Экспериментальный комплекс на основе электронного ускорителя для прикладных задач тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ Р Г 6 О Л На правах рукописи

; > >Е0 1896

УДК 539.1

СТРОКОВСКИЙ Григорий Семенович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОННОГО УСКОРИТЕЛЯ ДЛЯ ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ

' Специальность: 01. 04- 20 — физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Дубна — 1996

Работа выполнена в Липецком государственном техническом университете

• Научный руководитель:

доктор фиэико. математических Игорь Николаевич наук, член-корреспондент РАН, Мешков профессор, главкьй научшй . ■ сотрудник ■

Официальные оппоненты:

доктор технических нар, Сергей Александрович

старший .чаучннй сотрудник Коренев

доктор физико-математических Александр Егорович наук, профессор Лигачев

Ведущая организация: - . -

Всероссийский электротехнический институт, г.Москва

Защита с/хгоится "._" ___199_г. в . " ' час.

на заседании Специализированного Совета Д-047.01.06 при Лаборатории сверхвысоких энергий СИЯИ, г.Дубна, Московской области. ■ ■

С диссертацией комо-ознакомиться в библиотеке ОШ

Автореферат разослан "Л?" 199£г.

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат физико-математических наук

Вл. Крявохйхин.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Лшульслка z непрерывные яутея электронов а диапазоне эяарггз до 0,3 ¡ЪЭ и иоияостеО до 1000 кЭт аяроко арииеняэтся для схЗрайотк;г металлов и диэлектриков в яачастве- ьгсетшс -ясточкакоз тепловой энергия. Лальнейаеа увеличение знергхи электронов Сдо 3 !toB) в интервале меаяостеЯ 10 - ICO кВт позволят сочетать -твритгческиэ яоэиожяосгл матода о процессам: радиационного . дефактоойразозшм, увеличить глуйилу радианионяо-тераячаского возлейстаяя» до £ 1 ми, осу^еотгить вьгаод электронного лучка в атмосферу, яависять производительность odpadoTKi: я расширить ассортимент ойрайаткзаемк изделия. 5!íí!iüu¡íi:!fi уровень развитая техники яроькидоннггх ускоритаг.еЛ, экспериментальных злаки;! s оЗласта взаимодействия электронного лучз с поверхность» датэяяа позволяет проводить . разрас5от.*:,/1 алроЗаштв а ииракее зкедр&гаа технология odpacJoTKK металлов ргяятшйтскима эгектррнаии, для «его необходимо . ©су^астаать переход от яабораторш-яссяедо--ватеяьских работ к построения технологических сибтеи на основе прошияешиа.ускорктолеЯ с энергией 0,5 - 3 МэЗ ü дащностьп 10 - 100 кВт,

Цель райотм. Диссертационная райота замечалась й-создании аатоматазирсйаяяоЯ технологической систеии промямленного участка эяоктрокюл технологий, акявчаедвго' а себя ускоритель ЭЯВ-4 »а 0,8 - 1,3 МэВ 43 хВт, устройство . выпуска непрерывного сфокусированного пучка в атмосферу я универсального манипулятора для работы поя пучком с деталями разшгани габаритов а геокетриц. lieoúsowmo бняо создать мовсо устройство аыпуека шярерызного сфокусированного пучка в атмосферу с двоЗньгм параллельным переносом, позволяема существенно улучшать вакуумные условия работы; рассчитать распределение реяатааистегаа электронов cootsstctb'/ewíx эяергйЗ з атмосфере. Другой. эадачез Сила разработка'

тепяофгайчесхого аспекта ¡взаимодействия релятивистских электронов с металлом, обосиогаяие нескольких Заэових режимов электродной обработки, подготовка нотодики расчета параметров о ¿¡лучения конкретных каталлоиздалий С валков холодной прокатки) с Цельв говцаеико их эксплуатационной стойкости; чзстъп этой за задачи являлась подготовка необходимой технспогтескоЯ оснастки для реализация уясшяутых рехяыоа. Цель» яастояаей работа тахле являлась разработка на «оком технологическом участке я ярюкшяенние испытания технология радиационю-термической обработки ваякоз холодной прокатки, а такхе эксперименты с йспользовакием участка для радиацяонно-химическоП очистки газов.'от оетсяоа серы я азота.

йаучкая новизна. Впервые ускоритель такого диапазона энергий применен для промшяенноя обработки металлов как часть единой автоматизированной технологической системы. Разработано я построено новое устройство выпуска пучка с сястеаой двойного ахроматичного параллельного переноса. Система нечувствительна к колебаниям ускоряшего. напряжения и позволяет осуаестаять' выпуск в атмосферу электронов лобой энергии в грашщах 0,8 - 1,5 ЙаЗ ' без перенастройки отхяоняхэдх усгроЗсд'а; она может быть легко установлена в устройство выпуска без каких-либо переделок и доработок последнего и осуществлять выпуск пучка как с устройством переноса, тах 8 без него. Получени значения энергии, угла раствора я поперечною размера. пучка в атмосфере в зависимости от расстояния до вшг/скного окна ускорителя для начальных энергий 0,9, 1,2 я 1,3 ЯэВ; зависимости аппроксимированы эмпярическями формулами. Рассмотрев теплофкзический аспект, определены Заэовке С с точки зрения теллс^язики процесса) ежда электронной обработки металлов {"бегумя точка", "огненяоэ кольцо"), а такка необходимое оборудование, радиационная заоита я схеиа построения технологической системы для электронной обработки металлов.

9

Разработана методика расчета параметров облучения ваяков колодкой прокатки в. низкотемпературном региме; изобретен способ коибшгировапноя обработки ваякоа; ode технологии:« ислигаии а условиях производства и показала увеличение эксплуатационной стойкости 2алков а 1,5-2 раза. Показана технологическая утверсалькость построенной системы на примере высокотемпературной обработки нетаялоа (получение покрытий методом напяазки) и радиациошю-миичаскоЛ га-.».-: /~.:тки.

Лрпгтииес&гм дойность» Обработка металлоь .релятивистскими эпектронами а йигоето отливается от других способов эпактрзшо-яучеьс-й модификация Сбольшэ глубина обработки, ширй ляйяаэои мслользуешх физических механизмов, «зельце производительность я диапазон обрабатываемых изделия) и от традиционных термических методов (высокая и яагко варьируемая локальность, . большие скорости нагрова-охяааденмя, высокие КПД я степень автоютизация процесса, отсутствие отходов, загряэняодих, окружающую средуХ Созданная технологическая система мохет бшъ применена для электронно-лучевое модификации различный изделий, используемых а металлургии я малзшостроении: облучения ваяков холодной прокатки; упрощения роликов для' эстакадных транспортеров, яодвЯ для обрезания хромки листового проката; наплавки глубоких полос износостойкого материала яа плиты кристаллизаторов для установок непрерывной разпивки стали. Имеется положительный опыт использования данной системы & комплекса с экспериментальный стендом радиацмонно-хнмическоя очистки газов от окислов серы а азота Сдостигнутая степень очистка составляет, S3 й ). Разработана иэтодака расчета режимов низкотемпературной обработки • ааякоа холодной прокатки, созданная с помощью данной мэтодики технология показала з процессе прошашвяных испытания увеличение экеялуатационнея стойкости: валхсз а 1,7 - 2 раза. Такхе разработан .способ комбинированной обработки яаякоа, зааязднша Патентом ¡М- и

3.

позеолявздй повысить стойкость ваяков а 1,5-2 раза.

АгроСация pafloiu» Результаты райотн докладывались «а заседания Координационного Совета Государственной яаучно-технической программ! "Кашны,' технология я производства йулукего", Липецк, 1932; Сешягрэ "Обработка материалов пуч-каии заряженных '«стиц'^ £шеця,ЛПУ, 1933; Семяиаре "Применение эяектроввыг пучков я иияульсиих разрядов для очистки дкиоаых газов", Иоскаа, 1S93; 3-й ВоероссяЛсхой хоя$ереиции "Модификация конструкционных «агериалоа пучхаии варяжоляых частиц", Tovck, 1594; Internal.ional Chemical Congress of Pacific Basif) Societies "Pacif 1сЬе.т-93",Гонолу,т/,С!Я,4. 1053. По тема диссертация шестая 2 яугЗпякации ь тезисах конференций я се¡жиэрег, 1 статья я реаонко о выдача Патента К>.

■ Оскосяиа результаты олубликов-анн в работах:

1. Наиоихо А. Л. .Коцарь С. ji.. JUsapna Б. Я. , Меикоя К. Н., Стейенев А.С., Строкоаский Г. С..Чгрньмев Л.П. Лслояызовакпй эяс'ктрошго-луиев.ой ойрайотки для попьишая .эксплуатационной стойкости ааяког холодной ярохатжгЛозйси докладов Ш Всероссийской конференции "¿ЬдиуЗхация свойств коиструкдиоихкх материалов пуитм.заряхенаю: частот". D 2-х т. Томск, 1934. Т.£, 1934. c.sö-аг.

2. Каяэяко А.П. .Колтуя И.Р. .Лазарев В.Н. .Лихачев Г.В., Пешков И. V..,СяазутскпД В.П. .Отрокоасхий Г. С. .Френкель А.£., fotßaiuTe»« А. Я. Радиацяояяо-хныячеакий метод очясткя газообразных отходов металлургического производства от окладов серы к азота с применением ковдевтркраваяногэ выпуска пучка иыеокознэргичякх электрояов/Теэисы докладов сенияара "Применение электронных пучков и ямпуяьойых разрядов для очистка даурвых гаэоа", М., 1S93. С. 10-14.

3; Решение о выдаче Патента РФ; заявка Н S31Ö664Ö8/02 СОНЁЗЗЗ приоритет 27.04. S3. Cnocod радиацяояно-тэрдачйской чеезеой adpaöoTM! стзяьвых деталей / авт. изобр. Н. 11 Алек-савдроаа. А.Н.Вапакяя, А.П.Каценко, В.Н.Яазарев.И.Н.Мйажоз, Б. В. Саши, Г. С, Стротсоаскиа.

" " . 4

4. Н. И Александрова,В. Н.Карпельев, А. П.Каденко, В. Н. Лазарев, И.51. Мешков, В.В.Сепия, Г.С.Строковсхйй. Ргдкааяонко-термячacta» обработка - промааленяш испытания ааягсов станов холодной прокатки сфокусированным пучком высокоэнёр-пмяьа электродов//* Сталь, 1SS6. N1.

ООгем и структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, 5 глав я Заключения я содержит 119 страниц иашинолясвого текста, включая 32 рйсунка, 18 таблиц я список литературы яз 31.наименования.

НА ЗАВДТУ ВЫНОСИТСЯ

1. Опетяыя твзшояогкческиЯ комплекс на daaa уокорятелл глектронов ЗЛЗ-4.

2. 5'стройстао' выпуска сфокусированного пучка эязктро-яов яэ ускорителя ЭЛЗ-4 а атмосферу с сястеиой двойного параллельного иор-йнсса пучка.

3. Экслернмйнгаль'гыЯ стенд радиэциошго-хямитескоЯ очистки тспочяык газов от окислов сер« и азота.

4. Методика расчета рехдаов, тахлолс-.-яя яиэкотешгера-турноЯ радпаймоняо-тершческсй оора^откя аалков холо/шоД лрскатхи.

5. Способ комбинированной обработки яая/сов- холодной прокатки.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ,

Введение содержит описание савремепкого ссстоялая электронных тееталэгяЯ я обосяойаняа необходимости перехода х обработке металлов сфскусированяшя пркаии релятивистских электронов а атмосфере.

В первой главе описано'.чогсе устройство выпуска в атмосфер у сфокусированного пучка электронов С ряс.1) с энергией 0,8-1,3 МэВ дяакетрон около iим я расходимость») яе боле»

3

АВЗ-90

Ряо, 1 Схема устройства выпуска сфокусированного электронов в атмосферу из ускоратвяя ЭЛВ-4: 1,5,6 - дяа-4рагда; 3,7 - охяаядаекь'э флаякы; 4,9 - магнита яияэу; 3 - устройство даойяого параялальяого переноса; 8 - аийер

3

0,1 рад. Для улучаечяя вакууаш« условия мзаду диафрагмами 2 и'З £са,;чс. 13 устанавливается устройство нараялельяого яэрекоса ¡тучка, в основе которого тежит схема ахроматичного лаойкого переноса £ркс.2). Ослабление потока «астиц, летягах навстречу пут у, достигается за счат наличия гааоотра-хателъного экрана. Условий ахроматичкости / - О при такой сх&ие достигается, по крайней хере, дауыя способа«!!:

51 = " В£ " Э3 ' = 2Лг2 г ^З • £1)

' э2 = - 201 а -2В3, Лг« 5 = Л23 . С Я)

Способ СП при!.шг.:{лоя яря псяолъзоаанги к дефлекторах постохнинх ¡.(.ч П:нтое, СР.) - электромагнитов. Распределение велмодни яоля'здолъ оси устройства шреиоса показано на рис. 3, отклонение .'¡ужа 6 в плоскости экрана - а табл. 1.

Таблица 1

Отклонение пучгл в плоскости экрана, иа

Расчет Эксяеришнт

Энергия, МаВ 0,8 1.3 0,8 1.3

Постоянный «агяити 7 15 10

Электрсиагн;гги 3 10 7

Схема нечувствительна к изменениям . ускорягаего напряхвняя и с точки зрения оптических риойотв эквивалентна свсоогному промежутку. Устройство выпуска я система парено-.еа конструктивно авгоношш.

Пояучазяие ао второй главе результаты даст возможяосгь выбирать размер и, соответственно, удэлыг/и йоаэрхностнуо жалость, яушса яа иишева за счет изменения расстояния от выпускного окна до обрабатываемой поверхности С рис.4). Рассмотрена фиэяха. радааояоякоггермячвск'оЛ обработки' СРТО) чштаялов. Есгл считать зону оСлучения иклиядрои с диамат-рой, равкьи дяагаетру пучка с!ь, и .высотой, еоэтветстъ упада

7

hic. 2 Схема работы устройства двойного параллельного переноса: i - вархяяк диафрагма гшывры устройства выпуска, Ê,3,9 - дефлекторы, i - ггзоотрахательяыИ экран, 5 - нижняя

диафрагиа

Ù

Рис. 3 Расяр&даяениь aaninami ыагиатиого поля по ос* устройства параллельного перекоса: « - постеяавые ьапштм, » - эввктрсмагяиги

Р»!з. А Заааоамостъ радиуса пучка от расстояния ко плоскости шг/сккого окна ярг начальной знертаи: 1 - 0,0 kisa, £ - 1,2 toS, 3-1,9 МзВ.. Гочк* - результат расаата, сплоашыэ линии - аппроксимация.

10

глубине проникновения электронов , а материал Ь, то время ойяучеияя обрабатываемого ого я ть я время его остывания т^;

ть й ¿ь/уя , т. £ЪгСрЗ/-4Х , С35

гле С.Х.р - удельная теплоемкость, теплопроводность я аяотассть «атеряаяа »япиеян, относительная скорость

пучкд я мгдаян. Тогда ето различать 3 оснсаньгс типа РТО: т^я т» - адиабатическая {"быстрая") обработка,эквивалентная игяоэекясму зяесеия» энергии а слоя Ь; ть ?> т, - термическая ("медленная"); ть - т( - кзазиравновесная. Во. второй глазе тахяэ получены соотношения, позволяема оценивать температуру, скорости яяргем-охяахденая обрабатываемого слоя, дозу поглощенного излучения я рассмотрены изменения я стал;! на структурном л суйструктурнсм уровне при адиабатическоП обработке.

В третье»') глаза .выделены £ Йаэовах технологических рожка адиабатической обработки; "бегуиая точка" СБТ) и "огненное кольцо" СОЮ. '¿спя кялякярическая Деталь вращается с периодом и перемещается а аксиальном направления под яеподйи.глкм сфокусгрояаяяьг.! пучке:«, то ре-там БТ реализуется при гь« т^« ?, редгти ОК - при Г л . Лрн обрябогхе в ретине ОК твяло за время Т не успевает уйти из облучаемого слоя в ' сссоднпа, который яря посяедуаадп обработке яв испытает предварительного нагрева {что является преямуярст-во:.0, однако ятэт ре*мм требует более высоких скоростей врачения я аксиального перемещения,. чем ЕТ Счто иногда трудно реаякзозать на практике), 3 главе получена ярактя-ческие соотношения «ехду параметрами пучка, деталя и технологических перенекеияа для реализации указаниях режимов. Проведен анализ предварительного нагрева облучаемого слоя, рассмотрены особенности аногократноЯ СаикяическоЯ) обработки, получены зависимости для расчета времена вндержкя между цякяамя я условия применения принудительного охлаждения детали. Опясая Участок радиационных технологий {ряс. 5),

11

Ц=и——

H5SSZS5ES

7Z<,

Ряс.З Схема участка радиационных технология-. 1 - пультовой зал, II - усхоргтельнкЯ зал, Ш - зал облучения; 1 - устройство отсоса продуктов радио л из а, 2 -устройство выпуска с{окусгровайного лучка в атмосферу, 3 -ускоритель ЭЯЗ-4. i - крышка лика, 9 - грузоподъемное устройство, 5 - блоки литания иагяаторазрядоя ялсссов, 7 -стеля управления вакуумной системой, 9 - манипулятор

созяаязшЯ v.n ltaaoc.acuKßx катаялургячэском кокбяяаге, я рассмотрена коясгрукяда хеханяческого оборудования эхехт-роняо-лучввой обработки.

Четвертая глава посвящена Р?0 валков холодйой прокатки. К основным критериям эксплуатационной стойкости валка откосятся: су>шаряоо количество прокатанного металла М я средняя износостойкость <.*>:

<*> - iS/iDjj- DKD , £4)

где , DK - диаметр валка в начале работы и после выбраковки. , IIa основе теоретических разработок, проведенных а предыдущих главах, создана методика расчета раюмэа низкотемпературной PTÖ валков со средним нагревом зоны облучения до 200 . Партия рабочих яалгсоа 20-ваяхового стана £в нее «содияя как иовда, так я бьюике в эксплуатация на яомстт обяучекляЭ была обработана в режиме, ра&считаяиом по предлагаемой нгтодяке, и прошла испытания в условиях производства.

Испытания показаяя, что низкотемпературная РТО увеличивает износостойкость валков а 1,7-2 раза £дяя сравнения ясяользогаЯась яартяя яэ 23 яеобяучеяша валков, работающих па стазе одновременно с обработанными, а такха данные по 794 валка« того хе стана за 4 года, предшествовавшие »спыгатиш - табл.2, рве.б). Поверхностная твердость четирех ваяков, бшштс в эксплуатация на момент обяучеяяя, «озросяа посяй обработай яа 2-3 вд.НЕС; это позволило ях вкозь использовать в производстве ; я прокатать дополнительно а среднем По 200 т яа валок, что соответствует уввяяченню ресурса М в среднем в 1,3 раза.

Далькейаяи развитием данной технология стало язобротеяве способа ксягбшфованяой обработка в интервала ЗЗОЧЗОО , позволяшего более надежно выдерживать требуемый темяературннй регжм облучения я более полно использовать иеханкзмы термодеформационного воздействия пучка яа эака-дакнув сталь с аеяьи ее упрочнения. Обработку осуавствляют в'

13

«отечество валков

КЗ

1

<>/>, •¡/•ли

Пт—1_

100 £00 300 4СЮ 500 500 700 Й00 900

1 1 1 2

1 1111 4 5 в 7 8

рис.6 Сравканио износ остоЯкости облученных я веййяученньк

ваяков:

НВ - расг}«деяэияе для 734 необлучанныг валков, работавших аа 20-ваяковои стана в течэняа 4-х яет.прадиеотвоваввих ао-пытанмя«; 1,2,..8 - значения износостойкости для каждого из облученных валкоа

Таблица 2

Износостойкость <#> облученных и яеоблучениых валхоа

0

Партия Период Количество Средняя износо-

авлков работы валков стойкость, т/ки

Наоблучеяше 1.01.88-1.04.92 734 317

Необлученные 1.03.92-1.10,02 23 428

Облучакиш 1.03.92-1.10.92 8 733

14

два этапа о разтгаашш значениями нагрева одпучаекого спая. Яромьадлеякш испытания способа показали увеличение акспяуатацяоияой стойкости сбяучешшх валков в 1,5-2 раза.

Пятая глава аялссгрзфует воэмохкости созданной технологической систеиы экспериионтаяи по электронной наплавке износостойкого материала СкерзавейздЯ стали) ira меднаэ плата кристалк:затороа устаяоаок непрерывной разливки стали, а такзе соэдаяяем экспериментального стенда радяацясняо-хямичаскоЯ очистки СРЙ» топодамх газон от окисло» серы и азота {рис.7>:

Рис, 7 Схема экспериментального стенда PXû газов; очистки газов: Т - термопара, Ш - шибер, Д - дяафрафрагиа ,

51а стелДа мохно моделировать состаз газообразных ьыйросоа металлургического производства; производить эаиери ховдмгграцяй Ш, ИОа, СОа а топочньа газах до я после облучения; варьировать расход газа; улавливать и собирать отходы газоочистки СамиошЯнме сол.ч) - центе кияеральяые удобрения; оценивать погяоаенную газом дозу язлучания по Езиэяени»- температуры газа. В реакторе, построенном с уче-

' 15 -

\

тол расходимости лучка а газовой, атмосфера,электронный яучок иявдяиру&т химические реакции газоочистки:

н% «■ so2 г т\)гso4 ,

ннэ т №х ? HgO -£»;ЙНДН0Э .

В г.роьедегаш экспериментах достигнута степень очистки S9 « яря энергозатратах -- Í0 ад «а молекулу окисла.

В Зйглячеяи«' яритюдятоя осясекь'о результата работы.

1. Разработан . а построен, опытный тахкояогическйй кошяеко для обработан металлических деталей в атмосфере ' с|окус«розанн1ш лучком электронов о энергией О, В - i,S ib В

я мощность» до 45 кВт. • ■

2. .Создало.kojsoj» устройство выпуска пучка в атмосферу с системой ахроматичного двойного параллельного переноса,

3. Разработана . методика расчета ре«шрв низкотемпературной ралйаадокяо-тпркичбскоЯ обработки валков холодней прокатки; созданная с яоиояь» д&нкой методики технологах проела испытания s условиях производства я показала увеличение эксплуатационной стойкости гадаов в 1,7-2 раза.

4. Разработан я запатентован яовий способ обработки , вадгсов холодной пракатки - жои&тароааиный; предложена изгодика расиста p-i глист для данного способа; Тежнологячгскяе испытания в условиях производства показали увеяачзкне эксплуатационной стойкости валков в 1,3-2 раза.

5. На основе соадаяяого технологического комплекса яо-строен экспериментальный стенд радяационно-хндаческой очаеткй тазов от окислов серы й азота; йа стенде достигнута степень очистки S9 я .