Навігація
Головна
ПОСЛУГИ
Авторизація/Реєстрація
Реклама на сайті
 
Головна arrow Природознавство arrow Теорія і технологія пресування порошкових матеріалів
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

Пресування порошків прокаткою

Закономірності пресування прокаткою

Суть методу пресування порошків прокаткою полягає в їх ущільненні, коли вони гравітаційно або примусово поступають з бункера між валки, що обертаються назустріч один одному (рис. 109). При цьому, як і при статичному пресуванні, в прес-формах відбувається зміна властивостей порошкового матеріалу, який перетворюється з сипкого на компактний, що має певні характеристики міцності.

Схема прокатки

Рисунок 109 – Схема прокатки

Процес прокатки порошків можна розглядати як процес їх безперервного пресування. На відміну від прокатки компактних матеріалів, при прокатці порошків не дотримується закон сталості об'єму матеріалу, який прокатується.

При прокатці порошкового тіла його об'єм зменшується. В той же час дотримується закон сталості маси:

(6.1)

де Z – відношення щільності сирого прокату до щільності утруски порошку, що називається коефіцієнтом ущільнення;

- лінійні розміри об'єму ущільнюваного матеріалу відповідно до і після пресування.

Останнє рівняння можна записати так: або після логарифмувань

(6.2)

Таким чином, при пресуванні порошків сума логарифмічного ступеня ущільнення матеріалу і логарифмічного ступеня деформації за трьома взаємно перпендикулярними напрямами дорівнює нулю.

У практиці й теорії пресування порошків прокаткою важливими є також коефіцієнт спресовування

(6.3)

де- товщина шару порошку на початку зони ущільнення і товщина “сирої” стрічки;

та коефіцієнт витяжки (6.4)

де- довжина елементарного об'єму після проходження зони ущільнення;

- довжина елементарного об'єму порошку на початку зони ущільнення.

Процес пресування порошків прокаткою можна розбити на два етапи. Перший, так званий несталий період саморегулювання, може продовжуватися аж до повороту валків на 120-180°. У цей період відбувається збільшення повного тиску матеріалу на валки, що призводить до пружної деформації елементів робочої кліті стану і зміни зазору між валками. При цьому постійно збільшуються товщина і щільність прокату.

Другий етап, що відповідає сталому процесу ущільнення, своєю чергою може бути розділений на три підетапи. На першому відбувається транспортування порошку як гравітаційно, так і валками в зону ущільнення. У зв'язку з цим важливого значення при ущільненні набуває текучість порошку. Тому при відпрацюванні технологічних процесів треба особливу увагу звертати на особливості вільного витікання порошку з бункера, оскільки останнє визначає об'ємні витрати (лінійну швидкість) порошку, від якої своєю чергою залежить колова швидкість валків, яка повинна бути узгоджена зі швидкістю руху порошку. Інакше безперервність процесу спресовування порошку порушується.

Транспортний ефект валків залежить від сили тертя між порошком і їх поверхнею. Найбільше захоплення порошку валками спостерігається при Н > D (рис. 110). У разі потреби зменшення товщини стрічки і її щільності забезпечують //</), коли транспортний ефект валків практично виключається.

На другому підетапі під дією валків, що обертаються, відбувається структурна деформація порошку, тобто щільніше укладання частинок порошків без їх деформації, зміна щільності порошкового тіла від насипної до щільності утруски. При цьому на щільність мають істотний вплив властивості порошків – розмір частинок порошків і їх форма, гранулометричний склад, стан поверхні тощо.

І, нарешті, на третьому підетапі відбувається остаточне формування властивостей прокату. При цьому процес характеризується пружними і пластичними деформаціями частинок порошку і. як результат, утворенням якісного контакту між ними, що визначає кінцеві властивості прокату (щільність, міцнісні властивості, товщина тощо). На третьому підетапі ущільнення відбунається зміна щільності від щільності утруски до щільності сирої стрічки з урахуванням явищ пружної післядії.

Товщина прокату, його щільність й інші властивості формуються в результаті взаємодії багатьох чинників, які впливають на процес пресування. Ці чинники можна розділити на дві групи: геометричні та фізико-механічні.

Геометричні: 1 – кутові параметри (рис. 110) (початковий кут. кут прокатки . кут спресовування . нейтральний кут. кут пружного стиснення ватів ); 2 – діаметр валків D: 3 – розчин валіків: 4 – товщина сирого прокату ; 5 – ширина прокату В : б – початкова товщина Н.

Фізико-механічні: І – насішна маса порошку; 2 – маса утруски порошку: 3 – хімічний склад порошку ; 4 – грануломе-

Основні кутові параметри прокатки порошків

Рисунок 110 – Основні кутові параметри прокатки порошків

тричний склад порошку, 5 – текучість порошку; б – форма частинок порошку, 7 – швидкість ущільнення; 8 – стан робочої поверхні валків; 9 – жорсткість робочої кліті стану; 10 – в'язкість газового середовища прокатки; 11- напрямок прокатки.

Кутові параметри разом з іншими використовуються для аналізу й опису механізму ущільнення порошкових матеріалів.

Під початковим кутом мається на увазі кут, який визначається дозуючим пристроєм. Початковому кугу відповідає товщина подачі порошку. Зазвичай зміна початкового куга призводить до зміни властивостей прокату, насамперед його товщини і щільності. Так, при збільшенні початкового кута щільність і товщина прокату збільшуються, оскільки збільшується транспортний ефект валків за рахунок збільшення площі їх контакту з порошком. Проте слід зазначити, що при досягненні певних максимальних значень початкового кута щільність і товщина практично перестають змінюватися, тобто має місце граничний початковий кут, перевищення якого недоцільне.

Кутом прокатки називається кут, довжина дуги якого слугує основою епюри тиску пресування. Починаючи з куга прокатки, щільність порошкового матеріалу змінюється від щільності утрускидо щільності сирої стрічки. При цьому перетин, який визначається цим кутом, відділяє область спресовування від попередньої області подачі порошку.

Кут прокатки визначають за формулою

(6.5)

де- товщина стрічки;

R – радіус валків;

- щільність стрічки;

- коефіцієнт витяжки;

- щільність утруски.

Кутом спресовування асп називається центральний кут, який відповідає перетину розділу між сипким і спресованим валками матеріалом у зоні деформації.

Нейтральний кут у визначає перетин, у межах якого епюра сил тертя міняє знак.

Кут пружного стиснення валів (Х,т характеризує збільшення довжини зони деформації за рахунок пружної деформації валків.

Кут стабілізації процесувизначається кутом, початкового повороту валків, після якого процес встановлюється, тобто характеристики прокату стають постійними.

Як наголошувалося раніше, характеристики сирого прокату, перш за все його щільність і товщина, формуються в результаті взаємодії всіх геометричних і фізико-механічних параметрів, аналітичний опис впливу яких на процес прокатки на сьогодні достатньо не вивчений. Особливо утруднений аналітичний опис впливу фізико-механічних параметрів.

У зв'язку з тим, що основними контрольованими характеристиками прокату є його товщина і щільність, далі зупинимося на впливі різних факторів на їх формування при прокатці.

Товщина стрічки за інших однакових умов залежить від початково встановленого зазору між валками. При цьому, як правило, товщина прокатної стрічки більша, ніж ширина зазору, і збільшується з його збільшенням, тобто має місце залежність, показана на рисунку 111.

Нахил прямих на вказаних залежностях визначається жорсткістю конструкції робочої кліті прокатного стану. Аналітично наведені залежності можуть бути описані за допомогою рівняння

(6.6)

де- товщина готового прокату;

- початкова товщина прокату;

- кутовий коефіцієнт;

т – стала.

Залежність товщини стрічки від розчину валків

Рисунок 111 – Залежність товщини стрічки від розчину валків

Кутовий коефіцієнт tgcp характеризує жорсткість конструкції прокатного стану і не залежить від умов прокатки і властивостей вихідних порошків. Жорсткість конструкції може бути охарактеризована коефіцієнтом жорсткості

(6.7)

який визначає пружні деформації кліті стану

(6.8)

де- початковий розчин валків;

р – повний тиск.

Стала т визначається експериментально й залежить від властивостей вихідних порошків, напрямку, швидкості прокатки й інших чинників, що впливають на формування властивостей прокату. У зв'язку з цим слід зазначити, що збільшенню товщини стрічки сприяє збільшення початкового кута за рахунок збільшення об'єму порошку, який захоплюється валками. Такий же результат дає збільшення діаметра валків та зменшення коефіцієнта ущільнення і витяжки. Залежність між вказаними параметрами і товщиною прокату може бути виражена так:

(6.9)

де- початковий кут;

D – діаметр валів;

- коефіцієнт витяжки;

Z – коефіцієнт ущільнення.

Серед властивостей порошків помітно впливають на товщину прокату розмір частинок і їх форма, тобто ті властивості, які в основному визначають текучість порошку, його насипну щільність. Зі збільшенням текучості порошків збільшується кількість матеріалу, що поступає в зону деформації, що і призводить до збільшення товщини прокату. Прямо пропорційна залежність також спостерігається між товщиною стрічки і насипною щільністю порошку, який прокатується:

(6.10)

Таким чином, використовуючи вихідні порошки з різним розміром частинок і формою, можна регулювати товщину прокату. Проте висловлені припущення стосуються випадку гравітаційної подачі порошків у зону ущільнення. Збільшенню товщини прокату, а також його щільності сприяють також примусова подача порошків, зменшення в'язкості середовища прокатки, зміна шорсткості поверхні валів, вакуумування процесу тощо. На впливі цих чинників ми зупинимося далі.

При пресуванні важливим є встановлення залежності щільності прокату від різних параметрів. У зв'язку з різноманіттям чинників, що мають вплив на щільність прокату, можливий емпіричний підхід до її визначення. За Виноградовим зв'язок між щільністю прокату і його товщиною може бути виражений рівнянням

(6.11)

де С – емпіричний коефіцієнт, що характеризує сумарну дію всіх геометричних і фізико-механічних параметрів процесу прокатки порошків.

Можна також використовувати залежність безрозмірних величин – відносної щільності і відносної товщини прокату :

(6.12)

де І)(R) – діаметр (радіус) валків.

Графічний вигляд цих залежностей для випадків прокатки різних матеріалів показаний на рисунку 112. Для більшості умов прокатки металевих порошків коефіцієнти С іможуть бути визначені як

або (6.13)

Важливою в практиці прокатки є здатність до ущільнення порошків, тобто залежність щільності прокату від тиску на валки. Згідно з Каташинським, ця залежність має вигляд

(6.14)

де- щільність утруски;

- максимальний тиск на валки;

- емпіричні коефіцієнти.

Знаючи цю залежність, можна визначити тиск, необхідний для пресування прокату заданої щільності, або загальне зусилля, необхідне для силового розрахунку устаткування.

Залежність відносної щільності прокату з різних матеріалів від його відносної товщіни

Рисунок 112 – Залежність відносної щільності прокату з різних матеріалів від його відносної товщіни

Поняття pmax витікає з того, що епюри тиску пресування при прокатці порошків мають максимум. Тиск, починаючи з кута пресування, спочатку плавно наростає до максимуму (рис. 113). а потім різко спадає до нуля. При цьому щільність прокату змінюється у вогнищі деформації за кривою 2 (рис. 113). Щільність прокату змінюється від щільності утруски до щільності сирої стрічки в точці дії максимального тиску і надалі практично не змінюється. Таким чином. щільність прокату виявляється сформованою не на виході з валків, а в нейтральному перетіші. де тиск пресування досягає максимуму. Вихід епюри тиску пресування за лінію центрів валків обумовлений пружним стисненням ваші в.

Між максимальним і середнім тиском на валках має місце пропорційна залежність:

(6.15)

де- коефіцієнт пропорційності, який залежить від швидкості прокатки, матеріалу порошку, товщини прокату і змінюється в межах 0,35-0,55. Для відносно тонкого прокату, для високопористого прокату, а також для порошків з високою щільністю утруски

З іншого боку, зв'язок між середнім тиском, щільністю прокату і щільністю утруски вихідних порошків можна описати так:

(6.16)

Своєю чергою повний тиск на валках, який має важливе значення при розрахунках деталей прокатного стану на міцність, за Виноградовим можна визначати таким чином:

(6.17)

де В – середня ширина прокату в зоні деформації;

- товщина порошку на початку зони ущільнення;

- коефіцієнт спресовування;

- коефіцієнт тертя;

- величина, яка дорівнює;

- кут прокатки,

- нейтральний кут;

R – радіус валів;

- кут пружного стиснення валків.

Зміна тиску (7) і щільності (2) прокату в зоні деформації

Рисунок 113 – Зміна тиску (7) і щільності (2) прокату в зоні деформації

Для побудови діаграм ущільнюваності при прокатці важливо визначити максимальний тиск на валках за допомогою точкових месдоз з автоматичним записом значень тиску. Залежність щільності стрічки від ртах зазвичай має вигляд, показаний на рисунку 113. На першій стадії ущільнення до відносної щільності 0,5-0,6 ущільнення відбувається за рахунок структурної деформації (більш щільного укладання частинок порошків при їх взаємному переміщенні). При цьому, як і при пресуванні в прес- формах, велике значення мають такі властивості порошків, як розмір частинок, гранулометричний склад, форма частинок порошків і стан їх поверхні. При цьому контактна поверхня збільшується не дуже значно.

На другій стадії у межах відносної щільності 0,6-0,8 ущільнення відбувається за рахунок заповнення крупних пор матеріалом частинок унаслідок деформації їх приконтактних областей. На третій стадії до відносної щільності вище 0,8-0,85 ущільнення відбувається в основному за рахунок деформації всього об'єму частинок. На цій стадії основний вплив на процес ущільнення мають матеріал частинок, ступінь його деформаційного зміцнення й інші характеристики міцності.

При прокатці пластичних матеріалів легко може бути досягнута відносна щільність, близька до одиниці (0,98 при прокатці міді приМПа). В той же час при прокатці порошків заліза така щільність не досягається навіть приМПа (рис. 114, 2). Ще нижча щільність досягається при прокатці порошкових сумішей, що містять в своєму складі тверді компоненти (рис. 114, 3, 4). Останнє свідчить про те, що в цьому випадку в основі процесу ущільнення при плющенні лежить пластична деформація. Наявність твердих частинок блокує цю деформацію, що перешкоджає отриманню високої щільності.

При прокатці велика увага приділяється формованості порошків, яка визначає властивості міцності сирого прокату. У цьому відношенні бажаною є розвинена поверхня частинок, оскільки механічне зчеплення між частинками порошку при формуванні властивостей міцності прокату має важливе значення. Крім того, частинки правильної (округлої) форми схильні до меншого ступеня деформації порівняно з частинками дендритної або голчастої форми. У зв'язку з цим при прокатці краще використовувати порошки, одержані гідрометалургійними методами або відновленням. При цьому велике значення має розмір частинок порошків. Існує граничний максимальний розмір частинок порошків, при яком} прокат не формується. У першому наближенні він розраховується так:

(6.18)

де п – число частинок, що укладаються по ширині перетину прокатки.

Залежність відносної щільності прокату від при прокатці порошків

Рисунок 114 – Залежність відносної щільності прокату відпри прокатці порошків

Окрім розглянутих чинників, що впливають на формування властивостей прокату (перш за все його товщини і щільності), важливе значення має швидкість прокатки. Підвищення швидкості прокатки – одна з основних задач при розробці технологічних процесів. Проте швидкість прокатки часто доводиться обмежувати унаслідок причин, які розглянемо далі. Одна з умов безперервної прокатки при гравітаційній подачі порошків у зону ущільнення є визначення оптимальних швидкостей. Зазвичай повинна виконуватись нерівність

(6.19)

де V – оптимальна швидкість прокатки.

Мінімальна швидкість прокатки визначається з умови, що маса стрічки повинна бути більшою за масу порошку, що вільно просипається в зазор між валками, тобто

Маса порошку, що йде на формування стрічки на одиниці її ширини за одиницю часу:

(6.20)

де- лінійна швидкість прокатки.

Маса неспресованого порошку, що просипається в зазор між валками через перетин:

(6.21)

де- функція сипучості порошку залежно від товщини прокату.

Підставивши значенняв нерівність, можна знайти мінімальну швидкість прокатки

(6.22)

де- ступінь ущільнення.

Максимальна швидкість прокатки за Г.І. Аксеновим визначається, виходячи з того, що надходженню порошку в зону ущільнення перешкоджає повітря (або інше газове середовище прокатки), що витискується з простору між частинками при їх ущільненні в зоні деформації в напрямку, протилежному прокатці:

(6.23)

де к – коефіцієнт проникності порошку,

- надлишковий тиск газу, дин/см2; h – висота шару порошку, см;

- в'язкість газу, пз;

- початковий кут, град;

- тиск, відповідний появі перших ознак підвищення рівня порошку при продуванні стислого повітря через циліндровий стакан висотою;

Z – ступінь ущільнення порошку.

Виникнення струменів повітря в напрямку, протилежному прокатці, створює лобовий опір (лобовий тиск), який перешкоджає руху частинок порошку в зону деформації. Цей тиск може бути оцінений за формулою

(6.24)

де- емпіричний коефіцієнт, залежний від форми частинки, її положення і характеру руху повітряного потоку,

F – площа поперечного перерізу частинки, нормального до напрямку и руху, м ;

- густина газу, кг/м3;

- швидкість руху газу, м/с;

- швидкість руху частинок порошку, м/с.

Лобовий опір зростає зі збільшенням швидкості прокатки за рахунок більшої кількості газу, що витискається з міжчастин-

кового простору за одиницю часу. В результаті збільшується швидкість газового потоку. Вказані явища за великих швидкостей прокатки призводять до зменшення товщини і щільності прокату (рис. 115). За певної критичної швидкості прокатки можливе значне зниження щільності прокату в середній його частині або порушення його суцільності.

У розглянутих явищах важливу роль грає розмір частинок порошків. Так, при прокатці дрібних порошків, що мають низьку газопроникність, максимально допустима швидкість прокатки менша, ніж при прокатці крупних порошків.

При цьому для дуже тонких порошків, наприклад олова та міді, розрахункові значення максимальної швидкості прокатки можуть виявитись більшими за максимальну швидкість. Такі порошки при їх гравітаційній подачі в зону деформації не прокатуються. У цьому випадку необхідно застосовна™ горизонтальну прокатку з використанням підкладок (рис. 116. 5) або збільшувати газопроникність порошків за рахунок їх конгломерування.

Істотний видив на максимально допустиму швидкість прокатки. а також товщин} і щільність прокату мають в'язкість і густина газового середовища. Зі збільшенням в'язкості газу максимальна швидкість прокатки Vmax повинна зменшуватись. Зменшуються також щільність стрічки і її товщина (табл. 37).

Залежність товщини її) і щільності (5) прокату з порошку нікелю при рівні засипки в бункері 60 мм

Рисунок 115 – Залежність товщини її) і щільності (5) прокату з порошку нікелю при рівні засипки в бункері 60 мм

Таблиця 37 – Вплив в'язкості газу на товщину прокату з порошку нікелю

Газ

η-КГ6, пз

Товщина стрічки, мм

Водень

87

0,59

Вуглекислота

148

0,46

Азот

175

0,40

Повітря

187

0,38

Аргон

222

0,29

Найвищі значення товщини і щільності прокату досягаються при прокатці у вакуумі, що вказує на істотний вплив газового середовища прокатки.

У міру зменшення розмірів частинок, підвищення швидкості прокатки, в'язкості газів роль газового середовища зростає і за певних умов може виявитися переважаючою.

Як наголошувалося раніше, певний вплив на характеристики прокату має стан поверхні валків з погляду чистоти обробки їх поверхні. Оптимальною вважається поверхня, яка має чистоту, відповідну 9-10 класу. Як правило, збільшення шорсткості валків сприяє збільшенню товщини і щільності прокату. Останнє зумовлене тим, що в цьому випадку збільшується кількість порошку, який поступає в зону деформації за рахунок збільшення сили тертя між порошком і поверхнею валків. Важливо щоб поверхні обох валків мали однакову чистоту. При недотриманні цієї умови на ділянках, які мають більшу шорсткість, щільність прокату виходить вища, ніж на менш шорстких ділянках. Останнє сприяє виникненню браку при спіканні – викривленню (серпоподібності), зміні товщини по довжині тощо.

 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Банківська справа
БЖД
Бухоблік та Аудит
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Менеджмент
Нерухомість
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
РПС
Соціологія
Статистика
Страхова справа
Техніка
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси