Теплофізичні властивості газів

Газ	Теплопровідність ^.10^2, Дж/(м'с'°С)	Динамічна в’язкість 10^6, Па'с	Щільність, кг/м^3	Параметр П
Повітря	2,56	18,1	1,293	6,83	5,53
Азот	2,57	17,4	1,250	6,91	5,72
Аргон	1,71	22,2	1,784	4,89	3,61
Гелій	14,75	19,4	0,178	14,04	10,04
Оксид вуглецю	2,46	17,7	1,250	6,56	5,34
Вуглекислий газ	1,61	14,6	1,97	5,92	4,78

Теплофізичні характеристики розплавів і газів-енергоносіїв впливають на час кристалізації τ_кр і охолодження τ_охол частинок рідини, що має визначальну роль у формоутворенні частинок. Отримання металевих порошків різної форми і розмірів є важливим завданням, оскільки форма частинок порошку впливає на основні технологічні властивості: насипну щільність, формування, пресування. Для керування процесом формоутворення під час розпилення потрібна інформація про фізико-хімічні фактори, що впливають на форму частинок, оскільки існує взаємозв’язок між цими факторами і механізмом формоутворення. Процес формоутворення треба пов’язувати з часом охолодження продуктів диспергування розплаву і часом їх сфероїдизації.

Якщо час сфероїдизації τ_сф менший за час охолодження τ_охол, то продукти диспергування встигають набути форми кулі. Якщо ж τ_сф більший за τ_охол, частинка розплаву зберігає деформовану форму, тобто частинки порошку будуть неправильної форми. Час охолодження краплі розпливу, протягом якого можлива її сфероїдизація:

τ_охол = τ^+ τ^^ (3.7)

де τ^ – час охолодження краплі рідини до температури початку кристалізації.

Цей час можна визначити за формулою

;

де , – відповідно початкова температура розплаву, температура початку кристалізації, °C; – температура дуття; τ^^ – час кристалізації, тобто час виділення прихованої теплоти кристалізації.

Час кристалізації визначають за формулою

,

де Q – питома теплота кристалізації, Дж/кг; q – питомий тепловий потік, Дж/(м²с), q = α_к(t _к – t _г).

Час сфероїдизації краплі оцінюється як час, необхідний для утворення кулі з пасма, що виникло в початковий момент диспергування під дією сил поверхневого натягу. О. С. Нечипоренко і Ю. І. Найда отримали вираз для часу сфероїдизації початкового продукту диспергування у вигляді циліндра зі співвідношенням L / D =10, виходячи з рівності сил внутрішнього тертя, що перешкоджають зміні форми розплаву, і сил поверхневого натягу:

,

де η_р – в’язкість розплаву; R – радіус утвореної кулеподібної частинки;

– радіус вихідної прядки.

Однак цей час можна використовувати тільки для попереднього оцінювання співвідношення τ_сф/τ_охол. Для точніших розрахунків необхідно врахувати можливість деформації первинної краплі під дією енергії дуття чи її деформації і подрібнення з наступною сфероїдизацією, що збільшує загальний час сфероїдизації τ_Σ ­­­_сф у 5 – 6 разів. Таким чином, дійсний час сфероїдизації

,

де – час додаткової деформації і диспергування.

Якщо відношення , близьке до одиниці, крапля не сфероїдизується і кристалізується, зберігаючи неправильну форму. Якщо значення Ө_о>15, то крапля схильна до сфероїдизації. При цьому, чим більший розмір краплі, тим менша ймовірність її сфероїдизації. Як критерій імовірності сфероїдизації може служити величина

,

де – сила Лапласа.

Залежність критерію М від розміру крапель показано на рис. 3.7. Порошок залишається несферичним, якщо М £ 5; за значень М > 5 починає сфероїдизуватися.

Для аналізу умов, що сприяють сфероїдизації крапель, можна скористатись спрощеною нерівністю

. (3.8)

Виконання нерівності в наведеному вигляді буде сприяти сфероїдизації крапель розплаву. Для виконання умов утворення частинок неправильної форми необхідно змінити знак нерівності. Для цього потрібно збільшити значення лівої частини на 1–2 порядки, що досягається або збільшенням в’язкості розплаву, або зменшенням його поверхневого натягу чи значним збільшенням коефіцієнта тепловіддачі від розплаву до енергоносія. Поверхневий натяг можна зменшити різними способами, але не більше, ніж на 30...50 %, що недостатньо для змінювання знака нерівності на протилежний.

Рис. 3.7. Імовірність сфероїдизації крапель М різних металів від їх розмірів:

1 – Cu; 2 – Al; 3 – Pb

Щодо цього більш дієве збільшення в’язкості розплаву. Цього можна досягти, знизивши температуру розплаву в зоні розпилення чи перевівши систему в двофазну зону розплав – тверде тіло, зокрема, додаючи до складу сплаву легувальні домішки, які, взаємодіючи із середовищем розпилення, утворюють сполуки (найчастіше оксиди). В умовах розпилення вони тверді і тому значно збільшують в’язкість. Утворення тугоплавких оксидів на поверхні крапель розплаву не змінює в’язкості всередині всього її об’єму, але збільшує опір крапель деформації, що в першому наближенні можна вважати тотожним підвищенню в’язкості двофазної системи розплав – оксид. Незначні домішки легувальних елементів, що утворюють тугоплавкі оксиди, на декілька порядків підвищують в’язкість краплі, особливо малих розмірів, перешкоджаючи тим самим її сфероїдизації під дією сил поверхневого натягу.

Інший фактор, що сприяє зміні знака нерівності (3.8) на протилежний, – є збільшення коефіцієнта тепловіддачі. Це досягається застосуванням холодного дуття чи використанням енергоносія з високими значеннями теплофізичного параметра П. Але найсуттєвішого збільшення коефіцієнта тепловіддачі можна досягти використанням як енергоносія рідини. Так, під час розпилення розплавів водою за рахунок інтенсивного охолодження в зоні розпилення краплі можуть повністю чи частково закристалізуватися, зафіксувавши неправильну форму частинок.

Розміри частинок порошків, поряд з їх формою, впливають на їх технологічні властивості. У зв’язку з цим отримання потрібних розмірів частинок – важливе завдання.

Отриманий під час розпилення розмір частинок порошку залежить від багатьох властивостей розплавів, енергоносія, параметрів процесу і може бути оцінений за допомогою емпірично вставленого рівняння:

.

Крім того, розмір частинок, отриманих розпиленням, зумовлюється ефективністю розпилення, яка визначається співвідношенням енергетичних затрат на диспергування (тобто збільшення вільної поверхневої енергії розплаву ) до всієї кінетичної енергії дуття. Рівняння енергетичного балансу процесу розпилення і його складових елементів у загальному вигляді можна записати у вигляді

,

де – енергія дуття, Дж; – втрата енергії на диспергування (збільшення поверхні розплаву):

;

– дисипація енергії у розплаві (енергія, що втрачається на подолання сил внутрішнього тертя у розплаві під час його диспергування);

;

– витрати енергії на розганяння крапель; енергія втрат ,

;

– витрати енергії на непружний удар та ін.,

.

Ефективність, чи ККД процесу:

, (3.9)

зазвичай θ» 60... 70 %. Значення ККД процесу диспергування набагато нижче, оскільки визначається тільки енергією, що витрачається на збільшення вільної поверхневої енергії розплаву: і не перевищує для більшості процесів розпилення розплавів 1%. Підставляючи у рівняння (3.8) значення і ,можна отримати вираз

,

що встановлює залежність ККД процесу від властивостей розплаву і параметрів диспергування, які часто взаємопов’язані. Так, зменшення об’єму крапель залежить від підвищення швидкості дуття, вищі значення поверхневого натягу потребують підвищення параметрів дуття і т. ін. Урахування всіх цих факторів можливе в разі зміни геометрії вузла розпилення. Коефіцієнт корисної дії підвищується зменшенням відстані між вихідними отворами сопел газового потоку і розплаву та зі збільшенням кута зустрічі потоку зі струменем розплаву і швидкості його витікання.

Дата добавления: 2014-11-20