Математично залежності можна описати емпіричним рівнянням

,

яке використовують для попереднього оцінювання характеру руйнування струменя металевого розплаву газовим потоком із заданою швидкістю, а також для оцінювання гранулометричного складу отримуваного порошку.

Значення критеріїв Re і Lp для різних варіантів диспергування струменя рідини під час розпилення водою розплаву міді наведено в табл. 3.1.

Для стаціонарних умов інтенсивного розпилення за механізмом вибуху визначником є критерій Вебера, що характеризує передусім вплив сил поверхневого натягу металевих розплавів.

Диспергування за механізмом вибуху відбувається за швидкостей дуття понад 200 м/с. При цьому досягається ступінь диспергування (n >>2).

Для визначення критерію Вебера для розпилення металевих розплавів О. С. Нечипоренко, Ю. І. Найда, О. В. Медведовський пропонують вираз, що враховує попередню деформацію краплі (видовження):

, (3.1)

де V_к – об’єм краплі; h – допустиме видовження краплі перед подрібненням.

Значення критерію We, обчисленні за виразом (3.1) (табл. 3.2) для різних умов розпилення, змінюються в межах 13,5…16,5. На основі узагальнених даних варто відзначити, що значення критерію Вебера для металевих розплавів має становити We =15,0…16,0.

Таблиця 3.1   

Значення критеріїв Re та Lp для різних умов розпилення

Швидкість дуття, м/с	Причина руйнування струменя	Розмір краплі, мм		Re	Lp
		Мідь	Вода
5…23	Вісесиметричні коливання	3	-	0…33	9×10-9…1×10-8
25…100	Хвилеподібні коливання	1…3	1,0	33…165	1×10-8…3×10-7
100…250	Грубе розпилення	0,5…1,0	0,4	165…660	3×10-7…3×10-6
250	Тонке розпилення	0,5	0,06	660…2160	1×10-6…1×10-4

Критерій Лапласа впливає на середній розмір частинок під час розпилення металевих розплавів з низькими температурами перегріву над лінією ліквідусу, тобто який за своїм структурним станом наближається до твердого (Бінгамовського). При цьому вплив в’язкості починає істотно виявлятися, якщо Lp > 0,038.

Таблиця 3.2  

Значення критерію Вебера для n >2

Вихідний розмір краплі dк, мкм	Швидкість дуття Vг, м/с	Допустиме видовження краплі h, мкм	Критерій Вебера Wе
50	320	150	16,5
100	220	300	15,8
200	160	400	14,5
300	120	890	13,5

3.2. Вплив різних факторів на процес розпилення розплавів газами

Вплив різних факторів на процес розпилення варто розглядати, зважаючи на їх дію на властивості отримуваних порошків, та середній розмір частинок і їх форму. На середній розмір частинок впливають як параметри газового дуття і струменя розплаву, так і фізичні властивості металів та сплавів. При цьому визначальний вплив справляють:

1. в’язкість і поверхневий натяг металевих розплавів;

2. температура і теплоємність розплавів;

3. температура газового середовища;

4. потужність газового потоку;

5) технологічні параметри.

В’язкість характеризує переміщення рідини з одного стану рівноваги в інший під дією сколювальних сил. Під час розпилювання в’язкість відіграє визначальну роль у процесах зливу металу, диспергування струменя металу розплаву, формоутворення частинок порошку. Низька в’язкість у розплаві пояснюється наявністю додаткового (~3%) вільного відносно твердого тіла об’єму, що забезпечує можливість значно вільнішого переміщення частинок (атомів), ніж у твердому тілі. В’язкість – температурно залежна величина (рис. 3.3), яку можна оцінити за формулою

, (3.2)

де t_о – час, протягом якого частинка перебуває у стані рівноваги (τ_о10^‑6…10^‑10с); k – постійна Больцмана; Т – температура розплаву; r - радіус атома; U – енергія активації дифузії у рідкій фазі.

Із виразу (3.2.) випливає, що за інших однакових умов відносне переміщення прошарків рідини буде відбуватись лише в тому разі, якщо час дії на рідину зовнішніх сил τ значно більший, ніж τ₀, тобто виконується нерівність: τ»τ₀. Інакше рідина буде себе поводити, як тверде тіло. Ця умова майже завжди виконується у разі диспергування розплавів розпиленням.

Поряд з температурою в’язкість також залежить від кількості частинок твердих домішок (гетерогенні рідини), особливо в разі незначного перегріванння розплавів металів у період кристалізації в температурному проміжку між лініями ліквідусу і солідусу. У цьому випадку в’язкість можна оцінити за формулою, яку запропонував Ейнштейн:

,

де η₀ – в’язкість гомогенної рідини; q – об’ємна частка твердої фази.

Щодо розпилення, то в’язкість визначає ступінь подрібнення струменя розплавленого металу на пучки й краплі, а надалі – на більш дрібні частинки. Очевидно, що зменшення в’язкості металевих розплавів має сприяти утворенню під час розпилення більш дрібних частинок, що найчастіше спостерігається на практиці. У зв’язку з цим для отримання дисперсних порошків необхідно підвищувати температуру розплаву і забезпечувати умови розпилення, що перешкоджають охолодженню його до повного розпилення. Останнє зумовлено тим, що для більшості матеріалів спостерігається зниження в’язкості з підвищенням температури (рис. 3.3), що призводить до збільшення виходу дрібної фракції порошку під час розпилення (табл. 3.3). Іншим істотним фактором, який може впливати на в’язкість, є легування. Так, легування заліза вуглецем і силіцієм сприяє зниженню в’язкості, і, як наслідок, отриманню більш дрібних порошків. Навпаки, наявність кисню в металевих розплавах значно підвищує їх в’язкість. Тому для отримання дрібних порошків у цьому випадку необхідно в розплав вводити розкиснювачі.

Таблиця 3.3