14
ТГТУ-ИСМАН «Твердофазные технологии»
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»).
На правах рукописи
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Оптимизация аппаратурно-технологического оформления высокотемпературного синтеза материалов на основе моделирования нестационарных тепловых процессов
Специальности: 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий
05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
Поляков Борис Борисович
Тамбов 2012
Работа выполнена в Научно-образовательном центре ТГТУ-ИСМАН «Твердофазные технологии» и на кафедре «Технологии продовольственных продуктов» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»).
Научные руководители: кандидат технических наук, доцент Дворецкий Дмитрий Станиславович
доктор физико-математических наук, профессор Столин Александр Моисеевич
Официальные оппоненты:
Туголуков Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Техника и технологии производств нанопродуктов» ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»
Абрамов Геннадий Владимирович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой информационных технологий, моделирования и управления ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»
Ведущая организация ОАО «Корпорация «Росхимзащита» (г. Тамбов)
Защита диссертации состоится 16 ноября 2012 г. в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 при ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Ленинградская, д. 1, ауд. 60.
Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ФГБОУ ВПО «ТГТУ», ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.02.
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «ТГТУ», с авторефератом диссертации дополнительно - на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ТГТУ»: www.tstu.ru.
Автореферат разослан 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Нечаев Василий Михайлович.
Общая характеристика работы
Актуальность работы. Стремительное развитие технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) обусловлено ее неоспоримыми преимуществами по сравнению с альтернативными вариантами (печной и плазмохимический синтез, спекание и горячее прессование, литье и наплавка и др.): использование естественной тепловой энергии; простота и надежность аппаратурно-технологического оформления процесса формования продуктов СВС твердосплавных материалов благодаря отсутствию внешних источников тепла; высокая скорость процессов, связанная с саморазогревом шихты в волне горения; послойный характер выделения тепла и, как следствие этого, возможность повышения единичной мощности технологического оборудования.
Образование твердосплавных материалов методом формования продуктов СВС протекает за короткий промежуток времени (t = [0,515] с) при высоких значениях температуры (Т = [20003000] °С) и давления (P = 100 МПа). При этом в цилиндрической стенке пресс-формы развивается нестационарный процесс теплопроводности, наблюдается высокий градиент температуры по радиусу и высоте стенки и возникают термоупругие напряжения, обусловленные неравномерной тепловой нагрузкой.
Традиционные методы прочностного расчета термонагруженных цилиндрических корпусов технологического оборудования используют допущение о линейности температурного профиля в стенке и постоянстве перепада температур в ходе всего процесса СВС. Применение подобных методов к расчету оборудования для формования продуктов СВС твердосплавных материалов приводит к необоснованному завышению толщины стенки пресс-форм. Наложение в ходе формования силовых и температурных нагрузок на конструкционный материал пресс-формы, нестационарность тепловых процессов и качественно различный уровень градиента температуры в стенке требуют детального изучения напряженно-деформированного состояния элементов пресс-формы.
Проектно-конструкторские решения при проектировании технологической оснастки процесса формования продуктов СВС твердосплавных материалов принимаются в условиях неопределенности, связанных с неполнотой имеющейся информации, с неточным описанием (моделированием) тепловых режимов процесса, использованием упрощенных методик расчета конструктивных параметров установки.
В связи с этим теоретические и прикладные исследования системных связей и закономерностей функционирования процесса формования продуктов СВС твердосплавных материалов, использование особенностей нестационарных режимов, принципы и методы синтеза установок формования с минимальными удельными расходами конструкционных материалов являются актуальной задачей в научном и практическом плане.
Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы» ГК от 1 декабря 2010 г. № 14.740.11.0821, Аналитической ведомственной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» код РНП. 2.2.1.1.5355, гранта РФФИ № 12-03-97552-р_центр_а.
Цель работы. Совершенствование аппаратурного оформления самораспространяющегося высокотемпературного синтеза твердосплавных материалов и их формования на основе математического моделирования и использования особенностей нестационарных процессов теплопроводности.
Задачи исследования. Экспериментальное исследование и разработка математических моделей нестационарных тепловых процессов при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе твердосплавных материалов.
Проведение исследований нестационарного процесса теплопроводности и температурных полей в шихте и элементах технологической оснастки процессов СВС твердосплавных материалов и их формования с применением технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента.
Разработка методики расчета технологической оснастки процесса твердосплавных материалов и их формования с использованием особенностей нестационарных тепловых процессов.
Постановка задачи оптимизации аппаратурно-технологического оформления СВС твердосплавных материалов и их формования с использованием особенностей нестационарных тепловых процессов в условиях интервальной неопределенности исходных данных. Разработка и обоснование эффективного вычислительного метода ее решения.
Оптимальное проектирование промышленных установок (с минимальными удельными расходами конструкционных материалов) СВС твердосплавных материалов и их формования в условиях интервальной неопределенности исходных данных.
Научная новизна. Проведены комплексные исследования нестационарных тепловых процессов и температурных полей в элементах технологической оснастки самораспространяющегося высокотемпературного синтеза твердосплавных материалов, выявлены их особенности и исследовано влияние нестационарных тепловых режимов процесса СВС на распределение термоупругих напряжений в стенке пресс-формы.
Разработана методика расчета пресс-формы для СВС твердосплавных материалов, использующая особенности нестационарных тепловых процессов.
Впервые сформулирована одноэтапная задача оптимизации аппаратурно-технологического оформления процессов СВС твердосплавных материалов в условиях интервальной неопределенности скорости горения, температуры горения и коэффициента теплопроводности синтезируемого материала.
Разработан и обоснован эффективный вычислительный метод решения одноэтапной задачи оптимизации в условиях интервальной неопределенности исходных данных, основанный на использовании модифицированного метода разбиений и границ Г.М. Островского.
Практическая значимость работы. Разработан алгоритм оптимального проектирования установки СВС твердосплавных материалов и их формования в условиях неопределенности, позволяющий обеспечивать для пресс-формы обоснованный коэффициент запаса технического ресурса и снижение расхода конструкционного материала на 25%.
К практической реализации рекомендована пресс-форма ( = 45 мм, Н = 140 мм, время задержки tз = 6,5 с, давление формования P = 90 МПа, материал - сталь 40Х) для формования изделий диаметром 65 мм из сплавов марок СТИМ-2А, СТИМ-2/30Н.
Разработанная методика расчета пресс-формы и алгоритм оптимального проектирования установки СВС твердосплавных материалов принята к использованию в научно-исследовательской лаборатории пластической деформации неорганических материалов ФГБУ науки «Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН» (г. Черноголовка) для комплексного исследования и проектирования технологической оснастки процесса СВС твердосплавных материалов и их формования.
Разработан комплекс программ ЭВМ (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009614680, 1 сентября 2009 г.; № 2012613247, 6 апреля 2012 г.), предназначенный для решения задач компьютерного моделирования и оптимизации процесса СВС-формования твердосплавных материалов в условиях неопределенности исходной информации.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 5 Международных и 11 Всероссийских научных конференциях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 4 статьи - в ведущих рецензируемых научных журналах из перечня ВАК, 15 работ в сборниках трудов молодых ученых и материалах Международных и Всероссийских научных конференций, получено 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, 5 глав, выводы, список литературы, приложения, 62 рисунка, 18 таблиц и библиографию из 131 наименования.
Основное содержание работы
Во введении сформулирована цель работы, обоснована ее актуальность, приведена аннотация основных результатов работы, показана научная новизна и практическая значимость, даны рекомендации по реализации результатов исследования в промышленности и научно-инженерной практике.
В первой главе представлен обзор новейших современных технологий получения твердосплавных материалов методом формования горячих продуктов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Проведен анализ современного состояния проблемы теплового и прочностного расчетов технологической оснастки для формования продуктов СВС. Рассмотрены подходы к моделированию основных стадий процесса формования продуктов СВС, позволяющие выявить значимые факторы и оптимизировать технологические переменные процесса и конструктивные параметры оснастки, значения которых определяются на основе результатов расчета температурных полей в прессуемом материале и элементах технологической оснастки.
Общая схема технологии СВС включает в себя такие основные технологические стадии, как приготовление шихты из порошкообразных реагентов, проведение собственно процесса СВС (сжигание шихты) и переработку продуктов горения. В настоящее время разработано около 100 технологических разновидностей СВС. В технологии формования продуктов СВС твердосплавных материалов не успевший остыть пористый продукт горения подвергается уплотнению до беспористого состояния (рис. 1, 2). При этом может быть организовано формообразование.
Рис. 1. Схема СВС-формования
Рис. 2. Временная диаграмма СВС-формования
Расчет температурных полей в прессуемом материале и элементах технологической оснастки формования продуктов СВС твердосплавных материалов осуществляется с использованием математической модели, включающей дифференциальные уравнения теплопроводности (1) в цилиндрических координатах, граничные и начальные условия, уравнение движения фронта горения. Характер температурного поля в элементах оснастки зависит от температурного поля в прессуемом материале, сформированного в результате химической реакции:
.(1)
Граничные условия: на границе образец-изолятор: T1 = T2, -l1?T1 /?n = -l2?T2 /?n; на границе изолятор-пресс-форма: T2 = T3, -l2?T2 /?n = -l3?T3 /?n; на границе пресс-форма-окружающая среда: -l3?T3 /?n = a(T3 - T0). Начальные условия: t = 0; Т1 = T0, если z d + H0; Т1 = Tг, если d z d + e; T2,3 = T0. Уравнения движения фронта горения: z* = Uг t. Здесь индекс i = 0 соответствует окружающей среде, i = 1 - шихтовому образцу, i = 2 - теплоизолирующей оболочке, i = 3 - пресс-форме, ai - коэффициент температуропроводности. тепловой твердосплавный технологический