя
| Деятельность | Подробности |
|---|---|
| Обработка сырьевых материалов | Используйте надлежащие перчатки, контейнеры для металлической шихты |
| Очистка кюветы | Удаление остатков, шлака путем шлифования, кислотного травления |
| Футеровка кюветы | Осмотрите облицовку, при необходимости восстановите/замените покрытие |
| Параметры процесса | Поддержание надлежащей температуры, давления, расхода |
| Состояние сопла | Осмотрите форсунки на предмет износа, засорения |
| Обработка порошка | Обеспечение надлежащей тары, процедуры переноса |
| Проверка оборудования | Проверка уплотнений, разъемов, систем безопасности |
| Техническое обслуживание | Плановое профилактическое обслуживание, ремонт |
Во избежание загрязнения при работе с сырыми металлическими изделиями необходимо использовать соответствующие средства защиты. Плавильный тигель нуждается в регулярной очистке и обслуживании огнеупорной футеровки.
Важен тщательный контроль таких параметров процесса, как температура, давление и расход газа. Сопла, особенно для распыления газа, требуют периодической проверки и замены.
Мелкодисперсный порошок требует осторожного обращения для предотвращения риска облучения. Регулярные проверки помогают обнаружить утечки, повреждения и обеспечить работу всех систем безопасности. Во избежание поломок необходимо планировать профилактическое обслуживание.
Выбор поставщика металлических порошковых распылителей
Ключевые факторы при выборе поставщика систем распыления металла:
Таблица 9: Выбор поставщика металлических атомайзеров
| Критерии | Соображения |
|---|---|
| Техническая экспертиза | Опыт, экспертный персонал |
| Ассортимент оборудования | Лабораторные, пилотные, промышленные системы |
| послужной список | Релевантные примеры из практики, список клиентов |
| Персонализация | Гибкость для удовлетворения специфических требований |
| Послепродажное обслуживание | Поддержка монтажа, контракты на техническое обслуживание |
| Цена | Котировки, соответствующие бюджету |
| Надежность | Качество сборки и проверенные эксплуатационные характеристики |
| Безопасность | Соответствует всем отраслевым нормам безопасности |
| Сертификация | ISO или другая сертификация качества |
Ищите проверенную компанию, имеющую опыт работы в области термического напыления или порошковой металлургии. Они должны предлагать весь спектр распылителей - от лабораторных прототипов до крупносерийного производства.
Запросите рекомендации клиентов и примеры из практики, относящиеся к вашей конкретной области применения. Поиск индивидуальных решений с учетом потребностей в производительности и характеристик порошка.
Оценить послепродажное обслуживание, например, шеф-монтаж, обучение операторов, контракты на техническое обслуживание и т.д. Учитывайте цену, но приоритет отдавайте производительности, безопасности и надежности.
Заключение
Распыление металлов - эффективный процесс получения чистых, сферических мелкодисперсных металлических порошков из различных сплавов для перспективных применений в аэрокосмической, автомобильной, аддитивной и других отраслях промышленности.
Системы газового и центробежного распыления состоят из блоков плавления металла, формирования капель и сбора порошка. Для получения желаемых размеров частиц и характеристик порошка требуется тщательное проектирование.
Ведущие поставщики предлагают стандартные и специализированные системы распыления от малых до крупных промышленных мощностей с соответствующей послепродажной поддержкой. Правильный выбор поставщика и соблюдение правил эксплуатации обеспечивают бесперебойную работу и максимальное производство порошка.
Вопросы и ответы
Вопрос: Каков типичный диапазон производительности систем распыления металлов?
О: Системы распыления металлов выпускаются производительностью от 10 кг/час для лабораторных/пилотных установок до более 5000 кг/час для крупносерийного промышленного производства. Возможна и более высокая производительность - до 10 000 кг/час.
Вопрос: В каких отраслях промышленности обычно используется распыление металлов?
О: К основным отраслям промышленности, использующим распыление металлов, относятся аэрокосмическая, автомобильная, аддитивное производство, порошковая металлургия, электроника и химическая промышленность. Мелкие сферические порошки используются для производства критических компонентов.
Вопрос: Насколько тонким может быть размер частиц порошка?
О: При газовой атомизации размер порошка до 10 мкм может быть достигнут при оптимальной конструкции сопел, давления и расхода газа. При центробежном распылении обычно получаются более грубые порошки размером более 20 мкм.
Вопрос: Какие металлы могут быть подвергнуты атомизации?
О: Большинство технических металлов с температурой плавления ниже 1800°C могут быть подвергнуты атомизации. В качестве примера можно привести сплавы никеля, железа, кобальта и титана. Некоторые химически активные металлы, такие как алюминий и магний, также могут быть подвергнуты атомизации в контролируемых условиях.
Вопрос: Какие газы используются при газовом распылении?
О: Наиболее широко используются азот и аргон в силу их инертности и доступности. В некоторых случаях используется также кислород или воздух, но они могут загрязнять порошок.
Вопрос: Каковы эксплуатационные расходы систем распыления?
О: Эксплуатационные расходы выше, чем при механическом фрезеровании, поскольку требуется непрерывная подача газа высокого давления. Кроме того, увеличиваются затраты на электроэнергию для индукционного нагрева и обслуживание тигля/сопла.
Вопрос: Какие аспекты безопасности требуют внимания?
О: Высокотемпературные расплавы металлов, инертные газы под давлением, мелкие горючие порошки требуют осторожного обращения и систем безопасности для предотвращения пожара и взрыва. Обязательным условием является надлежащее обучение оператора.
Вопрос: Какое техническое обслуживание требуется для оборудования?
О: Проверка и замена форсунок, ремонт/замена тигля, проверка герметичности, очистка воздушных фильтров - это типичные задачи технического обслуживания. Плановое профилактическое обслуживание сводит к минимуму количество поломок.
Вопрос: Можно ли распылять металлические сплавы?
О: Да, металлические сплавы можно легко распылять, добавляя в плавильный тигель легирующие элементы, такие как хром, алюминий, титан, в точных пропорциях для получения требуемого состава.
Вопрос: Можно ли проводить распыление металла в небольших масштабах?
Ответ: Да, для мелкосерийного производства порошков, например, для научно-исследовательских целей, поставщики предлагают лабораторные атомизаторы с плавильными тиглями емкостью 1-5 кг. Однако эксплуатационные расходы на килограмм выше.
