CC BY
15
УДК 621.762
DOI: 10.24412/0321-4664-2022-4-60-64
ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ РАБОЧЕГО ГАЗА НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛ МЕТОДОМ PREP
Евгений Иванович Старовойтенко1, канд. техн. наук, Дмитрий Андреевич Карягин2
всероссийский институт легких сплавов, Москва, Россия, info@oaovils.ru 2 АО «Ступинская металлургическая компания», Ступино, Московская область, Россия
Аннотация. Приведены данные расчетов по влиянию фактора давления рабочей газовой атмосферы на тепловое и аэродинамическое взаимодействие с ней частиц расплава, формирующихся в процессе охлаждения в гранулы. Показан существенный технический эффект снижения скорости полета частиц при повышении давления и продолжительности охлаждения частиц до конечной температуры.
Ключевые слова: гранула, давление газа, охлаждение, аэродинамическое торможение, теплоотдача, скорость полета
On the Effect of the Working Gas Pressure on the Production of Granules by PREP. Cand. of Sci. (Eng.) Evgeniy I. Starovoitenko1, Dmitriy A. Karyagin2
1 All-Russian Institute of Light Alloys, Moscow, Russia, info@oaovils.ru
2 JSC Stupino Metallurgical Company (CMK), Stupino, Moscow region, Russia
Abstract. Calculation data on the influence of the working gas pressure on the thermal and aerodynamic interaction of melt particles (formed into granules during cooling) with the gas atmosphere are presented. A significant technical effect of reducing the particle flight velocity in case of an increase in pressure and in the duration of particle cooling on the final temperature is shown.
Key words: granule, gas pressure, cooling, aerodynamic braking, heat transfer, flight speed
Статья носит характер аналитического прогноза, поскольку пока не опирается на какие-либо опытные данные и результаты применительно к обозначенной технологии.
На данный момент в установках для получения гранул сплавов на основе никеля и титана методом PREP в качестве рабочей среды используется смесь нейтральных газов гелия и аргона в различных пропорциях с преимущественной концентрацией гелия, обладающего наиболее благоприятным сочетанием те-плофизических свойств. Рабочий газ при этом является как плазмообразующей средой, так и средой охлаждения частиц расплава. Последняя функция особенно важна в технологии, поскольку от интенсивности охлаждения
и скорости кристаллизации частиц зависит структура получаемых гранул. Исследованиями [1] установлено, что чем выше скорость кристаллизации частиц расплава, тем более совершенной формируется структура гранул, которая наследуется затем компактом, полученным из них тем или иным способом прессования.
В табл. 1 приведены данные по теплофизи-ческим свойствам наиболее типичных материалов, распыляемых способом PREP - титана и никеля, позволяющие судить о влиянии данных свойств на процесс охлаждения частиц из этих материалов при центробежном распылении [2].
Опыт получения гранул центробежным способом из материалов на основе титана и
Таблица 1 Основные теплофизические характеристики никеля и титана
Характеристика Никель Титан
Плотность, кг/м3 8910 4500
Теплоемкость, Дж/кг • К 616 687
Коэффициент теплопроводности, Вт/м • К 72 21
Температура плавления, °С 1455 1608
Теплота фазового перехода (плавления), кДж/кг 303 358
никеля обнаруживает следующие особенности процесса:
- для получения частиц равной крупности (диаметра частиц) из данных материалов необходимо обеспечить более высокую частоту вращения титановой заготовки по отношению к никелевой при прочих одинаковых условиях распыления;
- в отличие от никелевых, титановые гранулы склонны к образованию конгломератов из частиц, прилипших к стенкам камеры распыления установки вследствие их недостаточно глубокого охлаждения. В этой связи размеры камеры распыления установок, специализированных на получении титановых гранул, как правило, выполняют больших размеров в направлении траектории полета частиц.
С позиции физики процесса центробежного распыления отмеченные явления возникают закономерно. Если обратиться к механизму формирования частиц при центробежном распылении, описываемому в работе [3] зависимостью вида:
где а - коэффициент поверхностного натяжения расплава; р - его плотность;
ю - частота вращения заготовки распыления радиусом Я, то диаметр частиц ^ формируется с размером, обратно пропорциональным величине р0,5.
Обратившись к данным табл. 1 по плотностям никеля и титана, получим количествен-
ный результат по соотношению диаметров а частиц данных материалов ^тит/^ник = 1,4, имеющий место всегда при прочих равных условиях (одинаковых значениях ю, Я) и весьма близких фактических значениях поверхностного натяжения их расплавов а.
Не трудно видеть, что и соотношение начальных скоростей полета частиц - окружной скорости периферии вращающейся заготовки (юЯ) - для сравниваемых материалов будет находиться в такой же пропорции друг по отношению к другу. То есть начальная скорость полета титановых частиц одинакового диаметра а в 1,4 раза должна быть более высокая, чем никелевых. Это заключение в определенной степени объясняет и существование особенности, связанной с образованием конгломератов титановых частиц вследствие их недостаточного охлаждения. Повышенная начальная скорость полета титановых частиц сокращает время их полета и охлаждения до момента столкновения со стенками камеры, если ее размеры недостаточны и приняты, например, под распыление никелевых заготовок. Дополнительным фактором недостаточного охлаждения титановых частиц здесь выступают более высокие значения температуры плавления, теплоемкости и теплоты плавления данного материала.
Конечно, такое объяснение не является исчерпывающим, поскольку процесс охлаждения частиц в полете многофакторный.
По сложившейся практике ведения РРЕР-процесса центробежного распыления в технологических установках поддерживают небольшое избыточное давление рабочей газовой атмосферы на уровне 0,2-0,25 бар главным образом для того, что бы избежать загрязнения нейтральной рабочей среды атмосферным воздухом вследствие возможного проникновения его в рабочее пространство установки распыления. Окисление частиц в процессе охлаждения кислородом воздуха снижает свойства получаемого материала и не приемлемо по данной причине.
В то же время хорошо известны примеры использования газов повышенного и высокого давления как важного технологического приема в различных технологиях, в том числе и металлургических. Примером могут служить
современные вакуумные печи для термической обработки с рабочим давлением газовой среды охлаждения до 20 бар и более, газостатические установки, в которых обеспечивается как нагрев, так и охлаждение обрабатываемых заготовок при давлениях до 150-200 МПа и более. В данных примерах газ повышенного и высокого давления, кроме прочих причин, применяют из- за его более высокой термической эффективности как теплоносителя в сравнении с эффективностью при давлениях, близких к атмосферному.
Попытки оценки влияния повышенного давления рабочего газа на интенсивность охлаждения и кристаллизацию частиц расплава в установках центробежного распыления предпринимались. Так, в работе В.К. Орлова [4] это выполнено аналитически с использованием известных критериальных уравнений теплоотдачи для внешнего обтекания тел шарообразной формы. Вывод, к которому приходит автор, констатирует слабое влияние давления на данный процесс, особенно при низких значениях чисел Рейнольдса (менее 100). Количественных результатов по влиянию данного фактора автор не приводит, ограничившись только качественным анализом фактора давления.
Подобные исследования применительно уже к газодинамической задаче обтекания тел шарообразной конфигурации выполнены тем же автором [5], где проанализированы существующие расчетные подходы к решению задачи торможения летящих в газовом потоке частиц. И в данном исследовании, к сожалению, также не приведены практически значимые количественные результаты применительно, например, к PREP-технологии получения гранул.
В этой связи для количественной оценки факторов теплоотдачи и газодинамического торможения частиц применительно к технологии получения гранул методом PREP были предприняты соответствующие расчеты, позволившие ответить на вопросы, поставленные в настоящей статье, о роли повышенного давления охлаждающего газа.
Наиболее известным и применяемым в инженерных расчетах теплоотдачи тел шарообразной формы при внешнем обтекании является критериальное уравнение теплоотдачи, приведенное в работе [4]:
N11 = 2 + 0,6Ре05Рг033. (2)
Здесь N11 = аd/X - число Нуссельта, имеющее физический смысл безразмерного коэффициента теплоотдачи а при обтекании сферы диаметром d газом с коэффициентом теплопроводности X.
Ре = wdр/n - число Рейнольдса, характеризующее силовое поле обтекания тела газом, представляющее безразмерное отношение сил инерции к силам вязкого трения, в которое входят значение относительной скорости движения частицы и потока w, плотность газа р и его коэффициент динамической вязкости п.
Рг = пС/Х - число Прандтля или критерий физических свойств газовой среды, где С ее теплоемкость.
Закономерность изменения температуры охлаждаемой частицы во времени т в газе с температурой ТС от начального значения Т0 до конечной температуры Т удовлетворяет следующему соотношению в безразмерном виде [6]:
(Т- ТС)/(Т0 - Тс) = ехр(-3В1 Fo), (3)
где В1 = аd/ Хм - число Био или критерий интенсивности теплообмена частицы, Хм - коэффициент теплопроводности материала, d - диаметр;
Fo = Хмт/рмС^ 2 - число Фурье или параметр безразмерного текущего времени т. В этом выражении Хм, рм, См - соответственно коэффициент теплопроводности, плотность и теплоемкость материала частицы.
Следует отметить, что уравнение (3) применимо к случаю охлаждения тел в диапазоне изменения чисел В1 < 0,1, т.е. к охлаждению так называемых «тонких» тел. Предварительные оценки подтверждают именно данный случай охлаждения для мелких металлических частиц.
Сила аэродинамического торможения частиц в полете может быть оценена по известному уравнению [5] вида:
Р = ^ (Рe)Sрw 2/2, (4)
где у(Ре) - коэффициент аэродинамического сопротивления частицы, являющийся функцией числа Рейнольдса;
о П , 2
S = — С - миделево сечение частицы.
По предварительной оценке, диапазон изменения чисел Рейнольдса, в котором обе-
спечивается полет охлаждаемых частиц, формируемых при центробежном распылении металлических материалов по технологии PREP, составляет Re < 102. При этом коэффициент сопротивления
v(Re) = 14/Re0,5. (5)
Отрицательное ускорение (замедление) частиц а может быть оценено по соотношению:
а = бЯла^Рм. (6)
В соответствии с изложенным выше расчетным алгоритмом были вычислены отдельные параметры процесса взаимодействия частиц с рабочей газовой средой в установках центробежного распыления. Расчеты выполнены применительно к распылению титана в атмосфере чистого гелия при различном уровне давления газа в камере распыления. В табл. 2 по справочным данным [7] приведены тепло-физические свойства гелия в зависимости от давления при температуре 300 К.
Как следует из данных, приведенных в табл. 2, только плотность гелия р существенно изменяется с ростом давления, тогда как другие его свойства (С, X, п) остаются практически неизменными. Это позволяет оценивать роль давления, опираясь на расчетные зависимости (2-6), только с учетом параметра плотности газа р.
В табл. 3 представлены данные расчетов по соотношениям (1-6) наиболее важных параметров процесса охлаждения частиц, причем расчетные значения представлены в относительном виде, показывающем их изменения с ростом давления по отношению к значениям при атмосферных условиях (Р = 1 бар). Расчеты выполнены применительно к титановым частицам крупностью 100 мкм в среде охлаждения из чистого гелия.
Данные табл. 3 позволяют сделать следующие выводы:
1. Интенсивность теплоотдачи частиц, равно как и скорость их охлаждения, с ростом давления газа возрастают не столь значительно, что бы считать данный фактор существенным с практической точки зрения. Этот результат совпадает с выводами В.К. Орлова в статье [4].
2. Фактор интенсивности снижения скорости полета, напротив, достаточно существенен, поскольку даже при относительно небольшом росте давления до 10 бар торможение частицы возрастает в 3,1 раза. При этом скорость полета частицы по отношению к начальной скорости отрыва от периферии вращающейся заготовки снижается почти на половину (45,6 %), тогда как при атмосферном давлении это снижение не превышает 14,6 %.
3. Данный результат позволяет рекомендовать использовать практически повышенное
Таблица 2 Теплофизические свойства гелия в зависимости от давления Р при фиксированной температуре 300 К
Параметр Значение параметра при давлении P, бар
1,0 10 20 60
Плотность р, кг/м3 0,16 1,597 2,39 9,355
Теплоемкость С, кДж/ кгК 5,226 5,23 5,24 5,28
Коэффициент теплопроводности X, Вт/м • К 0,151 — — 0,154
Коэффициент динамической вязкости п, Н • с/м2 = 220- 10-7
Таблица 3 Данные расчетов основных параметров охлаждения частиц
Параметр Значение параметра при давлении среды P, бар
1,0 10 20 60
Рост теплоотдачи от частицы к газу по (2) 1 1,48 1,67 2,52
Рост скорости охлаждения частицы по (3) 1 1,1 1,14 1,34
Рост скорости торможения частицы по (4-6) 1 3,1 3,9 7,6
Относительное снижение скорости полета частицы на пути 1,0 м от начального значения, % 14,6 45,6 57,3 = 100
давление газа в установках центробежного распыления, например, для устранения обозначенного выше фактора недостаточности охлаждения частиц титановых сплавов, приводящего к образованию конгломератов. Дополнительный
технический эффект может быть достигнут при оптимизации оборудования путем сокращения габаритов камер распыления в специализированных установках при внедрении в них повышенного давления рабочей газовой атмосферы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Добаткин В.И. Роль кинетических и термодинамических факторов при кристаллизации гранул // В кн.: Металлургия гранул. Вып. 1. М.: ВИЛС, 1983. С. 23-33.
2. Физические величины: Справ. М.: Энергоатомиз-дат, 1991.
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.
4. Орлов В.К. К расчету скоростей охлаждения капель распыленного материала в газовой среде
// В кн.: Металлургия гранул. Вып. 1. М.: ВИЛС, 1983. С. 67-77.
5. Орлов В.К. К инженерному расчету аэродинамики частицы при центробежном распылении расплава // В кн.: Металлургия гранул. Вып. 3. М.: ВИЛС, 1986. С. 33-40.
6. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Л.: Энергия, 1965. С. 98-99.
7. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. С. 521-536.
REFERENCES
1. Dobatkin V.I. Rol' kineticheskikh i termodinami-cheskikh faktorov pri kristallizatsii granul // V kn.: Me-tallurgiya granul. Vyp. 1. M.: VILS, 1983. S. 23-33.
2. Fizicheskiye velichiny: Sprav. M.: Energoatomizdat, 1991.
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.
4. Orlov V.K. K raschetu skorostey okhlazhdeniya kapel' raspylennogo materiala v gazovoy srede //
V kn.: Metallurgiya granul. Vyp.1. M.: VILS, 1983. S. 67-77.
5. Orlov V.K. K inzhenernomu raschetu aerodinamiki chastitsy pri tsentrobezhnom raspylenii rasplava //
V kn.: Metallurgiya granul. Vyp. 3. M.: VILS, 1986. S. 33-40.
6. Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Teplo-peredacha. L.: Energiya, 1965. S. 98-99.
7. Vargaftik N.B. Spravochnik po teplofizicheskim svoystvam gazov i zhidkostey. M.: Nauka, 1972. S. 521-536.
