Веретельник С.П., Коробко Ю.В.

АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ПРИ КОМПАКТИРОВАНИИ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ

статья для VIII Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов» – Донецк, ДонНТУ 

  Информация о процессах происходящих при компактировании ультрадисперсных промышленнных отходов.

  При компактировании ультрадисперсных материалов возникают силы внутреннего и внешнего трения на контактных поверхностях формовки со стенками пресс-формы, которые вызывают неравномерное распределение давлений и плотностей в объёме уплотняемого тела. Это приводит к нарушению основного требования к формовке – равномерной плотности, которая отвечает за прочность и стойкость спеченных изделий, а также обеспечивающим стабильность свойств.

  Вопрос перераспределения массы в объеме формовки является объектом многочисленных исследований, однако раскрыт недостаточно. В работах [1,2,3] выполнено решение данной задачи.

  Bажнейших параметров компактирования являются:

  1. Минимизация размеров и концентрации пор в компакте, для оптимизации механических свойства, эффективное удаление пористостости и минимизация операции финишной обработки спечённого керамического изделия для достижения адекватной чистоты поверхности. Однако, необходимо учитывать, что соотношения между упаковкой и размером частицы ограничивается несовершенствами, свойственными реальным материалам, включая несферические частицы и гранулы (т.е. кластеры или агломераты маленьких, первичных частиц), полые агломераты и сверхтонкие фракции (мельчайшие частицы и агломераты) в распределениях по размерам частиц и гранул. Прогнозирование реальной упаковки компактов должно учитывать такие непостоянства и в этом направлении необходимо развивать новые модели, методики компактирования.

  2. Контроль однородности усадки – не до конца исследованная, связь между режимом спекания частиц, из которых состоит порошок, и полной усадкой компакта весьма важна в производстве керамических изделий. Микроструктурные изменения плотности в керамическом материале могут вызвать различия в усадке при спекании: области большей плотности в прессовке требуют меньшего времени для консолидации при спекании, чем области с меньшей плотностью. До недавнего времени методы предварительного определения неоднородности усадки, обусловленной градиентами плотности компакта, были недостаточны из-за трудностей точного измерения многих переменных. Для прогресса в обеспечении однородности усадки требуется улучшение контроля плотности и градиентов плотности в прессовке путём разработки научно-обоснованных моделей и методов компактирования [4].

  Для решения этих задач необходимо рассмотреть процессы происходящие при компактировании. Все теоретические модели компактирования, на которых базируется уравнение уплотнения материала, основаны на идеализации параметров и процессов. Константы, которые входят в уравнение- показывают влияние некоторого количества параметров. Так как процесс компактирования является сложным, а его протекание обуславливается многими зависимостями.

  Большинство литературных источников приводит в пример модель поведения формовки под действием внешней нагрузки, выработанным исходя из различных представлений о механизме уплотнения. Как известно, их разделяют на три последовательные стадии, каждая из которых сопровождается изменениями, происходящими в объёме материала. Первая стадия характеризуется наиболее интенсивным уплотнением частиц порошка и наиболее благоприятной их упаковкой за счет «разрушения арок и мостиков» и свободного перераспределения частиц. На протяжении второй стадии уплотнение порошка замедляется, сопротивление сжатию растёт. Третья стадия начинается с момента достижения предела прочности частиц. Эти стадии плавно перетекают одна в другую, поэтому сложно определить их границы.

  Для определения параметров оптимизации режимов прессования необходимо проанализировать поведение порошкового тела в напряжённо-деформированном состоянии на протяжении всего процесса компактирования. При этом необходимо придерживаться ограничения и принимать порошковое тело как сплошную среду. Это означает, что любой, сколь угодно малый, объём пространства порошкового тела содержит рассматриваемый материал. Внешние механические воздействия на тело сводятся к массовым и поверхностным силам. Массовые силы действуют на элемент объёма порошкового тела, а поверхностные – на поверхность, ограничивающую прессовку.

  Современные требования к порошковым изделиям существенно увеличили разнообразие порошковых материалов, сместили их свойства к более жёстким и тонкодисперсным составам и заставляют отказываться от применения пластификаторов. С одной стороны это сделало процесс прессования более предсказуемым и сократило количество требующих учёта посторонних факторов. Но с другой стороны, эффективная переработка в едином производстве большого количества порошков с различными свойствами требует использования единой методики оценки их поведения при уплотнении. В такой ситуации основным критерием применимости той или иной формы уравнения является не его освоенность в практике прессования традиционных порошков, и даже не полнота  его теоретической  обоснованности, а исключительно достоверность  аппроксимации экспериментальных данных уплотнения различных порошковых материалов при минимальном  влиянии  посторонних факторов. Исходя из представленных рассуждений, можно заключить, что для практических и аналитических целей наиболее эффективно применение относительно простых уравнений прессования,  использующих единственную функциональную зависимость. Сформулируем основные требования, которые следует предъявить к таким уравнениям. Уравнение  должно  аппроксимировать  экспериментальные данные уплотнения  большинства  различных  порошковых  материалов  в  актуальном диапазоне давлений прессования с достаточной (не менее 90%) достоверностью аппроксимации. При этом уравнение должно быть простым для практического применения и аналитических преобразований и содержать не более двух независимых друг от друга постоянных коэффициентов с определённым физическим смыслом. В качестве зависимой переменной  целесообразно  использовать  плотность  порошкового  тела; независимой переменной – давление прессования. Значение плотности должно быть нормированным на теоретическую плотность порошкового материала, а текущее значение давления должно быть нормированным на давление, при котором прессовка имеет теоретическое или другое характерное значение плотности. В этом случае исчезает проблема согласования размерностей левой и правой частей уравнения компактирования.

  Bсе дальнейшие исследования процессов сухого уплотнения порошков целесообразно проводить без разбиения общего процесса на этапы и с учётом сформулированных граничных условий. Также необходимо обратить внимание на зависимости диаграммы «плотность – давление» (кривая уплотнения) от реологических свойств порошкового тела и его частиц, их формы, размеров, гранулометрического состава, параметров межчастичных взаимодействий и кинематических особенностей движения элементов пресс-инструмента.

Список литературы

1. Жданович Г.М. Порошковая металлургия, №6, 1969

2. Жданович Г.М. Теория прессования металлических порошков, «Металлургия», М., 1969

3.Рассказов Н.И. Труды МИХМ, XXIX научно-техн.конф.М., 1968

4. О.Л. Хасанов, Э.С. Двилис, З.Г. Бикбаева, Методы компактирования и консолидации наноструктурных материалов и изделий , Томск, 2008.-212с.