Способ получения сфероидизированных полидисперсных порошков

Способ получения сфероидизированных полидисперсных порошков

Реферат

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к технологии производства неорганических мелкодисперсных наполнителей, которые могут быть использованы в различных отраслях техники.

Сфероидизированные полидисперсные порошки являются материалами, которые в настоящее время имеют большую востребованность, благодаря их уникальным свойствам обеспечивать улучшение физических параметров материалов и устройств, в которых они применяются в качестве наполнителей, защитного покрытия и др.

Мелкодисперсные наполнители в виде микрошариков-микросфер получают, в частности, путем низкотемпературной электроплазменной обработки дисперсных тугоплавких материалов.

Из уровня техники известны способы изготовления стеклянных микрошариков и других сфероидизированных порошков, полученных из тугоплавких материалов. За последние два десятилетия запатентовано значительное количество изобретений, в том числе отечественных, на способы электроплазменной обработки тугоплавких порошковых материалов, преимущественно неорганических веществ, с целью их сфероидизации.

В патенте РФ №847647, опубликованном 27.11.2005 по индексу МПК С03В 19/10, заявлен способ изготовления стекломикрошариков, изготовленных из гранул кварцевой крупки, включающий предварительную промывку и последующее прокаливание гранул в факеле низкотемпературной плазмы при температуре 900-2600°С до сфероидизации.

В патенте РФ №2081858, опубликованном 20.06.1997 по индексу МПК С03В 19/10, заявлен способ получения стеклянных микрошариков, используемых в качестве мелкодисперсных наполнителей пластмасс в химической промышленности, для струйно-абразивной обработки металлоизделий в машиностроении и других отраслях промышленности. Способ заключается в подготовке микропорошков стекла путем совмещения процессов измельчения исходного стеклогранулята и классификации порошков стекла. Подготовленный микропорошок подают в печь формования с помощью предварительно нагретого сжатого воздуха. Формование микрошариков осуществляют в газопламенном потоке. Отформованные микрошарики охлаждают и подвергают дополнительной двухступенчатой классификации по размерам.

В патенте РФ №2233808, опубликованном 20.03.2004 по индексу МПК С03В 19/10, описан способ изготовления стеклянных шариков, цельных и пустотелых для фильтров различного назначения. Способ включает измельчение исходного сырья, предварительную термическую обработку измельченного стеклопорошка в газопламенном потоке при температуре 500-900°С, его классификацию для отделения оплавленных частиц от продуктов сгорания, разделение по размерным группам и удаления стеклянной пыли, термическое формование стеклошариков в печи при огневом потоке 1000-1400°С, последующее охлаждение и классификацию по размерным группам.

Данный способ относится конкретно к технологии изготовления стеклошариков и также, как и предыдущие аналоги, включает предварительную обработку сырья для получения заявленного результата - получение определенных фракций, характеризующихся размерами составляющих частиц продукции.

В патенте РФ №2301202, опубликованном 20.02.2007 по индексу МПК С03В 19/10, заявлен способ изготовления стеклянных шариков или микросфер, как цельных, так и пустотелых, предназначенных для изготовления теплозащитных химически стойких облегченных материалов и сферопластиков. Способ включает измельчение исходного сырья, подачу его в печь, предварительную термическую обработку и классификацию по размерным группам, подачу стеклянного порошка в печь, термическое формование стеклянных шариков или микросфер раздельно по каждой группе стеклопорошка, их охлаждение и отделение от продуктов сгорания.

Данный способ предполагает использование большой совокупности довольно габаритных устройств.

В приведенных выше аналогах защищены способы получения стеклянных микрошариков, в которых большое внимание уделяется операциям предварительной обработки исходного сырья. Такие операции представляют собой в совокупности процесс значительной трудоемкости с использованием для этой цели габаритных установок. К тому же операции очистки и размельчения сырья сопровождаются загрязнением окружающей атмосферы, хотя и предусматривает использование пылеуловителей и других приспособлений, но это полностью не решает задачу экологической чистоты производства.

В патенте РФ №2133172, опубликованном 20.07.1999 по индексу МПК B22F 9/02, заявлен способ переработки металлических отходов, в частности стружки, где применяется размол исходного сырья в шаровой мельнице, который вводят в плазменную струю в количестве 7-10 кг/ч и обрабатывают в потоке низкотемпературной плазмы при подаваемом токе 300-600 А. Данным способом получают гранулированный порошок, который разделяют на фракции по размеру. Здесь тоже требуется подготовка исходного сырья, а также присутствует существенное ограничение по весу обрабатываемого материала.

В патенте BY №9772, опубликованном 30.10.2007 по индексу МПК B22F 9/02, описан способ получения сфероидизированных полидисперсных керамических порошков, который включает гранулирование и обработку исходного материала в плазменном потоке. В качестве исходного материала используют конгломераты из керамических порошков дисперсностью не более 200 мкм, которые подают в плазму со скоростью 200-400 г/ч при мощности плазменной струи 56-80 кВА.

Данное техническое решение относится к области порошковой металлургии. В способе предполагается возможность использования сырья в виде керамических, металлокерамических порошков, в том числе и отходов производства твердых материалов, например абразивного производства.

Патент BY №9772 выбран в качестве прототипа нового изобретения, как наиболее близкий по назначению и решению задачи получения полидисперсных порошков с высокой степенью сфероидизации.

Однако в прототипе ограничено применение по виду исходного материала в виде конгломератов керамических порошков дисперсностью не более 200 мкм. Способ характерен большим количеством подготовительных операций исходного материала, которые трудоемки и требуют соответствующего оборудования. Производительность процесса довольно низкая. Экономические показатели производства изначально зависят от применяемого сырья, которое в данном случае весьма недешево, так как цена отходов керамики значительно выше, чем, например, цена минерального сырья. Диапазон классификации полученного продукта узкий, т.к. связан только с размерностью полученных частиц массы продукта.

Задачей настоящего изобретения является расширение диапазона дисперсности исходного сырья, упрощение технологического процесса, увеличение производительности, расширение диапазона классификации полученного продукта и повышение экономических показателей в целом.

Технический результат достигается за счет подбора и использования доступного недорогого минерального сырья, в том числе в виде отходов других производств, увеличения объема и массы обрабатываемого в плазматроне материала, обеспечения возможности классифицирования полученных частиц по множеству различных параметров.

Поставленная задача решается в способе получения сфероидизированных полидисперсных порошков, включающем загрузку исходного сырья в виде компонентов неорганических порошков в камеру плазмотрона, обработку исходного сырья в плазменном потоке до получения сфероидизированных частиц, их последующее охлаждение и выгрузку полученного продукта, в котором, в отличие от прототипа, в качестве исходного сырья используют порошки минералогического состава дисперсностью до 1 мм, в том числе с содержанием органических включений, обработку в плазменном потоке производят при мощности 100 кВА, на выходе плазмотрона охлажденный продукт в виде микрошариков классифицируют по заданным свойствам для последующего использования.

Минералогический состав может представлять собой смесь компонентов, например, стекломуки с минеральным фракционированным порошком и/или порошком композитов.

Минералогический состав может представлять собой оксиды, добываемые из песков и другого минерального сырья.

Минералогический состав может представлять собой отходы пескоструйной обработки, дробеструйной обработки, водно-абразивной резки, прошедшие очистку от крупных примесей.

Классифицирование полученного охлажденного продукта в зависимости от задач его последующего использования осуществляют по размеру, удельному весу, магнитным свойствам, сыпучести, гидрофильности, гидрофобности, трибологическим и оптическим свойствам.

Загрузку сырья возможно осуществлять в различных количествах, предпочтительно от 1 до 150 кг/ч в зависимости от вида обрабатываемого сырья.

Для осуществления данного способа применим высокочастотный плазмотрон мощностью от 20 до 100 кВА, предпочтительно 80-100 кВА, который обеспечивает процесс расплавления тугоплавких материалов с образованием микрочастиц сферической формы обрабатываемых составов. При этом температура плазмы находится в диапазоне 8000-10500°С и имеет постоянное значение в зависимости от плазмообразующего газа.

Отличительные признаки заявляемого способа обеспечивают расширенный диапазон полидисперсности за счет применения доступного минерального сырья, представляющего собой широкий класс тугоплавких материалов, которые в виде микрошариков в больших масштабах могут быть затребованы в различных отраслях. Использование широкого класса отходов различных производств, включая абразивные, строительные, металлургические, химические, отходы горнодобывающей промышленности, позволяет удешевить производство микрошариков за счет цены сырья, а также за счет исключения подготовительных операций обработки сырья, которые применяются в известных способах.

Причем в качестве исходного сырья могут быть различные смеси минеральных компонентов по составам и фракциям. Наиболее распространенным видом минерального сырья являются оксиды, которые находят максимальное применение в виде сфероидизированных микрочастиц.

Исключение подготовительных операций обработки сырья обеспечивает чистое производство. Классифицирование микрошариков на выходе уже не создает лишних загрязнений, тем более в том количестве, которое присутствует в аналогах и в прототипе.

В предлагаемом способе расширен диапазон первичных фракций сырья до 1 мм, т.к. процесс плазменной обработки в заявленном режиме обеспечивает обработку сырья, состоящего из частиц от самых минимальных размеров до 1 мм.

Особенное значение в новом способе уделяется процессу классификации выходного продукта. Виды классификации в зависимости от задачи получения микрошариков из конкретного материала, их последующего использования, назначения, могут быть различными:

- по размеру,

- по удельному весу,

- по магнитным свойствам,

- по свойству текучести - сыпучести,

- по гидрофильно-гидрофобным свойствам,

- по трибологическим свойствам (особенности по трению и износу),

- по оптическим свойствам.

Все операции классификации на выходе плазмотрона охлажденного готового продукта являются достаточно чистым производством.

В результате предложенный способ позволяет получать широкий спектр различных материалов. При этом производительность процесса достаточно высокая и составляет 60-80% выхода годного в зависимости от используемого сырья, а при обработке сырья, прошедшего предварительную очистку, может составлять 96-98%.

Пример конкретной реализации №1. Исходное сырье в виде мелкодисперсной шихты оксида алюминия, имеющей средний размер фракций 80 мкм и более в количестве 50 кг загружают в высокочастотный плазмотрон типа ВЧ-П/50, в его входную емкость - дозатор. Данный плазмотрон имеет следующие параметры источника питания: ток анода Ia - 1,5-3,0 А, ток сетки Ig - 8,5-10 А, анодное напряжение Ua - 8,5-11 кВ. Температура плазмы - 1000°С. Режим плазменной обработки непрерывный. Время сфероидизации частиц, пролетающих сквозь плазму, составляет 1-5 микросекунд. Обработка всего объема загруженного сырья происходит в течение 2-2,5 часов.

Охлаждение сфероидизированных частиц происходит естественным путем в реакторной камере плазмотрона в ее охлажденной выводной части.

На выходе плазмотрона охлажденные микрошарики попадают в приемную емкость, после чего их взвешивают. В результате получили 49,3 кг микрошариков оксида алюминия, что составило ~ 98% выхода годного. Микрошарики классифицировали по размерам частиц, что показало наличие фракций от 20 до 80 мкм примерно равных количеств по весу.

В таблице приведены данные по реализации способа изготовления сфероидизированных порошков из различных исходных материалов минералогического состава.

Таблица
При-мер№	Вид исходного сырья	Количество обрабатываемого исходного сырья; размер фракций	Режим обработки	Выход годного продукта	Вид классифицикации полученного продукта
1	Al2O3	10 кг	Ua - 10 кВ	9,385 кг	По размеру, ситовым способом
Фракции 100-300 мкм	Ia - 10 А
Ig - 2,7 A
2	Смесь:	Всего - 10 кг	Ua - 10 кВ	Всего:	1/ по размеру;
Стекломука;	5 кг	Ia - 10 А	8,79 кг	2/ по магнитным свойствам;
более 100 мкм	Стекло - 4,31 кг
Ig - 2,9 A	3/ по оптическим свойствам;
Отходы абразивного граната	5 кг	Гранат - 4,48 кг
100-300 мкм
4/ по удельному весу
3	Смесь:	Всего - 10 кг	Ua - 10 кВ	Всего:	1/ по магнитным свойствам;
Порошок магнетита;	5 кг; до 600 мкм	Ia - 10 A	8,78 кг
Магнетит - 3,85 кг	2/ по размеру;
Ig - 2,7 A	3/ по трибологическим свойствам
Стекломука	5 кг; до 600 мкм	Стекло - 4,93 кг
4	Смесь:	Всего - 8 кг	Ua - 10 кВ	Всего:	1/ по размеру;
Стекломука;	5 кг; 30-80 мкм	Ia - 10 A	6,96 кг	2/ по магнитным свойствам;
Отходы абразивного граната, прошедшие очистку - рециклинг	3 кг	Ig - 2,85 A	Стекло - 4,01 кг	3/ по удельному весу;
100-200 мкм
4/ по сыпучести;
Гранат - 2,95 кг	5/ по оптическим свойствам
5	Смесь оксидов из песков 4-х месторождений;	Всего 50 кг	Ua - 10 кВ	Всего:	1/ по размеру
40 кг оксидов	Ia - 9,5 A	44,71 кг	2/ по гидрофильности
100-600 мкм	Ig - 2,4 A	Оксиды - 35,7 кг	3/ по гидрофобности;
4/ по сыпучести
Стекломука	10 кг стекломуки	Стекло - 9,01 кг
До 160 мкм

В таблице приведены примеры получения микрошариков из различного исходного сырья, которое в зависимости от производственных нужд может использоваться в виде различных вариантов смесей.

Следует отметить, что применение стекломуки в отдельных случаях улучшает сыпучесть смеси, в которой она присутствует.

При классифицировании продукта по оптическим свойствам, как правило, определяют коэффициенты отражения и преломления материала.

При классифицировании продукта по удельному весу применяют воздушный гравитационный классификатор или его аналог.

1. Способ получения сфероидизированных полидисперсных порошков, включающий загрузку исходного сырья в виде компонентов неорганических порошков в камеру плазмотрона, обработку исходного сырья в плазменном потоке до получения сфероидизированных частиц, их последующее охлаждение и выгрузку полученного продукта, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья используют порошки минералогического состава дисперсностью до 1 мм, в том числе с содержанием органических включений, обработку в плазменном потоке производят при мощности 100 кВА, на выходе плазмотрона охлажденный продукт в виде микрошариков классифицируют по заданным свойствам для последующего использования.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что минералогический состав представляет собой смесь компонентов, например стекломуки с минеральным фракционированным порошком и/или порошком композитов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что минералогический состав представляет собой оксиды, добываемые из песков и другого минерального сырья.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что минералогический состав представляет собой отходы пескоструйной обработки, дробеструйной обработки, водноабразивной резки, прошедшие очистку от крупных примесей.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что классифицирование полученного охлажденного продукта осуществляют по размеру, удельному весу, магнитным свойствам, сыпучести, гидрофильности, гидрофобности, трибологическим и оптическим свойствам.