РОЗДІЛ 2
ТЕОРЕТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ ВИГОТОВЛЕННЯ РОЗПИЛЮВАЧІВ З КЕРАМІЧНИХ МАТЕРІАЛІВ
2.1. Загальні теоретичні передумови технологічних процесів виготовлення розпилювачів з керамічних матеріалів
Технологічний процес виготовлення розпилювальних пристроїв за допомогою керамічних технологій здійснюється наступними етапами: створення дисперсної системи (керамічної маси з відповідними властивостями - шлікеру), конструювання і виготовлення форм, формування маси у заготовки потрібних розмірів і форм, фіксація структури заготовки у моноліт (термічна обробка). Основним критерієм якості розпилювальних пристроїв, які виготовлені за допомогою керамічних технологій є точність їх геометричної форми та розмірів (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Схема забезпечення якості розпилювальних пристроїв, виготовлених за допомогою керамічних технологій.
Розміри і геометрична форма розпилювальних пристроїв визначаються розмірами і формою заготовок та величиною їх об'ємних і лінійних змін внаслідок термічної обробки. Розміри заготовок і їх точність залежать від показників технологічних режимів під час формоутворення (гарячого лиття під тиском): температури форми і шлікеру, тиску подачі шлікеру тощо, а також визначаються розмірами і точністю робочих поверхонь форми.
Технологічні режими процесу формоутворення заготовок (методом гарячого лиття під тиском) забезпечують подачу шлікеру визначеної температури під дією певного тиску (зовнішніх сил) з відповідною швидкістю у формувальну порожнину (порожнини) визначеної форми. Для зручності аналізу процес формоутворення можна умовно розділити на два взаємозв'язані етапи: 1) заповнення форми шлікером; 2) тверднення шлікеру у формі.
Розглянемо процес заповнення форми ливарною системою (рідиною певної в'язкості), яка під дією зовнішніх сил попадає у підготовлену форму.
Режим руху потоку рідини за загальними законами гідравліки характеризується числом Рейнольдса Re [58, 97], яке з врахуванням конструктивних особливостей ливарної системи становить:
, (2.1)
де D - діаметр труби, м;
? - питома маса рідини, кг/м3;
? - коефіцієнт динамічної в'язкості, Па•с;
g - прискорення вільного падіння, м/с2.
При Re ( 2320 потік рідини протікає у ламінарному режимі, коли число Рейнольдса більше 2320 - у турбулентному. За проведеними попередніми дослідженнями та літературними даними встановлено, що у режимах гарячого лиття під тиском максимальна швидкість становить 10-20 м/с навіть при невеликій в'язкості шлікеру (10-15 П). Ця швидкість є далекою від критичної (яка становить більше 400 м/с для шлікерів), і тому незважаючи на те, що у рідких дисперсних системах перехід ламінарного режиму у турбулентний спостерігається при числах Рейнольдса, у 10-15 разів менших, ніж у звичайних рідин, режим руху потоку шлікеру завжди ламінарний. Ця особливість дуже важлива, оскільки визначає умови заповнення форм, і може бути покладена в основу розрахунків і аналізу механізму процесу лиття.
Рух рідини ламінарного (без завихрень) і стаціонарного характеру описується рівнянням Бернуллі [58]:
, (2.2)
де р - статичний тиск, МПа;
? - густина рідини, кг/м3;
h - висота від умовно вибраного рівня, м.
V1 - середня швидкість руху рідини, м/с.
З цього рівняння можна встановити швидкісно-часові режими і відповідно особливості заповнення форм, що визначають можливість повноцінного формоутворення.
Середню об'ємну швидкість заповнення форми ливарною системою під час формування можна визначити за формулою:
(2.3)
Vof - робочий об'єм форми (сумарний об'єм формувальних порожнин багатомісної форми), м3;
t1 - час, протягом якого заповнюється камера (формувальна порожнина), с.
Звідси, відповідно, знаючи швидкість, можна знайти середній час, протягом якого заповнюється камера форми (формувальні порожнини у разі використання багатомісної форми).
З іншого боку час і швидкість заповнення камери залежить від тиску подачі шлікера через ливарникову систему:
Р = f(V, t1, Км, Хш), (2.4)
де Км - конструктивні особливості формувальної устави;
Хш - характеристики і властивості ливарної системи.
Загальна об'ємна швидкість Vо подачі шлікеру з ливарника формувальної машини функціонально залежить від властивостей шлікеру, конструктивних особливостей ливарникової системи формувального обладнання, тощо:
, (2.5)
де k - коефіцієнт, що враховує гідравлічні втрати у системі;
Рф - робочий тиск формоутворення, МПа;
Fk - усереднена площа перерізу каналів ливарникової системи, м2;
? - в'язкість шлікеру, кг/м3;
?c - густина шлікеру, кг/м3.
Таким чином, якість заготовки, що утворюється у формувальній порожнині залежить від конструкції форми і машини (установки) для лиття, властивостей ливарної системи і режимів формування.
Під час потокового (багаторазового) формування (у напівавтоматичному режимі) температура форми встановлюється на деякому рівні, який залежить від співвідношення між кількостями тепла, що підводиться (Q1) до форми і відводиться (Qo) від неї за час одного циклу. Для цього випадку тепловий баланс форми має вигляд:
Q1 = Qo, (2.6)
де відповідно з врахуванням усіх втрат тепла [70]:
, (2.7)
де ?sі - коефіцієнт тепловіддачі від поверхні форми, ккал/м2?год?оС;
Fsі - площа ділянки тепловіддачі, м2;
t2т - температура форми під час багаторазового формування,