Теоретическое определение параметров плазменного распыления вращающейся заготовки на гранулы

_МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ.

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор Г. С. Га р ибо в

УДК 669.018.4:621.762:621.793

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЕННОГО РАСПЫЛЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЗАГОТОВКИ НА ГРАНУЛЫ

Д.И. Сухов

Предложена методика расчета параметров плазменного распыления быстро-вращающейся заготовки на гранулы для современного производства. Сравнение расчетных параметров с производственными показало возможность ее применения.

Ключевые слова: параметры, плазменное распыление, заготовка, мощность плавления, частота вращения заготовки, толщина пленки расплава.

Theoretical Determination of PREP Parameters. D.I. Sukhov.

A procedure for calculation of PREP parameters has been offered for current powder production. Comparison of calculated parameters with real operational ones showed the possibility of application of the procedure.

Key words: parameters, plasma atomization, electrode, melting power, rotational speed of the electrode, melt film thickness.

В настоящее время при производстве гранул методом PREP используют различные виды жаропрочных никелевых сплавов, разработанные как в ОАО ВИЛС, так и в других организациях. В данной статье проведем расчет параметров плазменного распыления и сравним результаты с реальными производственными значениями, а также покажем применимость методики расчета для современных плазмотронов.

Работу целесообразно начать с определения мощности, необходимой для плавления вращающейся заготовки. Для чего воспользуемся формулой, предложенной в работе [1]:

^плавления = Q

где Мплавления - мощность плавления торца заготовки, кВт;

Q - скорость распыления, кг/ч;

Тпп - температура плавления сплава, °С;

цк - удельная теплота кристаллизации, 293-Ю3 Дж/кг; с - удельная теплоемкость, 0,6103 Дж/кгград. Рассчитаем 0 по формуле для скорости фронтальной подачи заготовки:

V = •

F '

где F - площадь поперечного сечения заготов-

ки, м2;

G - расход металла, м3/с. Затем площадь:

F =

nD

где О - диаметр заготовки, 0,08 м.

Подставим формулу (3) в формулу (2) и выразим в:

С = Гу =

п02У

Время распыления: / к

т = -

1ра6 - длина распыляемой части заготовки,

м.

^"раб ^"заготовки ^"огарка"

Тогда

V =

~рао

Следовательно, подставив в формулу (4) формулу (7), получим

яО2/.

раб

4т

Подставим выражение (6) в (8) и подсчитаем расход металла в при ¿-заготовки=0,7 м, /. =0,06 м, т=15 мин.

огарка ' '

-О

4т

_ 3,14 • (0,08)2 • (0,7 - 0,Об) _ 4-15 =3,5-10 5 м3/с. Учитывая, что

,

^ » расплава' 4 '

окончательная формула для скорости распыления будет выглядеть так:

0 =

т10%

^"огарка ) £

заготовки огарка / г расплава

4т

где р =8,3-Ю3 кг/м3.

" красплава ' '

Тогда

3,14- (0,08)2 -0,64 • 8,3-103  3,6 -103 _ 4-15-60 =106 кг/ч.

Температура расплава на торце вращающейся заготовки складывается из температуры ликвидуса сплава и температуры перегрева венца вследствие градиента температурного поля на поверхности жидкой фазы на

торце вращающейся заготовки. Температура перегрева изменяется от 10 °С в центре до 60 °С на венце [1].

Температуру ликвидуса примем равной 7=1378 °С.

Л

т =7+7 =1378+60=1438 °С.

торца заг л пв у '

Подставляя в формулу (1) с и дкр, а также рассчитанные 7торцазаг и £>, подсчитаем значение эффективной мощности, необходимой для расплавления заготовки.

%

распл

= С>(с7пл+Чкр)=

106

3,6-1(Г

X (о,6 • 103 • 1438 + 298 • 103)= 33,9 кВт.

Полагая, что -55 % мощности плазмотрона теряется при нагреве торца заготовки [1], получим аналитическое значение мощности плазмотрона.

14/

К

пр

33,9

плазмотрона

(1-0,55) 0,45

= 75 кВт,

что делает очевидным то, что формула (1) полностью отражает существующую мощность плазмотрона (-80 кВт).

Так как ток дуги плазмотрона постоянный, то для мощности можно использовать формулу:

\А/=1и.

Исходя из того, что напряжение обычно принимают не более 52 В (в связи с особенностями конструкции плазмотрона), сила тока составит:

(= IV _ 72288 = 1467 Д и 52

Тогда режим плазменного распыления получится: /=1467 А, и=52 В, что практически совпадает с режимом, используемым при плазменном распылении заготовок на установках УЦР.

Однако необходимо учитывать, что на гранулометрический состав получаемых гранул влияет еще один фактор, помимо мощности плазмотрона - это частота вращения заготовки. От нее, как и от мощности, зависит толщина пленки расплава на торце распыляемой заготовки.

швшшшшяяш

Частоту вращения можно определить из формулы для среднего размера гранулы [2]:

00

Р D

со = 2л-

60

п =

30-Jl2r\

nd

Р D

где ст - поверхностное натяжение жидкого расплава, 1660 дин/см; р - плотность, 8,3 г/см3; О - диаметр заготовки, 8 см; с1 - средний диаметр гранул, 0,014 см. Тогда для г|=0,8

п =

30^12 0,8 (1660 3,14-0,0141 8,3-8

для т]—1

30V12-1

10570 об/мин;

п — -

3,14-0,014

1660 8,3-8

= 11806 об/мин.

Подставим в формулу (17) значения оборотов вращающейся заготовки, используемых сейчас в производстве, т.е. 12500 об/мин, найдем средний диаметр получаемых гранул:

d =

а

пп

i pD

30Vl2 -0,8 f 1660 У

где г| - коэффициент, связывающий поверхностное натяжение жидкого металла и динамическую вязкость жидкости, причем он принимается равным единице в идеальных условиях, т.е. при т)=1 все капли полностью отрываются от поверхности расплава, однако в реальности отрыв большинства капель происходит при г|=0,8 из-за вибрации установки.

Через частоту вращения рассчитаем количество оборотов:

Общая формула для п при подстановке (16) в (15) будет иметь вид:

3,14 • 12500 v 8,3 • 8 у =0,0119 см=119 мкм.

Получается, что при использовании скорости вращения 12500 об/мин средний диаметр гранулы ниже, чем расчетный, т.е. большинство гранул имеют размер меньше 140 мкм, что в свою очередь подтверждает верность выбора данной скорости.

Для проверки возьмем реальные условия производства, используя данные по фракционному составу после распыления на установке типа УЦР (см. таблицу).

Рассчитаем математическое ожидание тх (средний размер гранул) по формуле:

т

1=1

¡=i

где х( - среднее значение интервала;

/(*) - плотность распределения этих значений.

т =180-0,045+150-0,025+120-0,22+

X ' ' '

+81,5-0,47+56,5-0,175+50-0,065=89,6 мкм.

Значительная разница между расчетным значением среднего диаметра гранул через частоту вращения (119 мкм) и рассчитанным из гранулометрического состава (89,6 мкм) объясняется возрастанием погрешности формулы (15) с уменьшением размера гранул. В работе [1] были получены схожие результаты (109 мкм и 84 мкм соответственно) и в ней было указано на допустимость таких значений.

Для проверки можно рассчитать толщину пленки расплава. Для этого целесообразно

Фракционный состав после распыления на УЦР

Фракция -200+160 -160+140 -140+100 -100+63 -63+50 50

Фракционный состав, % 4,5 2,5 22,0 47,0 17,5 6,5

ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ № 4 2009

45

при имеющихся оборотах заготовки использовать формулу из работы [4]:

5 =

N 0,333

27tpco2R2s¡n¿(p

(.1 - коэффициент динамической вязкости, г/см-с; в - расход металла, м3/с; Ф - угол кратера распыления, град; И - радиус заготовки, м; со - частота вращения заготовки, рад. С учетом преобразования частоты вращения (16) в число оборотов заготовки получим:

5 =

ЗцСт602

N 0,333

Данные для расчета толщины пленки расплава: ц=2,26-10~2 г/см-с; р=8,3 г/см3; ф=30°; С=3,5-10_6 м3/с.

Для расчетных л=10570 об/мин

5 =

3  2,26  10^2 • 3,5 • 10• 602

х 0,333

v 8 • З,143 • 8,3  103 • 105702 • 0,039(sin 30)2 =22 мкм.

Для используемых в производстве п=12500об/мин

\ 0,333

8 =

3 • 2,26 • 10~2 • 3,5  10~° • 60

-6

8 • З,143 • 8,3 • 103 • 125002 • 0,039 (sin 30)2 =20 мкм.

Значения толщины пленки расплава должны быть порядка 20 мкм, полученные выше значения соответствуют ранее рассчитанным в работе [3].

Заключение

Полученные в работе данные позволяют аналитически оценить параметры плазменной плавки разных сплавов на никелевой основе по предложенной методике. Она дает возможность определить мощность плазмотрона, необходимую для плазменного распыления заготовок из никелевых сплавов и выбрать оптимальный режим работы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мусиенко В.Т. Закономерности образования гранул при центробежном распылении вращающейся заготовки//Метал-лургия гранул. Вып. 1. - М.: ВИЛС, 1983. С. 41-48.

2. Мусиенко В.Т. Особенности распыления вращающейся заготовки//Металлургия гранул. Вып. 3. - М.: ВИЛС, 1986. С. 23-33.

3. Старовойтенко Е.И., Мусиенко В.Т. Тепловые условия формирования и кристаллизации тонких пленок жаропрочного сплава//Металлургия гранул. Вып. 3. -М.: ВИЛС, 1986. С. 45-56.

4. Дитякин Ю.Ф., Клячко Л.А., Новиков Б.В., Ягодкин В.И. Распыливаниежидкостей. - М.: Машиностроение, 1977.

46 ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ I № 4 I 2009