Электрофизический метод брикетирования металлической стружки тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

Введение

Глава 1. Возможность использования импульсного электрического тока большой плотности в качестве технологического инструмента для решения проблемы брикетирования металлической стружки.

1.1. Электрический ток большой плотности как технологический инструмент.

1.2. Проблема утилизации металлической стружки и других подобных материалов.

1.3. Существующие методы брикетирования металлической стружки, их возможности и недостатки.

Выводы

Глава 2. Электрофизический метод брикетирования металлической стружки. Расчётная модель.

2.1. Схема процесса брикетирования.

2.2. Качественная расчётная модель процесса брикетирования металлической стружки.

2.3. Оценка параметров эксперимента и экспериментальной установки.

2.4. Сравнительная оценка энергозатрат, необходимых для брикетирования стружки различными способами и на утилизацию стружки в целом.

Глава 3. Экспериментальная установка и методика экспериментальных работ.

3.1. Экспериментальная установка.

3.2. Порядок подготовки исходного материала и изготовления брикетов.

3.3. Методика регистрации и обработки осциллограмм электрического тока протекающего через образец, и напряжения на образце.

3.4. Методика измерения электрического сопротивления образцов и их температуры, оценки давления прессования и плотности спрессованной стружки и брикетов, исследования прочности брикетов.

3.5. Методика исследования качества металла.

Глава 4. Экспериментальное исследование процесса брикетирования.

4.1. Экспериментальная проверка возможности получения прочных образцов (брикетов) из смеси металлических частиц, пространство между которыми заполнено воздухом, при пропускании импульсного электрического тока большой плотности.

4.2. Исследование возможности получения брикетов из стружки и других отходов различных металлов и сплавов.

4.3. Исследование качества металла выплавляемого из брикетов изготовленных из стружки титановых сплавов.

Глава 5. Исследование процесса формирования брикетов из отдельных металлических частиц, под воздействием коротких импульсов электрического тока большой плотности.

5.1. Выбор и подготовка исходного материала, изготовление образцов.

5.2. Исследование прочности образцов.

5.3. Измерение электрического сопротивления и температуры образцов.

5.4. Осциллограммы тока и напряжения.

Глава 6. Разработка Опытно-промышленной установки для брикетирования металлической стружки БТ-80 и промышленной технологии бриктирования.

6.1. Разработка установки БТ-80.

6.2. Разработка промышленной технологии брикетирования металлической (титановой) стружки для этапа опытного производства.

6.3. Испытания Опытно-промышленной установки БТ-80. 135 Заключение/ 138 Список литературы 139 Приложения

Некоторые явления наблюдаемые при протекании тока большой плотности в среде и через границу раздела сред обнаружены 200 лет назад [1, 2]. Всё это время подобные явления интенсивно изучаются, однако и в настоящее время такое изучение даёт целый ряд интересных фундаментальных и прикладных результатов [3 - 6]. В то же время эти явления уже с момента своего открытия широко использовались в науке и технике в качестве научного и технологического инструмента. Сфера применения такого инструмента весьма широка: от источников импульсного света до различных формирователей и размыкателей в сильноточной электронике и от сварки и пайки металлов до разрушения твёрдых тел, приготовления аэрозолей, моделирования ядерных взрывов [3 п

Целесообразно использовать электрический ток большой плотности для решения новых технологических проблем, одной из которых является проблема рациональной утилизации отходов и, в частности, металлической стружки. Электрическим током большой плотности здесь и далее мы будем называть постоянный, переменный или импульсный ток такой величины и длительности, при которых в проводнике возникают необратимые изменения.

В настоящее время степень рециркуляции твёрдых отходов, по-видимому, достигла минимального значения за всю историю человечества. Судя по находкам археологов, доисторический человек мог обитать в одной пещере веками, не погрязая в отходах. В течение последних 200 лет - в связи со всё более быстрым развитием промышленности, интенсификацией и специализацией производства -доля утилизируемых отходов неуклонно сокращалась. В связи с этим одна из основных проблем стоящих перед человечеством и в тоже время одно из основных направлений современного научно-технического прогресса - поиск новых путей переработки техногенного сырья [8 -10]. В России основные правовые основы обращения с отходами производства и потребления определяет Федеральный закон «Об отходах производства и потребления» [11] (1998 г.). Он предусматривает «предотвращение вредного воздействия отходов производства и потребления на здоровье человека и окружающую среду, а также вовлечение таких отходов в хозяйственный оборот в качестве дополнительных источников сырья». Сложившееся к настоящему времени на территории Российской Федераций положение с образующимися и уже накопленными отходами оценивается как критическое [12].

Острая нерешенная проблема - проблема утилизации металлической стружки и других подобных отходов: металлических тросов, проволоки, фольги, металлокорда автомобильных шин и т.п. Перевозка и переработка стружки навалом требует больших затрат и ведет к значительным (до 50 %) потерям металла, при этом окружающая среда загрязняется стружкой и пылью, маслами и смазкой, продуктами окисления (угара) металла [8, 9, 13 - 16]. Один из путей более рациональной переработки стружки - брикетирование её в местах образования, а затем перевозка и переработка брикетов [8, 13]. Существующая технология брикетирования недостаточно эффективна, использует тяжелое оборудование и не обеспечивает необходимого качества брикетов, она фактически не позволяет брикетировать стружку ряда материалов (например: титановых сплавов, высокопрочных сталей, чугуна) и целый ряд других материалов [13, 15, 16].

Проблема брикетирования стружки актуальна в частности для титановых сплавов. При производстве изделий из дорогостоящих титановых сплавов образуется особенно много стружки: вес ее равен весу готовых изделий [17]. Стружка немагнитная и обладает меньшей плотностью, чем стальная, что затрудняет транспортировку и не позволяет полностью использовать грузоподъемность транспортных средств. Существующая промышленная технология плавки титановых сплавов в вакуумно-дуговых печах позволяет использовать не более 15% стружки в составе прессованного расходуемого электрода первого переплава, и не позволяет в достаточном количестве использовать стружку в составе шихты при производстве вторичных сплавов и титанового литья, где ее использование наиболее целесообразно [17 - 19]. Стружку титановых сплавов можно брикетировать при давлениях ~ 900 МПа или при нагреве в вакууме или инертном газе, что оказывается экономически нецелесообразным [20 - 22]. Таким образом, при существующей технологии образуется избыточное количество стружки титановых сплавов, которую по действующей технологии невозможно эффективно использовать [17 -22].

Цель настоящей работы состояла в том, чтобы исследовать возможность применения нового, нетрадиционного для данной области электрофизического подхода использующего в качестве технологического инструмента электрический ток большой плотности [23 - 25] и разработать эффективный метод брикетирования металлической стружки, который позволит брикетировать стружку любых металлов и сплавов и в том числе высокопрочных реакционных металлов, в частности титановых сплавов.

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и 3 х приложений.

Основные результаты настоящей диссертационной работы.

1. Протекание короткого импульса тока большой плотности по смеси отдельных металлических частиц может приводить к формированию механически прочных образцов (брикетов). Это положение обосновано с помощью простой модели и подтверждено экспериментально.

2. Предложен и опробован новый метод брикетирования металлической стружки. Его отличие от существующих способов брикетирования состоит в том, что прочность брикетов обеспечивается за счет импульсной электрической сварки контактов между частицами стружки. Показано что могут быть получены прочные брикеты различной плотности из целого ряда материалов.

3. Брикетирование, в том числе реакционных металлов (титановых сплавов), может осуществляться без защитной среды на атмосферном воздухе. Показано что при электрофизическом брикетировании не происходит значительного разогрева и окисления металла.

4. Удельные энергозатраты на брикетирование титановой стружки по предлагаемой технологии такие же или существенно меньше, чем в других разрабатываемых методах брикетирования такой стружки. Этот факт подтвержден расчётами и измерениями, выполненными в ходе экспериментальных работ.

5. Метод открывает возможность получения пористых брикетов. Пористость полученных брикетов лежит в диапазоне 90 - 60%.

6. Разработана, изготовлена и испытывается опытно-промышленная установка БТ-80 для брикетирования стружки титановых сплавов, получены пробные брикеты.

Заключение.

1. Nairne Е., Pyil. Trans. Roy. Sos. (London), 1774, v. 64, p. 7989.

2. Взрывающиеся проволочки / сборник статей, пер. с английского под ред. А. А. Рухадзе, М.: ИЗДАТЕЛЬСТВО ИНОСТРАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ, 1963, 341 с.

3. Электрический взрыв проводников / сборник статей, пер. с английского под ред. А.А. Рухадзе и И.С. Шпигеля М.: МИР, 1965, 360 с.

4. Бурцев В.А., Калинин Н.В., Лучинский А.В. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках. М., Энергоиздат, 1990, 289 с.

5. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой искра дуга. М.: Наука, 2000, -424 с.

6. Шнеерсон Г.А. Поля и переходные процессы в аппаратуре сверхсильных токов., М: Энергоатомиздат. 1992.

7. Утилизация твёрдых отходов / Под ред. Д. Вилсона; сокр. пер. с англ., М.: Стройиздат, 1985, т. 1 -336 е., т. 2. -348 с.

8. Пальгунов П.П., Сумароков М.В. Утилизация промышленных отходов. М.: Стройиздат, 1990, 352 с.

9. Федеральный Закон РФ «Об отходах производства и потребления» М. 1998 г., 25 с.

10. Рыбальский Н.Г., Потапов И.И. Федеральная целевая программа «Отходы» // Научные и технические аспекты охраны окружающей среды, М., 1996., № 6. с. 37-50.

11. Тамуров В.П. и др., Оборудование по переработке вторичных черных металлов., М., Металлургия 1976, 288 с.

12. Экономика и технология переработки металлолома. Тематический сборник научных трудов. М. Металлургия, 1989, 81 с.

13. Ключенко А.Г. Современные методы пакетирования и брикетирования металлической стружки. Черная металлургия. Сер. 18. Подготовка лома черных металлов. Обзорная информация, вып. 5, 1968.

14. Черная металлургия, сер. 18, Подготовка лома черных металлов: обзорная информация 1968, N 9, стр 3 14; 1971 N 3.

15. Андреев А.Л., Аношкин Н.Ф., Борзецовская К.М. Титановые сплавы. Плавка и литьё титановых сплавов М., Металлургия, 1978, 383 с.

16. Сергеев В.В., Безукладников А.Б., Малынин В.М. Металлургия титана., М., Металлургия, 1979, 264 с.

17. Братухин А.Г., Бибиков Е.Л., Глазунов Г.С., и др. Производство фасонных отливок из титановых сплавов., М.: ВИЛС, 1998, 292 с.

18. Скворцов Ю.И., Морозов Е.И., Усов В.Н. Брикетирование стружки титайовых сплавов. Технология легких сплавов. 1971, N 5, с. 112.

19. Вихман В.Б., Загир A3., Кучерук И.В., Лапухин Б.И. Конверсия сварочных технологий в народное хозяйство., 4-th European East West Conference & Exhibition on Materials and Process. S-Petersburg (Russia), October 17 21,1993, v 2, (part D) p 56.

20. Тараненко Г.И., Гусенков А.П., Моисеенко М.М. Сташенко В.И., Рузанов Ф.И. Способ брикетирования металлической стружки. А.С. N 1748942 А1 Б.И. N 27 1992 г.

21. Абрамова К.Б., Воронин А.В., Самуйлов С.Д., Семенов А.А. Новые способы гранулирования металлов. Цветные металлы, 1991, № 10, с. 57-60

22. Абрамова К.Б., Самуйлов С.Д. Использование импульсного электрического тока большой плотности в качестве технологического инструмента. IX Симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов. 1992, Россия, с. 336, 337.

23. Абрамова К.Б., Самуйлов С.Д., Филин Ю.А. «Способ брикетирования металлической стружки», Патент РФ № 2063304 от 10 июня 1994., БИ № 19,1996 г.

24. Абрамова К.Б., Самуйлов С.Д., Филин Ю.А. «Брикетирование титановой стружки под воздействием коротких импульсов электрического тока», Цветные металлы, 1998, № 12, с. 70 -74.

25. Абрамова К.Б., Бочаров Ю.Н., Самуйлов С.Д., Щербаков И.П. Формирование бриектов из отдельных металлических частиц и диэлектрика, под воздействием коротких импульсов электрического тока большой плотности. ЖТФ, 2001, т. 71, в. 4, с 122 127.

26. Абрамова К.Б., Самуилов С.Д., Пухонто И.Я., Филин Ю.А., Антипов В.В, Зыкин Е.Г. Проект Технологического регламента 1612-00-0001ИЭ. 00-98 на период испытаний и опытной эксплуатации установки БТ-80. -СПб.: ЦКБ Машиностроения 1998, 17 с.

27. Самуйлов С.Д., Пухонто И.Я., Филин Ю.А. ТУ 1612-00-0001ИЭ. 03-98, ВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ на стружку металлическую титановую для брикетирования по МГД технологии на установке БТ-80. -СПб.: ЦКБ Машиностроения, 1998, 8 с.

28. Абрамова К.Б., Златин Н.А., Перегуд Б.П. Магнитогидро-динамическая неустойчивость жидких и твёрдых проводников. Разрушение проводников электрическим током. ЖЭТФ, 1975, т. 69, в. 6., с. 2007-2022.

29. Лев М.Л., Перегуд Б.П. Перегревная неустойчивость металлических проводников с током. ЖТФ, 1981, 51, в. 6, с. 1205 -1211.

30. Перегуд Б.П. Магнитогидродинамические неустойчивости конденсированных проводников с током. Докг. дисс. ФТИ 1982 г.

31. Гегузин Я.Е. Физика спекания. -М: Наука, 1984, 311 с.

32. Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля. М.: Мир, 1972, 391 с.

33. Кнорозов Б.В., Усова Л.Ф., Третьяков А.В. Технология металлов и материаловедение. М.: Металлургия, 1987, 800 с.

34. Электротермическое оборудование. Справочник. Под ред. А.П. Альтгаузена. М. Энергия, 1980, 416 с.

35. Фогель А. А. Индукционный метод удержания жидких металлов во взвешенном состоянии. —Л.: Машиностроение, 1979, 104 с.

36. ВолохонскиЙ Л.А. Вакуумные дуговые печи. М.:

37. Энергоатомиздат, 1985, 232 с.

38. Бетехтин В.И., Пахомов А.Б., Перегуд Б.П., Петров А.И., Разуваева М.В. Особенности импульсного МГД воздействия на микронесплошности в меди. ЖТФ, 1989, т.69, в.6. с. 136-139.

39. Самуйлов С.Д., Семёнов А.А. МГД неустойчивость слоя проводящей жидкости на поверхности твёрдого стержня. Магнитная гидродинамика, 1987, № 3, с. 47 55.

40. Самуйлов С.Д., Семёнов А.А. Магнитогидродинамическая неустойчивость слоя проводящей жидкости, расположенной на поверхности твёрдого проводящего стержня, при пропускании сильно скинированного электрического тока. ЖТФ, 1992, т. 62, в. 8, с 38 46.

41. Абрамова К.Б., Александров В.К., Люханов Б.С., Перегуд Б.П., Тетюхин В.В., Романов А.Н., Альтман П.С., Прилуцких Ю.М. Способ гранулирования металлических расплавов, а.с. СССР № 728282, 1978, Б.И. № 12,1982, с. 282.

42. Абрамова К.Б., Перегуд Б.П., Самуйлов С.Д. Способ гранулирования металлических расплавов. Научно-технические достижения, № 6, 1988 с. 13 17.

43. Абрамова К.Б., Перегуд Б.П., Самуйлов С.Д., Семёнов А.А. Способ гранулирования электропроводящего материала. А.С. СССР № 1367296 1985, Б.И. № 27, 1990, с 303.

44. Абрамова К.Б., Перегуд Б.П., Самуйлов С.Д., Семёнов А.А. Способ получения гранул электропроводящего материала. А.С. СССР № 1468665, 1987.

45. Абрамова К.Б., Перегуд Б.П., Самуйлов С.Д., Семёнов А.А. Способ гранулирования проводящего материала. Научно-технические достижения, № 6, 1988 с. 17-22.

46. Абрамова К.Б., Воронин А.В., Перегуд Б.П., Самуйлов С.Д., Семёнов А.А., Попов А.А. Способ гранулирования электропроводящих материалов А.С. СССР№ 1839007, 1992.

47. Абрамова К.Б., Перегуд Б.П., Самуйлов С.Д., Бондарев Б.И., Чулков B.C. Способ рафинирования металла и устройство для его осуществления А.С. СССР № 1823507 1988.

48. Виноградов А.П., Гольденштейн А.В., Пахомов А.Б., Сарычев А.К. Электроимпульсное спекание металлических прессовок. Препр. 1378. Л., ФТИ, 1989, 24 с.

49. Дульнев Г.Н., Новиков В.В. Методы аналитического определения эффективных коэффициентов проводимости гетерогенных систем., ИФЖ, 1981, т. 41, № 1, с. 172-184.

50. Баранов С.А. Обобщённая проводимость и оптимальное выделение энергии.6, ЖТФ, 1999, т. 69, № 7, с. 128, 129.

51. Иванов В.В., Паранин С.Н., Гаврилин В.А. Влияние импульсных токов сверхкритической плотности на свойства и структуру высокотемпературных сверхпроводящих керамик. СФХТ, 1992, т. 5, №6, с. 895-900.

52. Шкловский Б.И., Эфрос А.Л. Электронные свойства легированных полупроводников. М.: Наука, 1979, 416 с.

53. Антонов А.С., Батенин В, М., Виноградов А.П. Электрофизические свойства перколяционных систем. М.: ИВТАН 1990, 120 с.

54. Бетехтин В.И., Пахомов А.Б., Перегуд Б.П., Петров А.И., Разуваева М.В. Залечивание пор в металле под действием импульсного магнитного давления. Тез. XII Всес. конф. по физике прочности и пластичности. Куйбышев, 1989, с. 316.

55. Betechtin V.I., Pakhomov А.В., Peregood. В.Р., Petrov A.I., Razuvaeva М.В. Healing of pores In metals by magnetic pressure pulses, in; Physical Phenomena in Granular Materials, MRS v. 195. Pittsburgh, 1990, p. 511-516.

56. Абрамова К.Б., Пахомов А.Б. Магнитогидродинамические явления при импульсных электрических воздействиях на металл и их использование в технологических процессах. Всесоюзная школа

57. Электрофизические методы и технологии воздействия на структуру и свойства металлических материалов". Л., "Судостроение", 1990, с.16-17.

58. Баланкин С.А., Башлыков С.С., Горбачев Л.П., Григорьев Е.Г., Скоров Д.М., Ярцев В.Л. Тепловые процессы при электроимпульсном прессовании порошков. Физ.хим.обр.матер., 1984, № 2, с. 124 - 129.

59. Баланкин С.Л., Быков К.И., Григорьев Е.Г., Гуничев Б.В., Нилов А.Б., Скоров Д.М. Пробой пористой порошковой среды высоковольтным разрядом. Письма в ЖТФ, 1983, т. 9, № 2, с. 760-764.

60. Рыморов Е.В., Коган В.Е., Радомысельский И.Д. Электроимпульсное спекание под давлением сложнолегированных износостойких материалов. Порошковая металлургия, 1974, № 7, с. 84-87.

61. Райченко А.И., Кольчинский М.З., Левина Д.А. Исследование электроразрядного спекания окисленных металлических порошков. Порошковая металлургия, 1976, № 10, с. 19 -26.

62. Williams P.J., Clyens S. Compaction of metal powders using high voltage electrical discharges. Metallurgy and Metal Forming, 1977, v. 44, N3, p. 125- 127.

63. Сериков М.И., Слетков A.A., Умрихин B.M. Электроимпульсное формование пермаллоевых порошков. Порошковая металлургия, 1978, № 12, с. 13 -17.

64. Бойко Ю.И; Клинчук Ю.И. Дислокационный механизм твердофазного электроразрядного спекания. Порошковая металлургия, 1981, № 3, с. 41.

65. Гегузин Я.Е., Дзюба А.С., Мацокин В.П. О дислокационныхструктурах, формирующихся в зоне контакта двух монокристаллов. УФЖ, 1984, т. 29, с. 147.

66. Brown L.M., Woochouse G.R. The Loss of Coherency of Precipitates and the Generation of Dislocation. Phil. Mag., 1970, v. 21, № 170, p. 329-345.

67. Гегузин Я.Е., Кононенко В.Г. О роли начальной дислокационной структуры в начальной стадии формирования контакта. Порошковая металлургия, 1983, № 3, с. 21.

68. Бойко Ю.И., Гегузин Я.Е., Кононенко В.Г; Фридрих Э; Шатт В. Контактные явления в системе монокристаллов сфера- плоскость. Порошковая металлургия, 1980, № 10, с. 14.

69. Бойко Ю.И., Гегузин Я.Е., Клинчу к Ю.И. Экспериментальное обнаружение увлечения дислокаций электронным ветром в металлах. Письма в ЖЭТФ, 1979. т. 30, в. 3, с. 168 172.

70. Бойко Ю.И., Гегузин Я.Е., Клинчук Ю.И. Увлечение дислокаций электронным ветром в металлах. ЖЭТФ, 1981, т. 81, в. 6 (12), с. 2175- 1179.

71. Фетисов Г.П., Карпман М.Г., и др. Материаловедение и технология металлов. М.: Высш. шк., 2000, 638 с.

72. Пырикова В.Г. Использование и переработка лома за рубежом. Черная металлургия. Сер. 18. Подготовка лома черных металлов. Обзорная информация. 1985, вып. 1.

73. Хольм Р. Электрические контакты. М.: Мир, 1961, 464 с.

74. Таблицы физических величин: Справочник / Под ред. И. К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976, 1008 с.

75. Электрические конденсаторы и конденсаторные установки: Справочник/ Берзан В.П., Гели км ан Ю.Б., Гураевский М.Н., и др. Под. ред. Кубинского Г.С. М. : Энергоиздат, 1987, 656 с.

76. Калантаров П. JL, Цейтлин JI. А. Расчет индуктивностей:

77. Справочная книга. — 3-е изд., перераб. и доп. JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986, 488 с.

78. Дашук П.Н., Зайенц С.Л., Комельков B.C., Кучинский Г.С., и др. Техника больших импульсных токов и магнитных полей. М.: Атомиздат, 1970, 472 с.

79. Шваб А. Измерения на высоком напряжении: Измерительные приборы и способы измерения. Пер. с нем. М.: Энергоатомиздат, 1983, 264 с.

80. Шевцов Е.К., Ревун М.П. Электрические измерения в машиностроении. М.: Машиностроение , 1989, 168 с.

81. Технология лабораторного эксперимента: Справочник. Коленко Е.А., СПб.: Политехника, 1994, 751 с.

82. Линчевский Б.В. Техника металлургического эксперимента. М.: Металлургия, 1979, 256 с.

83. Вассерман A.M., Кунин Л.Л., Суровой Ю.Н. Определение газов в металлах. (Метод восстановительного плавления в атмосфере газа носителя). М.: Наука, 1976, 344 с.

84. Баранцев А.С., Жильцов А.В., Ефимов А.В., Филин Ю.А. Способ компактирования кусковых отходов сплавов титана. Патент РФ № 2081727 от 5.12.94., БИ, № 17, 1997 г.

85. Физические величины: Справочник / Под ред. И. С. Григорьева, Е. 3. Мелихова. М.: Энергоатомиздат, 1991, 1232 с.

86. Виноградов А.П., Лагарьков А.Н., Сарычев А.К. О возможной аномалии индуктивности композитных материалов. Письма в ЖЭТФ, 1984, т. 40 в. 7, с. 296 298.

87. Лом и отходы цветных металлов и сплавов. ГОСТ 1639-78., М.: Издательство стандартов., 1984, 87 с.1. С 41 ■.>J