RU2060934C1

RU2060934C1 - Method and aggregate for refractory metals carbides production

Info

Publication number: RU2060934C1
Application number: RU93052297A
Authority: RU
Inventors: А.А. Семенов; Л.Н. Тюняев; А.Г. Ситнов; В.К. Ушаков
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Полема-Тулачермет"
Priority date: 1993-11-18
Filing date: 1993-11-18
Publication date: 1996-05-27

Abstract

FIELD: method and aggregate for refractory metals carbides production. SUBSTANCE: refractory metal powder is used as charge materials, tungsten and carbon black. Lower pattern electrode pit, width of which is 1.3 - 1.7 of upper punch diameter and height of which is 40 - 70 mm, is filled with mixture of charge materials of 20 - 50 kg total mass. Electrodes are fed with electrical current and electrical arc is lit through layer of mixture in pit. Table with lower electrode begins to rotate to feed uniformly new portions of powder into pit zone of electrical arc operation. Duration of tungsten production process is 3 - 10 minutes. Speed of table rotation is adjusted depending upon cross-section area of loaded with mixture ring-type pit in pattern electrode. Angular velocity of electrode rotation is adjustable in limits 0.002 - 0.03 rad/s. After melting block of tungsten carbide is cooled, cleaned from unreacted charge, crush in crusher and sieved. EFFECT: method and aggregate for its realization allow to increase productivity. 2 cl, 1 dwg, 3 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству тугоплавких металлов, например карбида вольфрама. The invention relates to metallurgy, in particular to the production of refractory metals, for example tungsten carbide.

Известен способ получения карбида вольфрама, при котором смесь металлического порошка и сажи в прессованном или непрессованном состоянии загружают в графитовых лодочках в графитовые трубчатые печи сопротивления непрерывного действия. A known method of producing tungsten carbide, in which a mixture of metal powder and soot in a pressed or unpressed state is loaded in graphite boats into graphite tube furnaces of continuous resistance.

При изготовлении карбида вольфрама используют в большинстве случаев металлический порошок вольфрама. Порошок подвергают сухому смешению с необходимым количеством сажи в смесительных барабанных или шаровых мельницах. Обычно добавляют 5-10% сажи сверх теоретически необходимого количества. Вследствие большой разности плотности, в частности, это относится к крупнозернистому вольфрамовому порошку, следует следить за тем, чтобы не наступило расслаивание смеси. Смесь металлического порошка и сажи в прессованном или непрессованном состоянии загружают в графитовых лодочках в графитовые трубчатые печи сопротивления непрерывного действия. Более или менее прочно спекшиеся куски карбида дробят в винтовых прессах и дробилках, размалывают в молотковых, вихревых, стержневых или шаровых мельницах и просеивают на виброситах, целью карбидизации является получение продукта с содержанием связанного углерода, близким к теоретическому, и с возможно низким содержанием свободного углерода, кислорода и азота [1]
Данный способ малопроизводителен, трудно получить карбид заданного состава с одинаковой микроструктурой и иметь при этом высокую производительность процесса.In the manufacture of tungsten carbide, in most cases, tungsten metal powder is used. The powder is dry mixed with the required amount of soot in mixing drum or ball mills. Usually 5-10% carbon black is added in excess of the theoretically necessary amount. Due to the large density difference, in particular, this applies to coarse-grained tungsten powder, care should be taken to ensure that the mixture does not delaminate. A mixture of metal powder and soot in a pressed or unpressed state is loaded in graphite boats into graphite tube furnaces of continuous resistance. More or less firmly sintered carbide pieces are crushed in screw presses and crushers, grinded in hammer, vortex, rod or ball mills and sieved on vibrating screens, the purpose of carbidization is to obtain a product with a bound carbon content that is close to theoretical and with a low free carbon content , oxygen and nitrogen [1]
This method is inefficient, it is difficult to obtain carbide of a given composition with the same microstructure and at the same time have a high productivity of the process.

Известен также способ производства порошка карбида в результате экзотермических реакций в канале сопла плазменно-дуговой горелки. Реакционно-способную аэродинамическую массу с высокой теплоемкостью и высокой концентрацией заданных реагентов получают путем подачи в электропроводный столб дуги, горящей в атмосфере инертного газа, по крайней мере одного галогенида металла или металлоида и углеводорода. Изолированное от электрода сопло служит анодом и выполняет одновременно функцию дросселя, инжектора и смесителя. В канале этого сопла, выполненного из вольфрама или графита, сжимают поток ионизированных реагентов с последующей подачей дополнительных реагентов, что необходимо для проведения основной химической реакции получения карбида. Общий объем реагентов составляет ≥20% от суммарного объема реагентов и инертного плазмообразующего газа, стабилизирующего плазменную дугу [2]
Однако при этом трудно получить карбид заданного состава с регулируемой и одинаковой микроструктурой и иметь при этом высокую производительность процесса, так как происходит повышенный вынос готового продукта, усложняется конструкция агрегата и удорожается процесс получения карбида из-за повышенного расхода электроэнергии. Отсутствие высокопроизводительного процесса получения карбидов вольфрама сдерживает широкое применение их в народном хозяйстве.There is also a known method of producing carbide powder as a result of exothermic reactions in the nozzle channel of a plasma-arc torch. A reactive aerodynamic mass with a high heat capacity and a high concentration of predetermined reagents is obtained by feeding at least one metal halide or a metaloid and a hydrocarbon into an electrically conductive column of an arc burning in an inert gas atmosphere. The nozzle isolated from the electrode serves as the anode and simultaneously serves as a throttle, injector and mixer. In the channel of this nozzle made of tungsten or graphite, a stream of ionized reagents is compressed with the subsequent supply of additional reagents, which is necessary for the main chemical reaction to produce carbide. The total volume of reagents is ≥20% of the total volume of reagents and inert plasma-forming gas, stabilizing the plasma arc [2]
However, it is difficult to obtain carbide of a given composition with an adjustable and identical microstructure and at the same time have a high productivity of the process, since there is an increased removal of the finished product, the design of the unit is complicated and the process of producing carbide is more expensive due to increased energy consumption. The lack of a high-performance process for producing tungsten carbides inhibits their widespread use in the national economy.

Цель изобретения повышение качества, увеличение производительности и снижение расхода электроэнергии. The purpose of the invention is improving quality, increasing productivity and reducing power consumption.

Цель достигается тем, что смесь порошков загружают в приемный паз нижнего фигурного электрода и подают ее в зону дуги с регулируемой скоростью вращения электрода. The goal is achieved in that the mixture of powders is loaded into the receiving groove of the lower shaped electrode and fed into the arc zone with an adjustable speed of rotation of the electrode.

Данный способ может быть реализован на установке для производства карбидов тугоплавких металлов, включающей разъемный кожух, состоящий из двух половин, верхний и нижний электроды, системы подвода тока, подачи нейтрального газа и отсоса отработанных газов, в которой нижний электрод выполнен фигурным с кольцевым пазом для загрузки в него смеси и размещен на столе, выполненном с возможностью вращения, а верхний электрод установлен стационарно в верхней половине кожуха над кольцевым пазом, причем нижний торец его входит в последний. This method can be implemented on the installation for the production of carbides of refractory metals, including a detachable casing, consisting of two halves, upper and lower electrodes, a current supply system, a neutral gas supply and exhaust gas suction, in which the lower electrode is made figured with an annular groove for loading mixture into it and placed on a table made with rotation, and the upper electrode is stationary in the upper half of the casing above the annular groove, and the lower end of it enters the last.

На чертеже показана схема установки для производства карбида вольфрама, продольный разрез. The drawing shows a diagram of a plant for the production of tungsten carbide, a longitudinal section.

Установка состоит из водоохлаждаемого стола 1, на котором закреплен нижний электрод 2 фигурного профиля и который приводится во вращение электродвигателем 3 через систему передач. Выше нижнего электрода 2 установлен кольцевой коллектор 4 для подачи через выполненные в нем отверстия азота в зону работы дуги. Нижняя половина 5 кожуха выполнена также водоохлаждаемой, система отсоса отработанных газов через трубопровод 6, закрепленный на нижней половине 5 кожуха, соединена с зоной, в которой происходит реакция образования карбидов металла. Кольцевой паз 7 выполнен в нижнем электроде 2 и предназначен для заполнения смесью из порошка вольфрама и сажи. На нижней половине 5 кожуха установлена верхняя половина 8 кожуха, в которой закреплен верхний электрод 9. Нижний торец верхнего электрода входит в кольцевой паз 7. Токоподводы закрепляются к верхнему и нижнему электродам. The installation consists of a water-cooled table 1, on which a lower electrode 2 of a shaped profile is fixed and which is driven by an electric motor 3 through a transmission system. Above the lower electrode 2, an annular collector 4 is installed for supplying nitrogen through the holes made in it into the arc working zone. The lower half 5 of the casing is also water-cooled, the exhaust gas suction system through a pipe 6 fixed to the lower half 5 of the casing is connected to the zone in which the formation of metal carbides takes place. An annular groove 7 is made in the lower electrode 2 and is intended to be filled with a mixture of tungsten powder and soot. On the lower half 5 of the casing, the upper half 8 of the casing is installed, in which the upper electrode is fixed 9. The lower end of the upper electrode is included in the annular groove 7. Current leads are fixed to the upper and lower electrodes.

Установка для производства карбидов металла работает следующим образом. Installation for the production of metal carbides works as follows.

В качестве шихтовых материалов используют порошок вольфрама и сажу. В паз шириной, равной (1,3-1,7) диаметра верхнего электрода, и высотой 40-70 мм засыпают смесь шихтовых материалов общей массой 20-50 кг. Подают ток на электроды, зажигают дугу через слой смеси, поданной в паз, и начинают вращать стол с нижним электродом 2, подавая равномерно (по заданному режиму) новые порции смеси порошка вольфрама марки ПВТ или ПВН и сажи в зону работы электрической дуги. Длительность процесса получения карбида вольфрама в предложенной опытно-промышленной установке (технологическое время работы электрической дуги) составляет 3-10 мин, водоохлаждаемый стол совместно с нижним электродом за указанное выше время делает 1 оборот вокруг вертикальной оси. Скорость вращения стола регулируют в зависимости от площади сечения загруженного смесью кольцевого паза в фигурном электроде и ее плотности (имеет место, что смесь при засыпке паза утрамбовывают). Угловая скорость вращения электрода регулируется в пределах 0,002-0,03 рад/с. As charge materials, tungsten powder and soot are used. In a groove with a width equal to (1.3-1.7) the diameter of the upper electrode and a height of 40-70 mm, a mixture of charge materials with a total weight of 20-50 kg is poured. They apply current to the electrodes, ignite the arc through the layer of the mixture fed into the groove, and begin to rotate the table with the lower electrode 2, feeding evenly (according to the given mode) new portions of the mixture of tungsten powder of the PVT or PVN grade and soot into the zone of the electric arc. The duration of the process of producing tungsten carbide in the proposed pilot plant (the technological time of the electric arc) is 3-10 minutes, the water-cooled table together with the lower electrode makes 1 revolution around the vertical axis for the above time. The rotation speed of the table is regulated depending on the cross-sectional area of the ring groove loaded in the mixture in the figured electrode and its density (it takes place that the mixture is tamped when filling the groove). The angular speed of rotation of the electrode is adjustable in the range of 0.002-0.03 rad / s.

После плавки полученный блок карбида вольфрама охлаждают, очищают его от непрореагировавшей шихты, затем дробят в щековых, молотковых или валковых дробилках, измельченный полупродукт подают в просевальные станки с установкой в них сеток из нержавеющей стали и различным проходным сечением. After melting, the resulting tungsten carbide block is cooled, it is cleaned of unreacted charge, then crushed in jaw, hammer or roll crushers, the crushed intermediate is fed to sifting machines with stainless steel meshes installed in them and various through sections.

Предложенный способ производства карбида вольфрама и установка для его осуществления позволяют получить карбид вольфрама твердый сплав рэлит марки "3" по ТУ 48-19-279-90. The proposed method for the production of tungsten carbide and the installation for its implementation make it possible to obtain tungsten carbide hard alloy Ralit grade "3" according to TU 48-19-279-90.

Химический состав сплава рэлит марки "3" представлен в табл. 1. The chemical composition of the alloy Relit brand "3" is presented in table. 1.

Гранулометрический состав сплава рэлит марки "3" представлен в табл. 2. The granulometric composition of the Ralit grade “3” alloy is presented in Table. 2.

Микротвердость сплава рэлит "3" находится в пределах 2100-2800 кг/мм² (20580-27440 Мн/м²).The microhardness of the Relit alloy "3" is in the range of 2100-2800 kg / mm ² (20580-27440 Mn / m ² ).

П р и м е р получения карбида вольфрама. Из смеси порошка вольфрама и сажи, взятых в соотношении соответственно (96:4), приготовили смесь. Выплавку карбида вольфрама вели в опытно-промышленной установке. Кольцевой паз высотой 50 мм засыпали смесью порошка вольфрама и сажи. Плавку вели при напряжении 60-70 В и токе 3000-7000 А. Плавка длилась 5 мин, затем полученный карбид вольфрама охлаждали в течение 25-30 мин за счет вдувания в камеру установки азота и охлаждения водой стола и нижнего кожуха. Проплавлению подвергали 44 кг смеси и получили 40 кг карбида вольфрама следующего химического состава, мас. Карбид вольфрама 96,15 Углерод связанный 3,7 Углерод свободный 0,03 Железо, не более 0,12
Микротвердость материала составила 2650 кг/мм². Полученный продукт соответствует категории качества по ТУ 48-19-279-90.PRI me R getting tungsten carbide. A mixture was prepared from a mixture of tungsten powder and carbon black, taken in the ratio (96: 4), respectively. Tungsten carbide was smelted in a pilot plant. An annular groove 50 mm high was covered with a mixture of tungsten powder and soot. Melting was carried out at a voltage of 60-70 V and a current of 3000-7000 A. The melting lasted 5 minutes, then the resulting tungsten carbide was cooled for 25-30 minutes by blowing nitrogen into the chamber and cooling the table and lower casing with water. 44 kg of the mixture were melted and 40 kg of tungsten carbide of the following chemical composition, wt. Tungsten carbide 96.15 Bonded carbon 3.7 Free carbon 0.03 Iron, not more than 0.12
The microhardness of the material was 2650 kg / mm ² . The resulting product meets the quality category according to TU 48-19-279-90.

Технический эффект данного способа и установки для производства карбидов металла заключается в удовлетворении потребности народного хозяйства России и стран СНГ, в частности, карбида вольфрама, который используется для наплавки деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного износа (например, шарошек буровых долот). Данная установка проста в эксплуатации и экономична. The technical effect of this method and installation for the production of metal carbides is to meet the needs of the national economy of Russia and the CIS countries, in particular, tungsten carbide, which is used for surfacing parts operating under conditions of intense abrasive wear (for example, cutter cone bits). This installation is easy to operate and economical.

Каждую партию смеси отдельно загружали в установку и вели процесс как по заявляемому способу (плавки 1, 2, 3), так и по прототипу. Показатели процесса приведены в табл. 3. Each batch of the mixture was separately loaded into the installation and the process was conducted both according to the claimed method (swimming trunks 1, 2, 3), and according to the prototype. Process indicators are given in table. 3.

Предлагаемый способ и установка для производства карбидов вольфрама позволяет получить карбид вольфрама, соответствующий ТУ 48-19-279-90. The proposed method and installation for the production of tungsten carbides allows to obtain tungsten carbide corresponding to TU 48-19-279-90.

Согласно заключению концерна Химнефтемаш "Уралбурмаш" (г. Верхние Серги Свердловской обл.) карбид вольфрама пригоден для армирования буровых долот. При этом производительность процесса по сравнению с базовым возрастет в 2-2,2 раза, а расход электроэнергии снижается на 20-30% According to the conclusion of the Khimneftemash Uralburmash concern (Upper Sergi, Sverdlovsk Region), tungsten carbide is suitable for reinforcing drill bits. At the same time, the productivity of the process compared to the base will increase by 2-2.2 times, and the energy consumption is reduced by 20-30%

Claims

1. A method for the production of carbides of refractory metals, including preparing a reactive mixture of powders of the starting components, loading it into the reaction volume and synthesizing carbide by melting with an electric arc created between two electrodes, with the sequential supply of an additional amount of the mixture to the melting zone, characterized in that as one of the electrodes use a figured element with an annular groove to place the reactive mixture, the mixture of powders is loaded into the groove with the feed in the zones near the arc by rotating this electrode with a speed control.

2. Installation for the production of carbides of refractory metals, including a detachable casing, consisting of upper and lower parts, upper and lower electrodes installed in these parts, a current supply system for initiating an electric arc between the electrodes, a neutral gas supply system and an exhaust gas suction system, characterized in that it is equipped with a table mounted for rotation and placed in the lower part of the casing, the lower electrode is made in the form of a figured element with an annular groove and is installed flax on the table, and the upper electrode is installed above the annular groove and its lower end portion is disposed in the groove.