Оптоволоконный метод пирометрического измерения температуры расплавов

Проведенные исследования подтвердили надежность ремонтных сварных соединений, выполненных по внедрённой технологии. Так, количество непроваров корня шва уменьшилось на 85 %, а ходимость технологических машин увеличилась с 2...6 месяцев до практически бессрочной. За пять лет наблюдений более 98% сварных соединений сохранили целостность.

VI. Выводы и заключение

1. Дефекты металлоконструкций технологических машин накапливаются в течение продолжительного времени. Устранение этих дефектов ремонтной сваркой было малоэффективным - период работы ремонтного сварного соединения составлял 2.6 месяцев. Это связано с низким качеством ремонта и малыми объёмами устранения дефектов (за 6 месяцев устранено 29 % недопустимых дефектов от выявленных).

2. По результатам оценки экспериментальных сварочных образцов, выполненных 193-мя сварщиками 3.6 разрядов предприятий АО ХК «СДС-Уголь», ни один из 338 образцов не соответствовал требованиям нормативной технической документации.

3. Выявленные ультразвуковым контролем дефекты в 85 % случаев являются дефектами разделки (подготовки к сварке) и напрямую не являются следствием низкой квалификации сварщика как специалиста, выполняющего сварной шов.

4. Дефекты ремонтных сварных швов (91 %), выявляемые визуально-измерительным контролем, устраняются зачисткой поверхности шва.

5. Внедрение метода сквозной разделки с установкой подкладной пластины, позволило без повышения квалификации сварщиков сократить количество непроваров корня шва на 85 %, повысить срок службы ремонтных сварных соединений с 2.6 месяцев до практически бессрочного. Это позволило уже в первый год внедрения новой технологии сократить количество дефектов металлоконструкций оборудования на 35 %.

Список литературы

1. Arden H., Tverdov A. Resource and Reserve Valuation Practices in CIS Countries. Monograph 30. Mineral Resource and Ore Reserve Estimation // The AusIMM Guide to Good Practice. Second Edition. 2014.

2. Экономика России, цифры и факты. Ч. 5. Угольная промышленность. URL: http://utmagazine.ru/posts/10449-ekonomika-rossii-cifry-i-fakty-chast-5-ugolnaya-promyshlennost (дата обращения: 25.05.2017).

3. Statistic review of Emerging Markets Information Service // Coal Mining Sector Russia. 2013. URL: http://www.emis.com/sites/default/files/Russia%20Coal%20Mining%20Sector%20Report.pdf.

4. Drygin M., Kurychkin N., Bakanov A. Strategy of Russian Coal Mining Enterprises' Excavator Park Technical State Correction // The 1st Scientific Practical Conference "International Innovative Mining Symposium (in memory of Prof. Vladimir Pronoza)". 2017. Vol. 15. DOI: 10.1051/e3sconf/20171503011.

5. Сварка. Резка. Контроль: справочник: / под ред. Н. П. Алёшина, Г. Г. Чернышова. В 2 т. Т. 1. М.: Машиностроение, 2004. 624 с.

6. Белянин П. Н., Колесников К. С., Адамов Е. О. [и др.]. Технология сварки, пайки и резки: энциклопедия: в 4 т. Т. 3. М.: Машиностроение, 2006. 767 с.

7. Васильев К. В., Вилль В. И., Волченко В. Н. [и др.]. Сварка в машиностроении / Под ред. Н. А. Ольшанского. В 4 т. Т. 1. М.: Машиностроение, 1978. 501 с.

УДК 535.241

ОПТОВОЛОКОННЫЙ МЕТОД ПИРОМЕТРИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РАСПЛАВОВ

В. А. Захаренко, Я. Р. Веприкова

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-129-134

Аннотация - В настоящее время существует научная проблема бесконтактного измерения температуры расплавов металлов. Проблема связана с необходимостью достижения заданных погрешностей измерений в условиях неопределённости коэффициентов черноты излучающих поверхностей. Целью работы являются обоснования нового метода измерений, при котором влияние коэффициента черноты элиминируется. Задача работы состояла в расчетном обосновании конструкции и материала специального тигля, помещаемого в расплав металла, который представляет собой излучатель в виде модели абсолют-

но черного тела (АЧТ). Методы основаны на классических представлениях о тепловых излучениях и расчётах на основе функции Планка. Для решения поставленной задачи на основе метода Гуфи были проведены расчеты геометрических параметров тигля, который при погружении его в расплав образовывает излучатель в виде модели АЧТ. В работе описано пирометрическое устройство на основе оптоволоконного пирометра, для измерения температуры расплавов, реализующее предложенный способ измерений с помощью специального тигля. При этом излучатель формируется самим расплавом при помощи этого тигля, температура внутри которого измеряется при помощи оптоволоконного пирометра. По результатам экспериментальных исследований получен коэффициент излучения £ > 0.999, что подтвердило теоретические и расчётные обоснования, приведённые в статье.

Ключевые слова: пирометрия, абсолютно черное тело, температура расплавов, коэффициент черноты.

I. Введение

В современной металлургической промышленности большинство технологических процессов обусловлены температурными режимами. Возросло значение точных температурных измерений в наиболее востребованных процессах выплавки чугуна, стали, цветных металлов. Для решения задач измерений температуры расплавов в разное время предлагались различного рода методы. Например, прямое пирометрическое измерение по излучению открытой поверхности расплава, метод визирной трубы, метод продуваемой трубы, погружение контактных термопреобразователей в расплав. В настоящее время для решения этой задачи наибольшее распространение получили два способа измерения: контактные и пирометрические.

В заводской практике в основном применяют метод контактных измерений с использованием разовых термоэлектрических преобразователей кратковременного погружения. К достоинствам контактного способа измерений можно отнести достаточную точность измерений, а к недостаткам одноразовое использование средств измерений и их большую инерционность [1, 2].

Примером широкого применения контактных измерений в промышленной термометрии для измерения температуры расплавов является термопреобразователь со сменными измерительными вставками. Такие преобразователи широко используются в нашей стране и за рубежом в платинородиевых и вольфраморениевых термопреобразователях для измерения температуры расплавов металлов [3, 4, 5]. Преобразователи состоят из двух частей - корпуса (жезла) и сменного термопреобразователного измерительного пакета одноразового использования.

К достоинствам пирометрического способа измерения температуры можно отнести бесконтактность и высокое быстродействие при измерениях, а к недостаткам - высокую погрешность, связанную, прежде всего с неопределённостями коэффициентов черноты [6, 7]. Решениям уменьшения погрешностей, связанных с неопределённостями коэффициентов черноты в пирометрических измерениях, посвящено большое количество публикаций [2, 13].

II. Постановка задачи

Следует отметить, что в последние годы в металлургии широкое распространение получили процессы скоростного нагрева и возникли задачи автоматического поддержания заданных температур металлов [5], когда контроль за качеством нагрева имеет большое значение для увеличения производительности и снижения удельных расходов топлива. В этой связи применение контактных средств, а тем более одноразовых, для автоматизированного управления процессами нагрева представляется затруднительным. Применение пирометров для решения этих задач в условиях эксплуатации печей сталкивается с трудностями учёта влияния следующих факторов: наличие поглощающей газовой среды, неопределённость степени черноты расплавов (неизвестная зависимость их от температуры, шлаки, окалина), влияние переотражённых излучений. В данной работе предложен пирометр для измерения температуры расплава, в котором эти факторы преодолеваются с помощью формирования в расплаве излучателя в виде модели абсолютно черного тела (АЧТ) и применения оптоволоконного пирометра. В таком пирометре отстройка от влияний поглощений газами, сопровождающими процессы выплавки, и от переотражений происходит за счёт применения оптоволокна, а элиминирование неопределённостей, связанных с неизвестным коэффициентом черноты, будет происходить за счёт формирования измерительной поверхности в виде излучателя типа модели АЧТ. В таком пирометре измерение температуры расплава происходит путём регистрации излучения этой полости. Для этого в расплав необходимо при помощи жезла (аналогичного, применяемого в сменных термопреобразователях) погружать полое тело в виде тигля и визировать на его дно оптоволоконный пирометр [8]. В качестве материала тигля необходимо применять марки стёкол с высокой температурой плавления и наибольшей прозрачностью в области спектральной чувствительности оптоволоконного пирометра, тогда сам расплав, образовывающий излучающую полость, после помещения в него тигля и будет представлять собой излучатель типа модели АЧТ.

III. Теория

Для конструктивных расчётов излучателя была выбрана цилиндрическая форма модели АЧТ, так как эта форма полости удобна для практического изготовления. Для такой модели были проведены представленные ниже расчеты геометрических параметров излучателя в виде модели АЧТ. Расчеты производились на основе методов, описанных в [9].

2r

I

Рис. 1. Эскиз полости АЧТ L - длина цилиндра, г - радиус цилиндра

Расчёт производился по формуле Гуфе (1):

£ =

4 TT 50 )]

К1-f)+I

Тогда при коэффициенте излучения материала тигля е = 0,9 (для стекла марки КИ) и соотношении = 10

т

расчётная относительная излучательная способность полости будет равна е = 0.999, где е - коэффициент излучения стенок полости; а - площадь отверстия в полости; S - полня площадь поверхности полости; So - расстояние между плоскостью отверстия и самой дальней точкой полости.

При диафрагмировании с целью обеспечения большей изотермичности полости конструкция излучателя представится как

Рис. 2. Диафрагмированная цилиндрическая полость d0 - диаметр отверстия диафрагмы, d - диаметр цилиндра

При коэффициенте излучения материала тигля е = 0,9, и соотношении ~0 = 0.1 и сохранении условия - = 10, расчётный коэффициент излучения составит е > 0.999.

Упрощенная формула для диафрагмированной цилиндрической полости (2).

£ =1

2

Р*Гд

(Чг)2

где гд - радиус отверстия диафрагмы; р - коэффициент отражения материала стенки полости. Расчётный коэффициент излучения составит £ > 0.999.

По результатам расчетов были получены следующие геометрические размеры конструкции излучательного тигля: L = 100 мм; г = 10 мм; d0 = 2 мм.

В качестве материала для изготовления полости АЧТ было выбрано кварцевое стекло марки КИ, исходя из его спектральной характеристики, которая приведена на рис. 3 [10].

Расчёты, проведённые с использованием приведённой функции Планка (3) [10, 12, 13], показали, что при температурах расплавов в диапазоне 1100-2500 около 90% излучения лежит в области 200-3000 нм. Это позволяет утверждать, что потери на поглощении в стенках тигля из стекла марки КИ будут составлять менее 10%. Для марок других стёкол, например, марокКВ-2, КВ-1, эти потери превышают (35-40) %.

L

Рис. 3. Спектральная характеристика стекла марки КИ

( И- с

1

г(Х) : =

к- Т1 -X , е - 1У

2-ж -Ь-с

2

5

(3),

где г(Х) - спектральная плотность энергетической светимости; с - скорость света; X - длина волны; Т1 - температура в Кельвинах; И - постоянная Планка; к - постоянная Больцмана.

По результатам расчётов были получены зависимости изменения спектральных плотностей энергетических светимостей поверхностей при температурах 1100 °С и 2500 °С, приведённые на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость энергетической светимости от длины волны при температуре 1100 °С и 2500 °С. 1 - зависимость при температуре 2500°С, 2 - зависимость при температуре 1100°

В качестве оптоволоконного пирометра предлагается использовать пирометр типа ПД-10-02, серийно выпускаемый АО «НПП «Эталон».

Следует отметить, что в предлагаемом методе измерений в конструкции пирометра возможно применение тиглей из любых материалов, температура плавления которых превышает диапазон измеряемых температур (например, из карбида кремния). Тогда излучающая полость будет формироваться не расплавом металла, а изотермичной поверхностью тигля, нагретой до температуры расплава металла. В этом случае постоянная времени измерения увеличится до времени установления термодинамического равновесия между тиглем и расплавом металла.

IV. Результаты эксперимента Измерительное устройство, реализующее предлагаемый метод, было установлено в опытную эксплуатацию омского предприятия ОАО «Омсктрансмаш» на печи для изотермической закалки режущего инструмента в среде расплава хлор-бариевой соли.

В результате экспериментальных наблюдений после помещения тигля в печь и визирования на его дно оптоволоконного пирометра наблюдалось слишком долгое (в течение 30 минут) нарастание показаний пирометра. Первоначальный коэффициент излучения материала при установившемся значении показаний пирометра не соответствовал расчётному значению £ > 0.999 и составил 0,85. В течение часа работы показания пирометра выросли на 30 градусов, что стало соответствовать коэффициенту излучения £ > 0.999. При отключении печи штатная термопара была перепроверена в малоинерционной трубчатой печи с применением преобразователя ППО 2-го разряда. ЭДС рабочей термопары при температуре 1100 градусов соответствовала номинальным статистическим характеристикам по ГОСТ.

Эксплуатационные характеристики печи приведены в табл. 1.

ТАБЛИЦА 1

ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИССЛЕДУЕМОЙ ЗАКАЛОЧНОЙ ПЕЧИ

Характеристика Расшифровка

Тип печь закалки инструмента

Размеры ванны диаметр ванны 500 мм, глубина 1000 мм

Среда закалки соль хлор-бариевая

Тип нагрева электродуговой

Наименование печь для изотермической закалки режущего инструмента

Тип штатного средства измерения для контроля и регулирования температуры потенциометр самопишущий КСП-3, класс точности 0,5 совместно с термопарой типа ТПР(В) 001-2-1250-3-0,5/0,5 с угловым чехлом собственного изготовления

Рабочая температура 1240°С

IV. Выводы и заключение

Такие пирометры могут использоваться для измерений температур различных расплавов в диапазоне 1100-2500 °С вместо широко применяемых в настоящее время дорогостоящих платинородиевых и вольфрамо-рениевых термопреобразователей типа ТПР-2085 и ТВР 2085. Преимуществом представленного средства измерения температуры расплавов перед разнообразием пирометров, представленных на рынке сегодня, является отстройка результатов измерений от поглощений газовых сред, неопределённостей, связанных с неизвестными коэффициентами черноты расплавов, влияния переотражённых излучений.

Список литературы

1. Иванов Г. А., Первадчук В. П. Технология производства и свойства кварцевых оптических волокон. Пермь: Изд-во Перм. нац. политехн. ун-та, 2011. 171 c.

2. Fukuyama H., Waseda Y. High-Temperature measurements of materials // Springer, Berlin Heidelberg, 2009.

3. Dvurechenskii A. V., Petrov V. A., Rezni V. Yu. Measurement of emissivity of partially transparent materials at high temperatures by high-speed spectrometry method // Translated from Izmeritel'naya Tekhnika. 1977. October. P. 55-57.

4. Kovalev I. I., Muchenik P. G, Gordon A. R., Krylov V. M. Thermophysical measurementsents // Translated from lzmeritel 'naya Tekhnika. 1970. № 8. P. 56-58.

5. Dahl A. I. The stability of base-metal thermocouples in air from 800 to 2200°F. National Bureau of Standards, Washington, USA // Ther-mometric metals and alloys. 2010. P. 1238-1266.

6. Taymanov R., Sapozhnikova K., Druzhinin I. Sensor Devices with Metrological Self-Check // Sensors & Transducers. 2011. Vol. 10. P. 30-45.

7. Taymanov R., Sapozhnikova K. Metrological Self-Check and Evolution of Metrology // Measurement. 2010. No 43. P. 869-877.

8. Вертман А. А., Самарин А. М. Метод исследования свойств металлических расплавов. М.: Наука, 1969. 197 с.

9. Ivliev A. D., Morilov V. V., Kurichenko A. A., Meshkov V. V., Goi1 S. A. Methods of measuring the thermal Diffusivity of molten ferrous and nonferrous metals // Measurement Techniques. 2014. Vol. 57, no. 3.

10. Криксунов Л. З. Справочник по основам инфракрасной технике. М.: Сов. радио, 1978. 400 с.

11. Debasish Das., Dilip Kumar Pratihar, Gour Gopal Roy. Electron Beam Melting of Steel Plates: Temperature Measurement Using Thermocouples and Prediction Through Finite Element Analysis. Springer India, 2016. DOI: 10.1007/978-81-322-2740-3_57.

12. Tsvetkov V. B., Seregin V. F., Veber A. A., Pyrkov Yu. N., Rusanov S. Ya. Method for Measuring Optical Characteristics of Opaque and Translucent Solids at Temperatures to 1600°C // Physics of Wave Phenomena. 2014. Vol. 22, no. 4. P. 255-261.

13. Zakharenko V. A., Klikushin Yu. N., Ponomarev D. B. A Compensation - Type Pyrometer // Measurement Techniqes. 2014. Vol. 57, no. 6. P. 679-683.

УДК 620.179.4

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ДИНАМИКИ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ СЛОЕВ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЧАТНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

А. П. Кондратов, А. М. Зуева, И. В. Нагорнова

Московский политехнический университет, г. Москва, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-134-139

Аннотация - Производство электронных компонентов портативных устройств связи, вычислительной техники и приборов высокопроизводительными способами печати, обусловливает актуальность исследования процессов нанесения электропроводящих красок на различные поверхности и изменения свойств слоев краски при закреплении. Для анализа изменений электропроводности и адгезии слоев полимерных композиций, содержащих дисперсии углерода, предложены устройство тест -объекта и оригинальные методики измерения физических параметров межфазной поверхности отпечатков в зависимости от времени её формирования. Установлено снижение омического сопротивления поверхности слоя трафаретной краски, содержащей дисперсию графита на 4 десятичных порядка с 2000 кОм до 0,5 кОм и снижение суммарного сопротивления межфазной границы и объема слоя эмали по толщине на 3 десятичных порядка с 116 кОм до 0,6 кОм. Предложено определять оптимальный момент нанесения электропроводящего или диэлектрического материала поверх невысохшего слоя электропроводящей краски, содержащей дисперсию графита, по величине омического сопротивления слоя краски

Ключевые слова: печатная электроника, резисторы, поверхностное натяжение, адгезия, комбинированные отпечатки.

I. Введение

В производстве органической, неорганической или гибридной печатной электроники используют различные способы печати, существенно отличающиеся оборудованием, составом и вязкостью типографской краски. В зависимости от необходимой разрешающей способности и производительности [1] на разных стадиях изготовления электронных компонентов применяют: лазерную абляцию, фотолитографию, глубокую, офсетную, струйную печать, трафаретную печать в плоском и ротационном вариантах. Слои разных материалов (красок) на гибком основании могут находиться на одном уровне и не контактировать между собой (аппликация), но чаще всего располагаются друг под другом, образовывая многослойное тело комбинированного отпечатка.