静电分离去除高温合金粉末中非金属夹杂物

静电分离去除高温合金粉末中非金属夹杂物张义文;李科敏【摘要】用人工方法把不同粒度的Al2O3颗粒掺入到粒度为50~100μm的洁净镍基高温合金粉末中，采用静电分离(ESS)方法去除粉末中的Al2O3颗粒，研究ESS工艺参数对Al2O3颗粒去除效果的影响以及在最佳工艺参数条件下去除不同粒度 Al2O3颗粒的效果。

结果表明，电晕电极电压和金属辊筒的转速影响 Al2O3颗粒的去除效果。

ESS最佳工艺参数为：电晕电极电压40 kV，金属辊筒转速50 r/min。

在该工艺参数条件下，不同粒度Al2O3颗粒的去除效果不同，粒度为100~150μm的Al2O3颗粒的去除效果最佳，去除率为83.3%，去除Al2O3颗粒的最大尺寸为200μm。

对单个非金属夹杂物颗粒的受力分析表明，去除非金属夹杂物的最佳尺寸 dc与最大尺寸 dmax之间存在dc=2/3dmax的关系，计算值与实验结果相吻合。

%Mixed powder was prepared by adding Al2O3 particles with different size into high temperature alloy powder sized50−100μm in diameter. Such mixed powder was treated by electrostatic separation (ESS) with different processing parameters and the treated powder was observed under stereoscope to determine removing effects of Al2O3 particles. The results show that the removing effect is enhanced with increasing electrical corona electrode voltage and decreasing rotating rates of drum. The ideal removing effect is obtained under electrical corona electrode voltage of 40 kV and drum rotating rates of 50 r/min, which shows that ESS can effectively remove 76%of Al2O3 particles under 200μm and 83.3%of Al2O3 particles in the range of 100−150μm in diameter. Mechanical analysis of single Al2O3 particle shows that ESS hasdifferent removing effects on Al2O3 particles with different size. There exists an optimum Al2O3 particles size dc, and the maximum Al2O3 particles size of 200μm for the removing effect. It is confirmed by the calculation and experiment that the relationship between dc and dmax is dc=2/3dmax.【期刊名称】《粉末冶金材料科学与工程》【年(卷),期】2016(021)006【总页数】7页(P885-891)【关键词】高温合金粉末;静电分离;夹杂物;去除;粉末净化【作者】张义文;李科敏【作者单位】钢铁研究总院高温材料研究所，北京 100081; 高温合金新材料北京市重点实验室，北京 100081;钢铁研究总院高温材料研究所，北京 100081; 高温合金新材料北京市重点实验室，北京 100081【正文语种】中文【中图分类】TG132.3+2;TF123粉末高温合金是主要用于制造现代高性能航空发动机涡轮盘等关键热端部件的结构材料。

粉末高温合金涡轮盘的低周疲劳寿命和可靠性取决于夹杂物的数量、尺寸和分布。

所以，制备高洁净的高温合金粉末十分重要。

等离子旋转电极工艺(PREP)制备的高温合金粉末中的夹杂物主要来源于制备粉末用的合金棒料。

因此，欲得到高纯净的PREP粉末，可以通过双联或三联冶炼工艺(如VIM+VAR，VIM+ESR，VIM+ VAR+ESR等)净化合金棒料[1−2]，降低粉末中夹杂物含量。

然而，就目前的冶炼技术而言，要生产出不含夹杂物的棒料是不可能的[3]。

用VIM工艺制备的合金棒料中非金属夹杂物的含量约为90颗/kg，尺寸为80~300 μm。

所以，还必须对粉末进行再处理，进一步去除粉末中的夹杂物。

目前，静电分离(electrostatic separation, ESS)是去除高温合金粉末中非金属夹杂物的一种有效方法[4−6]。

ESS属于电力选矿的一种方法，国内外学者对电力选矿开展了大量的研究工作，使得ESS作为一种成熟的技术在电力选矿中得到广泛使用。

有关用ESS去除高温合金粉末中不同尺寸的非金属夹杂物的实验数据和去除效果的报道很少。

文献[5]报道了电晕电极电压、金属辊筒转速对非金属夹杂物去除效果的影响，但没有给出具体实验数据。

PREP高温合金粉末中非金属夹杂物主要为制粉过程中由合金棒料带来的Al2O3和SiO2氧化物、复杂成分的熔渣，以及粉末制备系统中软联接橡胶与金属粉末摩擦产生的有机物[7]。

据此，本工作对PREP高温合金粉末中不同尺寸的非金属夹杂物Al2O3的ESS去除效果进行实验研究和分析。

希望本工作的研究成果对ESS去除非金属夹杂物的认识，以及对实际生产中ESS工艺参数的制定具有借鉴价值和指导意义。

1.1 ESS原理ESS是利用电晕放电以及金属粉末和非金属夹杂物的电性质不同而进行分离的一种技术。

目前广泛使用的高压静电分离原理如图1所示。

高压静电分离装置主要由正负2个电极组成，细金属丝的电晕电极为一极，接地并旋转的大直径金属辊筒作为另一极，两极相互平行。

当两极间的电压达到某一数值时，电晕电极发生电晕放电，从而在两极间产生了电晕电场。

电晕电场很不均匀，电晕电极附近的电场强度非常大，其附近的空气将发生碰撞电离，产生电子和正离子，某些电子又附着在中性分子上形成负离子。

电子、正离子和负离子分别向与各自符号相反的电极运动，于是形成了电晕电流。

电晕电极可以是负极，也可以是正极。

当电晕电极为负极时，空气被击穿所需要的电压比为正极时高得多。

若电晕电极为负极，金属粉末落到金属辊筒表面进入高压电晕电场后，金属粉末和粉末中的非金属夹杂物与飞向正极金属辊筒的电子和负离子相遇，这些电子和负离子便附着在金属粉末和非金属夹杂物上，使其带上负电荷。

由于金属粉末导电率高，获得的负电荷立即被接地的金属辊筒传走(约0.01~0.25 s)[8]，在离心力和重力的共同作用下从金属辊筒的前方落入成品粉罐。

而非金属夹杂物导电率低，不易失去电荷，在电晕电场的电场力和非金属夹杂物与金属辊筒表面的电镜像力的作用下被吸附在金属辊筒表面上。

随着辊筒的转动，吸附在金属辊筒表面上的大尺寸非金属夹杂物，在离心力和重力的共同作用下，摆脱电场力和电镜像力的束缚，从金属辊筒的前方落入中间粉罐；吸附在金属辊筒表面上的小尺寸非金属夹杂物，从金属辊筒下方落入中间粉罐或废粉罐，或在金属辊筒的后下方被钢刷刷下，落入废粉罐。

1.2 实验方法实验所用高压电晕静电分离器的主要参数为：金属辊筒尺寸为直径320 mm，高250 mm，电晕电极电压最高40 kV，电晕电极为直径1 mm的不锈钢丝，电晕电极的位置角(电晕电极与金属辊筒轴的垂直线与竖直线的夹角)15°，与辊筒表面距离80 mm，隔板与辊筒表面间隙5 mm。

实验参数：电晕电极电压分别为20 kV和40 kV，金属辊筒转速分别为25，50和80 r/min。

PREP法制备的高温合金粉末的粒度一般为50~200 μm，由于夹杂物形状不规则，夹杂物最大尺寸可以达到300 μm。

为了研究ESS去除不同尺寸夹杂物的效果，用人工方法在粉末粒度为50~100 μm的100 g纯净粉末中分别掺入粒度为50~100，100~150，150~200和200~300 μm的着成红色的纯Al2O3颗粒10颗。

将Al2O3颗粒与粉末混合均匀，然后对混合后的粉末进行ESS处理，用体视显微镜检测成品粉罐中Al2O3颗粒的剩余个数，取3次实验检测结果的平均值计算去除率。

2.1 ESS工艺参数对Al2O3颗粒去除效果的影响在粉末粒度为50~100 μm的100 g纯净粉末中掺入粒度为50~100 μm的着成红色的纯Al2O3颗粒10颗，然后在不同的电晕电极电压和金属辊筒转速下进行ESS处理，结果如表1所列。

由表1可知，电晕电极电压和金属辊筒转速不同，Al2O3颗粒的去除效果不同。

当金属辊筒转速一定时，随电晕电极电压升高，Al2O3颗粒去除率升高；当电晕电极电压一定时，随金属辊筒转速降低，去除率升高。

从去除效果和实际生产角度考虑，本实验所用高压电晕静电分离器去除Al2O3颗粒的最佳工艺参数为：电晕电极电压40 kV，金属辊筒转速50 r/min。

2.2 不同粒度Al2O3颗粒的去除效果在粉末粒度为50~100 μm的100 g纯净粉末中分别掺入粒度为50~100，100~150，150~200和200~300 μm的纯Al2O3颗粒10颗，在最佳工艺参数下进行ESS处理，结果如表2所列。

由表2可知，Al2O3颗粒粒度不同，去除效果也不同。

随Al2O3颗粒粒度增大，去除率出现最大值。

对于粒度小于200 μm的Al2O3颗粒，去除效果明显，去除率在67.5%以上；大于200 μm的去除率非常低，几乎无法去除；粒度为100~150 μm的去除效果最佳，去除率高达83.3%。

3.1 非金属夹杂物所受吸附力分析在ESS过程中，一般认为非金属夹杂物在金属辊筒表面上受到5种力的作用，包括电晕电场力、电镜像力、非均匀电晕电场力、重力和惯性离心力[6, 8−15]。

本研究认为还应考虑非金属夹杂物与金属辊筒表面的摩擦力和金属辊筒对非金属夹杂物的支持力，非金属夹杂物在金属辊筒表面上受力分析如图2所示。

假设非金属夹杂物为球形颗粒，以转动的金属辊筒为参考系，在空气介质中作用在球形非金属夹杂物上的7种力为：电晕电场力[9, 13, 15]；非金属夹杂物与金属辊筒表面的电镜像力在多数文献中认为[8−15]，本研究认为电镜像力应该为[16−22]；非均匀电晕电场力(梯度力) [8, 13−15]，其大小与f1相比非常小，可以忽略不计[8−9, 15]；重力；惯性离心力f4=0.5mω2D=2.3×10−2ρDn2r3，金属辊筒表面对非金属夹杂物的支持力N；非金属夹杂物与金属辊筒表面的摩擦力，其中最大静摩擦力。