Physical and technological features of mechanoactivation of powder particles formed during hydro-vacuum dispersion of metallic melts
- Authors: Jandieri G.V.1,2, Sakhvadze D.V.2, Saralidze B.G.3, Sakhvadze G.D.4
-
Affiliations:
- LEPL R. Dvali Institute of Machine Mechanics
- Metallurgical Engineering and Consulting Ltd
- LEPL Tavadze Institute of Materials Sciences and Metallurgy
- Metal Powder Ltd.
- Issue: Vol 125, No 5 (2024)
- Pages: 538-555
- Section: СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
- URL: https://innoscience.ru/0015-3230/article/view/662898
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0015323024050076
- EDN: https://elibrary.ru/XWVUVT
- ID: 662898
Cite item
Abstract
A study has been conducted on the hydro-vacuum dispersion process of metal melts using gray cast iron SCh20 (in Russian nomencluture; 3.3–3.5C, 1.4–2.4Si, 0.7–1Mn, <0.15S, <0.2P in wt %)—an analogue of GG20. It has been revealed that the main factor conditioning the mechanoactivation of formed particles is their solidification in a fibrous non-equilibrium structural-tensioned state. This state is achieved by flattening and asymmetric twistedness of droplets that are detached from the liquid metal in the disperser under volumetric impact of shock-pulsating waves of hydraulic discharge. The degree of particle activation was found to depend exponentially on their dispersion and specific surface area. These parameters determine the degree of asymmetry of shear deformations and the amount of accumulated energy. In turn, the size dispersion and specific surface are significantly influenced by physical and technological factors such as the specific flow rate and pressure of injected water, the thickness and the elevation angle of the hydro shell of the vacuum diffusion funnel, the diameter of the dispersed melt jet passed through it, and its superheating temperature. The control of these parameters makes it possible to smoothly adjust the key ratio “liquid metal: water” and set up the dispersion process with the highest possible degree of size dispersion and activation of the resulting powder.
Full Text

About the authors
G. V. Jandieri
LEPL R. Dvali Institute of Machine Mechanics; Metallurgical Engineering and Consulting Ltd
Author for correspondence.
Email: gigo.jandieri@gmail.com
Georgia, 0186, Tbilisi, 0109, Tbilisi
D. V. Sakhvadze
Metallurgical Engineering and Consulting Ltd
Email: gigo.jandieri@gmail.com
Georgia, 0109, Tbilisi
B. G. Saralidze
LEPL Tavadze Institute of Materials Sciences and Metallurgy
Email: gigo.jandieri@gmail.com
Georgia, 0186, Tbilisi
G. D. Sakhvadze
Metal Powder Ltd.
Email: gigo.jandieri@gmail.com
Georgia, 0186, Tbilisi
References
- Unnikrishnan R., Gardy J., Spencer B.F., Kurinjimala R., Dey A., Nekouie V., Irukuvarghula S., Hassanpour A., Eisenmenger-Sittner Cr., Francis J.A., Preuss M. Functionalization of metallic powder for performance enhancement // Mater. & Design. 2022. V. 221. P. 110900. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110900
- Saprykina N.A., Saprykin A.A., Arkhipova D.A. Influence of Shielding Gas and Mechanical Activation of Metal Powders on the Quality of Surface Sintered Layers // IOP Conf. Series: Mater. Sci. Eng. 2016. V. 125. P. 012016. https://doi.org/10.1088/1757-899X/125/1/012016
- Korotkikh A.G., Glotov O.G., Arkhipov V.A., Zarko V.E., Kiskin A.B. Effect of Iron and Boron Ultrafine Powders on Combustion of Aluminized Solid Propellants // Combust. and Flame. 2017. V. 178. P. 195–204. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2017.01.004
- Korotkikh A.G. and Sorokin I.V. Study of the Chemical Activity of Metal Powders Based on Aluminum, Boron, and Titanium // AIP Conf. Proc. 2020. V. 2212. № 1. P. 020029. https://doi.org/10.1063/5.0000838
- Shaun Zhang Soong, Wing Lam Lai, Andrew Ng Kay Lup. Atomization of metal and alloy powders: Processes, parameters, and properties // AIChE Journal. 2023. https://doi.org/10.1002/aic.18217
- Севостьянов М.В., Полуэктова В.А., Севостьянов В.С., Шаталов А.В., Сирота В.В. Теория и практика механоактивации материалов при объемно-сдвиговом деформировании частиц // Вестник ТГТУ. 2018. Т. 24. № 4. P. 652–662. https://doi.org/10.17277/vestnik.2018.04.pp.652–662
- Еремина М.А., Ломаева С.Ф., Паранин С.Н., Тарасовa В.В. Влияние условий механоактивации и пав на фазовый состав и свойства композитов на основе карбогидрида титана и меди // ФММ. 2020. Т. 121. № 2. С. 207–215.
- Baras F., Bizot Q., Fourmont A., Le Gallet S., Politano O. Mechanical activation of metallic powders and reactivity of activated nanocomposites: a molecular dynamics approach // Appl. Phys. A, Mater. Sci. Proces. 2021. V. 127. № 7. P. 555. https://doi.org/10.1007/s00339-021-04700-9
- Калошкин С.Д., Принсипи Д.Ж., Томилин И.А., Чердынцев В.В. Закономерности и движущие силы формирования квазикристаллической фазы в Al–Cu–Fe порошках после механоактивации // ФММ. 2008. Т. 105. № 6. С. 647–658.
- Chanadee T., Singsarothai S. Mechanoactivated SHS of Si–SiC Powders from Natural Sand: Influence of Milling Time // Int. J Self-Propag. High-Temp. Synth. 2018. V. 27. P. 85–88. https://doi.org/10.3103/S1061386218020061
- Козырев Н.А., Усольцев А.А., Михно А.Р., Шевченко Р.А., Ознобихина Н.В. Разработка состава титанотермитной смеси для сварки // Черная Металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2022. T. 78. № 7. C. 625–630. https://doi.org/10.32339/0135-5910-2022-7-625-630
- Григорьева Т.Ф., Киселева Т.Ю., Петрова С.А., Талако Т.Л., Восмериков С.В., Удалова Т.А., Девяткина Е.Т., Новакова А.А., Ляхов Н.З. Механохимически стимулированные реакции восстановления оксида железа алюминием // ФММ. 2021. T. 122. № 6. C. 614–620
- Григорьева Т.Ф., Талако Т.Л., Девяткина Е.Т., Восмериков С.В., Анчаров А.И., Цыбуля С.В., Витязь П.А., Ляхов Н.З. Модифицирование меди оксидом алюминия в ходе механически стимулированной реакции // ФММ. 2023. T. 124. № 1. C. 78–83.
- Миронов В.А., Шишкин А.Ю., Поляков А.В., Трейс Ю.К. Извлечение меди из водных растворов с использованием железных порошковых материалов // Журнал Белорус. гос. ун-та. Экология. 2018. № 1. С. 97–102.
- Alymov M.I., Seplyarskii B.S. and Gordopolova I.S. Ignition of pyrophoric powders: An entry-level model // Journal of Physics: Conference Series 2015. V. 653. P. 012052. doi: 10.1088/1742-6596/653/1/012052
- Rouquerol J., Rouquerol F., Llewellyn P., Maurin G., and Sing K. Adsorption by powders and porous solids. Principles, methodology and applications. 2014. 2nd ed. Oxford: Academic Press. 611 p.
- Sakhvadze D., Jandieri G., Tsirekidze T., Gorbenko I. Device for producing metallic powder from melt // Pat. GE P20156384 (B), B22F9/08, 2015.
- Sakhvadze D., Jandieri G., Sakhvadze G. Method for metallic powder preparation and device for implementation thereof // Patent GE 2020 7078 B. B 22 F 9/08. Official Bulletin of the Industrial Property of Georgia, № 5, 2020.03.10.
- Sakhvadze D., Jandieri G., Bolqvadze I., Shteinberg А., Tsirekidze Т. Morphological and metallographic analysis of metallic powders produced by the method of hydro-vacuum dispersion of melts // XIV International Symposium SHS-2017, Tbilisi. 2017. P. 218–221.
- Джандиери Г.В., Горбенко И.Ф., Сахвадзе Д.В., Цирекидзе Т.И. Инновационная гидровакуумная технология грануляции металлических расплавов // Современная электрометаллургия. 2018. № 4 (132). С. 70–74. https://doi.org/10.15407/sem2018.04.06
- Sakhvadze D., Jandieri G., Bolkvadze J. Novel technology of metal powders production by hydrovacuum dispersion of melts // Machines Technol Mater. 2018. V. 12. № 6. P. 236–239. https://stumejournals.com/journals/mtm/2018/6/236
- Sakhvadze D., Jandieri G., Jangveladze G., Sakhvadze G. A new technological approach to the granulation of slag melts of ferrous metallurgy: obtaining glassy fine-grained granules of improved quality // J. Eng. Appl. Sci. 2021. V. 68. P. 22. https://doi.org/10.1186/s44147-021-00019-7
- Ternovoj Ju.F., Bagljuk G.A., Kudievskij S.S. Theoretical basics of processes of atomization of metal melts: Monografija. Zaporozh’e: Izdatel’stvo ZGIA, 2008. 298 p.
- Xakalashe Buhle Sinaye. Removal of Phosphorus from Silicon Melts by Vacuum Refining // Thesis. Norwegian University of Science and Technology. 2011. 49 p.
- Kharlashin P.S., Bendich A.V. Some kinetic features of evaporation of arsenic, sulfur and phosphorus from cast iron during its vacuumization // Bulletin of the Pryazovskyi State Technical University. 2011. V. 22. P. 55–59.
- Dobrzański L.A., Dobrzański L.B., Dobrzańska-Danikiewicz A.D., Kraszewska M. Manufacturing powders of metals, their alloys and ceramics and the importance of conventional and additive technologies for products manufacturing in Industry 4.0 stage // Archives of Mater. Sci. Eng. 2020. V. 102. № 1. P. 13–41. https://doi.org/10.5604/01.3001.0014.1452
- Yefimov N.A. Chapter 10 – Powders with Quasicrystalline Structure // Handbook of Non-Ferrous Metal Powders (Second Edition). Editor(s): O.D. Neikov, S.S. Naboychenko, N.A. Yefimov. Elsevier, 2019. P. 313–321. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100543-9.00010-5
- Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физич. мезомеханика. 1998. № 1. С. 5–22.
- Yoshida S. Comprehensive description of deformation and fracture of solids as wave dynamics // Mathematics and Mechanics of Solids. 2017. V. 22. № 5. P. 1094–1115. https://doi.org/10.1177/1081286515616859
- Bernard F., Paris S., Gaffet E. Mechanical Activation as a New Method for SHS // Advances Sci. Technology. 2006. V. 45. P. 979–988. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ast.45.979
- Bolgaru K.A., Akulinkin A.A. and Kryukova O.G. Effect of mechanical pre-activation on the nitriding of aluminum ferrosilicon in the combustion mode // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1459. P. 012009. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1459/1/012009
- Бевза В.Ф., Марукович Е.И., Груша В.П. Формирование полых заготовок из чугуна с шаровидным графитом в условиях пристеночной кристаллизации // Литье и металлургия. 2009. T. 3. С. 178–181.
- Свичкарь А.С., Шибеев Е.А., Гарибян Г.С., Еремин Е.Н. Влияние предусадочного расширения на размерную точность отливок из высокопрочного чугуна // Вопр. материаловедения. 2019. T. 3(99). С. 23–28. https://doi.org/10.22349/1994-6716-2019-99-3-23-28
- Walter A., Witt G., Platt S., Kleszczynski S. Manufacturing and Properties of Spherical Iron Particles from a by-Product of the Steel Industry // Powders. 2023. T. 2. Р. 216–231. https://doi.org/10.3390/powders2020015
- Sydney Luk. Surface Area, Density, and Porosity of Powders. Powder Metallurgy // ASM HANDBOOK. 2015. V. 7. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v07.a0006107
- Homer E.R. Modeling the Mechanical Behavior of Amorphous Metals by Shear Transformation Zone Dynamics // Thesis PhD, Massachusetts Institute of Technology. 2010. 110 р. https://core.ac.uk/download/pdf/4423294.pdf
- Choi S., Park S. and Baek E.R. Development of Thermite Powder for Rail Joining with Recycled Iron Oxide and Aluminium Powder // J. Welding Joining. 2012. V. 30. № 5. P. 40–45. https://doi.org/10.5781/KWJS.2012.30.5.434
- Sakhvadze D., Gorbenko I., Jandieri G., Tsirekidze T., Shteinberg A. Device of molten granulation for obtaining the powder materials for SHS // International Symposium SHS-XIII, 2015. Turkey. Antalya, 2015. P. 140–141.
- Джандиери Г.В., Сахвадзе Д.В., Гордезиани Г.A., Штейнберг А.С. Повышение эффективности СВС-компактирования функционально-градиентных материалов системы Ti–B // Металлургия машиностроения. 2016. T. 5. С. 20–26.
- Мырзахметов Б.А., Крупник Л.А., Султабаев А.Е., Токтамисова С.М. Математическая модель работы струйного насоса в составе скважинной тандемной установки // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019. № 8. С. 123–135. https://10.25018/0236-1493-2019-08-0-123-135
- Vostrikov A.V., Volkov A.M., Bakradze M.M. Development and research of a new granular disk alloy VZh178P for advanced aviation GTE // Tsvetnye Metally. 2018. № 8. https://doi.org/10.17580/tsm.2018.08.11
- Панин В.Е., Панин А.В., Моисеенко Д.Д., Шляпин А.Д., Авраамов Ю.С., Кошкин В.И. Физическая мезомеханика деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. II. Явление взаимного проникания частиц разнородных твердых тел без нарушения сплошности под воздействием концентрированных потоков энергии // Физическая мезомеханика. 2006. T. 9. № 4. С. 5–13.
- Джандиери Г.В., Сахвадзе Д.В., Захаров Г.В., Харати Р.Г. Разработка и исследование СВС-технологии получения специальных поликомпонентных лигатур из отходов ферросплавного производства // Металлургия машиностроения. 2019. T. 3. С. 40–43. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=37651398
- Ключников Г.М., Ключников И.Г. Устойчивая сверхпластическая деформация и теплообмен // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. T. 8(3). С. 458–465. URL: https://appliedresearch.ru/ru/article/view?id=7127
- Nikishina M., Ivanova E., Tretyakova A., Mukhtorov L., and Atroshchenko Y. Study of biological activity colloidal solutions of iron synthesized on the basis of aqueous cuff extract // Siberian Journal of Life Sciences and Agriculture. 2022. V. 14. № 6. P. 388–403. https://doi.org/10.12731/2658-6649-2022-14-6-388-403
Supplementary files
