CC BY
37
ляются дальнейшие исследования в данном направлении с целью создания систем для нанесения бескапельных покрытий и тонкопленочных металлических напылений на большие плоские поверхности, в том числе на рулонные и листовые материалы.
Список литературы
1. Клярфельд, Б.Н. Разрушение металлов катодным пятном дуги в вакууме / Б.Н. Клярфельд, Н.А. Неретина, Н.Н. Дружинина // ЖТФ. - 1969. - Т. 39. - Вып. 6. -С. 1061 - 1065.
2. Лыков, А. В. Теория теплопроводности / А.В. Лыков. -М.: Высш. шк., 1967.
3. Anders, A. Metal plasma immersion ion implantation and deposition: a review / A. Anders // Surface and Coat. Tech. - 1997.-Vol. 93.-P. 158.
4. Beilis, I.I. Interelectrode plasma parameters and plasma deposition in a hot refractory anode vacuum arc / I.I. Beilis, M. Keidar, R.L. Boxman and S. Goldsmith // Phys. Plasmas. -2000. - № 7. - P. 3068 - 3076.
5. Boxman, R.L. Handbook of Vacuum Arc Science and Technology / R.L. Boxman, P.J. Martin, D.M. Sanders, Eds. -Park Ridge; N.J., 1995.
6. Boxman, R.L. Macroparticle contamination in cathodic arc coatings generation, transport and control / R.L. Boxman,
S. Goldsmith // Surf, and Coat. Tech. - 1992. - Vol. 52. -P. 39.
7. Boxman, R.L. Principles and Applications of Vacuum Arc coatings / R.L. Boxman, S. Goldsmith // EEE Trans, on Plasma Sci. - 1980. - Vol. 17.-P. 5.
8. Boxman, R.L. Vacuum Arc Deposition: Early History and Recent Developments / R.L. Boxman // Proc. of the XIX th ISDEIV. -Xi'an, China, 2000.
9. Daalder, J.E. Components of cathode erosion in vacuum arcs / J.E. Daalder // J. Phys. D: Appl. Phys. - 1976. -Vol. 9.-№ 11.-P. 2379-2395.
10. Daalder, J.E. Erosion and the origin of charged and neutral species in vacuum arcs / J.E. Daalder // J. Phys. D: Appl. Phys. - 1975. - Vol. 8, № 14. - C. 1647 - 1659.
11. Ehrich, H. The anodic vacuum arc and its application to coating / H. Ehrich, B. Hasse, M. Mausbach, K.G. Muller // J. Vac. Sci. Technol. A, Vac. Surf. Films. - 1990. - № 8. -P. 2160-2164.
12. Ehrich, H. The anodic vacuum arc. II. Experimental study of arc plasma / H. Ehrich, B. Hasse, K.G. Muller, R. Schmidt // J. Vac. Sci. Technol. A, Vac. Surf. Films. - 1988. - № 6. - P. 2499-2503.
13. Kimblin, C.W. Erosion and ionization in the cathode spot region of vacuum arcs / C.W. Kimblin. // J. Appl. Phys. -1973. - Vol. 44, № 7. - P. 3074 - 3081.
14. McClure, G.W. Plasma expansion as a cause of metal displacement in vacuum arc spots / G.W. McClure // J. Appl. Phys. - 1974. - Vol. 45, № 5. - p. 2078 - 2084.
15. Rosenthal, H. Heat fluxes during the development of a HAVA / H. Rosenthal, I. Beilis, S. Goldsmith, R.L. Boxman // J. Phys. D, Appl. Phys. - 1995. -№ 28. - P. 353 - 363.
Осипов Юрий Романович - заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор кафедры теории и проектирования машин и механизмов Вологодского государственного технического университета.
Тел.: 8 (8172) 72-47-17 (доб. 169); 8 (8172) 53-18-22; 8-921-121-53-78.
Немировский Андрей Александрович - аспирант кафедры теории и проектирования машин и механизмов Вологодского государственного технического университета.
Osipov, Yury Romanovich - Russian's Honored Scientist, Doctor of Science (Technology), Professor, Department of Machines and Mechanisms Theory and Design, Vologda State Technical University.
Tel.: 8 (8172) 72-47-17 (доб. 169); 8 (8172) 53-18-22; 8-921-121-53-78.
Nemirovsky, Andrey Alexandrovich - Postgraduate student, Department of Machines and Mechanisms Theory and Design, Vologda State Technical University.
УДК 621.762
А. Т. Степанов, З.К. Кабаков, M.A. Васшенков
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАСПЫЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТОГО РАСПЛАВА ВОЗДУХОМ
А. Т. Stepanov, Z.K. Kabakov, М.А. Vasilenkov INVESTIGATION OF THE AIR DISPERSION PROCESS IN IRON-CARBON MELT
В статье рассматривается процесс распыления железоуглеродистого расплава воздухом. Основное внимание уделено реакции окисления железа кислородом воздуха и реакции обезуглероживания.
Металлический порошок, железоуглеродистый расплав, процесс распыления, обезуглероживание, эксперимент, математическая модель.
The paper considers the process of air dispersion process in iron-carbon melt. The main attention is paid to the iron oxidation reaction with air oxygen and to the reaction of decarbonization.
Metal powder, iron-carbon melt, dispersion process, decarbonization, experiment, mathematical model.
Одним из способов получения железного порошка в порошковой металлургии является процесс распыления струи железоуглеродистого расплава сжатым воздухом в воду. Температурные условия процесса распыления оказывают значительное влияние на форму образовавшихся частиц. Например, повышение скорости кристаллизации капель в результате понижения температуры расплава или уменьшения размера частиц при распылении снижает газонасыщенность металлических частиц, подавляет реакции, протекающие с выделением газообразных продуктов и вследствие этого уменьшает количество пор в частицах, что приводит к ухудшению технологических свойств готового железного порошка (понижается формуемость) [1]. Для управления процессом распыления металла с целью получения железного (или другого) порошка с набором необходимых свойств [3] необходимо иметь информацию об изменении температуры образовавшихся частиц. Экспериментальным путём получить такую информацию из-за малых размеров частиц металла, нестационарности и быстротекучести процессов распыления сложно, поэтому большое значение для изучения теплофизических и химических процессов, протекающих в каплях расплава, приобретают методы математического моделирования с использованием ЭВМ.
В настоящей работе представлена математическая модель тепловых процессов при распылении железоуглеродистого расплава воздухом.
При разработке математической модели приняты следующие допущения:
- все частицы обладают круглой формой;
- капли рассматриваются как твёрдые тела при теплообмене;
- капля является термически тонким телом;
- капли не взаимодействуют между собой;
- кривая снижения скорости воздуха после точки распыления известна;
- профиль струй в точке распыления равен сумме профилей одиночных струй;
- снижение скорости на оси одиночной сверхзвуковой струи можно приближённо принять в соответствии с развитием звуковой струи;
- распыление свободно истекающей из метал-лоприёмника струи расплава, в котором поддерживается постоянный уровень, производится дву-
мя струями воздуха, создаваемыми соплами Лава-ля.
С учётом сделанных допущений снижение температуры капли железоуглеродистого расплава с учётом затвердевания описывается уравнением [2]:
dT
«с* = -[« (Т ' Тср) + а0е (Т + 273)4 _
■iL
где т - масса капли; Сэф - эффективная теплоемкость чугуна; Г-температура капли; Гср-температура среды; а - коэффициент теплоотдачи; ^пов - площадь поверхности капли; Ь - теплота кристаллизации чугуна; оо - коэффициент излучения абсолютно черного тела; г - степень черноты поверхности чугуна.
Уравнение, описывающее движение капли железоуглеродистого расплава в процессе полёта при распылении, приобретает вид [2]:
т
dVy=c-f-pB dt 2
-<Wy-Vy) Wy
- Fv I + mg,
где с - коэффициент гидравлического сопротивления; / - площадь Миделева сечения капли; р„ -плотность воздуха; Wy - скорость струи сжатого воздуха; Vy - скорость капли; g - ускорение свободного падения.
Данные уравнения решаются численным методом Эйлера - Коши с расчетным шагом по времени At. Алгоритм решения модели реализован на языке ТУРБО ПАСКАЛЬ. Расчёты проводились при следующих параметрах: диаметр капли d = = 0,0001 м; температура железоуглеродистого расплава Г= 1550 °С, что соответствует реальным условиям распыления [4]; шаг по времени At = = 1-Ю"8 с.
Расчёты по разработанной модели показали, что температура капли в процессе полёта изменяется неравномерно (рис.1). Переломы на кривой охлаждения при Гл = 1250 - 1260 °С и Тс = 1150 °С означают начало и окончание процесса кристаллизации для железоуглеродистого расплава, содер-
жащего [С] = 3,5 %, что соответствует температурам ликвидус и солидус по диаграмме Бе-С 1250 и 1147 °С.
При повышении начальной температуры чугуна расстояние от узла распыления до достижения температур Тл и Тс смещается в большую сторону, т.е. капля находится более длительное время в жидком состоянии. Однако эти расчёты справедливы для случая, как указывалось в допущениях выше, если частица имеет форму сплошной капли. При распылении чугуна воздухом в капле интенсивно протекает реакция обезуглероживания с выделением газа - монооксида углерода. Пузырьки СО образуются на границе металл - газ и растут вовнутрь жидкой капли, поэтому в момент затвердевания, как показывает металлографический анализ, в ней образуются раковины. Толщина стенки в таких каплях становится очень малой, размеры частиц при этом увеличиваются, хотя их масса практически не изменяется. Такие частицы затвердевают и охлаждаются значительно быстрее, чем капли такой же массы. Расчёты с использованием математической модели подтверждают данное предположение. В расчётах приняли:
1. Масса капли для трёх диаметров частиц постоянная и равна 0,05 г.
2. Диаметр частиц различный и составляет: = = 0,05 мм; ¿2 = 0,1 мм; ¿/3 = 0,15 мм.
3. Начальная температура расплава Г„ач = = 1550 °С.
о
1650 1550 1450 1350 1250 1150 1050 950 850
[С] =3,5% 71,= 1250 °С Гс= 1147 °С
3
2
1
рае .........
.........:
- - - - - - -
0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 Расстояние от точки распыления, м
2,25 2,5
Рис. 1. Влияние начальной температуры расплава на изменение температуры капли за время падения:
1 - Г„ = 1500 "С; 2 - То = 1550 "С; 3 - 7Ь = 1600 °С
значительно быстрее (линия 3), чем сплошные капли. Из рис. 2 видно также, что капли с внутренней пустотой, т.е. с меньшей толщиной стенки, но с большим диаметром, затвердевают и охлаждаются значительно быстрее, чем целые капли.
Микрофотографии порошка-сырца (рис. 3) подтверждают предложенный механизм формирования частиц при распылении. Крупные частицы, во-первых, имеют шаровидную форму. Во-вторых, такие частицы, несмотря на большой размер, не свариваются в конгломераты, как, например, более мелкие капли. В третьих, на поверхности крупных шаровидных частиц наблюдаются характерные вмятины из-за снижения давления газов внутри частиц при охлаждении.
Температура капли, С
1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
1
3
О 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 Расстояние от точки распыления, м
Рис. 2. Влияние различных диаметров капли с одинаковой массой на её температуру:
!-</, = 0,05 мм; 2 - йг = 0,10 мм; 3 - ¿з = 0,15 мм
Рис. 3. Железный порошок-сырец х50
Результаты моделирования представлены на рис. 2. Из рисунка видно, что капли с внутренней пустотой, т.е. с меньшей толщиной стенки, но с большим диаметром, затвердевают и охлаждаются
Полученные с помощью математической модели закономерности на качественном уровне были подтверждены результатами экспериментов на промышленной установке распыления железоуглеродистого расплава в условиях цеха изложниц
ООО «ССМ-Тяжмаш». Установка распыления железоуглеродистого расплава сжатым воздухом в воду, состоящая из металлоприёмника, узла распыления, металлического бака (0 4,0 м; # = 7,0 м), узла разгрузки и устройства для пароотсоса, работает в периодическом режиме. Расстояние от точки распыления до уровня воды в баке составляет 2,0 м. По ходу распыления чугуна специальными пробницами отбирались пробы порошка по оси струи на различном расстоянии от точки распыления до уровня воды. В пробах определялся химический состав металла. Порошок из отобранных проб подвергали визуальному контролю с использованием микроскопа.
Результаты эксперимента показали, что частицы железоуглеродистого расплава в струе на расстоянии около 1 м от точки распыления жидкие, а на расстоянии 1,7 м - затвердевшие и имеют неправильную кораллообразную форму (рис. 3). В процессе полёта в капле чугуна интенсивно протекает реакция окисления углерода. По мере понижения температуры капли и с началом кристаллизации интенсивность обезуглероживания снижается. Это подтверждается тем, что угол наклона линии, т.е. скорость изменения концентрации углерода в расплаве, на участке 0 - 0,75 м больше, чем на участке 1,0 - 2,0 м (рис. 4).
3,3 3,1 2,9 2,7 2,5
Рис. 4. Динамика обезуглероживания в каплях железоуглеродистого расплава при распылении
Выделяющиеся газообразные продукты окисления углерода разрыхляют полузатвердевшие капли расплава, образуя поры, и частицы, затвердевая, сохраняют неправильную форму. В случае падения жидких капель в воду (например, при относительно больших диаметрах d > 500 мкм) частицы приобретают округлую форму.
Из сказанного можно сделать следующие выводы:
1. Разработанная математическая модель позволяет исследовать влияние таких параметров распыления, как расход воздуха на распыление, расстояние от узла распыления до поверхности воды в баке, температура расплава на формообразование, затвердевание и охлаждение частицы металла в процессе полёта, и совершенствовать конструктивные и технологические параметры установки распыления.
2. Совместное применение модели и экспериментов позволило объяснить механизм формообразования частиц железного порошка по технологии, реализованной в условиях цеха изложниц ООО «ССМ-Тяжмаш».
Список литературы
1. Грацинов, Ю.А. Металлические порошки из расплавов / Ю.А. Грацинов, Б.Н. Путимцев, А.Ф. Силаев. - М.: Металлургия, 1970.
2. Синицын, H.H. Тепломассообмен одиночных капель в газовом потоке / H.H. Синицын, Н.И. Шестаков, Г.И. Шаров. - Череповец: ЧГУ, 2000.
3. Степанов, А.Т. Исследование влияния гранулометрического состава на технологические свойства железного порошка / А.Т. Степанов, Ю.Д. Смирнова, В.А. Гаврилов и др. // Вестник Череповецкого государственного университета. - 2007.-№ 2. - С. 139-141.
4. Степанов, А.Т. Формирование частиц расплава при распылении воздухом / А.Т. Степанов, М.А. Василенков // Вестник Череповецкого государственного университета. -2009. -№ 1.-С. 139-141.
Расстояние отточки распыления, м
Степанов Александр Тимофеевич - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой металлургических технологий, декан металлургического факультета Череповецкого государственного университета.
Тел.: 8(8202) 51-72-60; e-mail: [email protected]
Кабаков Зотей Константинович - доктор технических наук, профессор кафедры металлургических технологий металлургического факультета Череповецкого государственного университета.
Василенков Максим Анатольевич - аспирант кафедры металлургических технологий Череповецкого государственного университета.
Stepanov, Alexander Timofeevich - Candidate of Science (Technology), Associate Professor, Head of the Department of Metallurgical Technologies, Facultiy of Metallurgy, Cherepovets State University.
Tel.: 8(8202) 51-72-60; e-mail: [email protected]
Kabakov, Zotey Konstantinovich - Doctor of Science (Technology), Professor, Department of Metallurgical Technologies, Facultiy of Metallurgy, Cherepovets State University.
Vasilenkov, Maxim Anatolievich - Postgraduate student, Department of Metallurgical Technologies, Facultiy of Metallurgy, Cherepovets State University.
