автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование методов расчета и исследование тепловой работы камерных вакуумно-водородных печей спекания

1 и 0*4 • '' ДПР

московский государственный институт стали и сшивов (Технологаческнй универсгттет)

На правах рукописи УДК -66Э.046.44.001.24.

БАРШЕВА Ирина Викторовна

совершенствовании методов расчета и исследование тегоговои рабош юшершх вакууино-водородвых печен спекания

05.16.02 - « Металлургия черных металлов >

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических, наук

Москва 1994 г.

Работа выполнена на кафедро "Теплофизика и теплоэнергетика металлургического производства" Московского госу- . дарственного института стали и сплавов (Технологического университета)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент В.В.КОБАХВДЗЕ

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент С.А.КРУЩННИКОВ

Официальные оппоненты: доктор технических наук О.Н.БРЮХАНОВ доктор технических наук В.С.ПАНОВ

. Ведущее предприятие:

А/0 "ТВЕРДОСПЛАВ"

Защита состоится " апреля 1994 г. в " часов

на заседании специализированного ученого совета К.053.08.01 при Московском государственном институте стали и сплавов по адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в . библиотеке Московского государственного института стали и сплавов.

Автореферат разослан марта 1994 г.

Оправки по телефону: 237-84-45

Ученый секретарь

специализированного совета доктор технических наук,

профессор И.Ф.КУРУНОВ

-з-

ВВЕЩЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Увеличение объема производства и улучшение качества продукции порошковой металлургии является важной задачей, стоящей перед отечественной промышленностью.

В производстве изделий порошковой металлургии значительное место, как по времени, так и по влиянию на конечные свойства готовой продукции, занимает спекание.

Спекание заготовок, спрессованных из металлических порошков, является сложным физико-химическим процессом, зависящим от температуного режима нагрева изделий. Известно что неоднородность свойств (плотность, пористость, прочность и др.) спеченных заготовок, наблюдаемая в производстве, при равных условиях подготовки изделий к спеканию, связана с неравномерностью распределения температур по садке в • процессе нагрева. Следовательно, для получения готовой продукции с одинаковыми свойствами необходимо применение температурных режимов, обеспечивающих равномерность нагрева садки в печах спекания.

В порошковой металлургии получили распространение камерные вакуумно-водородные электропечи сопротивления, для которых характерны высокая степень равномерности нагрева садки при относительно большом расходе электроэнергии и низкой производительности. Поэтому 'большое значение приобретают вопросы сокращения удельного расхода электроэнергии за счет повышения производительности печей при сохранении высокого качества получаемой продукции. •

Вышеизложенное определяет актуальность данной диссертационной работы. ' ■

Целыо работы является совершенствование методов расчета и исследование тепловой работы камерных вакуумно-водородных печей спекания.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- экспериментально установлена неравномерность нагрева садки в процессе спекания;

- разработана методика, расчета внутреннего теплообмена в садке с использованием эффективных теплофизических характеристик;

- разработана методика расчета геометрических угловых коэффициентов излучения в замкнутой системе плоских и кривых поверхностей с учетом экранирования.

- разработана математическая модель тепловой работы камерной вакуумно-водородаой электропечи сопротивления, учитывающая процессы теплообмена в садке;

Практическая значимость работы состоит в следующем.

- Разработана методика расчета внутреннего теплообмена, основанная на использовании аффективных теплофизических характеристик садки которая может быть использована для определения температурных полей контейнеров, представляющих собой составленные друг на друга подложки с заготовками.- Данная методика может быть применена при описании тепловой работы печей спекания любого типа с-аналогичным формированием садки.

- Разработанная математическая модель тепловой работы камерной-вакуумно-водородаой электропечи сопротивления для спекания твердых сплавов позволяет исследовать теплообмен в рабочей камере существующих и -вновь создаваемых печей в зависимости от различных теплофизических, режимных и конструкционных параметров, а также разрабатывать температурные режимы нагрева изделий, обеспечивающие однородность нагрева садки.

Объем работы: Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 6Н наименований'и содержит {ОУ страниц машгаописного текста, 5? иллюстраций, и таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Проведенный анализ литературных данных показал, что основной задачей большинства исследований и существующих методик расчетов тепловой работы печей спекания является обеспечение равномерности распределения тепловых потоков, подводимых к поверхности садки только за счет решения внешней задачи. Считается, что скорости изменения температуры печи 50-300 град/ч, отвечающие требованиям технологии спекания, являются столь незначительными, что температурное поле садки должно быть прак-. тически равномерным. При этом равномерность нагрева отдельных изделий внутри садки не вызывает сомнений.

Допущение о равномерности распределения температуры .по. объему садки.не всегда справедливо, особенно при увеличении ее размеров в печах повышенной производительности. Существует прямая.связь между температурным полем и теплофизическими характеристиками садки, которые в значительной степени зависят от. условий нагрева и длительности выдержек. Для получения одинаковых свойств у всех изделий садки необходимо, чтобы законы изменения температуры каждой нагреваемой заготовки во времени били идентичны.

Таким образом, обеспечение равномерного ' распределения

температуры по садке является одной из важных задач и вызывает необходимость исследования процессов теплообмена внутри садки в процессе спекания путем решения внутренней задачи теплопроводности.

Вышеизложенное определяет цель настоящей работы.

Для решения поставленной задачи выбран комплексный метод исследования, включающий в себя экспериментальное исследование тепловой работы камерной вакуумно - водородной электропечи сопротивления СНВГ-6.9.4,5/16 на Московском комбинате твердых сплавов при спеканиях по существующим температурным режимам нагрева, и математическое моделирование тепловой работы печи при различных значениях режимных и конструктивных параметров.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ .ТЕШГОВОИ РАБОТЫ КАМЕРНОЙ ВАНУУМНО-ВОДОРОДНОИ ЭЛЕКТРОПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

ДЛЯ СПЕКАНИЯ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ СНВГ-6.9.4,5/16.

С целью определения равномерности нагрева садки на Московском комбинате твердых, сплавов проведено исследование тепловой работы печи СНВГ-6.9.4,5/16, предназначенной для спекания твердых сплавов.

Проведение серии экспериментов позволило определить изменение температурных полей садки и футеровки по ходу спекания.

Температуру футеровки печи и заготовок контролировали термопарами типа BP 5/20 диаметром 0,5мм. В основу выбора места размещения и количества термопар был положен принцип максимального охвата ожидаемых экстремальных (с наибольшим и наименьшим значениями) температур.

Поскольку рабочее пространство печи является симметричным

относительно продольной и поперечной осей, для контроля нагрева садки выбраны два контейнера (рис И).

В качестве вторичных приборов для термопар использованы цифровой вольтметр марки Щ-68001 и КСП-4 (шеститочечный).

Проведенное экспериментальное исследование тепловой работы камерной вакуумно-водородной печи спекания СНВГ-6.9.4,5/16 выявило наличие неравномерности по температуре как между контейнерами, так и по сечению контейнеров.

Анализ полученных данных показал, что скорость нагрева первого контейнера выше скорости нагрева второго контейнера. Кроме того, при сравнении изменения температур различных точек садки во время нагрева было установлено, что опережающей по температуре является точка 4 первого контейнера, а отстающей -точка 4 второго контейнера. Максимальный перепад температуры между этими т.очками в процессе нагрева составил 260°С (рис.2).

Исследования равномерности нагрева по высоте контейнеров, показали, что наибольший перепад температур (120 град.) наблюдался между точками второго контейнера, расположенными вблизи продольной оси печи (11' -4 -11).

Неравномерность нагрева садки можно объяснить некоторой неоднородностью температурного поля внутри рабочего пространства печи, загруженного контейнерами, и способом усвоения тепла садкой.

.Изучение изменения температуры футеровки в процессе нагрева показало, что разность мевду температурами боковой и торцевой поверхностей не превышала 80°С.

Кроме того, при сопоставлении изменения температуры различных точек садки и футеровки с показаниями регулирующей термопары выявлено несоответствие действительного температурного

а) Схема размещения контейнеров

Рис.1

Перепады температур по садке в процессе нагрева

г\' лТ-т^Ю-ЪШ; ' лт*тв<1)-%ш

Рис.2

- ш-

режима нагрева заданному. Это можно объяснить тем, что величина теплового потока, подводимого к термопаре снижается за счет отвода тепла (от термопары к водоохлавдаемому кожуху), величина которого изменяется в процессе нагрева.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

'Изучение тепловой работы печей спекания в производственных условиях является достаточно дорогостоящим, а также время-и трудоемким процессом. Математическое моделирование позволяет ускорить и удешевить исследования, а также изучить влияние отдельных факторов на нагрев садки, что трудно или невозможно осуществить, на действующих промышленных установках.

Математическая модель процессов, происходящих при работе камерной вакуумно-водородной электропечи сопротивления для спекания твердых сплавов должна включать в себя описание следующих процессов: '

а) перенос тепла теплопроводностью в садке (при заданных температурах нагревателя, футеровки и защитного газа);

б) перенос тепла теплопроводностью внутри футеровки (при заданных температурах элементов рабочего пространства и окружающей среды);'

в) изменение температуры нагревателя (при заданных температурах элементов рабочего пространства печи);

•г) теплообмен между защитным газом и элементами рабочего пространства печи;

-д) лучистый теплообмен в рабочем пространстве печи.

Таким образом, возникает необходимость решения задачи сопряженного теплообмена, которая требует совместного решения

внешней задачи теплообмена в рабочем пространстве печи спекания и внутренних задач для нагреваемых контейнеров, футеровки, нагревателей и защитного газа с соответствующими начальными и граничными условиями.

Сложность математического описания внутренней задачи теплообмена для нагреваемой садки обусловлена неоднородностью контейнеров, составленных из элементов, имеющих существенно различающиеся теплофизические свойства (графитовые подложки и

размещенные на них изделия).

/

При этом на степень неоднородности нагрева отдельных изделий оказывает влияние протекание различных процессов переноса тепла, а именно:

- контактная теплопроводность между подложкой и заготовкой;

- передача тепла теплопроводностью через газовый зазор (при нагреве в газовой атмосфере), разделяющий поверхности подложки и заготовки;

- теплообмен излучением между подложками и горизонтальными (верхней и нижней) поверхностями заготовок;

- теплообмен излучением между свободными поверхностями подложки и боковыми поверхностями каждой заготовки, а также между боковыми поверхностями соседних заготовок.

Кроме того, в силу высокой теплопроводности графита можно предположить, что нагрев изделий в значительной степени определяется переносом тепла в подложках, -то есть нагрев заготовок ггроисходит опосредованно, а контейнер играет роль проводника тепла от нагревателей к изделиям.

Таким образом, задача определения температурного поля садки сводится.к решению системы дифференциальных уравнений теплопроводности для подложек (с граничными условиями,- описи-

вающими теплообмен между подложками и элементами рабочего пространства печи, а также между подложками и расположенными на них изделиями) и для заготовок (с граничными условиями, описывающими теплообмен заготовки с соседними заготовками, подложками и газом).

Существенное упрощение математического описания рассматриваемого процесса может быть достигнуто путем введения эффективных теплофизических характеристик садки.

Под эффективными теплофизическими характеристиками контейнера понимаются теплофизические характеристики однородного цилиндра, перепад температуры по объему которого ¿Твф, совпадает с перепадом температуры ДТр при нагреве реального контей--нера. Эффективные теплофизические характеристики контейнера не являются физическими параметрами какого-либо материала, а зависят как от теплофизических свойств подложки и заготовок, так и от размещения изделий на подложке.

Таким образом, математическому решению внутренней задачи теплопроводности в контейнере должно предшествовать определение связи его эффективных теплофизических характеристик с параметрами подложек и расположенных на них заготовками.

Кроме того, поскольку при спекании происходит усадка заготовок, сопровождающаяся изменением их теплофизических характе- ■ ристик, возникает необходимость изучения изменения коэффициента теплопроводности, Плотности и теплоемкости порошковых материалов в процессе спекания.

• Экспериментальное исследование изменения теплофизических характеристик порошковых

. материалов в процессе спекания.

В результате спекания происходит усадка нагреваемых изде-.

лий, повышение прочности и других свойств, связанннх; с изменением межчастичных контактов и, как следствие,-изменение тепло-физических характеристик.

.. Для исследования зависимости .теплофизических.параметров от температуры были выбраны сплавы ВК-10 и ВНЖ-90.

. Система ЯС-СО является примером систем, в которых сплав формируется в ..результате спекания в присутствии жидкой фазы, образующейся на основе легкоплавкого компонента (кобальта), и характеризуется следующими признаками:

1) тугоплавкий компонент (твердая фаза) частично растворяется в жидкой;

2) наблюдается полная смачиваемость твердой фазы жидкой.

Как правило, исследования изменения свойств при спекании

смесей У/С-СО проводят, как с целью выявления механизма жидко-фазного спекания, так и для выбора практических режимов спекания.

Для того, чтобы оценить влияние состава сплава на характер изменения теплофизических характеристик в процессе спекания, был исследован сплав ВНЖ-90 (№-90Ж, Ш. -1%, ?е-3%).

Заготовки помещали в печь, нагревали до заданной температуры, затем выдерживали при.этой температуре и охлаждали. Каждой партии образцов соответствовали свои температура нагрева и длительность выдержки при этой температуре.

Полученные образцы использовались для определения зависимости плотности^ теплоемкости и коэффициента теплопроводности от температуры в процессе спекания.

Анализ' полученных данных позволяет предположить, что 'изменение коэффициента теплопроводности Х- обусловлено, главным образом, уплотнением образцов в процессе их усадки. Для подг-

-П-

верждения этого предположения на рис.3 приведена зависимость относительного коэффициента теплопроводности (где А. - коэффициент теплопроводности образца в процессе спекания, ^-теоретический коэффициент теплопроводности спеченного сплава при нулевой пористости) от пористости П= 1- р/ро (где р - плотность ность образцов в процессе спекания, р - теоретическая плотность "спеченного сплава при нулевой пористости).

Следует отметить, что приведенная зависимость удовлетворительно согласуется с результатами расчета коэффициента теплопроводности зернистой системы.

Моделирование процесса нагрева изделий при спекании.

Для введения эффективных теплофизических параметров необходимо выявить распределение температуры в подложке и изделиях и установить влияние количества и размеров заготовок на температурное поле контейнера.

С этой целью была рассмотрена упрощенная (модельная) одномерная постановка задачи расчета процесса нагрева изделий в печах спекания.

Для решения этой задачи были приняты следующие упрощающие допущения.

1. Весь контейнер можно разделить на повторяющиеся элементы, один из которых показан на рис.4.

2. Решение задачи проведено для условий, характерных при

спекании в вакууме; .

• *

3. Перенос тепла теплопроводностью через газ в зазоре между подложкой и заготовкой не учитывался.

4. Наличие контактной теплопроводности между поверхностями деталей и подложки не учитывалось. Было принято, что теплообмен между деталями и подложкой осуществляется излучением в.

-/У-

Зависимость теплопроводности от пористости

\ 1,2- ксперим -нячения нтальны'

X 3 - р< счетные

\ £

\

\

-----

• ч

ч ' с

' - % %

Рас. 5

зазоре меаду ними.

В рассматриваемом случае нагрев контейнера описывается системой уравнений теплопроводности для отдельных заготовок и подложки, связанных условиями лучистого теплообмена в зазорах между указанными телами.

Для решения полученной нелинейной системы уравнений теплопроводности использована неявная итерационная конечнораз-ностная схема.

Результаты решения модельной задачи использованы для оценки приближенных методов расчета эффективных теплофизи-ческих характеристик контейнера.

Определение эффективных теплофизических характеристик

контейнера.

Эффективная удельная (объемная), теплоемкость контейнера определялась по правилу аддитивности с учетом коэффициента заполнения подложек заготовками.

При определении эффективного коэффициента теплопроводности использована методика обобщенной проводимости, применяемая при описании теплофизических свойств композиционных материалов. ■

В результате получена формула:

V0-

где 'Ц - длина заготовки;.

1г - расстояние -меаду заготовками; б - .толщина, подлокки;

Н^ф- общее (эффективное) тепловое сопротивление рассматриваемого участка.

Схема размещения нгреваемых заготовок в контейнере

чу

у//////////7>у/////////////л

-7е-/ /

' 1

1

\zzzzz.

////у///////////

1- заготовки;

2- подложки.

Рис.4

Сопоставление результатов расчета температурного поля контейнера, основанного на использовании эффективных характеристик со значениями ДТ, найденными путем решения задачи в строгой (модельной) постановке показало, что погрешность упрощенной методики расчета, составляет -3%. Это позволяет сделать вывод о возможности использования разработанной методики при построении математической модели нагрева изделий в печах спекания .

Проверка адекватности разработанной методики расчета.

Проверка возможности использования разработанной методики расчета для оценки равномерности нагрева садки в печах спекания осуществлена путем сопоставления результатов экспериментального исследования и математического моделирования тепловой работы лабораторной вакуумной электропечи сопротивления шахтного типа СШВ-1.2.5/25-И1.

Выбор этой печи обусловлен возможностью применения одномерной модели для расчета температурного поля контейнера, поскольку конструкция рабочей камеры печи и способ формирования садки, приводят к неравномерности нагрева только в радиаль-льном направлении.

В процессе нагреЕа производили измерение температуры нагревателя и изделий, расположенных в центре контейнера и около его бортика.

Для проведения экспериментов использовались образцы, изготовленные из смеси порошков для сплава ВК-10.

Расчет погрешности измерений показал, что ошибка не превышала инструментальной погрешности и составляла менее i%.

При расчете температурного поля контейнер с изделиями рассматривался как однородный цилиндр с внешним диаметром (1Н и

внутреншм отверстием, диаметром с1в, соответствующими внешнему и внутреннему диаметрам подложки.

При определении эффективных теплофизических характеристик учитывалась зависимость коэффициента теплопроводности и удельной теплоемкости графита от температуры, а также изменение теплофизических характеристик нагреваемых заготовок в процессе спекания.

При расчете плотности теплового потока на внешней поверх-, ности контейнера решалась задача радиационного теплообмена в системе "контейнер-нагреватель-экран".

Для решения полученной нелинейной задачи теплопроводности использована неявная итерационная конечноразностная схема.

Результаты расчета для условий нагрева изделий в лабораторной печи спекания удовлетворительно совпали с экспериментальными данными. Это позволило сделать вывод о приемлемом качестве разработанной методики расчета теплообмена в печи спекания. '

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ КАМЕРНОЙ

ВАКУУШО-ВОДОРОИ ПЕЧИ СНВГ-б.9.4,5/16 ДЛЯ

СПЕКАНИЯ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ

При постороении математической модели тепловой работы печи приняты следующие упрощающие допущения.

1.Температурные поля всех- элементов рабочего пространства течи не зависят от координаты по высоте печи (рассматривается двумерная постановка задачи).

2.Температурное поле футеровки одномерно.

3.Нагреватель является термически тонким телом.

4.Температура всех нагревательных пластин одинакова.

5.Защитный газ лучепрозрачен.

6.Температура защитного газа во всех точках рабочего пространства печи одинакова (температурное поле газа нульмерно).

7.Во внутренней цилиндрической полости контейнера результирующий тепловой шток равен нулю.

8.Излучение и отражение всех поверхностей является изотропным и не 'зависит от длины волны.

9.При моделировании системы регулирования в качестве контрольной температуры, соответствующей показаниям технологической термопары, была принята температура поверхности контейнера вблизи места установки этой термопары.

С учетом принятых допущений математическая модель может быть представлена в виде совокупности отдельных блоков, описывающих тепловую работу печи.

в

Математическая модель лучистого теплообмена.

Для решения задачи лучистого теплообмена применен резольвентный зональный метод. При этом использована специально разработанная методика расчета геометрических угловых коэффициентов для системы, состоящей из двух рядов цилиндров (по три цилиндра в ряду), симметрично расположенных внутри прямоугольного контура, с учетом экранирования и самоэкранирования поверхностей.

Расчет температуры нагревателя.

Изменение температуры нагревателя определялось по уравнению теплового баланса, учитывающему выделение тепла в нагревателе, лучистый теплообмен с другими элементами рабочего пространства и конвективный теплобмен с защитным газом.

-а-

Расчет температурного поля футеровки.

Для определения температурного поля футеровки решалась задача теплопроводности с однородными начальными условиями и граничными условиями: на внутренней поверхности, учитывающими лучистый теплообмен с другю.*и элементами рабочего пространства и конвективный теплобмен с защитным газом; а на внешней поверхности, учитывающими конвективный теплообмен с охлаждающей водой системы охлаждения кожуха печи.

Эта задача решалась отдельно для футеровки, расположенной за нагревателем на боковых стенках и для футеровки, расположенной на торцевых стенках печи.

Для решения использовался метод конечных разностей.

Расчет температуры газа.

Для определения температуры защитного газа использовано уравнение теплового баланса, учитывающее конвективный теплообмен газа с элементами рабочего пространства печи. В качестве обтекаемых поверхностей рассматривались нагреватель, футеровка (на боковых и торцевых стенках печи), внешняя и внутренняя поверхности контейнеров.

Расчет температурного поля контейнеров.

Для. расчета температурного, поля контейнеров решалось уравнение теплопроводности для сплошного однородного - цилиндра с однородными начальными условиями и граничными условиями на внешней поверхности, учитывающими лучистый теплообмен со всеми элементами рабочего пространства печи ( в том числе и с другими контейнерами) и конвективный теплообмен с защитным газом, и граничными условиями на внутренней поверхности, учитывающими конвективный теплообмен с защитным газом, проходящим через внутреннее отверстие контейнера. Для неуглового контейнера в

виду симметрии задача решается только для половины контейнера, поэтому введено дополнительное условие на плоскости симметрии.

Для численного решения этих задач применялся метод конечных разностей.

Разбиение контейнера по углу осуществлялось- в соответствии с размерами и расположением зон на его поверхности, используемых при расчете лучистого теплообмена. ( Теплофизические характеристики контейнера расчитаны по методике, описанной выше.

Моделирование работы системы регулирования. Электрическая мощность, подводимая к нагревателю, регулируется по температуре внешней поверхности контейнера Т№: при возникновении рассогласования ДГ= Т^- Т^ (где ТА - заданная, функция времени, определяющая температурный режим печи) удельная электрическая мощность изменяется в соответствии с уравнением

— = К .ДТ.<1-.е-°'ЧАТ1);

йт р

здесь Нр - коэффициент регулирования, Вт/(Мг'С> К); а множитель

(1- е-0'1.'^') выражает сглаживание управляющего воздействия при малых рассогласованиях АТ.

После расчета геометрических и разрешающих угловых коэффициентов решение сопряженной задачи на каждом шаге по времени осуществлялось в следующей последовательности:

- расчет мощности, выделяемой на нагревателе;

- решение задачи радиационного теплообмена;

- расчет температуры нагревателя;

- расчет температурных полей стенок печи;

-О- расчет температуры газа; - расчет температурных полей контейнеров.

Все эти стадии расчета для каждого шага по времени осуществляются внутри итерационного цикла, позволяющего -согласовать решения отдельных задач.

Оценка погрешности расчета, проведенная методом повторного счета, показала, что точность разработанной математической модели соответствует \% . Эта погрешность не превышает инструментальной погрешности при проведении экспериментального исследования .

В качестве исходных данных математическго моделирования были использованы реальные параметры камерной вакуумно-водо-родной электропечи сопротивления СНВГ-6.9.4,5/16 для спекания твердых сплавов, контейнеров с заготовками и защитного газа.

Разность между значениями температур, полученных по расчетным и экпериментальным данным не превышала во время подъема температуры 10 градусов (в интервале 450 - 1350°С), а во время выдержек она практически отсутствовала (0-3 град.).

Проверка адекватности разработанной математической модели проводилась путем сопоставления результатов расчета, проведанного для условий серийного спекания, с соответствующими экспериментальными .

Погрешность, выявленная при сопоставлении расчетных и экспериментальных данных не' превышала 10 град.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ да ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ВАКУУМНО-ВОДОРОДНОй ЭЛЕКТРОПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ СНВГ-6.9.4,5/16 ДЛЯ СПЕКАНИЯ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ

Разработанная математическая модель позволяет исследовать тепловую работу имеющихся и вновь создаваемых электропечей сопротивления камерного типа в широком диапазоне технологических и конструктивных решений с целью снижения неравномерности температурного поля по сечению садки.

Исследование влияния изменения температурного режима на равномерность нагрева садки в процессе спекания.

В ходе проведенных экспериментов установлено, что показания регулирующей термопары отличаются от действительного (заданного технологической инструкцией) режима нагрева. Поэтому, для оценки влияния температурного режима на равномерность нагрева садки проведено сравнительное численное исследование двух вариантов расчетов: а) нагрев ' по режиму, соответствующему экспериментальным данным; б) нагрев по режиму, рекомендованному технологической инструкцией (заданному на регулирующую термопару ).

В качестве контрольной (регулирующей) точки в первом варианте установлена т.З второго контейнера, а во втором - точка на поверхности второго контейнера, наиболее приближенная к нагревателю.

В первом варианте изменение температурного режима соответствовало изменению температуры т.З (II) при нагреве в процессе эксперимента, а во втором - температурному режиму натре-

ва, заданному технологической инструкцией.

Полученные математическим моделированием данные показывают, что спекание по рекомендованному (заданному) температурному режиму может обеспечить более равномерный нагрев садки. Это говорит о необходимости уточнения показаний регулирующей термопары .

Влияние величины зазоров между контейнерами на

равномерность нагрева садки.

Изучение изменения температурных полей сечения садки при нагреве выявило области отстающих по температуре точек, находящихся в неблагоприятных температурных условиях.

Одним из факторов, влияющих на равномерность нагрева садки является взаимное расположение контейнеров. С целью изучения влияния величины зазоров между контейнерами на перепада температуры по сечению садки проведены расчеты нагрёва по рекомендованному температурному режиму с различным взаимным расположением контейнеров.

Анализ полученных результатов показал, что наличие-, зазоров между контейнерами влияет на температурное поле садки.

Увеличение расстояния между контейнерами только вдоль печи приводит к снижению максимального перепада температур от ЛТ =318°С при размере продольного зазора а =0м до 'ЛТ, =205°С при а = 0,31м. Дальнейшее увеличение расстояния, т.е. приближение крайних пар контейнеров к торцам печи, ведет к увеличению максимальной разности температур.

Увеличение расстояния между контейнерами только в поперечном направлении снижает максимальный перепад температур от "ЛТтах- 318°С при величине поперечного зазора Ь = ом до

= 233°С при Ь = 0,093 м. При значениях Ъ > 0,093м макси-

мальнэч разность температур вновь увеличивается.

Исследования наличия зазоров между контейнерами и в продольном, и в поперечном направлениях одновременно, показали, что максимальный перепад температур между самой "горячей" и самой "холодной" точками садки может достигнуть наименьшего значения ЛТ[7йХ=16Э°С при величинах зазоров: продольного а=0,325м и поперечного Ь = 0,01м.

Порученные результаты расчета свидетельствуют о более равномерйом нагреве садки в рассматриваемом случае по сравнению с вариантами расчетов нагрева при наличии зазоров между контейнерами а = Ъ = 0,003м.

Кроме того, можно отметить значительное снижение температурных неравномерностей как по сечению каждого контейнера, так и по сечению всей садки. В этом случав можно ожидать более высокую однородность по качеству получаемых спеченных изделий.

Увеличение производительности печи за счет

сокращения времени нагрева садки.

Результаты экспериментального исследования показали, что скорость нагрева 3 град/мин в интервале температур 100 -370°С не оказала негативного влияния на качество готовой продукции. Кроме того, учитывая температурные области протекания физико-химических процессов при спекании прессовок из твердых сплавов и зависимость изменения свойств твердосплавных изделий от температуры и продолжительности спекания, было установлено, что допустимая разность температур по сечению садки в процессе нагрева ЛТтах= 280°С.

По предложенной методике был расчитан температурный режим, позволяющий при наличии зазоров между контейнерами а =0,32Бм и

Ь=0,1м при прочих равных условиях, сократить время нагрева садки на 1 час 05 мин, что позволяет увеличить производительность печи на 7%.

При сопоставлении неравномерностей нагрева по рекомендованному (заданному) и экспериментальному режимам при зазорах между контейнерами а = Ъ =0,003м и нагрева по разработанному ускоренному режиму с зазорами между контейнерами а =0,325м и Ь=0,1м, было выявлено, что последний вариант обеспечивает не только сокращение времени нагрева, но и более равномерный нагрев садки. Поскольку, перепады температуры при нагреве по ускоренному режиму ниже, (190°"против 280°), и все точки садки достаточное время находятся при температурах, необходимых для протекания физико-химических процессов, характеризующих спекание, то можно ожидать и достаточно высокую однородность по качеству спеченных изделий при. 7%-ом увеличении производительности печи за счет сокращения времени нагрева.

■Увеличение производительности печи за счет

увеличения диаметра контейнера.

Изучение влияния величины зазоров на равномерность нагрева показало, что приближение контейнеров к нагревателям и торцевым сторонам нагревательной камеры на расстояше менее 0,05м, а также отсутствие зазора в продольном или поперечном направлении приводят к увеличению неравномерности температурного поля садки.

Учитывая вышеизложенное проведено исследование с помощью математической модели гго определению максимально возможного наружного диаметра контейнеров садки. В результате расчета было определено, что при нагреве по рекомендоваь&ому температурному режиму максимально возможный наружный диаметр контейнеров

сг=0,34 м при зазорах между ними: продольном а =0,14м и поперечном Ь=0,02м.

I В этом случае перепады температуры по сечению садки в процессе нагрева не превышают соответствующих значений, полученных при расчете нагрева по экспериментальным данным.

На основании этого можно сделать вывод о возможности использования контейнеров большего диаметра ( в частности <3=0,34м) с целью увеличения производительности печи без ухудшения качества готовой продукции по сравнению с выпускаемой в настоящее время. '

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.Экспериментальное исследование тепловой работы камерной вакуумно-водородной электропечи сопротивления СНВГ-6.9.4,5/16 на Московском комбинате твердых сплавов показало наличие неравномерности температурных полей садки в процессе нагрева.

2.Поскольку сложность оценки температурного поля садки заключается в неоднородности свойств контейнеров в вертикальном, радиальном и тангенциальном направлениях, то для определения температурных полей садки разработана методика расчета, основанная на использовании эффективных теплофизических характеристик контейнеров.

3.Проверка возможности использования разработанной методики решения внутренней задачи теплопроводности проведена с помощью экспериментального исследования нагрева изделий из твердых сплавов в лабораторной печи спекания. Удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных данных позволило сделать вывод о приемлемом качестве разработанной методики.

-гз-

4.Разработана математическая модель тепловой работы камерной вакуумно-водородной электропечи сопротивления, адаптированная по результатам экспериментальных спеканий на печи СНВГ-6.9.4,5/16.

5. Результаты численного исследования показали, что разработанная математическая модель позволяет провести оценку тепловой работы печи в широком диапазоне технологических и конструктивных решений с целью снижения неравномерности температурного поля садки.

Она также может быть использована для исследования тепловой работы вновь создаваемых печей.

6. Математическая модель камерной электропечи сопротивления может быть рекомендована для оценки и оптимизации режимов тепловой работы существующих и вновь создаваемых печей подобного класса.

Основное содержание опубликовано в следующих работах: 1. Математическое моделирование нагрева твердосплавных изделий в камерных вакуумно-водородных печах спекания: Отчет о НИР/ Московский институт стали и сплавов (МИСиС); Руководитель В.А.Кривандик.- * ГР 01880047150.- М., 1989.- 110 е.: ил.- Отв.исполн. И.В.Барышева, В.В.Кобахвдзе, С.А.Крупенни-

2. Барышева И.В., Крупенников С.А., Любимов H.H. Влияние усадки на теплопроводность спекаемого порошкового материала.-Цветные металлы, 1992, * 9, с.52-53

ков.

Заноз 79 Тираж J00. Типография 303 ШСиС