CC BY
14
_ МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. _
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор Г.С. Гарибов
УДК 621.762
DOI: 10.24412/0321-4664-2022-1-32-36
ОЦЕНКА ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ И ПАРАМЕТРОВ PREP-ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ГРАНУЛ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ СПОСОБОМ
Евгений Иванович Старовойтенко, канд. техн. наук, Даниил Владимирович Батяев, канд. техн. наук
Всероссийский институт легких сплавов, Москва, Россия, [email protected]
Аннотация. Дана оценка предельных возможностей PREP-метода получения гранул центробежным способом, а также границ его рациональных усовершенствований и оптимизации. Расчетным путем определены как предельные параметры плавления вращающейся заготовки распыления (мощность плазмотрона, диаметр заготовки, скорость плавления), так и параметры распыления (размеры частиц, частота их образования и дистанция промежутков между летящими частицами).
Ключевые слова: гранулы, дисперсный состав, заготовка распыления, плазмотрон, скорость плавки
Evaluation of Extreme Conditions and Parameters of the PREP-process for Obtaining Metal Powders by Centrifugal Method. Cand. of Sci. (Eng.) Evgeniy I. Starovoitenko, Cand. of Sci. (Eng.) Daniil V. Batyaev
All-Russian Institute of Light Alloys, Moscow, Russia, [email protected]
Abstract. The limits of the PREP-method in terms of obtaining powders by the centrifugal method, as well as the boundaries of its rational improvements and optimization are evaluated. Both the limiting melting parameters of a rotating electrode (plasma torch power, electrode diameter, melting rate) and atomization parameters (particle sizes, frequency of their formation and the length of gaps between flying particles) have been determined by calculation.
Key words: powders, particle size distribution, rotating electrode, plasma torch, melting rate
Метод PREP (или метод плазменной плавки и центробежного распыления вращающейся заготовки) является базовым методом производства критических деталей ГТД и ЖРД из гранул жаропрочных никелевых и титановых сплавов в сочетании с горячим изостатиче-ским прессованием заготовок без их последующей пластической деформации. Сущность данного метода, технические и технологиче-
ские особенности реализации представлены в соответствующих публикациях [1, 2]. Как и любой другой практически значимый метод, он непрерывно совершенствуется в части оптимизации технологии, расширения номенклатуры получаемых материалов, повышения производительности.
В статье предпринята попытка оценить предельные возможности метода, а также гра-
ницы его оптимизации и рациональных усовершенствований.
Актуальность постановки такой задачи возникает в связи с очевидными тенденциями получать гранулы все более мелких фракций с высокими выходами годного и производительностью. В PREP-процессе основными параметрами, ответственными за достижение подобных результатов (или ожиданий), являются:
- частота вращения распыляемой заготовки и ее диаметр;
- скорость плавления заготовки и мощность плазмотрона, подводимая к оплавляемому торцу вращающейся заготовки.
Вопросы, на которые делается попытка ответить в данной статье, следующие:
1. Существует ли нижняя граница по крупности гранул, получаемых по технологии PREP, при каких критических параметрах это достигается?
2. Какова предельная технологическая производительность процесса, реализуемого сейчас на типичном штатном оборудовании -установках распыления моделей УЦР, как и какими мерами она может быть обеспечена на максимально высоком уровне?
Для поиска ответа на вопросы по п. 1 обратимся к физическим аспектам процесса центробежного распыления. Основные параметры данной технологии распыления и их связь с размерами получаемых частиц устанавливает известное соотношение [3]
d = 2,19.
а
'ю2р R
(1)
чем от размера заготовки (пропорционально Я-1'2). Важным параметром при этом также является плотность расплава р, которая при прочих равных условиях обеспечивает меньший размер частиц для более плотных (тяжелых) материалов распыления. Соотношение (1) формирования размера частиц касается исключительно процесса дробления расплава и не рассматривает закономерности его образования на торце вращающейся заготовки, которые очевидно вносят свой вклад в данный процесс. Физическая картина процесса образования частиц, дополненная балансовыми уравнениями подводимой энергии плавления заготовки и массы образующегося при этом расплава, становится тогда достаточно полной.
В публикации [3] на основе совместного решения балансовых уравнений энергии и массы в зоне плавления и распыления расплава представлена физическая модель процесса и определены количественные характеристики наиболее важных его параметров. Установлено, что тороидальный жгут расплава, формирующийся на периферии вращающейся заготовки, непрерывно распадается на отдельные капли с размером частиц 6, определяемым соотношением (1). Частицы из жгута вылетают с определенной частотой £ характеризуемой соотношением
f = 0,2w(®R)2p/а,
(2)
где 6 - расчетное значение диаметра частицы, соответствующее физической модели распада пленки расплава на торце вращающейся заготовки, протекающего в поле сил центробежной и поверхностного натяжения;
ю - частота вращения распыляемой заготовки;
Я - радиус заготовки распыления; р - плотность расплава материала заготовки.
Как следует из соотношения (1), диаметр частиц 6 уменьшается с ростом частоты вращения и радиуса заготовки, причем более существенно от частоты вращения (пропорционально ю-1),
где ш - линейная скорость плавления заготовки, определяемая соотношением
ш = ОрШ2^,
здесь и - теплосодержание (энтальпия) расплава;
Ор - полезная мощность плазмотрона. При этом между летящими частицами устанавливается промежуток (дистанция) I, величина которого соответствует уравнению
l = üR/f.
(3)
Уравнение(3)с учетом(2)принимает удобный для анализа вид:
l = a/0,2wüR р.
(4)
Дистанция I, как следует из соотношения (4), зависит от физических свойств материала распыления а, р, окружной скорости вращения
^ периферии заготовки и линейной скорости ее плавления м/. При этом и скорость плавки, и окружная скорость работают в равной степени в сторону уменьшения дистанции I между летящими частицами.
Практически это означает, что при увеличении окружной скорости вращения заготовки и (или) росте скорости плавки (иначе мощности плазмотрона Ор) может наступить критический режим, при котором летящие частицы приблизятся одна к другой настолько, что образуют сплошную струйку расплава, а распад этих струй на отдельные частицы будет происходить уже вследствие колебательных возмущений, повторяющих частоту отрывов фрагментов расплава на периферии заготовки. Формирование размера частиц при этом будет подчиняться уже другим закономерностям с выходом на другой фракционный состав получаемого порошка. Такой режим распыления условно можно назвать критическим.
Предельную скорость плавления заготовки, непосредственно связанную с максимумом подводимой мощности нагрева, генерируемой плазмотроном, можно оценить аналогичным приемом, руководствуясь балансовым принципом. Данный принцип здесь формулируется на основе равенства потоков тепла, генерируемого плазмотроном, и тепла, уносимого во вне из пространства камеры распыления:
ОН = 0 ОХЛ + ОГАЗ, (5)
где О Н = 1и - выделяемая мощность плазмотрона, здесь I, и - рабочий ток, напряжение, подаваемые на плазмотрон соответственно;
0ОХЛ = КР(ТГОР - Твод) - тепловая мощность, отводимая в систему водяного охлаждения корпуса камеры распыления и плазмотрона;
К - коэффициент теплопередачи от плаз-мообразующего газа к охлаждающей воде; Р - поверхность стенок камеры распыления и плазмотрона, охлаждаемых водой; ТГОР , ТВОд - средняя температура горячего плазмообразующего газа в камере распыления и охлаждающей воды соответственно; 0газ = УгАЗРСР (Тгор - Тхол) -
тепловая мощность, отводимая плазмо-образующим газом, циркулирующим последовательно через плазмотрон, камеру
распыления и охладитель, У|-АЗ - объемный поток циркулирующего плазмоо-бразующего газа, его плотность р, теплоемкость СР и температура газа ТГОР, ТХОЛ соответственно на выходе из камеры распыления и охладителя.
В установках типа УЦР, наиболее применяемых в РРЕР-технологии производства порошков, составляющие теплового баланса (5) характеризуются определенными особенностями, а расчетные оценки принимают следующие значения:
- поток тепла 0ОХЛ определяется в основном поверхностью теплообмена Р, поскольку прочие величины, от которых он зависит, мало изменяются в технологическом процессе плавления и распыления. Например, формирование температуры газа в камере распыления ТГОР на высоком уровне (более 200 °С) происходит за счет большей мощности плазмотрона и влечет за собой снижение скорости охлаждения частиц расплава, повышенную их конечную температуру, что недопустимо. Для данных установок суммарная поверхность охлаждаемых стенок камеры распыления составляет 8-10 м2. В данных рамках максимальные величины потока тепла, передаваемые через охлаждаемые стенки воде 0ОХЛ, согласно оценочным расчетам, не превышают 130-140 кВт;
- поток тепла 0ГАЗ, выносимый из камеры распыления газом, определяется расходом плазмообразующего газа ^ГАЗ, поскольку другие параметры могут быть мало изменены в реальном технологическом процессе по аналогии с предыдущим параметром 0ОХЛ.
Для типичных размеров камер распыления установок УЦР расход плазмообразующего газа может устанавливаться на уровне не более 1000 л/мин, поскольку скорость его движения в объеме камеры должна обеспечиваться в приемлемых границах, не вызывающих вынос частиц потоком в газовый тракт установки. Предельно высокие потоки тепла 0ГАЗ, по отмеченным причинам и ориентировочным оценкам, не могут превышать 4-5 кВт.
С учетом приведенных данных и в соответствии с соотношением (5) приходим к оценочной величине максимально допустимой выделяемой тепловой мощности плазмотрона 0Н = 145 кВт. Следует отметить, что только
часть этой мощности расходуется непосредственно на плавление заготовки. По оценке, выполненной специалистами Центра им. М.В. Келдыша, ориентировочно только 50 % генерируемой плазмотроном мощности уходит непосредственно на плавление и генерацию расплава, распыляемого в итоге на частицы, т.е. 0Р = 0,5-145 = 72,5 кВт. Другая часть мощности плазмотрона рассеивается в пространстве камеры распыления, повышая в ней уровень температуры газа ТГОр который, как отмечено выше, негативно влияет на технологический процесс, снижая скорость охлаждения частиц расплава.
Максимальная полезная мощность плазмотрона, составляющая 0Р = 72,5 кВт, в свою очередь, диктует и норму на размер распыляемой заготовки - ее диаметр (или радиус Я). Критерием для оценки данного параметра может служить плотность потока тепла д на оплавляемом торце заготовки, обеспечивающий генерацию устойчивой пленки расплава на всей его поверхности Э = пЯ2. Известные соотношения между обозначенными выше параметрами приводят к зависимости
Я =. (6)
V 9 п
которая определяет допустимый размер Ятах распыляемой заготовки. Параметр д, по опытным оценкам, составляет порядка 107 Вт/м2. Тогда с учетом 0Р = 72,5 кВт получим по соотношению (6) значение Ятах = 48-50 мм.
Максимально допустимая линейная скорость плавления ш заготовки, например, из никелевого жаропрочного сплава (и = 1200 кДж/кг, р = 8300 кг/м3) с радиусом Ятах = 50 мм при максимально допустимой полезной мощности плазмотрона 0Р = 72,5 кВт составит
ш = 0Р/пЯ2тах ир = 1 мм/с. (7)
Для титана вследствие отличий его физических свойств от никеля (и = 1480 кДж/кг; р = 4100 кг/м3) скорость плавления аналогичной по радиусу заготовки и полезной мощности плазмотрона составит ш = 1,52 мм/с.
Имея оценочные величины предельного размера заготовки ЯМАХ и максимума скорости плавления ш при предельно допустимой полезной мощности плазмотрона ОР можно приступить к оценкам характеристик процесса распыления им соответствующих.
В таблице, на рис. 1 и 2 представлены расчетные данные таких характеристик применительно к материалам на основе никеля и титана.
Анализ данных расчетов, показанных в таблице и на рис. 1, 2, приводит к выводу о том, что даже при очень высоких частотах вращения заготовки (60 000 об/мин) как для никеля, так и титана, все же сохраняется конечный интервал I между летящими частицами (3,6 мм для никеля и 4,0 мм для титана). Следовательно при критических режимах плавления заготовки (ОР ш, Ятах), обозначенных в таблице, границы для получения предельно мелких гранул (менее 22 мкм для никеля и 30 мкм
Расчетные характеристики плавления и распыления
Материал распыления 0Р кВт мм/с Ятах, мм п, мин 1 £ с-1 I, мм й, мкм
Никель 72,5 1,0 50 20 000 9660 10,8 68
30 000 21 700 7,2 45
40 000 38 400 5,4 34
60 000 87 200 3,6 22
Титан 72,5 1,52 50 20 000 8900 12,3 91
30 000 19 800 7,9 61
40 000 35 100 5,9 45
60 000 78 500 4,0 30
■ <i(Ni) —•—/(№) rf(Ti) -«-■ /(Ti)
100000 90000
10^
20000
30000
40000
50000
0
60000
и, мин
-1
Рис. 1. Расчетные зависимости параметров распыления d и f от частоты вращения п заготовки из никелевых и титановых сплавов
14
12 10 | 8 6 4 2
Хи Ni \
0
20000
30000
40000 и, мин
-1
50000
60000
Рис. 2. Расчетные данные изменения дистанции l между летящими частицами от частоты вращения п заготовки из никелевых и титановых сплавов
для титана) не существует, по крайней мере, в приведенном диапазоне частот.
Практически достижимый диапазон частот связан с техническими проблемами создания конструкции быстроходных механизмов установки распыления, способных обеспечить устойчивую работу с такими частотами вращения заготовки.
Что касается производительности процесса, то здесь, очевидно, существует предельный максимум, который для распыления никелевых заготовок составляет в = 3,6 кг/мин, а для титана в = 2,95 кг/мин, где массовая скорость плавления в есть величина в = 1/Уп^2тахр, определяемая из соотношения (7). Максимальный размер (диаметр) заготовок распыления °тах = 2^тах составляет ориентировочно 100 мм как для никелевых, так и титановых заготовок распыления.
Выводы
1. Метод PREP, реализуемый на установках типа УЦР, имеет предельные значения по производительности процесса для никелевых сплавов на уровне 3,6 кг/мин, для титановых не более 2,95 кг/мин. При этом верхняя граница значения диаметра распыляемой заготовки - не более 100 мм и мощности применяемого плазмотрона - не более 145 кВт.
2. Для размера (диаметра) получаемых гранул в пределах максимальных параметров плавления, обозначенных выше, не существует критической границы. Получение предельно мелких частиц гранул определяется только техническими возможностями устойчивой работы механизмов установок УЦР при соответствующих частотах вращения распыляемой заготовки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белов А.Ф. Настоящее и будущее металлургии гранул // В кн.: Металлургия гранул. Вып.1. М.: ВИЛС, 1983. С. 5-13.
2. Рудской А.И., Волков К.Н., Кондратьев С.Ю., Соколов Ю.А. Физические процессы и технологии получения металлических порошков из рас-
плава. СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2018. С. 96-187.
3. Старовойтенко Е.И. Характеристики плавления и формирования частиц порошка из расплавов различных металлических материалов методом PREP // Технология легких сплавов. 2017. № 4. С. 62-73.
REFERENCES
1. Belov A.F. Nastoyashcheye i budushcheye metal-lurgii granul // V kn.: Metallurgiya granul. Vyp.1. M.: VILS, 1983. S. 5-13.
2. Rudskoy A.I., Volkov K.N., Kondrat'yev S. Yu., Sokolov Yu.A. Fizicheskiye protsessy i tekhnologii polucheniya metallicheskikh poroshkov iz rasplava.
SPb.: Izd-vo Politekhnicheskogo universiteta, 2018. S. 96-187.
3. 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.
