静电分离去除高温合金粉末中陶瓷夹杂的研究
【关键词】：静电分离;高温合金粉末;陶瓷夹杂物
【摘 要】：用人工方法将粒度范围为 5 0～ 10 0 μm的Al2 O3颗粒掺入到粒度范围为5 0～ 10 0 μm的高温合金粉末中 ,对混合粉末进行静电分离 (ESS)后 ,用体视显微镜检测Al2 O3颗粒的去除效果。研究表明 ,ESS去除Al2 O3颗粒的效果显著 ,工艺参数不同 ,ESS去除效果也不同。当辊筒转速一定时 ,随着电晕极电压的升高 ,去除效果增强 ;电晕极电压一定时 ,随辊筒转速降低去除效果也增强。实验结果与理论分析相吻合。在本实验条件下 ,ESS的最佳工艺参数为 :电晕极电压40kV ,辊筒转速 5 0r/min。
1 前言
高温合金粉末中夹杂物的数量和尺寸直接影响其制品的强度和使用寿命。所以,获取高纯净的高温合金粉末十分必要。等离子旋转电极工艺(ＰＲＥＰ)制取的高温合金粉末中的夹杂物主要来源于母合金棒料,即夹杂物主要为陶瓷夹杂物和熔渣。因此,欲得到高纯净的ＰＲＥＰ粉末,可以通过完善冶炼工艺来降低夹杂物含量[1,2]。然而就目前的冶炼技术状况而言,要生产出不含夹杂物的棒料是不可能的[3]。所以,还需要通过对粉末进行再处理以去除粉末中的夹杂物。目前去除高温合金粉末中非金属夹杂物主要采用静电分离法(ＥＳＳ)[4]。
有关用ＥＳＳ法去除高温合金粉末中非金属夹杂物的实验数据报道甚少[4,5]。本文通过用不同的电晕极电压和辊筒转速对ＥＳＳ去除高温合金粉末中陶瓷夹杂物Ａｌ2Ｏ3的效果进行了研究并作了初步的理论分析。
2 实验方法
2.1 实验原理
静电分离是利用电晕放电现象以及金属粉末和非金属夹杂物电性质不同进行分离的。目前广泛使用的高压静电分离原理见图1。静电分离装置主要由两个电极组成,细金属丝为一极,接地并有一定转速的大直径金属辊筒作为另一极。当两极间的电位差达到某一数值时,细金属丝发生电晕放电现象(此极称为电晕极),从而在两极间产生电晕电场。该电场很不均匀,电晕极附近的电场强度非常大,其附近的空气发生碰撞电离,产生了电子和正离子,某些电子又附着在中性分子上形成负离子。电子、正离子和负离子分别向与各自极性相反的电极运动,于是形成电晕电流。电晕极可以是负极,也可以是正极。当电晕极为负极时,空气被击穿所需要的电压比为正极时高得多。静电分离是利用电晕放电现象,因此必须防止空气被击穿而产生火花放电,因为火花放电破坏分离过程的正常进行。
若电晕极为负极,金属粉末经给料器落到辊筒表面进入电晕极所产生的高压电晕电场后,金属粉末和非金属夹杂物与飞向正极辊筒的电子和负离子相遇,这些电子和负离子便附着在金属粉末和非金属夹杂物上,使其带上负电荷。由于金属粉末导电率高,获得的负电荷立即被接地的金属辊筒传走(约1/40～1/1000ｓ)[6],在离心力和重力的共同作用下从辊筒前方落下,进入成品粉罐;而非金属夹杂物导电率低,不易失去电荷,在电晕电场的库仑力和镜面吸引力的作用下被吸附在辊筒上,随着辊筒的转动而被带到其后下方,被钢刷刷下。
2.2 实验方法和参数实验在进口的德国海拉斯高压电晕静电分离器上进行。其主要参数为,金属辊筒 320×250ｍｍ,电晕极电压最高为40ｋＶ,电晕极为 1ｍｍ的不锈钢丝,电晕极与辊筒垂直轴截面的夹角为15°,与辊筒表面距离为80ｍｍ。实验参数为:电晕极电压分别为20ｋＶ、40ｋＶ,辊筒转速分别为25ｒ/ｍｉｎ、50ｒ/ｍｉｎ、80ｒ/ｍｉｎ,隔板与辊筒表面间隙5ｍｍ。实验用粒度范围为50～100μｍ的ＰＲＥＰ高温合金粉末,用人工方法在每100ｇ纯净粉末中掺入粒度范围为50～100μｍ的着红色的纯Ａｌ2Ｏ3颗粒10颗。ＥＳＳ处理后用体视显微镜检测粉末中Ａｌ2Ｏ3颗粒剩余个数,计算出去除率。
3 实验结果与理论分析可以看出,实验参数不同,静电分离去除效果也不同。当辊筒转速一定时,随着电晕极电压的升高,Ａｌ2Ｏ3颗粒去除率升高;当电晕极电压一定时,降低辊筒转速,去除率升高。从去除效果和实际生产角度考虑,本实验所用高压电晕静电分离器去除Ａｌ2Ｏ3颗粒的最佳工艺参数为:电晕极电压40ｋＶ,辊筒转速50ｒ/ｍｉｎ。
文献[4,6,7]认为,在静电分离过程中非金属夹杂物相对静止在辊筒上受到5种力的作用,作者认为还应考虑夹杂物与金属辊筒 非金属夹杂物在辊筒表面受力表面的摩擦力。假设非金属夹杂物为球形颗粒,6种力可以表达为:
电晕电场的库伦力ｆ1=
非均匀电晕电场引起的力 ｆ2=
其大小与ｆ1相比极小,可以忽略不计。
带电非金属夹杂物与辊筒表面的镜面吸引力 ｆ3=
此外,还有重力ｆ4=ｍｇ;惯性离心力ｆ5=5.5×10e-3ｍｎ2Ｄ;摩擦力ｆ6=μ(ｆ1+ｆ3-ｆ5)。在辊筒表面Ｅ点处在竖直方向上非金属夹杂物受的合力为ｆ=ｆ6-ｆ4=(ｆ1+ｆ3-ｆ5)μ-ｆ4。把ｆ1、ｆ3、ｆ4和ｆ5带入ｆ得出 ｆ=
式中 Ｅ———非金属夹杂物所在位置的电晕电场强度,Ｖ/ｃｍ;ε———非金属夹杂物的介电常数;ρ———非金属夹杂物的密度,ｇ/ｃｍ3;ｒ———非金属夹杂物的半径,ｃｍ;μ———非金属夹杂物与金属辊筒之间的最大摩擦系数;Ｍｆ(Ｒ)———非金属夹杂物界面电阻的函数,接近于1;Ｄ———辊筒直径,ｃｍ;ｎ———辊筒转速,ｒ/ｍｉｎ;ｇ———重力加速度,其大小为980ｃｍ/ｓ2。
由于在静电分离过程中非金属夹杂物受到流动金属粉末的碰撞和冲击作用,受力ｆ小的非金属夹杂物可能在Ｅ点以前从辊筒表面上脱落,随金属粉末落到辊筒前方,所以用静电分离法不可能完全去除金属粉末中的非金属夹杂物,在该实验条件下Ａｌ2Ｏ3颗粒去除率最高为76.7%。可以说ｆ值越大,非金属夹杂物越不易脱离金属辊筒表面,去除效果越好。
电晕极电压越高,电晕电场强度Ｅ也越高,电晕电场的库仑力ｆ1也越大,ｆ值也越大,即非金属夹杂物的去除效果也越好;辊筒转速ｎ越低,非金属夹杂物的惯性离心力ｆ5越小,ｆ值也越大,即非金属夹杂物的去除效果也越好。但在实际生产中,辊筒转速ｎ不能无限低。其原因,一是生产效率低;二是非金属夹杂物与辊筒接触时间过长,部分非金属夹杂物有可能失去电荷,无法被吸附在辊筒表面上而随金属粉末一同流出,从而不能完成从金属粉末中分离出非金属夹杂物这一过程。
4 结论
(1)工艺参数不同,静电分离去除效果也不同。当辊筒转速一定时,随着电晕极电压的升高,Ａｌ2Ｏ3颗粒去除率升高;当电晕极电压一定时,降低辊筒转速,去除率升高。但是,当辊筒转速过低时,夹杂物放电时间延长,去除率反而降低;其次,当辊筒转速很低时,生产效率降低。
(2)在本实验条件下,静电分离去除粒度范围为50～100μｍ的高温合金粉末中的Ａｌ2Ｏ3陶瓷夹杂物的最佳工艺参数为:电晕极电压40ｋＶ,辊筒转速50ｒ/ｍｉｎ。(3)本研究的实验结果的规律性与理论分析相吻合。
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