《粉末冶⾦车间设备及设计》讲义
绪论
粉末冶⾦是材料科学的⼀个重要领域。在国民经济和国防建设中起着重要的作⽤。 粉末冶⾦⽅法起源于公元前三千多年。制造铁的第⼀个⽅法实质上采⽤的就是粉末冶⾦⽅法。1909年制造电灯钨丝，推动了粉末冶⾦的发展；1923年粉末冶⾦硬质合⾦的出现被誉为机械加⼯中的⾰命；三⼗年代成功制取多孔含油轴承；继⽽粉末冶⾦铁基机械零件的发展，充分发挥了粉末冶⾦少切削甚⾄⽆切削的优点；四⼗年代，出现⾦属陶瓷、弥散强化等材料；六⼗年代末⾄七⼗年代初，粉末⾼速钢、粉末⾼温合⾦相继出现；利⽤粉末冶⾦锻造及热等静压已能制造⾼强度的零件。
⼯程材料主要利⽤其⼒学性能（强度、硬度、塑性、韧性等）；功能材料主要利⽤其物理性能（光、电、磁、热、声等）。
领域：机械、化⼯、电器仪表、⽯油钻探、国防等
材质：Fe基、Cu基、Cu-W合⾦、W制品、WC-Co合⾦等
⽤途：摩擦材料、减磨材料、结构材料、⼯具材料、电⼯材料等
多孔材料：孔隙度20～30％，可以过滤、减震、隔⾳、热交换等
减摩材料：多孔可含油，保证⾼耐磨性时低的摩擦系数。
摩擦材料：⾼耐磨性和⾼的摩擦系数。
⼯具材料：硬质合⾦、粉末⾼速钢、⾦属陶瓷等⼯模具。
电磁材料：电器、电⼦、通讯等元件
⾼温材料：助推⽕箭、航空发动机、汽轮机等。
⽬前⼤家在做的事情：
（1）⾦属粉末
⾼密度、⾼精度、⾼强度粉末冶⾦零件的发展，导致⽇本、欧美低合⾦粉末⽣产的迅速发展。按照加⼊的合⾦元素，现在有Cr⼀Mn系与Ni⼀Mo⼀Cu 系，但它们皆趋向于采⽤复合型粉末（是指⽤⽓体式液体雾化法制成的预合⾦化粉末。部分扩散预合⾦化粉末，使⼀种或⼏种组份以涂层状或很细的弥散
颗粒状
分布于主要组份粉末颗粒之上或之中组成的粉末）。
（2）硬质合⾦
混料设备：采⽤微机控制的可倾式球磨机。新的⼲燥⽅法有喷雾⼲燥法及流态化床⼲燥法以及两者结合的流态化床喷雾制粒装置。
天津烟草网上营销平台成形技术：挤压成形法可⽣产0.2⼀0.35mm的打印针，中0.5~30mm，长达3m的棒针，内径o.OZmm，外径o。45mm的微型套管。还可⽣产整体铣⼑、铰⼑、⿇花钻、微型钻、螺旋铣、半⽉型空⼼深孔钻等形状复杂的制品，这是模压法所难以胜任的。 烧结技术：过压烧结，也称低压热等静压、真空烧结热等静压或低压真空烧结。其实质是脱蜡、预烧、烧结、热等静压合为⼀道⼯序。这种新的烧结技术源于80年代初期，可以说是由热等静压技术演变过来的。可以得到孔隙度为零的产品，且能消除钻池和碳化物晶粒异常长⼤，因⽽更能保证烧结质量。
涂层硬质合⾦：⾃1969年问世后，发展速度很快，涂层⼑⽚已达切削⼑⽚总量的60⼀70%。
机夹⼑⽚技术和废料回收技术：硬质合⾦⼯艺技术⽅⾯的重⼤进展，除上述⼏⽅⾯外，还有机夹⼑⽚(或可转位⼑⽚)技⽊和硬质合⾦废料的回收拉术。机夹⼑⽚的发展给机械加⼯业带来巨⼤效益，因此成为世界各国硬质合⾦⼚的主要产品。最近发展起来的电泳回收法，亦可⽅便地回收WC和CO，克服了产物中的含锌间题，但还需进⼀步控制粒度。
（3）航空⼯业粉末冶⾦结构材料
60年代以来，粉末冶⾦技术在航空上的应⽤出现了突破性的发展，⼀系列新技术、新⼯艺和新材料相继涌现。如超细超微、⾼纯⾼合⾦化粉末制造技术，快速凝固、机械合⾦化、喷射成形
（4）⾮晶态合⾦粉末
⾮晶态合⾦在结构和成份上的均匀性，使它具有许多独特的性能，如优异的磁性、耐腐蚀性、耐磨性，⾼的强度、硬度和韧性，⾼的电阻率和机电藕合系数，以及良好的催化活性，储氢特性，钎焊性能和防辐照特性等，由于其性能优异、制备⼯艺简单，⾮晶态合⾦的研究和产品开发已成为80年代材料科学界的热点⼯程之⼀。
制取⾮晶态合⾦粉末的主要⽅法有：常规氮⽓雾化法，⾼压⽔雾化法，超声氦⽓雾化法。其它⽅法还有，⾼速旋转筒法，滚筒急冷法等。
（5）精细陶瓷研究与开发
只有严格控制精细陶瓷的形状与结构，才可以提⾼陶瓷的性能并开发新⽤途。
（6）粉末冶⾦新⼯艺的发展
⾃芡烬⾼温合成技术(SHs)
⾃蔓燃⾼温合成技术是⼀种能合成，制造和加⼯处理各种材料的新技术。
SHS技术是利⽤化学能⽽不是电能，⽤快速内燃，⽽不是慢速外部加热的⽅法，与传统的材料制造⼯艺相⽐，其⼯艺和设备简单，能耗和原材料消耗低，由于⾼温蒸发低沸点杂质，产品纯度⾼，⽽⾼温梯度和⼤的冷却速率，能获得复杂相或亚稳相，⽣产效率⾼，成本低等。
SHS的应⽤⾮常⼴泛，应⽤领域⼀般可分为6个⽅⾯，即SHS制粉，SHS 烧结，SHS致密化。SHS焊接，SHS涂层，SHS熔敷。
超细粉末的制备及其应⽤
有⼈预测，2000年新材料发展的焦点: ⼀是超导材料。⼆是超细粉末。
超细粉末的制备⽅法很⼴，分物理法、化学法和物理化学法三⼤类。物理法有：流动油⾯上真空蒸发法、放电爆炸法、低压⽓中蒸发法(包括等离⼦射流法、电⼦束法、激光束法等)。化学法有:⽓体还原法、⽓相反应法、⾦属碳基物热分解法。汞齐法、冷冻⼲燥法等。物理化学法有代表性的是活化氢熔融⾦属反应法(其粒度范围为。.02~0.1nm)，该法是⼀种颇有前途的⼯业化⽣产超细粉末的⽅法。 应⽤⼴泛、技术成熟、⽣产低投⼊、深度加⼯⾼回报等，导致粉末冶⾦⾏业发展⾮常迅速，⼯⼚层出不穷。株洲的知名企业与著名商标，⽽成为硬质合⾦的代名词。
我国粉末冶⾦⾏业已经经过了近10年的⾼速发展，但与国外的同⾏业仍存在以下⼏⽅⾯的差距：(1)企业多，规模⼩，经济效益与国外企业相差很⼤。(2)产品交叉，企业相互压价，竞争异常激烈。(3)多数企业缺乏技术⽀持，研发能⼒落后，产品档次低，难以与国外竞争。(4)再投⼊缺乏与困扰。(5)⼯艺装备、配套设施落后。(6)产品出⼝少，贸易渠道不畅。
蛋清粉⼯⼚性质不同：国有控股、民营企业、合资企业等
产品性质不同：粉末专业⽣产⼚、粉末冶⾦制品⽣产⼚等
本课程分两个部分：车间设备和车间设计
本课程学习⽬的：
1 了解粉末冶⾦⽣产中基本设备
2 了解⼯⼚设计的基本概念
3 了解⽣产和质量经管的基本过程与环节
4 建⽴安全、环保、防范的基本意识
结业评分规范：平时成绩（含作业）30分，考试70分。
第⼀部分粉末冶⾦车间设备
第⼀章制粉设备
教案内容：固体还原、⽓体还原制粉原理及设备；安全⽤氢；物理制粉设备。
教案要求：掌握⽓体还原制粉原理及设备；掌握安全使⽤氢⽓；了解物理制取⾦属粉末⽅法及设备。
教案难点：氢⽓的安全使⽤。
教案安排：4课时
⾦属粉末属于松散状物质，其性能综合反映了⾦属本⾝的性质和单个颗粒的性状及颗粒的特性。⼀般将⾦属粉末的性能分为化学性能、物理性能和⼯艺性能。化学性能是指⾦属含量和杂质含量。物理性能包括粉末的平均粒度和粒度分布，粉末的⽐表⾯和真密度，颗粒的形状、表⾯形貌和内部显微结构。⼯艺性能是⼀种综合性能，包括粉末的流动性、松装密度、振实密度、压缩性、成形性和烧结尺⼨变化等。
按转变的作⽤原理分为机械法和物理化学法两类，既可从固、液、⽓态⾦属直接细化获得，⼜可从其不同状态下的⾦属化合物经还原、热解、电解⽽转变制取。难熔⾦属的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物⼀般可直接⽤化合或还原－化合⽅法制取。
粉末冶⾦制品的原材料—⾦属粉末可有多种路径得到。
物理化学⽅法：氧化还原（矿⼭产品）、⽓相冷凝、液相沉淀、电解等
机械⽅法：机械破碎、雾化等
应⽤最⼴的是还原法、雾化法、电解法。
1.1 固体碳还原制粉设备
主要适⽤于铁粉⽣产
⽣产原理：
C + Fe2O3、Fe3O4、FeO === Fe + CO2
本还原反应为吸热反应，温度有利反应进⾏。
参加反应的原材料是固体C（煤、焦碳、⽊炭）和氧化铁（铁鳞），⽣成物
是铁（海绵铁）和废⽓。
对设备的基本要求：
加热反应1100-1200℃
保温扩散型相变需要时间
冷却⾼温出炉遇空⽓⼜氧化
排⽓废⽓分压影响反应⽅向
测温控制反应速度与产品质量
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进料减⼩劳动强度
常见设备：
倒焰炉图1-1 P3
隧道窑图1-2 P4
* ⽣产过程控制：
原料准备：铁矿粉（烘⼲）、还原剂（煤粉或焦炭粉）、脱硫剂（⽯灰⽯）装罐：ф350×380
隧道窑分为三段：预热带、还原带、冷却带。窑长260 m
预热带（51 m）⽔分的蒸发、⽔合物分解和碳酸钙分解
还原带（154 m）铁的氧化物被CO还原
C+CO2==2CO
FeO+CO==Fe+CO2
CO2+C==2CO…….循环
⼀切有利碳⽓化反应的措施，均提⾼还原速度。如提⾼温度、增加配碳量、增加碳粉表⾯积、加催化剂等。
FeO消失后，炉内⽓氛为渗碳⽓氛，海绵铁开始渗碳
2CO ==C+CO2
3Fe+C==Fe3C 正确控制还原终点，控制碳含量。
冷却带（55 m）低于100℃出炉
温度下降、⽓氛变为氧化性质、海绵铁收缩等，再氧化。
预防海绵铁再氧化措施：反应罐加盖密封。
过程达20～40 h，还原温度1180℃，喷嘴152⽀，温度控制点25个。
1.2 ⽓体还原制粉设备
前⾯介绍起还原作⽤的是CO⽓体，但还原剂加⼊为固体形式。⽽⽓体还原
制粉的还原剂却是另⼀种还原性⽓体——氢⽓。
主要应⽤于W粉、Mo粉、Co粉、Ni粉、Cu粉等的⽣产。
⽣产原理：
H2+ MeO === Me + H2O
本还原反应为吸热反应，温度有利反应进⾏。
参加反应的原材料是还原性强的氢⽓和⾦属的氧化物，⽣成物是还原⾦属和氧化性强的⽔蒸⽓。
对设备的基本要求：
加热反应950～1000℃
保温扩散型相变需要时间
冷却⾼温出炉遇空⽓⼜氧化
排⽓废⽓分压影响反应⽅向
测温控制反应速度与产品质量
进料减⼩劳动强度
⽣产过程控制：
原材料处理，⽣产⽅法（装料，还原⾦属，温度控制）。
与前不同是，使⽤了⾮常危险的易爆⽓体—氢⽓，且产⽣强氧化性⽔蒸⽓。
常见设备：
管式炉或管式还原炉图1-5 P6
物权法论文⽹带式还原炉图1-6 P7
回转管式还原炉图1-11 P10
设备的主要结构：
炉头、炉⾝、炉尾、炉管、炉壳；推⾈系统、加热系统、温度控制系统、氢⽓管道系统、进⽓排⽓设置、⽔冷系统等。* ⽣产举例：氢⽓还原氧化钨⼯艺
W的氧化物中有四种⽐较稳定形式：黄⾊WO3、蓝⾊WO2.90、紫⾊WO2.72、褐⾊WO2。
实际反应顺序：
上海电视节2013WO 3 + 0.1H 2 === WO 2.90 + 0.1H 2O
WO 2.90+ 0.18H 2=== WO 2.72 + 0.18H 2O
WO 2.72 + 0.72H 2=== WO 2 + 0.72H 2O
WO 2 + 2H 2 === W + 2H 2
WO 3 + H 2 === W + 3H 2O
机理：化学⽓相迁移长⼤机理。
在⽔蒸⽓下，WO 3⽣成挥发性较强的⽔合氧化物WO 2（OH ）2，呈⽓相，并在H 2作⽤下沉淀在W 粉颗粒上，W 粒聚集长⼤。
从机理上看，⾼温和湿氢有利于⽓相迁移。
还原过程分析，它受T 和
2
2H O H P P ⽐值控制 1 T ：
T ＞775℃WO 2.72 --- WO 2 --- α-W
WO 3---WO 2.90--T = 575—585℃ WO 2 ----- α-W T = 525—550℃β-W --- α-W
T 越低还原时间越长 2 22H O H P P ：如22H O H P P ⽐值较⼤，T 将提⾼；降低T ，必降低2
2H O H P P ⽐值，降低P H2O 。⽣产控制：
1 H 2流量提⾼，⽔⽓迅速排除，有利得到细颗粒W 粉。但太⼤，W 粉实收率下降。
转⼦流量计测定H 2流量
2 氢湿度（H 2中⽔与反应⽣成⽔）较⾼。当温度较⾼，⽣成WO 2（OH ）2速度提⾼，W 颗粒长⼤加剧。
顺H 2和逆H 2⼯艺
3 料层薄，⽔⽓易排除，有利制得细颗粒W 粉。
4 原料中⽔含量太⾼，出炉可能再次氧化，W 粉氧含量可能超标。所以，原料粉尽可能⼲燥。
咱们的退伍兵
*碳管炉图1-7 P8
书上作为还原炉介绍，实际多作为碳化使⽤。
结构：炉管为⽯墨管，也为加热元件。易氧化燃烧，故⽤⽯墨粉作保护层。
特点：电阻很⼩，很⼩电压，可形成较⼤电流，产⽣热量较⼤，达到较⾼温度。同时，具有负的电阻温度系数，温度越⾼，强度越⼤。T可达2200℃。
需碳化的产品：W粉、CK料（复式碳化物或称碳化物固溶体）等。
不通H2W + C === WC W + 2CO === WC + CO2
通H2的 C + 2H2 === CH4W + CH4 === WC + 2H2
TiO2 + 3C+WC ===（40-60）TiC-WC + 2CO
TiO2 + 3C + WC + TaC ---- TiC-WC-TaC
* H2炉安全操作
氢⽓为易爆危险⽓体，爆炸危害程度⾮常⼤。⼯业⽣产却是较便宜的有效的强还原性⽓体。⼯业制造⽅法有⽔电解和氨⽓分解。
氢⽓性质：
氢⽓在空⽓⾥的燃烧，⽣成⽔。2H2 + O2 == 2H2O
豫公网安备41160202000603
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