CC BY
24
_ АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор И.С. Полькин
УДК 621.762.06
00!; 10.24412/0321-4664-2022-1-4-9
КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ СХЕМА КОМПОНОВКИ УСТАНОВОК НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ДЛЯ PREP-ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ
Евгений Иванович Старовойтенко, канд. техн. наук
Всероссийский институт легких сплавов, Москва, Россия, [email protected]
Аннотация. В плане преодоления существенных недостатков, присущих установкам типа УЦР, применяемым для получения металлических гранул по PREP-технологии, предложены оригинальные конструктивные и компоновочные решения, повышающие как технологические, так и технико-экономические показатели данного оборудования. Приведен анализ перспектив использования заготовок распыления увеличенного диаметра и измененной геометрии для оптимизации PREP-технологии.
Ключевые слова: компоновка, центробежное распыление, гранулы, заготовка распыления, оптимизация
Conceptual Layout Diagram of New Generation Plants for PREP-a Technology for Production of Metal Powders. Cand. of Sci. (Eng.) Evgeniy I. Starovoitenko
All-Russian Institute of Light Alloys, Moscow, Russia, [email protected]
Abstract. In terms of overcoming the significant shortcomings inherent in centrifugal atomization plants used to produce metal powders using the PREP technology, original design and layout solutions are proposed to increase both the process parameters and technical and economic indices of this equipment. An analysis of the prospects for the use of atomization electrodes of increased diameter and modified geometry in order to optimize the PREP technology is presented.
Key words: layout, centrifugal atomization, powders, atomization electrode, optimization
Предпосылки к формированию новой компоновочной и конструктивной схемы установок PREP
На рынке порошковых материалов уже довольно давно прослеживается непрерывный и все возрастающий интерес к тонкодисперсным фракциям порошков (крупностью 70-40 мкм и менее) 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 определяет точность воспроизведения геометрии изделия и высокий уровень свойств материала - с другой [1].
Последние публикации убедительно подчеркивают преимущества порошковых материалов, получаемых методом PREP и используемых в современных технологиях, по отношению к порошкам, получаемым другими альтернативными методами [2]. В этой связи производители порошков остро нуждаются в соответствующем современном высокотехнологичном оборудовании.
К сожалению, модернизация оборудования, на котором производят 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 вращениях на уровне 25 00040 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, к сожалению, ряд особенностей, которые ставят определенные ограничения на реально достижимые частоты вращения. Одна из них - это вхождение в состав главного механизма вращения в качестве одной из основных деталей распыляемой заготовки, находящейся в зацеплении с приводными опорными барабанами механизма и воспринимающей крутящий момент от привода вращения.
Поскольку каждая из распыляемых заготовок, даже при достаточно строгих нормах на их геометрию и чистоту обработки поверхности, имеет всегда определенные отклонения от них, то трудно рассчитывать на высокую сбалансированность вращающейся с высокими оборотами системы механизма. А дисбаланс в нем порождает вибрацию и резонансные явления, становящиеся естественными препятствиями для устойчивой и безаварийной работы оборудования, причем тем в большей степени, чем выше частота вращения.
Влияние дисбаланса вращающейся системы еще в большей степени усугубляет горизонтальная ориентация осей вращения составных элементов системы, включая и заготовку в их число. Недостаточная жесткость системы, проявляющаяся в возникновении микронных зазоров и люфтов, в сочетании с направлением вектора массовых сил, действующим перпендикулярно к осям вращения масс системы, усугубляет проблему еще больше.
Такое положение вещей приводит к негативным последствиям при эксплуатации оборудования и выводу о необходимости внесения
принципиальных изменений, по крайней мере, в конструкцию главного механизма и компоновку установок PREP в целом, которые бы изменили ситуацию в более благоприятную сторону.
Базовые изменения для внесения в конструкцию установок PREP
1. Выведение распыляемой заготовки из состава главного механизма вращения. Эта задача может быть решена за счет замещения заготовки в составе механизма вращения стационарной деталью (узлом), например, трубчатым пеналом или шпинделем с той же функцией передачи крутящего момента от привода вращения. В полость шпинделя при этом вводят распыляемую заготовку уже только как расходный материал процесса, а не как деталь механизма.
Этой мерой обеспечиваем формирование стационарного механизма вращения в сборе, который может быть изготовлен по самым высоким требованиям к точности исполнения, балансировке вращающихся масс, жесткости конструкции и надежности в отличие от существующей конструкции с постоянно сменяемой деталью - заготовкой распыления.
Шпиндель при этом должен быть снабжен упругим распорным устройством, фиксирующим заготовку в его полости на оси при совместном вращении.
Вариантов возможного исполнения как собственно шпинделя с приводом вращения, так и фиксатора в нем заготовки, достаточно много, при этом фиксирующее устройство должно обеспечить необходимую подвижность заготовки в осевом направлении под действием относительно небольшого усилия толкателя, перемещающего ее в зону плавления и распыления.
2. Изменение плоскости вращения главного механизма с горизонтальной ориентации на вертикальную обеспечит дополнительную устойчивость вращающейся системы от возникновения вынужденных колебаний под действием массовых сил, вектор которых теперь будет направлен не перпендикулярно, а вдоль главной оси вращения системы.
Изложенные выше базовые изменения конструкции установки естественно повлекут за
собой основательные изменения как ее компоновки в целом, так и отдельных узлов и систем.
Компоновочные и конструктивные решения, обеспечивающие достижение поставленной цели по созданию PREP-установки нового поколения
Аналогом приемлемого компоновочного решения для такой трансформации установки может послужить устройство [5]. Принципиальная (компоновочная) схема такой установки PREP представлена на рисунке.
Установка включает камеру 1 с магазином 2 заготовок распыления 3, которые посредством манипулятора 4 могут перемещаться на ось толкателя 5 телескопического типа. Соосно с толкателем 5 в камере 1 в ее верхней части размещен вертикальный шпиндель 6 с приводом вращения 9, защищенным экраном 8 от теплового воздействия со стороны камеры 1. В полость шпинделя 6 входит пята 7 толкателя 5. Шпиндель 6 снабжен упругим фиксато-
Схема установки для получения порошка методом центробежного распыления
ром соосного положения заготовки 3 в его полости (на рисунке не показан).
К камере 1, к ее верхней части, присоединена съемная крышка 11, формирующая совместно с камерой 1 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 снабжена улавливателем 14 крупных частиц, под которым смонтированы приемные воронки 15 порошка, сообщенные патрубками 16 с материало-проводом 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 обеспечивают питатель 20 совместно с приводом 22.
В зоне, обслуживаемой манипулятором 4, размещен приемник - накопитель 23 огарков заготовок.
Установка комплектуется всеми необходимыми системами (вакуумной, газовой, электропитания, управления и т. д.), которые обеспечивают ее функционирование и эксплуатацию (на схеме не показаны).
Следует отметить, что составные элементы установки, в том числе и новый ее элемент -шпиндель с приводом вращения, на рисунке показаны очень условно (схематично), поскольку их детализация не входит в задачу представленного здесь компоновочного решения установки.
В рамках предложенной концепции установки предстоит сделать оптимальный выбор взаимного расположения отдельных ее узлов при компоновке. В частности, например, магазин 2 с партией заготовок может быть расположен на крышке 11 на специальной подвижной платформе совместно с плавильным узлом 13. В этом варианте загрузка заготовки в шпиндель 6 будет происходить сверху в позиции платформы «загрузка заготовки» (при совмещении осей загружаемой заготовки и шпинделя). Плавильный узел 13 будет затем перемещаться в рабочее положение, сменяя позицию «загрузка заготовки» на позицию « плавление»,
где обеспечивается аналогичное положение плазмотрона по отношения к заготовке.
Рабочий процесс на предлагаемой установке принципиально не отличается от рабочего цикла распыления партии заготовок на установках типа УЦР, работающих по РРЕР-технологии распыления в настоящее время на специализированных металлургических производствах. Некоторые отличия будут связаны в основном с особенностями конструктивного исполнения тех или иных узлов установки.
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 центробежный фиксатор положения заготовки (имеется в виду 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 машину 18, а затем выделенная в ней 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 23 и сбрасывает огарок в емкость приемника.
Затем толкатель 5 отводят в крайнее нижнее положение, манипулятором захватывают из магазина 2 новую заготовку и повторяют все последующие операции процесса уже с новой заготовкой.
Подходы к оптимизации характеристик распыляемой заготовки в связке с параметрами системы плазменной плавки
На данный момент, характеристики заготовок и системы плазменной плавки установок типа УЦР следующие; диаметр заготовки номинальный 80 мм; длина 700 мм; масса 29,5 кг для материала на основе никеля.
Плазменная система на базе электродугового плазмотрона ПСМ-100 обеспечивает плавление такой заготовки при следующих основных параметрах; рабочий ток до 1500 А; напряжение до 60 В; подводимая мощность до 90 кВт; скорость плавления массовая до 105 кг/ч; линейная скорость до 0,7 мм/мин; доля несплавляе-мого остатка заготовки до 10-12 %.
Данные характеристики на протяжении весьма длительного периода (не менее 30 лет) остаются неизменными. Отчасти это объясняется неизменностью типа используемого плазмотрона, способом литья заготовок и конструкцией применяемой литейной оснастки, отчасти - консерватизмом в подходах к новациям с неочевидным позитивным результатом на выходе.
К настоящему моменту данный консерватизм вступает в противоречие с прослеживаемой тенденцией к постоянно возрастающему спросу на порошковую продукцию как в количественном, так и качественном отношениях.
Относительно несложные расчеты базовых физических параметров ведения технологического процесса плавки и распыления заготовки с приведенными выше характеристиками и обозначенными выше параметрами плазменной системы ПСМ-100 дают следующие результаты, представленные в табл. 1.
Из анализа данных табл. 1 следует, что из общей генерированной плазмотроном мощ-
Таблица 1
Расчетные значения базовых параметров процесса плавки и распыления
^max'
Вт/см
П' %
W кВт
W кВт
7950 45 40 50 26,3 1,75 0,1 795
m, кг
G, кг/мин
K
qcp' 2
Вт/см2
Обозначение параметров: дтах - плотность тепловыделения плазмотрона под пятном плазменной струи; qср - плотность тепловыделения, отнесенная ко всей поверхности торца заготовки; П - коэффициент полезного использования мощности плазмотрона; ^пол - полезная мощность плазмотрона (мощность, расходуемая на нагрев и плавление заготовки); Wохл - 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.
ности 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 торца заготовки концентрируется на 10 % ее поверхности, где плотность тепловыделения составляет 7950 Вт/см2, а в среднем по поверхности на порядок ниже, т.е. около 795 Вт/см2.
Рассматривая перспективу наращивания производительности установок нового поколения с применением, например, заготовок большего диаметра и соответственно более мощных плазмотронов, расчетами можно оценить их ожидаемые характеристики. В табл. 2 приведены расчетные данные, базирующиеся на параметрах реального процесса, приведенных в табл. 1.
Расчетные данные, приведенные в табл. 2, получены при фиксированных значениях линейной скорости плавления Vn = 0,7 мм/с (на уровне существующего значения для PREP-процесса) и средней плотности тепловыделения на торце заготовки дср = 795 Вт/см2, также аналогичной для PREP.
Как видно из данных в табл. 2, переход на использование заготовок большего диаметра d должен повлечь за собой применение плазмотрона существенно большей мощности: со 141 до 276 кВт в соответствие с ростом диаметра со 100 до 140 мм. 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 те-плоотвода в систему охлаждения установки до величин 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 при допустимой температуре охлаждающего в ней газа 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 при этом окружной скорости на ее периферии при фиксированной частоте вращения (линейная скорость пропорциональна диаметру). Некоторые позитивные ожидания, предполагавшие вести процесс распыления на мелкие фракции при меньшей частоте вращения заготовки большего диаметра, не оправдываются - выигрыш при этом уж очень незначителен (окружная скорость прирастает пропорционально диаметру заготовки, т.е. всего в 1,4 раза от диаметра 100 мм до диаметра 140 мм).
Перспектива применения заготовок цилиндрического сечения большего, чем сейчас, диаметра приводит к мысли использовать заготовку другой конфигурации, например, трубного профиля. В табл. 3 содержатся аналогичные, приведенным выше расчетные данные для трубных заготовок распыления.
Таблица 2
Расчетные параметры процесса при переходе на заготовки увеличенного диаметра
d, мм V,, мм/с G, кг/мин W, кВт W, кВт W, кВт Яср, 2 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 параметры процесса при применении заготовок трубного профиля
dH/dB m, кг G, кг/мин qcp,2 Вт/см2 W, кВт W, 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 dн, dв - соответственно наружный и внутренний диаметры трубной заготовки; Сокр - прирост окружной скорости для трубной заготовки по отношению к цилиндрической диаметром 80 мм.
Как видно из данных табл. 3, 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 из приведенных расчетных данных очевиден: трубная заготовка является альтернативой цилиндрической заготовке, если идти по пути снижения частоты вращения заготовки, поскольку здесь выигрыш может составить
двукратную величину по отношению к заготовке существующего диаметра 80 мм.
Остается вопрос о целесообразности производства трубных литых заготовок, который в металлургии принципиально решен и довольно широко используется в специализированных производствах.
Технико-экономический эффект от реализации предложения
1. Снимается проблема низкого эксплуатационного ресурса и надежности работы механизма вращения заготовки, присущая установкам типа УЦР (быстрый износ опорных барабанов, роликов в контакте с вращающейся заготовкой, подшипниковых опор).
2. Снижается уровень требований к чистоте обработки поверхности заготовок до состояния после обточки на токарном станке (шлифования не требуется).
3. Существенно снижается остаточная длина огарка заготовки за счет устойчивости его удержания при вращении совместно со шпинделем.
4. Снижается уровень вибрации и ее негативное влияние как на стойкость оборудования, так и на выход годного по гранульному 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 // Там же. 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. 2467835 РФ. Устройство для получения порошка методом центробежного распыления / Старовойтенко Е.И.; патентообладатель ОАО «ВИЛС»; 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 porosh-kov (granul) dlya syr'yevogo obespecheniya additivnykh tekhnologiy v mashinostroyenii // Tam zhe. 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 raspyleniya vrashchayushcheysya zagotovki // V kn.: Metallurgiya granul. Vyp. 2. M.: VILS. 1984. S. 242-250.
5. Pat. 2467835 RF. Ustroystvo dlya polucheniya po-roshka metodom tsentrobezhnogo raspyleniya / Starovoytenko Ye.I.; patentoobladatel' OAO «VILS»; opubl. 27.11. 2012.
