Вимушений теплообмін і швидкість охолодження крапель при одержанні металевих порошків розпилюванням розплаву водою

Шрифт:
128

https://doi.org/10.15407/steelcast2021.01.026

Met. litʹe Ukr., 2021, Tom 29, №1, P. 26-31

Ю.Ф. Терновий1, д-р техн. наук, проф., зав. кафедри, e-mail: ferrous.metals@ukr.net
А.Г. Пригунова2, д-р техн. наук, ст. наук. співр., зав. відділу, e-mail: adel_nayka@ukr.nethttps://orcid.org/0000-0001-8030-9160
В.О. Панова1, асистент, е-mail: panova_vira@ukr.net

1Інженерний навчально-науковий інститут Запорізького національного університету (Запоріжжя, Україна)2
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України (Київ, Україна)

Надійшла 13.10.2020

УДК 621.762.2: 533.6.011.6

Одержання якісних металевих порошків є одним з важливих етапів технологічного процесу виробництва металовиробів методом порошкової металургії. Серед великого різноманіття способів виготовлення порошків за економічністю і продуктивністю вигідно відрізняється розпилення розплавів водою високого тиску, при якому геометрична форма та мікроструктура частинок суттєво залежать від швидкості охолодження, що пов’язано з особливостями теплообміну в системі крапля розплаву – вода – газова фаза. Проте експериментальне підтвердження того чи іншого режиму теплообміну не представляється можливим, що пов’язано з малим розміром частинок, кількість яких у 1 см3 зони розпилення складає близько 107. У роботі проаналізовано вплив теплофізики процесу розпилення на швидкість тверднення крапель металу. На підставі аналізу відомих закономірностей та явищ тепломасопереносу оцінено коефіцієнти тепловіддачі, щільність теплового потоку для різних режимів теплообміну, а також внески кондуктивної, конвективної і радіаційної складових тепловіддачі. Показано, що частка передачі тепла випромінюванням становить не більше 0,1 %. Теоретично підтверджено, що охолодження крапель відбувається в бульбашковому режимі кипіння води. Для інструментальної сталі швидкість охолодження частинок, що розрахована на основі коефіцієнта тепловіддачі при розвиненому бульбашковому режимі, складає порядка 106 К/с. Така швидкість охолодження при бульбашковому або псевдобульбашковому кипінні забезпечується, коли парова плівка, що утворюється, «зривається» водяним потоком, імітуючи охолодження «псевдобульбашками». Формування коміркової структури порошків, яке спостерігається на практиці під час розпилення водою під тиском, підтверджує правильність теоретичних викладок. Результати роботи можуть бути використаними 
для обґрунтування теплових режимів отримання порошків з різною структурою, у тому числі аморфною.

Ключові слова: розпилення водою високого тиску, теплопередача, вимушена конвекція, коефіцієнт тепловіддачі, кипіння, бульбашковий режим, швидкість охолодження.

Література

1. Girshov, V.L., Kotov, S.A., Tsemenko, V.N. (2010). Modern technologies in powder metallurgy. St. Petersburg: Polytechnic Publishing House. University, 385 p. [in Russian].
2. Nichiporenko, O.S., Naida, Yu.I., Medvedovsky, L.B. (1980). Atomized metal powders. Kiev: Naukova Dumka, 237 p. [in Russian].
3. Nichiporenko, O.S. (1976). Formation of powder particles by spraying the melt with water. Powder metallurgy, no. 9, pp. 5–10 [in Russian].
4. Nichiporenko, O.S. (1975). About the mechanism of melt dispersion by water. Proceedings of the XII All-Union Conference on Powder Metallurgy: Sat. LatNITI. Riga, vol. 2, p. 10 [in Russian].
5. Kutateladze, S.S. (1979). Heat transfer by condensation and boiling. Moscow: Energiya, 284 p. [in Russian].
6. Kutateladze, S.S. (1970). Foundations of the theory of heat transfer. Novosibirsk: Nauka, 660 p. [in Russian].
7. Mikheev, M.A., Mikheeva, I.M. (1973). Basics of heat transfer. Moscow: Energiya, 319 p. [in Russian].
8. Ternovoy, Yu.F., Baglyuk, G.A., Kudievsky, S.S. (2008). Theoretical foundations of processes of sputtering of metal melts: Monograph. Zaporozhye: ZGIA, 298 p. [in Russian].
9. Zeigarnik, Yu.A., Khodakov, K.A., Nizovsky, V.L., Shekhter, Yu.L. (2009) Microbubble boiling: process mechanism, tasks and research methods. Thermal physics of high temperatures, vol. 47, no. 5, pp. 707–711 [in Russian].
10. Yagov, V.V., Zabirov, A.R., Leksin, M.A. (2015). Unsteady heat transfer during film boiling of a subcooled liquid. Heat power engineering, no. 11, pp. 70–80 [in Russian].
11. Galitseyskiy, B.M., Danilov, Yu.I., Dreitser, G.A. et al. (1975). Heat transfer in power plants of spacecraft. Moscow: Nauka, 271 p. [in Russian].
12. Isachenko, V.P., Osipova, V.A., Sukomel, A.S. (1975). Heat transfer. Moscow: Energiya, 483 p. [in Russian].
13. Nichiporenko, O.S. (1976). Formation of powder particles by spraying the melt with water. Powder metallurgy, no. 9, pp. 5–10 [in Russian].
14. Sanin, A.F., Nichiporenko, O.S. (1988). Influence of water pressure on the shape of powder particles during spraying. Message 1.Features of heat transfer in the spray plume at high pressures of the energy carrier. Powder metallurgy, no. 9, pp. 1–5 [in Russian].
15. Tran, T., Staat, H.J.J., Prosperetti, A., Sun, Ch., Lohse, D. (2012). Drop Impact on Superheated Surfaces. Phys. Rev. Lett., vol. 108, 036101, doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.036101
16. Miroshnichenko, I.S. (1982). Quenching from a liquid state. Moscow: Metallurgiya, 168 p. [in Russian].
17. Ternovoy, Yu. F., Bilan, V.I., Aleksandrov, A.P. (1989). Method of obtaining passivated medium-carbon ferromanganese powder. A. s. 1603649 USSR. A1 B22 F9/08, declared 10/27/88, publ. 10/27/89. [in Russian].