10 марта 2016г.
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) — это новая эффективная технология, обладающая многими достоинствами: высокой технологической производительностью, использованием химической энергии реагентов, значительным упрощением высокотемпературного оборудования, применением к решению разнообразных технологических задач [2].
СВС – металлургия - это одно из наиболее перспективных направлений в СВС. На основе металлургических СВС – процессов О. Одаварой с коллегами (Япония) была разработана технология получения труб большого диаметра с керметной, слоевой и градиентной структурой [1].
В основе способа лежат реакции экзотермического взаимодействия нескольких химических элементов или соединений, протекающие в режиме направленного горения [4]. Процесс идет за счет тепла химических реакций и не требует внешней энергии для нагрева. В результате горения смеси генерируется тепловая энергия, которая расходуется на плавление смеси и возбуждение в ней реакции, нагрев стенки трубы и излучение в окружающее пространство. Получается самораспространяющийся процесс: химическая реакция протекает в узкой зоне (фронте), перемещающейся по веществу с определѐнной скоростью. В результате физико-химических превращений в слое смеси образуется жидкая фаза, которая кристаллизуется и образует покрытие.
От химического состава, геометрических и теплофизических параметров смеси СВС зависят: тепловые процессы в системе смесь-стенка, коррозионная и эрозионная стойкость покрытия, качество сформированного покрытия. Поэтому разработка технологии нанесения внутритрубного покрытия достаточно сложная проблема. Следовательно, возникает необходимость в создание математической модели процесса нанесения внутритрубного покрытия методом центробежного СВС, которая бы учитывала все множество параметров, формирующих покрытие.
В работе [5] при создании математической модели было принято, что теплообмен происходит только радиально, и не учитывалась скорость фронта горения, от которой во многом зависит условия протекания процесса.
При составлении математического описания процесса теплообмена был принят ряд допущений: толщина слоя смеси СВС постоянная по радиусу и по длине, теплофизические параметры сред постоянны и не зависят от температуры и химического состава смеси.
В данном исследовании представлена математическая модель процесса, учитывающая кинетику процесса горения, его теплофизические факторы, в том числе скорость распространения фронта горения, пористость смеси и продолжительность жидкой области.
Исходя из представлений о протекании процесса нанесения покрытия на стенку трубы как объекта многослойной структуры и принятых допущений, уравнения теплофизики (1), начальные (2) и граничные (3) условия имеют вид:
Сходимость численного
решения к аналитическому достигается путем выбора размеров элементов сетки дискретной модели.
В работе [3] были проведены исследования устойчивости схемы и применены при решении данной задачи.
Для устойчивости разностной
схемы между пространственными шагами разностной сетки должно соблюдаться соотношение: tuг < h .
Построенная в ходе настоящей работы
математическая модель термокинетики процесса формирования внутритрубного покрытия реализована в программной системе
Matlab. В ходе многочисленных расчетов были получены зависимости, некоторые
их них показаны
на Рисунках 1–3.
По результатам компьютерного моделирования процесса формирования внутритрубного покрытия методом центробежного СВС, представленным на Рисунке 1, можно судить о скорости и характере теплофизических процессов. В рассматриваемом сечении
S=0.5м максимальная температура (2600 К) смеси достигается через 49 секунд после начала процесса, теплообмен в стенке трубы протекает с небольшим опережением фронта
горения: изменения температур наблюдается с 25с.
Аналогичные выводы можно сделать
из зависимостей
распределения температур, представленных на Рисунке 2. Через 50 секунд после начала процесса фронт горения пройдет до сечения
0.5м, при этом в сечении 0.8м также наблюдаются изменения
температур из-за теплопроводности трубы и теплопередачи от трубы к смеси.
По зависимости, представленной на Рисунке
3, можно судить о степени выгорания смеси на фронте горения и о качестве
протекающей химической реакции.
Полученные в ходе моделирования зависимости распределения температур сред и степени
превращения химических реагентов являются теоретическими, носят исследовательский характер и требуют экспериментальной проверки. Однако результаты работы
соответствуют изначальным логическим предположениям о протекании процесса.
Список литературы
1.
Концепция развития СВС как
области
научно-технического прогресса / под ред. А.Г. Мержанова.
– Черноголовка: Территория, 2003. – 368 с.
2. Мержанов, А.Г. Твердопламенное горение [Текст] /А.Г. Мержанов, А.С. Мукасьян. – М.: ТОРУС ПРЕСС, 2007. – 336 с.
3.
Потапов, В.И. Математические модели теплофизических процессов
в объектах многослойной структуры: Монография. – Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2004. – 270
с.
4.
Санин, В.Н. СВС-металлургия труб с износостойким защитным покрытием с использованием техногенных отходов
металлургических производств / В.Н. Санин, Д.Е. Андреев,
В.И. Юхвид // Известия
вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия.
– 2011.
– № 2. – С. 37–43.
5.
Wang,Yu-Fei. Finite
element analysis of residual
thermal stress in ceramic-lined composite pipe prepared
by centrifugal-SHS / Yu-Fei Wang , Zhen-Guo Yang // Materials Science and Engineering. – 2007. – V. 460, №4 – P. 130–134.
