Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение

Гидроструйные насосы применяют во многих отраслях техники. Они предназначены для перекачки жидких, газообразных или газожидкостных смесей. Хотя гидроструйные установки имеют относительно невысокий КПД (порядка 30 %), они имеют явные преимущества по сравнению, например, с мультифазными насосами, так как отличаются простотой конструкции и эксплуатации, отсутствием движущихся механических частей, а следовательно, надежностью работы. При проектировании проточных трактов гидроструйных насосов в основном используют инженерные методики расчета однофазных течений, опирающиеся на законы сохранения энергии, массы, импульса с использованием полуэмпирических зависимостей, однако результаты их применения для расчета многофазных течений оказываются весьма приближенными. Для оптимизации проточных трактов установок более эффективным подходом является математическое моделирование течений с использованием современных программных комплексов, ориентированных на решение задач гидро- и газодинамики. Приведены результаты математического моделирования работы гидроструйного насоса в условиях перекачки газожидкостной смеси. Моделирование проведено с применением вычислительного комплекса STAR-CCM+. Задача решена в эйлеровых координатах с применением модели Volume of Fluid (VOF) для многофазного течения. Турбулентное течение газожидкостной смеси описано с помощью k-ε-модели. При этом сделано допущение об отсутствии химического взаимодействия между фазами, а также в первом приближении опущен учет сил поверхностного натяжения. Во всех проведенных расчетах в качестве жидкой фазы использована вода, а в качестве газовой фазы идеальный газ - воздух. Рассмотрены варианты расчетов проточного тракта с цилиндрическим и кольцевым активными соплами. Проведена сравнительная оценка эффективности работы установки. Показано, что наиболее эффективным является вариант проточного тракта с кольцевым соплом при раздельной подаче газа и жидкости через два пассивных входа.

Проведены исследования кратковременной прочности и пластичности ( E , s0,2, sв, d, y) образцов из нержавеющей стали PH1, полученных методом селективного лазерного спекания на установке Eosint M280 при различных режимах термообработки. Исследование заключалось в определении оптимального режима термообработки и направления выращивания образцов (горизонтальное или вертикальное). Испытания проводились из сплава PH1 по ГОСТ 1497 с построением условных диаграмм растяжения и определением следующих характеристик: условное временное сопротивление sв, условный предел текучести при растяжении s0,2, остаточное относительное удлинение d; относительное сужение y, статический модуль упругости при растяжении E. Определение характеристик механических свойств сплава PH1 при испытании на растяжение на установке LFMZ100 проводилось на цилиндрических образцах, изготовленных из термообработанной заготовки, полученной методом селективного лазерного спекания. Испытания на модуль упругости проводились по ГОСТ 25.502-79. Скорость нагружения при определении прочности составляла 1,25 мм/мин. Скорость нагружения при определении характеристик текучести составляла 0,125 мм/мин. Испытания проводились до разрушения образцов. Анализ результатов показал, что эксплуатационные характеристики образцов достигают максимального значения при получении их горизонтальной ориентацией, в отличие от характеристик, полученных вертикальным направлением выращивания образцов. Исследования структуры и физико-механических свойств сплава PH1 показали, что данный сплав имеет более высокие прочностные характеристики по сравнению с аналогами, полученными с использованием технологий литья, проката и твердофазного спекания. Полученные характеристики кратковременной прочности и пластичности, условные диаграммы растяжения могут быть использованы в прочностных расчетах и при определении режимов испытаний на малоцикловую усталость деталей, изготовленных из сплава PH1.

Литые слюдокристаллические материалы фторфлогопитового типа являются перспективной альтернативой традиционным огнеупорам для электролизеров в цветной металлургии. Использование литых слюдокристаллических материалов фторфлогопитового типа в электролизном способе получения металлического магния позволяет сразу решить несколько актуальных проблем, связанных с быстрым износом футеровочной кладки. Прежде всего благодаря применению литых слюдокристаллических материалов фторфлогопитового типа снижаются расходы на ремонт и время диагностического простоя оборудования, повышается чистота металлического расплава, так как литые слюдокристаллические материалы фторфлогопитового типа практически не взаимодействуют с компонентами среды электролизной ванны. Длительный срок службы обеспечивается низкой смачиваемостью поверхности литых слюдокристаллических материалов фторфлогопитового типа расплавом жидкого магния. Однако существующие технологические решения и параметры технологического процесса получения этих материалов не обеспечивают необходимый уровень выхода годной продукции и являются в значительной степени опасными для экологической обстановки и здоровья производственного персонала. Уточняются размерные параметры технологического процесса получения литых слюдокристаллических материалов, которые обеспечивают повышение выхода годной продукции, а также позволяют усилить экологическую безопасность данного производства. Показана практическая значимость таких решений, как предварительное гранулирование шихтовых смесей перед загрузкой в плавильную электродуговую однофазную печь и использование многоуровневой системы очистки отходящих газов. Показано, что выбор оптимальных размерных параметров технологического процесса позволяет нейтрализовать действие наиболее опасного побочного продукта - хлористого водорода - до уровня, который позволяет сохранить здоровье работающих и предотвратить нанесение непоправимого экологического ущерба территории предприятия и близлежащим населенным пунктам и одновременно повысить производительность и качество продукции.

Разработка новых технологий изготовления изделий из алюминиевых сплавов, обеспечивающих улучшенные эксплуатационные характеристики и высокие экономические показатели, является актуальной задачей. Использование аддитивных технологий, или технологий послойного синтеза для изготовления металлических конструкций позволяет значительно ускорить решение задач технологической подготовки производства и выпуска готовой продукции. Применение присадочной проволоки в качестве рабочего материала позволяет избавиться от проблем, связанных с низкой производительностью существующих методов, высокой стоимостью применяемого оборудования, ограниченностью типов применяемых материалов, обусловленных использованием порошковых систем. Применение метода послойного синтеза позволяет использовать деформируемые алюминиевые сплавы для получения сложнопрофильных изделий. Использование новых сплавов для аддитивного производства обеспечит получение сложных ответственных конструкций с повышенными эксплуатационными характеристиками. Высокие служебные характеристики обеспечиваются формированием заданной структуры и свойств металла конструкции (определяются временем пребывания металла в расплавленном состоянии, величиной зоны сплавления между слоями, скоростью нагрева и охлаждения металла в нижних слоях и др.). Постоянный подогрев формируемого изделия при наложении слоев может затруднять получение требуемых размеров наплавляемых слоев и желательной структуры получаемого металла. Решить многие проблемы наплавки алюминиевых сплавов, повысить производительность при высоком качестве позволяет плазменная наплавка постоянным током обратной полярности. Плазменная наплавка током обратной полярности обеспечивает очистку поверхности предыдущего слоя от загрязнений за счет эффекта катодного распыления, хорошее смачивание и растекание жидкого металла при минимальном нагреве поверхности. При этом обеспечивается получение слоистых материалов с благоприятной структурой без внутренних дефектов. Представлены результаты исследования аддитивного формирования изделий из алюминиевого сплава 1580 системы алюминий-магний-скандий с использованием плазменной наплавки током обратной полярности. Подобраны режимы наплавки, обеспечивающие формирование слоистых заготовок без внутренних дефектов. Установлено, что плазменная наплавка обеспечивает относительную стабильность структурного и фазового состава материала слоев под воздействием термических циклов по мере формирования заготовки. Зафиксировано незначительное увеличение объемной доли упрочняющих и избыточных фаз. Отмечена потеря цинка в наплавленном металле при сохранении содержания остальных элементов. Установлено, что прочностные характеристики наплавленного металла находятся на уровне свойств литого материала, уступая деформированному; при этом пластичность наплавленного металла существенно превосходит как пластичность отливок - в 2-3 раза, так и пластичность отожженных прокатанных полуфабрикатов - в 1,5 раза.

Эмалевые покрытия характеризуются высокой стойкостью к воздействию агрессивных сред, газовой и атмосферной коррозии, органических и минеральных кислот в широком интервале значений температуры, обладают хорошими гигиеническими свойствами. Срок службы эмалевых покрытий может существенно сокращаться при нарушении целостности покрытия. Рассмотрена проблема возникновения дефектов эмалевого покрытия, разрушающих целостность эмали. Среди дефектов эмалевых покрытий наиболее распространены «пузырь эмали» и «посторонние включения», характеристики дефектов зависят от химического состава эмали и температурных процессов нагрева и выдержки в печи. Цель работы - установление влияния времени и температуры обжига на структуру и дефектность эмалевого покрытия. Дефекты поверхности эмалевого покрытия изучены с помощью металлографических исследований и методов сканирующей электронной микроскопии. Элементный анализ покрытий изучен методом рентгеновского энергодисперсионного микроанализа. Образцы эмалевых покрытий были термически обработаны при значениях температуры 820, 830, 840, 850, 860 и 880 °С в течение 2, 3, 4 и 5 мин. Показан химический состав дефектов эмалевого покрытия. Установлено влияние температуры и времени термической обработки на структуру и дефектность эмалевого покрытия. Показано, что с увеличением температуры обжига от 820 до 880 °С дефект «пузырь эмали» приобретает ярко выраженный характер, начинает более четко просматриваться ячеистая структура эмали, размеры пузырей постепенно увеличиваются, становится больше пузырей относительно небольших размеров. Увеличение времени термической обработки от 2 до 5 мин приводит к укрупнению пузырей, ячеистая структура эмали становится более выраженной. Длительный обжиг не приведет к исправлению дефектов покрытия. Установлены оптимальные технологические параметры термической обработки эмалевых покрытий: температура обжига 820 °С и время обжига 2-3 мин.