Физико-технологические особенности механоактивации порошковых частиц, образующихся при гидровакуумном диспергировании металлических расплавов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Выполнено комплексное исследование процесса гидровакуумного диспергирования металлических расплавов на примере серого чугуна марки СЧ20 (3.3 – 3.5C, 1.4 – 2.4Si, 0.7 – 1Mn, <0.15S, <0.2P в мас.%). Выявлено, что главным обусловливающим фактором механоактивации образующихся частиц является их затвердевание в волокнистом, неравновесном структурно-напряженном состоянии, что достигается путем сплющивания и несимметричного закручивания капель, отрывающихся от жидкого металла, находящегося в диспергаторе в условиях объемного воздействия ударно-пульсирующими волнами гидравлического разряжения. Установлено, что степень активации частиц экспоненциально зависит от их дисперсности и удельной поверхности, поскольку именно эти показатели определяют степень асимметрии сдвиговых деформаций и величину накопленной энергии. В свою очередь, на дисперсность и удельную поверхность доминирующее влияние имеют такие физико-технологические факторы, как удельный расход и давление нагнетаемой воды, толщина и угол подъема гидрооболочки вакуумирующей диффузионной воронки, а также диаметр пропущенной в нем струи диспергируемого расплава и температура его перегрева. Управление этими параметрами дает возможность плавно регулировать ключевое соотношение “жидкий металл : вода” и настроить процесс диспергирования с максимально-возможной степенью измельчения и активацией получаемого порошка.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Г. В. Джандиери

ЮЛПП “Институт механики машин Р. Двали”; ООО “Металлургическая инженерия и консультации”

Автор, ответственный за переписку.
Email: gigo.jandieri@gmail.com
Грузия, 0186, Тбилиси, ул. Миндели, 10; 0109, Тбилиси, ул. Е. Ахвледиани, 8

Д. В. Сахвадзе

ООО “Металлургическая инженерия и консультации”

Email: gigo.jandieri@gmail.com
Грузия, 0109, Тбилиси, ул. Е. Ахвледиани, 8

Б. Г. Саралидзе

ЮЛПП “Институт материаловедения и металлургии Ф. Тавадзе”

Email: gigo.jandieri@gmail.com
Грузия, 0186, Тбилиси, ул. Миндели, 8

Г. Д. Сахвадзе

ООО “Металлические порошки”

Email: gigo.jandieri@gmail.com
Грузия, 0186, Тбилиси, ул. Кавтарадзе, 13, офис 39

Список литературы

  1. Unnikrishnan R., Gardy J., Spencer B.F., Kurinjimala R., Dey A., Nekouie V., Irukuvarghula S., Hassanpour A., Eisenmenger-Sittner Cr., Francis J.A., Preuss M. Functionalization of metallic powder for performance enhancement // Mater. & Design. 2022. V. 221. P. 110900. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110900
  2. Saprykina N.A., Saprykin A.A., Arkhipova D.A. Influence of Shielding Gas and Mechanical Activation of Metal Powders on the Quality of Surface Sintered Layers // IOP Conf. Series: Mater. Sci. Eng. 2016. V. 125. P. 012016. https://doi.org/10.1088/1757-899X/125/1/012016
  3. Korotkikh A.G., Glotov O.G., Arkhipov V.A., Zarko V.E., Kiskin A.B. Effect of Iron and Boron Ultrafine Powders on Combustion of Aluminized Solid Propellants // Combust. and Flame. 2017. V. 178. P. 195–204. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2017.01.004
  4. Korotkikh A.G. and Sorokin I.V. Study of the Chemical Activity of Metal Powders Based on Aluminum, Boron, and Titanium // AIP Conf. Proc. 2020. V. 2212. № 1. P. 020029. https://doi.org/10.1063/5.0000838
  5. Shaun Zhang Soong, Wing Lam Lai, Andrew Ng Kay Lup. Atomization of metal and alloy powders: Processes, parameters, and properties // AIChE Journal. 2023. https://doi.org/10.1002/aic.18217
  6. Севостьянов М.В., Полуэктова В.А., Севостьянов В.С., Шаталов А.В., Сирота В.В. Теория и практика механоактивации материалов при объемно-сдвиговом деформировании частиц // Вестник ТГТУ. 2018. Т. 24. № 4. P. 652–662. https://doi.org/10.17277/vestnik.2018.04.pp.652–662
  7. Еремина М.А., Ломаева С.Ф., Паранин С.Н., Тарасовa В.В. Влияние условий механоактивации и пав на фазовый состав и свойства композитов на основе карбогидрида титана и меди // ФММ. 2020. Т. 121. № 2. С. 207–215.
  8. Baras F., Bizot Q., Fourmont A., Le Gallet S., Politano O. Mechanical activation of metallic powders and reactivity of activated nanocomposites: a molecular dynamics approach // Appl. Phys. A, Mater. Sci. Proces. 2021. V. 127. № 7. P. 555. https://doi.org/10.1007/s00339-021-04700-9
  9. Калошкин С.Д., Принсипи Д.Ж., Томилин И.А., Чердынцев В.В. Закономерности и движущие силы формирования квазикристаллической фазы в Al–Cu–Fe порошках после механоактивации // ФММ. 2008. Т. 105. № 6. С. 647–658.
  10. Chanadee T., Singsarothai S. Mechanoactivated SHS of Si–SiC Powders from Natural Sand: Influence of Milling Time // Int. J Self-Propag. High-Temp. Synth. 2018. V. 27. P. 85–88. https://doi.org/10.3103/S1061386218020061
  11. Козырев Н.А., Усольцев А.А., Михно А.Р., Шевченко Р.А., Ознобихина Н.В. Разработка состава титанотермитной смеси для сварки // Черная Металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2022. T. 78. № 7. C. 625–630. https://doi.org/10.32339/0135-5910-2022-7-625-630
  12. Григорьева Т.Ф., Киселева Т.Ю., Петрова С.А., Талако Т.Л., Восмериков С.В., Удалова Т.А., Девяткина Е.Т., Новакова А.А., Ляхов Н.З. Механохимически стимулированные реакции восстановления оксида железа алюминием // ФММ. 2021. T. 122. № 6. C. 614–620
  13. Григорьева Т.Ф., Талако Т.Л., Девяткина Е.Т., Восмериков С.В., Анчаров А.И., Цыбуля С.В., Витязь П.А., Ляхов Н.З. Модифицирование меди оксидом алюминия в ходе механически стимулированной реакции // ФММ. 2023. T. 124. № 1. C. 78–83.
  14. Миронов В.А., Шишкин А.Ю., Поляков А.В., Трейс Ю.К. Извлечение меди из водных растворов с использованием железных порошковых материалов // Журнал Белорус. гос. ун-та. Экология. 2018. № 1. С. 97–102.
  15. Alymov M.I., Seplyarskii B.S. and Gordopolova I.S. Ignition of pyrophoric powders: An entry-level model // Journal of Physics: Conference Series 2015. V. 653. P. 012052. doi: 10.1088/1742-6596/653/1/012052
  16. Rouquerol J., Rouquerol F., Llewellyn P., Maurin G., and Sing K. Adsorption by powders and porous solids. Principles, methodology and applications. 2014. 2nd ed. Oxford: Academic Press. 611 p.
  17. Sakhvadze D., Jandieri G., Tsirekidze T., Gorbenko I. Device for producing metallic powder from melt // Pat. GE P20156384 (B), B22F9/08, 2015.
  18. Sakhvadze D., Jandieri G., Sakhvadze G. Method for metallic powder preparation and device for implementation thereof // Patent GE 2020 7078 B. B 22 F 9/08. Official Bulletin of the Industrial Property of Georgia, № 5, 2020.03.10.
  19. Sakhvadze D., Jandieri G., Bolqvadze I., Shteinberg А., Tsirekidze Т. Morphological and metallographic analysis of metallic powders produced by the method of hydro-vacuum dispersion of melts // XIV International Symposium SHS-2017, Tbilisi. 2017. P. 218–221.
  20. Джандиери Г.В., Горбенко И.Ф., Сахвадзе Д.В., Цирекидзе Т.И. Инновационная гидровакуумная технология грануляции металлических расплавов // Современная электрометаллургия. 2018. № 4 (132). С. 70–74. https://doi.org/10.15407/sem2018.04.06
  21. Sakhvadze D., Jandieri G., Bolkvadze J. Novel technology of metal powders production by hydrovacuum dispersion of melts // Machines Technol Mater. 2018. V. 12. № 6. P. 236–239. https://stumejournals.com/journals/mtm/2018/6/236
  22. Sakhvadze D., Jandieri G., Jangveladze G., Sakhvadze G. A new technological approach to the granulation of slag melts of ferrous metallurgy: obtaining glassy fine-grained granules of improved quality // J. Eng. Appl. Sci. 2021. V. 68. P. 22. https://doi.org/10.1186/s44147-021-00019-7
  23. Ternovoj Ju.F., Bagljuk G.A., Kudievskij S.S. Theoretical basics of processes of atomization of metal melts: Monografija. Zaporozh’e: Izdatel’stvo ZGIA, 2008. 298 p.
  24. Xakalashe Buhle Sinaye. Removal of Phosphorus from Silicon Melts by Vacuum Refining // Thesis. Norwegian University of Science and Technology. 2011. 49 p.
  25. Kharlashin P.S., Bendich A.V. Some kinetic features of evaporation of arsenic, sulfur and phosphorus from cast iron during its vacuumization // Bulletin of the Pryazovskyi State Technical University. 2011. V. 22. P. 55–59.
  26. Dobrzański L.A., Dobrzański L.B., Dobrzańska-Danikiewicz A.D., Kraszewska M. Manufacturing powders of metals, their alloys and ceramics and the importance of conventional and additive technologies for products manufacturing in Industry 4.0 stage // Archives of Mater. Sci. Eng. 2020. V. 102. № 1. P. 13–41. https://doi.org/10.5604/01.3001.0014.1452
  27. Yefimov N.A. Chapter 10 – Powders with Quasicrystalline Structure // Handbook of Non-Ferrous Metal Powders (Second Edition). Editor(s): O.D. Neikov, S.S. Naboychenko, N.A. Yefimov. Elsevier, 2019. P. 313–321. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100543-9.00010-5
  28. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физич. мезомеханика. 1998. № 1. С. 5–22.
  29. Yoshida S. Comprehensive description of deformation and fracture of solids as wave dynamics // Mathematics and Mechanics of Solids. 2017. V. 22. № 5. P. 1094–1115. https://doi.org/10.1177/1081286515616859
  30. Bernard F., Paris S., Gaffet E. Mechanical Activation as a New Method for SHS // Advances Sci. Technology. 2006. V. 45. P. 979–988. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ast.45.979
  31. Bolgaru K.A., Akulinkin A.A. and Kryukova O.G. Effect of mechanical pre-activation on the nitriding of aluminum ferrosilicon in the combustion mode // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1459. P. 012009. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1459/1/012009
  32. Бевза В.Ф., Марукович Е.И., Груша В.П. Формирование полых заготовок из чугуна с шаровидным графитом в условиях пристеночной кристаллизации // Литье и металлургия. 2009. T. 3. С. 178–181.
  33. Свичкарь А.С., Шибеев Е.А., Гарибян Г.С., Еремин Е.Н. Влияние предусадочного расширения на размерную точность отливок из высокопрочного чугуна // Вопр. материаловедения. 2019. T. 3(99). С. 23–28. https://doi.org/10.22349/1994-6716-2019-99-3-23-28
  34. Walter A., Witt G., Platt S., Kleszczynski S. Manufacturing and Properties of Spherical Iron Particles from a by-Product of the Steel Industry // Powders. 2023. T. 2. Р. 216–231. https://doi.org/10.3390/powders2020015
  35. Sydney Luk. Surface Area, Density, and Porosity of Powders. Powder Metallurgy // ASM HANDBOOK. 2015. V. 7. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v07.a0006107
  36. Homer E.R. Modeling the Mechanical Behavior of Amorphous Metals by Shear Transformation Zone Dynamics // Thesis PhD, Massachusetts Institute of Technology. 2010. 110 р. https://core.ac.uk/download/pdf/4423294.pdf
  37. Choi S., Park S. and Baek E.R. Development of Thermite Powder for Rail Joining with Recycled Iron Oxide and Aluminium Powder // J. Welding Joining. 2012. V. 30. № 5. P. 40–45. https://doi.org/10.5781/KWJS.2012.30.5.434
  38. Sakhvadze D., Gorbenko I., Jandieri G., Tsirekidze T., Shteinberg A. Device of molten granulation for obtaining the powder materials for SHS // International Symposium SHS-XIII, 2015. Turkey. Antalya, 2015. P. 140–141.
  39. Джандиери Г.В., Сахвадзе Д.В., Гордезиани Г.A., Штейнберг А.С. Повышение эффективности СВС-компактирования функционально-градиентных материалов системы Ti–B // Металлургия машиностроения. 2016. T. 5. С. 20–26.
  40. Мырзахметов Б.А., Крупник Л.А., Султабаев А.Е., Токтамисова С.М. Математическая модель работы струйного насоса в составе скважинной тандемной установки // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019. № 8. С. 123–135. https://10.25018/0236-1493-2019-08-0-123-135
  41. Vostrikov A.V., Volkov A.M., Bakradze M.M. Development and research of a new granular disk alloy VZh178P for advanced aviation GTE // Tsvetnye Metally. 2018. № 8. https://doi.org/10.17580/tsm.2018.08.11
  42. Панин В.Е., Панин А.В., Моисеенко Д.Д., Шляпин А.Д., Авраамов Ю.С., Кошкин В.И. Физическая мезомеханика деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. II. Явление взаимного проникания частиц разнородных твердых тел без нарушения сплошности под воздействием концентрированных потоков энергии // Физическая мезомеханика. 2006. T. 9. № 4. С. 5–13.
  43. Джандиери Г.В., Сахвадзе Д.В., Захаров Г.В., Харати Р.Г. Разработка и исследование СВС-технологии получения специальных поликомпонентных лигатур из отходов ферросплавного производства // Металлургия машиностроения. 2019. T. 3. С. 40–43. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=37651398
  44. Ключников Г.М., Ключников И.Г. Устойчивая сверхпластическая деформация и теплообмен // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. T. 8(3). С. 458–465. URL: https://appliedresearch.ru/ru/article/view?id=7127
  45. Nikishina M., Ivanova E., Tretyakova A., Mukhtorov L., and Atroshchenko Y. Study of biological activity colloidal solutions of iron synthesized on the basis of aqueous cuff extract // Siberian Journal of Life Sciences and Agriculture. 2022. V. 14. № 6. P. 388–403. https://doi.org/10.12731/2658-6649-2022-14-6-388-403

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Общий вид главного технологического узла установки гидровакуумного диспергирования (ГВД) в процессе наладки исследовательского оборудования (а), ее конструкционные особенности (б) и волновая динамика работы (в); 1 – цилиндрический корпус; 2 – водопровод высокого давления; 3 – погруженная в корпус 1 (расположенная концентрично) цилиндрическая труба меньшего диаметра и длины с утолщенными снизу стенками 3´, сужающими ее сечение; 4 – образованный между внешним корпусом 1 и внутренней трубой 3 кольцевой канал (коллектор) для нагнетания подаваемой через канал 2 воды; 5 – полутороидальный конфузор с функцией внутрикорпусной обратной инжекции нагнетённой в кольцевом коллекторе (4) воды, сформированный между нижними торцами корпуса 1 и расположенной внутри него пульпаобразующей трубой Вентури 3-3´, с высотой выходной щели – h; 6 – погружаемая в расплав керамическая насадка с цилиндрическим каналом 6´ и с конусообразной головкой сопряжения к зоне гидравлического разрежения, c условным диаметром – d; 7 – нижняя фланцевая пара для фиксации насадки (6) и герметизации корпуса (1); 7´ – верхняя фланцевая пара/крыша для герметизации водонапорного кольцевого коллектора (4); 8 – диспергационная камера, в которой осуществляется ударно-волновое воздействие λ на всасываемый расплав; 8´ – диффузор образованной пульпы; 9 – коленчатая насадка с ульпаотводящим цилиндрическим каналом 9´ для подачи пульпы к гидроциклонной осадочной камере и к сортирующим, и сушильным установкам (на схеме не показано).

Скачать (328KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Упрощенная гидромеханическая схема процесса ГВД: υ – линейная скорость смещения частиц расплава, м/с; α – угол атаки инжектируемой воды на струю всасываемого расплава, град; d1 – начальный диаметр всасываемой струи, мм; d2 – диаметр обжима после вихревого-растягивающего воздействия, мм; ω – угловая скорость вращения, рад/с; ξ – величина гидравлического сопротивления, кг/м3.

Скачать (261KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Поверхность частицы с кавитационным абляционным кратером (а) и с образованными впоследствии сателлитными сфероидальными частицами размером 0.1–1.3 мкм (б).

Скачать (279KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Фрагмент виброграммы колебания главного технологического узла установки гидровакуумного диспергирования до (0→1) и после забора металла (1→2).

Скачать (45KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Морфология поверхности частицы расплава СЧ 20, затвердевшей в условиях углового сдвигового деформирования (а); рельеф частицы с линейными деформационно-сдвиговыми полосами волокнообразного типа (б); растрескавшаяся частица с газовым пустотным ядром и с расслоившейся оболочкой из цементита Fe3C (в); растрескавшаяся частица с отслоившимся от внешней оболочки плотным сфероидным ядром (г).

Скачать (950KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Рентгеновская дифрактограмма порошка чугуна, полученного методом ГВД.

Скачать (156KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Перфорированные отпечатки кавитационного псевдокипения до (а) и после их раскрытия в процессе изготовления микрошлифа (б).

Скачать (430KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Микроструктура переходной зоны частицы размером 500 мкм с участком плотного ядра и примыкающими мезополосами углового деформационного сдвига (а) и динамика их распространения (б).

Скачать (588KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Влияние начальной температуры расплава и диаметра всасывающей насадки на дисперсность получаемого порошка при давлениях нагнетания воды 12 (а) и 20 (б) бар.

Скачать (833KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Форма, микрорельеф (а) и морфология (б) частиц порошка серого чугуна СЧ20, полученного в режиме тонкого диспергирования и аморфизации.

Скачать (541KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Рентгеновская дифрактограмма ГВД-порошка чугуна (а) и извлеченной с его помощью меди (б).

Скачать (298KB)
Метаданные