Грант Российского научного фонда № 20-79-10125
Технологические основы энерго- и ресурсосберегающей утилизации отходов металлообработки с производством порошков для аддитивных технологий
Работа посвящена исследованию процессов измельчения отходов металлообработки сплавов, подверженных поверхностному окислению, которые должны быть вовлечены в процессы рециклинга. Отходы таких сплавов особенно проблематично вовлекать в механическую переработку, поскольку при измельчении до тонких фракций в воздушной среде и в условиях растущей температуры в мельнице они склонны к активному окислению, что приводит не только к потере товарных свойств металла, но и к опасности самовозгорания.
Задача проекта - исследование кинетики измельчения отходов сплавов, подверженных поверхностному окислению, в различных средах (газовых и жидкостных) и в различных агрегатах с целью обоснования оптимальных условий получения высококачественных металлических порошков, соответствующих требованиям крупности, формы, текучести при одновременном соблюдении требования минимизировать материальные потери и энергетические затраты.
В рамках второго года получены следующие результаты:
1. В результате экспериментальных исследований кинетики и энергоемкости процесса измельчения никелевой стружки в инертных средах, газы можно расположить следующим образом:
Измельчение в шаровой мельнице: воздух – азот – гелий – аргон;
Измельчение в виброистирателе: воздух – гелий – аргон – азот.
В качестве среды, препятствующей окислению металла, можно рекомендовать использование гелия для высокоинтенсивного измельчения, и азота, для традиционного шарового.В качестве среды, препятствующей окислению металла, можно рекомендовать использование гелия для высокоинтенсивного измельчения, и азота, для традиционного шарового.
2. В результате экспериментальных исследований кинетики и энергоемкости процесса измельчения отходов механической обработки металлов в жидких средах замечено, что содержания класса -125 мкм более 60 % в пробе после измельчения в виброистирателе можно достигнуть за следующее время:
Никель: 3,5 часа - в изопропиловом спирте;
Сталь: 4,5 часа в изопропиловом спирте + стеариновая кислота;
Медь: 1,5 часа в изопропиловом спирте + стеариновая кислота.
3. Сравнительная технико-экономическая оценка (оценка инвестиционной привлекательности) технологии получения тонких никелевых порошков с использованием во второй стадии измельчения газовой среды (азота) и жидкой среды (этилацетата) показала, что оба направления являются рентабельными.
4. Сформированы следующие технологические предложения по использованию инертных газов и жидкостей при дезинтеграции отходов механической обработки металлов и их сплавов:
4.1. Исследованные металлы по-разному взаимодействуют с изученными газовыми и жидкими средами, что пока не позволяет сформулировать единый подход к выбору оптимальных сочетаний металлов и интенсификаторов измельчения.
4.2. Для интенсификации измельчения никелевых порошков целесообразно использовать взамен аргоновой среды – азот и гелий. В качестве жидкой среды целесообразно использовать этилацетат. Добавки аммиака и мочевины не влияют на измельчение никеля.
4.3. Для интенсификации измельчения стальных порошков целесообразно использоваться газообразный аммиак или комбинацию изопропилового спирта и мочевины.
4.4. Для интенсификации измельчения алюминиевых порошков целесообразно использовать газообразный аммиак. Измельчение алюминия в спиртовых жидкостях приводит к активной реакции с выделением тепла. По-видимому, для алюминия требуется использовать неполярные жидкости.
4.5. Для интенсификации измельчения медного порошка выявлено только сочетание изопропилового спирта с высокомолекулярным ПАВ – стеариновой кислотой.
4.6. Оптическая оценка морфологии полученных порошков показала, что среда, в которой происходит измельчение, оказывает заметное влияние на форму частиц порошка, однако проследить систему пока не удалось. Исследование влияния условий измельчения и различных добавок на морфологию металлических порошков, в том числе на сфероидизацию, будут проведены на следующем этапе работ.
5. Проведены исследования для теплометрического метода определения оптимального сортамента и уровня шаровой загрузки для процесса вибрационной механической сфероидизации. Сравнительное измельчение в шаровой мельнице при времени измельчения большем в 4,3 раза подтвердило истирающий характер взаимодействий между шарами диаметром 1 и 3 мм и материалом, с образованием преимущественно субмикронных частиц. При использовании шаров диаметром 5 мм разрушающее воздействие на крупные частицы более значимо, но динамика процесса уступает таковой при виброизмельчении. Дальнейшее изучение параметров тепловыделения при вибрационном измельчении металлической стружки, анализ его связи с потребляемой мощностью, крупностью шаров, уровнем шаровой загрузки и другими параметрами, открывают перспективы для создания методики по определению оптимального уровня загрузки и сортамента шаровой загрузки для процесса механической сфероидизации.
6. Опубликованы 4 статьи в журналах, индексируемых в базах данных «Скопус» (Scopus).
