Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Возможность использования импульсного электрического тока большой плотности в качестве технологического инструмента для решения проблемы брикетирования металлической стружки 13
1.1. Электрический ток большой плотности как технологический инструмент 13
1.2. Проблема утилизации металлической стружки и других подобных материалов 28
1.3. Существующие методы брикетирования металлической стружки, их возможности и недостатки 31
Выводы 43
Глава 2. Электрофизический метод брикетирования металлической стружки. Расчётная модель 44
2.1. Схема процесса брикетирования 44
2.2. Качественная расчётная модель процесса брикетирования металлической стружки 46
2.3. Оценка параметров эксперимента и экспериментальной установки 52
2.4. Сравнительная оценка энергозатрат, необходимых для брикетирования стружки различными способами и на утилизацию стружки в целом 61
Глава 3. Экспериментальная установка и методика экспериментальных работ 63
3.1. Экспериментальная установка 63
3.2. Порядок подготовки исходного материала и изготовления брикетов 67
3.3. Методика регистрации и обработки осциллограмм электрического тока протекающего через образец, и напряжения на образце 69
3.4. Методика измерения электрического сопротивления образцов и их температуры, оценки давления прессования и плотности спрессованной стружки и брикетов, исследования прочности брикетов 72
3.5. Методика исследования качества металла 77
Глава 4. Экспериментальное исследование процесса брикетирования 83
4.1. Экспериментальная проверка возможности получения прочных образцов (брикетов) из смеси металлических частиц, пространство между которыми заполнено воздухом, при пропускании импульсного электрического тока большой плотности 83
4.2. Исследование возможности получения брикетов из стружки и других отходов различных металлов и сплавов 84
4.3. Исследование качества металла выплавляемого из брикетов изготовленных из стружки титановых сплавов 92
Глава 5. Исследование процесса формирования брикетов из отдельных металлических частиц, под воздействием коротких импульсов электрического тока большой плотности 99
5.1. Выбор и подготовка исходного материала, изготовление образцов 99
5.2. Исследование прочности образцов 100
5.3. Измерение электрического сопротивления и температуры образцов 105
5.4. Осциллограммы тока и напряжения 110
Глава 6. Разработка Опытно-промышленной установки для брикетирования металлической стружки БТ-80 и промышленной технологии бриктирования 125
6.1. Разработка установки БТ-80 125
6.2. Разработка промышленной технологии брикетирования металлической (титановой) стружки для этапа опытного производства 134
6.3. Испытания Опытно-промышленной установки БТ-80 135
Заключение 138
Список литературы 139
Приложения 151
- Электрический ток большой плотности как технологический инструмент
- Методика измерения электрического сопротивления образцов и их температуры, оценки давления прессования и плотности спрессованной стружки и брикетов, исследования прочности брикетов
- Исследование прочности образцов
- Разработка установки БТ-80
Электрический ток большой плотности как технологический инструмент
Явления, связанные с протеканием электрического тока большой плотности в различных средах и через границу их раздела исследуются давно и активно [1 - 7, 23 - 25, 39 - 43]. Электрический ток большой плотности широко используется в науке, технике и технологии [1, 3 - 5, 7, 23 - 25, 41 - 46], а для некоторых отраслей промышленности, в частности для металлургии лёгких сплавов, он является основным технологическим инструментом [17 - 19, 47 - 49].
При протекании электрического тока большой плотности джоулев нагрев и магнитное давление оказываются настолько интенсивными, что вызывают разрушение монолитного образца или наоборот ведут к интеграции отдельных фрагментов; изменяют структуру или микроструктуру материала образца. Наложение внешнего магнитного поля, сравнимого по величине с собственным магнитным полем тока значительно расширяет возможности воздействия [7, 23 - 25, 39 - 41, 50]. Эффекты, являющиеся результатом действия электрического тока или тока и дополнительного магнитного поля на материал могут быть использованы значительно шире, чем в настоящее время. В каждом конкретном случае такое использование имеет свои достоинства и преимущества по сравнению с традиционными методами. Кроме того, вряд ли вызовет сомнение то, что одно лишь прямое использование электрического тока без дополнительного преобразования должно быть экономически выгодно.
Для того чтобы пользоваться током как инструментом нужно, прежде всего, определить величину плотности тока, которая позволяет возбуждать интересующие нас явления. На рис. 1.1. содержится такая информация для режимов разрушения медных цилиндрических проводников[40].
В условиях соответствующих центральной части рисунка разрушение определяется развитием нулевой моды магнитогидродинамической неустойчивости, которая развивается в жидком проводнике и превращает его в набор мелких капель (рис. 1.2.а.)[39]. (Изначально твердый проводник плавится при протекании по нему тока большой плотности в течение малого времени, за которое его форма не изменяется). Поведение проводника с током описывается системой МГД уравнений. Из анализа устойчивости и как видно из рисунка 1.1. для этого режима - jmin 5104 А см2. В этом случае силы магнитного давления превышают силы поверхностного натяжения. При меньших токах магнитные силы сравнимы или меньше сил поверхностного натяжения жидкого металла. МГД неустойчивости не могут развиваться, но возникает капиллярная неустойчивость. Нижняя часть рисунка 1.1. соответствует этому режиму. Если плотность тока в проводнике превышает 3 107 А/см2, левая часть рисунка 1.1., определяющую роль в процессе разрушения проводника играет перегрев и взрывное испарение металла.
При протекании тока большой плотности по проводникам большего диаметра, правый верхний угол рисунка 1.1., определяющую роль в процессе разрушения играют неустойчивости развивающиеся в поверхностном слое проводника [51, 52]. При включении напряжения ток сначала начинает течь по поверхности проводника (в соответствии со скин-эффектом) и затем проникает внутрь, причем, чем больше радиус проводника и его проводимость, тем больше время заполнения его током. При условии/ 107 А/см2, время распространения тепла внутрь проводника сильно запаздывает по отношению к процессам на поверхности и оказывается возможным интенсивный нагрев, плавление и разрушение или испарение поверхности твердого холодного в середине проводника (рис. 1.2.б. [23, 40]).
Знание процессов, происходящих в проводнике при протекании по нему тока большой плотности, позволило предложить принципиально новый подход к ряду технологических процессов. Электрический ток большой плотности можно рассматривать как новый технологический инструмент, обладающий большими возможностями.
Представляется естественным использовать возбуждение в проводниках МГД неустойчивостей для получения металлических гранул [23]. Электропроводящие материалы, в частности металлы и сплавы, можно диспергировать электрическим током, и получить гранулы этих материалов, как из струи расплава [53, 54], так и непосредственно из твердой заготовки путем ее послойного плавления и диспергирования [55 - 58]. Отличие подобных методов от традиционных способов гранулирования, с точки зрения технологии, заключается в том, что для диспергирования металла используется чистый энергоноситель - электрический ток и магнитное поле. Это позволяет получать гранулированный материал высокой чистоты, так как исключается его загрязнение в процессе диспергирования, упростить технологию, экономить энергию и материалы, так как нет необходимости преобразования энергии. На основе рассматриваемого способа гранулирования предложен метод интенсификации процесса электрофлюсового рафинирования металлов [59].
Таким образом, явления и процессы, возникающие в сплошных проводниках при протекании по ним импульсного электрического тока большой плотности, исследованы достаточно подробно [5, 7 39 -41] и широко используются в промышленности. Более общий случай, когда ток большой плотности течет в среде, представляющей собой смесь проводника и диэлектрика только начинает изучаться [60 - 63]. В то же время в технике всё шире используются композитные материалы, в том числе такие, которые состоят из металла и диэлектрика. Предложен целый ряд технологических процессов, в которых для достижения требуемого эффекта на смесь металлических частиц и диэлектрика воздействуют электрическим током большой плотности (электроимпульсное упрочнение прессованных расходуемых электродов, получение пористых изделий из гранул и порошков, начальная стадия электродуговой плавки коксо-рудной смеси [42, 45, 50, 60, 61]).
Композитные металл-диэлектрические среды с точки зрения их проводимости можно разделить на 3 вида: диэлектрические среды, в которых электропроводность по всему проводнику на постоянном токе отсутствует, но имеются проводящие кластеры; среды, проводимость которых лежит вблизи зоны перехода металл -диэлектрик; и материалы с металлической проводимостью, свойства которых однако существенно отличаются от свойств сплошного металла. К последнему виду относится весьма широкий спектр материалов от известных и широко распространённых, таких как железобетон, металлокерамика, и до современных, таких как пеносталь и пеноаллюминий. Сюда же следует отнести различные смеси и в том числе смеси в которых в качестве диэлектрика выступает воздух: металлические порошки, гранулы, чешуйки, каменный уголь и кокс, металлургическая шихта, металлолом и в частности металлическая стружка. Сюда следует отнести, по-видимому, и некоторые высокотемпературные сверхпроводящие материалы (ВТСП), которые представляют собой смесь сверхпроводящих и металлических или диэлектрических фрагментов, и проводят электрический ток [64].
Диэлектрические среды и область перехода металл-диэлектрик изучаются достаточно интенсивно. В частности изучается прыжковая проводимость как полупроводников, так и смесей мелкодисперсных гранул с диэлектриком (например [65, 66]). С нашей точки зрения наиболее интересен цикл работ, в которых исходно электропроводящий метал-диэлектрический композит под воздействием импульсного электрического тока большой плотности, за счет разрушения части контактов между металлическими гранулами и размыкания всех сквозных каналов протекания превращался в диэлектрический материал с аномальными свойствами. Показано, что после обработки током образец превращается в набор проводящих кластеров разделяемых относительно тонкими непроводящими «трещинами» [67 - 69].
Методика измерения электрического сопротивления образцов и их температуры, оценки давления прессования и плотности спрессованной стружки и брикетов, исследования прочности брикетов
Электрическое сопротивление спрессованной стружки до и после её обработки электрическим током измерялось двух контактным методом. Для измерения использовалась простая схема (19) (рис.3.1.) состоящая из источника тока, регулировочного сопротивления, амперметра и миливольтметра. Для контроля электрическое сопротивление полученных брикетов измерялось в лаборатории четырёх контактным методом [94], при котором через два контакта к образцу подводится электрический ток, а другие два контакта используются для измерения падения напряжения на образце. В нескольких опытах сопротивление спрессованной стружки также было измерено четырёх контактным методом. Использование двух контактного метода измерения сопротивления связано с тем, что с одной стороны весьма затруднительно вводить контакты внутрь прессформы, а с другой стороны, в нашем случае контактные поверхности имеют большую площадь и хорошо прижаты, что позволяет пренебречь сопротивлением контактов между спрессованной стружкой и электродами. Контрольные опыты позволили подтвердить это предположение. Измерение сопротивления проводилось при использовании электрического тока довольно большой величины ( 2А\ что обеспечивало достаточную точность измерений. При измерении сошютивления образца после пропускания импульса тока фиксировался также момент времени измерения что позволило внести поправку на температуру. Полученные данные использованы при проектировании экспериментальной ( 2.4. рис. 2.5.), а в последующем и опытно-промышленной установки БТ-80.
Измерялась усреднённая температура образцов после пропускания по ним импульса электрического тока. Её измеряли с помощью термопары хромель-алюмель и милливольтметра [95]. Показания милливольтметра с помощью калибровочной таблицы переводились в градусы [89]. Температуру начинали измерять примерно через две минуты после пропускания тока и измеряли с интервалом в одну минуту в течение 5-6 минут. Фиксировалось значение температуры и момент времени её измерения. Типичные результаты измерений для образцов разной плотности, для разной величины пропускаемого через образец электрического тока (напряжения батареи) и соответственно для разной температуры образца после пропускания тока приведены на рисунке 3.5. Из графиков видно, что экспериментальные точки хорошо лежаться на логарифмическую кривую остывания. Это позволяет определить усреднённую температуру образца непосредственно после пропускания электрического тока путем экстраполяции, используя формулу: logT0 = At + logTt. где Т0 - температура образца после пропускания тока. А коэффициент пропорциональности, Tt - температура образца в момент времени t.
Для оценки давления прессования необходимого для сжатия стружки до заданной плотности были выполнены специальные опыты. Была изготовлена стальная толстостенная прессформа с площадью отверстия 30 см2 (внутренний диаметр 61,5 мм, внешний диаметр 89,5 мм, высота 170 мм) и соответствующий пуансон, на боковую поверхность которого через 1 см были нанесены риски. Прессформа установлена на лабораторный гидравлический пресс с максимальным усилием 400 кН и в неё засыпана партия стружки высокопрочного титанового сплава ВТ-20. Произведено прессование стружки, затем давление снято, пуансон извлечён и досыпана дополнительная партия стружки (всего стружки 200 г). Затем произведено прессование и снята зависимость давления прессования от высоты сжатого образца по которой вычислена зависимость плотности сжатого образца. Измерения проводились до давления 100 МПа, при этом достигнута плотность сжатого образца 2,68 г/см3. Полученные данные использованы при проектировании экспериментальной (. 2.4. рис. 2.4.), а в последующем и опытно-промышленной установки БТ-80.
На экспериментальной установке измерение давления прессования не было предусмотрено. Поэтому, чтобы более точно оценить это давление были выполнены аналогичные опыты для стружки сплава ЗМ используемой в этой серии опытов. Использовалась прессформа с размерами идентичными тем, которые имела фарфоровая прессформа, которая использовалась при получении образцов на экспериментальной установке; винтовой пресс УММ-5. Измерение давления осуществлялось динамометром ДС-1, который может измерять усилие до 10 кН. В ряде опытов повторяемость результатов хорошая, что даёт основания использовать их для оценки давления прессования при получении образцов.
Заданная плотность спрессованной стружки достигалась приготовлением навески стружки заданной массы т (170, 200 и 250 г) и прессованием её до заданного размера по высоте, который определялся по меткам, нанесённым на боковую поверхность пуансона-эдектрода. Плотность полученных брикетов вычислялась исходя из их размеров и массы по формуле: ус = т/Ж.
Разброс размеров брикетов по высоте составлял ± 5 мм, при высоте брикета 100- 140 мм, это обеспечивает достаточно высокую точность задания плотности образцов.
Прочность образцов измерялась путем испытания их на разрыв при одноосевом статическом нагружении на разрывной машине РД-05. Скорость нагружения 5 мм в минуту. Были изготовлены хомуты, которые позволили не сминать брикеты при их установке в захваты машины. Такие захваты позволили разрушать образцы усилием до 500 кН, более прочные образцы из захватов выскальзывали. Разрушение происходило не в зоне захватов, хотя концентраторы не использовались.
Исследование прочности образцов
Исследование прочности образцов осуществлялось согласно методике 3.4. при их испытании на разрыв при одноосевом статическом нагружении на разрывной машине. Фотография одного из образцов, а также фотография излома образца после его испытания на разрыв приведены на рис 5.1. Результаты опытов сведены в Таблицу 5.1. Для каждой партии в первой графе таблицы приведены расчетные значения нагрузки при разрыве. Расчет проводился согласно разработанной оценочной модели 2.3., по формулам 5-8. В следующих графах приведены: нагрузка при разрыве образцов на разрывной машине и предел прочности.
Из таблицы видно, что процесс формирования механической прочности образцов импульсным электрическим током носит пороговый характер. При малом зарядном напряжении батареи (и соответственно при малом токе) формирования брикетов не происходит, при большем напряжении образуются брикеты с малой прочностью, при дальнейшем увеличении напряжения, прочность брикетов резко возрастает и затем в широком диапазоне изменения величины пропускаемого тока растет медленно. Затем должно наблюдаться падение и потеря прочности за счёт разрушения контактов в результате плавления металла и развития неустойчивости. Это падение, согласно расчетам, должно происходить при токах (напряжениях батареи) больших, чем те которые использовались в эксперименте, в опытах оно также не зарегистрировано; исключение представляет «точка» "12" - 4000 В, в которой расчет указывает на значительное падение прочности (фактически до нуля), а на опыте получен брикет разрушенный на два куска.
Результаты прочностных испытаний образцов показывают, что обработка импульсным электрическим током позволяет получать прочные образцы разной плотности. Расчет правильно отражает начало процесса формирования механической прочности образцов, однако расчётная величина прочности завышена. На наш взгляд это связано с тем, что в расчетной модели суммируется прочность всех сварочных точек в слое по сечению образца и предполагается что все слои обладают такой прочностью. Реально сварочные точки распределены по сечению образца неравномерно и соответственно нагружаются неравномерно. Разные слои образца также имеют не одинаковую прочность, а поскольку разрыв происходит в самом слабом сечении образца, следует ожидать, что наблюдаемая величина прочности будет ниже расчётной. Детальный учёт этих факторов затруднителен т. к. нет данных о реальном распределении сварочных точек в каждом слое. С ростом плотности композитной смеси энергия необходимая для получения прочных образцов возрастает.
Разработка установки БТ-80
Проектирование, изготовление и испытания Установки осуществлялись в соответствии с Техническим заданием разработанным ФТИ при участии автора настоящей диссертации. В Техническом задании определены основные узлы как механической, так и электрической части Установки, принцип их работы, требования к конструкции и основные технические параметры.
Проектирование и изготовление Механизма прессования осуществлялось ЦКБМ. Проектирование Генератора импульсного тока (ГИТ) осуществлялось «Тяжпромэлектропроект», а его изготовление НИИЭФА.
В ходе этой работы, при участии автора диссертации, осуществлялся авторский надзор за проектированием и изготовлением установки, экспериментальная проверка новых технических решений закладываемых в проект установки, проектирование основных узлов, выбор и испытание материалов, испытание и приёмка изготовленного оборудования.
При проектировании Установки предложена горизонтальная схема процесса брикетирования (Рис. 6.2.).
Установка имеет две загрузочных (Рис. 6.2. 1 и 2) и две прессовальных камеры (3, 4), которые расположены в горизонтальной плоскости. Стружка подаётся (направление подачи стружки - 5) из бункера сверху, под действием силы тяжести, попеременно в левую (1) и правую (2) дозаторные камеры. Затем с помощью плунжера (6) перемещается (ход плунжера - 7) в горизонтальном, продольном, направлении, поступает соответственно в правую (4), (левую 3) электроизолированную прессовальную камеру, где сжимается до заданного размера брикета, который имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Электрический ток пропускается перпендикулярно направлению прессования, вдоль длинной стороны брикета (направление пропускания тока - 9 (8)), между специальными электродами (11, (10)). Готовый брикет выталкивается после открывания затвора в торце установки, при дальнейшем движении плунжера в прежнем направлении (на рис. 6.2. изображён брикет изготовленный в левой прессовальной камере (12), который находится на приёмном столе). При обратном ходе плунжера аналогичным образом работает вторая прессовальная камера.
Такая схема процесса позволяет сделать электроды неподвижными, жёстко закрепив их на торцах прессовальной камеры и, тем самым, открывает возможность создания удобного в эксплуатации малоиндуктивного токоподвода. Кроме того, такая схема по сравнению с исходной, позволяет уменьшить ход поршня пресса и одновременно увеличить электрическое сопротивление образца за счёт увеличения его длины (для более рационального использования энергии батареи). Это связано с тем, что ток пропускается вдоль длинной стороны брикета, а прессование осуществляется в другом направлении вдоль более короткой его стороны.
Однако для реализации такой схемы процесса необходимо проверить, возможно ли осуществить процесс брикетирования при пропускании электрического тока перпендикулярно направлению прессования.
В ходе экспериментальных работ проведены испытания варианта процесса брикетирования - при пропускании электрического тока перпендикулярно направлению прессования ( 4.1.), подтверждена возможность получения брикетов при пропускании электрического тока перпендикулярно направлению прессования. Установлено что этот процесс осуществляется в том же диапазоне параметров что и процесс проводимый по первоначальной схеме: при пропускании электрического тока в направлении совпадающем с направлением прессования.
Выбор параметров ГИТ Опытной установки БТ-80 осуществлялся аналогично тому, как это было сделано для экспериментальной установки. При расчёте и проектировании установки следовало учесть возможность возникновения дополнительной внутренней индуктивности образца ( 5.4.). Рост индуктивности может приводить к увеличению амплитуды обратной полуволны напряжения, и снижению коэффициента затухания разрядного контура, что отрицательно сказывается на ресурсе конденсаторов и коммутирующих элементов. Для исключения этого эффекта при проектировании установки следовало минимизировать индуктивность разрядного контура, а его активное сопротивление задавать таким образом чтобы оно было существенно меньше расчётного активного сопротивления брикета, но при коротком замыкании обеспечивало достаточное затухание разрядного контура. В конструкции ГИТ были предусмотрены малоиндуктивные предохранители, которые позволили увеличить активное сопротивление контура и осуществляли непосредственную защиту аппаратуры от перегрузки по току.
Автором диссертации предложено конструктивное решение малоиндуктивного токоподвода, которое позволяет вводить импульсный ток большой величины внутрь прочной стальной камеры и подвести его к нагрузке (сжатой стружке). Конструкция позволяет исключить индуцированные импульсные электрические токи на корпусе установки, которые могут быть опасны для другого оборудования и для персонала, и минимизировать индуктивность токоподвода. Индуктивность минимизируется за счёт максимального сближения прямого и обратного токопровода.
Прямой токопровод состоит из шины прямоз гольного сечения и образца также прямоугольно сечения, но с существенно большей толщиной; обратный токопровод состоит из шины прямоугольного сечения. Индуктивность участка состоящего из прямой и обратной шин рассчиталась по формуле [91]
Индуктивность токоподвода вместе с образцом по нашей оценке составляет 130 нГи. В ходе испытаний установки ( 6.3) установлено, что длительность импульса тока соответствует предварительным расчетам и, тем самым, подтверждено, что токоподвод обладает индуктивностью близкой к расчётной.
Другая важная проблема, которая решалась в ходе конструирования и изготовления Опытно-промышленной установки -выбор материала для изготовления электроизолированных прессформ. В ходе экспериментальных работ был исследован ряд таких материалов ( 3.1). Наиболее подходящим материалом оказался фарфор. Однако для изготовления Опытно-промышленной установки требовался материал с большей прочностью при работе на изгиб, кроме того, изготовление фарфоровых плит, при обеспечении высоких требований к плоскости поверхности, оказалось сложной технической задачей.
ЦКБМ осуществлял выбор материала исходя из его механических свойств: твердости и прочности при работе на сжатие и изгиб; а ФТИ контролировал электрическую прочность материала.
Выполнены измерения электрической прочности броневой керамики, гранитных и базальтовых плит, броневой керамики, ситала композитного материала из стеклотекстолита со вставками из броневой керамики предоставленных ЦКБМ. Базальт имеет электропроводящие включения и непригоден для изготовления прессформ. Другие из перечисленных материалов пригодны для изготовления электрической изоляции камеры установки.
Электрическая часть Установки (ГИТ) выполнена в соответствии с первоначальной схемой, предложенной в Техническом задании (Электрическая схема ГИТ Приложение 1.2.). При проектировании использован опыт работы ФТИ и кафедры ИЭ и ТВН СПбГТУ по созданию ГИТ различного назначения, и в частности, как прототип, ГИТ экспериментальной установки для брикетирования стружки. В ходе проектирования и изготовления ГИТ, при участии автора, разрабатывались конкретные варианты схемы запуска, измерительных цепей, вносились коррективы в разработанные схемы и расчёт, проводились испытания и приёмка изготовленного оборудования.
