Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Существующие методы получения металлических порошков можно подразделить на две группы:
1) получение порошков из металла в твердом, жидком или газообразном состоянии (механические, физико-механические и физические методы);
2) получение металлических порошков из соединений металлов (физико-химические методы).
К наиболее важным методам первой группы относятся: а) различные способы механического измельчения в порошок компактных или грубо измельченных твердых металлов; б) способы распыления в порошок расплавленных металлов.
Наиболее распространенным методом второй группы является получение порошков восстановлением окислов металлов. Менее распространены электролиз и термическое разложение карбонильных соединений металлов.
Механическое измельчение
Измельчение в мельницах обычного типа. Механическое измельчение можно производить в обычного типа шаровых или молотковых мельницах. Для ковких металлов оно приводит не к дроблению, а к расплющиванию частиц, и поэтому его применяют только в случаях: а) измельчения хрупких и малопрочных скоплении (агломератов) частиц ковкого металла как заключительной операции других методов получения порошков (дробление восстановленной железной губки, измельчение хрупких электролитических осадков железа, размол спекшегося в результате довосстановления измельченного железа); б) измельчения ковких металлов с ослабленной связью между зернами; в) измельчения ковких металлов, которым искусственно придана хрупкость (например, дробление сплава железа и никеля — пермаллоя облегчается примесью незначительных количеств серы).
На рис. 1 показана схема молотковой мельницы, применяемой для дробления спекшихся кусочков железного порошка размерам 2—1 мм.
Недостатком измельчения металлов в обычного типа мельницах является также загрязнение порошков продуктами истирания стальных шаров и футеровки мельниц.
Измельчение в вихревых мельницах. Вихревая мельница (рис. 2) состоит из футерованного износоустойчивой марганцовистой сталью кожуха 1, в котором вращаются с большой скоростью (3000 об/мин) в противоположных направлениях два пропеллера 2, отлитых также из марганцовистой стали. Раздробляемый материал загружают в бункер 4 в виде грубоизмельченных кусочков (обрезков проволоки, стружки и т. п.), которые, сталкиваясь один с другим при большой скорости в вихревых потоках, дробятся на частицы размером от 0,02 до 0,4 мм. Мельница имеет приспособление 3 для воздушной сортировки порошков по размерам частиц. Кожух снабжен водяной рубашкой и охлаждается проточной водой для предохранения порошков От перегрева при измельчении. Для размола в атмосфере защитного газа имеется специальная подводка.
В более усовершенствованной конструкции вихревой мельницы поток воздуха подводится из центробежного вентилятора в кожух мельницы и разбивается билами, которые смонтированьи на одном валу с вентилятором.
В вихревой мельнице новой конструкции, разработанной Т. Окашура и К. Иганаки, встречные вихревые потоки вызываются быстрым вращением (2400 об/мин) расположенного эксцентрично к кожуху червячного вала, одна половина которого имеет правую, а другая — левую резьбу.
Основные преимущества вихревого размола: 1) порошок не загрязняется металлом дробящих тел. например стальных шаров, и 2) частицы порошка расплющиваются и теряют шероховатость в меньшей мере, чем при размоле в обычных мельницах.
Структура частиц порошков зависит от длительности вихревого размола. При кратковременном размоле (2—10 мин. иногда даже до 30—40 мин.) обрезков проволоки и стружки получают частицы преимущественно сферической формы, в табл. 1 показано влияние условий paзмола в вихревой мельнице на выход сферических частиц для случая измельчения обрезков проволоки различных металлов.
При более длительном вихревом размоле частицы ковкого металла сплющиваются и обычно имеют характерную форму тарелки с загнутыми краями (рис. 3).
Для улучшения прессуемости и снятия наклепа порошки отжигают в защитной среде (железные порошки в течение 1—2 час. при 800—1000°).
Производительность, вихревой мельницы с двигателем мощностью 20 квт около 7—10 кг/час (в зависимости от крупности порошка). Расход энергии на 1 кг порошка 2,5—3 квт*ч. Один рабочий может обслуживать одновременно несколько мельниц.
Получение железных порошков вихревым измельчением менее экономично и требует более высоких капиталовложений, чем получение распылением жидкого металла и восстановлением.
Распыление жидких металлов
Первоначально измельчение металла в порошок распылением его в жидком состоянии применяли для сравнительно легкоплавких металлов — олова, свинца, цинка, алюминия, меди и их сплавов. За последние 15 лет в крупном производственном масштабе этими методами получают также железные порошки.
Для получения грубых порошков с частицами сферической формы размером 0,5—3 мм применяется наиболее простой способ — гранулирование при литье в воду. На рис. 4 схематически показана установка Реннерфельта — Каллинга для гранулирования малоуглеродистого чугуна с незначительным содержанием кремния. Расплавленный чугун гранулируется при литье в воду на вращающийся диск. Полученная дробь обезуглероживается при отжиге в атмосфере СО—СО2 во вращающейся печи.
Весьма интересен способ центробежного распыления, который совмещает распыление жидкого металла с механическим воздействием на частицы. Принципиальная схема распыления по этому способу показана на рис. 5. Тонкая струя расплавленного металла вытекает из сопля, окруженного рубашкой, в которую подается вода под давлением около 5 ат. Поток воды увлекает металл на быстро вращающийся диск (около 3000 об/мин) особой конструкции, снабженный специальными насадками для разбивания частиц порошка. Благодаря такому механическому воздействию частицы порошка получаются не гладкой сферической формы, как гранулированная дробь, а с шероховатым профилем. Размер частиц 20—400 мк. Типичный ситовый анализ железного порошка, полученного центробежным распылением, приведен ниже:
Большое распространение получило производство железного порошка распылением по методу Маннесмана (рис. 6). Исходным материалом является стальная стружка (можно с некоторым изменением схемы пользоваться также чугунной стружкой). К стружке добавляют 4% окалины для удаления кремния, 0,5% извести для удаления серы и образования шлака и 8% коксовой пыли. Расплавленную шихту распыляют сжатым воздухом в специальном агрегате с соплом. При этом железо частично окисляется в окалину, а углерод в СО2 и СО. Частицы распыленного металла собираются в водяной ванне. Порошок, содержащий около 6% О2 и 4% С, выгружают из выдвижных приемников, сушат и отжигают при 900° главным образом в «собственной» восстановительной атмосфере, образующейся в результате взаимодействия окислов И углерода, содержащихся в отжигаемом порошке. Во избежание окисления при охлаждении рекомендуется также некоторая подача защитного газа извне. Устройство камеры распыления показано на рис. 7. Сжатый воздух подается в камеру по двум каналам под давлением 4—6 ат. Из камеры воздух выходит с большой скоростью через узкую кольцеобразную щель, имеющую форму сопла Лаваля. Струя металла при 1350° вытекает через корундовое сопло в камеру распыления и разбивается сжатым воздухом.
Методом Маннесмана получается порошок высокого качества, содержащий < 0,1% Sі, -0,08% С и 0,3—0,5% О2. Благодаря удалению в процессе получения большого количества углерода в виде газообразных СО и СО2 порошок имеет исключительно благоприятную для прессования структуру частиц с внутренними пустотами (рис. 8). Метод Маннесмана экономичен и производителен (один агрегат дает 5—7 г порошка в час). В России установка типа Маннесмана для распыления порошков сжатым воздухом разработана А.Ф. Силаевым, В.И. Просвириным и В.С. Раковским.
Как указывалось выше, метод распыления позволяет экономично производить высококачественный железный порошок. Эти достоинства определяют широкое распространение метода за последние годы. Так, например, по данным Зильберайзена, в 1956 г. методом распыления получали в США 40%, в ФРГ — 80% и в других капиталистических странах Западной Ерропы — 14% всех железных порошков.
Фирмой «Storа Kopparbergs Веrgslags А/В» (Швеция) разработан новый способ получения стальной дроби и стального проката из доменного чугуна, получивший название процесса Стора, схема которого показана на рис. 9.
Исходным материалом служит обычный мартеновский чугун, содержащий 4,3% С, 1,1%) Sі, 0,9% Мn, 0,045% Р и 0,040% S. Однако можно применять чугун и с более высоким содержанием фосфора, так как в конечной продукции (листовой стали) без ущерба для качества может содержаться до 0,2% Р. Такое высокое содержание фосфора допускается благодаря особенностям процесса, исключающим ликвацию.
Обескремнивание производят предварительной продувкой жидкого чугуна кислородом. Ее можно вести непосредственно в ковше, однако более целесообразно продувать чугун во вращающемся конвертере Кaldо. Содержание кремния за 5—10 мин. продувки снижается с 1 до 0,05% и даже менее. Перед продувкой к чугуну добавляют известняк, в результате чего шлак (как и обычный доменный шлак) имеет основность 1,3; в шлаке содержится 3% Fе. Для повышения выхода металла в конвертер добавляют руду в количестве, компенсирующем содержание железа в шлаке. Исследования показали, что содержание кремния в продутом чугуне не должно превышать 0,05%).
При продувке, во время которой содержание кремния доводится до 0,05%, содержание углерода снижается приблизительно на 0,5%. После продувки расплавленный чугун распыляют (гранулируют) в дробь с частицами (гранулами) величиной до 3 мм. Распыление производится при воздействии на струю выливаемого чугуна струи воздуха, воды или водо-воздушной смеси, подаваемой под высоким давлением.
Затем чугунную дробь обезуглероживают и тем самым превращают в стальную дробь. Для обезуглероживания добавляют чистую железную руду, в которой содержание кремния было снижено сухой магнитной сепарацией до 0,1%) при общем содержании пустой породы 0,3—0,4%. Количество добавляемой руды определяют по содержанию углерода в дроби (при 3,5% С, 17% руды от веса всей смеси). После тщательного перемешивания смесь дроби и руды засыпают в коробки (1000х250х60 мм) из листовой стали толщиной 1—2 мм. Емкость коробки 70 кг смеси. Затем к коробке приваривают крышку (с пропусками в сварном шве для выхода газов).
Для обезуглероживания чугунной дроби коробки со смесью нагревают в муфельной печи при 1050°. В конце операции температуру для выдачи коробок на прокат доводят до 1200°. Общая длительность нагрева коробок 3—4 часа.
Нагрев коробки со смесью при обезуглероживании гранул — наиболее дорогостоящая операция нового процесса. Однако эта операция заменяет как нагрев чугуна до температуры плавления, так и нагрев слитков под прокатку при обычных процессах. Поэтому общий расход тепла при новом способе получения стали значительно ниже, чем при обычных.
После обезуглероживания коробки из лечи при температуре 1100—1200° выдают для прокатки на 750-мм стане.
Процесс Стора дает возможность получать малоуглеродистую сталь, содержащую 0,1% С и 0,1% О. Повышенное по сравнению с обычной сталью содержание кислорода не ухудшает механических свойств металла; это объясняется разным распределением шлаковых включений в стали Стора и обычной стали. Содержание азота в стали 0,002—0,004%. Содержание серы то же, что и в исходном чугуне (в исходном чугуне ее содержание может быть снижено до 0,01% внедоменным обессериванием). Как уже указывалось, примесь фосфора в стали Стора может доходить до 0,02% без ущерба для ее механических свойств.
Химический состав стали Стора и электростали приведен в табл. 2, а результаты механических испытаний образцов стали Стора и спокойной электростали приведены в табл. 3. Образцы были нормализованы при 950°.
Важным преимуществом этого метода является высокий выход годного, отсутствие потерь металла со шлаком от угара, а также от обрезки прибыльной и донной части слитков. Выход железа в виде годной стали, считая по всему циклу (от чугуна до готовой сутунки), достигает 110% при содержании углерода в чугуне 3,5%. На обычных сталеплавильных заводах выход годного составляет 70—75%.
В настоящее время трудно сделать окончательные выводы о себестоимости продукции, получаемой процессом Стора. Предполагают, что стоимость 1 г стали Стора должна быть на 10—20 долл. ниже стоимости обычной прокатанной стали.
Восстановление
Наиболее распространенным и одним из наиболее экономичных методов получения порошков железа и ряда других металлов, образующих легковосстановимые окислы (вольфрам, молибден, медь, никель, кобальт), является восстановление окислов металла углеродом или водородом.
Восстановлением железа в настоящее время производится свыше 50% всех железных порошков.
В России сотрудниками ЦНИИЧМ И.Л. Лурье, Н.Н. Тимошенко и В.Ф. Князевым разработан и внедрен в производство процесс восстановления окалины (отход прокатного производства) термоштыбом (отход производства термоантрацита). Восстановление ведут в керамических тиглях с загрузкой окалины и термоштыба несмешивающимися слоями. Схема производственного процесса показана на рис. 10. В тигли диаметром 300 мм и высотой 300 мм загружают тремя — четырьмя слоями окалину, разделенную прослойками термоантрацитового штыба. Для связывания серы, содержание которой в восстановителе доходит до 10%, к термоштыбу добавляют 10% извести, что гарантирует низкое содержание серы в готовом порошке. Тигли устанавливают в печи вертикальными рядами по 6 шт. в каждом. Для предохранения содержимого тиглей от воздействия печных газов зазоры между выше- и нижележащими тиглями замазывают глиной, а самый верхний тигель закрывают керамической крышкой. Процесс обжига загруженных тиглей проводят с выдержкой 60 час. при 1000—1050°. Дальнейшие операции показаны в схеме рис. 10.
Химический состав и распределение частиц по крупности восстановленного из окалины железного порошка приведены в табл. 4 и 5. Восстановленные порошки имеют характерную губчатую структуру, в которой отдельные мелкие частицы сцепляются в непрочные комочки (рис. 11), распадающиеся обычно при прессовании на отдельные мелкие частицы. Благодаря такой структуре восстановленные порошки обладают хорошей прессуемостью.
Существенным недостатком метода-восстановления для массового производства железных порошков является большое количество примесей в виде окислов, практически невосстановимых в условиях спекания (окислы кремния и марганца). Поэтому изделия, спеченные даже из наиболее чистого железного порошка марки А (см. табл. 4), содержат более 1%) невосстановленных окислов кремния и марганца. Это обстоятельство существенно снижает механические свойства (особенно пластичность) и коррозионную стойкость железных и стальных изделий из восстановленных порошков.
Электролиз
Электролиз водных растворов является наиболее распространенным методом для изготовления медных порошков. При электролизе меди осадок отлагается на катоде непосредственно в порошкообразном виде. Отложению на катоде порошкообразного легко удаляемого и дисперсного осадка благоприятствуют малая концентрация ионов металла в исходном растворе, низкая температура и высокая плотность тока. Регулируя эти условия, а также циркуляцию электролита, с повышением которой уменьшается дисперсность порошка, можно получить продукцию с желаемой характеристикой.
Затрата энергии при- получении медных порошков — около 2—3 квт*ч/кг (в зависимости от дисперсности).
Порошки, полученные электролизом водных растворов, имеют частицы дендритной структуры.
Достоинствами электролитического метода получения порошков из водных растворов являются:
1) высокая чистота получаемых порошков;
2) хорошая прессуемость (иногда только после отжига) и спекаемость порошков;
3) легкость получения стандартной продукции;
4) применимость метода для работы как в большом, так и в малом масштабах;
5) возможность применения загрязненных исходных материалов;
6) возможность выделения ценных примесей из анодных шламов. Электролиз расплавленных сред применяется для изготовления порошков некоторых редких металлов (Та, Nb, Тi, Тb, Zr, V, U).
Получение железных порошков электролизом значительно менее распространено, чем получение медных. В отличие от производства медных порошков железо получается не непосредственным отложением порошкообразного осадка, а механическим дроблением компактного хрупкого и легко отслаивающегося осадка.
Разложение карбонильных соединений
Карбонилы металлов — соединения с общей формулой Ме(СО) (в частности Fе(СO)5 и Ni(СO)4) — в нормальных условиях при комнатной температуре представляют собой жидкости или кристаллические вещества, разлагающиеся при умеренном нагреве (до 50—200°) на металл (в порошковом виде) и окись углерода. Карбонильный метод позволяет получить очень чистые металлические высокодисперсные порошки. Недостаток метода — высокая себестоимость порошков. Поэтому карбонильный метод применяется главным образом для получения железных порощков специального назначения (для магнитных материалов) и никелевых порошков для производства аккумуляторов. Основы карбонильного метода изложены в специальной статье, помещенной в настоящем томе.
Прочие методы
Эффективные методы получения металлического волокна из расплавленного металла были разработаны в России проф. П.К. Ошепковым и его сотрудниками. В США металлическое волокно получается обработкой металла резанием и резкой тонкой проволоки (рис. 12). В связи с малым объемным весом и плохой текучестью металлического волокна были разработаны новые методы его формирования. Изделия из металлического волокна имеют более высокую прочность, чем изделия из порошков при той же степени пористости.
