CC BY
101
ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
_2016 г. Выпуск 2 (41). С. 7-16_
УДК 54.055
КОНТРОЛЬ ЭНЕРГИИ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ И МЕХАНОАКТИВАЦИИ ПЛАНЕТАРНОЙ МЕЛЬНИЦЫ АГО-3
М. П. Бороненко, В. В. Лавриков, А. Е. Серегин, П. А. Юрукин, Р. Ф. Юхимук
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта
№ 15-42-00106.
Введение
В технологических процессах порошковой металлургии широко используются методы механоактивации (МА) и последующей сферодоизацией в пот плазменном потоке [1-4]. С их помощью получают металлические твёрдые и сверхтвердые растворы и химические соединения в процессе МА смеси порошков в планетарных шаровых или вибрационных мельницах [5-7]. МА в высокоэнергонагруженных аппаратах позволяет осуществлять измельчение порошков в трех комбинированных режимах - ударном, ударно-истирающем или истирающем режимах [8-10], что приводит к накоплению структурных дефектов, увеличению дисперсности, увеличению активной поверхности веществ, фазовым превращениям, аморфиза-ции кристаллов, что влияет на их химическую активность [11-14].
Процессы, протекающие при МА, в частности механосинтез (МС), относятся к неравновесным фазовым превращениям [15, 16] и, согласно исследованиям [17], могут иметь место уже при температурах, близких комнатным. Атомное перераспределение по механизму нормальной диффузии, в сплавах на основе Fe при таких температурах отсутствует [18-19]. Однако в результате интенсивной холодной пластической деформации формируются точечные дефекты, и становится возможным деформационно-индуцированный массоперенос - диффузия атомов на расстояния, значительно превышающие межатомные, вследствие чего нарушается структура металлов, происходит ее аморфизация [20]. Процесс механоактивации содержит в себе два конкурирующих процесса - процесс образования дефектов и процесс их релаксации. Последний может продолжаться от долей секунды до нескольких лет [21, 22]. Ме-ханоактивация вещества эффективно продолжается до тех пор, пока скорость образования дефектов превышает скорость их релаксации [23, 24].
Сильное деформационное импульсное воздействие на вещество, особенно при низких температурах, сопровождается передачей ему большой энергии и формированием особых, локально неоднородных состояний, обусловленных насыщением дефектами и высокими напряжениями на малых субмикро- и наномасштабных элементах структуры [25, 26]. Вне зависимости от аппаратурного оформления процесса результаты всякой механической обработки можно представить в самом общем виде как некоторое сочетание трехосного нагружения и сдвиговой деформации на контактах между частицами твердого вещества [27, 28]. Отличие между обработкой в различных аппаратах сводится не только к количественному отличию в скорости этих процессов и количестве подводимой к твердому телу энергии, но и к качественному различию получаемых результатов. Например, полученные результаты формирования аморфизированного покрытия нитрида и оксида титана на стальной поверхности мелющих тел в ходе МА в планетарной мельнице АГО-3 являются недостижимыми для меньших активаторов [29].
К сожалению, экспериментальных работ по непосредственным измерениям характеристик процессов МА в планетарных мельницах (температуры, скорости мелющих тел, энергонапряженности) значительно меньше, чем расчетных. Хорошо изученными являются планетарные механоактиваторы немецкой компании Fritsch (например Fritsch Pulverisette 5) и российской компании НОВИЦ (г. Новосибирск) АГО-2. Параметры энергонапряженности в зависимости от параметров загрузки, активного ускорения, зависимости температуры мелющих тел от времени МА для лабораторного активатора АГО-3 не определены.
Исследование основных управляющих характеристик
Характеристики механообработки с разных сторон описывают процесс механоактива-ции, протекающий при определенном наборе управляемых параметров и зависят от свойств обрабатываемого материала [30-32]. К самым важным управляющим параметрам для планетарной мельницы относятся: скорость вращения водила, материал и размеры мелющих тел, их масса и средняя скорость между соударениями; отношение объема мелющих тел и обрабатываемого порошка, степень заполнения контейнера. В ходе эксперимента определены характеристики активатора в зависимости от управляемых параметров.
Оборудование и методика эксперимента:
Механоактиватор АГО-3 (см. рис. 1) производства компании НОВИЦ (г. Новосибирск).
Рисунок 1 - Внешний вид и устройство механоактиватора АГО-3 1 - каркас, 2 - водило, 3 - стойка, 4 - контейнер, 5 - корпус, 6 - обойма, 7 - подвижный кронштейн, 8 - крышка, 9 - элетродвигатель, 10 - кожух, 11 - шкиф, 12 - распылитель, 13 - гильза, 14 - стол, 15 - напрявляющая, 16, 17 - фиксаторы, 18 - ручка, 19 - рукоять, 20 - подъемник
Таблица 1
Технические параметры АГО-3
Режим работы дискретный
Максимальный исходный размер частиц материала, мм 3...5
Размер частиц на выходе, мкм 0.5-3
Количество и объем барабанов, мл 3*2000
Мелющие тела шары
Диаметр мелющих тел, мм 6.10
Максимальная загрузка контейнера мелющими телами, гр. 3000
Максимальная загрузка контейнера измельчаемым материалом, гр 300
Охлаждающая жидкость, расход ОЖ Вода, 60 л/мин
Частота вращения барабанов в переносном движении, об./мин 1780
Центробежное ускорение, развиваемое мелющими телами, м/с2 800
Мощность электродвигателя, кВт 30
Габаритные размеры (длина/ширина/высота), мм 1212/575/1080
Передаточное отношение клиноременной передачи 2
Масса, кг 350
Система управления двигателем активатора реализована посредством высокочастотного контроллера Siemens Sinamics G120 (производство Германия) (см. рис. 2). Управление кон-
троллером осуществляется свободно распространяемым ПО Siemens STARTER. Контроллер оборудован 8 АЦП, позволяющими диагностировать до 8 из 20 предустановленных (выборных) параметров работы двигателя с временным разрешением не менее 5 мс. В ходе эксперимента детектировались следующие параметры (временное разрешение составляет 40 мс): Активная мощность, кВт; Крутящий момент двигателя, Нм; Сила тока, А; Напряжение, В;
Частота вращения вала двигателя, Гц; Температура двигателя, 0С; Коэффициент проскальзывания.
------- Диапазон напряжений и 380-690 В, ± Ю %, 3 АС, 37 кВт
ИИВЕдР мощностей
Щ 1 ia>í б Тип управления Векторное управление с энкодером и без энкодера, управление по потокосцеплению (FCC), скалярное управление U/f. квадратичная U/f характеристика, параметрируемая U/f характеристика
... И III Г Входы 10 цифровых входов, 4 аналоговых входа
Выходы 4 цифровых выхода, 2 аналоговых выхода
Рисунок 2 - Внешний вид и технические характеристики высокочастотного контроллера
Siemens Sinamics G120
Мелющие тела: шары, изготовленные из стали ШХ18. Масса тел определена на весах Vibra AJ-2200CE, погрешность измерения массы составляет ±0,01 гр. Измерение диаметра производилось микрометром, (погрешность измерения ±10 мкм) в трех взаимно перпендикулярных плоскостях полученные значения усреднялись. Распределение массы и габаритных размеров мелющих тел представлены на рисунке 3.
Рисунок 3 - Распределение массы и габаритных размеров мелющих тел
Измерение температуры производилось контактным термометром ТК-5.09 (см. рис. 3), оборудованным термопарой 3В9-500. Диапазон работы термометра - 99-1800 0С. Погрешность измерения - ±10С.
1 • X*vu4>p«*ca' ичес-
2 - Кюнке включении/ •»ыкпюченмч '
3 ■ Кнопка НЫЬ№ Л Кнопка РЕЖИМ
5 - Кнопка ввод
6 - Кнопка голс*втки л ндислгода СВЕТ
7 - Разъем дги псдкло-«-iw вчеинега |лс*очиика читан*»
9 Разъем измерительного зонда
Рисунок 4 - Внешний вид и устройство термометра термометром ТК-5.09
Изменяемыми параметрами эксперимента являлись:
• Частота вращения двигателя, об/мин - 260, 460, 660, 860, 1060, 1260, 1460;
• Масса загружаемых мелющих тел, гр: 1000, 1700, 2400, 3000 гр;
• Время МА, сек: 60, 120, 180, 240, 300, 360, 420, 480, 540.
Для определения внутренних потерь на жидкостное трение, гидросопротивление вращению с помощью высокочастотного контроллера производилось измерение параметров активной мощности двигателя, частоты вращения, крутящего момента.
Методика эксперимента и анализ получившихся данных:
Нами были сняты температурные характеристики мельницы и проведена серия опытов, направленная на изучение управляющих параметров, заключающаяся в нахождении и анализе зависимости температуры мелющих тел от времени механоактивации, числа оборотов в минуту и загруженности барабана планетарной мельницы (рис. 5, рис. 6, рис.7, рис. 8).
Рисунок 5 - Зависимость температуры мелющих тел от времени механоактивации, числа оборотов в минуту и загруженности (1 кг) барабана планетарной мельницы
Рисунок 6 - Зависимость температуры мелющих тел от времени механоактивации, числа оборотов в минуту и загруженности (1,7 кг) барабана планетарной мельницы
10
Рисунок 7 - Зависимость температуры мелющих тел от времени механоактивации, числа оборотов в минуту и загруженности (2,4 кг) барабана планетарной мельницы
Рисунок 8 - Зависимость температуры мелющих тел от времени механоактивации, числа оборотов в минуту и загруженности (3 кг) барабана планетарной мельницы
Полученные данные были впервые обнаружены для планетарной мельницы типа АГО-3. Знания о приращении температуры позволяют нам вычислить скорость мелющих тел, которая является самым значимым управляющим параметром мельницы.
Предполагается, что кинетическая энергия шаров преобразуется в тепловую энергию, посредством лобового удара между мелющими телами и контейнером, которая идет на измельчение обрабатываемого материала. Преобразованная энергия составляет только 40 % от полной кинетической энергии (это было выявлено изучением отскока шарика от поверхности барабана). Определение параметров производилось калориметрическим методом. Зная начальную и конечную температуру мелющих тел и порошка, была вычислена полная энергия, «вкачанная в материал», по формуле:
E = M*c*(T-To), (1)
где, М - масса всех мелющих тел, с - теплоемкость, Т,То - конечная и начальная температура
соответственно.
Среднее максимальное значение скорости шаров находилась по формуле:
V = 2*л*и*Як/60, (2) где, и - частота вращения водила, Як - радиус контейнера.
Полученные данные значений скорости при разных частотах вращения контейнера отображены на рис. 9.
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 количество об/мин
Рисунок 9 - Максимальные усредненные значения скорости мелющих тел Тогда среднее число соударений всех мелющих тел вычисляется как:
п = М*с*(Т(0-То)/Е1Ч (3) где Т(1;) - температура за время 1 механоактивации,
Е1 = (Ш*Ул2/2)*^ (4)
где Е1 - тепловая энергия мелющего тела, q - коэффициент теплоотдачи равный 0,4.
Полученные данные о количестве соударений в единицу времени изображены на рис. 10 и рис. 11.
Рисунок 10 - График зависимости числа соударений всех мелющих тел от частоты вращения водила
при разной загрузке контейнера
Рисунок 11 - График зависимости числа соударений всех мелющих тел от частоты вращения водила
при разной загрузке контейнера
Расчет энергонапряженности планетарной мельницы АГО-3 производился по формуле:
= Е1*п (5)
Полученные значения показаны на рис. 12 и рис. 13.
энергонапряженность АГО-3
загрузка 1 кг загрузка 1,7 кг
2000
количество об/мин
Рисунок 12 - Энергонаприяженность планетарной мельницы АГО-3 при различной загрузке контейнера
энергонапряженность АГО-3
ц 4000,0
3! 3500,0 СП
л- 3000,0
I—
0 2500,0 т
5 2000,0
1 1500,0
О.
га 1000,0 х
2 500,0
I 0,0
О 500 1000 1500 2000
количество об/мин
Рисунок 13 - Энергонаприяженность планетарной мельницы АГО-3 при различной загрузке контейнера
В описанной работе никак не учитывалась роль трения. В работах с использованием прозрачной крышки и высокоскоростной камеры установили, что в планетарных мельницах между шарами и стенкой часто происходит проскальзывание.
Также, изменяя массу мелющих тел, и скорость вращения водила, были изучены разгонные характеристики мельницы (рис. 14, рис. 15). Разность площадей графиков механоакти-вации, протекающей с исследуемым образцом и без него, в дальнейшем позволит сделать вывод о подводимой к порошку энергии и предугадать размер и свойства получаемых на выходе наночастиц.
Значение активной мощности при 1460 об/мин двигателя
Рисунок 14 - Значение активной мощности при 1460 об/мин ( мел. тел 5 мм)
13
М. П. Бороненко, В. В. Лавриков, А. Е. Серегин, П. А. Юрукин, Р. Ф. Юхимук Значение активной мощности двигателя при п =1460 об/мин
m
о о
X
о
30 -,
25-
20
15
10-
5-
Двигатель Двигатель + Водило Двигатель + водило + вода 0 1000 1700 2400
5000
10000
15000 Время (мс)
20000
25000
30000
Рисунок 15 - Значение активной мощности при 1460 об/мин ( мел. тел 7 мм)
Принимая во внимание вышеизложенные данные, был сделан вывод об отсутствии «водопадного движения» мелющих тел при механоактивации.
Выводы
Получены экспериментальные характеристики механоактиватора АГО-3: зависимость термонапряженности, энергонапряженности процесса механоактивации, коэффициента полезного действия активатора от степени наполнения контейнеров, скорости вращения приводного двигателя и времени процесса МА. Выявленные экспериментальные зависимости позволяют сделать следующие предположения:
1. Максимальная энергонапряженность мелющих тел на холостом ходу достигается в интервале 30-45 % объемного заполнения.
2. Большая часть механической энергии двигателя передается водилу и планетарным реакторам от 65 до 70 %, но наблюдается степенной рост (п~2) передаваемой энергии при увеличении частоты вращения.
3. Удельная энергонапряженность мельницы растет пропорционально кубической степени свободного объема реактора.
0
0
Литература
1. Air plasma sprayed coatings of self-fluxing powder materials [Text] / E. E. Komienko, E. J. Lapushkina, I. P. Gulyaev, et al // Journal of Physics: Conference Series. - 2014. Vol. 567, № 1. - P. 012010.
2. Arc-Plasma Wire Spraying: An Optical Study of Process Phenomenology [Electronic resource] / I. P. Gulyaev, A. V. Dolmatov, P. Yu. Gulyaev, et al // Journal of Thermal Spray Technology. - 2015. - Vol. 24, Issue 11. - Pp. 1-8. - DOI: 10.1007/s11666-015-0356-6.
3. Development prospects of SHS technologies in Altai state technical university [Text] / V. V. Evstigneev, P. J. Guljaev, I. V. Miljukova, at al // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. - 2006. - Т. 15, № 1. - С. 99-104.
4. Gulyaev, I. Experience in plasma production of hollow ceramic microspheres with required wall thickness [Text] / I. Gulyaev // Ceramics International. - 2014. - Vol. 41, № 1. - Pp. 101-107. - DOI: 10.1016/j.ceramint.2014.08.040/
5. Gulyaev, I. P. New High-Speed Combination of Spectroscopic And Brightness Pyrometry For Studying Particles Temperature Distribution In Plasma Jets [Text] / I. P. Gulyaev, K. A. Ermakov, P. Yu. Gulyaev // European researcher. - 2014. - № 3-2 (71). - С. 564-570.
6. Gulyaev, I. P. Production and modification of hollow powders in plasma under controlled pressure [Electronic resource] / I. P. Gulyaev // Journal of Physics: Conference Series. - 2013. -Vol. 441, № 1. - P. 012033. - DOI: 10.1088/1742-6596/441/1/012033.
7. Gulyaev, I. P. Production and modification of hollow powders in plasma under controlled pressure [Electronic resource] / I. P. Gulyaev // Journal of Physics: Conference Series. - 2013. -Vol. 441, № 1. - P. 012033. - DOI: 10.1088/1742-6596/441/1/012033.
8. Gulyaev, P. Yu. Plasma spraying of protective coatings from ferromagnetic SHS-materials [Text] / P. Yu. Gulyaev // Research Journal of International Studies. - 2013. - № 12-1 (19). - P. 74-77.
9. Increasing accuracy of high temperature and speed processes micropyrometry [Electronic resource] / M. P. Boronenko, P. Yu. Gulyaev, A. E. Seregin, A. G. Bebiya // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2015. - Vol. 93, № 1. - P. 012021. - D0I:10.1088/1757-899X/93/1/012021.
10. Increasing the noise immunity of optical-electronic systems based on video cameras with an optical converter [Electronic resource] / M. P. Boronenko, P. Yu. Gulyaev, A. E. Seregin, K.G. Poluhina // Journal of Physics: Conference Series. - 2015. - Vol. 643. - P. 012028. -D0I:10.1088/1742-6596/643/1/012028.
11. Phase formation time evaluation in NiAl combustion systems by the thermal fields visualization method [Text] / M. P. Boronenko, A. E. Seregin, P. Yu. Gulyaev, I. V. Milyukova // Scientific Visualization. - 2015. - Vol. 7, № 5. - Pp. 102-108.
12. Phase formation time evaluation in NiAl combustion systems by the thermal fields visualization method [Text] / M. P. Boronenko, A. E. Seregin, P. Yu. Gulyaev, I. V. Milyukova // Scientific Visualization. -2015. - Vol. 7, №5 - С. 102-108.
13. Temperature measurements for Ni-Al and Ti-Al phase control in SHS Synthesis and plasma spray processes [Text] / P. Yu. Gulyaev, I. P. Gulyaev, I. V. Milyukova, H.-Z. Cui // High Temperatures - High Pressures. - 2015. - Т. 44, № 2. - С. 83-92.
14. Бороненко, М. П. Модель движения и нагрева частиц в плазменной струе [Текст] / М. П. Бороненко, И. П. Гуляев, А. Е. Серегин // Вестник Югорского государственного университета. - 2012. - № 2. - С. 7-15.
15. Бороненко, М. П. Определение фундаментальной диаграммы потока ламинарного плазмотрона с постоянной подачей порошка [Текст] / М. П. Бороненко, П. Ю. Гуляев, А. Л. Трифонов // Вестник Югорского государственного университета. - 2012. - № 2 (25). - С. 16-20.
16. Виновский критерий выбора параметров редукции температурного распределения частиц по их суммарному тепловому спектру [Текст] / П. Ю. Гуляев, В. И. Иордан, И. П. Гуляев [и др.] // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2008. - Т. 51, № 9-3. - С. 69-76.
17. Гуляев, И. П. Особенности получения и обработки полых частиц диоксида циркония в плазменных потоках [Текст] / И. П. Гуляев // Вестник Югорского государственного университета. - 2009. - № 2. - С. 10-22.
18. Гуляев, И. П. Плазменная обработка дисперсных материалов [Текст] / И. П. Гуляев, Югорский государственный университет. - Ханты-Мансийск : РИО ЮГУ, 2013. - 115 с.
19. Гуляев, И. П. Плазменная обработка полых порошков в камере переменного давления [Текст] / И. П. Гуляев // Вестник Югорского государственного университета. - 2013. -№ 2 (29). - С. 23-30.
20. Гуляев, И. П. Применение низкотемпературной плазмы для получения полых керамических порошков с заданными характеристиками [Текст] / И. П. Гуляев // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2014. - Т. 57, № 3-3. - С. 123-126.
21. Гуляев, И. П. Разрешающая способность виртуальных приборов контроля температуры частиц в плазменных потоках по суммарному спектру [Текст] / И. П. Гуляев, П. Ю. Гуляев, В. И. Иордан // Ползуновский альманах. - 2008. - № 2. - С. 13-14.
22. Гуляев, П. Ю. Автоматизация контроля теплофизических параметров в технологиях детонационного напыления [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов // Системы управления и информационные технологии. - 2009. - Т. 35, № 1.2. - С. 230-233.
23. Гуляев, П. Ю. Инерционное влияние внешней среды на результаты измерений и принципы его учета [Текст] / П. Ю. Гуляев, Ю. П. Гуляев, Р. Э. Минекес // Геодезия и картография. - 1996. - № 3. - С. 27-29.
24. Гуляев, П. Ю. Моделирование технологических процессов плазменного напыления покрытий наноразмерной толщины [Текст] / П. Ю. Гуляев, И. П. Гуляев // Системы управления и информационные технологии. - 2009. - Т. 35, № 1.1. - С. 144-148.
25. Гуляев, П. Ю. Физические принципы диагностики в технологиях плазменного напыления [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2009. - Т. 11, № 5-2. - С. 382-385.
26. Гуляев, Ю. П. Неразрушающий контроль и математическое моделирование деформаций оснований фундаментов по топографо-геодезическим измерениям [Текст] / Ю. П. Гуляев, П. Ю. Гуляев // Современная техника и технологии. - 2015. - № 11 (51). - С. 93-96.
27. Измерение скорости и температуры частиц в потоке низкотемпературной плазмы [Текст] / М. П. Бороненко, И. П. Гуляев, П. Ю. Гуляев [и др.] // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2014. - Т. 57, № 3-2. - С. 70-73.
28. Измерение скорости и температуры частиц в потоке низкотемпературной плазмы [Текст] / М. П. Бороненко, И. П. Гуляев, П. Ю. Гуляев [и др.] // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2014. - Т. 57, № 3-2. - С. 70-73.
29. Методы контроля температуры и скорости частиц конденсированной фазы в процессе плазменно-дугового напыления [Текст] / М. П. Бороненко, И. П. Гуляев, П. Ю. Гуляев [и др.] // Фундаментальные исследования. - 2013. - № 10-6. - С. 1194-1199.
30. Оптико-электронная система диагностики двухфазных потоков динамическим методом счета частиц [Текст] / П. Ю. Гуляев, В. И. Иордан, И. П. Гуляев [и др.] // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2008. - Т. 51, № 9-3. - С. 79-87.
31. Оценка скорости и температуры дисперсной фазы в струях плазменно-дугового напыления [Текст] / М. П. Бороненко, И. П. Гуляев, П. Ю. Гуляев, [и др.] // Фундаментальные исследования. - 2014. - № 11-10. - С. 2135-2140.
32. Экспериментальное исследование процесса плазменно-дугового проволочного напыления [Текст] / И. П. Гуляев, П. Ю. Гуляев, В. Н. Коржик [и др.] // Автоматическая сварка. -2015. - № 3-4. - С. 37-43.
