Вимушений теплообмін і швидкість охолодження крапель при одержанні металевих порошків розпилюванням розплаву водою

Анотація

Одержання якісних металевих порошків є одним з важливих етапів технологічного процесу виробництва металовиробів методом порошкової металургії. Серед великого різноманіття способів виготовлення порошків за економічністю і продуктивністю вигідно відрізняється розпилення розплавів водою високого тиску, при якому геометрична форма та мікроструктура частинок суттєво залежать від швидкості охолодження, що пов’язано з особливостями теплообміну в системі крапля розплаву – вода – газова фаза. Проте експериментальне підтвердження того чи іншого режиму теплообміну не представляється можливим, що пов’язано з малим розміром частинок, кількість яких у 1 см³ зони розпилення складає близько 10⁷. У роботі проаналізовано вплив теплофізики процесу розпилення на швидкість тверднення крапель металу. На підставі аналізу відомих закономірностей та явищ тепломасопереносу оцінено коефіцієнти тепловіддачі, щільність теплового потоку для різних режимів теплообміну, а також внески кондуктивної, конвективної і радіаційної складових тепловіддачі. Показано, що частка передачі тепла випромінюванням становить не більше 0,1 %. Теоретично підтверджено, що охолодження крапель відбувається в бульбашковому режимі кипіння води. Для інструментальної сталі швидкість охолодження частинок, що розрахована на основі коефіцієнта тепловіддачі при розвиненому бульбашковому режимі, складає порядка 10⁶ К/с. Така швидкість охолодження при бульбашковому або псевдобульбашковому кипінні забезпечується, коли парова плівка, що утворюється, «зривається» водяним потоком, імітуючи охолодження «псевдобульбашками». Формування коміркової структури порошків, яке спостерігається на практиці під час розпилення водою під тиском, підтверджує правильність теоретичних викладок. Результати роботи можуть бути використаними для обґрунтування теплових режимів отримання порошків з різною структурою, у тому числі аморфною.