Значення коефіцієнта тепловіддачі для умов розпилення розплавів водою

Температура в зоні контакта,° С	Характер кипіння	Коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м×град)
300…350	Бульбашковий	1×106
350…650	Змішаний	1×105
650	Плівковий	1×104

Мінімальне значення коефіцієнта тепловіддачі спостерігається під час плівкового кипіння. У цьому випадку час охолодження краплі збільшується і варто очікувати утворення сферичної чи близької до неї форми частинок порошку.

Впливаючи на зону контакту і змінюючи її характер, можна керувати процесом теплопередачі і регулювати властивості отримуваних порошків: їх форму, насипну щільність, питому поверхню та ін. Наприклад, для усунення плівкового кипіння можна знижувати температуру розплаву в межах, що забезпечує достатню текучість, чи за постійної температури збільшувати енергетичні параметри процесу, тим самим створюючи умови для руйнування суцільної плівки пари навколо краплі та інтенсифікуючи теплообмін.

Потрібний для сфероїдизації краплини розплаву в умовах диспергування рідиною час можна визначити з виразу

, (3.11)

де g_е – ефективна густина енергоносія залежно від характеру кипіння рідини поблизу краплини.

Значення ефективної густини енергоносія для деяких режимів кипіння наведено в табл. 3.8

За відношення τ_охол/τ_сф >1 створюються умови для отримання сферичної форми частинок, а в разі γ_охол/γ_сф  1 – неправильної. Керуючи параметрами процесу і властивостями розплаву, можна регулювати властивості порошків у широкому діапазоні.

Таблиця 3.8

Значення ефективної щільності для різних режимів кипіння

Режим кипіння	Співвідношення пари та води в енергоносії	Ефективна щільність gе, кг/м3
Плівковий	100 % пари	50
Перехідний (близький до плівкового)	70 : 30	335
Перехідний (змішаний)	50 : 50	525
Перехідний (близький до бульбашкового)	30 : 70	715
Бульбашковий	10 : 90	905

3.4. Формування складу і структури порошків під час розпилення розплавів

Особливостями формування складу і структури порошків є те, що цей процес відбувається в умовах підвищених температур, контакту з окиснювальним чи активним газовим середовищем і високих швидкостей охолодження.

Часто під час розпилення спостерігається окиснення металу основи і легувальних елементів. Найвищий ступінь окиснення характерний для розпилення повітрям. У цьому випадку оксиди розміщуються як на поверхні частинок, так і всередині їх у вигляді вкраплень. У разі розпилення інертними газами у воду вміст оксидів менший і розміщуються вони здебільшого на поверхні частинок. Це зумовлено тим, що краплі кристалізуються у безокиснювальному середовищі, а поверхневе окиснення відбувається у процесі охолодження в рідині. У випадку розпилення водою ступінь окиснення менший за рахунок зменшення швидкості доставки окиснювального середовища до реакційної поверхні. Вміст кисню зменшується зі збільшенням розміру частинок і зменшенням їх питомої поверхні, обумовленої формою частинок (рис. 3.8)

Рис. 3.8. Залежність масової частки кисню від розміру частинок порошків

чавуну (1), заліза (2, 3), сплаву 16Х (4) та нікелю (5) за розпилення:

1, 2 – повітрям; 3, 4, 5 – азотом

На вміст кисню в розпилених металах впливає наявність легувальних домішок. Якщо метал містить легувальні домішки з більшою спорідненістю до кисню, ніж основний метал, наприклад: алюміній, силіцій, титан, та інші, то на поверхні частинок утворюється тонка плівка тугоплавкого оксиду, яка перешкоджає окисненню основного металу. У цьому випадку вміст кисню в порошку знижується.

Якщо для розпилення активних газів використовувати, наприклад азот, уміст кисню також знизиться. У цьому випадку можна підвищувати вміст азоту, особливо, коли основний метал чи легувальні домішки утворюють нітриди, стійкі в умовах розпилення.

Вплив вуглецю на ступінь окиснення металів неоднозначний. Наприклад, поверхневий вміст кисню і товщина оксидної плівки на поверхні частинок заліза, отриманих розпиленням повітрям розплавів з високим умістом вуглецю, менші, ніж з розплавів з малим його вмістом. Це зумовлено активною взаємодією вуглецю з киснем і утворенням газоподібних продуктів реакції, що знижує збагачення вуглецем основного металу. Однак загальний вміст кисню в таких порошках може бути підвищеним, що пов’язано з розпушуванням частинок за рахунок великого газовиділення й утворенням великих поверхонь розділу.

Кисень і азот у розпилених порошках мають вигляд оксидів, нітридів і твердих розчинів. Розчинність кисню збільшується з підвищенням температури. Наприклад, для заліза температурна залежність масової частки кисню в порошках підпорядковується закону

.

Масова частка кисню в розплаві заліза за температури 1800 °С становить близько 0,45%. Розчинність кисню знижується зі збільшенням умісту вуглецю та з уведенням таких легувальних домішок, як Al, Si, Mn, P, V, Cr, Ti.

Розчинність азоту і водню у сплавах на основі заліза підпорядковується закону

,

де Q – розчинність газу, %; К – константа, що залежить від температури, складу газу і розплаву; Р – загальний або парціальний тиск газу.

У разі розпилення вуглецевмісних розплавів значно зменшується вміст вуглецю за рахунок його взаємодії з киснем газу-енергоносія. У загальному випадку зниження вмісту вуглецю визначається часом перебування продуктів диспергування у контакті з газом і спостерігається здебільшого на межі поділу розплав – газ. Ступінь зменшення вмісту вуглецю зростає зі збільшенням питомої поверхні розплаву. Переважний вплив мають також швидкість дифузії вуглецю в реакційну поверхню та швидкість доставки кисню до зони реакції.

Технологічними параметрами, що впливають на зазначені процеси, є температури розплаву і дуття. Збільшення цих температур зумовлює помітне зниження вмісту вуглецю у продуктах диспергування. У цьому разі збільшується ступінь диспергування, прискорюються дифузійні процеси і розплав довше контактує з окиснювальним середовищем у рідкому стані. Крім того, збільшення температури знижує в’язкість розплаву, що прискорює дифузійні процеси, сприяє утворенню менш щільних частинок, з вищою реакційною поверхнею.

Істотний вплив на ступінь зменшення вмісту вуглецю чинять розмір частинок розплаву і кінцевий розмір частинок порошку. Зі збільшенням розміру частинок швидкість зменшення вмісту вуглецю знижується, що зумовлено збільшенням шляху дифузії вуглецю.

На зменшення вмісту вуглецю під час розпилення також впливає наявність легувальних елементів, схильних до утворення карбідів у розплавах, таких як титан, вольфрам, хром, молібден та ін. Наявність їх у розплаві значно знижує дифузійну активність вуглецю.

Процес зменшення вмісту вуглецю під час розпилення використовують на практиці для отримання порошків заліза з вуглецевмісних розплавів-чавунів.

Структура отриманих розпиленням порошків залежить від складу розплаву, виду енергоносія, використовуваного для розпилення розплаву, і параметрів розпилення. Пористість частинок, розмір яких менший за 60 мкм, – капілярного типу. У більших частинках може спостерігатись макропористість, що у випадку розпилення вуглецевмісних розплавів у окиснювальному середовищі зумовлено інтенсивним виділенням газоподібних продуктів окиснення вуглецю. Частинки щільнішої будови утворюються під час розпилення розплавів рідиною. Мікроструктура частинок порошків залежить від складу матеріалу й умов охолодження. Для частинок порошків, що кристалізуються з рідкого стану з великою швидкістю, характерна дрібнозерниста структура. При цьому розмір зерен зменшується зі збільшенням швидкості охолодження, яка залежить від складу розплаву, його властивостей та умов розпилення. Дрібні частинки мають більш щільну будову і дрібнозернисту структуру.

Частинкам, схильним до транскристалізації, притаманна дендритна структура. Структура сплавів, що містять легувальні елементи, схильні до утворення карбідів, нітридів, має рівномірне розподілення карбідних фаз, дисперсність яких знижується зі зменшенням розміру частинок і підвищенням швидкості охолодження.

Матеріал частинок порошків, що отримані розпиленням, характеризується також високою густиною дислокацій (6·10⁸...1·10⁹ см^-2 ). При цьому чим вища температура перегріву розплаву перед його диспергуванням і менший розмір частинок порошку, тим більша густина дислокацій.

У цілому метод отримання порошків розпиленням забезпечує широкі можливості отримання порошків матеріалів з різною мікроструктурою і тонкою структурою за рахунок зміни температурного режиму диспергування і швидкості охолодження частинок.