Tecnología de esferoidización de polvos Se ha convertido en una parte indispensable de la industria moderna y la tecnología avanzada. Mejora las características superficiales y las propiedades físicas de los polvos, optimiza el rendimiento del material y cumple con los requisitos multifuncionales. Actualmente, las tecnologías de esferoidización de polvos han penetrado en numerosos campos, como el farmacéutico, el alimentario, el químico, el de la protección ambiental, el de la ciencia de los materiales, el metalurgia y el de la impresión 3D.
La preparación de polvos esféricos involucra múltiples disciplinas, como la química, la ciencia de los materiales y la ingeniería. A continuación, se presenta una descripción general de las principales tecnologías de esferoidización de polvos.
1. Método de conformación mecánica
El método de conformado mecánico se basa principalmente en fuerzas mecánicas como la colisión, la fricción y el cizallamiento para inducir la deformación plástica y la adhesión de las partículas. Tras un procesamiento continuo, las partículas se vuelven más densas. Sus bordes afilados se pulen gradualmente, alisándose y redondeándose mediante impactos repetidos.
Este método normalmente utiliza alta velocidad. molinos de impacto y molinos de medios agitados para preparar materiales en polvo fino. Combinados con molienda seca o húmeda, pueden producir polvos con mayor finura. tamaño de partícula, distribución de tamaño más estrecha y un cierto grado de esferoidización.
El conformado mecánico se aplica ampliamente en la esferoidización de grafito natural, grafito artificial y partículas de cemento. También es adecuado para la trituración y la producción de polvo de metales frágiles o polvos de aleación.
Las materias primas utilizadas en este método son ampliamente disponibles y económicas. Se puede aprovechar al máximo los recursos existentes. El proceso es sencillo, ecológico y apto para la producción a escala industrial. Sin embargo, presenta una selectividad limitada en cuanto a materiales. La esfericidad, la densidad aparente y el rendimiento tras el procesamiento no siempre pueden garantizarse. Por lo tanto, es principalmente adecuado para polvos esféricos con requisitos de calidad relativamente bajos.
2. Método de secado por aspersión
El secado por aspersión consiste en atomizar un material líquido en finas gotas. La humedad se evapora rápidamente en una corriente de aire caliente, lo que provoca que las gotas se solidifiquen y formen partículas.
Las ventajas del secado por aspersión incluyen un proceso sencillo y un fácil control del rendimiento del producto. Este método se aplica principalmente en el campo de los explosivos militares y los materiales para baterías.
3. Método de reacción química en fase gaseosa
Este método utiliza materias primas gaseosas o materiales sólidos evaporados en forma de gas. Químico Las reacciones generan los compuestos deseados, que luego se condensan rápidamente para producir polvos esféricos ultrafinos.
El rango de temperatura de reacción es amplio. Puede aplicarse a temperaturas altas, bajas o incluso ambiente. Los productos resultantes suelen presentar una buena estructura cristalina y una microestructura uniforme. Se pueden producir polvos esféricos ultrafinos (a escala nanométrica).
4. Método hidrotermal
El método hidrotermal utiliza un reactor a alta temperatura y presión. El medio de reacción es agua o disolventes orgánicos.
Mediante el ajuste de parámetros como la temperatura hidrotermal, el tiempo de reacción, el pH y la concentración de la solución, se puede controlar eficazmente el tamaño de partícula. Sus ventajas incluyen la adaptabilidad a diversos sistemas de reacción y el control del tamaño, la morfología y la cristalinidad de las partículas.
Sin embargo, las condiciones de reacción son rigurosas. Se requieren altas temperaturas y presiones, y se requiere un equipo especializado. Se utiliza principalmente para la preparación de óxidos.
5. Método de precipitación
El método de precipitación implica reacciones químicas en solución. Los iones metálicos se combinan con precipitantes específicos para formar partículas coloidales finas y semisólidas que crean un sistema de suspensión estable.
Mediante ajustes adicionales de las condiciones, como el envejecimiento, la agitación lenta o la modificación del entorno de la solución, las partículas coloidales se agregan y crecen gradualmente. Tienden a la esferoidización y forman precipitados esféricos primarios. Tras el secado o la calcinación, se obtienen materiales en polvo esféricos.
Este método permite controlar la velocidad de crecimiento de los cristales en fase líquida. De esta manera, se puede regular el tamaño y la morfología de las partículas. Es adecuado para la preparación de óxidos metálicos y otros materiales. Se requiere un control estricto de parámetros de reacción como la temperatura, la presión y el pH.
6. Método Sol-Gel
El proceso sol-gel generalmente consta de tres etapas: preparación del sol, formación del gel y formación del polvo esférico. Un tratamiento térmico posterior puede mejorar la estructura y el rendimiento. Se logra un control preciso del tamaño y la morfología de las partículas.
Los polvos preparados presentan alta pureza y buena monodispersidad. Este método se utiliza ampliamente en laboratorios para la preparación de polvos ultrafinos. Sin embargo, no es adecuado para la producción en masa a gran escala. Su aplicación industrial es limitada.
7. Método de microemulsión
El método de microemulsión es una técnica de preparación bifásica líquido-líquido. Se añade un disolvente orgánico que contiene precursores a la fase acuosa para formar una emulsión con gotitas diminutas.
Mediante nucleación, coalescencia, agregación y tratamiento térmico, se forman partículas esféricas. Este método se utiliza ampliamente para preparar nanopartículas y materiales compuestos orgánico-inorgánicos.
8. Método de esferoidización de polvo de plasma
Con el rápido desarrollo de las industrias de alta tecnología y la creciente demanda de nanomateriales y nuevos procesos de preparación, la química del plasma ha ganado cada vez más atención.
La esferoidización por plasma se caracteriza por su alta temperatura, alta entalpía, alta reactividad química y una atmósfera y temperatura de reacción controlables. Es muy adecuada para la preparación de polvos esféricos finos y de alta pureza. Es especialmente eficaz para metales con alto punto de fusión.
El proceso incluye la generación de plasma, una reacción química y etapas de temple rápido. Según los métodos de generación de plasma, se puede dividir en esferoidización por plasma térmico de arco de CC y esferoidización por plasma de inducción de RF.
Los sistemas de procesamiento de polvo de plasma desarrollados por Tekna en Canadá son líderes mundiales. Han logrado la esferoidización de polvos metálicos como tungsteno, molibdeno, níquel y cobre, así como de polvos cerámicos de óxido como sílice y alúmina.
9. Método de atomización de gas
La atomización de gas implica calentar la materia prima hasta su estado fundido. Una corriente de gas a alta velocidad impacta el flujo de líquido fundido. La energía cinética del líquido se convierte instantáneamente en energía superficial, provocando una intensa fragmentación en numerosas gotitas diminutas.
Estas gotas se enfrían rápidamente y se solidifican al entrar en contacto con el entorno circundante, formando polvos esféricos con tamaño de partícula uniforme.
Inicialmente, se utilizaban gases como el aire y el vapor. Con el desarrollo tecnológico, la atomización con gases inertes resolvió el reto de preparar polvos esféricos de metales reactivos. Los polvos producidos mediante atomización con gases inertes presentan un bajo contenido de impurezas, superficies lisas, buena fluidez y alta esfericidad.
Los métodos comunes de atomización de gas incluyen la atomización de gas de fusión por inducción de electrodos y la atomización de gas inerte de fusión al vacío.
10. Método de atomización centrífuga
La atomización centrífuga utiliza la fuerza centrífuga para dispersar la película metálica fundida en gotitas. Estas gotitas se solidifican rápidamente mediante enfriamiento por convección forzada con gas protector.
Incluye la atomización por disco rotatorio y la atomización por electrodo rotatorio de plasma. Entre ellas, la atomización por electrodo rotatorio de plasma es la más utilizada.
En este método, se monta una varilla metálica anódica sobre un eje giratorio de alta velocidad. Mediante calentamiento por arco de plasma, el metal se funde. Las gotas fundidas se dispersan tangencialmente por la fuerza centrífuga. Posteriormente, se solidifican en polvos esféricos. Todo el proceso se realiza al vacío o con protección de gas inerte.
11. Método de atomización ultrasónica para la esferoidización de polvos
La atomización ultrasónica utiliza energía de vibración ultrasónica para dispersar el metal fundido en finas gotas en fase gaseosa. Estas gotas se enfrían y solidifican formando polvos metálicos esféricos.
Los polvos resultantes presentan una alta esfericidad y una distribución estrecha del tamaño de partícula. En comparación con la atomización con gas inerte, la atomización ultrasónica no requiere grandes cantidades de gas inerte para la fragmentación. Produce menos partículas huecas y partículas satélite. Sin embargo, debido a su inmaduro desarrollo teórico, se utiliza principalmente para metales o aleaciones de bajo punto de fusión.
12. Esferoidización de llama por combustión de gas
Este método utiliza gases combustibles industriales como acetileno, hidrógeno o gas natural como fuentes de calor. Se genera una llama limpia y libre de contaminación de 1600-2000 °C mediante un soplete de alta temperatura.
El polvo pretratado y calificado se introduce en el horno de esferoidización. Unas boquillas de oxígeno y gas combustible calientan y funden el polvo a alta temperatura. Tras el enfriamiento, se forma un polvo esférico de alta pureza.
Este método se utiliza principalmente para producir micropolvo de silicio esférico y polvo de alúmina esférico.
13. Método de combustión (VMC)
El método de combustión, también conocido como Combustión de Metal Vaporizado (VMC), se desarrolló inicialmente en Japón. Utiliza la combustión explosiva de polvo metálico para producir micropartículas esféricas de óxido.
Por ejemplo, el polvo de silicio metálico reacciona directamente con el oxígeno para producir microesferas de sílice finas de alta pureza con una distribución de tamaño de partícula relativamente controlable.
14. Método de corte y refusión de alambre
El proceso consiste en extraer la aleación de soldadura para formar alambres y cortarlos en microsegmentos uniformes. Estos segmentos se colocan en un equipo de conformado con un gradiente de temperatura. Mediante la refundición y la solidificación, forman esferas estándar.
Este método ofrece buena controlabilidad del proceso y bajo costo. Sin embargo, el procedimiento es complejo, lo que resulta en una baja eficiencia de producción. Se requiere una alta precisión del equipo. Puede producirse una inconsistencia en el diámetro del alambre durante el trefilado. El método se limita a materiales dúctiles y de baja temperatura, lo que restringe su rango de aplicación.
15. Método de eyección por microorificio pulsado
El método de eyección pulsada por microorificio es una tecnología de generación de microgotas que se utiliza para preparar partículas esféricas monodispersas de tamaño micrométrico. Pertenece a la inyección de gotas a demanda con accionamiento piezoeléctrico.
Se han utilizado metales fundidos, aleaciones o suspensiones como materias primas para producir gotas monodispersas.
El principio de funcionamiento es el siguiente. Primero, la materia prima metálica se funde en un crisol de acero inoxidable. La masa fundida fluye hacia el canal de suministro y llena la sección de inyección. Se introduce gas inerte en el crisol para crear una diferencia de presión positiva. Se programa una señal de pulso. Bajo la señal de pulso, la cerámica piezoeléctrica vibra. La vibración impulsa la placa de prensado a deformarse plásticamente. Esto aplica presión de extrusión a la masa fundida en la sección de inyección.
Un pequeño volumen de material fundido se expulsa por el microorificio en el fondo del crisol, formando gotitas. Dado que la amplitud de cada vibración es idéntica, el volumen de cada gotita es prácticamente el mismo. Como resultado, se obtienen polvos esféricos de tamaño uniforme.
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— Publicado por Emily Chen