Оптимизация аппаратурно-технологического оформления высокотемпературного синтеза материалов на основе моделирования нестационарных тепловых процессов - Автореферат

Стремительное развитие технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) обусловлено ее неоспоримыми преимуществами по сравнению с альтернативными вариантами (печной и плазмохимический синтез, спекание и горячее прессование, литье и наплавка и др.): использование естественной тепловой энергии; простота и надежность аппаратурно-технологического оформления процесса формования продуктов СВС твердосплавных материалов благодаря отсутствию внешних источников тепла; высокая скорость процессов, связанная с саморазогревом шихты в волне горения; послойный характер выделения тепла и, как следствие этого, возможность повышения единичной мощности технологического оборудования. Традиционные методы прочностного расчета термонагруженных цилиндрических корпусов технологического оборудования используют допущение о линейности температурного профиля в стенке и постоянстве перепада температур в ходе всего процесса СВС. Наложение в ходе формования силовых и температурных нагрузок на конструкционный материал пресс-формы, нестационарность тепловых процессов и качественно различный уровень градиента температуры в стенке требуют детального изучения напряженно-деформированного состояния элементов пресс-формы. Проектно-конструкторские решения при проектировании технологической оснастки процесса формования продуктов СВС твердосплавных материалов принимаются в условиях неопределенности, связанных с неполнотой имеющейся информации, с неточным описанием (моделированием) тепловых режимов процесса, использованием упрощенных методик расчета конструктивных параметров установки. Проведены комплексные исследования нестационарных тепловых процессов и температурных полей в элементах технологической оснастки самораспространяющегося высокотемпературного синтеза твердосплавных материалов, выявлены их особенности и исследовано влияние нестационарных тепловых режимов процесса СВС на распределение термоупругих напряжений в стенке пресс-формы.Рассмотрены подходы к моделированию основных стадий процесса формования продуктов СВС, позволяющие выявить значимые факторы и оптимизировать технологические переменные процесса и конструктивные параметры оснастки, значения которых определяются на основе результатов расчета температурных полей в прессуемом материале и элементах технологической оснастки. При построении данной модели принимались следующие допущения: 1) физические параметры прессуемого материала и элементов технологической оснастки принимаем постоянными, отнеся их к некоторой средней в процессе остывания температуре Тср; 2) фронт горения плоский, температура во фронте постоянная Тг = const; 3) движение фронта равномерное со скоростью Uг = const; 4) конвективными и массообменными эффектами за фронтом пренебрегаем. Анализ позволил установить, что: 1) стадии процесса формования продуктов СВС твердосплавных материалов кратковременны (десятки секунд), вследствие чего имеет место нестационарность тепловых режимов процесса; 2) в научной и технической литературе практически отсутствует информация о способах расчета корпусов, работающих при краткосрочном воздействии высоких температур под воздействием избыточного давления; 3) для формования продуктов СВС твердосплавных материалов актуальна проблема снижения размеров, металлоемкости технологической оснастки; 4) подход к тепловому и прочностному расчету оборудования для формования продуктов СВС, основанный на математическом моделировании температурных полей в материале и элементах технологической оснастки является новым и перспективным для технологии СВС. Для исследуемого твердосплавного материала марки СТИМ-2А был проведен ряд вычислительных экспериментов по исследованию влияния времени задержки на температуру в стенке пресс-формы с целью выявления: зависимости температуры в стенке от времени задержки, неравномерности распределения температуры по радиусу пресс-формы, наиболее нагруженных в тепловом отношении участков пресс-формы. Рассчитанные по IV теории прочности эквивалентные напряжения ?экв определяются: давлением на пресс-форму; толщиной стенки корпуса пресс-формы; температурным перепадом по толщине стенки пресс-формы, т.е.

Основное содержание работы