CC BY
30
Снижение энергозатрат при непрерывном прессовании металла способом Конформ... Горохов Ю.В., Солопко И.В.
высоты сечения контейнера использовались три составных свинцовых образа высотой 9; 8,5 и 8 мм длиной 150 мм, состоящих из двух половин шириной 4 мм. На внутреннюю сторону одной из половин образца наносили с помощью инструментального микроскопа координатную сетку с шагом 2 мм. При прессовании образцов высота контейнера составляла соответственно 9; 8,5 и 8 мм, применялась плоская разъемная матрица с отверстием диаметром 3 мм.
На рис. 4 показаны темплеты половин отпрессованных образцов после их разъединения. Искажение поперечных линий координатной сетки показывает, что жесткие зоны в приграничном с неподвижной стороной контейнера слое полностью отсутствуют при прессовании образца высотой 8 мм, что соответствует расчетным значениям для квадратного сечения контейнера при коэффициенте тренияf= 0,5 (см. табл. 1).
Значению минимальной протяженности зоны полного контакта, необходимой для выдавливания металла в матрицу, соответствует длина пресс-остатка, оставшегося в ручье колеса после полной отпрессовки аналогичных предыдущему опыту образцов из контейнера сечением 8x8 мм, через плоские матрицы.
Проверка достоверности значений, рассчитанных по формуле (8), проводилось прессованием алюминиевых образцов диаметром 8,2 мм и длиной 10 мм через плоские матрицы из контейнера сечением 8x8 мм. После прекращения истечения металла в матрицу замеряли длину пресс-остатка в ручье колеса. В случае применения плоских матриц величина угла принимается равной 45° [2]. Коэффициент трения/во всехопытах - равным 0,5.
Расчетные и экспериментальные значения минимальной длины зоны полного контакта металла с контейнером сведены в табл. 3.
Таблица 3
Значения минимальной длины зоны пресс-остатка
Диаметр Диаметр Коэффи- Длина зоны
заготовки, проволо- циент пресс-остатка, мм
мм ки, мм вытяжки Эксперимент Расчет
8,2 1,54 27,0 37,5 39,9
8,2 1,86 18,5 32,2 33,67
8,2 2,58 9,6 27,4 24,26
8,2 3,28 5,9 20,0 17,36
Анализ этих данных показывает удовлетворительную сходимость практических и теоретических
результатов.
Список литературы
1. Непрерывное лит ье-прессование цвет ных мегаллов / Сергеев В.М., Горохов Ю.В., Соболев В.В., Нестеров Н.А. М.: Металлургия, 1990. 85 с.
2. Корнилов В.Н. Непрерывное прессование со сваркой алюми-ниевых сплавов. Красноярск: Изд-вопед. ин-та, 1993. 216 с.
3. Расчет параметров деформационной зоны при непрерывном прессовании способом Конформ / Ю.В. Горохов, Н.Н. Загиров, И.Ю. Губанов // Металлы. 2004. № 4. С. 113-116.
List of literature
1. Continuous transfer molding of non-ferrous metals / Sergeyev V.M., Gorokhov Yu. V., Sobolev V.V., Nesterov N.A. M.: Metallurgy, 1990. 85 p.
2. Kornilov V.N. Straight-through extrusion with aluminum alloys welding. Krasnoyarsk: teachers training university press, 1993. 216 p.
3. The calculation of deformation zone characteristics when applying straight-through extrusion by Conform method / Yu.V. Gorokhov, N.N. Zagirov, I.Yu Gubanov // Metals. 2004. № 4. P. 113-116.
УДК 621.383.8
Вдовин КН., Дубский Г.А., Егорова Л.Г., Созонов С.О.
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ДОЗЫ ПОРОШКА, ВЫСТРЕЛИВАЕМОЙ ДЕТОНАЦИОННОЙ ПУШКОЙ*
Для повышения технологических и производственных показателей работы кристаллизатора машины непрерывного литья заготовок, до их включения в рабочий режим, как правило, модифицируют, т.е. на рабочие стенки наносят необходимые технологические покрытия с заданными физико-механическими свойствами. В настоящее время наибольший интерес представляет газодетонационный способ нанесения покрытий, относящийся к газотермическому методу.
При газодетонационном способе получения покрытий на их эксплуатационные качества оказывает влияние очень большое число внешних и внутренних
* Работа выполнена при поддержке Федерального агентства по науке иинновапииРФ (шсконтракт № 02.740.11.0509).
факторов. Рак, для достижения высокой адгезии (окд> 100 МПа) покрытия с подложкой (стенкой кристаллизатора) основными факторами являются температура в контактной зоне (частица-подложка) Тк и кинетическая энергия налетающих частиц Е* или их скорость V (при выполнении всех других технологи-ческихусловий).
В работе [1] предлагается уравнение для расчета активности то по химической реакции, протекающей в зоне контакта частица-подложка при формировании покрытия. Она имеет следующий вид:
ёЫ , ч Г -Е ]
— = (Ы0 - Ы^ехр \ ^\ , (1)
ё [«1кТк +«2Ек \
где N - число атомов в частице, вступивших в реакцию с подложкой; V - частота колебаний атомов частицы в зоне контакта; Тк - температура контакта; Ек - кинетическая энергия частицы; а1 и а2 - коэффициенты использования энергии в зоне контакта частица-подложка.
Из уравнения (1) видно, что величина активности то по химической реакции зависит от температуры в контактной зоне и кинетической энергии налетающих частиц. Она тем больше, чем больше сумма ахкТк + а2Ек, при заданной энергии активации Еа.
Относительное сравнение теплового (кТк ) и скоростного (кинетического) воздействия на активность то по химической реакции может быть произведено путем расчета и сопоставления максимальных значений слагаемых знаменателя в показателе экспоненты уравнения (1) при различных значениях температуры и скорости напыляемых частиц на 1 г-ат напыляемых частиц никеля (табл. 1).
При напылении никеля (Тплав = 1728 К) максимальный вклад тепловой энергии при условии нагрева до плавления всех частиц составит 0,15 эВ/г-ат. При скоростях частиц V < 500 м/с их вклад в энергетику взаимодействия за счет скорости существенно меньше величины 0,15 эВ/г-ат и только при скоростях порядка 800 м/с кинетическая энергия частиц может быть соизмеримой с энергией, запасенной при нагреве, а при больших значениях скорости - значительно превзойти эту величину (см. табл. 1).
Таким образом, по мнению авторов этой работы, существует некоторая критическая скорость частиц распыляемого материала (для порошка никеля ~ 800 м/с), ниже которой достичь повышения качества покрытий можно в основном за счет более эффективного нагрева как самих частиц, так и подложки.
Итак, при детонационно-газовом напылении, требуемом для производства технологического покрытия, необходима, наряду с другими параметрами, высокая скорость напыляемых частиц (уч > 800 м/с). Эта скорость может варьироваться от 400 до 1300 м/с. Выбор скорости определяется химическим составом порошка, его дисперсностью, химическим сродством к металлу подложки и т.д. Заданная скорость выстреливаемого порошка достигается соответствующей конструкцией детонационной пушки, процентным соотношением горючей смеси газов и местом навески дозы порошка в стволе.
Настройка пушки на требуемый режим осуществляется посредством расчета смеси рабочих газов и измерения скорости выстреливаемой дозы порошка на заданном расстоянии от среза ствола пушки. В настоящее время, чаще всего, измерение скорости частиц осуществляется двумя методами: методом высокоскоростных кинокамер [2] и методом Штерна и Герлаха [3]. Реализация этих методов, как показывает практика, технически и технологически представляет определенные трудности и дает недостаточно точные результаты.
Нами был разработан оптический метод измерения скорости напыляемых частиц, который по своим показателям превосходит нижеперечисленные методы. Оптический метод измерения скорости выстрели-
ваемой дозы порошка построен на принципе прерывания этой дозы излучения лазеров. На рис. 1 приведена оптическая схема метода, основанного на прерывании потока излучения.
Этот метод основан на том, что доза порошка по жду полета поочередно прерывает первый поток излучения (пролетая между первым излучателем и фотоприемником) и второй поток излучения (пролетая между вторым излучателем и вторым фотоприемником). Причем расстояние между первой и второй парами устанавливается фиксировано с заданным значением (см. рис. 1).
Пролетев установленное расстояние (Ь), локализованная в пространстве доза порошка с характерной длиной (Ьп) поочередно прерывает первый и второй потоки излучения. При прерывании первого и второго потоков излучения на выходе фотоприемников (ФД-1 и ФД-2) происходит скачкообразное изменение фотосигнала , т.е. возникает скачок напряжения сигнала на первом фотодиоде, а потом на втором (Цвд). Отчет времени пролета 10 производится по спадающим или по нарастающим фронтам фотосигнала. Тогда скорость пролета дозы порошка определяется как
г-= Г
‘о
(2)
Таблица 1
Тепловая и кинетическая энергия 1 г-ат никеля
Т 1 ч кТч, эВ V, м/с дачу2/2, эВ
800 0,067 50 О ,6
1000 0,086 100 3,0 ■ 10-3
1500 0,129 200 1,2 ■ 10-2
1800 0,155 500 7,6 ■ 10-2
2000 0,172 800 ,2 0,
2200 0,190 1000 ,3 0,
Рис. 1. Оптическая схема измерения скорости дозы порошка, основанная на прерывании излучения:
ДП - доза порошка; Л1-ФД1 - первая пара оптически связанных излучатель - фогоприемник; 1_ - расстояние между первой и второй парой; 1_„ - длина локализации дозы; 11фд - напряжение фотоприемника; ь - время прохождения дозы между первой и второй парой
Устройство для измерения скорости дозы порошка.
Вдовин К.Н., Дубский Г.А., ЕгороваЛ.Г., Созонов С.О.
Длина сгустка дозы порошка в расчет пока не принимается, так как она влияет только на длительность импульса скачка фотосигнала (Ифд), сформированного при прохождении дозы в зоне контроля.
Для того чтобы провести оценку погрешности результата измерения скорости дозы порошка, построим модель процесса формирования фотоэлектрического сигнала и сделаем следующие допущения:
1. Полет дозы порошка происждит по траектории, лежащей в одной плоскости с лучами излучателей, и перпендикулярна им.
2. Доза порошка имеет прямоугольную форму.
3. Фотоприемник имеет высокое быстродействие, в связи с чем оптический и фотоэлектрический сигналы идентичны.
4. Фотоприемник работает вне зоны насыщения.
Для определения погрешности, связанной с длиной дозы порошка (Ьп) при фиксированной ширине зондирующего излучения С, при условии Ьп>С обратимся к модели, приведенной на рис. 2.
При Ьп>С в момент времени /1 доза порошка приближается к оптическим лучам. После /1 она начинает
Рис. 2. Модель процесса формирования фотосигнала приемным фотодиодом для случая 1_п^
Рис. 3. Фотография рабочего устройства для измерения скорости сгустка дозы порошка, выстреливаемого детонационной пушкой
перекрывать поток излучения до момента времени /2. Время спада фотосигнала
(3)
С момента времени t2 до /3 поток излучения полностью перекрывается дозой порошка. С момента времени t3 до 14 фотосигнал возрастает. Время возрастания будет:
(4)
При С < Ьп доза порошка практически не меняет своей скорости. Тогда
1г = =
С
Угг
(5)
где - время запаздывания. В связи с наличием ^ возникает погрешность, связанная с временем спада и нарастания фотосигнала. С учетом этого скорость дозы порошка
(6)
Если действительная скорость Уд, то погрешность из-за запаздывания
У - У *
8 = -11---£-100.
Уд
Сучетом (2) и (6) получим
8 = ———100.
2С + Ь
(7)
* |: в,
-т-
о-:_I,
: ■’ ■■ -т
V!/
£
3? 10 1 1 12
и
Рис. 4. Блок-схема устройства для измерения скорости сгустка дозы порошка (т)
1 - стабилизированный блок питания лазеров (2); 3 - световые лучи лазеров; 4 - фотодиоды; 5 - усилитель-формирователь импульсов; 6 - стабилизированный блок питанияусилитепя (5);
7 - пролетная труба; 8 - доза порошка; 9 - стабилизатор сетевого напряжения; 10 - осциллограф; 11 - цифровой индикатор;
12 - блок измерения интервалов времени
Таблица 2
Результаты измерений
Интервалы скоростей (м/с) 850- 855 855- 860 860- 865 865- 870 870- 875 875- 880 880- 885 885- 890 890- 895
Число выстрелов 3 10 17 20 20 15 8 5 2
І315
gio
V
£
5
п П
850- 855 855 860 -8 60 865 - 865 870 - 870 875 - 875 880 - 880 885 85- 890890 895
V (м/с)
Рис. 5. Гистограмма распределения числа выстрелов по интервалам скоростей
Из (7) следует, что погрешность в измерении скорости дозы порошка, выстреливаемой детонационной пушкой, зависит от ширины (С) зондирующего луча и протяженности (Ьп) сгустка дозы порошка.
На основе рассмотренного метода нами разработано и построено устройство для измерения скорости сгустка дозы порошка, выстреливаемого детонационной пушкой. Фотография и блок-схема устройства приведены на рис. 3 и 4.
Расстояние между оптическими парами выбрано 50 мм. Время пролета определялось по передним фронтам импульсов первой и второй оптических пар. При заданном режиме работы детонационной пушки: пропан-бутан - 40%, кислород - 50%, азот -10%, на расстоянии 300 мм от среза ствола пушки средняя скорость выстреливаемой дозы порошка составляла -я = (870±21) м/с. При этом было проведено 100 выстрелов. Результаты приведены в табл. 2. Кривая распределения скорости была близка к нормальному Га-
уссовскому распределению (рис. 5).
Описанный в данной работе прибор был внедрен в технологический процесс детонационного напыления упрочняющих и жаростойких покрытий на стенки кристаллизаторов МНЛЗ, производимых фирмой ЗАО «Уралинжинеринг», работающей в г. Магнитогорске. В процессе эксплуатации прибор показал высокую устойчивость к сильно изменяющейся в процессе напыления окружающей среде, стабильные показатели при измерении времени пролета сгустков дозы порошка и хорошую повторяемость экспериментальных результатов. Таким образом, данный прибор может быть рекомендован для использования в технологиях детонационного газового напыления различных покрытий на металлы.
Выводы
1. Разработанный метод и устройство являются устойчивыми к изменению окружающей среды, а также не подвержены влиянию различных электрических, магнитных и электромагнитных наводок.
2. Точность измерения, достигнутая на разработанном приборе, составляет s~ 2,5 %.
3. С помощью предлагаемого прибора можно измерять не только скорость движущихся локализованных в пространстве объектов, но и оценивать степень этой локализации.
4. Изготовление прибора требует разумных материальных и финансовых затрат, он может быть использован в любой исследовательской лаборатории.
Список литературы
1. Шоршоров М.Х., ХарламовЮА. Физико-химические основы дего-национно-газовсго напьпения покрытий. М.: Наука, 1978. 224 с.
2. Астахов Е.А., Краснов А.И. Защитные покрытия на металлах. Киев: Наук. думка, 1971. Вып. 5. С. 57-62.
3. Новые методы нанесений покрытий напылением. Ворошиловград, 1976.
The literature
1. Shorshorov M. H, Kharlamov JU.A.physical and chemical of a basis of a detonatsionno-gas dusting of coverings. M.: the Science, 1978. 224 p.
2. Astahov E.A., Krasnov А.И. Сб. тр. Sheetings on metals. Kiev: the Science, 1971. Release. 5. P. 57-62.
3. New methods of drawings of coverings a dusting. Voroshilovgrad, 1976.
25
20
0
