Расчет процессов и разработка аппаратов для плазменной модификации поверхности материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, доктор технических наук Лыков, Алексей Михайлович

• Лыков, Алексей Михайлович
• доктор технических наук
• 2006

Оглавление диссертации доктор технических наук Лыков, Алексей Михайлович

Введение.

1. Конструкции плазменных генераторов, используемые при модификации поверхности материалов.

Выводы по главе 1.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расчет процессов и разработка аппаратов для плазменной модификации поверхности материалов»

Широкое применение в современном производстве находят процессы модификация поверхности материалов. Проводя физико-химические превращения в приповерхностном слое с использованием высокоинтенсивных источников нагрева (плазменные, лазерные, электронно-лучевые и др.) возможно за малые времена с высокой производительностью получать слои на различных изделиях и конструкциях со специальными свойствами при сохранении исходных свойств в массе материала.

Изучение процессов, происходящих в приповерхностных слоях, разработка методов их расчета, создание аппаратов и технологий плазменной модификации поверхностей различных материалов направлены на решение актуальных проблем современной промышленности. В химической промышленности.

• Защита конструкций химических аппаратов от агрессивного воздействия различных сред путем создания гидроизоляционных и антикоррозионных слоев на диэлектрических материалах химических аппаратов, печей химических производств и др.

• Интенсификация химических процессов путем получения модифицированных слоев с каталитическими свойствами на конструкционных материалах химических аппаратов.

• Снижение интенсивности износа металлических элементов химических аппаратов (мешалки, элементы конструкции барабанных печей, сушилок, аппаратов измельчения, диспергирования различных материалов и др.) путем создания упрочняющих слоев на поверхности изделия.

В стройиндустрии, в т.ч. в специальном строительстве.

• Защита строительных конструкций от воздействия различных агрессивных веществ и влаги путем создания модифицированных слоев

• гидроизоляционных, антикоррозионных, защитно-декоративных, металлизированных и др.

В атомной промышленности и других отраслях производства, связанных с захоронением радиоактивных отходов.

• Защита окружающей среды от твердых и жидких радиоактивных отходов путем создания гидроизоляционных и антикоррозионных покрытий.

В машиностроении, на железнодорожном и в городском транспорте.

• Снижение интенсивности износа различных деталей из стали (штампы, валки прокатных станов и др.) путем упрочнения быстроизнашивающихся поверхностей.

• Снижение интенсивности износа железнодорожных колес, рабочих поверхностей рельсов, элементов стрелочного перевода, деталей вагонной, локомотивной тележек и др. путем упрочнения изнашивающихся поверхностей.

Для решения ряда вышеперечисленных проблем по модификации поверхностей диэлектрических (силикатных) и металлических (стальных) материалов плазменным способом необходимо.

• Создать аппараты на основе плазменного источника нагрева, которые обеспечивали бы требуемые параметры нагрева поверхности этих материалов, дозирование, нагрев дополнительного материала, подаваемого на поверхность, ввод его в зону обработки, а также перемещение плазменного генератора относительно поверхности. Изучить теплообмен этих аппаратов с поверхностью изделия и дисперсным материалом, который подается на поверхность.

• Разработать методы расчета процессов в приповерхностных слоях материала и в первую очередь термических условий с учетом особенностей их нагрева разработанной конструкцией плазменного генератора.

• Разработать технологии модификации поверхности диэлектрических-силикатных и стальных материалов.

• Изучить влияние режимных параметров на механические, физико-химические и др. характеристики модифицированных слоев. Определить значения параметров для реализации процессов наилучшим образом.

• Исследовать эксплуатационные характеристики полученных модифицированных слоев, в т.ч. в натурных условиях.

• Внедрить в производство разработанное оборудование и технологии.

Одним из условий эффективного проведение процесса модификации поверхностей материалов является создание источника высокоинтенсивного нагрева поверхности-плазменного генератора.

Современные конструкции плазменных генераторов в ряде случаев не позволяют эффективно проводить процессы модификации поверхностей материалов вследствие низких и неравномерных по ширине обработки тепловых потоков, узкой ширины зоны обработки и др. Для ряда конструкций, например, при использовании дуги прямого действия невозможно обрабатывать как диэлектрические, так и металлические материалы.

В настоящей работе модификация поверхностей материалов, осуществлялись с использованием специально разработанных аппаратов, включающих: плазменный генератор с вынесенной электрической дугой; систему магнитного управления электрической дугой; специальную конструкцию многопоточного дозатора с системой ввода порошка в зону обработки и различных систем перемещения плазменного генератора относительно поверхности обработки, которые были выполнены в виде конвейера, либо автоматизированной системы с ЧПУ портального типа (при обработке крупногабаритных изделий), а также специальных систем вращения (при обработке стальных изделий).

Для расчета процессов, происходящих в приповерхностных слоях, при разработке технологий плазменной модификации необходимо изучение теплообмена энергоносителя (плазменной струи, электрической дуги) с поверхностью материалов, которое учитывает конструктивные особенности плазменного генератора.

Изучение теплообмена вынесенной электрической дуги, управляемой

7 8 магнитными полями, при величине теплового потока в материал 10-10 Вт/м при периодическом импульсном тепловом воздействии представляет сложную задачу, решение которой возможно экспериментальными методами. В настоящей работе это исследование проводилось путем создания специальных датчиков с привлечением методов скоростной съемки движения электрической дуги под воздействием внешних магнитных полей. Исследование интенсивности нагрева дисперсного материала, подаваемого на модифицируемую поверхность, при его взаимодействии с осциллирующей электрической дугой также проводилось при помощи специально разработанных методик и калориметра.

Методами СКС съемки исследовалось движение вынесенной электрической дуги под воздействием внешних магнитных полей, создаваемых системой магнитного управления плазменного генератора, необходимое: для изучения теплообмена с поверхностью, разработки методов расчета процесса и реализации технологий модификации поверхностей материалов наилучшим образом.

При создании модифицированных слоев на поверхности материалов с наилучшими характеристиками (геометрические, физико-механические, структура слоя, эксплуатационные показатели) необходимо изучение термических условий их формирования. Исследованию нагрева поверхности материалов высокоинтенсивными источниками посвящено значительное количество работ, в том числе и с учетом процессов плавления, испарения материала как аналитическими, так и численными методами. К исследованиям, которые учитывали бы как плавление, так и остывание (кристаллизацию) материала, в том числе и при периодическом тепловом воздействии необходимо отнести работы академика Углова A.A. с сотрудниками. В этих работах преимущественно использовались численные методы анализа. Однако отсутствие данных по теплофизическим характеристикам материалов, например по композиционным, не позволяют эффективно использовать численные методы. С другой стороны аналитические методы дают возможность выявить значимость параметров при их влияние на процесс, а также получить в предельных случаях простые зависимости для расчета характеристик источника нагрева. По этой причине в настоящей работе предпочтение отдавалось аналитическим методам анализа термических условий в приповерхностных слоях материала.

Учитывая особенности нагрева поверхности плазменным генератором с вынесенной электрической дугой, управляемой магнитными полями, теоретические исследования процесса проводились при периодическом импульсном воздействия теплового потока на материал (с плавлением и без плавления поверхности). Полученные в работе результаты возможно применять при изучении аналогичных процессов в других областях техники. Использование безразмерных переменных позволяет комплексно определить влияние параметров на процесс модификации материалов, а также получить простые зависимости для расчета характеристик источника нагрева при создании модифицированных слоев с заданными свойствами.

Модификация поверхности диэлектрических (силикатных) материалов предполагает создание специальных свойств в приповерхностном слое. К таким свойствам относятся антикоррозионные, гидроизоляционные, защитно-декоративные, металлизация поверхности и др. Разработка технологии модификации силикатных материалов осуществлялась применительно к процессу получения защитно-декоративных покрытий на строительных изделиях и конструкциях. При этом проводилась отработка режимных параметров процесса, разработка специальных составов фактурных слоев и материалов наплавляемых на поверхность, изучались физико-механические характеристики модифицированных слоев, исследовались эксплуатационные показатели покрытий. Аппараты и технологии получения защитно-декоративных покрытий на силикатных материалах были реализованы в условиях производства и экспонировались на Международных выставках «Стройиндустрия-91 и 93», а также на выставке «Одноэтажная Россия» в 1991 году.

Актуальность проблемы снижения интенсивности износа металлических (стальных) поверхностей была определена выше. В работе разрабатывался процесс и его аппаратурное оформление для упрочнения поверхностей изделий из углеродистой стали. Существующие разработки по модификации поверхностей металлических изделий и их аппаратурное оформление не позволяют создавать упрочненные слои, особенно которые работают в условиях значительных контактно-усталостных нагрузок, например, при взаимодействии колеса и рельса, с оптимальными характеристиками.

Для создания модифицированных слоев на металлических (стальных) поверхностях с наилучшими характеристиками необходимо: провести теоретические исследования процесса с использованием разработанных аналитических методов расчета термических условий; разработать технологии модификации металлических поверхностей различных изделий и конструкций; исследовать физико-химические превращения в приповерхностном слое и другие характеристики упрочненного слоя, а также провести эксплуатационные испытания работоспособности этих слоев, в т.ч. в натурных условиях. Разработка процесса модификации стальных изделий в настоящей работе проводилась применительно к изделиям и конструкциям, которые используются на железнодорожном и в городском транспорте. Результаты этих разработок внедрены на предприятиях ОАО "Российские железные дороги".

Целью настоящей работы являлась разработка процессов, методов их расчета, создание аппаратов, технологий и их внедрение в производство для плазменной модификации поверхностей диэлектрических (силикатных) и металлических (стальных) материалов, которые направлены на решение вышеперечисленных актуальных для различных отраслей промышленности проблем и задач. Полученные в настоящей работе результаты могут быть использованы для решения других проблем и задач, связанных с модификацией поверхностей различных материалов и конструкций.

Автор выражает благодарность и признательность специалистам, с которыми проводились совместные работы: из Института физики АН БССР-В.Д.Шимановичу, Н.Н.Науменко; из Научно-исследовательского института строительных материалов (г.Минск)- Б.К.Демидовичу, Э.Д. Подлозному; из 26-го научно-исследовательского института Министерства обороны СССР

А.С.Морозову, из Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта МПС России-В.Н.Лозинскому, Н.В.Павлову; из Московского Государсвенного университета инженерной экологии-А.Л.Сурису, В.Э. Маслову.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Лыков, Алексей Михайлович

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1:

На основании проведенного анализа различных схем плазменных генераторов установлено, что ПГ с вынесенной электрической дугой, управляемой магнитными полями, является наиболее предпочтительным для использования в процессах модификации поверхности материалов и соответственно нашел широкое практическое применение, как будет показано ниже, в различных технологиях.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Лыков, Алексей Михайлович, 2006 год

1. Ермолаев М.Е., Полянский В.К., Воронин М.П. Получение защитно-декоративных покрытий с помощью плазмотрона. «Строительные материалы». 1976. № 7. с. 21-25.

2. Иванов П.П., Исакаев Э.Х., Изотов В.И., Филиппов Г.А., Тюфтяев A.C. Эффективный способ поверхностного упрочнения железнодорожных колес. Сталь. 2000. № 1. с. 63 66.

3. Зайцева Г.М. Индустриальная отделка бетонных изделий плазменной обработкой. На стройках России. 1984. № 7. с. 42 46.

4. Шипай А.К., Золотовский А.И., Московский В.Г., Науменко H.H., Шиманович В.Д., Кисилевский Л.И. Патент Франции № 2469387 от 13.11.79.

5. Дедюхин P.O., Волокитин Г.Г., Чебиков В.К., Шиманович В.Д., Филиппов В.Ф. Плазменный генератор для обработки строительных материалов. Авторское свидетельство 890567 от 22.10.79.

6. Резников А.Н., Шатерин М.А., Кунин B.C., Резников Л.А. Обработка металлов резанием с плазменным нагревом. М. «Машиностроение». 1986. с. 231.

7. Авторское свидетельство 856717.

8. Ю.Марков Д.П. Закалка гребней колес подвижного состава на высокую твердость для снижения бокового износа. Вестник ВНИИЖТ. № 1. 1997. с. 36-42.

9. П.Богданов В.М., Марков Д.П., Пенькова Г.И. Оптимизация трибо-технических характеристик гребней колес подвижного состава. Вестник ВНИИЖТ. № 4. 1998. с. 3 9.

10. Шиманович В.Д., Киселевский Л.И., Шипай А.К., Золотовский А.И., Московский В.Г., Науменко H.H. Авторское свидетельство № 880768 от 01.06.78.

11. Патент США № 4301352 от 17.11.81.

12. Лыков A.M., Матвеев Ю.И. Патент РФ № 2121514 от 07.10.97.

13. Лыков A.M., Почепаев В.Г., Редькин Ю.Г. Патент РФ № 2092580 от 29.03.96.

14. Лыков A.M., Самсонов В.А., Науменко H.H., Шиманович В.Д., Дремина Л.Б., Солинов Е.Ф., Дьяконова В.И., Захарова В.Н. Способ полировки стеклоизделий. Авторское свидетельство № 1571005 от 11.09.87.

15. Лыков A.M. Самсонов В.А., Морозов A.C., Сурис А.Л., Шиманович В.Д., Науменко H.H., Лесковец A.C. Способ нанесения покрытий на материал. Авторское свидетельство № 1448747 от 01.07.85.

16. Лыков A.M. Самсонов В.А., Морозов A.C., Сурис А.Л., Шиманович В.Д., Науменко H.H., Лесковец A.C. Авторское свидетельство №237522 от 01.07.85.

17. Шиманович В.Д., Науменко H.H., Золотовский А.И., Лесковец A.C., Шашков С.А. Лыков A.M., Морозов A.C., Самсонов В.А. Плазменное устройство для оплавления поверхностей обрабатываемых материалов. Авторское свидетельство № 1503669 от 26.12.83.

18. ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНИХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ.

19. Взаимодействию электрической дуги с магнитными полями и газовым потоком в плазменных генераторах посвящено достаточное количество работ.

20. Анализ различных схем взаимодействия магнитиых полей с электрической дугой плазменных генераторов.

21. На рис. 2.1. представлен ряд схем взаимодействия ЭД, магнитного поля и газового потока.

22. На рис. 2.1 в представлена сбалансированная электрическая дуга в поперечных газодинамическом и однородном магнитном полях.

23. Более простая эмпирическая зависимость, связывающая электрические, магнитные и газодинамические параметры электрической дуги, представленной на рис. 2.1, в приведена в работе 2.