Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) — это новая эффективная технология, обладающая многими достоинствами: высокой  технологической производительностью, использованием химической энергии реагентов, значительным упрощением высокотемпературного оборудования, применением к решению разнообразных технологических задач [2].

СВС – металлургия - это одно из наиболее перспективных направлений в СВС. На основе металлургических СВС – процессов О. Одаварой с коллегами (Япония) была разработана технология получения труб большого диаметра с керметной, слоевой и градиентной структурой [1].

В основе способа лежат реакции экзотермического взаимодействия нескольких химических элементов или соединений, протекающие в  режиме направленного горения [4]. Процесс идет за счет тепла химических реакций и не требует внешней энергии для нагрева. В результате горения смеси генерируется тепловая энергия, которая расходуется на плавление смеси и возбуждение в ней реакции, нагрев стенки трубы и излучение в окружающее пространство. Получается самораспространяющийся процесс: химическая реакция протекает в узкой зоне (фронте), перемещающейся по веществу с определѐнной скоростью. В результате физико-химических превращений в слое смеси образуется жидкая фаза, которая кристаллизуется и образует покрытие.

От химического состава, геометрических и теплофизических параметров смеси СВС зависят: тепловые процессы в системе смесь-стенка, коррозионная и эрозионная стойкость покрытия, качество сформированного покрытия. Поэтому разработка технологии нанесения внутритрубного покрытия достаточно сложная проблема. Следовательно, возникает необходимость в создание математической модели процесса нанесения внутритрубного покрытия методом центробежного СВС, которая бы учитывала все множество параметров, формирующих покрытие.

В работе [5] при создании математической модели было принято, что теплообмен происходит только радиально, и не учитывалась скорость фронта горения, от которой во многом  зависит условия протекания процесса.

При составлении математического описания процесса теплообмена был принят ряд допущений: толщина слоя смеси СВС постоянная по радиусу и по длине, теплофизические параметры сред постоянны и не зависят от температуры и химического состава смеси.

В данном исследовании представлена математическая модель процесса, учитывающая кинетику процесса горения, его теплофизические факторы, в том числе скорость распространения фронта горения, пористость смеси и продолжительность жидкой области.

Исходя из представлений о протекании процесса нанесения покрытия на стенку трубы как объекта многослойной структуры и принятых допущений, уравнения теплофизики (1), начальные (2) и граничные (3) условия имеют вид:

Сходимость численного решения к аналитическому достигается путем выбора размеров элементов сетки дискретной модели. В работе [3] были проведены исследования устойчивости схемы и применены при решении данной задачи. Для устойчивости разностной схемы между пространственными шагами разностной сетки должно соблюдаться соотношение: tuг < h .

Построенная в ходе настоящей работы математическая модель термокинетики процесса формирования внутритрубного покрытия реализована в программной системе Matlab. В ходе многочисленных расчетов были получены зависимости, некоторые их них показаны на Рисунках 1–3.

По результатам компьютерного моделирования процесса формирования внутритрубного покрытия методом центробежного СВС, представленным на Рисунке 1, можно судить о скорости и характере теплофизических процессов. В рассматриваемом сечении S=0.5м максимальная температура (2600 К) смеси достигается через 49 секунд после начала процесса, теплообмен в стенке трубы протекает с небольшим опережением фронта горения: изменения температур наблюдается с 25с.

Аналогичные выводы можно сделать из зависимостей распределения температур, представленных на Рисунке 2. Через 50 секунд после начала процесса фронт горения пройдет до сечения 0.5м, при этом в сечении 0.8м также наблюдаются изменения температур из-за теплопроводности трубы и теплопередачи от трубы к смеси.

По зависимости, представленной на Рисунке 3, можно судить о степени выгорания смеси на фронте горения и о качестве протекающей химической реакции.

Полученные в ходе моделирования зависимости распределения температур сред и степени превращения химических реагентов являются теоретическими, носят исследовательский характер и требуют экспериментальной проверки. Однако результаты работы соответствуют изначальным логическим предположениям о протекании процесса.

Список литературы

1.     Концепция развития СВС как области научно-технического прогресса / под ред. А.Г. Мержанова. – Черноголовка: Территория, 2003. – 368 с.

2.     Мержанов, А.Г. Твердопламенное горение [Текст] /А.Г. Мержанов, А.С. Мукасьян. – М.: ТОРУС ПРЕСС, 2007. – 336 с.

3.     Потапов, В.И. Математические модели теплофизических процессов в объектах многослойной структуры: Монография. – Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2004. – 270 с.

4.     Санин, В.Н. СВС-металлургия труб с износостойким защитным покрытием с использованием техногенных отходов металлургических производств / В.Н. Санин, Д.Е. Андреев, В.И. Юхвид // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. – 2011. – № 2. – С. 37–43.

5.     Wang,Yu-Fei. Finite element analysis of residual thermal stress in ceramic-lined composite pipe prepared by centrifugal-SHS / Yu-Fei Wang , Zhen-Guo Yang // Materials Science and Engineering. – 2007. – V. 460, №4 – P. 130–134.