【摘 要】：用人工方法將粒度范圍為 5 0～ 10 0 μm的Al2 O3顆粒摻入到粒度范圍為5 0～ 10 0 μm的高溫合金粉末中 ,對混合粉末進行靜電分離 (ESS)后 ,用體視顯微鏡檢測Al2 O3顆粒的去除效果。研究表明 ,ESS去除Al2 O3顆粒的效果顯著 ,工藝參數不同 ,ESS去除效果也不同。當輥筒轉速一定時 ,隨著電暈極電壓的升高 ,去除效果增強 ;電暈極電壓一定時 ,隨輥筒轉速降低去除效果也增強。實驗結果與理論分析相吻合。在本實驗條件下 ,ESS的最佳工藝參數為 :電暈極電壓40kV ,輥筒轉速 5 0r/min。
1 前言
高溫合金粉末中夾雜物的數量和尺寸直接影響其制品的強度和使用壽命。所以,獲取高純凈的高溫合金粉末十分必要。等離子旋轉電極工藝(ＰＲＥＰ)制取的高溫合金粉末中的夾雜物主要來源于母合金棒料,即夾雜物主要為陶瓷夾雜物和熔渣。因此,欲得到高純凈的ＰＲＥＰ粉末,可以通過完善冶煉工藝來降低夾雜物含量[1,2]。然而就目前的冶煉技術狀況而言,要生產出不含夾雜物的棒料是不可能的[3]。所以,還需要通過對粉末進行再處理以去除粉末中的夾雜物。目前去除高溫合金粉末中非金屬夾雜物主要采用靜電分離法(ＥＳＳ)[4]。
有關用ＥＳＳ法去除高溫合金粉末中非金屬夾雜物的實驗數據報道甚少[4,5]。本文通過用不同的電暈極電壓和輥筒轉速對ＥＳＳ去除高溫合金粉末中陶瓷夾雜物Ａｌ2Ｏ3的效果進行了研究并作了初步的理論分析。
2 實驗方法
2.1、實驗原理：靜電分離是利用電暈放電現象以及金屬粉末和非金屬夾雜物電性質不同進行分離的。目前廣泛使用的高壓靜電分離原理見圖1。靜電分離裝置主要由兩個電極組成,細金屬絲為一極,接地并有一定轉速的大直徑金屬輥筒作為另一極。當兩極間的電位差達到某一數值時,細金屬絲發生電暈放電現象(此極稱為電暈極),從而在兩極間產生電暈電場。該電場很不均勻,電暈極附近的電場強度非常大,其附近的空氣發生碰撞電離,產生了電子和正離子,某些電子又附著在中性分子上形成負離子。電子、正離子和負離子分別向與各自極性相反的電極運動,于是形成電暈電流。電暈極可以是負極,也可以是正極。當電暈極為負極時,空氣被擊穿所需要的電壓比為正極時高得多。靜電分離是利用電暈放電現象,因此必須防止空氣被擊穿而產生火花放電,因為火花放電破壞分離過程的正常進行。
若電暈極為負極,金屬粉末經給料器落到輥筒表面進入電暈極所產生的高壓電暈電場后,金屬粉末和非金屬夾雜物與飛向正極輥筒的電子和負離子相遇,這些電子和負離子便附著在金屬粉末和非金屬夾雜物上,使其帶上負電荷。由于金屬粉末導電率高,獲得的負電荷立即被接地的金屬輥筒傳走(約1/40～1/1000ｓ)[6],在離心力和重力的共同作用下從輥筒前方落下,進入成品粉罐;而非金屬夾雜物導電率低,不易失去電荷,在電暈電場的庫侖力和鏡面吸引力的作用下被吸附在輥筒上,隨著輥筒的轉動而被帶到其后下方,被鋼刷刷下。
2.2、實驗方法和參數實驗在進口的德國海拉斯高壓電暈靜電分離器上進行。其主要參數為,金屬輥筒 320×250ｍｍ,電暈極電壓最高為40ｋＶ,電暈極為 1ｍｍ的不銹鋼絲,電暈極與輥筒垂直軸截面的夾角為15°,與輥筒表面距離為80ｍｍ。實驗參數為:電暈極電壓分別為20ｋＶ、40ｋＶ,輥筒轉速分別為25ｒ/ｍｉｎ、50ｒ/ｍｉｎ、80ｒ/ｍｉｎ,隔板與輥筒表面間隙5ｍｍ。實驗用粒度范圍為50～100μｍ的ＰＲＥＰ高溫合金粉末,用人工方法在每100ｇ純凈粉末中摻入粒度范圍為50～100μｍ的著紅色的純Ａｌ2Ｏ3顆粒10顆。ＥＳＳ處理后用體視顯微鏡檢測粉末中Ａｌ2Ｏ3顆粒剩余個數,計算出去除率。
3、實驗結果與理論分析從表1可以看出,實驗參數不同,靜電分離去除效果也不同。當輥筒轉速一定時,隨著電暈極電壓的升高,Ａｌ2Ｏ3顆粒去除率升高;當電暈極電壓一定時,降低輥筒轉速,去除率升高。從去除效果和實際生產角度考慮,本實驗所用高壓電暈靜電分離器去除Ａｌ2Ｏ3顆粒的最佳工藝參數為:電暈極電壓40ｋＶ,輥筒轉速50ｒ/ｍｉｎ。
文獻[4,6,7]認為,在靜電分離過程中非金屬夾雜物相對靜止在輥筒上受到5種力的作用,作者認為還應考慮夾雜物與金屬輥筒圖2 非金屬夾雜物在輥筒表面受力示意圖表面的摩擦力,見圖2。假設非金屬夾雜物為球形顆粒,6種力可以表達為:
電暈電場的庫倫力ｆ1=
非均勻電暈電場引起的力 ｆ2=
其大小與ｆ1相比極小,可以忽略不計。
帶電非金屬夾雜物與輥筒表面的鏡面吸引力 ｆ3=
此外,還有重力ｆ4=ｍｇ;慣性離心力ｆ5=5.5×10e-3ｍｎ2Ｄ;摩擦力ｆ6=μ(ｆ1+ｆ3-ｆ5)。在輥筒表面Ｅ點處在豎直方向上非金屬夾雜物受的合力為ｆ=ｆ6-ｆ4=(ｆ1+ｆ3-ｆ5)μ-ｆ4。把ｆ1、ｆ3、ｆ4和ｆ5帶入ｆ得出 ｆ=
式中 Ｅ———非金屬夾雜物所在位置的電暈電場強度,Ｖ/ｃｍ;ε———非金屬夾雜物的介電常數;ρ———非金屬夾雜物的密度,ｇ/ｃｍ3;ｒ———非金屬夾雜物的半徑,ｃｍ;μ———非金屬夾雜物與金屬輥筒之間的最大摩擦系數;Ｍｆ(Ｒ)———非金屬夾雜物界面電阻的函數,接近于1;Ｄ———輥筒直徑,ｃｍ;ｎ———輥筒轉速,ｒ/ｍｉｎ;ｇ———重力加速度,其大小為980ｃｍ/ｓ2。
由于在靜電分離過程中非金屬夾雜物受到流動金屬粉末的碰撞和沖擊作用,受力ｆ小的非金屬夾雜物可能在Ｅ點以前從輥筒表面上脫落,隨金屬粉末落到輥筒前方,所以用靜電分離法不可能完全去除金屬粉末中的非金屬夾雜物,在該實驗條件下Ａｌ2Ｏ3顆粒去除率最高為76.7%(見表1)。可以說ｆ值越大,非金屬夾雜物越不易脫離金屬輥筒表面,去除效果越好。
電暈極電壓越高,電暈電場強度Ｅ也越高,電暈電場的庫侖力ｆ1也越大,ｆ值也越大,即非金屬夾雜物的去除效果也越好;輥筒轉速ｎ越低,非金屬夾雜物的慣性離心力ｆ5越小,ｆ值也越大,即非金屬夾雜物的去除效果也越好。但在實際生產中,輥筒轉速ｎ不能無限低。其原因,一是生產效率低;二是非金屬夾雜物與輥筒接觸時間過長,部分非金屬夾雜物有可能失去電荷,無法被吸附在輥筒表面上而隨金屬粉末一同流出,從而不能完成從金屬粉末中分離出非金屬夾雜物這一過程。
4 結論
(1)工藝參數不同,靜電分離去除效果也不同。當輥筒轉速一定時,隨著電暈極電壓的升高,Ａｌ2Ｏ3顆粒去除率升高;當電暈極電壓一定時,降低輥筒轉速,去除率升高。但是,當輥筒轉速過低時,夾雜物放電時間延長,去除率反而降低;其次,當輥筒轉速很低時,生產效率降低。
(2)在本實驗條件下,靜電分離去除粒度范圍為50～100μｍ的高溫合金粉末中的Ａｌ2Ｏ3陶瓷夾雜物的最佳工藝參數為:電暈極電壓40ｋＶ,輥筒轉速50ｒ/ｍｉｎ。(3)本研究的實驗結果的規律性與理論分析相吻合。
【作 者】：張義文,陳生大,張宏,馮滌
【機 構】：鋼鐵研究總院高溫材料研究所!北京100081
參考文獻
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