CC BY
13
nificant financial and environmental losses, and sometimes human sacrifices. At the same time, fire-fighting gas blowouts in different countries have different ways and means. All known extinguishing fires gas blowouts authors are divided into five main groups: the quenching via delivery Torch jet continuous flow of extinguishing agent (the use of fire monitors, car gas-quenching, etc.), fire extinguishing using fire impulse (SPT-200, Impulse-Storm, Fire Commander, etc.), the use of explosives to disrupt and extinguishing burning torch, without delivery of extinguishing agent into the combustion zone (use of preventers and drilling directional wells) and the joint use of several approaches. In-depth analysis of all fire-fighting equipment is conducted for each of the groups, the features of each of them are identified, and also the mechanisms of flame out, which implements all of these methods when interacting with a torch is described. Based on the analysis, two more methods of extinguish gas blowouts - with the delivery of extinguishing agent into the combustion zone and without the delivery, are identified. For each of the methods, a multi-level classifier and indexer, taking into account the method of extinguishing, the form of extinguishing agent and the mechanism of flame out, are developed.
Keywords: gas blowout, fire extinguishing, fire fighting, classifier, indexer.
УДК536:621.1.016 Вед. науч. сотр. Н.О. Меранова, канд. техн. наук -
Институт технической теплофизики НАН Украины
СОВМЕСТНЫЙ АНАЛИЗ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ И ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В ПЛАЗМЕННЫХ АМОРФИЗИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЯХ
Получено решение задачи прогнозирования объемного содержания аморфной фазы в плазменных покрытиях на базе исследования процессов теплопереноса в них и данных термокинетических диаграмм "температура-время-превращение". Изучены особенности влияния на процесс аморфизации таких факторов, как толщина напыляемых частиц, уровень их нагрева и материал основы. Представлены данные исследований, согласно которым объемное содержание аморфной фазы повышается при уменьшении толщины напыляемых частиц и увеличении коэффициента теплопроводности материала основы. Показано также, что при возрастании начальной температуры частиц выше температуры плавления материала покрытия условия аморфизации могут ухудшаться.
Ключевые слова: процесс теплопереноса, плазменные покрытия, термокинетическая диаграмма "температура-время-превращение", объемное содержание аморфной фазы.
Введение. Широкое промышленное применение плазменных покрытий из сплавов, склонных к аморфизации, обусловлено их перспективными технологическими свойствами [1-5]. Такие покрытия обладают комплексом характеристик, по уровню которых они во многом превосходят традиционные металлические материалы.
При использовании всех методов газотермического получения аморфи-зированных покрытий решающее значение имеет величина скорости охлаждения напыляемого материала, так как она в большой мере определяет возможность достижения аморфного состояния. Как известно, в качестве практического критерия склонности материала к аморфизации рекомендуется использовать максимальную скорость охлаждения, необходимую для предотвращения образования кристаллической фазы в количестве, поддающемся обнаружению [5].
Анализ тепловых процессов при газотермическом нанесении покрытий показывает, что каждая напыляемая частица затвердевает отдельно, не испытывая термического воздействия других частиц. Это позволяет обеспечивать вы-
Науковий шспик НЛТУ Украши. - 2015. - Вип. 25.8
сокие скорости охлаждения напыляемого материала и, соответственно, создавать условия для его аморфизации.
Таким образом, в условиях плазменного нанесения аморфных покрытий окончательный технологический результат в большой мере зависит от протекания процесса теплопереноса. При этом необходимой является организация таких температурных режимов, при которых кристаллизация расплавленных частиц была бы затруднительна. Возможность аморфизации часто оценивают по величине скорости охлаждения всего объема расплава, которую сопоставляют с ее критическим значением, необходимым для начала рассматриваемого процесса аморфизации [6]. Однако такая оценка не учитывает сложного характера процесса формирования покрытия, в частности, возможности образования наряду с аморфной фазой смешанных аморфно-кристаллических фаз, что является следствием неравномерного распределения температур и скоростей охлаждения в напыляемом слое. При прогнозировании свойств аморфизированных покрытий необходимым является определение объемных содержаний образующихся при охлаждении аморфной и кристаллической фаз [7]. Решение данной задачи может быть получено на основе совместного анализа процесса теплоперено-са в покрытии и данных термокинетической диаграммы "температура-время-превращение" (ТВП-диаграммы).
Изложение основного материала. При прогнозировании свойств плазменных аморфизированных покрытий требуемые сведения в части их теплового состояния находились из решения задачи теплопереноса в условиях взаимодействии одиночной частицы с основой. При этом ввиду наличия в рассматриваемой ситуации существенной температурной зависимости теплофизических свойств материалов задача теплопереноса сформулирована в нелинейной постановке. Математическая модель нелинейной нестационарной задачи теплопроводности для системы "напыляемая частица-основа" представима в виде:
£ (А: ^ 1 = Сух в <**<*; дх V дх ) дЕо
А Г А2^ 1 = Су2; 0<Ро<Гок
дх I дх ) дЕо
- т-в
дх
— ВЦ -ва;
в - В2 - *2 дх
— Вг'2 - вс 2;
с=г
А
Эв^
дх
-А-
х—5:
Э*2
дх
х-5:
в: г — в2 г ;
1х-5 1х—52 '
(1) (2) (3)(4)
(5) (6), (7)
Ео—0 — *01 ; *21 Ео—0 — *02,
где: в - безразмерная температура, в = г/ г01; вС - безразмерная температура окружающей среды, 9С = ?С / г01; и г01, 1С - текущая температура, начальная температуры частицы и температура окружающей среды; А, Су - безразмерные коэффициент теплопроводности и удельная объемная теплоемкость соответственно, А = к / Су = су / су1; к, су - коэффициент теплопроводности и удельная объем-
х—0
ная теплоемкость; х, хр - безразмерная и размерная координата, х = хр / 8р1, 8р1 - толщина растекшейся частицы; 3, 3р - безразмерная и размерная толщина системы, 3 = 8р / 8р1; ¥в и Ы - числа Фурье и Вио; ¥в = а1 - г / 8р\, а1 = ^ / <у\, Ы = а - 8р1 /11; а, а - коэффициенты теплоотдачи и температуропроводности соответственно; ¥вк - число Фурье, отвечающее концу процесса; индексы 1 и 2 относят величины соответственно к частице и основе.
Построение ТВП диаграммы осуществлялось на основе следующего соотношения [7]
1,024
9 3
г=кТ "<Т)
г - а^ехр,
0 ' Тг ЛГ
/ - ^у
1 - ехрИЛ^Ц
где: т - время; т](Т) - вязкость; а0 - средний атомный диаметр; Ыу- количество атомов в единичной ячейке; к - постоянная Больцмана; АН/- молярная теплота плавления; г - объемное содержание кристаллической фазы; Я - универсальная газовая постоянная; Т - температура; Тг =Т/Тт, Тт - температура плавления; АТг=(Тт-Т)/Тт, /- относительное количество узлов на поверхности раздела кристалл-расплав, в которое могут переходить атомы при кристаллизации (для гладких поверхностей / = 0,2-АТг).
Условия протекания процесса аморфизации исследовались для следующих систем: Ге-Б, Ге-М-Б, Ге-М-Р-Б, Ге-Сг-Р-С и т.д. В качестве примера, на рис. 1 приведены результаты решения задачи об определении объемного содержания аморфной фазы для случая нанесения покрытия из сплава Ге83Б17. Как следует из представленных данных, аморфизация металлических сплавов возможна лишь при реализации определенных технологических условий. При этом на процесс аморфизации могут оказывать влияние различные факторы. Так, если толщина напыляемых частиц 8 р1 не превышает 35 10-6 м, то температурные кривые / = /(г) не пересекают ветви ТВП-диаграммы. В данных условиях в покрытии образуется лишь аморфная фаза. Если значения толщины частицы больше 100 10-6 м, то расплавленный слой покрытия имеет полностью кристаллическую структуру. При промежуточных значениях 8р1(35 - 10-6 м < 8р1 < 100 10-6 м) структура покрытия характеризуется сочетанием аморфной и кристаллической фаз. Так, при 8р1 = 40 10-6 м объем кристаллической фазы составлял примерно 2 %.
Материал основы также может оказывать влияние на структурное состояние формирующегося в ней покрытия. Как следует из полученных данных (см. рис.), при толщинах напыляемых частиц меньших 35 10-6 м, в обоих рассматриваемых ситуациях - при наличии стальной и медной основы - достигалась полная аморфизация покрытия. При больших величинах 8р1 (до 40 10-6 м) аморфная фаза образовывалась по всему объему покрытия только в случае напыления на медную основу. Последнее обусловлено значительным теплоотводом в медную основу и, как следствие, наличием более высоких, чем в случае стальной основы скоростей охлаждения покрытия.
3
Науковий вкник НЛТУ Украми. - 2015. - Вип. 25.8
Рис. Изменение температуры на свободной поверхности напыленных частиц из
сплава Fe83B17 (1-4) толщиной 1 Ю-6 м (линия 1), 1 ■10-5м (линия 2, 3), 4-10'5м (линия 4)
и ТВП-диаграммы, соответствующие объемной доле кристаллической фазы z = 0,0001 % (I), 10 % (II), 100 % (III); 1, 3, 4 — затвердевание на основе из стали 45;
2 - на медной основе
Полученные данные также показали, что условия аморфизации могут зависеть и от уровня нагрева частиц. Повышение начальной температуры частиц выше температуры плавления (для Fe83B17 выше 1250оС) может ухудшить условия аморфизации. Однако влияние этого фактора оказывается существенным лишь при достаточно больших величинах Sp1. Для случая напыления частиц Fe83B17 на стальную основу условия аморфизации ухудшаются при толщине частиц dp1 > 30 10-6 м.
Рассмотренные результаты математического моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными по изучению условий аморфиза-ции сплавов на основе железа, никеля, содержащих бор, фосфор, углерод и т.п. Например, наблюдается практически полное совпадение данных рентгенос-труктурного анализа покрытий из сплава Fe83B17 с результатами вычислительных экспериментов по определению фазового состава. Представляет также интерес тот факт, что для указанной ситуации в зависимости от наличия или отсутствия специального охлаждения основы в покрытии реализуется соответственно аморфная структура либо аморфно-кристаллическая с содержанием аморфной фазы примерно 70 %. Эти данные отвечают нанесению покрытий толщиной 0,310-3 м при размерах частиц исходного порошка 40 10-6...6310-6 м с использованием установки УПУ-3Д.
Выводы. Получено решение задачи о прогнозировании свойств плазменных аморфизированных покрытий на базе взаимосвязанного рассмотрения теплового состояния покрытий и соответствующих термокинетических диаграмм "температура-время-превращение". Представлены данные о влиянии на процесс аморфизации различных факторов, таких как уровень нагрева частиц, толщина расплавленной частицы, материал основы и пр.
Литература
1. Masahiro Komaki. Formation of Fe-based amorphous coating films by thermal spraying technique / Masahiro Komaki, Tsunehiro Mimura, Yuji Kusumoto, Ryurou Kurahasi, Masahisa Kouza-ki, Tohru Yamasaki // Materials Transactions. - 2010. - Vol. 51, № 9. - Pp. 1581-1585.
2. Шпак А.П. Теплофизика формирования аморфных и нанокристаллических газотермических покрытий. Математические модели / А.П. Шпак, Н.М. Фиалко, В.Г. Прокопов, Н.О. Ме-ранова, Ю.В. Шеренковский, В.Н. Коржик. - К. : Изд-во "Академпериодика", 2005. - 118 с.
3. Калита В.И. Плазменные покрытия с нанокристаллической и аморфной структурой / В.И. Калита, Д.И. Комлев. - М. : Изд. дом "Прадо-М", 2008. - 400 с.
4. Калита В.И. Формирование покрытий с аморфной и наноструктурой / В.И. Калита, В.В. Яркин, В.П. Багмутов и др. // Металлы : сб. науч. тр. - 2007. - № 6. - С. 95 -101.
5. Куницкий Ю.А. Некристаллические металлические материалы и покрытия в технике / Ю.А. Куницкий, В.Н. Коржик, Ю.С. Борисов. - К. : Изд-во "Техника", 1988. - 198 с.
6. Девис Г.А. Методы быстрой закалки и образование аморфных металлических сплавов / Г. А. Девис // Быстрозакаленные металлы : сб. науч. тр. - М. : Изд-во "Металлургия", 1983. - С. 11-30.
7. Bergmann H.W. Calculation of cooling and heating rates and transformation curves for the preparation on metallic glasses / H.W. Bergmann, H.U. Fritsh, G. Hunger // J. Mater. Sci. - 1981. - Vol. 16, 17. - Pp. 1935-1944.
МерановаН.О. Спшьний анашз температурних режимив i фазових перетворень у плазмових амортизованих покриттях
Отримано розв'язок задачi прогнозування об'емного вмкту аморфно! фази в плазмових покриттях на базi дослщження процесш теплопереносу в них i даних термокше-тичних дiаграм "температура-час-перетворення". Вивчено особливост впливу на про-цес аморфiзацi! таких фактс^в, як товщина напилюваних часток, рiвень !х нагршу i ма-терiал основи. Представлено даш дослiджень, згiдно з якими об'емний вмiст аморфно! фази шдвищуеться зi зменшенням товщини напилюваних часток i збiльшенням коефь щента теплопровщност матерiалу основи. Показало також, що в разi зростання почат-ково! температури часток вище вiд температури плавлення матерiалу покриття умови аморфiзацi! можуть погiршуватися.
Ключовi слова: процес теплопереносу, плазмовi покриття, термокiнетична дiагра-ма "температура-час-перетворення", об'емний вмiст аморфно! фази.
Meranova N. O. Joint Analysis of the Temperature Regime and Phase Transformations in the Plasma Amorphized Coatings
The solution of the problem of forecasting the volume content of the amorphous phase in plasma coatings on the basis of the study of heat transfer processes in these coatings and thermo-kinetic diagrams "temperature - time - transformation" is obtained. The features of influence on the process of amorphization of factors such as the thickness of the sprayed particles, the level of heating of these particles and the base material are studied. The data of studies that the volume content of the amorphous phase increases with decreasing thickness of the sprayed particles and increase the thermal conductivity of the base material are presented. It is also shown that increasing the initial temperature of the particles above the melting point of the coating material the conditions of amorphization may deteriorate.
Keywords: heat transfer process, plasma coating, thermokinetic diagram "temperature-time- transformation", the volume content of the amorphous phase.
УДК 515.2 Доц. В.М. Попов, канд. техн. наук;
проф. I.A. Чуб, д-р техн. наук - НУ цивильного захисту Украти
ОЦ1НЮВАННЯ ВПЛИВ1В МОЖЛИВО1 НАДЗВИЧАЙНО1 СИТУАЦН НА ЕТАП1 ФОРМУВАННЯ ПРОГРАМИ РОЗВИТКУ ТЕРИТОР1АЛЬНИХ СИСТЕМ ТЕХНОГЕННО1 БЕЗПЕКИ
Розглянуто заходи програми розвитку системи техногенно! безпеки територп, яка значною мiрою залежить вщ якост управлшня шформацшними зв'язками мiж учасни-ками програми. Для !х реалiзацi! виникае потреба прогнозування загроз для потенцшно небезпечних об'екйв регюну та динамши змши !х стану шд впливом природних, техно-
