RU2032498C1

RU2032498C1 - Spheric granule production technique

Info

Publication number: RU2032498C1
Application number: RU92011831A
Authority: RU
Inventors: В.Б. Анкудинов; Ю.А. Марухин
Original assignee: Московский энергетический институт
Priority date: 1992-12-14
Filing date: 1992-12-14
Publication date: 1995-04-10

Abstract

FIELD: chemistry, agriculture. SUBSTANCE: granules are obtained by dispersing the jet of melt as a result of its regular disturbance. For this purpose a laminar jet is formed. Excitation system 3 is used for disturbing the jet and making it turn into equal size drops. The optimal temperature for cooling in heat exchange chamber 5 is set up by temperature regulator 6. Granules obtained are gathered in separator container 7. After reaching the steady state of generation, the jet speed and the cooling medium temperature are stabilized. The length of trajectory of granules is calculated by the following formula: l > w(τ₁+τ₂), where w - speed of granules, τ₁ crystallization time, τ₂ time taken by granules to be cooled to crystallization temperature 0.5 T. EFFECT: higher efficiency and reliability. 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу производства монодисперсных сферических гранул металла путем вынужденного капиллярного распада струи расплава. The invention relates to powder metallurgy, in particular to a method for the production of monodisperse spherical granules of metal by forced capillary decomposition of a jet of melt.

Известен способ получения гранул металла путем вынужденного капиллярного распада струи расплава под действием регулярных возмущений. По этому способу работает устройство [1] Основным недостатком способа является то, что не учитываются тепловые характеристики процесса, что влечет за собой низкое качество получаемых гранул по уровню сферичности и монодисперсности. A known method of producing granules of metal by forced capillary decomposition of a jet of melt under the action of regular disturbances. According to this method, the device [1] works. The main disadvantage of the method is that the thermal characteristics of the process are not taken into account, which entails the low quality of the obtained granules in terms of sphericity and monodispersity.

Наиболее близким является способ получения сферических гранул [2] В основе способа лежит эффект вынужденного капиллярного распада струи расплава. Образовавшиеся после распада струи капли одинакового размера, охлаждаются в оптимальном режиме инертным газом, заполняющим пролетную камеру. Затем гранулы попадают в емкость, заполненную разделительной жидкостью, где происходит их накопление и окончательное охлаждение. Этот способ обладает недостатком, связанным с низким качеством гранул, поскольку из разделительной жидкости происходит выделение пара и растворенного кислорода, что снижает стабильность процесса. The closest is the method of producing spherical granules [2] The method is based on the effect of forced capillary decomposition of the melt jet. Droplets of the same size formed after the decay of the jet are cooled in the optimal mode by an inert gas filling the transit chamber. Then the granules fall into a container filled with a separation liquid, where they accumulate and finally cool. This method has the disadvantage associated with the low quality of the granules, since steam and dissolved oxygen are released from the separation liquid, which reduces the stability of the process.

Техническое решение задачи направлено на повышение качества гранул. The technical solution to the problem is aimed at improving the quality of the granules.

Это достигается тем, что в способе получения сферических гранул, включающем диспергирование струи расплава под действием регулярных возмущений при оптимальной температуре охлаждающей среды и сбор гранул в выходной части теплообменной камеры, сбор гранул осуществляют после выхода на стационарный режим генерации, при этом длину пролета гранул выбирают из соотношения
l>W(τ₁+τ₂), где W

скорость гранул, d диаметр гранул, ρ₁ плотность материала гранул, g ускорение свободного падения, C_f коэффициент аэродинамического сопротивления шара, ρ₂ плотность охлаж- дающей среды, τ₁=

время кристаллизации капли, r теплота плавления, α коэффициент теплоотдачи, Т_к температура кристаллизации, Т температура охлаждающей среды, τ₂=

ln

время охлаждения гранул до температуры равной 0,5 Тк, С_р теплоемкость материала гранул.This is achieved by the fact that in the method for producing spherical granules, which includes dispersing the melt jet under the action of regular perturbations at the optimum temperature of the cooling medium and collecting granules in the output part of the heat exchange chamber, the granules are collected after reaching the stationary generation mode, and the granule span is selected from the ratio
l> W (τ ₁ + τ ₂ ), where W

granule velocity, d granule diameter, ρ ₁ granule material density, g gravitational acceleration, C _f ball drag coefficient, ρ ₂ density of the cooling medium, τ ₁ =

crystallization time of a droplet, r heat of fusion, α heat transfer coefficient, Т _к crystallization temperature, Т temperature of a cooling medium, τ ₂ =

ln

the cooling time of the granules to a temperature of 0.5 Tc, C _{p the} heat capacity of the material of the granules.

На фиг. 1 изображено устройство, реализующее предлагаемый способ; на фиг. 2 гранулы, полученные при значении длины теплообменной камеры ниже предельной; на фиг. 3 гранулы, полученные при значении длины теплообменной камеры, находящейся в расчетном диапазоне. In FIG. 1 shows a device that implements the proposed method; in FIG. 2 granules obtained when the length of the heat exchange chamber is below the limit; in FIG. 3 granules obtained with the value of the length of the heat exchange chamber, which is in the calculated range.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит нагреваемый тигель с расплавом 1 и закрепленную на его дне фильеру 2, систему возбуждения струи 3, систему поддавливания расплава 4, теплообменную камеру 5, регулятор температуры охлаждающей среды 6 и сепаратор гранул 7. A device that implements the proposed method contains a heated crucible with a melt 1 and a die 2 fixed on its bottom, a jet 3 excitation system, a melt suppression system 4, a heat transfer chamber 5, a temperature regulator of the cooling medium 6, and a pellet separator 7.

Устройство работает следующим образом. Производится расплав слитков металла, подлежащих гранулированию. Затем при помощи системы поддавливания расплава 4 формируется ламинарная струя расплава. Возбуждение струи и распад ее на капли одинакового размера производится системой возбуждения 3. Затем регулятором температуры 6 устанавливают оптимальное значение температуры охлаждающей среды в теплообменной камере 5. Сбор гранул в период пуска гранулятора осуществляется во вспомогательную емкость сепаратора 7. После установления стационарного режима генерации (т.е. происходит стабилизация всех режимных параметров, как например, скорость струи, температура охлаждающей среды и т.д.) производится заполнение основной емкости сепаратора. Следует отметить, что для сепарации гранул могут использоваться различные методы. В частности, может быть использован метод зарядки образующихся капель и отклонения их в электрическом поле, метод аэродинамической сепарации. The device operates as follows. The metal ingots to be granulated are molten. Then, using the melt suppression system 4, a laminar stream of the melt is formed. The jet is excited and disintegrated into droplets of the same size by the excitation system 3. Then, the temperature regulator 6 sets the optimum temperature of the cooling medium in the heat transfer chamber 5. The granules are collected during the start-up of the granulator in the auxiliary capacity of the separator 7. After the stationary generation mode has been established (i.e. e. all mode parameters are stabilized, such as jet velocity, coolant temperature, etc.) the main separator tank is filled. It should be noted that various methods can be used to separate the granules. In particular, the method of charging the formed droplets and their deflection in the electric field, the aerodynamic separation method, can be used.

В устройстве, реализующем предлагаемый способ гранулирования емкость, для сбора гранул заполнена инертным газом. В этом случае наблюдается высокий уровень устойчивости генерации капель и отпадает необходимость в очистке гранул от следов охлаждающей жидкости и последующей их просушки, как это было в способе прототипе. Однако, поскольку теплоотдача в газовой среде, которой заполнена теплообменная камера и емкости сбора гранул существенно ниже, чем в жидкости, то существует опасность диффузионной сварки гранул. Опыт показывает, что если температура гранул, попадающих в сборник гранул находится в диапазоне Т>0,5 Т_к (Т_к температура кристаллизации), то между гранулами возникает диффузионное взаимодействие (см. фиг. 2) и получить из образующихся конгломератов отдельные гранулы является затруднительной задачей. Поэтому в устройстве, реализующем предлагаемый способ, длина теплообменной камеры должна обеспечивать охлаждение гранул до уровня температуры Т<0,5 Т_к, т.е. должно выполняться соотношение
l>l_пред= W(τ₁+τ₂), (1) где W скорость падения гранул в теплообменной камере;
τ₁ время, за которое от капли отводится тепло кристаллизации;
τ₂ время охлаждения гранулы от Т_к до 0,5 Тк.In a device that implements the proposed method of granulation, the container for collecting granules is filled with an inert gas. In this case, there is a high level of stability of droplet generation and there is no need to clean the granules from traces of coolant and then dry them, as was the case with the prototype method. However, since the heat transfer in the gas medium with which the heat exchange chamber is filled and the capacity for collecting granules is significantly lower than in liquids, there is a danger of diffusion welding of granules. Experience shows that if the temperature of the granules entering the pellet collector is in the range T> 0.5 T _c (T _c is the crystallization temperature), then diffusion interaction occurs between the granules (see Fig. 2) and individual granules are obtained from the conglomerates formed a daunting task. Therefore, in a device that implements the proposed method, the length of the heat exchange chamber should provide cooling of the granules to a temperature level of T <0.5 T _to , i.e. the relation must be fulfilled
l> l _pre = W (τ ₁ + τ ₂ ), (1) where W is the rate of fall of the granules in the heat exchange chamber;
τ _{1 is the} time during which crystallization heat is removed from the droplet;
τ ₂ granule cooling time from T _to 0.5 Tk.

Временем охлаждения от температуры расплава в тигле до температуры кристаллизации пренебрегаем, поскольку начальная температура струи близка к точке плавления (перегрев не превышает 50 К). Скорость падения гранул можно определить из условия равенства сил веса и аэродинамического сопротивления по соотношению
W

где d диаметр гранул, ρ₁ плотность материала гранул, g ускорение свободного падения, С_f коэффициент сопротивления шара, ρ₂ плотность охлаждающей среды. Как показали оценки, погрешность, связанная с тем, что в действительности скорость капель меняется от начального значения до равновесного за определенный период времени является несущественной, поскольку этот период значительно меньше, чем время охлаждения и кристаллизации капли.The cooling time from the melt temperature in the crucible to the crystallization temperature is neglected, since the initial temperature of the jet is close to the melting point (overheating does not exceed 50 K). The rate of fall of the granules can be determined from the condition of equality of the forces of weight and aerodynamic drag by the ratio
W

where d is the diameter of the granules, ρ _{1 is the} density of the material of the granules, g is the acceleration of gravity, C _{f is the} coefficient of resistance of the ball, ρ _{2 is the} density of the cooling medium. According to estimates, the error associated with the fact that in fact the droplet velocity varies from the initial value to the equilibrium value for a certain period of time is insignificant, since this period is much shorter than the time of cooling and crystallization of the droplet.

Время кристаллизации определяется из условия теплового баланса капли по формуле
τ₁=

где r теплота кристаллизации, α коэффициент теплоотдачи,
Т температура охлаждающей среды.The crystallization time is determined from the condition of the thermal balance of the drop by the formula
τ ₁ =

where r is the heat of crystallization, α is the heat transfer coefficient,
T is the temperature of the cooling medium.

Время охлаждения гранулы до температуры Т=0,5 Т_к определяется соотношением
τ₂=

ln

где С_р теплоемкость материала гранул.The cooling time of the granules to a temperature of T = 0.5 T _to is determined by the ratio
τ ₂ =

ln

where C _{p the} heat capacity of the material of the granules.

Данные по технологии получения гранул из свинца диаметром 150 мкм сведены в таблицу. В таблице приводятся: диаметр фильеры Д₁; диаметр гранул Д₂; температура металла в тигле Т₁; избыточное давление газа в тигле Р₁; температура охлаждающей среды (в данном случае использовался технический азот) Т; начальная скорость капель W₁; равновесная скорость капель W₂; предельная длина теплообменной камеры l_пред.Data on the technology for producing granules from lead with a diameter of 150 μm are summarized in the table. The table shows: the diameter of the die D ₁ ; the diameter of the granules D ₂ ; the temperature of the metal in the crucible T ₁ ; excess gas pressure in the crucible P ₁ ; temperature of the cooling medium (technical nitrogen was used in this case) T; initial droplet speed W ₁ ; equilibrium droplet velocity W ₂ ; limit length of heat exchanger chamber l _pred .

Следует отметить, что верхнего предела у длины теплообменной камеры не существует, поскольку после полной кристаллизации гранулы и охлаждения до температуры Т<0,5 Т_к они могут как угодно долго падать в камере при равновесной скорости. Как показала практика длина теплообменной камеры l= 2l_пред с достаточным запасом обеспечивает условие затухания диффузионных процессов между гранулами.It should be noted that the upper limit on the length of the heat exchange chamber does not exist, because after complete crystallization of the granules and cooling to a temperature T <0.5 T _, they can fall in the chamber as long as they like at equilibrium speed. As practice has shown, the length of the heat exchange chamber l = 2l _before with a sufficient margin provides the condition for the attenuation of diffusion processes between the granules.

Claims

METHOD FOR PRODUCING SPHERICAL GRANULES, including dispersion of the melt jet under the action of regular disturbances at the optimum temperature of the cooling medium and collecting granules in the output part of the heat exchange chamber, characterized in that the granules are collected after reaching the stationary generation mode, and the granule span length l is set by the ratio
l> W (τ ₁ + τ ₂ ),
Where

pellet speed;
d is the diameter of the granules;
ρ _{1 is the} density of the material of the granules;
g acceleration of gravity;
C _f aerodynamic drag coefficient of the ball;
ρ ₂ density of the cooling medium;

pellet crystallization time;
r heat of fusion;
α heat transfer coefficient;
T _to crystallization temperature;
T is the temperature of the cooling medium;

the cooling time of the granules to a temperature equal to 0.5 · T _to ;
C _{p the} heat capacity of the material of the granules.