Курсы валют ЦБ РФ

 Технология механического измельчения алюминиевых заготовок
 

С.Д. Сметанин, М.Н. Гатитулин, И.А. Башарин, С.С. Носов, Д.А. Карякин

 

Порошки алюминия применяют в черной и цветной металлургиях, химической промышленности, пиротехнике, сварочной технике и других промышленных отраслях экономики. Важную роль порошки алюминия выполняют в производстве стали, где их применяют не только в качестве раскислителей, но и как легирующие добавки, модификаторы в жаропрочные стали, а также при термитной сварке и в пирометаллургических  процессах получения ряда цветных металлов и ферросплавов методом алюмотермии. Для протекания таких процессов необходимы порошки с размером частиц не более 3  мм. Так для ферросплавов, лигатур и порошковой проволоки, производимых Ключевским заводом ферросплавов, используются алюминиевые порошки  фракционного состава: не менее 65% – от 0,1 до 1 мм, не более 20% – от 1 до 3 мм и не более 10% – менее 0,1 мм. 

Действующие металлургические предприятия используют технологии получения  алюминиевых порошков,  разработанных в 70-х годах прошлого века, и практические не вкладывают  финансовые средства в разработки оригинальных  и прорывных технологий. Отдельные исследования соответствуют экстенсивному тупиковому пути развития и направлены на повышения производительности действующих промышленных установок. При этом по данным экспресс-опроса, проведенного Российским союзом промышленников и предпринимателей в 2010  г., более половины крупных и средних промышленных предприятий в ближайшие пять лет готовы модернизировать технологический процесс. Основными направлениями НИОКР респонденты считают энергосбережение (58%) и производственные технологии (55%). Надежды на технологический прорыв наши предприятия связывают с зарубежными транснациональными корпорациями (41%).

В настоящее время ведущими производителями алюминиевых порошков – предприятиями холдинга РУСАЛ и зарубежными фирмами – используется классическая технология получения алюминиевых порошков методом распыления жидкого алюминия горячим азотом с последующим разделением на различные фракции на вибрационных грохотах и вихревых центробежных классификаторах. Чушковой алюминий расплавляется и прогревается до необходимой температуры в газовой печи, откуда по футерованному желобу расплав поступает в чашу гранулятора. Из чаши гранулятора через сливные отверстия  металл в виде капель падает в воду, где при ударе с поверхностью воды  приобретает  округлую форму и затвердевает. Твердые гранулы оседают на ленте конвейера и попадают в барабанную сушильную печь. Отделение воды от гранул в сушильной печи осуществляется по принципу противотока: гранулы в печи перемещаются навстречу теплому воздушному потоку. После сушильной печи гранулы поступают в барабанное сито,  происходит их классификация по размеру готовой продукции. Совершенствованием и развитием подобных способов занимаются  зарубежные фирмы – японские «Мицубиси дзюкоге», «Ниппон кокаи» и «Тайхэйекиндзоку», шведские Swedish State Steel Company, Merax LTD,  а также ряд австрийских,  германских и др. разработчиков. Несмотря на широкое применение, существующие способы получения порошков из расплавов имеют серьезные недостатки:

- незначительное или невозможное влияние на форму и размеры получаемых фракций;

- высокие температуры применяемых водных и газовых сред;

- высокие затраты на тепловую или электрическую энергию;

- негативное воздействие на окружающую среду;

- громоздкость применяемых установок.

В связи с этим продолжают разрабатываться другие способы измельчения. Аналогами механического измельчения порошков резанием можно считать измельчение вьюнообразной  стружки, образуемой при обработке деталей резанием, дробилками фрезерного, молоткового, валкового типов, а также установками, сочетающими в той или иной комбинации различные способы воздействия на измельчаемый материал. Одесский завод «Микрон», Украина производит карусельно-фрезерные станки с двумя шпинделями – горизонтальным и вертикальным для  последовательного фрезерования  цилиндрической и торцовой фрезами  вращающейся  втулки. Геометрия ножей фрез  обеспечивает фрезерование на торце втулки радиальных и тангенциальных канавок, чем обеспечивается  формирование порошков. Шпинделя установлены на подвижном вертикальном суппорте и непрерывно перемещаются в тело заготовки.  Так на одном из заводов г. Челябинска производится измельчение цветного металла на порошки фракциями до 400 микронов  на  нескольких карусельно-фрезерных станках. Недостаткам данной технологии измельчения  являются низкая стойкость фрез, сложность их переточки и низкая производительность оборудования, поэтому она не конкурентна в сравнении с технологией производства порошков из расплавов.

В валковых стружкодробилках измельчение вьюнообразной стружки происходит в результате разрыва или излома стружки, попадающей между зубьями звездочек, смонтированных на параллельно расположенных и вращающихся навстречу друг другу валках. Их число на дробилках различных конструкций меняется от двух до пяти. Как правило, валки располагают в горизонтальной плоскости или в плоскости, установленной к ней под небольшим углом. К преимуществам дробилок валкового типа следует отнести их высокую производительность (до 10 т/ч), возможность механизированной загрузки стружки порциями 200-300 кг. с помощью кранов, оборудованных грузоподъемными электромагнитами или грейферами. Кроме того, благодаря значительным зазорам между зубьями соседних звездочек , металлические куски с размерами до 120-150 мм, попадающие вместе со стружкой в зону дробления, не вызывают поломок деталей дробилки. Вместе с тем стружкодробилка валкового типа имеет серьезный технологический недостаток, заключающийся в том, что готовая продукция по фракционному составу не удовлетворяет требованиям ГОСТ 2787-63. В стружке после дробления содержится 70-75% витков длиной до 50 мм, 15-20% длиной 50-100 мм и 10-15% длиной 100-200 мм. Таким образом, после дробления на валковой дробилке стружку нельзя отправлять на брикетирование или использовать для производства ферросплавов без повторного дробления или отсева фракции крупностью до 50 мм.

На металлургических заводах, например на  «Мечеле», г. Челябинск обдирка крупных  круглых  заготовок  осуществляется на  тяжелых токарных станках  серии КЖ или УК. Токарный обдирочный инструмент при работе по корке имеет низкую стойкость и производительность. Снимаемый припуск на обработку  в дальнейшем доизмельчается, брикетируется и отправляется на переплавку. На  Ключевском заводе ферросплавов для собственных нужд изготавливаются кольцевые алюминиевые заготовки с трубчатым стальным сердечником. Размеры заготовок могут быть произвольными и достигать значительных размеров, но отсутствие производительной технологии измельчения и специального инструмента не позволяет использовать  такие заготовки для производства порошков на токарном оборудовании.

Таким образом, универсальная высокопроизводительная технология механического измельчения на металлорежущем оборудовании на сегодня отсутствует.

Устранить недостатки механических способов измельчения предлагается путём применения новой для данной промышленной отрасли технологии – технологии ротационного резания. Данная технология обладает рядом характерных свойств, позволяющих рекомендовать её для получения порошков [1-4]. Особенностью технологии является использование для получения порошка не классического распыления струи расплавленного металла, а измельчение чушковых и других металлических  заготовок  ротационными   режущими системами на стандартном металлорежущем оборудовании. Разработка математической модели ротационного резания для измельчения алюминия позволит на проектном уровне назначать параметры инструментов, режимов  обработки, определить требования, предъявляемые к специализированному станочному оборудованию и технологической системе, а в дальнейшем  обосновать возможность и целесообразность применения технологии ротационного измельчения в различных областях промышленного использования, чем расширить линейку измельчения порошков из других материалов для пирометаллургии. Практическая реализация позволит создать необходимое оборудование, оптимизировать ротационные инструменты и разработать технологические приемы по производству алюминиевых порошков более узкого диапазона фракций.

 

Библиографический список

 

1. Гатитулин, М.Н. Ротационное резание как инновационный способ измельчения материалов / М.Н. Гатитулин, С.Д. Сметанин, В.Г. Шаламов // Вестник ТулГУ. Серия Инструментальные и метрологические системы. Материалы Международной юбилейной научно-технической конференции "Инструментальные системы машиностроительных производств", посвященной 105-летию со дня рождения С.С. Петрухина, 29 - 31 октября 2008г. – Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. – С. 169 – 171.

2. Шаламов, В.Г. Перспективы получения порошковых материалов ротационными режущими системами / В.Г. Шаламов, С.Д. Сметанин, М.Н. Гатитулин // Высокие технологии, фундаментальные исследования, образование, промышленность: сб. тр. Восьмой междунар. науч.-практич. конф. "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности”, 27-28.10.2009, Санкт-Петербург, Россия / Под ред. А.П. Кудинова – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. – С. 199 – 200.

3. Сметанин, С.Д. Энергоэффективность ротационного резания при переработке металлов / С.Д. Сметанин, М.Н. Гатитулин, П.Г. Мазеин // Вiсник ЖДТУ / Технiчнi науки – 2009. – №4 (51). – С. 105 – 107.

4. Мазеин, П.Г. Ротационное резание – эффективный путь глубокой переработки материалов / П.Г. Мазеин, С.Д. Сметанин, М.Н. Гатитулин // Процессы и оборудование металлургического производства: Межрегион. сб. науч. тр. Вып. 8. – Магнитогорск: Изд-во ГОУ ВПО МГТУ, 2009. – С. 66 – 70.

 

 

 

 

 

 

УДК 621.9

 

Сметанин, С.Д. Технология механического измельчения алюминиевых заготовок / С.Д. Сметанин, М.Н. Гатитулин, И.А. Башарин, С.С. Носов, Д.А. Карякин // Прогрессивные технологии в машиностроении: сб. науч. тр. – Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ, 2011.

 

Проведен анализ применяемых физико-химических и механических способов получения алюминиевых порошков. Показаны преимущества перспективы использования для измельчения технологии ротационного измельчения.

 

Ил. – 1, список лит. – 4 назв.