Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

5.10. Переработка окисленного порошка цинка центробежной фильтрацией

Для защиты от коррозии стальные металлоконструкции и магистральные трубопроводы монтируют из оцинкованных труб, покрытых горячим цинкованием.

В последнее время интенсивно развивается компактное газотермическое цинкование для антикоррозионных покрытий [41]. Газотермическое цинкование является эффективным методом поверхностной обработки металлов. Газотермическое напыление заключается в распылении струей воздуха или горячего газа расплавленного порошка цинка. Нанесенные этим методом цинковые покрытия применяются, главным образом, для защиты от коррозии строительных конструкции, труб, используемых в судостроении, при строительстве теплотрасс, технологических трубопроводов и резервуаров в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. Преимущества газотермического напыления цинка в том, что можно осуществлять цинкование строительных металлоконструкций на месте эксплуатации [42].

При монтаже и эксплуатации оцинкованных строительных конструкций образуются узлы с нарушенным цинковым покрытием. Для устранения возникших дефектов удобно применение ручных аппаратов газотермического напыления.

Недостатки газотермического напыление цинка:

– Более высокая стоимость по сравнению с другими методами цинкования.

– Неравномерность толщины газотермического покрытия на обрабатываемой поверхности.

– Коэффициент полезного использования порошка может составлять от 50 до 90 %.

– Покрытие получается пористым и нуждается в дополнительной лакокрасочной обработке. Это объясняется окисленностью поверхности цинкового порошка, что ведет к неполному слипанию частиц (чешуйками).

Обычно цинковый порошок получают распылением расплава. Совместно с институтом теплофизики СО РАН разработана и освоена установка производства порошков легкоплавких металлов [43].

Установка (рис. 55) содержит тигель 2 для расплава с выпускным приспособлением, камеру 1, распылительное сопло 7. Камера снабжена площадкой растекания струи 6, установленная коаксиально распылительному соплу 7. Выпускное приспособление имеет сифонный канал и выполнено в виде напорной трубки 4 из коаксиально сдвоенных наружной 15 и внутренней трубок 14, соединенных вместе в нижней части. В верхней части наружная трубка подсоединена к источнику тока, внутренняя трубка соединена с сифонным каналом посредством конусного полого клапана 3. В нижней части напорная трубка 4 выполнена в виде калиброванного отверстия 5.

Конструкция позволяет сохранить температуру распыляемого металла в точке распыления и стабилизировать фракционный состав порошка.

Максимальную долю необходимой фракции порошка регулируют зазором щели у распыляемого сопла, давлением распыляемого газа и температурным перепадом от точки плавления металла. Порошок цинка распыляется при температуре 470 °С с зазором щели сопла 0,1–0,3 мм давлением азота 2–3 ат.

55_1.tif 55_2.tif

Рис. 55. Схема установки производства порошка, фото. Основные узлы: 3 – затвор подачи расплава; 4 – гидравлический столб жидкого металла; 5 – нипель слива металла; 6, 7 – сопло с зазором подачи газа в виде съемного узла; 14, 15 – коаксиальные трубки для обогрева канала металла

В отличие от радиопромышленности в технологии цинкования напылением применяются крупные порошки фракции 40–100 мкм. Для сортировки распыленных порошков используются сепараторы различной конструкции в зависимости от их реологических свойств (текучести). Для распылительной установки разработан сепаратор (рис. 56) металлических порошков [44]. Внутри цилиндрической камеры 5 сепаратора с крышкой 6, обтянутой сеткой 7, коаксиально установлен с возможностью вращения полый вал 10 с Г-образной трубкой 11. Над крышкой 6 с зазором 8 установлен отражательный конус 9. Нижний конец вала 10 соединен с патрубком подачи воздуха. Патрубок 18 для отсоса пылегазового потока расположен тангенциально камере 5 в ее полости. Загрузочное приспособление 2 расположено над крышкой 6. Разгрузочные приспособления 3 и 4 расположены в нижней части камеры 5. Металлический порошок насыпается на сетку 7. Струи воздуха, выбрасываемые через перфорации в трубке 11, продувают сетку 7, перемещают порошок к разгрузочной щели в приспособление 3. Мелкие частицы движутся с отсасываемым воздухом по окружности и ссыпаются в приспособление 4. Для многократного возврата порошка на сетку 7 над крышкой 6 установлен отражательный корпус 9.

56.tif

Рис. 56. Схема установки сепарации металлических порошков

Установка позволяет отделять от зернистого металлического порошка пылевидную фракцию, которая снижает качество напыления из за повышенной окисленности.

Влияние окисленности порошков на качество изделий изучается и в других отраслях. В работе [45] исследованием показано, что фракция 0,05 мм порошка содержит кислорода в 10 раз больше, чем фракция +0,1 мм и делается вывод об целесообразности использования порошка, распыленного азотом или аргоном.

В работе [46] приведены исследования металлических порошков методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией (РФЭС), выполненных в институте катализа СО РАН, где показано, что окислению подвержен поверхностный слой 1–2 мкм частиц порошка. Порошок полученный измельчением в 1,5 раза менее окисленный, чем распыленный в азоте и в 5 раз менее окисленный, чем распыленный на воздухе.

Такой мало окисленный порошок фракции 45 мк получается измельчением зернистого сыпучего дросса от центробежной фильтрации гартцинка [47].

Дроссы, получаемые цнтробежной фильтрацией целесообразно называть фильтростатками, так как они значительно отличаются малой окисленностью и зернистостью. Ранее в разделе 4.6 показано, что кристаллы фильтростатка покрыты слоем 2,2 мкм окисла, что составляет 0,19 % кислорода в порошке.

В лаборатории Алхимова А.П. института ИТПМ СО РАН разработан способ и аппарат газодинамического напыления изделий цинковым порошком [48]. Порошок цинка менее 50 мкм под давлением воздуха 1,2–1,6 МПа, разгоняется в сверхзвуковом сопле до 600 м/с и напыляется на поверхность. При этом частицы расплавляются в момент удара в напыляемую поверхность без окисления.

Испытания показали, что установка позволяет получать антикоррозионные покрытия цинком толщиной 100–300 мкм на поверхности труб с коэфициентом использования порошка 50–80 %. При этом адгезия напыленного слоя к поверхности трубы составляет 20–40 МПа. Пористость покрытия до 10 % [49].

По запросу Косарева В.И. приготовлена партия порошка железистого цинка крупностью менее 45 мкм из фильтростатков. После центробежной фильтрации гартцинка из ванн цинкования Новосибирского металлургического завода, получены фильтростатки, которые измельчали в шаровой мельнице.

Получаемый порошок железистого цинка оказался пригоден для напыления и может использоваться вместо цинкового порошка. Поверхность обладает более высокой твердостью, чем цинк, что способствует повышению износостойкости.

Однако, применение порошка железистого цинка для цинкования напылением недостаточно изучено. Несмотря на то, что порошок имеет пониженную окисленность, а содержание железа в нем зависит от состава исходных отходов изменяется в широких пределах и требуют изучения влияния концентрации железа на коррозионные стойкость покрытия.

Горячее цинкование и газотермическое напыление какой-то мере взаимно дополняют друг друга и позволяют решать задачи, связанные с защитой изделий от коррозии.

Основным недостатком, удорожающим процесс, это высокий выход порошковых отходов. Отходы окисленного порошка цинка образуются (10–20 %), как отсев мелкой фракции (менее 30 мкм), образовавшихся при распылении расплавленного цинка воздухом. Второй источник отходов при использование крупной фракции в газотермическом напылении цинка на трубы и металлоконструкции. При этом значительная часть порошка (20–50 %) не прилипает к поверхности и окисляясь выносится в циклоны.

Для снижения воздействия высокого выхода отходов проведено испытание переработки порошковых отходов вмешиванием его с помощью погружного фильтра в расплав цинка.

Мелкие частицы крупностью от 10–40 микрон покрыты окисью цинка по поверхности толщиной 2–5 микрон. Даже при нагреве выше температуры плавления цинка остаются не сливающимися каплями, так как покрыты окисной пленкой.

Полагается, что вмешивание окисленного порошка цинка в расплав цинка с покрытием из хлористого цинка при 440–470 °C создаст условия очистки окисной пленки по реакции:

Zn(ZnO) + ZnCl2 + NH4Cl = ZnCl2 + H2O+ NH3+ Znж; (5.18)

Zn + 2NH4Cl = ZnCl2 + 2NH3 + H2. (5.19)

Обычная загрузка порошка на расплав под мешалку значительная часть хлористого аммония испаряется, очищает часть порошка от окиси, оплавляется, но основная масса не смачивается и остается в виде пены на расплавленном цинке, постепенно дробится и хлорируется. Такая загрузка шихты под мешалку проходит медленно, недостаточно полно, так как образуется пена из расплавленных частиц покрытых окисной оболочкой мешающей слиянию.

Моделью для испытаний служила лабораторная центрифуга ОП 130 [40].

Центрифуга (рис. 57) содержит обогреваемый котел 1 для расплава, съемный фильтр состоящий из нижнего конуса 2 и верхнего конусного цилиндра 3, соединенных большими основаниями с образованием фильтрующей щели 4. Нижний конус 2 соединен валом 5 с приводом 6. Двигатель 6 установлен на кулисном механизме 7 для осевого вертикального перемещения вместе с тарелью 2. Зазор щели 4 вначале свободный 0,5–1 мм и в конце процесса регулируется сжатием тарели 2 с конусным цилиндром 3 пружинным фиксатором зазора 8. Нижняя тарель у оси снабжена окнами 9 для захвата расплава. Верхний конусный цилиндр крепится к трубчатому ротору 11.

57.tif

Рис. 57. Центрифуга лабораторная: 2 – нижняя тарель;3 – конусный цилиндр; 4 – фильтрующая щель; 9 – окна загрузочные

58.tif

Рис. 58. Фильтр контейнерный: 2 – нижняя тарель;3 – конусный цилиндр; 4 – фильтрующая щель; 9 – окна загрузочные

В котел загружается первичная навеска цинка на треть объема емкости котла. Цинк нагревается до температуры 450–470 °С, затем на поверхность расплава догружается слой 0,5–1 см хлористого цинка. Зазор щели 4 устанавливается в заданном интервале 0,5–1 мм фиксатором 8. В котел с расплавом при помощи кулисного механизма 7 погружается фильтр со щелью 4 под уровень расплава и приводится во вращение.

При вращении фильтра расплав засасывается через окна 9 в нижней тарели, омывает оплавляемую шихту и струей расплава под давлением расплава выбрасывается через щель 4. Окисная пленка на движущихся частицах реагирует с хлористым аммонием, поверхность очищается и капли сливаются с жидким цинком в ванне.

По мере накопления расплавленного цинка его разливают в слитки из под слоя флюса.

После наполнении емкости котла расплавом сжимают основания тарели и большого основания конусного цилиндра до размера 0,1 мм. Вращают фильтр в расплаве в течение 5–10 мин без подгрузки шихты для наполнения осадка в полости. Фильтр не прекращая вращения поднимают выше крышки и освобождают сжатие зазора щели. Под действием центробежной силы щель расширяется и осадок выбрасывается.

На заключительной стадии не прореагировавший разгруженный фильтростаток с добавкой 0,9 % хлористого аммония от веса загружают в верхний конусный цилиндр и оплавляют циркуляцией оставшегося в котле расплава и флюса.

Методика опытов. В котел загружено 20 кг цинка, который нагревают до температуры 450 °С. Цинк расплавляется и на поверхность догружается слой 0,5–1 см флюса в виде хлористого цинка. В отходы весом 5 кг окисленного порошка, содержащего 0,19 % кислорода смешивают с фиксированным расходом хлористого аммония от веса порошка. Зазор щели 4 фильтра устанавливается до 0,5–1 мм ослаблением фиксатора 8. Фильтр диаметром 130 мм приводят во вращение со скоростью 360 об/мин.

После загрузки последней порции партии шихты загрузку прекращают и отфильтровывают осадок. По весу отфильтрованного фильтростатка в отношении к весу партии определяли долю оплавленного порошка, как показатель использования цинка. В табл. 31 приведены результаты опыты по оплавлению окисленного порошка.

Таблица 31

Результаты подобных опытов оплавления порошка

Номер опыта

Вес загрузки порошка, кг

Расход, %, NH4Cl

Вес остатка, г

Процент оплавления порошка

1

5, в ванну без слоя ZnC2

0,5

39,3

18,2

2

5

0

200,0

8,3

3

5

0,3

32,8

31,9

4

5

0,5

29,2

39,3

5

5

0,9

14,1

70,7

6

5

1,3

10,5

78,2

7

5, под мешалку

0,9

25,5

47,0

В опыте 1 отходы порошка с добавкой вмешивались в ванну без наплавления начального слоя хлористого цинка.

В отсутствии слоя хлористого цинка на поверхности расплавленного цинка в исходном покрытии при загрузке порошка в нагретый конусный цилиндр будет происходить дополнительное его окисление. После вовлечения такого окисленного порошка струей цинка он остается не смачиваемым и всплывет на поверхности ванны продолжая окисляться.

При вмешивании отходов на ванну без предварительного наведений слоя хлористого цинка доля оплавленного порошка составила 18,2 % и перемешивание пены 200 мин.

При вмешивании порошка цинка (опыт 2) без хлористого аммония доля оплавления 8,3 %.

При вмешивании порошка цинка без хлористого аммония доля оплавления 8,3 %. В ванне расплава цинка образуется густая пена, которая перемешивалась 160 мин.

В ванне расплава цинка образуется густая пена. Приемлемое оплавление порошка достигается при расходе 0,9 % хлористого аммония, при котором доля оплавления составила 70,7 %.

Повышение расхода хлористого аммония до 1,3 % незначительно повышает оплавление порошка, но излишне повышает хлорирование металлического цинка.

Повышение расхода хлористого аммония незначительно повышает оплавление порошка вероятно за счет хлорирования металлического цинка (реакция 2).

В опыте 8 вместо нижней тарели на резьбу вала поставлена лопастная мешалка для вмешивания шихты в расплав.

Доля оплавления порошка составила 47 %, меньше чем в предыдущих опытах.

При вращении фильтра в расплаве в полости фильтра за счет разницы центробежных сил у окон конуса и на периферии щели фильтра возникает всасывание расплава через окна и под давлением выбрасывается через щель.

После загрузки шихты в конусный цилиндр порошок увлекается циркулирующим расплавом и суспензия порошка с расплавом под давлением выбрасывается через щель фильтра.

При этом происходит разогрев частицы порошка до температуры плавления, испарение хлористого аммония (327 °С) и воздействие его паров на окисную поверхность оплавленной частицы порошка.

Происходит одновременное механическим воздействие на окисную поверхность частиц порошка, циркулирующим расплавом путем продавливания через узкую щель в момент его оплавления, механическое воздействие давления прохождением через щель, химическое воздействие испаряющегося хлористого аммония с последующим очищенных капель в общую массу циркулирующего расплава. Очищенная поверхность капли цинка от окисной пленки продолжает взаимодействовать с остатками хлористого аммония.

Способ позволяет на 90,4 % оплавить порошок цинка и тем самым снизить потери цинка при переработке порошковых отходов цинка [50].

По всей вероятности повышение доли оплавления способствует воздействие циркуляции расплава на поверхность порошка частиц. Расчет центробежной силы в главе 3 показал, что условиях опыта скорость движения расплава из щели 25 дм/с. Это может воздействовать на реакцию по поверхности частиц и обеспечить интенсивное физико-химическое воздействие на порошок цинка в момент плавления для удаления окисной пленки с поверхности мелких частиц и оплавить в жидкий металл.

Переработка отходов порошка вмешиванием в расплав фильтра практически превращается в физико химический реактор взаимодействия твердой фазы с расплавом и газовой фазой. Для уточнения такого предположения требуются сравнительные исследования кинетики процесса.

В целом вмешивание отходов окисленного цинкового порошка в расплав цинка покрытом хлористым цинком и циркуляцией его через полость фильтра обеспечивает оплавление порошка цинка в течение 10 мин.


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252