металлического железа возможно при температурах 600 – 700 °С с образованием твердого раствора хрома и марганца в железе.

Таким образом термодинамические расчеты показывают на возможность осуществления основных операций хлоридного метода получения легированного железа из комбинированных руд. При обжиге возможно восстановление оксидов железа, никеля при температурах 700 – 1000 °С, а более прочных оксидов хрома и марганца – при 900 – 1000 °С в присутствии металлического железа с образованием твердых растворов этих элементов в железе. При растворении руды в соляной кислоте основные элементы переходят в раствор, образуя хлориды, восстановление которых возможно при температурах 600 – 700 °С.

Технологический процесс получения легированного железа из комплексных руд хлоридным методом представлен на рисунке 58. Усредненная на рудном дворе руда поступает в дробильное отделение. Сюда же подается твердый восстановитель. В процессе размола происходит равномерное перемешивание руды и восстановителя. Приготовленная шихта направляется на восстановительный обжиг. Для ускорения процесса обжиг проводится с использованием газообразного восстановителя. Подвергнутая восстановительному обжигу руда направляется в реакторы растворения, заполненные соляной кислотой.

Начальная стадия растворения происходит бурно, сопровождается интенсивным выделением водорода, который, пройдя системы осушки и очистки, подаётся на восстановление хлоридов. По мере снижения концентрации соляной кислоты и сокращения поверхности твердой фазы скорость реакции растворения падает. Для ускорения процесса растворения на конечном этапе реакционный объём обогревается паром, подаваемым в паровые рубашки реакторов.

Полученная в результате растворения пульпа, содержащая частицы нерастворимого остатка, подается на фильтрацию, где раствор отделяется от нерастворимого остатка. Отфильтрованный раствор поступает на выпаривание и кристаллизацию.

Кристаллы хлоридов направляются на восстановление, которое осуществляется с помощью водорода. Образующийся в ходе восстановления хлористый водород поступает на регенерацию соляной кислоты.

К числу основных достоинств гидрометаллургического способа следует отнести высокую чистоту порошка и почти полная регенерация водорода и соляной кислоты, образующихся на стадиях растворения металлосодержащего сырья и восстановления хлоридов. Кроме того, нерастворимый осадок имеет свою самостоятельную ценность, так как после перевода в раствор получаемого металла он обогащается другими ценными компонентами.

Для случая использования легированного металлосодержащего сырья можно регулировать состав получаемого порошка путем селективного восстановления сложных хлоридов.

9.3 Прессование металлических порошков

Прессование металлических порошков представляет собой технологическую операцию, в результате которой под действием приложенного усилия из

бесформенного сыпучего порошка получается прочное тело – прессовка по форме и размерам близкая форме и размерам готового изделия.

Сложность явлений, сопровождающих уплотнение порошка и многообразие требований к свойствам готовых изделий вызывают необходимость проведения специальных операций по подготовке порошка к формованию.

Основными операциями при подготовке порошков к прессованию являются:

–отжиг;

–классификация (рассев);

–смешивание.

Отжиг. Этот вид обработки порошков применяют с целью повышения их пластичности, улучшения прессуемости и формуемости. При отжиге снимается наклеп, происходит восстановление оксидов, оставшихся при получении порошка или образовавшихся в результате окисления металла при хранении порошка.

Чаще всего отжигу подвергают порошки, полученные механическим измельчением твердых материалов. Такие порошки содержат значительные количества оксидов, растворенных газов и наиболее наклепаны.

Нагрев осуществляют в защитной среде (восстановительной, инертной или вакуум) при температуре порядка 0,4 – 0,6 температуры плавления металла в проходных или других печах, идентичных используемым при восстановлении и спекании. Для более тщательной очистки порошков от различных примесей часто используют атмосферы с галогенсодержащими добавками. Так, отжиг железного порошка в атмосфере смеси водорода с хлористым водородом приводят к получению порошков, более чистых по кремнию и марганцу, так как наличие хлористого водорода способствует образованию легко испаряющихся хлоридов кремния и марганца.

Классификация. Под классификацией понимают разделение порошков по величине частиц на фракции, используемые затем либо непосредственно для формования, либо для составления смеси, содержащей требуемый процент частиц нужного размера.

Классификация порошков осуществляется обычно в аппаратах, применяемых в химическом производстве и обогатительном деле. В практике порошковой металлургии чаще всего применяют ситовую классификацию порошков. Для этого используют различные типы сит, основными из которых являются помещаемые в кожух с вытяжной вентиляцией механические сита с электромагнитным или рычажным вибраторами. Сетки изготавливают из бронзовой или латунной проволок, шелка или капрона с размером ячеек, аналогичным тем, которые применяются в ситовом анализе.

Часто для классификации порошков применяют многодечные механические вибросита, в которых движение сетчатых дек осуществляется от электродвигателя через клиноременную передачу.

При затруднении свободного просева порошка используют протирочные ситовые устройства, в которых специальное приспособление с небольшим усилием давит на порошок, способствуя его проходу через сетку.

Классификация порошков с размером частиц менее 40 – 50 мкм осуществляют с помощью воздушных сепараторов, обеспечивающих

высаживание твердых частиц из несущего газового потока под действием на них силы тяжести.

В воздушном сепараторе разделяемый материал в потоке газа поступает в кольцевое пространство, скорость потока в котором снижается в несколько раз, и крупные частицы под действием силы тяжести выпадают и удаляются через патрубок. Воздушный поток далее проходит через тангенциально установленные лопатки, приобретая вращательное движение. Более крупные частицы под действием центробежных сил отбрасываются на стенки корпуса сепаратора, опускаются по ним и выводятся через другой патрубок. Мелкие частицы с газовым потоком поступают в циклон, где происходит их выделение.

Очень эффективными аппаратами для разделения порошков являются циклоны-сепараторы. В корпус циклона по касательной к окружности вводят газовый поток, содержащий твердые частицы, который приобретает вращательное движение. На каждую частицу действуют сила тяжести, увлекающая её вниз, центробежная сила, выталкивающая частицу в радиальном направлении и сила давления потока, заставляющая частицу двигаться по окружности. В итоге частицы движутся по спирали и, достигнув стенки корпуса, перемещаются по конусу к выпускному штуцеру. Мелкие частицы выносятся из циклона и могут быть выделены в следующем циклоне. Работа воздушных сепараторов регулируется изменением скорости газового потока. Производительность циклонов-сепараторов очень высока, а конструкция достаточна проста.

Смешивание порошков. Смешивание является одной из важных операций при изготовлении материалов и изделий из порошков. Оно заключается в приготовлении однородной механической смеси из порошков различного химического и гранулометрического состава. Задачи смешивания – превращение совокупности частиц твердых компонентов в макрооднородную смесь.

Результат смешивания определяется формой и величиной частиц, числом смешиваемых компонентов и соотношением их количеств, коэффициентом трения между частицами, способностью частиц к слипанию и другими факторами.

Наиболее распространенным является механическое смешивание компонентов в шаровых мельницах, аналогичных применяемым при размоле, и смесителях различных типов. При смешивании в шаровой мельнице смешивание сопровождается одновременным измельчением компонентов. Если измельчение при смешивании нежелательно, используют смесители различных типов. Это могут быть барабанные, в том числе так называемые «пьяные бочки», применение которых в настоящее время ограниченно из-за их недостаточной эффективности, шнековые, лопастные, центробежные, планетарные, конусные и установки непрерывного действия. Широкое применение нашли двухконусные смесители, схема и принцип действия которых представлен на рисунке 59.

Смешивание в лопастных или шнековых смесителях проводят при приготовлении пастообразных смесей. Такие смесители эффективны при добавке к порошку различных веществ, улучшающих процесс прессования, например раствора каучука в бензине, парафина или его раствора в бензине.

Для улучшения смешивания разнородных компонентов используют планетарные смесители которые представляют собой емкость, совершающую вращение в трех измерениях, создавая вихревое кружение находящихся в ней

компонентов. Качально-трясущееся движение сосуда приводит к чередованию ускорения и замедления в процессе перемешивания частиц, что способствует быстрому и качественному перемешиванию разнородных материалов.

Смешивание порошков может осуществляться в газовой (воздух, инертный газ) или в жидкой (вода, спирт, бензин и др.) средах. В жидкой среде смешивание происходит значительно интенсивнее, чем в газовой. Это объясняется тем, что ввод жидкости в смесь способствует созданию повышенного давления в тонких щелях частиц за счет действия капиллярных сил и распространению трещин в частицах, что приводит к доизмельчению компонентов. Однако, следует иметь в виду, что применение так называемого мокрого смешивания не всегда экономически выгодно. Например, использование воды в качестве жидкой среды вызывает необходимость применения сушки в защитной атмосфере или проведения дополнительного восстановительного обжига из-за возможности окисления металлических порошков. Это ведет к усложнению технологии и повышает себестоимость продукции.

При смешивании компонентов с резко различающимися плотностями используют особые приемы. Например, применяют раздельную загрузку компонентов по частям, перемешивая сначала более легкие с более тяжелым компонентом, а затем к такой смеси добавляют остальные компоненты. В некоторых случаях хорошие результаты достигаются при перемешивании разноплотных компонентов в вакууме. В этом случае поведение компонентов не зависит от их плотности и частицы внутри смесителя движутся с одинаковыми скоростями, что обеспечивает высокую равномерность объёмного распределения компонентов в смеси.

В случае плохих технологических характеристик смеси (низкая текучесть, прессуемость) её подвергают грануляции, под которой понимают операцию образования устойчивых комочков сфероидальной формы, состоящих из сравнительно большого числа частиц.

Для улучшения прессуемости и грануляции порошков при смешивании в смеситель вводят пластифицирующие добавки (растворы в органических жидкостях парафина, воска, каучука и др.), которые обволакивают частицы и при прессовании создают дополнительную прочность прессовок, облегчая их трение между стенками пресс-формы и самими частицами. Кроме присадок, улучшающих процесс прессования, в смесь могут вводится добавки, формирующие те или иные свойства прессовок. Например, поризаторы, обеспечивающие высокую пористость изделий.

Результаты смешивания контролируют либо по физико-технологическим свойствам шихты, определяя гранулометрический состав, насыпную массу, текучесть, прессуемость, либо химическим анализом проб. На практике обычно контролируют часть технологических характеристик смеси и проводят химический анализ проб из неё.

9.3.1 Общие закономерности процесса прессования

Прессование представляет собой формирование металлического порошка путём приложения давления к порошку, находящемуся в закрытой форме или оболочке. Основные закономерности процесса прессования рассмотрены на

примере формования простейшей заготовки в стальной прессформе. (рисунок 60). При формовании в собранную и установленную на плиту пресса прессформу засыпается порция порошковой смеси и устанавливается пуансон, через который от пресса на порошковую смесь передается соответствующее давление и под действием усилия начальный объём сыпучей порошковой смеси уменьшается, происходит деформирование её и формируется брикет, называемый прессовкой, заданной формы и размеров. После выдержки при заданном давлении нагрузка снимается и спрессованная заготовка выталкивается из пресс-формы. Прессование в закрытых пресс-формах может быть односторонним, когда усилие прессования прикладывается к одной из торцовых поверхностей будущей прессовки или двухсторонним – при приложении усилия прессования с двух сторон.

Изменение объёма порошковой массы происходит в результате смещения и деформации отдельных частиц и связано с заполнением пустот, образовавшихся при свободной насыпке порошка, при которой частицы в полости пресс-формы располагаются хаотически, образуя так называемые мостики или арки.

Для пластичных металлов деформация вначале ограниченна приконтактными участками малой площади, а затем распространяется в глубь частиц. В случае хрупких материалов деформация проявляется в разрушении и дроблении выступов на поверхности частиц.

При прессовании увеличение плотности прессуемого порошка происходит неравномерно. Кривая процесса уплотнения порошка имеет несколько характерных участков (рисунок 61). На первом этапе прессования наибольшее повышение усилия прессования вызывает значительное увеличения плотности прессуемого порошка. При дальнейшем повышении усилия прессования значительного увеличения плотности заготовки не происходит. Это объясняется тем, что в начальной стадии прессования плотность засыпанного порошка равна его насыпной массе, и при приложении даже незначительного усилия прессования приводит к резкому повышению плотности (рисунок 61, участок 1). По мере увеличения плотности и усилия прессования происходит разрушение мостиков и арок, проникновение частиц в поры, перемещение неблагоприятно расположенных частиц в более благоприятные места (рисунок 61, участок 2). Большая часть усилия прессования на этом участке затрачивается на преодоление трения частиц порошка о стенки пресс-формы.

По мере увеличения усилия прессования происходит качественное и количественное изменение границ между частицами. За счет трения между частицами при их смещении относительно друг друга контактные поверхности несколько сглаживаются, окисные пленки снимаются, контакты между частицами в этих местах из неметаллических переходят в металлические. Сближение частиц, а также качественное изменение контактных поверхностей приводит к появлению сил межатомного взаимодействия, в результате чего сопротивляемость порошка внешнему воздействию увеличиваются и повышение плотности прессовок затормаживается.

Прессование при очень больших усилиях вызывает хрупкое разрушение частиц порошков из твердых материалов и пластическую деформацию частиц из мягких металлов (рисунок 61, участок 3). Работа прессования на этом этапе в основном затрачивается на деформацию и разрушение частиц. Нарастание

уплотнения прессовок с увеличением давления происходит медленно и постепенно прекращается.

При прессовании различных материалов величина давления, необходимого для достижения определенной плотности прессовок, будет различной. Чем пластичнее материал порошка, тем при более низких давлениях начинается уплотнение порошков за счет деформации частиц.

Вреальных условиях в процессе прессования происходит наложение указанных стадий уплотнения, протекающих практически одновременно. Так, деформация некоторых частиц начинается уже при малых давлениях и в то же время движение отдельных частиц имеет место при значительных нагрузках.

Перемещение частиц порошка, происходящее при прессовании, приводит к возникновению давления на стенки пресс-формы называемом боковым. Оно значительно меньше приложенного к порошку давления из-за трения между частицами и других факторов, затрудняющих смещение частиц. Между боковым давлением и давлением прессования существует прямая пропорциональная зависимость. Показатель, соответствующий их отношению, называется коэффициентом бокового давления, величина которого может составлять 25 – 40%. Величина его зависит от плотности прессовки, а также физических характеристик порошка (пластичность, дисперсность и форма зерен). Боковое давление изменяется по высоте прессуемых брикетов из-за сил трения, возникающих между движущимися частицами порошка и стенками пресс-формы. Это явление называется внешним трением. Часть давления прессования тратится на его преодоление, происходит уменьшение усилия прессования по высоте брикета. Следовательно, уменьшается и боковое давление. Потери усилия прессования на внешнее трение зависит от коэффициента трения в паре материал порошка – материал пресс-формы, качества обработки стенок пресс-формы, наличия смазки, высоты засыпки порошка и размера поперечного сечения прессформы. С наличием внешнего трения связано неравномерное распределение плотности в объёме прессовки. Плотность падает по высоте брикета в направлении прессования по мере уменьшения усилия из-за потерь на преодоление внешнего трения.

Одним из способов уменьшения внешнего трения и повышения плотности брикета является применение смазки при прессовании. Используемые смазки могут быть активными и инертными.

Активные смазки изменяют физико-механические свойства порошковых частиц, понижают прочность поверхностных слоев частиц, что облегчает их деформирование и способствует уплотнению. Инертные смазки не оказывают какого-либо воздействия на материал порошка, но способствуют уменьшению сил трения.

Вкачестве смазок чаще всего используют стеариновую кислоту и её соли, парафин, олеиновую кислоту, глицерин, камфору и другие вещества.

После прессования для удаления брикета из прессформ необходимо приложить некоторое усилие, которое называется давлением выталкивания. Оно пропорционально давлению прессования и упругих свойств материала порошка. Возникновение его связано с самопроизвольным увеличением размеров прессовки при снятии с неё давления в результате действия внутренних напряжений, возникающих в процессе уплотнения порошка. Это явление носит название