CC BY
44
УДК 621.762:669.71
Г. Ф. Ловшенко, канд. техн. наук, доц., З. М. Ловшенко, канд. техн. наук, доц.,
А. И. Хабибуллин
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ АППАРАТ ДЛЯ РЕАКЦИОННОГО МЕХАНИЧЕСКОГО ЛЕГИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Проведен анализ аппаратов различных конструкций, применяемых для диспергирования твердых тел, различающихся видом механического воздействия на вещество. Теоретически обосновано и экспериментально проверено оборудование, обеспечивающее реализацию реакционного механического легирования для получения наноструктурных высокостойких композиционных материалов на основе металлов. Приведены расчеты, подтверждающие работоспособность конструкции, и техническая характеристика конструкции.
Прогресс в области производства высокостойких дисперсно-упрочненных материалов различного функционального назначения обеспечивает технология, основанная на реакционном механическом легировании [1]. Основным компонентом для осуществления процесса являются порошки.
Реакционное механическое легирование базируется на основных положениях механохимии, согласно которым в результате механического воздействия в локальных микрообъемах твердого тела возникают внутренние напряжения. Основными путями их релаксации являются: выделение тепла; зарождение, размножение и миграция дефектов кристаллического строения; образование новой поверхности; возбуждение химической реакции. Преимущественное направление релаксации зависит как от свойств веществ, так и от условий нагружения. При увеличении мощности механического воздействия происходит постепенный переход от релаксации по тепловому каналу к каналам, связанным с накоплением дефектов кристаллического строения, разрушением и химическим взаимодействием. Сложность процессов, протекающих при механическом воздействии на многокомпонентные композиции, не позволяет до настоящего времени разработать общую теорию меха-нохимических превращений. Существующие модели являются качественными, каждая отражает одну из сторон процесса
(не исключая, а взаимно дополняя друг друга) и имеют ряд общих черт.
Процесс переноса компонентов при механическом легировании, определяющий скорость механохимических превращений, является сложным. Согласно качественным представлениям при обработке твердофазных композиций в механореакторе, с одной стороны, происходит образование свежей поверхности и создаются условия для взаимодействия между компонентами по бездиффузионной кинетике, а с другой стороны, имеет место деформационное и диффузионное перемещения компонентов, вызывающие перемешивание на кластерном и молекулярном уровнях соответственно.
Внешней стороной, отражающей сложные физико-химические процессы, протекающие при механическом легировании, является изменение морфологии и размера частиц обрабатываемой композиции. При обработке в механореакторе параллельно протекают процессы разрушения частиц и образования из осколков в результате адгезии, агломерации и сварки гранулированной композиции. На начальном этапе преобладает первый процесс, в дальнейшем - второй, сменяющийся динамическим равновесием.
Реакционное механическое легирование осуществляется в мельницах-механореакторах, под которыми пони-
маются энергонапряженные аппараты, обеспечивающие протекание механохи-мических превращений. Для их реализации требуется высокая плотность энергии в рабочем пространстве аппарата. Высокая энергонапряженность является одним из важных факторов, обеспечивающим реализацию процесса реакционного механического легирования.
К настоящему времени разработано большое количество конструкций аппаратов для диспергирования. По виду преимущественного нагружения выделены три типа мельниц [2]:
1) с низкой скоростью нагружения, преимущественно сжатием (шаровые, шарокольцевые, стержневые, бегуны, центробежные и т. д.);
2) со средней скоростью нагружения,
разрушающие, в основном, стесненным ударом (вибрационные, центробежно-
планетарные, магнитно-вихревые и т. д.);
3) с высокой скоростью нагружения, измельчающие материалы преимущественно свободным ударом (ударно-отражательного действия, ударные мельницы, дезинтеграторы и дисмембраторы, молотковые, струйные, роторные и т. д.).
Реакционное механическое легирование может быть, в принципе, реализовано в аппаратах со средней и высокой скоростью нагружения: аттриторах, вибрационных, центробежно-планетарных, ударноотражательных, роторно-центробежных и др. Однако высокопроизводительные, надежные, долговечные и экономичные промышленные механореакторы для металлических композиций до настоящего времени отсутствуют, что является основным препятствием применения технологии, основанной на реакционном механическом легировании, для получения высокостойких конструкционных материалов различного функционального назначения, включая дисперсно-упрочненные.
К недостаткам центробежно-планетарных, ударно-отражательных, роторноцентробежных мельниц относят небольшую емкость помольных камер, высокую интенсивность износа мелющих тел и сте-
нок барабанов, значительный намол железа в обрабатываемой композиции, что не позволяет использовать их для механического легирования в качестве промышленного оборудования. Из вышеприведенного ряда аппаратов для диспергирования, в наибольшей мере отвечающим перечисленным требованиям, в качестве механореакторов промышленного типа представляют интерес аттри-торы и вибрационные мельницы.
Основным аппаратом для механического легирования до настоящего времени является аттритор [2], недостатками которого являются [1]:
1) относительно низкая энергонапряженность, не обеспечивающая необходимую скорость протекания механо-химических превращений, что исключает возможность его применения для реакционного механического легирования разбавленных систем на основе металлов (медь, железо, никель, титан);
2) недостаточная надежность и долговечность;
3) интенсивный износ лопастей-импеллеров и рабочих тел, приводящий к намолу железа;
4) низкая производительность и высокая энергоемкость.
Этих недостатков, за исключением первого, лишен механореактор вибрационного типа [1].
В связи с этим, целью данной работы является разработка конструкции надежного и долговечного высокоэнергетического промышленного механореактора вибрационного типа для осуществления реакционного механического легирования.
Вибрационные мельницы по принципу возбуждения колебаний делятся на инерционные (рис. 1, а) и гирационные (рис. 1, б). Инерционные мельницы приводятся в движение центробежными вибровозбудителями, а гирационные -эксцентриковым вибровозбудителем. Гирационные мельницы обладают той же эффективностью измельчения, что и инерционные, но в связи со сложностя-
ми, возникающими при их уравновешивании, не получили широкого распространения в промышленности.
Основным достоинством инерци-
онных мельниц является относительная простота конструкции в сочетании с достаточно высокими рабочими параметрами.
а)
8
Рис. 1. Схема вибрационных мельниц с внутренним вибратором: а - инерционная; б - гирационная; 1 - корпус; 2 - вибратор; 3 - опоры; 4 - рама; 5 - электродвигатель; 6 - муфта; 7 - мелющие тела (шары); 8 - люк
В промышленности нашли применение вибромельницы с рабочим объемом помольной камеры, равным 1-2000 дм , круговой частотой колебаний помольной камеры 16-50 с-1 и радиусом круговых колебаний 1-6 мм [3]. Вместе с тем, у серийно выпускаемых промышленных мельниц круговая частота колебаний, как правило, не превышает 30 с-1, и амплитуда - не более 3 мм. При этом максималь-
ное ускорение размалывающих тел дос-2
тигает 100 м-с" . Энергонапряженность этих вибромельниц, как и серийно выпускаемых аттриторов, в большинстве случаев является недостаточной для осуществления механохимического синтеза в металлических системах [3].
Так, реакционное механическое легирование алюминиевых композиций с приемлемой для практики скоростью
может осуществляться в механореакторе, обеспечивающем нормальное ускорение размалывающих тел более 100 м-с- , медных - более 120 м-с-2, железных и никелевых - более 140 м-с-2 [1]. Накопленный авторами большой объем экспериментальных данных позволяет сделать однозначный вывод, что универсальным является механореактор-вибромельница с центральным вибратором, обеспечивающий ускорение рабочих тел 150 м-с-2, являющийся предметом данной разработки.
Исходными данными для проектирования являлись:
нормальное ускорение
корпуса и рабочих тел, м-с-2.. 150
объем помольной камеры, м3........................ 0,03;
степень заполнения помольной камеры рабочими телами (шарами), %.............. 75;
материал рабочих тел..... сталь
ШХ15СГ; диаметр рабочих тел, мм... 11,15;
отношение объема рабочих тел к объему шихты........ 8;
электродвигатель......... асин-
хронный; частота вращения, мин-1.... 1450
Основными расчетными параметрами механореактора являются: амплитуда колебаний; масса дебаланса; возмущающая сила дебаланса.
Определение амплитуды круговых колебаний
Амплитуду круговых колебаний находим по формуле
а = а2 А, (1)
где а - нормальное ускорение корпуса, м-с-2; а - круговая частота колебаний корпуса, с-1;
А - амплитуда круговых колебаний корпуса, м.
Круговая частота колебаний корпуса определяется по формуле
п - п 3,14-1450 - (2)
ш =-----=----------= 152 с ; (2)
30 30
А =
а
Л
150
1522
= 0,0065 м,
(3)
где о - круговая частота колебаний корпуса, с-1.
Определение массы дебаланса Масса дебаланса находится из ус-
ловия равновесия:
Мд ■ Яд = М ■ А,
(4),
где Мд - масса дебаланса, кг; Яд - расстояние до центра масс дебаланса, м (Яд = 0,0316 - для дебаланса полукруглой формы с наружным радиусом 0,1 м); М - расчетная масса помольной камеры с загрузкой, кг.
Расчетная масса помольной камеры определяется по формуле
М = тк + к(тш + т3)
(5)
где тк - масса корпуса мельницы, кг (тк = 173 кг из конструктивных расчетов); к - коэффициент присоединения масс (к = 0,2...0,3, принимаем к = 0,3); тш - масса рабочих тел (шаров), кг (принимаем из расчета 3 кг шаров на 1 дм3 объема помольной камеры, тш= 3 • 30 = = 90 кг); тз - масса загрузки, кг (принимаем из расчета 0,4 кг на 1 дм3 объема помольной камеры, тз = 0,4 • 30 = 12 кг).
М = 173 + 0,3(90 + 12) = 203,6 кг, тогда масса дебаланса равна:
М - А 203,6 - 0,0065 00
МЛ =-------=----- -- -----= 41,88 кг.
д г 0,0316
Д ’
Расчет возмущающей силы дебаланса
Возмущающая сила определяется по формуле
Е = ад тд,
(6),
где ад - ускорение центра масс дебалан-
са, м-с"2.
ад= о2- гд = 1522 • 0,0136 = 730 м с-2;
^ = 730 • 41,88 = 30 572 Н.
Результаты расчета основных параметров механореактора являются исходны-
ми данными для инженерных расчетов и проектировочных работ.
Принципиальная схема разработанного аппарата с инерционным приводом представлена на рис. 2 .
Рис. 2. Инерционная мельница с центральным вибратором: 1 - опорная рама; 2 - пружины; 3 - корпус мельницы; 4 - внутренняя труба (кожух); 5 - штуцер для охлаждающей воды; 6 - дополнительный дебаланс; 7 - подшипник; 8 - разрезные крепежные кольца; 9 - гильза вибратора; 10 - загрузочно-разгрузочный люк; 11 - вал с дебалансом; 12 - штуцер для охлаждающей воды; 13 - эластичная муфта; 14 - электродвигатель
Электродвигатель 14 через муфту 13 приводит во вращение дебалансный вал 11 вибратора, установленного на подшипниках 7. При вращении деба-лансного вала возникают круговые вынужденные колебания корпуса 3 мельницы, установленного на пружинах сжатия 2. Колебания корпуса передаются загруженным в него шаровым мелющим телам и шихте, совершающим сложное циркуляционное движение. Мелющие тела с ускорением перемещаются и соударяются друг с другом, корпусом рабочей камеры, кожухом вибратора и шихтой, что приводит к механическому легированию. Основное количество механической
энергии превращается в тепловую. Для предотвращения разогрева рабочих тел и шихты, а также тяжелонагруженных подшипников разработана система водяного охлаждения корпуса механореактора, кожуха вибратора и опор подшипников.
Проведенные исследования показали, что размещение вибратора внутри рабочей камеры приводит к увеличению энергонапряженности механореактора в 1,35-1,40 раз, что существенно интенсифицирует механохимические превращения. Энергонапряженность - потребляемая мощность на 1 дм3 рабочего объема помольной камеры - достигает 0,36 кВт.
Повышение ее обусловлено тем, что кожух вибратора, расположенный в центре помольной камеры, сообщает загрузке дополнительную кинетическую энергию, восстанавливая амплитуду гаснущих вынужденных колебаний, и тем самым устраняет «застойную» зону.
Теоретические расчеты и экспериментальная проверка их показали [4-6], что разработанный высоконапряженный механореактор на основе вибромельницы инерционного типа обеспечивает реализацию реакционного механического легирования за счет оптимального сочетания воздействий лобового и скользящего ударов. Лобовые удары обеспечивают максимальную деформацию и большую скорость генерации неравновесных точечных дефектов, что содействует ускорению диффузии при механическом легировании в металлических системах. А скользящие
удары вызывают нагрев, являющийся достаточным для инициирования меха-нохимических превращений по тепловому механизму.
Высокая эффективность спроектированного и изготовленного промышленного механореактора на основе шаровой мельницы инерционного типа подтверждается многочисленными результатами экспериментальных исследований [1]. С использованием данного механореактора получены нанокри-сталлические дисперсно-упрочненные механически легированные материалы на основе меди, алюминия, железа и никеля различного функционального назначения, обладающие повышенным комплексом физико-механических
свойств по сравнению с традиционными (табл. 1).
Табл. 1. Физико-механические свойства созданных с применением промышленного механореактора инерционного типа наноструктурных композиционных жаропрочных материалов
Группа материалов Система материалов Физико-механические свойства
1 2 3
Железные
Конструкционные стали общего назначения 15Х2Н4 23 ИЯС, стВ = 754 МПа, 5 = 16 %
Жаропрочные стали общего назначения 15МЮ 35 ИЯС, стВ = 990 МПа, 5 = 11 %
Жаропрочные стали специального назначения 15Х1МФ 24 ИЯС, стВ = 740 МПа, 5 = 14 %
15Х11МФ 49 ИЯС, стВ = 1337 МПа, 5 = 7 %
15Х18Н10Т 42 ИЯС, стВ = 1150 МПа, 5 = 12 %
Никелевые
Композиционные МЭ-никель 32 ИЯС, стВ = 850 МПа, 5 = 6 %
Нимоники Сг-№-Ті-А1 40 ИЯС, стВ = 1080 МПа, 5 = 3 %
Сг-№-Ті-Л1-Мо^ 60 ИЯС, стВ = 1740 МПа, 5 = 1 %
Алюминиевые
Высокопрочные ЛЫ^-МТ-ОС стВ = 680-770 МПа, ст В00 = 100-170 МПа
A1-Mg-Mo-O-C стВ = 680 МПа, ст В00 = 120 МПа
A1-Mg-Zr-O-C стВ = 660 МПа, ст В00 = 110 МПа
А1-Мо-О-С стВ = 560 МПа, ст В50 = 170 МПа, ст 500 = 120 МПа
Окончание табл. 1
1 2 3
Л1^г-О-С стВ = 500 МПа, ст В50 = 135 МПа, ст 500 = 85 МПа
Низкой плотности A1-Mg-Li-O-C стВ = 550-600 МПа, ст В00 = 100-110 МПа, d = 2,5-2,6 г-см-3
С низким коэффициентом линейного расширения Л1-8і-№-О-С стВ = 440-460 МПа, ст В00 = 110-120 МПа, ст 500 = 70-75 МПа, а = (17,5-18,0)-10-6 К-1
С большим значением эффективного сечения захвата тепловых нейтронов А1-В-О-С стВ = 480-520 МПа, ст В00 = 130-150 МПа, ст5°0 = 80-100 МПа, эффективное сечение захвата тепловых нейтронов 300-400 барн
С высоким значением электропроводности Л1^-О-С 350 стВ = 210-350 МПа, ст В50 = 90-120 МПа, ст В00 = 54-80 МПа, ст 500 = 40-70 МПа, 5 = 11 %, р = (0,50-0,53)рСи
Медные
Высокопрочные Си-А1 ИВ 250, стВ = 1100 МПа, 5 = 2-3 %
Высокопрочные с низким значением электрического сопротивления Си-Л^О-О ИВ 170-240, стВ = 850-950 МПа, ст В00 = 300-350, ст 500 = 200-230 МПа, р = (2,3-2,4)-10-8 Ом-м
Примечание. Температура рекристаллизации всех материалов - выше 0,75Тпл основы.
Применение разработанного механореактора позволяет получать механически легированные материалы на основе металлов, имеющие микрокристаллический тип структуры основы, характеризующейся высокоразвитой поверхностью раздела границ зерен и субзерен, стабилизированной наноразмерными, возникающими в результате твердофазного синтеза, термодинамически стабильными частицами упрочняющих фаз, что обеспечивает высокий уровень физикомеханических свойств, и, прежде всего, жаропрочности, чего нельзя добиться традиционными металлургическими методами. Сопоставление физико-механических свойств, включающих характеристики прочности и жаропрочности, раз-
работанных материалов и сплавов, получаемых по традиционной технологии, однозначно указывает на превосходство первых.
По сравнению с традиционно применяемыми аттриторами разработанный аппарат (инерционная мельница с центральным вибратором) наряду с функциональными преимуществами имеет ряд экономических. Результаты сравнительных экспериментальных исследований показали, что производительность вибромельниц в 1,3—1,6 раза выше, а затраты энергии на единицу продукции в 1,4-1,7 раза ниже, чем у аттриторов. Кроме этого, при одной и той же энергонапряженности вибромельницы по надежности и долговеч-
ности в 3-5 раз превосходят аттриторы.
Заключение
Анализ существующих механореакторов различного типа показал, что с учетом таких факторов, как энергонапряженность, надежность, производительность и долговечность наиболее перспективными для промышленного изготовления дисперсно-упрочненных жаропрочных материалов на основе алюминия, меди, железа и никеля являются вибрационные мельницы инерционного типа.
Серийно выпускаемые вибрационные аппараты имеют относительно низкую энергонапряженность и являются малоэффективными для осуществления реакционного механического легирования. Этот процесс в алюминиевых композициях с приемлемой для практики скоростью может осуществляться в механореакторе, обеспечивающем нормальное ускорение размалывающих тел более 100 м-с-2, медных - более 120 м-с-2, железных и никелевых - более 140 м-с-2. Для осуществления реакционного механического легирования универсальным является механореактор,
обеспечивающий нормальное ускорение
-2
размалывающих тел 150 м-с" . Это достигается при круговой частоте колебаний корпуса 152 с-1 и амплитуде колебаний 6,5 мм.
Размещение вибратора внутри рабочей камеры приводит к увеличению энергонапряженности в 1,35-1,40 раза.
Разработанный высоконапряженный механореактор на основе вибромельницы инерционного типа обеспечивает реализацию реакционного механического легирования за счет оптимального сочетания воздействий лобового и скользящего ударов. Лобовые удары обеспечивают максимальную деформацию и большую скорость генерации неравновесных точечных дефектов, что содействует ускорению диффузии при механическом легировании в металлических системах. Скользящие удары вызывают нагрев, являющийся достаточным для инициирова-
ния механохимических превращений по тепловому механизму.
Применение разработанного механореактора позволяет получать механически легированные материалы на основе металлов, имеющие микрокристаллический тип структуры основы, характеризующейся высокоразвитой поверхностью раздела границ зерен и субзерен, стабилизированной нано-размерными, возникающими в результате твердофазного синтеза, термодинамически стабильными частицами упрочняющих фаз, что обеспечивает высокий уровень физико-механи-
ческих свойств, и, прежде всего, жаропрочности, чего нельзя добиться традиционными металлургическими методами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ловшенко, Г. Ф. Теоретические и технологические аспекты создания наноструктурных механически легированных материалов на основе металлов / Г. Ф. Ловшенко, Ф. Г. Ловшенко. - Могилев : Белорус.-Рос. ун-т, 2005. - 276 с.
2. Кипарисов, С. С. Оборудование предприятий порошковой металлургии / С. С. Кипарисов, О. В. Падалко. - М. : Металлургия, 1988. -44 с.
3. Бурков, С. Н. Расчет вибромашин и вибровозбудителей / С. Н. Бурков. - М. : Машиностроение, 1978. - 384 с.
4. Ловшенко, Г. Ф. Оценка факторов, активирующих механохимические превращения при механическом легировании в вибромельнице / Г. Ф. Ловшенко, Б. Б. Хина // Трение и износ, 2005. - Т. 26, № 4. - С. 434-445.
5. Ловшенко, Ф. Г. Локальный разогрев и пластическая деформация порошковой композиции упругим лобовым ударом при механическом легировании в вибромельнице / Ф. Г. Ловшенко, Г. Ф. Ловшенко // Перспективные технологии, материалы и системы : сб. науч. тр. - Могилев : Белорус.-Рос. ун-т, 2005. -С. 184-192.
6. Ловшенко, Ф. Г. Локальный разогрев и пластическая деформация порошковой композиции скользящим ударом при механическом легировании в вибромельнице / Ф. Г. Ловшенко, Г. Ф. Ловшенко // Перспективные технологии, материалы и системы : сб. науч. тр. - Могилев : Белорус.-Рос. ун-т, 2005. - С. 193-200.
Белорусско-Российский университет Материал поступил 05.10.2007
G. F. Lovshenko, Z. M. Lovshenko, A. I. Habibullin Highly effective machine for reactionary mechanical alloyment of metal systems
Belarusian-Russian University
The analysis of machines of different constructions applied for solids disperging which differ from each other by the kind of mechanical force on the substance. The equipment providing with realization of reactionary mechanical alloyment for receiving nanostructural highly stable composition materials based on metals has been theoretically substantiated and experimentally proved. Calculations proving the construction's operability and its technical characteristic have been given.
