Використання воднево-кисневого полум’я для напилення покриттів - Автореферат

Використання для процесів газополуменевого нанесення покриття воднево-кисневого полумя - екологічно чистого і відновлюваного джерела енергії, викликає цікавість, тим більше, що використання електролізно-водяних генераторів (ЕВГ) дозволяє отримувати пальну суміш безпосередньо на робочому місці, що значно зменшує транспортні витрати, відкидає необхідність в балонному господарстві і робить використання воднево-кисневої суміші економічно конкурентноспроможною у порівнянні з іншими газовими пальними сумішами. визначено межі переходу від ламінарного до турбулентного характеру течії продуктів горіння; факел покриття кисневий горіння визначено розподілення температур по довжині факелу в залежності від характеру горіння і складу пальної суміші та вплив цих показників на довжину ефективного температурного інтервалу, в якому може відбуватись нагрівання частинок порошку, що напилюється, до температури плавлення за рахунок конвективного теплообміну; визначено швидкість струменю продуктів горіння полумя в залежності від характеру течії і складу пальної суміші та вплив її на швидкість частинок напилюваного порошку в газовому потоці; з врахуванням теплових та кінетичних характеристик струменю продуктів горіння ВКС та ВКС з парами вуглеводневих сполук визначено оптимальні умови для процесу напилення порошків з різною температурою плавлення; Обєкт досліджень - процес газополуменевого напилення покриття з використанням в якості джерела енергії воднево-кисневого полумя, отриманого при спаленні суміші, що виробляється електролізно-водяним генератором.При цьому змінюються геометричні розміри факелу і відповідно розподілення швидкості течії струменю та температури по довжині факелу полумя, інтенсивність теплообміну між продуктами горіння і порошковим матеріалом, що має суттєве значення при напиленні покриття. З точки зору нагрівання частинки порошкового матеріалу в потоці продуктів горіння ВКС представляє інтерес, враховуючи теплопровідність суміші, в складі якої основним компонентом є водень, який в декілька разів перевищує теплопровідність інших газів. Для оцінки характеру течії струменю продуктів горіння визначалась середня швидкість витікання газового потоку на зрізі сопла пальника, яка залежить від діаметру вихідного отвору пальника, витрат пальної суміші і оцінювалась числом Рейнольдса. Для розрахунку швидкості течії продуктів горіння по довжині факелу використовували відоме з технічної термодинаміки рівняння, яке враховує напірний тиск і температуру газового потоку на кожній із ділянок факелу. Враховуючи це, довжина ефективного температурного інтервалу факелу полумя для матеріалів, що плавляться при температурі біля 1000 0С визначається ізотермою температури 1250 0С, для матеріалу з температурою плавлення 1200 0С ізотермою температури біля 1500 0С.Розроблено алгоритм вирішення задачі по визначенню витрат порошку для заданої теплової потужності полумя, яке регламентується витратами пальної суміші і геометричними розмірами сопла пальника з врахуванням ламінарного характеру течії продуктів горіння для різного складу пальної суміші. А також зворотньої задачі визначення геометрії сопла для заданої продуктивності напилення, яка характеризується витратами порошку при витратах суміші, які забезпечує ламінарний характер течії продуктів горіння. Встановлено, що для напилення пальником “ЕВРО-ДЖЕТ XS-7” при діаметрах сопел Ж 1,6; 2,0; 2,2 мм з ламінарним характером течії продуктів горіння, оптимальні витрати пальної суміші становлять : ВКС 0,6-0,7 м3/год, ВКС 5,5% парів бензину 0,4-0.72 м3/год, ВКС 16% парів спирту 0,6-0,9м3/год.Встановлено, що добавки у ВКС парів вуглеводневих сполук, зміщують межу переходу від ламінарного до турбулентного характеру течії продуктів горіння, в сторону менших критичних швидкостей витікання струменю з отвору пальника, від 70 м/с для чистої ВКС, (що відповідає числу Re » 3500), до 65 м/с при додаванні у ВКС парів етилового спирту, (що відповідає числу Re » 3200), та до 50м/с при добавках парів бензину, (що відповідає числу Re » 3000). В залежності від складу пальної суміші та характеру течії струменю продуктів горіння воднево-кисневого полумя змінюється довжина ефективних температурних інтервалів, в яких можливе нагрівання порошку, що напилюється, до температури плавлення. Так при спаленні ВКС, для даних умов досліджень, в межах ламінарної течії продуктів горіння, теплова потужність полумя змінюється в межах від 2,5 до 4,7 МДЖ/год, а при турбулентному характері течії продуктів горіння від 4,7 до 7,4 МДЖ/год. Додавання в ВКС 5,5% парів бензину збільшує теплову потужність полумя, в межах ламінарного характеру течії приблизно в 2,6 і при турбулентному 2,8 разів, порівняно з полумям чистої ВКС. При турбулентному характері течії продуктів горіння пальних сумішей на робочій ділянці факелу існує тільки дві зони : зона розгону, яка значно менша порівняно з ламінарним характером течії, та зона стабільного руху частинки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. Встановлено, що добавки у ВКС парів вуглеводневих сполук, зміщують межу переходу від ламінарного до турбулентного характеру течії продуктів горіння, в сторону менших критичних швидкостей витікання струменю з отвору пальника, від 70 м/с для чистої ВКС, (що відповідає числу Re » 3500), до 65 м/с при додаванні у ВКС парів етилового спирту, (що відповідає числу Re » 3200), та до 50м/с при добавках парів бензину, (що відповідає числу Re » 3000).

2. В залежності від складу пальної суміші та характеру течії струменю продуктів горіння воднево-кисневого полумя змінюється довжина ефективних температурних інтервалів, в яких можливе нагрівання порошку, що напилюється, до температури плавлення. Довжина температурних інтервалів з температурами вище 1250...1500 0С, більша при турбулентному характері горіння, але вона не достатня для розплавлення порошкового матеріалу з температурою плавлення 1000...1500 0С. Довжина ефективного температурного інтервалу, в якому можливе розплавлення порошків з температурою плавлення до 1000 0С, більший при ламінарному характері горіння. Добавки у ВКС вуглеводневих сполук збільшують довжину цих температурних інтервалів в полумї.

3. При використанні воднево-кисневого полумя в якості джерела нагрівання необхідно враховувати, що при різних характерах горіння змінюються витрати пальної суміші, відповідно і теплова потужність полумя. Так при спаленні ВКС, для даних умов досліджень, в межах ламінарної течії продуктів горіння, теплова потужність полумя змінюється в межах від 2,5 до 4,7 МДЖ/год, а при турбулентному характері течії продуктів горіння від 4,7 до 7,4 МДЖ/год. Додавання в ВКС 5,5% парів бензину збільшує теплову потужність полумя, в межах ламінарного характеру течії приблизно в 2,6 і при турбулентному 2,8 разів, порівняно з полумям чистої ВКС. При додаванні в ВКС 16% парів етилового спирту теплова потужність полумя відповідно збільшується в 1,7 і 2,4 разів.

4. Визначено, що при ламінарній течії продуктів горіння сумішей, в межах робочої дистанції напилення, для розглянутих порошків, існують три зони руху: зона розгону частинки, зона стабільного руху та зона гальмування частинки. При турбулентному характері течії продуктів горіння пальних сумішей на робочій ділянці факелу існує тільки дві зони : зона розгону, яка значно менша порівняно з ламінарним характером течії, та зона стабільного руху частинки. Встановлено, що частинки порошкового матеріалу, досягають більшої швидкості при ламінарному характері течії продуктів горіння за рахунок більшої зони розгону. Добавки в суміш ВКС 5,5% парів бензину збільшують максимальні швидкості частинок у потоці порівняно з чистою ВКС на 10 -30 %.

5. Визначено,що напилення порошкових матеріалів з температурою плавлення до 1000 ОС можливе при використанні ламінарного характеру течії продуктів горіння суміші ВКС з добавками вуглеводневих сполук. В цьому випадку при дистанції напилення 250-300 мм і використанні порошку міді грануляцією 20…40 мкм можна отримати міцність зчеплення покриття з основою не нижче 30 МПА і пористістю не вище 3-4 %.

При використанні самофлюсуючих порошкових матеріалів на основі нікелю, при тих же умовах напилення, міцність зчеплення покриття-основа становить 14-15 МПА і загальна пористість 8 %. Для підвищення механічних властивостей покриття, після напилення необхідно оплавлення.

Напилення порошкових матеріалів з температурою плавлення в інтервалі температур 1250-1500 ОС можливе тільки при використанні екзотермічних порошків грануляцією 20...40 мкм і ламінарного характеру течії продуктів горіння суміші ВКС 5,5% парів бензину та ВКС 16% парів спирту з дистанцією напилення 250-300мм. В цьому випадку міцність зчеплення покриття з основою при напиленні залізного порошку може досягати 20...22 МПА і пористістю 8...9 %.

6. Розроблено алгоритм вирішення задачі визначення параметрів режимів напилення з врахуванням ламінарного характеру течії продуктів горіння. Витрати пальної суміші, для даної моделі досліджень, становлять: ВКС 0,6-0,7 м3/год, ВКС 5,5% парів бензину 0,4-0,72 м3/год, ВКС 16% парів спирту 0,6-0,9м3/год. При цьому оптимальна продуктивність при напиленні порошком на основі заліза, становить від 0,9 до 1,2 кг/год, з порошків на основі нікелю від 0,5 до 0,75 кг/год . При напиленні кольорових металів на основі міді витрати порошку складають від 0,58 до 0,7кг/год.

1. Ю.С. Попиль, В.Н. Корж. Стабильность и ресурс работы электролизных водородно -кислородных генераторов //Автоматическая сварка .- 1998.- №5 -с. 64-66.

2. Ю.С. Попиль, В.Н. Корж. Опыт эксплуатации и ресурс работы электролизно-водяных генераторов //.Зб. наук. пр. присвячений 100-річчю механіко-машинобудівного і 50-річчю зварювального факультетів. Том IV. 1998, с. 362-365

3. В.М. Корж, Ю.С. Попіль, Е.О. Потєєв, М.П. Голубенко. Використання газів-замінників ацетилену при газополуменевому напиленні антикорозійного покриття.//Зб. наук. праць Українського державного морського технічного університету №6 Миколаїв 1999. с.35-43.

4. В.М. Корж, Ю.С. Попіль, В.Ю. Глухівський Дослідження теплових та кінетичних характеристик факелу воднево-кисневого полумя при напиленні покриття // Науково-виробничий журнал “Проблеми техніки”.- 2002. №2 с.61-66

5. В.М. Корж, Ю.С. Попіль Керування параметрами процесу горіння воднево - кисневого полумя при газополуменевий обробці матеріалів //Наукові вісті Національно технічного університету України “КПІ” - 2002.- №4 с.59-64.

6. В.Н. Корж, Ю.С. Попиль. Влияние углеводородных добавок на структуру водородно - кислородного пламени и распределение температуры подлине факела. // Автоматическая сварка.. - 2004.- №11с. -36-40.

7. Ю.С. Попиль, В.Н. Корж. Пайка режущего инструмента водородно- кислородным пламенем.// Автоматическая сварка. - 1995.- ? 10 - с.64-65.

8. V.N. Korzh Y.S. Popil’ N.V. Alexandrovskii Thermal Spraying of Using the Hydrogen-Oxygen Flame / 8th National Thermal Spray Conference and Exposition, Houston, Texas.1995. Р.11-14.

9. Корж В.Н., Попиль Ю.С., Табур В.А. Технологические возможности использования водородно-кислородного пламени для ремонтных работ /Технологи ремонта машин, механизмов и оборудования (Ремонт-99) Матер. межд. науч.техн. конф. с.70-71. Крым 1999.

10. Корж В.М., Попіль Ю.С., Потєєв Е.О. Технологічні можливості воднево-кисневого полумя при газополуменевій обробці матеріалів. /Сучасні технології та обладнання в газотермічних процесах відновлення та утилізації деталей машин і конструкцій. 1Українська наук-техн. конф. Тези доповідей. - Київ 1999. - с. 34.

11. Попіль Ю.С., Потєєв Є.О. Визначення умов стабільного горіння воднево-кисневого полумя / -I Всеукраїнська науково-технічна конференція молодих вчених та спеціалістів „Сварка и родственные технологии”, Тези доповідей м.Київ 22-24 травня 2001р. с. 54.

12.Корж В.М., Попіль Ю.С. Нанесення функціонального покриття газополуменевим способом з використанням воднево-кисневого полумя. Технология сварки в промышленности. / Матер.наук.конф.-Київ 2003.- с. 100-101. Особистий внесок здобувача: [1,2]- проведений аналіз застосування ЕВГ для газополуменевої обробки матеріалу (ГПОМ) та підвищення стабільності і ресурсу їх роботи, [3] - зроблено обґрунтування впливу технологічних параметрів напилення корозійностійких матеріалів на якісні показники покриття з використанням ВКП, [4]- проведено аналіз теплових і кінетичних параметрів ВКП, [5]- розроблені підходи керування параметрами потоку за рахунок додавання в ВКП парів вуглеводневих сполук, [6]- досліджені розподілення температури по довжині факелу в залежності від складу та характеру течії струменю продуктів горіння ВКП, [7] - розглянуті температурні поля при нагріванні ВКП металічних державок інструменту, [8]- досліджена будова ВКП в залежності від характеру течії, [9] - обґрунтовано застосування ВКП для деталей, які ремонтуються та виготовляються, [10]- приведені обґрунтування використання ЕВГ для різних видів ГПОМ, [11]- досліджені умови стабільного горіння ВКП, [12]- досліджено якісні показники покриття, напилених з використанням ВКП, порошковими матеріалами з різною температурою плавлення,