Установка для получения высокодисперсных порошков металлов, сплавов и их химических соединений методом электрического взрыва проволоки
Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к получению порошков металлов, сплавов и их химических соединений методом электрического взрыва проволоки для использования в производстве металлических, металлокерамических, керамических, композиционных и др. материалов и изделий с характерным размером частиц или зерна около или менее 100 нм. Технический результат - повышение надежности и производительности установки, а также повышение качества порошка. Установка содержит источник питания, емкостной накопитель энергии, реактор для взрыва проволоки с высоковольтным и заземленным электродами, управляемый коммутатор энергии емкостного накопителя, механизм подачи проволоки, систему сбора порошка. В качестве управляемого коммутатора используется трехэлектродный разрядник, низковольтный электрод которого соединен электрически с высоковольтным электродом реактора через проходной изолятор и заземлен через резистор. Высоковольтный электрод соединен электрически с емкостным накопителем и верхним плечом делителя напряжения, а управляющий электрод соединен с блоком формирования поджигающих импульсов и нижним плечом делителя зарядного напряжения. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к получению порошков металлов, сплавов и их химических соединений методом электрического взрыва проволоки для использования в производстве металлических, металлокерамических, керамических, композиционных и др. материалов и изделий с характерным размером частиц или зерна около или менее 100 нм - наноматериалов.
Известна установка для получения высокодисперсных порошков неорганических материалов электрическим взрывом и реактор для взрыва металлической заготовки [1], содержащая источник питания электроэнергией с емкостным накопителем, реактор для взрыва металлической заготовки с двумя электродами и механизмом подачи проволоки, в которой использован двухэлектродный коммутатор, один из электродов которого (низковольтный) соединен с электродом (высоковольтным) реактора и соединен с нижним плечом делителя зарядного напряжения емкостного накопителя. Коммутация разрядника происходит при пробое уменьшающегося промежутка между подаваемой на взрыв проволокой и высоковольтным электродом реактора. Кроме того, проволока подается в реактор в виде спирали. К недостаткам этой установки относятся: 1. Постоянное присутствие напряжения на высоковольтном электроде приводит к интенсивному осаждению порошка на поверхности изолятора этого электрода и, следовательно, к частым пробоям изолятора при получении металлических порошков. 2. Включение в контур протекания тока дополнительного искрового промежутка с высокой неоднородностью поля (острие - плоскость), между высоковольтным электродом реактора и концом подаваемой проволоки, в присутствии напряжения приводит к тому, что этот промежуток оказывается достаточно большим. Это вызывает снижение эффективности использования запасенной в накопителе энергии. 3. При взрыве проволоки в виде спирали происходит дополнительное укрупнение порошка за счет более медленного падения концентрации пара во внутренней области спирали и, следовательно, большего времени для коалесценции образующихся частиц. Наиболее близкой по технической сущности является установка для получения ультрадисперсных порошков металлов, сплавов и химических соединений методом электрического взрыва проволоки, содержащей источник питания электроэнергией с емкостным накопителем, систему коммутации, реактор для взрыва проволоки с высоковольтным и заземленным электродами, механизм подачи с узлом деформации проволоки, выполненным в виде колец или свободно вращающихся роликов с направляющей канавкой, укрепленных в обойме, совершающей вращательное движение вокруг оси протяжки проволоки, с помощью стержней для перемещения колец или роликов на заданное расстояние от оси вращения обоймы, систему газообеспечения и систему сбора порошка, включающую вентилятор, циклон и электрофильтр с бункерами для сбора порошка, а также классификатор порошка отбойно-вихревого типа с усеченным конусом [2]. К недостаткам этой установки относятся: 1. В качестве управляемого коммутатора энергии емкостного накопителя используется тригатрон. Так как площадь управляющего электрода в нем относительно мала, он быстро изнашивается за счет эрозии и это вызывает необходимость его частой замены; за счет емкостной связи (через проходную емкость разрядника) на высоковольтном электроде реактора все еще присутствует некоторое напряжение, что ухудшает условия работы изолятора. 2. Для формирования импульса управления блоком формирования импульса запуска коммутатора используется один из роликов, подающих проволоку в реактор. При проскальзывании проволоки в контакте между подающими роликами нарушается синхронность между запуском разрядника и подачей в реактор проволоки нужной длины, что приводит иногда к сбоям и необходимости остановки установки. 3. Классификатор имеет малый ресурс работы из-за проникновения тонкого порошка в подшипники и выходу их из строя. 4. Отсутствие в установке датчика кислорода, управляющего приводом натекателя и мановакууметра, приводит к тому, что при получении порошков нельзя работать на установке при оптимальных характеристиках рабочего газа или смесей газов. При получении порошков металлов нет информации о содержании кислорода в рабочем нейтральном газе, кроме того, оператор должен поддерживать ручным управлением рабочее давление в случае его изменения. При получении же оксидов необходимо ручным управлением поддерживать требуемое парциальное давление кислорода, т.к. он срабатывается в химической реакции. Все это ухудшает качество получаемого порошка и не позволяет перевести установку в автоматический режим работы. 5. Поперечная продувка реактора приводит к тому, что в его объеме возникают "мертвые" зоны, в которых полученные частицы не удаляются полностью между взрывами и являются готовыми центрами конденсации для паров в следующем взрыве. Это приводит или к укрупнению порошка, или к необходимости снижения частоты взрывов, т.е. производительности. 6. Распределение по размерам частиц, получаемых при электрическом взрыве, достаточно широкое, от единиц до сотен нанометров, что для ряда случаев использования порошков неприемлемо. Применение же одного циклона и электрофильтра позволяет разделить порошок не более чем на две фракции. 7. При взрыве за счет возникающего импульса давления образующиеся частицы летят не только по потоку рабочего газа, создаваемого вентилятором, но и по входному трубопроводу, достигая турбины вентилятора и даже электрофильтра, что приводит к ухудшению качества порошка в электрофильтре и необходимости регулярной очистки турбины вентилятора. 8. При получении металлических порошков, для облегчения последующей работы с ними, их транспортировки и хранения необходимо закрывать их нейтральным жидким консервантом, что не предусмотрено в конструкции установки. Отмеченные недостатки приводят к снижению надежности и производительности установки, ухудшению качества порошка и уменьшению номенклатуры получаемых порошков. Техническим результатом от использования изобретения является повышение надежности установки, ее производительности, качества получаемого порошка и расширение номенклатуры получаемых порошков. Технический результат достигается тем, что в установке для получения ультрадисперсных порошков металлов, сплавов и химических соединений методом электрического взрыва проволоки, содержащей источник питания, электрически соединенный с емкостным накопителем энергии, реактор для взрыва проволоки с высоковольтным изолированным от корпуса реактора электродом, управляемый коммутатор, механизм подачи проволоки с узлом ее выпрямления в виде колец или свободно вращающихся роликов с направляющей канавкой, укрепленных в обойме, выполненной с возможностью вращения вокруг оси протяжки проволоки с помощью стержней, позволяющих перемещать кольца или ролики на заданное расстояние от оси вращения обоймы, систему сбора порошка и систему газообеспечения, дополнительно введены блок формирования поджигающих импульсов, делитель напряжения, а в качестве управляемого коммутатора использован трехэлектродный разрядник, низковольтный электрод которого электрически соединен с высоковольтным электродом реактора через проходной изолятор и заземлен через резистор, величина сопротивления которого выбирается из соотношения RC > tb, где C - емкость накопителя энергии и tb - время взрыва проволоки, при этом высоковольтный электрод разрядника электрически соединен с емкостным накопителем энергии и верхним плечом делителя напряжения, общее сопротивление которого выбирается из соотношения RoC > t3, где C - емкость накопителя энергии и t3 - время его зарядки, а управляющий электрод разрядника соединен с блоком формирования поджигающих импульсов и нижним плечом делителя напряжения. Технический результат достигается также за счет того, что механизм подачи проволоки снабжен системой измерения длины проволоки, подаваемой в реактор, и выполнен с возможностью выработки импульса управления для блока формирования поджигающего импульса в виде схемы формирования импульса управления и мерного ролика, жестко закрепленного на свободно вращающейся оси и приводимого во вращение подаваемой в реактор проволокой, причем ролик имеет длину окружности, охватываемой подаваемой на взрыв проволокой, равную или кратную длине взрываемого в реакторе отрезка проволоки, и одно или несколько отверстий, через которые свет от источника попадает на фотоприемник, включающий схему формирования импульса управления блоком формирования поджигающего импульса. Технический результат достигается также за счет того, что мерный ролик соединен со штоком, выполненным с возможностью управления выключателем схемы формирования импульса управления, когда выключатель имеет электрический привод, или магнитом, когда выключатель имеет магнитный привод. Технический результат достигается также за счет того, что система сбора порошка состоит из соединенных последовательно циклона, электрофильтра и вентилятора, соединенных посредством тройника инерционной ловушки и шнекового сепаратора, причем вход в ловушку и шнековый сепаратор соединены с выходом подачи рабочего газа из реактора, а выход шнекового сепаратора соединен с входом подачи рабочего газа в первый циклон, при этом соединение патрубка тройника с входом в сепаратор и выхода шнекового сепаратора с первым циклоном выполнены с возможностью исключения азимутального поворота потока рабочего газа относительно внешней стенки канала сепаратора и циклона. Технических результат достигается также за счет того, что реактор содержит перегородку с отверстиями для преобразования радиального потока входящего в реактор рабочего газа в осевой, при расходе газа, выбранного из соотношения V <










Формула изобретения
1. Установка для получения высокодисперсных порошков металлов, сплавов и их химических соединений методом электрического взрыва проволоки, содержащая источник питания, электрически соединенный с емкостным накопителем энергии, реактор для взрыва проволоки с высоковольтным изолированным от корпуса реактора электродом, управляемый коммутатор, механизм подачи проволоки с узлом ее выпрямления в виде колец или свободно вращающихся роликов с направляющей канавкой, укрепленных в обойме, выполненной с возможностью вращения вокруг оси протяжки проволоки с помощью стержней, позволяющих перемещать кольца или ролики на заданное расстояние от оси вращения обоймы, и имеющий подающие ролики, систему сбора порошка и систему газообеспечения, отличающаяся тем, что она снабжена блоком формирования поджигающих импульсов, делителем напряжения, а в качестве управляемого коммутатора использован трехэлектродный разрядник, низковольтный электрод которого электрически соединен с высоковольтным электродом реактора через проходной изолятор и заземлен через резистор, величина сопротивления которого выбирается из соотношения RC > tb, где C - емкость накопителя энергии и tb - время взрыва проволоки, при этом высоковольтный электрод разрядника электрически соединен с емкостным накопителем энергии и верхним плечом делителя напряжения, общее сопротивление которого выбирается из соотношения R0C >> t3, где C - емкость накопителя энергии и t3 - время его зарядки, а управляющий электрод разрядника соединен с блоком формирования поджигающих импульсов и нижним плечом делителя напряжения. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что механизм подачи проволоки снабжен системой измерения длины проволоки, подаваемой в реактор, и выполнен с возможностью выработки импульса управления для блока формирования поджигающего импульса в виде схемы формирования импульса управления и мерного ролика, жестко закрепленного на свободно вращающейся оси и приводимого во вращение подаваемой в реактор проволокой, причем ролик имеет длину окружности, охватываемой подаваемой на взрыв проволокой, равную или кратную длине взрываемого в реакторе отрезка проволоки, и одно или несколько отверстий, через которые свет от источника попадает на фотоприемник, включающий схему формирования импульса управления блоком формирования поджигающего импульса. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что мерный ролик соединен со штоком, выполненным с возможностью управления выключателем схемы формирования импульса управления, когда выключатель имеет механический привод, или магнитом, когда выключатель имеет магнитный привод. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что система сбора порошка состоит из соединенных последовательно циклона, электрофильтра и вентилятора, соединенных посредством тройника инерционной ловушки и шнекового сепаратора, причем вход в ловушку и шнековый сепаратор соединены с выходом подачи рабочего газа из реактора, а выход шнекового сепаратора соединен с входом подачи рабочего газа в первый циклон, при этом соединение патрубка тройника с входом в сепаратор и выхода шнекового сепаратора с первым циклоном выполнены с возможностью исключения азимутального поворота потока рабочего газа относительно внешней стенки канала сепаратора и циклона. 5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что реактор содержит перегородку с отверстиями для преобразования радиального потока входящего в реактор рабочего газа в осевой, при расходе газа, выбранного из соотношения V < v/f, где V - объем реактора, v - расход газа на входе в реактор, f - частота взрывов. 6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что на входе подачи рабочего газа в реактор установлен обратный клапан. 7. Установка по пп.1, 4, отличающаяся тем, что она снабжена несколькими последовательно соединенными циклонами, эффективно улавливающими частицы минимального диаметра. 8. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена системой улавливания порошка, вентилятором и датчиком парциального давления кислорода для управления приводом системы натекания кислорода в реакторе по мере его срабатывания в химической реакции при получении оксидов или для контроля содержания кислорода в нейтральном газе при получении порошков металлов и сплавов и для прекращения наработки порошка, когда содержание кислорода превышает допустимую норму, причем датчик установлен между системой улавливания порошка и вентилятором и защищен механическим фильтром. 9. Установка по любому из пп.1, 7, отличающаяся тем, что она снабжена несколькими бункерами для сбора порошка, емкостью с консервирующей жидкостью, причем емкость соединена с каждым бункером для сбора порошка посредством трубопроводов с запорными вентилями, а бункеры размещены в герметичном боксе, имеющем ту же атмосферу, что и реактор.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4