CC BY
11
УДК 621.762.06
DOI: 10.24412/0321-4664-2023-3-42-47
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА
ЦЕНТРОБЕЖНОГО ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛ МЕТОДОМ PREP ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ РАСПЫЛЕНИЯ
Евгений Иванович Старовойтенко1, канд. техн. наук, Дмитрий Андреевич Карягин2
1 Всероссийский институт легких сплавов, Москва, Россия, e-mail: [email protected]
2 АО «Ступинская металлургическая компания», Ступино, Россия
Аннотация. Приведены результаты расчетов теплового баланса в зоне плавления заготовок распыления при PREP-процессе получения гранул различных материалов - сплавов на основе титана и никеля. Показана существенная разница в режимах плавления и распыления данных материалов, обусловленная отличием их теплофизи-ческих характеристик. Подчеркнута несостоятельность применения титановых заготовок распыления меньшего диаметра, чем заготовок никелевых сплавов, в однотипных установках распыления. Предложено изменить подход к выбору геометрии заготовок распыления из титановых сплавов на противоположный- использовать заготовки, по крайней мере, не меньшего диаметра, чем для никелевых сплавов. За счет этого можно обеспечить значительный выигрыш в производительности по наработке титановых гранул и одновременно снизить риски по образованиям спеков гранул в камере распыления установки и оптимизировать тепловой режим плавления распыляемых заготовок.
Ключевые слова: тепловой баланс; теплофизические характеристики; порошки (гранулы); распыление; титановые и никелевые заготовки
Features of the Centrifugal Production Process of Powders by PREP for Various Atomized Materials. Cand. of Sci. (Eng.) Evgeniy I. Starovoitenko1, Dmitriy A. Karyagin2
1 All-Russian Institute of Light Alloys, Moscow, Russia, [email protected]
2 JSC Stupino Metallurgical Company (CMK), Stupino, Moscow region, Russia
Abstract. The results of calculations of the heat balance in the zone of melting of ingots to be atomized during the PREP process to obtain powders from various materials - Ni-based and Ti alloys - are presented. Due to the different thermal and physical characteristics of these materials, there is a significant difference in the melting and atomization modes. The inefficiency of atomization of titanium ingots of smaller diameter than that of nickel alloy ingots in the same type of atomization equipment is highlighted. It is proposed to change the approach to the choice of geometry of titanium alloy ingots to be atomized to the opposite trend - to use of ingots having the diameter at least not smaller than that of nickel alloy ingots. Due to that, it is possible to increase significantly the output of titanium powder production, and, at the same time, to reduce the risk of powder cake formation in the atomization chamber of the plant and to optimize the thermal conditions of melting of ingots to be atomized.
Keywords: heat balance; thermal and physical characteristics; powders (granules); atomization; titanium and nickel billets
Технология плазменной плавки и центробежного распыления вращающейся заготовки (РРЕР-технология по международной квали-
фикации) получила признание как способ изготовления наиболее качественных сферических порошков (гранул), используемых для произ-
водства изделий ответственного назначения в авиационном двигателестроении методом металлургии гранул [1]. Данный процесс приобрел статус промышленной технологии и для отдельных приложений является практически безальтернативным способом производства ряда порошковых материалов из специальных сплавов.
Понимание особенностей этого процесса очень важно для его оптимизации. Применительно к наиболее востребованным материалам распыления - сплавам на основе никеля и титана, отмечены особенности, обусловленные отличием их физических свойств, потребовавшие учета и корректировки технологии и отдельных характеристик оборудования. Наиболее значимые их них, тем не менее, не нашли должного отражения в публикациях по данной проблеме. В предлагаемой статье предпринята попытка систематизировать имеющиеся сведения по обозначенной проблеме с выходом на практические приложения.
Универсальными характеристиками РРЕР-процесса распыления различных материалов являются следующие:
1. Мощность и рабочие характеристики плазменной системы плавления распыляемой заготовки. Эти параметры очень значимы с различных точек зрения, поскольку непосредственно определяют характеристики технологии как по производительности, так и по качеству получаемых гранул.
2. Параметры вращения (частота вращения) и скорость подачи заготовки в зону плавки (скорость плавления). В имеющихся публикациях этим характеристикам уделено наибольшее внимание, однако важные физические аспекты процесса применительно к различным материалам остаются недостаточно проясненными.
3. Геометрические размеры заготовки распыления. Исходной заготовкой являются шлифованные прутки близких по геометрическим размерам (длине и диаметру) для всех материалов. При этом в литературе практически не обсуждается вопрос о том, насколько в зависимости от вида материала необходимо корректировать наиболее важный геометрический параметр -диаметр заготовки, определенно влияющий на производительность и выход годного гранул.
4. Рациональные размеры камеры распыления установки, обеспечивающие универ-
сальность по отношению к любым используемым материалам. В последнее время наметилась тенденция к увеличению диаметра камеры распыления установок типа УЦР под титановые сплавы. Должных физических обоснований для принятия такой меры существует не вполне достаточно.
Выявление особенностей поведения материалов распыления начнем с наиболее исследованной области технологии PREP, а именно с вопросов плавления и диспергирования пленки расплава на торце вращающейся заготовки.
К наиболее ранним публикациям по данному вопросу можно отнести работы сотрудников ВИЛСа [1-7], которые разрабатывали, осваивали и внедряли технологию PREP в нашей стране. В материалах [2-7] нашли объяснения такие стороны процесса:
- физическая природа формирования частиц расплава при центробежном распылении, базирующаяся на силовых факторах воздействия на движущийся расплав. Это позволило получить количественную связь параметров и рассчитать размеры образующихся в процессе распада пленки расплава частиц в зависимости от параметров процесса;
- закономерности свободного полета частиц после срыва с вращающейся заготовки, интенсивность их охлаждения в газовой атмосфере установок распыления с выходом на оценку скоростей охлаждения и кристаллизации частиц, формирующих мелкодисперсную структуру гранул;
- формирование толщины пленки расплава на базе решения системы уравнений теплового баланса в зоне плавления торца заготовки совместно с уравнениями движения расплава.
В более поздних публикациях [8-12] нашли отражение такие вопросы, как:
- частота отрывов частиц с периферии вращающейся заготовки и расстояние между частицами при полете в камере распыления для различных материалов распыления;
- физические картины процессов в рамках тех или иных допущений и предпосылок с применением математических моделей и программных продуктов.
Тем не менее, для практических приложений еще остается ряд вопросов, на которые в имеющихся публикациях четких ответов
пока не получено. Например, обоснование выбора оптимальной геометрии (диаметра) исходной заготовки из наиболее востребованных материалов - сплавов на основе никеля и титана - в сочетании с мощностью плазменной системы и скоростью плавки. Частично данная проблема рассмотрена в публикации [13], но коснулась только ограничений общей мощности плавильной системы установок, работающих по технологии PREP без привязки к вопросам, обозначенным выше.
С целью выявления оптимальных соотношений между параметрами скорости плавки, подводимой мощности плавильной системы и размером (диаметром) заготовки распыления из сплавов на основе никеля и титана ниже предприняты соответствующие инженерные расчеты. Необходимые расчетные соотношения могут быть получены из уравнения теплового баланса на обогреваемом торце заготовки на границе раздела твердое/жидкое материала распыления:
Ообщ = Отт + Опл + Опер, (1)
где Ообщ - общая подводимая к торцу заготовки тепловая мощность, кВт;
Q тт = fßpc (7"пл-7"0)1Л/х, (2)
V п
где ОТТ - мощность, отводимая теплопроводностью от границы раздела твердое/ жидкое в тело заготовки; f - площадь поперечного сечения заготовки;
X, р, с - коэффициент теплопроводности, плотность, теплоемкость материала заготовки распыления соответственно; ТПЛ, ТО - температура плавления и начальная температура заготовки; т - время процесса, которое равно времени плавления заготовки и составляет т = L/ w, где L и w - длина распыленной (расплавленной) части заготовки и линейная скорость ее плавления соответственно.
Уравнение (2) получено из решения задачи теплопроводности для полуограниченного тела при граничных условиях 1 рода [14].
Опл = G[c(Tm - То) + ЧЫ, (3)
где ОПЛ - мощность, затраченная на нагрев и плавление с массовой скоростью плавки G = fpw, кг/с.
Опер = ^ (тпер ^кр^ (4)
здесь Опер - мощность, затраченная на перегрев расплава ТПЕР -ТКР = А ТПЕР .
Очевидно, что мощность перегрева, сообщаемая расплаву, является, по существу, вредной составляющей баланса как с точки зрения общих энергозатрат на процесс получения гранул, так и влияния на качество гранул. Последний фактор связан с замедлением интенсивности отвода тепла от частиц расплава с избыточным теплосодержанием за счет перегрева.
Оптимальной мощностью Оопт, которую следует подводить в зону плавления заготовки, является сумма двух других составляющих баланса, а именно:
Оопт = Отт + Опл. (5)
С использованием соотношений (1-5) были выполнены расчеты составляющих теплового баланса в зоне плавления заготовки распыления для двух существенно различных материалов распыления - никеля и титана с тепло-физическими свойствами и характеристиками, заимствованными из публикации [10] (см. таблицу). Расчеты выполнялись для заготовок диаметром ^ = 55, 80, 100 мм и линейных ско-
Основные теплофизические характеристики никеля и титана. (Приведены данные для химически чистых материалов)
Параметр Никель Титан
Плотность, кг/м3
жидкой фазы 8910 4500
твердой фазы 8800 4110
Теплоемкость, Дж/кг • К 616 687
Температура плавления, °С 1455 1608
Теплота плавления, кДж/кг 303 358
Коэффициент теплопроводности, Вт/м •К 72 21
110
100
90
80
70
60
I 50 О)
40 30 20 10 0
1 1
—•— Ni —•-■ Ti
/2) .у'
^ОГ"
50
60
70
80
90 100
d, мм
Рис. 1. Затраты мощности Оопт на нагрев и плавление с различной скоростью w заготовок из № и ^ различного диаметра с1:
1- w = 0,67 мм/с; 2- w = 1,0 мм/с; 3 - w = 1,2 мм/с
26
24
22
20
18
16
н
•а 14
1 12
О)
10
—•— №,</= 100 мм —№,¿=80 мм -•-■ Ti, </ = 100 мм -*-■ Ti, ¿=80 мм
у
.х-
.«О»
г--" _
___ г—"
100
200
300
400
500 600
ДГпер>°С
Рис. 2. Затраты мощности на перегрев расплава при распылении заготовок из № и ^ различного диаметра при w = 1,0 мм/с
ростей плавления w = 0,67; 1,0; 1,2 мм/с, практически наиболее значимых для реальных процессов PREP применительно к выбранным материалам распыления.
Результаты расчетов представлены на рис. 1 и 2.
существенные отличия как по составляющим теплового баланса, так и по итоговым (оптимальным) затратам тепла на плавление заготовок из никеля и титана.
Если обратиться к таблице, в которой приведены основные теплофизические величины никеля и титана, то отличия в затратах тепла на плавление данных материалов в процессе PREP следует отнести в основном на их очень существенную разницу в плотности и теплопроводности, тогда как их другие свойства не столь значительно отличаются между собой.
Зависимости оптимальной мощности плавления заготовок 0ОПТ от диаметра заготовки d и скорости плавления w, представленные на рис. 1, приводят к выводу о том, что, применяя сейчас заготовки распыления для титана диаметром 50-55 мм, мы, во-первых, очень сильно теряем в производительности процесса, а во-вторых, искусственно поддерживаем режимы плавления, чреватые перегревом расплава из-за избытка подводимой мощности, обращающейся в перегрев распыляемого расплава титана. Последствия последнего фактора проявляются в образовании спеков и настылей из титановых гранул в камере распыления установки.
Действительно, как следует из рис. 1, перейдя, например, на плавление титановых заготовок диаметром до 100 мм со скоростью до 1,0 мм/с (или на массовую скорость плавки до 127 кг/ч) мы максимально приблизимся к режиму получения никелевых гранул со скоростью плавки заготовки распыления диаметром 80 мм со скоростью ее подачи в зону плавления на уровне ~ 0,5 (0,67 + 1,0), т.е. порядка 0,8 мм/с (или массовой скоростью порядка 140 кг/ч). При этом оптимальные мощности нагрева QonT в сравниваемых вариантах плавления никелевой и титановой заготовок будут примерно одинаковыми - порядка QonT = 53 кВт.
Для однозначного понимания приведенных данных нужно уточнить, что оптимальная мощность связана с регистрируемой мощностью плазмотрона через КПД (п), а именно:
Результаты расчетов и их обсуждение
Данные расчетов, приведенные на рис. 1, обнаруживают, при прочих равных условиях,
Оопт = Л^плазм,
(6)
где М|-|ЛАЗМ - полная регистрируемая мощность плазмотрона.
КПД плазмотрона, по оценкам их разработчиков, как правило, не превышает 50 %. Следовательно, обозначенный выше сравнительный вариант плавления никелевой и титановой заготовок должен реализовываться на мощностях плазменной установки порядка 106 кВт.
Если теперь обратиться к рис. 2, характеризующему затраты мощности плазменной системы на перегрев распыляемого расплава, то обнаруживается аналогичное, очень существенное отличие между никелем и титаном в части формирования перегрева. Данные рис. 2 указывают, что примерно одинаковый перегрев расплава титана по отношению к никелю достигается затратами мощности приближенно вдвое меньшими. Это в очередной раз подчеркивает склонность титановых частиц к перегревам в сравнении с никелевыми, если не привести в соответствие с оптимальной подводимую мощность в зону плавления заготовки.
Выводы
1. Данные расчетов теплового баланса в зоне плавления заготовок распыления при
РРЕР-процессе получения гранул однозначно указывают на несостоятельность применения титановых заготовок распыления меньшего диаметра, чем заготовок никелевых сплавов, в однотипных установках распыления. Необходимо скорректировать тенденцию в данном вопросе на прямо противоположную. При этом можно обеспечить значительный выигрыш в производительности по наработке титановых гранул и одновременно снизить риски по образованиям спеков гранул в камере распыления установки за счет оптимизации теплового режима плавления распыляемых заготовок.
2. Для реализации предложений, содержащихся в п. 1, необходимо обеспечить более жесткий контроль за работой плазменной системы плавления заготовок распыления, не допуская избытка подводимой мощности плазмотрона путем динамичной и тонкой корректировки скорости подачи заготовки в зону плавления, не допуская вредных затрат мощности на перегрев расплава, к которому, как показывают данные теплового баланса, весьма чувствителен титановый расплав в отличие от никелевого.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белов А.Ф. Настоящее и будущее металлургии гранул // В кн.: Металлургия гранул. Вып.1. М.: ВИЛС, 1983. С. 5-13.
2. Мусиенко В.Т. Закономерности образования гранул при центробежном распылении вращающейся заготовки // В кн.: Металлургия гранул. Вып. 1. М.: ВИЛС, 1983. С. 41-48.
3. Орлов В.К. К расчету скоростей охлаждения капель распыленного металла в газовой среде // В кн.: Металлургия гранул. Вып. 1. М.: ВИЛС, 1983. С. 67-77.
4. Мусиенко В.Т. Особенности распыления вращающейся заготовки // В кн.: Металлургия гранул. Вып. 3. М.: ВИЛС, 1986. С. 23-33.
5. Орлов В. К инженерному расчету аэродинамики частицы при центробежном распылении расплава // В кн.: Металлургия гранул. Вып. 3. М.: ВИЛС, 1986. С. 33- 40.
6. Кондратьев В.И., Куцын В.И., Каринский В.Н., Га-рибов Г.С. Уменьшение размера гранул, получаемых методом плазменной плавки и центробежного распыления вращающейся заготовки // В кн.: Металлургия гранул. Вып. 3. М.: ВИЛС, 1986. С. 40-44.
7. Старовойтенко Е.И., Мусиенко В.Т. Тепловые условия формирования и кристаллизации тонких пленок жаропрочных сплавов // В кн.: Металлургия гранул. Вып. 3. М.: ВИЛС, 1986. С. 45-56.
8. Сухов Д.И. Применение математической модели для анализа влияния параметров плазменного
распыления на крупность гранул титанового сплава ВТ25УП // Технология легких сплавов. 2013. № 2. С. 57-68.
9. Кошелев В.Я., Гарибов Г.С., Сухов Д.И. Основные закономерности процесса получения гранул жаропрочных сплавов методом плазменного распыления вращающейся заготовки // Технология легких сплавов. 2015. № 3. С. 97-103.
10. Старовойтенко Е.И. Характеристики плавления и формирования частиц порошка из расплавов различных металлических материалов методом PREP // Технология легких сплавов. 2017. № 4. С. 62-73.
11. Рудской А.И., Волков К.Н., Кондратьев С.Ю., Соколов Ю.А. Физические процессы и технологии получения металлических порошков из расплава. Санкт-Петербург: Изд. Политехнического университета. 2018. С. 403-547.
12. Старовойтенко Е.И., Карягин Д.А. Влияние давления рабочего газа на технологический процесс получения гранул методом PREP // Технология легких сплавов. 2022. № 4. С. 60-64.
13. Старовойтенко Е.И., Батяев Д.В. Оценка экстремальных режимов и параметров PREP-процесса получения металлических гранул центробежным способом // Технология легких сплавов. 2022. № 1. С. 31-35.
14. Пехович А.И., Жидких В.М. Расчеты теплового режима твердых тел. Ленинград: Энергия, 1976. С. 166-168.
REFERENCES
1. Belov A.F. Nastoyashcheye i budushcheye metal-lurgii granul // V kn.: Metallurgiya granul. Vyp.1. M.: VILS, 1983. S. 5-13.
2. Musiyenko V.T. Zakonomernosti obrazovaniya granul pri tsentrobezhnom raspylenii vrashchayu-shcheysya zagotovki // V kn.: Metallurgiya granul. Vyp.1. M.: VILS, 1983. S. 41-48.
3. Orlov V.K. K raschetu skorostey okhlazhdeniya ka-pel' raspylennogo metalla v gazovoy srede // V kn.: Metallurgiya granul. Vyp.1. M.: VILS, 1983. S. 67-77.
4. Musiyenko V.T. Osobennosti raspyleniya vrashchay-ushcheysya zagotovki // V kn.: Metallurgiya granul. Vyp. 3. M.: VILS, 1986. S. 23-33.
5. Orlov V. K inzhenernomu raschetu aerodinamiki chastitsy pri tsentrobezhnom raspylenii rasplava // V kn.: Metallurgiya granul. Vyp. 3. M.: VILS, 1986. S. 33-40.
6. Kondrat'yev V.I., Kutsyn V.I., Karinskiy V.N., Gari-bov G.S. Umen'sheniye razmera granul, poluchay-emykh metodom plazmennoy plavki i tsentrobezhnogo raspyleniya vrashchayushcheysya zagotovki // V kn.: Metallurgiya granul. Vyp. 3. M.: VILS, 1986. S. 40-44.
7. Starovoytenko Ye.I., Musiyenko V.T. Teplovyye usloviya formirovaniya i kristallizatsii tonkikh plenok zharoprochnykh splavov // V kn.: Metallurgiya granul. Vyp. 3. M.: VILS, 1986. S. 45-56.
8. Sukhov D.I. Primeneniye matematicheskoy modeli dlya analiza vliyaniya parametrov plazmennogo ras-
10.
11.
pyleniya na krupnost' granul titanovogo splava VT25UP // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2013. № 2. S. 57-68.
9. Koshelev V.Ya., Garibov G.S., Sukhov D.I. Os-novnyye zakonomernosti protsessa polucheniya granul zharoprochnykh splavov metodom plazmen-nogo raspyleniya vrashchayushcheysya zagotovki // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2015. № 3. S. 97-103. Starovoytenko Ye.I. Kharakteristiki plavleniya i formirovaniya chastits poroshka iz rasplavov razli-chnykh metallicheskikh materialov metodom PREP // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2017. № 4. S. 62-73. Rudskoy A.I., Volkov K.N., Kondrat'yev S.Yu., Sokolov Yu.A. Fizicheskiye protsessy i tekhnologii polucheniya metallicheskikh poroshkov iz rasplava. Sankt-Peterburg: Izd. Politekhnicheskogo universite-ta. 2018. S. 403-547.
12. Starovoytenko Ye.I., Karyagin D.A. Vliyaniye dav-leniya rabochego gaza na tekhnologicheskiy protsess polucheniya granul metodom PREP // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2022. № 4. S. 60-64.
13. Starovoytenko Ye.I., Batyayev D.V. Otsenka ekstremal'nykh rezhimov i parametrov PREP-pro-tsessa polucheniya metallicheskikh granul tsentro-bezhnym sposobom // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2022. № 1. S. 31-35.
Pekhovich A.I., Zhidkikh V.M. Raschety teplovogo rezhima tverdykh tel. Leningrad: Energiya, 1976. S. 166-168.
14.
