RU2756327C1

RU2756327C1 - Plasma unit for spheroidising metal powders in a thermal plasma flow

Info

Publication number: RU2756327C1
Application number: RU2020134059A
Authority: RU
Inventors: Андрей Владимирович Самохин; Андрей Андреевич Фадеев; Дмитрий Евгеньевич Кирпичев; Николай Васильевич Алексеев; Виктор Иванович Берестенко; Алексей Григорьевич Асташов; Илья Дмитриевич Завертяев
Priority date: 2020-10-16
Filing date: 2020-10-16
Publication date: 2021-09-29

Abstract

FIELD: powder metallurgy.SUBSTANCE: invention relates to the field of powder metallurgy, in particular, to production of metal powders with a spherical particle shape. The plasma unit for spheroidising metal powders by melting in a flow of thermal plasma of an inert gas consists of an electric arc plasma torch, supply and input assemblies for powdered raw materials, a cylindrical powder processing chamber, a filter, containers for unloading the processed powder with sealed gates, a gas recirculation system wherein an oxygen content sensor and a unit for purification of gases from oxygen are present, interconnected.EFFECT: prevented introduction of oxygen impurities into the processed metal powder.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению металлических порошков со сферической формой частиц.The invention relates to the field of powder metallurgy, in particular to the production of metal powders with a spherical particle shape.

Для изготовления изделий из металлов и сплавов новыми перспективными методами, включающими аддитивные технологии, горячее изостатическое прессование, лазерную газопорошковую наплавку и др., необходимы чистые порошки, имеющие сферическую форму частиц, что обеспечивает их высокую текучесть и необходимую плотность упаковки частиц в слое.For the manufacture of products from metals and alloys by new promising methods, including additive technologies, hot isostatic pressing, laser gas-powder surfacing, etc., pure powders with a spherical particle shape are required, which ensures their high fluidity and the required packing density of particles in the layer.

Промышленно выпускаемые порошки преобладающим образом имеют неправильную форму частиц и требуют дополнительную обработку перед использованием в аддитивных технологиях. К такой обработке относится сфероидизация порошков при их расплавлении в потоке термической плазмы, генерируемой в электроразрядных плазмотронах.Commercially available powders predominantly have irregular particle shapes and require additional processing before being used in additive technologies. Such processing includes the spheroidization of powders when they are melted in a flow of thermal plasma generated in electric-discharge plasmatrons.

К настоящему времени созданы установки для сфероидизации порошковых материалов, в том числе металлов и сплавов, на основе различных типов плазмотронов - электродуговых, высокочастотных и сверхвысокочастотных (V.I. Kotlyarova, V.Т. Beshkareva,V.Е. Kartsev, etal. Production of Spherical Powders on the Basis of Group IV Metalsfor Additive Manufacturing. Inorganic Materials: Applied Research, 2017, Vol. 8, No. 3, pp. 452-458. Xiao-ping Liu, Kuai-she Wang, Ping Hu, et al. Spheroidization of molybdenum powder by radio frequency thermal plasma. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 2015, Vol. 22, No. 11, pp. 1212-1218. USpatent 9932673. Microwave plasma apparatus and method for materials processing. 2014.) Установки состоят из следующих основных узлов-генератора термической плазмы (плазмотрона), системы подачи порошка в поток плазмы, камеры сфероидизации, циклона и фильтра для выделения частиц из газодисперсного потока, контейнеров для сбора сфероидизированного порошка. В состав установок большой производительностивключается система рециркуляции газа.To date, installations have been created for the spheroidization of powder materials, including metals and alloys, based on various types of plasmatrons - electric arc, high-frequency and microwave (VI Kotlyarova, V.T. Beshkareva, V.E. Kartsev, et al. Production of Spherical Powders on the Basis of Group IV Metals for Additive Manufacturing. Inorganic Materials: Applied Research, 2017, Vol. 8, No. 3, pp. 452-458. Xiao-ping Liu, Kuai-she Wang, Ping Hu, et al. Spheroidization of molybdenum powder by radio frequency thermal plasma. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 2015, Vol. 22, No. 11, pp. 1212-1218. US patent 9932673. Microwave plasma apparatus and method for materials processing. 2014.) from the following main units - a thermal plasma generator (plasmatron), a system for feeding powder into a plasma stream, a spheroidization chamber, a cyclone and a filter for separating particles from a gas-dispersed stream, containers for collecting spheroidized powder. High capacity plants include a gas recirculation system.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению являются установки сфероидизации порошковых материалов TEKSPHERO, разработанные и выпускаемыми компанией Tekna Plasma Systems Inc.(Jiayin Guo. Induction Plasma Synthesis of Nanomaterials. Bkh.: Plasma Science and Technology. Progress in Physical States and Chemical Reactions. Editor: Tetsu Mieno, Intech Open, 2016). В установке плазменной сфероидизации порошков для генерации термической плазмы используется высокочастотный плазмотрон. Обрабатываемый материал вводится транспортирующим газом через зонд, расположенный по оси плазмотрона. Высокотемпературный газодисперсный поток истекает в цилиндрический реактор с водоохлаждаемыми стенками, где происходит плавление частиц и образование сферических микрокапель, которые при последующем охлаждении потока затвердевают в виде сфер. К нижней части реактора присоединен сборник порошка. Газ с оставшимися в нем частицами поступает в циклон, где происходит отделение микронных частиц в сборник порошка, а отходящий газ направляется в фильтр, где происходит его тонкая очистка от субмикронных и наноразмерных частиц, собираемых в отдельный сборник. Очищенные от частиц газы могут быть направлены в систему рециркуляции для возврата в установку и повторного использования в качестве плазмообразующего и транспортирующего газов.The closest in technical essence to the claimed invention are TEKSPHERO powder materials spheroidization units, developed and manufactured by Tekna Plasma Systems Inc. (Jiayin Guo. Induction Plasma Synthesis of Nanomaterials. Bkh .: Plasma Science and Technology. Progress in Physical States and Chemical Reactions. Editor: Tetsu Mieno, Intech Open, 2016). A high-frequency plasmatron is used in the device for plasma spheroidization of powders to generate thermal plasma. The material to be processed is introduced by the carrier gas through a probe located along the axis of the plasmatron. The high-temperature gas-dispersed flow flows into a cylindrical reactor with water-cooled walls, where the particles melt and spherical microdroplets are formed, which solidify in the form of spheres upon subsequent cooling of the flow. A powder collector is attached to the bottom of the reactor. The gas with the particles remaining in it enters the cyclone, where micron particles are separated into the powder collector, and the exhaust gas is sent to the filter, where it is finely cleaned from submicron and nanosized particles collected in a separate collector. Gases cleaned of particles can be sent to a recirculation system for return to the plant and re-use as plasma-forming and transport gases.

Недостатком данной установки является отсутствие блока очистки циркулирующего газа от примесей кислорода, которые не должны присутствовать в газе при сфероидизации металлических порошков.The disadvantage of this installation is the absence of a unit for cleaning the circulating gas from oxygen impurities, which should not be present in the gas during the spheroidization of metal powders.

При обработке металлических порошков, в частности титановых сплавов, газовой средой, в которой проводится сфероидизация частиц, являются инертные газы, преобладающим образом аргон. Инертные газы не должны содержать примесей кислорода, переходящего в металл и ухудшающих его свойства. Для удаления газовых примесей, которые могут попадать в технологический тракт из воздуха, перед началом процесса сфероидизации проводится вакуумирование тракта и его промывка напуском инертного газа (аргона). Для полного удаления газовой среды из технологического тракта установки необходимо достижение определенного уровня вакуумирования на уровне форвакуума. Выполнение этого условия предъявляет дополнительные требования к прочностным характеристикам узлов установки и обеспечению герметичности ее разъемных соединений, что приводит к повышенной металлоемкости изготавливаемого оборудования.When processing metal powders, in particular titanium alloys, the gaseous medium in which the particles are spheroidized are inert gases, predominantly argon. Inert gases should not contain oxygen impurities that pass into the metal and impair its properties. To remove gaseous impurities that can enter the technological path from the air, before the spheroidization process begins, the path is evacuated and flushed by injecting an inert gas (argon). To completely remove the gaseous medium from the technological path of the installation, it is necessary to achieve a certain level of evacuation at the forevacuum level. The fulfillment of this condition imposes additional requirements on the strength characteristics of the units of the installation and ensuring the tightness of its detachable joints, which leads to an increased metal consumption of the equipment being manufactured.

Задачей предложенного изобретения является: исключение возможности внесения вредных примесей кислорода в обрабатываемый металлический порошок в процессе плазменной сфероидизации.The objective of the proposed invention is to exclude the possibility of introducing harmful oxygen impurities into the processed metal powder during plasma spheroidization.

Технический результат предлагаемого устройства заключается в размещении в установке в газовом тракте узла очистки газа от кислорода и датчика содержания кислорода в газе, что обеспечивает предотвращение внесения примесей кислорода в обрабатываемый металлический порошок. При превышении содержания кислорода выше заданного уровня датчик включает очистку газа, при снижении концентрации до необходимого значения датчик отключает очистку. Узел очистки газа размещается в газовом тракте на выходе из блока рециркуляции газа.The technical result of the proposed device lies in the placement in the installation in the gas path of the unit for cleaning the gas from oxygen and the oxygen content sensor in the gas, which prevents the introduction of oxygen impurities into the processed metal powder. If the oxygen content exceeds the preset level, the sensor turns on the gas cleaning, when the concentration drops to the required value, the sensor turns off the cleaning. The gas purification unit is located in the gas path at the outlet of the gas recirculation unit.

Схема предлагаемой установки представлена на рисунке 1.The scheme of the proposed installation is shown in Figure 1.

Установка содержит: электродуговой генератор термической плазмы (2), порошковый питатель (1), узел подачи обрабатываемого порошка в поток плазмы (3), реактор (4), герметичные затворы (5), фильтр (6), блок очистки газа от кислорода (7), теплообменник (8), фильтр тонкой очистки газа (9), контейнеры для сбора порошка (10), датчик содержания кислорода в газе (11), система рециркуляции газа (12), вакуум насос (13), баллон с инертным газом (14).The installation contains: an electric arc thermal plasma generator (2), a powder feeder (1), a unit for feeding the processed powder into the plasma stream (3), a reactor (4), hermetic gates (5), a filter (6), a gas purification unit from oxygen ( 7), heat exchanger (8), gas fine filter (9), containers for collecting powder (10), oxygen content sensor in gas (11), gas recirculation system (12), vacuum pump (13), inert gas cylinder (fourteen).

Установка работает следующим образом. В электродуговом генераторе термической плазмы осуществляется нагрев инертного газа (аргона, гелия или их смесей) в электрическом разряде, на выходе из генератора в плазменный поток транспортирующим газом вводится обрабатываемый порошок. Далее высокотемпературный газодисперсный поток истекает в объем цилиндрического реактора, имеющего водоохлаждаемые стенки. В реакторе происходит оплавление частиц и их последующее затвердевание при охлаждении газодисперсного потока. Обработанные частицы осаждаются в коническом днище реактора и частично выносятся на фильтр, где происходит их окончательное выделение из газового потока. К днищу реактора и фильтра через герметичные затворы, обработанные порошки выгружаются в контейнеры без контакта порошков с окружающим воздухом. Отходящие из фильтра газы поступают в блок очистки газов, включение или отключение которого управляется датчиком содержания кислорода, который установлен в газовом тракте перед системой рециркуляции газа. После блока очистки газы проходят через теплообменник и фильтр тонкой очистки, где происходит отделение субмикронных и наноразмерных частиц. Система рециркуляции на основе компрессора позволяет возвратить газ в начало газового тракта, т.е. в плазмотрон и порошковый питатель.The installation works as follows. In an electric arc generator of thermal plasma, an inert gas (argon, helium or their mixtures) is heated in an electric discharge; at the outlet of the generator, the processed powder is introduced into the plasma flow by the transporting gas. Further, the high-temperature gas-dispersed flow flows out into the volume of a cylindrical reactor with water-cooled walls. In the reactor, particles are melted and subsequently solidified when the gas-dispersed flow is cooled. Treated particles settle in the conical bottom of the reactor and are partially carried to the filter, where they are finally separated from the gas stream. To the bottom of the reactor and filter through sealed gates, the processed powders are discharged into containers without contact of the powders with the ambient air. The gases leaving the filter enter the gas purification unit, the activation or deactivation of which is controlled by the oxygen content sensor, which is installed in the gas path in front of the gas recirculation system. After the purification unit, the gases pass through a heat exchanger and a fine filter, where submicron and nanosized particles are separated. The compressor-based recirculation system allows gas to be returned to the beginning of the gas path, i.e. into the plasma torch and powder feeder.

В установке к газовому такту подсоединен вакуум насос, который позволяет откачать из газового тракта воздух, который попадает в тракт при разборке установки для проведения сервисных работ. Для напуска инертного газа в установку при подготовке к запуску после ее разборки используются баллоны с инертным газом.In the unit, a vacuum pump is connected to the gas stroke, which allows you to pump out air from the gas path that enters the path when the unit is disassembled for service work. Inert gas cylinders are used to inert inert gas into the installation in preparation for start-up after its disassembly.

Предложенная установка позволяет осуществлять процесс сфероидизации металлических частиц расплавлением в потоке термической плазмы инертного газа, при котором в обработанный порошок не будут вноситься вредные примеси кислорода из газовой среды, циркулирующей в установке.The proposed installation allows to carry out the process of spheroidization of metal particles by melting in a flow of inert gas thermal plasma, in which harmful oxygen impurities from the gaseous medium circulating in the installation will not be introduced into the processed powder.

Claims

Plasma installation for spheroidizing metal powders in a thermal plasma flow, consisting of interconnected electric arc plasma torch, feed and input units for powdery raw materials, a cylindrical powder processing chamber, a filter, containers for unloading processed powder with sealed gates, a gas recirculation system, characterized in that the gas recirculation system contains an oxygen content sensor and a gas purification unit from oxygen.