научная статья по теме НЕИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА ДЛЯ УСТАНОВКИ КОМПАКТИРОВАНИЯ ГОРЯЧИХ ПРОДУКТОВ САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «НЕИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА ДЛЯ УСТАНОВКИ КОМПАКТИРОВАНИЯ ГОРЯЧИХ ПРОДУКТОВ САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2010, том 44, № 2, с. 205-213

УДК 66.011.621.762

НЕИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА ДЛЯ УСТАНОВКИ КОМПАКТИРОВАНИЯ ГОРЯЧИХ ПРОДУКТОВ САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА © 2010 г. Л. С. Стельмах, А. М. Столин, Д. С. Дворецкий*

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Московская область *Тамбовский государственный технический университет stelm@ism.ac.ru Поступила в редакцию 27.10.2008 г.

Проведено критическое обсуждение существующих методик расчета пресс-оснастки, общий недостаток которых состоит в том, что они не отражают особенностей процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), протекающих внутри пресс-формы: нестационарность и градиент-ность процесса теплообмена. Изложены результаты применения математического моделирования для исследования температурных полей, возникающих в пресс-оснастке при СВС-компактировании. Теоретически обоснована целесообразность использования метода теплового расчета пресс-оснастки, учитывающего кратковременность и неравномерность тепловой нагрузки на стенки пресс-формы. Приведены примеры расчета толщины стенки пресс-формы по стандартной и предложенной методикам. Показано, что расчет по неизотермической методике позволяет существенно уменьшить толщину стенки и, соответственно, массу пресс-формы.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время существует большое количество методов прочностного расчета цилиндрических обечаек (корпусов, пресс-форм и т.п.), нагруженных внутренними силовыми и температурными напряжениями [1—3]. В основном эти методы сходятся к расчету прочности на основе допущения о постоянстве температурного профиля в стенке рассчитываемого объекта, когда тепловой поток через стенку можно считать установившимся. Однако для современных производств химической и металлургической промышленности характерны процессы, протекающие в режиме неустановившегося теплового потока при высоких, а иногда и сверхвысоких температурах. Применение традиционных методов прочностного расчета корпусов оборудования для промышленных целей приводит в этих случаях к неоправданному увеличению веса пресс-формы и соответственно расходу материала. Такой "стационарный изотермический" расчет можно использовать лишь при разработке лабораторных установок с малой толщиной стенок.

СВС-прессование, как одно из направлений СВС-технологии, сочетает в себе температурные и динамические нагружения [4—6]. Так, например, в ходе СВС-процесса могут развиваться высокие температуры (2000—3000°С), а в ходе прессования избыточные давления в материале достигают 200 МПа. Наличие высоких силовых и температурных нагрузок, накладывающихся в разные временные интервалы, требуют более подробного изуче-

ния процесса при разработке оборудования. В случае промышленного оборудования для получения крупногабаритных заготовок проведение экспериментального исследования либо невозможно, либо трудоемко и сопряжено с большими материальными затратами. Оптимальное решение данной проблемы заключается в моделировании процессов СВС-прессования [6, 7].

В настоящей работе предлагается метод теплового расчета пресс-оснастки для СВС-прессования, учитывающий специфику процессов, протекающих внутри пресс-формы, а именно, их существенную нестационарность, неизотермичность, а также качественно различный уровень термической гра-диентности по толщине стенки пресс-формы. Изложены результаты применения математического моделирования тепловых режимов СВС-прессова-ния для исследования температурных полей, возникающих в пресс-оснастке.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

На рис. 1 представлена схема установки СВС-прессования. Химически реагирующее вещество заполняет область II. Вещество находится в пресс-форме, состоящей из пуансона 1, корпуса 2 и поддона 3. В совокупности эти элементы конструкции образуют область I.

На протяжении всего процесса между образцом и пресс-формой (граница О1) имеет место плотный контакт, что соответствует граничным условиям

II

быть описан с помощью системы дифференциальных уравнений теплопроводности:

дТ\

dt

—t = ax ■ V T1 = a]

(д T1 1 д T1 d2T^ —t +--1 + —t

.d r

r dr

д z

dT dt

= й2

2

V2 T2

(1)

(2)

Рис. 1. Схема СВС-прессования: 1 — пуансон, 2 — корпус, 3 — поддон, I — металлическая пресс-форма, II — образец, Р — приложенное давление пуансона.

4-го рода (равенство температур и тепловых потоков). Теплообмен на границах G2, G3 осуществляется за счет естественной конвекции воздуха. Коэффициенты теплоотдачи, соответствующие этим границам, могут быть найдены из решения задачи об остывании ограниченного вертикального цилиндра. В случае одностороннего прессования теплообмен на границе G4 происходит за счет кондуктивно-го теплопереноса из материала пресс-формы в металлический стол. Поскольку, как показывает опыт, нижняя поверхность стола, на котором стоит пресс-форма, нагревается незначительно, то ее температуру можно принять равной температуре окружающей среды Т0 и считать не изменяющейся в ходе протекания процесса. Температура же верхней части стола изменяется во времени и равна температуре наружной границы пресс-формы (G4). В этом случае возможно использование коэффициента теплоотдачи, который рассчитывается следующим образом: а4 = Xs/5s, где Xs и 5s — коэффициент теплопроводности и толщина стола соответственно.

В данной работе рассматривается первая стадия — горения-задержки. На стадии горения-задержки приняты следующие допущения.

1. Зависимость коэффициентов теплопроводности и теплоемкости от температуры подчиняется линейному закону [8, 9]: X = X0(1 + аТ), с = с0(1 + аТ).

2. Фронт горения плоский, температура во фронте постоянная Тс = const, движение фронта равномерное со скоростью Uc = const. Скорость горения Uc и температура горения Тс для СВС-мате-риалов довольно надежно определяются из эксперимента в условиях технологической установки.

3. Учитывая осесимметричность рассматриваемой области, можно считать, что температура является функцией двух координат — радиуса r, высоты Z и времени t: Т = T(r, z, t).

При изложенных выше предпосылках исследуемый процесс на стадии горения-задержки может

Здесь индекс 1 соответствует пресс-форме, 2 — образцу, а а,- — коэффициенты температуропроводности образца (/ = 2) и пресс-формы (/ = 1) соответственно.

Граничные условия имеют следующий вид.

На границе 01 (рис. 1):

дТ дТ

Т = Т2, -Х1 ( Т) дТ = -Х2( Т) .

дп дп

На границах пресс-форма—воздух 02, 03: Т

-Х1(Т)дТ = а2,з(Т - Т0), п

где а23 — коэффициенты теплоотдачи от пресс-формы на границах Оъ 03 соответственно. Коэффициент теплоотдачи от вертикального цилиндра в воздух а2 = 1.215(ДТ/Ь)0-25, где ДТ — перепад температуры по толщине стенки, Ь — высота цилиндра. Для конвективного теплообмена от горизонтальных горячих пластин (верхнее и нижнее основания пресс-формы) имеем следующие зависимости: 1) для горячих пластин, обращенных вверх (верхнее основание пресс-формы): а3 = 1.130(ДТ/Б)а25; 2) для горячих пластин, обращенных вниз (нижнее основание пресс-формы): а4 = 0.503(ДТ/Б)025, где Б — диаметр основания пресс-формы (наружный диаметр пресс-формы).

В нашем случае объектом рассмотрения является одностороннее прессование, поэтому на линии раздела пресс-форма-стол граничное условие Т

имеет вид: — Т) —1 = а4(Т1 — Т0). п

Начальные условия имеют следующий вид:

t = 0, T] = To, T2 =

' To, z<5 + Ho Tc, 5 < z <5 + 6,

где 6 — малая величина, которая выбирается из условия возможности начать численный счет.

Уравнение движения фронта горения: z* = 8 + ысХ.

На фронте задано условие: Т(г, z*, z* /ис) = Тс.

Дифференциальные уравнения, начальные и граничные условия приводились к безразмерному виду. Поставленная задача решалась методом конечных разностей по четырехточечной разностной схеме [10]. Каждое из уравнений (1) и (2) расщепляется на два и представляется в конечно-разностном виде. Полученные разностные уравнения решались

I

t, с

Рис. 2. Зависимость безразмерной температуры Н в образце от времени (Б = 6.5 х 10-2 м, Н0 = 5 х 10-2 м; tíj = 2 с; ис = 2 х 10 м/с) Сплошная линия — расчет по математической модели, пунктирная линия — эксперимент.

методом прогонки в однослойных областях и методом сквозной прогонки в двухслойных областях.

ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Проверка адекватности модели проводилась на основе сопоставления экспериментальных данных и результатов расчетов по математической модели [11-13].

Сравнение результатов тепловой модели и экспериментальных данных проводилось по температуре в образце (состав на основе дисилицида молибдена) и в стенке пресс-формы (рис. 2).

Из анализа рис. 2 следует, что в течение всего процесса обе кривые имеют не только одинаковый качественный вид, но и хорошо согласуются количественно. При увеличении времени выдержки далее должно следовать охлаждение корпуса пресс-формы. Рассогласование расчетных и экспериментальных данных составляет 5%.

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В ОБРАЗЦЕ И СТЕНКЕ ПРЕСС-ФОРМЫ

Далее проводился многовариантный численный счет, были получены графические зависимости, отражающие температурное состояние системы в материале и по толщине стенки с учетом реальных условий процесса и времени. На рис. 3а, 3б показаны температурные распределения по образцу и толщине стенки пресс-формы в момент времени сразу после прохождения волны горения по материалу и после 20 с. Из графиков видно изменение температуры всей системы образец-пресс-форма во времени. В начальный момент времени ^ = 2.5 с) стенка прогревается на небольшую глубину и температура с внешней стороны пресс-формы равна температуре окружающей среды. На рис. 3б изображено распределение температур в момент остывания системы. Видно, что максимальные температуры сосредоточены внутри образца. Наличие более пологой поверхности говорит о распределении тепла по системе и прогреве стенки пресс-формы.

На рис. 4 показано распределение температуры в стенке пресс-формы по радиусу и высоте для разных скоростей горения. Очевидно, что наиболее высокие температуры сосредоточены на внутренней стороне стенки со сто

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком