CC BY
2
_ МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. _
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор Г.С. Гарибов
УДК 621.762.06
001: 10.24412/0321-4664-2024-1-23-28
К ВОПРОСУ ФОРМИРОВАНИЯ НОВОЙ КОМПОНОВОЧНОЙ И КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ УСТАНОВОК PREP-ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ
Евгений Иванович Старовойтенко, канд. техн. наук Всероссийский институт легких сплавов, Москва, Россия, e-mail: info@oaovils.ru
Аннотация. Обозначены конструктивные и компоновочные недостатки оборудования для производства металлических порошков-гранул методом PREP, которые препятствуют модернизации. Предложены новые конструктивные решения механизмов установки центробежного распыления, обеспечивающие повышение эксплуатационного ресурса и переход к вертикальной более прогрессивной компоновке установки в целом. Рассмотрен вопрос об оптимальной геометрии заготовок распыления для установок центробежного типа, работающих по PREP- технологии.
Ключевые слова: гранулы; плазменная плавка; распыление; оборудование; компоновочное решение
On the Issue of Forming a New Layout and Design Scheme of PREP Units for Powder Production. Cand. of Sci. (Eng.) Evgeniy I. Starovoitenko
All-Russian Institute of Light Alloys, Moscow, Russia, e-mail: info@oaovils.ru
Abstract. The design and layout shortcomings of equipment for the production of metal powders using the PREP method, which hinder modernization, are identified. New design solutions for the mechanisms of the centrifugal spraying unit have been proposed to ensure an increase in operational life and a transition to a more progressive vertical layout of the unit as a whole. The problem of the optimal geometry of spray blanks for PREP centrifugal-type units is considered.
Keywords: powders; plasma melting; spraying; equipment; layout arrangement
Предпосылки для модернизации оборудования
На рынке порошковых материалов уже довольно давно прослеживается непрерывный и все возрастающий интерес к мелкодисперсным фракциям (крупностью 70-40 мкм и менее) порошков различных материалов. Эта тенденция вполне закономерна, поскольку связана с новыми, современными технологиями прямого построения изделий из порошков, например, аддитивным способом, где, с одной
стороны, размер частиц построения определяет точность воспроизведения геометрии изделия и высокий уровень свойств материала -с другой [1].
Последние публикации убедительно подчеркивают преимущества порошковых материалов, получаемых методом PREP, по отношению к порошкам, получаемым альтернативными методами [2]. В этой связи производители порошков остро нуждаются в соответствующем специализированном высокотехнологичном оборудовании.
К сожалению, модернизация оборудования, на котором изготавливают порошки по технологии PREP [3], не вполне успевает следовать за данной тенденцией. Возрастание частоты вращения распыляемой заготовки, требуемое для перехода на получение более мелких фракций порошков, рождает порой непреодолимые технические трудности, когда речь идет о диапазонах вращения на уровне 35 000-40 000 мин-1. Надежность работы механизмов, обеспечивающих вращение заготовки с такой частотой, становится серьезной технической проблемой.
Сформировавшаяся к настоящему времени конструктивная схема механизмов данных установок [4] имеет ряд особенностей, которые ставят ограничения на реально достижимые частоты вращения. Одна из них - включение в состав главного механизма вращения распыляемой заготовки, находящейся в зацеплении с приводными опорными барабанами и прижимными роликами механизма.
Поскольку каждая из распыляемых заготовок, даже при достаточно строгих нормах на их геометрию и чистоту обработки поверхности, всегда имеет определенные отклонения, то трудно рассчитывать на высокую сбалансированность вращающейся системы механизма. Дисбаланс в нем порождает вибрацию и резонансные явления, становящиеся препятствиями для устойчивой и безаварийной работы оборудования, причем в тем большей степени, чем выше частота вращения.
Горизонтальная ориентация осей вращения составных элементов системы при наличии дисбаланса, недостаточная жесткость системы, проявляющаяся через существование микронных зазоров и люфтов, усугубляют проблему еще больше. Такое положение вещей приводит к негативным последствиям при эксплуатации оборудования. Напрашивается вывод о необходимости внесения принципиальных изменений в конструкцию главного механизма и компоновку установок PREP в целом, которые бы исправили ситуацию в более благоприятную сторону.
Базовые изменения для внесения в конструкцию установок PREP
Задача вывода распыляемой заготовки из состава механизма вращения, которая может
быть решена замещением стационарной деталью (узлом), например, трубчатым пеналом или шпинделем с той же функцией передачи крутящего момента. В полость шпинделя при этом вводят распыляемую заготовку как расходный материал процесса, а не как деталь механизма.
Таким приемом обеспечивается формирование стационарного механизма, который может быть изготовлен по самым высоким требованиям к точности исполнения, балансировке вращающихся масс, жесткости конструкции и надежности в отличие от существующей конструкции со сменяемой деталью - заготовкой распыления. Шпиндель при этом должен быть снабжен распорным устройством, фиксирующим заготовку на оси вращения.
Вариантов возможного исполнения как собственно шпинделя с приводом вращения, так и фиксатора заготовки, достаточно много, при этом распорное устройство должно обеспечить подвижность заготовки в осевом направлении под действием небольшого усилия толкателя, перемещающего ее в зону плавления и распыления.
Изменение плоскости вращения с горизонтальной на вертикальную обеспечит дополнительную устойчивость вращающейся системы от вынужденных колебаний под действием массовых сил, вектор которых теперь будет направлен вдоль главной оси вращения.
Предлагаемые базовые изменения конструкции установки повлекут за собой переделку как отдельных узлов и систем, так и ее компоновки в целом.
Компоновочные и конструктивные
решения по модернизации установки PREP нового поколения
Аналогом приемлемого компоновочного решения может послужить устройство [5], принципиальная (компоновочная) схема которого показана на рисунке.
Установка включает камеру 1 с магазином 2 заготовок распыления 3, которые посредством манипулятора 4 могут перемещаться на ось толкателя 5 телескопического типа. Соос-но с толкателем 5 в верхней части камеры 1 размещен вертикальный шпиндель 6 с защитным экраном 8 и приводом вращения 9,
Схема установки для получения порошка методом центробежного распыления
в полость которого входит пята 7 толкателя 5. Шпиндель 6 снабжен упругим фиксатором со-осного положения заготовки 3 (на рисунке не показан).
Проем камеры 1 перекрыт съемной крышкой 11, которые совместно формируют отсек распыления 10 линзообразной конфигурации. Подъем и боковое смещение крышки 11 обеспечивает подъемник 12. В крышку 11 встроен плавильный узел 13 в составе плазмотрона с механизмом рабочих перемещений, который установлен на одной оси с осью шпинделя 6. Камера 1 по периферии отсека распыления 10 снабжена улавливателем 14 крупных частиц, под которым смонтированы приемные воронки 15 порошка, сообщенные патрубками 16 с транспортным каналом 17, по которому порошок направляется в просеивающую машину 18.
Непосредственно под просеивающей машиной 18 размещен приемник товарного порошка (бункер) 19, отделяемый от просеивающей машины 18 затвором 21. Вывод порошка из бункера обеспечивает питатель 20 с приводом 22.
В зоне, обслуживаемой манипулятором 4, размещен приемник - накопитель 23 огарков заготовок.
Установка комплектуется всеми необходимыми системами (на схеме не показаны) - вакуумной, газовой, электропитания, управления и т. п., которые обеспечивают ее эксплуатацию.
Следует отметить, что составные элементы установки, в том числе и новый ее элемент -шпиндель с приводом вращения, показаны на рисунке очень условно, поскольку их детализация не входит в задачу представленного здесь компоновочного решения.
В рамках предложенной концепции установки предстоит сделать оптимальный выбор взаимного расположения отдельных ее узлов при компоновке.
Рабочий процесс на предлагаемой установке принципиально не отличается от цикла работающих сейчас установок типа УЦР.
Однако отличия имеются, в частности, загрузку заготовки 3 в шпиндель 6 обеспечивают манипулятором 4, забирая ее из магазина 2. Манипулятор с заготовкой выводят при этом на позицию, когда оси заготовки и шпинделя совпадают и вводят ее в полость шпинделя. К нижнему торцу заготовки 3 затем подводят пяту 7 толкателя 5, освобождают заготовку из зажимов манипулятора и отводят его на позицию ожидания. Заготовку толкателем 5 перемещают в полость шпинделя 6 вверх на позицию распыления.
Далее выполняют все известные операции по подготовке установки к работе: вакуумиру-ют и затем заполняют пространство установки рабочим газом, запускают в работу систему плавления вначале на холостом ходу, а после включения привода вращения и выхода на номинальные обороты шпинделя повышают мощность плазмотрона до номинала.
При вращении шпинделя срабатывает фиксатор положения заготовки (имеется в виду, например, центробежный вариант конструкции фиксатора, активируемый от центробежной силы), обеспечивая ее жесткое удержание строго на оси шпинделя, приближают плазмотрон к торцу заготовки на рабочую позицию и начинают процесс распыления.
Частицы порошка, охлажденные в полете, поступают сначала в просеивающую маши-
ну 18, а затем выделенная товарная фракция - в приемный бункер 19.
При выходе на номинальную остаточную длину огарка заготовки процесс плавления и распыления останавливают. При этом снижают мощность плазмотрона до уровня холостого хода и отводят его на позицию ожидания.
Отключают привод вращения заготовки. При остановке вращения шпинделя фиксатор освобождает огарок от удержания, позволяя ему свободно перемещаться вниз при обратном движении толкателя. Съем огарка с пяты 7 толкателя 5 обеспечивает манипулятор 4, который перемещает огарок на позицию приемника огарков 23 и сбрасывает огарок в него. Затем толкатель 5 отводят в крайнее нижнее положение, манипулятором захватывают из магазина 2 новую заготовку и повторяют все последующие операции процесса сновой заготовкой.
Оптимизация характеристик распыляемой заготовки
На данный момент заготовки распыления имеют следующие характеристики: диаметр номинальный 80 ± 5 мм; длина 700 мм, масса 29,5 кг для материала на основе никеля. Плавление такой заготовки обеспечивает плазменная система на базе электродугового плазмотрона ПСМ-100 при следующих параметрах: рабочий ток до 1500 А; напряжение до 60 В; мощность до 90 кВт; скорость плавления массовая до 105 кг/ч, линейная до 0,7 мм/мин; огарок до 10-12 % длины заготовки.
Данные характеристики, к сожалению, на протяжении весьма длительного периода остаются неизменными. Отчасти это объяс-
няется неизменностью типа используемого плазмотрона, способом литья заготовок и конструкцией применяемой литейной оснастки, отчасти - консерватизмом.
К настоящему моменту последний вступает в противоречие с возрастающим спросом на порошковую продукцию как в количественном, так и качественном отношениях.
Относительно несложные расчеты параметров процесса плавки и распыления заготовки с приведенными выше характеристиками и параметрами плазменной системы ПСМ-100 дают результаты, представленные в табл. 1.
Из анализа данных табл. 1 следует:
- из общей генерируемой плазмотроном мощности 90 кВт меньшая ее часть (порядка 45 %) расходуется непосредственно на образование расплава на торце заготовки, остальное тепло отводится в системы охлаждения плазмотрона и установки в целом;
- наиболее интенсивный нагрев концентрируется на 10 % торца заготовки, где плотность тепловыделения составляет 7950 Вт/см2, а в среднем по поверхности торца на порядок ниже, т.е. около 795 Вт/см2.
Рассматривая перспективу наращивания производительности установок нового поколения за счет, например, применения заготовок большего диаметра и соответственно более мощных плазмотронов, можно оценить характеристики таких заготовок. В табл. 2 приведены расчетные данные процесса распыления заготовок возрастающего диаметра по аналогии с данными табл. 1.
Данные, приведенные в табл. 2, получены при фиксированной линейной скорости плавления Ул = 0,7 мм/с (на уровне существующего сейчас значения для РРЕР-процесса)
Расчетные параметры плазменной плавки заготовок распыления Таблица 1
дтах, Вг/см2 п, % Wпол, кВт WоXл, кВт т, кг О, кг/мин К Яср, Вт/см2
7950 45 40 50 26,3 1,75 0,1 795
Обозначение параметров: ц - плотность тепловыделения плазмотрона (дтах - под пятном плазменной струи, цср - средняя, отнесенная ко всей поверхности торца заготовки); п - коэффициент полезного использования мощности плазмотрона; ^пол - полезная мощность плазмотрона (мощность, расходуемая на нагрев и плавление заготовки); Wохп - тепловые потери плазмотрона; т - сплавляемая масса заготовки; О - массовая скорость плавления; К - доля активной поверхности пятна нагрева факела плазмотрона по отношению к общей поверхности торца заготовки.
Таблица 2 Расчетные данные плазменной плавки заготовок диаметром 100-140 мм
й, мм Vп, мм/с О, кг/мин W, кВт ^ол, кВт Wохл, кВт Яср, Вт/см2
100 0,7 2,74 141 62,5 78,4 795
120 0,7 3,96 203 90,1 112,9 795
140 0,7 5,4 276 122,5 153,5 795
Таблица 3 Расчетные данные плазменной плавки заготовок трубного профиля
СнЧ т, кг О, кг/мин Яср, Вт/см2 W, кВт Wохл, кВт С ^окр
120/80 32,8 2,18 700 96,8 53,2 1,5
140/100 39,4 2,63 700 116,8 64,2 1,75
160/120 46,0 3,0 700 133,2 73,3 2,0
Здесь йн, бв - соответственно наружный и внутренний диаметр трубной заготовки; Сокр - относительный рост окружной скорости вращения заготовки трубного сечения по отношению к цилиндрической заготовке = 80 мм.
и средней плотности тепловыделения цср = 795 Вт/см2.
Как видно из табл. 2, переход на использование заготовок большего диаметра й (от 100 до 140 мм) должен повлечь за собой применение плазмотрона большей мощности от 141 до 276 кВт. Массовая скорость плавления (при фиксированной линейной скорости плавления) также заметно возрастет с 2,74 до 5,4 кг/мин (или со 164,4 до 324 кг/ч) соответственно. Обращает на себя внимание при этом весьма негативный факт - рост теплоотвода в систему охлаждения установки от 78,4 до 153,5 кВт. Последнее обстоятельство делает переход на применение цилиндрических заготовок диаметром более 100 мм практически нереальным, поскольку отвести более мощные потоки тепла в систему охлаждения установки типа УЦР при допустимой температуре охлаждающего в ней газа до 150 °С не представляется технически возможным. Кроме этого, на текущий момент нет и специализированных плазмотронов соответствующей мощности. Дополнительным аргументом против перехода на цилиндрические заготовки большего диаметра служит факт несущественного роста окружной скорости вращения при фиксированной часто-
те. То есть позитивные ожидания от ведения процесса распыления на мелкие фракции при меньшей частоте вращения заготовки большего диаметра не оправдываются - выигрыш при этом незначителен (окружная скорость прирастает всего в 1,4 раза от прироста диаметра с 100 до 140 мм).
Возникает необходимость использовать заготовку другой конфигурации, например, трубного профиля. В табл. 3 содержатся аналогичные, приведенным выше, расчетные данные для трубных заготовок распыления.
Из данных табл. 3 следует, что при умеренном увеличении массы заготовки с ростом ее диаметра необходимая мощность плазмотрона возрастает в приемлемых границах (от 96,8 до 133,2 кВт). Мощность, отводимая в систему охлаждения, также находится в приемлемых значениях (практически на существующем сейчас уровне от 53,2 до 73,3 кВт). Вывод очевиден: трубная заготовка является приемлемой альтернативой цилиндрической заготовке, если идти по пути снижения необходимой частоты ее вращения, поскольку здесь (вариант ф/с^ = 160/120) выигрыш может составить двукратную величину по отношению к заготовке диаметром 80 мм.
Заключение
Технико-экономический эффект от предлагаемого обновления оборудования состоит в следующем:
- снимается проблема низкого эксплуатационного ресурса механизма вращения заготовки, присущая существующим установкам типа УЦР (быстрый износ опорных барабанов, роликов в контакте с вращающейся заготовкой, подшипниковых опор, образование абразивной пыли, вовлекаемой в плазмообразующий газ);
- снижается уровень требований к чистоте обработки поверхности заготовок после обточки на токарном станке (шлифования не требуется);
- существенно снижается остаточная длина огарка заготовки за счет его устойчивости при вращении совместно со шпинделем;
- снижается уровень вибрации и ее негативное влияние как на стойкость оборудования, так и на выход годного по дисперсному составу порошков.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Советников Е.И. Оценки развития аддитивных технологий // Технология легких сплавов. 2015. № 3. С.17-31.
2. Зенина М.В. Производство металлических порошков (гранул) для сырьевого обеспечения аддитивных технологий в машиностроении // Технология легких сплавов. 2015. № 3. С. 32-38.
3. Старовойтенко Е.И., Батяев Д.В., Зенина М.В., Ягодин М.Г. Совершенствование оборудования для производства металлических порошков цен-
тробежным распылением // Технология легких сплавов. 2020. № 2. С. 12-20.
4. Кононов И.А., Мусиенко В.Т. Установки для получения порошков методом центробежного распыления вращающейся заготовки // В кн.: Металлургия гранул. Вып. 2. М.: ВИЛС. 1984. С. 242-250.
5. Пат. RU, 2 467 835 С1. Устройство для получения порошка методом центробежного распыления / Старовойтенко Е.И.; патентообладатель ОАО «ВИЛС»; заявл. 21.10.2011; опубл. 27.11.2012.
REFERENCES
1. Sovetnikov Ye.I. Otsenki razvitiya additivnykh tekh-nologiy // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2015. № 3. S.17-31.
2. Zenina M.V. Proizvodstvo metallicheskikh poroshkov (granul) dlya syr'yevogo obespecheniya additivnykh tekhnologiy v mashinostroyenii // Tekhnologiya lyog-kikh splavov. 2015. № 3. S. 32-38.
3. Starovoytenko Ye.I., Batyayev D.V., Zenina M.V., Yagodin M.G. Sovershenstvovaniye oborudovaniya dlya proizvodstva metallicheskikh poroshkov tsen-
trobezhnym raspyleniyem // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2020. № 2. S. 12-20.
4. Kononov I.A., Musiyenko V.T. Ustanovki dlya po-lucheniya poroshkov metodom tsentrobezhnogo ras-pyleniya vrashchayushcheysya zagotovki // V kn.: Me-tallurgiya granul. Vyp. 2. M.: VILS. 1984. S. 242-250.
5. Pat. RU, 2 467 835 S1. Ustroystvo dlya polucheniya poroshka metodom tsentrobezhnogo raspyleniya / Starovoytenko Ye.I.; patentoobladatel' OAO «VILs»; zayavl. 21.10.2011; opubl. 7.11.2012.
