Алюминиевый сферический порошок высокой дисперсности и способ его получения

Алюминиевый сферический порошок высокой дисперсности и способ его получения

Реферат

Изобретение относится к области порошковой металлургии, конкретно к получению высокодисперсных порошков с повышенными физико-химическими свойствами. Такие порошки находят широкое применение в специальных областях техники, где требуются порошки, обладающие высокой удельной поверхностью, например, в качестве компонента ракетных топлив, в пиротехнике, химии, энергетике, электронике и т.п.

Известны алюминиевые порошки, выпускаемые промышленностью [1, 2], крупностью основной массы частиц от 5 до 1000 мкм. Недостатком таких порошков является их малая дисперсность и, следовательно, недостаточная эффективность использования в быстротекущих процессах горения.

Особый интерес представляют сферические порошки микрометровых размеров с высокой (≥ 0,4 м²/г) удельной поверхностью, которые получают методом распыления расплавов сжатым газом (в основном азотом), содержащим кислород в ограниченном количестве, необходимом лишь для создания пленки оксида алюминия на частицах для защиты их от возгорания при соприкосновении с атмосферой воздуха [3].

Известны алюминиевые порошки, выпускаемые промышленностью, крупностью мельче 30 мкм [4] сферической формы. При этом в распыленном порошке содержится не более 30% фракции с удельной поверхностью 0,4-0,7 м²/г или менее 10% фракции с удельной поверхностью более 0,6 м²/г. Такие порошки в основном обладают сферической формой частиц, обусловленной способом производства.

Такие порошки эффективно используются в топливных составах, увеличивая полноту сгорания, уменьшая двухфазные потери, улучшая физико-механические характеристики и реологические свойства ракетных топлив. Недостатком таких порошков также является недостаточная дисперсность неприемлемая для создания современных высоконаполненных полимерных материалов (ракетных топлив, пиротехнических и газогенерирующих составов).

Известны зависимости между конструктивными параметрами, технологическими режимами, с одной стороны, и результатами распыления и характеристиками получаемых порошков, с другой [1, стр.22-26]. Однако отсутствует стройная математическая модель процесса распыления, позволяющая определить конкретные технологические параметры для получения порошков различного гранулометрического состава.

Известен способ получения металлических порошков распылением расплава сжатым газом с регламентируемыми основными параметрами процесса: давление газа 2-3 МПа, его удельный расход 0,5-0,6 нм³ на 1 кг распыливаемого металла и др. [3]. Недостатком этого способа является низкая дисперсность получаемых порошков, невозможность получения порошков крупностью менее 50 мкм.

Для получения тонких Аl порошков крупностью мельче 10 мкм требуются существенно более высокие температуры расплава и распыливающего газа, значительно более высокое давление и расходы распыливающего газа при одновременно безопасном составе последнего в системе.

Известен способ получения высокодисперсных сферических алюминиевых порошков с удельной поверхностью 0,2-0,3 м²/г распылением сжатым газом расплава, имеющего температуру 750°С. Расход распыливающего газа составляет 600-900 нм³/ч, давление 6 МПа, температура 300-550°С, содержание кислорода 0,01-0,3 об.%, для повышения дисперсности порошков вокруг внешней области струи распыливающего газа формируют дополнительную кольцевую струю нагретого газа.

В качестве прототипа нами выбран порошок и способ его производства по патенту RU 2022715 C1, кл. B 22 F 9/08, опубл. 15.11.1994 [4].

Основным недостатком такого порошка, как отмечено выше, является недостаточная дисперсность, не обеспечивающая требования нового поколения высокоэнергетических топливных композиций, для которых требуются сферические порошки с удельной поверхностью более 0,7 м²/г. Недостатками способа производства являются практическая невозможность получения по указанным в нем технологическим параметрам порошков с удельной поверхностью более 0,7 м²/г, а также большой расход азота.

Ограничение содержания кислорода в распыливающем азоте на уровне 0,01-0,3 об.% приводит к получению тонкой оксидной пленки, недостаточной для уменьшения сил адгезии, агрегатообразования и улучшения сыпучести и других реологических характеристик порошка, что не позволяет осуществить качественное выделение тонких фракций порошка при последующей классификации. Способ характеризуется большими затратами на производство порошков, поскольку при этом производится более 80% нецелевой продукции.

Задачей изобретения является создание алюминиевого сферического порошка с удельной поверхностью более 0,7 м²/г, преимущественно до 0,8 м²/г и способ его получения.

Техническое решение задачи состоит в том, что алюминиевый порошок со сферической формой частиц имеет удельную поверхность не менее 0,7 м²/г при следующем содержании частиц, мас.%:

менее 1,0 мкм......8-12

1-3 мкм............53-77

3-5 мкм............15-38

более 5 мкм............ не более 10%

Алюминиевый порошок со сферической формой частиц получают распылением расплава сжатым газообразным азотом с получением полидисперсного пульверизата, из которого осуществляют выделение порошка классификацией по крупности, распыление расплава осуществляют сжатым газообразным азотом, содержащим 0,1-0,4 об.% кислорода при температуре газа 550-680°С, давлении газа в форсунке 5-6 МПа, расходе газа 600-1200 нм³/ч, а температуру расплава поддерживают в интервале 850-990°С.

Выделение порошка из полидисперсного пульверизата осуществляют многостадийной классификацией.

Непосредственно перед и во время классификации порошка по крупности осуществляют операцию его дезагрегации с образованием пылегазовой смеси.

Для многостадийной классификации порошка из полидисперсного пульверизата используют газово-механические классификаторы типа КВЦ-500 и/или ЖГ-60 с последующей классификацией и осаждением в циклонах (мультициклонах).

Заявляемый алюминиевый сферический порошок с удельной поверхностью не менее 0,7 м²/г отличается от известных более благоприятным сочетанием тонких фракций в интервале крупности частиц мельче 5 мкм. Такое сочетание фракций обеспечивает хорошие реологические свойства порошка и его смесей с другими компонентами, в частности с компонентами ракетных топлив. Повышение содержания частиц крупнее 5 мкм более 10% приводит к снижению физико-механических характеристик высоконаполненных полимерных композиций, а также к нарушению однородности состава порошка при его использовании в электронных схемах и др.

Минимальная температура расплава 850°С и распыливающего газа 550°С обеспечивают достаточную жидкотекучесть расплава и его диспергируемость при распылении, максимальная температура определяется техническими и экономическими обстоятельствами. При температуре расплава более 990°С стойкость обычных, наиболее распространенных огнеупорных материалов недостаточна, возможно загрязнение расплава, прорыв ванны с опасными последствиями.

Содержание кислорода в распыливающем газе 0,1-0,4% обусловлено необходимостью надежной защиты поверхности частиц оксидной пленкой (Al₂O₃), что обеспечивается при содержании кислорода не менее 0,1% и от излишнего окисления частиц и снижения активности алюминия при содержании кислорода более 0,4%.

При этих параметрах оксидная пленка обеспечивает уменьшение сил аутогезии, необходимое для дезагрегации частиц порошка при классификации.

Расход распыливающего газа в пределах 600-1200 нм³/час определен техническими возможностями оборудования и экономическими затратами на реализацию процесса.

Предлагаемый порошок получен в промышленном масштабе по описанному способу на нескольких заводах алюминиевой отрасли, опытные партии испытаны с положительными результатами.

Проведенными исследованиями установлена возможность создания нового поколения высоконаполненных полимерных материалов (ракетные топлива, пиротехнические и газогенерирующие составы, защитные и термостойкие покрытия), содержащих в качестве одного из основных наполнителей сферический алюминиевый порошок с удельной поверхностью (S_уд.) не менее 0,7 м²/г.

Так, при прочих равных условиях применение 20% алюминиевого порошка с удельной поверхностью не менее 0,7 м²/г (содержание частиц размером более 5 мкм не менее 90%) вместо порошка с S_уд.=0,5-0,6 м²/г (содержание частиц размером менее 5 мкм от 15 до 45%) в композициях, содержащих 9% пластифицированного связующего на основе полибутадиенового каучука и 71% кристаллического наполнителя, состоящего из двух фракций размером 150-350 мкм и менее 50 мкм, взятых в соотношении от 70/30 до 50/50, повышает прочность и модуль при растяжении (утвержденных образцов в 1,5-1,8 раза, а относительное удлиннение в 1,4-1,6 раза. При этом вязкость неотвержденных смесей снижается в 1,6-2,5 раза. Достигаемый эффект открывает путь для дальнейшего увеличения энергетического потенциала энергоемких материалов на 2-5% за счет снижения содержания связующего на 1-2%.

Отмеченное благоприятное влияние повышенной дисперсности алюминиевого порошка на уровень технологических и физико-механических характеристик высоконаполненных композиций обусловлено увеличением плотности упаковки при использовании более высокодисперсного алюминия (пористость снижается в 1,5-1,7 раза), а также положительным воздействием его поверхности на формирование структурно-прочностных параметров вулканизата.

Повышение плотности упаковки по мере роста дисперсности алюминиевых порошков существенно сказывается на снижении дефектности сформированных на его основе покрытий различного функционального назначения.

Полученные данные убедительно свидетельствуют о преимуществах предлагаемого сферического алюминиевого порошка с удельной поверхностью не менее 0,7 м²/г, содержащих не менее 90% частиц крупностью не более 5 мкм, для применения в различных областях техники. Существовавшие до предложенного способа промышленные технологические режимы получения сферических алюминиевых порошков методом распыления расплавленного металла не позволяли производить подобную продукцию.

Использованные источники

1. Производство и применение алюминиевых порошков и пудр. М.: Металлургия, 1980, 68 с.

2. ГОСТ 6058-73.

3. Гопиенко В.Г. и др. Спеченные материалы из алюминиевых порошков. М.: Металлургия, 1993, с.18-32.

4. Патент RU 2022715 C1, кл. B 22 F 9/08, опубл. 15.11.1994.

1. Алюминиевый порошок со сферической формой частиц, отличающийся тем, что он имеет удельную поверхность не менее 0,7 м²/г при следующем содержании частиц по массе в %:

менее 1,0 мкм 8-12

1-3 мкм 53-77

3-5 мкм 15-38

более 5 мкм Не более 10

2. Способ получения алюминиевого порошка со сферической формой частиц, включающий распыление расплава сжатым газообразным азотом с получением полидисперсного пульверизата, отличающийся тем, что из полученного полидисперсного пульверизата осуществляют выделение порошка классификацией по крупности, распыление расплава осуществляют сжатым газообразным азотом, содержащим 0,1-0,4 об.% кислорода, при температуре газа 550-680°С, давлении газа в форсунке 5-6 МПа, расходе газа 600-1200 нм³/ч, а температуру расплава поддерживают в интервале 850-990°С.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что выделение порошка из полидисперсного пульверизата осуществляют применением многостадийной классификацией.

4. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что непосредственно перед и во время классификации порошка по крупности осуществляют операцию его дезагрегации с образованием пылегазовой смеси.