【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(duì)混合粉末進(jìn)行靜電分離 (ESS)后 ,用體視顯微鏡檢測(cè)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(shù)不同 ,ESS去除效果也不同。當(dāng)輥筒轉(zhuǎn)速一定時(shí) ,隨著電暈極電壓的升高 ,去除效果增強(qiáng) ;電暈極電壓一定時(shí) ,隨輥筒轉(zhuǎn)速降低去除效果也增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相吻合。在本實(shí)驗(yàn)條件下 ,ESS的最佳工藝參數(shù)為 :電暈極電壓40kV ,輥筒轉(zhuǎn)速 5 0r/min。

    1　前言
    
    高溫合金粉末中夾雜物的數(shù)量和尺寸直接影響其制品的強(qiáng)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(zhuǎn)電極工藝(ＰＲＥＰ)制取的高溫合金粉末中的夾雜物主要來(lái)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(guò)完善冶煉工藝來(lái)降低夾雜物含量[1,2]。然而就目前的冶煉技術(shù)狀況而言,要生產(chǎn)出不含夾雜物的棒料是不可能的[3]。所以,還需要通過(guò)對(duì)粉末進(jìn)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(guān)用ＥＳＳ法去除高溫合金粉末中非金屬夾雜物的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)道甚少[4,5]。本文通過(guò)用不同的電暈極電壓和輥筒轉(zhuǎn)速對(duì)ＥＳＳ去除高溫合金粉末中陶瓷夾雜物Ａｌ2Ｏ3的效果進(jìn)行了研究并作了初步的理論分析。

    2　實(shí)驗(yàn)方法
  
    2.1、實(shí)驗(yàn)原理：靜電分離是利用電暈放電現(xiàn)象以及金屬粉末和非金屬夾雜物電性質(zhì)不同進(jìn)行分離的。目前廣泛使用的高壓靜電分離原理見(jiàn)圖1。靜電分離裝置主要由兩個(gè)電極組成,細(xì)金屬絲為一極,接地并有一定轉(zhuǎn)速的大直徑金屬輥筒作為另一極。當(dāng)兩極間的電位差達(dá)到某一數(shù)值時(shí),細(xì)金屬絲發(fā)生電暈放電現(xiàn)象(此極稱為電暈極),從而在兩極間產(chǎn)生電暈電場(chǎng)。該電場(chǎng)很不均勻,電暈極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度非常大,其附近的空氣發(fā)生碰撞電離,產(chǎn)生了電子和正離子,某些電子又附著在中性分子上形成負(fù)離子。電子、正離子和負(fù)離子分別向與各自極性相反的電極運(yùn)動(dòng),于是形成電暈電流。電暈極可以是負(fù)極,也可以是正極。當(dāng)電暈極為負(fù)極時(shí),空氣被擊穿所需要的電壓比為正極時(shí)高得多。靜電分離是利用電暈放電現(xiàn)象,因此必須防止空氣被擊穿而產(chǎn)生火花放電,因?yàn)榛鸹ǚ烹娖茐姆蛛x過(guò)程的正常進(jìn)行。
    
    若電暈極為負(fù)極,金屬粉末經(jīng)給料器落到輥筒表面進(jìn)入電暈極所產(chǎn)生的高壓電暈電場(chǎng)后,金屬粉末和非金屬夾雜物與飛向正極輥筒的電子和負(fù)離子相遇,這些電子和負(fù)離子便附著在金屬粉末和非金屬夾雜物上,使其帶上負(fù)電荷。由于金屬粉末導(dǎo)電率高,獲得的負(fù)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(jìn)入成品粉罐;而非金屬夾雜物導(dǎo)電率低,不易失去電荷,在電暈電場(chǎng)的庫(kù)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(zhuǎn)動(dòng)而被帶到其后下方,被鋼刷刷下。
    
    2.2、實(shí)驗(yàn)方法和參數(shù)實(shí)驗(yàn)在進(jìn)口的德國(guó)海拉斯高壓電暈靜電分離器上進(jìn)行。其主要參數(shù)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(shí)驗(yàn)參數(shù)為:電暈極電壓分別為20ｋＶ、40ｋＶ,輥筒轉(zhuǎn)速分別為25ｒ/ｍｉｎ、50ｒ/ｍｉｎ、80ｒ/ｍｉｎ,隔板與輥筒表面間隙5ｍｍ。實(shí)驗(yàn)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(cè)粉末中Ａｌ2Ｏ3顆粒剩余個(gè)數(shù),計(jì)算出去除率。

    3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析從表1可以看出,實(shí)驗(yàn)參數(shù)不同,靜電分離去除效果也不同。當(dāng)輥筒轉(zhuǎn)速一定時(shí),隨著電暈極電壓的升高,Ａｌ2Ｏ3顆粒去除率升高;當(dāng)電暈極電壓一定時(shí),降低輥筒轉(zhuǎn)速,去除率升高。從去除效果和實(shí)際生產(chǎn)角度考慮,本實(shí)驗(yàn)所用高壓電暈靜電分離器去除Ａｌ2Ｏ3顆粒的最佳工藝參數(shù)為:電暈極電壓40ｋＶ,輥筒轉(zhuǎn)速50ｒ/ｍｉｎ。
　　
    文獻(xiàn)[4,6,7]認(rèn)為,在靜電分離過(guò)程中非金屬夾雜物相對(duì)靜止在輥筒上受到5種力的作用,作者認(rèn)為還應(yīng)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(jiàn)圖2。假設(shè)非金屬夾雜物為球形顆粒,6種力可以表達(dá)為:
    
    電暈電場(chǎng)的庫(kù)倫力ｆ1=
    非均勻電暈電場(chǎng)引起的力　�。�2=
    其大小與ｆ1相比極小,可以忽略不計(jì)。
    帶電非金屬夾雜物與輥筒表面的鏡面吸引力　�。�3=
    
    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(diǎn)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�。拧�——非金屬夾雜物所在位置的電暈電場(chǎng)強(qiáng)度,Ｖ/ｃｍ;ε———非金屬夾雜物的介電常數(shù);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(shù);Ｍｆ(Ｒ)———非金屬夾雜物界面電阻的函數(shù),接近于1;Ｄ———輥筒直徑,ｃｍ;ｎ———輥筒轉(zhuǎn)速,ｒ/ｍｉｎ;ｇ———重力加速度,其大小為980ｃｍ/ｓ2。
  
    由于在靜電分離過(guò)程中非金屬夾雜物受到流動(dòng)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)條件下Ａｌ2Ｏ3顆粒去除率最高為76.7%(見(jiàn)表1)。可以說(shuō)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(chǎng)強(qiáng)度Ｅ也越高,電暈電場(chǎng)的庫(kù)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(zhuǎn)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(shí)際生產(chǎn)中,輥筒轉(zhuǎn)速ｎ不能無(wú)限低。其原因,一是生產(chǎn)效率低;二是非金屬夾雜物與輥筒接觸時(shí)間過(guò)長(zhǎng),部分非金屬夾雜物有可能失去電荷,無(wú)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(guò)程。

    4　結(jié)論
    
    (1)工藝參數(shù)不同,靜電分離去除效果也不同。當(dāng)輥筒轉(zhuǎn)速一定時(shí),隨著電暈極電壓的升高,Ａｌ2Ｏ3顆粒去除率升高;當(dāng)電暈極電壓一定時(shí),降低輥筒轉(zhuǎn)速,去除率升高。但是,當(dāng)輥筒轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí),夾雜物放電時(shí)間延長(zhǎng),去除率反而降低;其次,當(dāng)輥筒轉(zhuǎn)速很低時(shí),生產(chǎn)效率降低。
    
    (2)在本實(shí)驗(yàn)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(shù)為:電暈極電壓40ｋＶ,輥筒轉(zhuǎn)速50ｒ/ｍｉｎ。(3)本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律性與理論分析相吻合。

【作  者】：張義文,陳生大,張宏,馮滌

【機(jī)  構(gòu)】：鋼鐵研究總院高溫材料研究所!北京100081


參考文獻(xiàn)
    [1]　李為繆.鋼中非金屬夾雜物[Ｍ].北京:冶金工業(yè)出社,1998.461 462.
    [2]　ＣＴＳｉｍｓ,ＷＣＨａｇｅｌ.Ｔｈｅｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ[Ｍ].ＮｅｗＹｏｒｋ:Ｗｉｌｅｙ,1972.373-401.
    [3]　李為繆.鋼中非金屬夾雜物[Ｍ].北京:冶金工業(yè)出版社,1988.1 7.
    [4]　ВСМешалин,ВЯКошелев,АИМесеняшин.ОчисткаМассыГранулЖаропрочныхНикелевыхСплавовотНеметаллическихВключенийЭлектростатическойСепарацией[Ａ].Вкн.МеталлургияГранул[Ｃ].М:ВИЛС,1993.246 251.
    [5]�。牵龋牵澹螅螅椋睿纾澹�.ＰｏｗｄｅｒＭｅｔａｌｌｕｒｇｙｏｆＳｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ[Ｍ].Ｌｏｎｄｏｎ:Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈｓ,1984.47 51.
    [6]　張家駿,霍旭紅.物理選礦[Ｍ].北京:煤炭工業(yè)出版社,1992.390 398.
    [7]　趙志英.磁電選礦[Ｍ].北京:冶金工業(yè)出版社,1989.250 258.