Помощь студентам в учебе
ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ И РЕСТАВРАЦИИ ЭМАЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ ЧЁРНЫХ МЕТАЛЛОВ СФОКУСИРОВАННЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ДУГОВОГО ИСТОЧНИКА
|
ОГЛАВЛЕНИЕ 2
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ 6
ВВЕДЕНИЕ 8
ГЛАВА 1.ЭМАЛИ И ГЛАЗУРИ, СОСТАВЫ И НАЗНАЧЕНИЕ 13
1.1 Глазури 15
1.1.1 Влияние компонентов на свойства глазурного покрытия 16
1.2 Эмали 18
1.2.1 Защитные технологические покрытия 20
1.2.2 Составы для технического эмалирования чугуна и стали 21
1.2.3. Примеры применения эмалевых покрытий 25
1.2.4 Составы эмалей для алюминия и сплавов 28
1.2.5. Составы эмалей для сплавов и нержавеющей стали 29
1.3. Направления совершенствования составов оксидных стёкол 31
1.4 Общая характеристика технологического процесса изготовления
эмалированных металлических изделий 32
1.5. Дефекты эмалевого покрытия, причины их появления 37
1.5.1. Дефекты эмалевого покрытия на стали 38
1.5.2. Устранение дефектов эмалевого покрытия на стали 41
1.5.3. Дефекты эмалевого покрытия на чугуне 44
1.5.4. Практикуемые способы удаления дефектного эмалевого покрытия
чугунных изделий 46
1.6. Постановка цели и задач исследований 47
ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ, МЕТОДЫ
И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 49
2.1. Стеклоэмали 49
2.2. Последовательность образования эвтектик при плавлении эмалей ... 50
2.3. Оценка энергетических затрат, необходимых для формирования стеклоэмалевого покрытия на стальной подложке. Выбор источника нагрева . 52
2.3.1. Оплавление стеклоэмалевого покрытия на стали 53
2.3.2. Численное моделирование нагрева слоистой структуры 55
2.3.3. Выбор источника нагрева 57
2.4. Светолучевая установка СУМ-2 и экспериментальная
полупромышленная импульсная светолучевая установка 60
2.4.1. Светолучевая установка СУМ-2 62
2.4.2. Экспериментальный стенд па базе установки СУМ -2, для
исследования импульсного нагрева стеклоэмалевых покрытий некогерентным светом 65
2.4.3. Экспериментальная полупромышленная импульсная
светолучевая установка 66
2.4.4. Расчетные значения импульсной плотности мощности светового
потока, генерируемого установкой для импульсно-периодического воздействия сфокусированным излучением дугового источника 69
2.5. Методы исследования порошков фритт и эмалированных стальных
образцов 71
2.6. Методика светолучевого воздействия. Структурно-методологическая
схема работы 72
2.5. Выводы 74
ГЛАВА 3. ПРОЦЕССЫ В СТЕКЛОЭМАЛЯХ ПРИ СВЕТОЛУЧЕВОМ
ВОЗДЕЙСТВИИ 75
3.1. Поглощение световой энергии системой эмаль-металл и спектральные
характеристики коэффициента отражения исследуемых эмалей 76
3.2. Поверхностное натяжение исследуемых эмалей при светолучевом
оплавлении 78
3.2.1 Примерный расчёт коэффициента поверхностного натяжения эмалей по А.Аппену [15] 78
3.2.2. Расчёт коэффициента поверхностного натяжения эмалей по А.
Дитцелю 80
3.2.3. Экспериментальное определение коэффициента поверхностного натяжения эмалей в зависимости от плотности мощности светового потока 81
3.2.4. Расчётные и экспериментальные значения поверхностного натяжения эмалей 82
3.3. Влияние плотности мощности воздействия на продолжительность
светолучевого эмалирования образцов 82
3.3.1. Сравнение ИК спектров покрытий, полученных печным и
световым обжигом 84
3.3.2. Исследование микроструктуры поверхности эмалированных
стальных образцов 85
3.3. Устранение дефектов стеклоэмалевого покрытия импульснопериодическим воздействием сфокусированного светового излучения 86
3.3.1. Термонапряжения на периметре локально расплавленного стеклоэмалевого покрытия на стали 88
3.4. Термоударное разрушение эмалевого покрытия чугунных изделий путём импульсно-периодического воздействия мощным сфокусированным
светом ксеноновой дуговой лампы ДКсШРБ-10000 89
3.4.1. Термонапряжения на границе покрытие (ТК-17)-чугун при
локальном нагреве эмали 90
3.4.2. Оптимизация параметров воздействия при удалении эмалевого
покрытия (ТК-17) чугунных изделий 91
3.5. Светоиндуцированная аморфизация и кристаллизация
титансодержащей эмали ТК - 17 93
3.6. Выводы по главе 3 97
ГЛАВА 4. СВЕТОЛУЧЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СТЕКЛОЭМАЛЕВЫХ
ПОКРЫТИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 100
4.1. Технология термоударного удаления дефектного эмалевого покрытия чугунных изделий импульсно-периодическим воздействием сфокусированного излучения ксеноновой дуговой лампы 102
4.2. Технология светолучевого ремонта дефектов стеклоэмалевого
покрытия на холодных стальных изделиях (без послеоперационного отжига всего изделия) импульсно-периодическим воздействием сфокусированного светового излучения дугового источника 104
4.3. Технология светолучевого экспресс-эмалирования стальных образцов
106
4.4. Технология светолучевого изготовления и декорирования изделий в
технике витражной эмали 109
4.5. Выводы 112
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 113
Выводы по работе 114
Список литературы 116
Приложение 1 130
Приложение 2 132
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ 6
ВВЕДЕНИЕ 8
ГЛАВА 1.ЭМАЛИ И ГЛАЗУРИ, СОСТАВЫ И НАЗНАЧЕНИЕ 13
1.1 Глазури 15
1.1.1 Влияние компонентов на свойства глазурного покрытия 16
1.2 Эмали 18
1.2.1 Защитные технологические покрытия 20
1.2.2 Составы для технического эмалирования чугуна и стали 21
1.2.3. Примеры применения эмалевых покрытий 25
1.2.4 Составы эмалей для алюминия и сплавов 28
1.2.5. Составы эмалей для сплавов и нержавеющей стали 29
1.3. Направления совершенствования составов оксидных стёкол 31
1.4 Общая характеристика технологического процесса изготовления
эмалированных металлических изделий 32
1.5. Дефекты эмалевого покрытия, причины их появления 37
1.5.1. Дефекты эмалевого покрытия на стали 38
1.5.2. Устранение дефектов эмалевого покрытия на стали 41
1.5.3. Дефекты эмалевого покрытия на чугуне 44
1.5.4. Практикуемые способы удаления дефектного эмалевого покрытия
чугунных изделий 46
1.6. Постановка цели и задач исследований 47
ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ, МЕТОДЫ
И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 49
2.1. Стеклоэмали 49
2.2. Последовательность образования эвтектик при плавлении эмалей ... 50
2.3. Оценка энергетических затрат, необходимых для формирования стеклоэмалевого покрытия на стальной подложке. Выбор источника нагрева . 52
2.3.1. Оплавление стеклоэмалевого покрытия на стали 53
2.3.2. Численное моделирование нагрева слоистой структуры 55
2.3.3. Выбор источника нагрева 57
2.4. Светолучевая установка СУМ-2 и экспериментальная
полупромышленная импульсная светолучевая установка 60
2.4.1. Светолучевая установка СУМ-2 62
2.4.2. Экспериментальный стенд па базе установки СУМ -2, для
исследования импульсного нагрева стеклоэмалевых покрытий некогерентным светом 65
2.4.3. Экспериментальная полупромышленная импульсная
светолучевая установка 66
2.4.4. Расчетные значения импульсной плотности мощности светового
потока, генерируемого установкой для импульсно-периодического воздействия сфокусированным излучением дугового источника 69
2.5. Методы исследования порошков фритт и эмалированных стальных
образцов 71
2.6. Методика светолучевого воздействия. Структурно-методологическая
схема работы 72
2.5. Выводы 74
ГЛАВА 3. ПРОЦЕССЫ В СТЕКЛОЭМАЛЯХ ПРИ СВЕТОЛУЧЕВОМ
ВОЗДЕЙСТВИИ 75
3.1. Поглощение световой энергии системой эмаль-металл и спектральные
характеристики коэффициента отражения исследуемых эмалей 76
3.2. Поверхностное натяжение исследуемых эмалей при светолучевом
оплавлении 78
3.2.1 Примерный расчёт коэффициента поверхностного натяжения эмалей по А.Аппену [15] 78
3.2.2. Расчёт коэффициента поверхностного натяжения эмалей по А.
Дитцелю 80
3.2.3. Экспериментальное определение коэффициента поверхностного натяжения эмалей в зависимости от плотности мощности светового потока 81
3.2.4. Расчётные и экспериментальные значения поверхностного натяжения эмалей 82
3.3. Влияние плотности мощности воздействия на продолжительность
светолучевого эмалирования образцов 82
3.3.1. Сравнение ИК спектров покрытий, полученных печным и
световым обжигом 84
3.3.2. Исследование микроструктуры поверхности эмалированных
стальных образцов 85
3.3. Устранение дефектов стеклоэмалевого покрытия импульснопериодическим воздействием сфокусированного светового излучения 86
3.3.1. Термонапряжения на периметре локально расплавленного стеклоэмалевого покрытия на стали 88
3.4. Термоударное разрушение эмалевого покрытия чугунных изделий путём импульсно-периодического воздействия мощным сфокусированным
светом ксеноновой дуговой лампы ДКсШРБ-10000 89
3.4.1. Термонапряжения на границе покрытие (ТК-17)-чугун при
локальном нагреве эмали 90
3.4.2. Оптимизация параметров воздействия при удалении эмалевого
покрытия (ТК-17) чугунных изделий 91
3.5. Светоиндуцированная аморфизация и кристаллизация
титансодержащей эмали ТК - 17 93
3.6. Выводы по главе 3 97
ГЛАВА 4. СВЕТОЛУЧЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СТЕКЛОЭМАЛЕВЫХ
ПОКРЫТИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 100
4.1. Технология термоударного удаления дефектного эмалевого покрытия чугунных изделий импульсно-периодическим воздействием сфокусированного излучения ксеноновой дуговой лампы 102
4.2. Технология светолучевого ремонта дефектов стеклоэмалевого
покрытия на холодных стальных изделиях (без послеоперационного отжига всего изделия) импульсно-периодическим воздействием сфокусированного светового излучения дугового источника 104
4.3. Технология светолучевого экспресс-эмалирования стальных образцов
106
4.4. Технология светолучевого изготовления и декорирования изделий в
технике витражной эмали 109
4.5. Выводы 112
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 113
Выводы по работе 114
Список литературы 116
Приложение 1 130
Приложение 2 132
Благодаря экологической безопасности, высокой химической стойкости, механической прочности, термостойкости и экономической эффективности стек- лоэмали широко используются как защитные и декоративные покрытия металлических изделий, стальной и чугунной химической аппаратуры а также труб для нефтепроводов и водоводов.
Как на этапе изготовления, так и в процессе эксплуатации эмалированных изделий возможно появление дефектов стеклоэмалевого покрытия. Дефекты покрытия, возникающие в процессе эксплуатации эмалированного оборудования, перекрывают слоями неметаллических химически стойких композиций. Технология восстановлении стеклоэмалевого покрытия на месте дефекта локальным воздействием высокоэнергетического источника, не требующая обжига всего изделия, позволит повысить эффективность технологического процесса эмалирования и рациональной эксплуатации эмалированного оборудования. Это будет достигнуто за счёт уменьшения расхода энергии и трудозатрат при приведении в работоспособное состояние дефектного эмалированного химического, нефтедобывающего оборудования, эмалированных труб большого диаметра. Развитие таких технологий соответствует направлениям энергоэффективности и энергосбережения государственной программы Российской Федерации по приоритетным направлениям модернизации российской экономики.
Разработка методов восстановления стеклоэмалевого покрытия на месте дефекта локальным высокоэнергетическим воздействием на холодном изделии (без послеоперационного отжига всего изделия), непосредственно на месте эксплуатации или после изготовления эмалированного оборудования, является актуальной задачей
Степень разработанности темы диссертационного исследования:
В публикациях о ремонте дефектов стеклоэмалевого покрытия и диссертации Шингаркиной О.В. представлены различные решения по улучшению характеристик химически стойких органических композиций. Публикаций о восстановлении эмали на месте дефекта нет.
Работа выполнялась в рамках федеральных целевых программ: "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы. Государственный контракт № 02.740.11.0811, по теме «Создание и модифицирование методами импульсных физических воздействий композиционных керамических структур на основе диоксида циркония». Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы. Государственный контракт от №16.513.11.3031, по теме «Создание композиционной нанокерамики с повышенными эксплуатационными свойствами»)
Объекты исследования: кислотощелочестойкие стеклоэмали для стальных изделий и стеклокристаллическая эмаль по чугуну.
Предмет исследования: процессы формирования стеклоэмалевых покрытий воздействием некогерентного светового потока сфокусированного излучения ксеноновой короткодуговой лампы (в сравнении с традиционным обжигом в камерной печи сопротивления) и воздействие некогерентного полихроматического светового потока на покрытие холодных эмалированных изделий.
Цель работы - разработка методики ремонта дефектов эмалевых покрытий металлических изделий из стали и чугуна сфокусированным излучением дугового источника.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1 .Анализ достигнутых результатов использования технологических источников локального нагрева, обоснование выбора воздействия потоком сфокусированного светового излучения дугового источника.
2. Исследование эффективности использования светолучевого нагрева для локального формирования стеклоэмалевого покрытия на малоуглеродистых сталях (в сравнении со стеклоэмалевыми покрытиями, полученными традиционным нагревом).
3. Разработка установки и экспериментального оборудования для осуществления технологических процессов в технологии эмалирования с использованием лучистого нагрева.
4. Разработка технологических процессов ремонта дефектов стеклоэмалевых покрытий металлических изделий.
Научная новизна:
1. Установлено, что сфокусированное излучение ксеноновой дуговой лампы обеспечивает плавление кислотощелочестойких эмалей и изменение свойств расплава эмали. При плотности мощности светового воздействия 38 Вт/см2 эти изменения выражены в уменьшении величины коэффициента поверхностного натяжения эмалей в 2,5-2,7 раза в сравнении с традиционным нагревом до 900 °C, а при 77 Вт/см2 соотношение увеличивается до 810 раз, что способствует растеканию расплава эмали и получению более высокого качества поверхности покрытия, чем при традиционном нагреве.
2. Установлено, что импульсно-периодическое воздействие сфокусированного излучения ксеноновой дуговой лампы при плотности мощности 450550 Вт/см2 с длительностью импульса 0,1-0.5 секунды и периодом следования 0,5-1 с позволяет восстанавливать дефектное стеклоэмалевое покрытие на стальных изделиях с толщиной металла 4 мм локальным оплавлением эмали на месте дефекта. Снижение плотности мощности воздействия до 200-250 Вт/см2 позволяет залечивать микротрещины и релаксировать термонапряжения в эмали, возникающие при локальном оплавлении эмали на месте дефекта стеклоэмалевого покрытия.
3. Установлено, что удаление эмалевого покрытия чугунных изделий происходит при импульсно-периодическом воздействии сфокусированного излучения ксеноновой дуговой лампы при плотности мощности воздействия 150-200 Вт/см2, длительностью импульса 0,5-1 с, с периодом следования 23 с и площадью воздействия 6-8 см2.
Теоретическая значимость работы:
Получены новые научные данные о процессе светолучевого нагрева эмалевого покрытия. Произведён расчёт термонапряжений, возникающих в покрытии при охлаждении участка локального расплавления эмали и граничных напряжений эмаль-чугун при нагреве эмалевого покрытия.
Практическая значимость работы:
1. Разработана установка, позволяющая воздействовать на объект исследования сфокусированным светом дугового источника в пульсирующем режиме и на постоянном токе.
2. Разработана методика локального ремонта дефектов стеклоэмалевого покрытия на холодных стальных изделиях.
3. Разработана технология очистки дефектного покрытия эмалированных чугунных изделий (ванн) для последующего эмалирования традиционным способом.
4. Разработана технология изготовления объёмных изделий в технике «витражной эмали» методом вытягивания из расплава с одновременным декорированием эмали.
5. Лабораторное оборудование и методика светолучевого экспресс- эмалирования небольших стальных образцов использованы в процессе обучения на кафедре электроизоляционной и кабельной техники ТПУ.
Методология диссертационного исследования состояла в сравнении свойств покрытий полученных светолучевым оплавлением и традиционным нагревом в печах сопротивления. Использовались методы исследования микроструктуры поверхности, РФА, ИК-спектроскопия и методики исследования химстойкости. микротвёрдости, стойкости к теплосменам.
Положения, выносимые на защиту:
1. Положение о расплавлении кислотощелочестойких эмалей сфокусированным излучением ксеноновой дуговой лампы и уменьшении при этом величины коэффициента поверхностного натяжения расплава эмалей.
2. Положение о локальном оплавлении эмали на месте дефекта стеклоэмалевого покрытия стального изделия при импульсно-периодическом светолучевом воздействии с плотностью мощности 450-550 Вт/см2 и устранении микротрещин и термонапряжений, возникающих при этом, более мягким воздействием с плотностью мощности 200-250 Вт/см2.
3. Положение о создании напряжений, обеспечивающих скалывание эмалевого покрытия чугунных изделий при импульсно-периодическом светолучевом воздействии с плотностью мощности 150-200 Вт/см2.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась многократным повторением экспериментов с различным сочетанием эмалей и методик их нанесения, использованием традиционных методик оценки качества эмалевых покрытий с применением современного исследовательского оборудования.
Личный вклад автора заключается в активном участии в разработке и усовершенствовании установки, позволяющей осуществлять локальное воздействие мощным сфокусированным излучением ксеноновой короткодуговой лампы на постоянном и импульсном режимах, планировании и проведении экспериментальных исследований, разработке и реализации экспериментальных методик нанесения, реставрации и удаления эмалевого покрытия светолучевым воздействием, в подготовке докладов, статей и заявки на патент. Эксперименты, анализ, расчёты, интерпретация результатов и создание на их основе технологических последовательностей выполнены лично автором.
Апробация работы: Результаты исследований по диссертационной теме докладывались на: Всерос. Конф. “Создание защитных и упрочняющих технологии с использованием концентрированных потоков энергии” (Барнаул, 1996); конф., посвященной 100-летию строительного образования в Сибири (Томск, 1999); на 2-м Междун. . семинаре «Нетрадиционные технологии в строительстве» (Томск, 2001); на Междунар. НТК «Архитектура и строительство» (Томск, 2002), на III Всероссийской научной конференции «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий» (Томск, 2004), на IV Междунар. научн. конф. «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск, 2004), на 13-й Международной научно-технической конференции «Инженерия поверхности и реновация изделий (м13-2)» Ялта(2013).
Как на этапе изготовления, так и в процессе эксплуатации эмалированных изделий возможно появление дефектов стеклоэмалевого покрытия. Дефекты покрытия, возникающие в процессе эксплуатации эмалированного оборудования, перекрывают слоями неметаллических химически стойких композиций. Технология восстановлении стеклоэмалевого покрытия на месте дефекта локальным воздействием высокоэнергетического источника, не требующая обжига всего изделия, позволит повысить эффективность технологического процесса эмалирования и рациональной эксплуатации эмалированного оборудования. Это будет достигнуто за счёт уменьшения расхода энергии и трудозатрат при приведении в работоспособное состояние дефектного эмалированного химического, нефтедобывающего оборудования, эмалированных труб большого диаметра. Развитие таких технологий соответствует направлениям энергоэффективности и энергосбережения государственной программы Российской Федерации по приоритетным направлениям модернизации российской экономики.
Разработка методов восстановления стеклоэмалевого покрытия на месте дефекта локальным высокоэнергетическим воздействием на холодном изделии (без послеоперационного отжига всего изделия), непосредственно на месте эксплуатации или после изготовления эмалированного оборудования, является актуальной задачей
Степень разработанности темы диссертационного исследования:
В публикациях о ремонте дефектов стеклоэмалевого покрытия и диссертации Шингаркиной О.В. представлены различные решения по улучшению характеристик химически стойких органических композиций. Публикаций о восстановлении эмали на месте дефекта нет.
Работа выполнялась в рамках федеральных целевых программ: "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы. Государственный контракт № 02.740.11.0811, по теме «Создание и модифицирование методами импульсных физических воздействий композиционных керамических структур на основе диоксида циркония». Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы. Государственный контракт от №16.513.11.3031, по теме «Создание композиционной нанокерамики с повышенными эксплуатационными свойствами»)
Объекты исследования: кислотощелочестойкие стеклоэмали для стальных изделий и стеклокристаллическая эмаль по чугуну.
Предмет исследования: процессы формирования стеклоэмалевых покрытий воздействием некогерентного светового потока сфокусированного излучения ксеноновой короткодуговой лампы (в сравнении с традиционным обжигом в камерной печи сопротивления) и воздействие некогерентного полихроматического светового потока на покрытие холодных эмалированных изделий.
Цель работы - разработка методики ремонта дефектов эмалевых покрытий металлических изделий из стали и чугуна сфокусированным излучением дугового источника.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1 .Анализ достигнутых результатов использования технологических источников локального нагрева, обоснование выбора воздействия потоком сфокусированного светового излучения дугового источника.
2. Исследование эффективности использования светолучевого нагрева для локального формирования стеклоэмалевого покрытия на малоуглеродистых сталях (в сравнении со стеклоэмалевыми покрытиями, полученными традиционным нагревом).
3. Разработка установки и экспериментального оборудования для осуществления технологических процессов в технологии эмалирования с использованием лучистого нагрева.
4. Разработка технологических процессов ремонта дефектов стеклоэмалевых покрытий металлических изделий.
Научная новизна:
1. Установлено, что сфокусированное излучение ксеноновой дуговой лампы обеспечивает плавление кислотощелочестойких эмалей и изменение свойств расплава эмали. При плотности мощности светового воздействия 38 Вт/см2 эти изменения выражены в уменьшении величины коэффициента поверхностного натяжения эмалей в 2,5-2,7 раза в сравнении с традиционным нагревом до 900 °C, а при 77 Вт/см2 соотношение увеличивается до 810 раз, что способствует растеканию расплава эмали и получению более высокого качества поверхности покрытия, чем при традиционном нагреве.
2. Установлено, что импульсно-периодическое воздействие сфокусированного излучения ксеноновой дуговой лампы при плотности мощности 450550 Вт/см2 с длительностью импульса 0,1-0.5 секунды и периодом следования 0,5-1 с позволяет восстанавливать дефектное стеклоэмалевое покрытие на стальных изделиях с толщиной металла 4 мм локальным оплавлением эмали на месте дефекта. Снижение плотности мощности воздействия до 200-250 Вт/см2 позволяет залечивать микротрещины и релаксировать термонапряжения в эмали, возникающие при локальном оплавлении эмали на месте дефекта стеклоэмалевого покрытия.
3. Установлено, что удаление эмалевого покрытия чугунных изделий происходит при импульсно-периодическом воздействии сфокусированного излучения ксеноновой дуговой лампы при плотности мощности воздействия 150-200 Вт/см2, длительностью импульса 0,5-1 с, с периодом следования 23 с и площадью воздействия 6-8 см2.
Теоретическая значимость работы:
Получены новые научные данные о процессе светолучевого нагрева эмалевого покрытия. Произведён расчёт термонапряжений, возникающих в покрытии при охлаждении участка локального расплавления эмали и граничных напряжений эмаль-чугун при нагреве эмалевого покрытия.
Практическая значимость работы:
1. Разработана установка, позволяющая воздействовать на объект исследования сфокусированным светом дугового источника в пульсирующем режиме и на постоянном токе.
2. Разработана методика локального ремонта дефектов стеклоэмалевого покрытия на холодных стальных изделиях.
3. Разработана технология очистки дефектного покрытия эмалированных чугунных изделий (ванн) для последующего эмалирования традиционным способом.
4. Разработана технология изготовления объёмных изделий в технике «витражной эмали» методом вытягивания из расплава с одновременным декорированием эмали.
5. Лабораторное оборудование и методика светолучевого экспресс- эмалирования небольших стальных образцов использованы в процессе обучения на кафедре электроизоляционной и кабельной техники ТПУ.
Методология диссертационного исследования состояла в сравнении свойств покрытий полученных светолучевым оплавлением и традиционным нагревом в печах сопротивления. Использовались методы исследования микроструктуры поверхности, РФА, ИК-спектроскопия и методики исследования химстойкости. микротвёрдости, стойкости к теплосменам.
Положения, выносимые на защиту:
1. Положение о расплавлении кислотощелочестойких эмалей сфокусированным излучением ксеноновой дуговой лампы и уменьшении при этом величины коэффициента поверхностного натяжения расплава эмалей.
2. Положение о локальном оплавлении эмали на месте дефекта стеклоэмалевого покрытия стального изделия при импульсно-периодическом светолучевом воздействии с плотностью мощности 450-550 Вт/см2 и устранении микротрещин и термонапряжений, возникающих при этом, более мягким воздействием с плотностью мощности 200-250 Вт/см2.
3. Положение о создании напряжений, обеспечивающих скалывание эмалевого покрытия чугунных изделий при импульсно-периодическом светолучевом воздействии с плотностью мощности 150-200 Вт/см2.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась многократным повторением экспериментов с различным сочетанием эмалей и методик их нанесения, использованием традиционных методик оценки качества эмалевых покрытий с применением современного исследовательского оборудования.
Личный вклад автора заключается в активном участии в разработке и усовершенствовании установки, позволяющей осуществлять локальное воздействие мощным сфокусированным излучением ксеноновой короткодуговой лампы на постоянном и импульсном режимах, планировании и проведении экспериментальных исследований, разработке и реализации экспериментальных методик нанесения, реставрации и удаления эмалевого покрытия светолучевым воздействием, в подготовке докладов, статей и заявки на патент. Эксперименты, анализ, расчёты, интерпретация результатов и создание на их основе технологических последовательностей выполнены лично автором.
Апробация работы: Результаты исследований по диссертационной теме докладывались на: Всерос. Конф. “Создание защитных и упрочняющих технологии с использованием концентрированных потоков энергии” (Барнаул, 1996); конф., посвященной 100-летию строительного образования в Сибири (Томск, 1999); на 2-м Междун. . семинаре «Нетрадиционные технологии в строительстве» (Томск, 2001); на Междунар. НТК «Архитектура и строительство» (Томск, 2002), на III Всероссийской научной конференции «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий» (Томск, 2004), на IV Междунар. научн. конф. «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск, 2004), на 13-й Международной научно-технической конференции «Инженерия поверхности и реновация изделий (м13-2)» Ялта(2013).
Воздействие сфокусированным излучением дугового источника позволяет расплавлять кислотощелочестойкие эмали, наносить эмалевые покрытия на стальные изделия (с толщиной стали до миллиметра). Импульсно-периодическое светолучевое воздействие позволяет осуществлять локальный ремонт эмалевых покрытий на стальных изделиях и удалять эмалевые покрытия чугунных изделий.
Особенности высокоэнергетического воздействия сфокусированным излучением дугового источника, которые позволяют реализовать приведённые в работе технологии, определяются, прежде всего, существенной долей ультрафиолетового излучения в полихроматическом световом потоке, генерируемом ксеноновой короткодуговой лампой. Расплавление эмали светолучевым воздействием сопровождается сильной ионизацией как воздуха над расплавом, так и, видимо, самого расплава эмали. По мере увеличения плотности мощности воздействия возрастает степень возбуждения расплава и воздуха над ним. Это объясняет аномальное уменьшение поверхностного натяжения и скорость формирования эмалевого покрытия при светолучевом воздействии.
Эффективность разработанной установки может быть повышена заменой ксеноновой короткодуговой лампы на дуговой источник SWAR [122], который разрабатывался с учётом импульсного режима работы.
Для усовершенствования технологии ремонта дефектов эмалевого покрытия необходима разработка специализированной установки с возможностью комбинированного и попеременного плазменно-светового воздействия. Это позволит применить воздушное охлаждение дугового источника (что в разы снизит габариты и повысит удобство и надёжность) а также существенно упростит технологический процесс и повысит качество нанесение эмали на обработанное место дефекта.
Технология восстановлении стеклоэмалевого покрытия на месте дефекта локальным воздействием высокоэнергетического источника, не требующая обжига всего изделия, позволит повысить эффективность технологического процесса эмалирования и рациональной эксплуатации эмалированного оборудования. Это будет достигнуто за счёт уменьшения расхода энергии и трудозатрат при приведении в работоспособное состояние дефектного эмалированного химического, нефтедобывающего оборудования, эмалированных труб большого диаметра. Развитие таких технологий соответствует направлениям энергоэффективности и энергосбережения государственной программы Российской Федерации по приоритетным направлениям модернизации российской экономики
Разработанная установка и технологические методики перспективны в плане практического использования и дальнейшей модернизации с использованием новых дуговых источников излучения [122, 130] и комбинированного плазменносветового воздействия.
Выводы по работе
1. Использование эллиптического отражателя для фокусировки излучения ксеноновой короткодуговой лампы позволяет осуществить энергетическое воздействие с плотностью мощности порядка 200 Вт/см2 на площади до 3 см2, достаточное для расплавления кислотощелочестойких эмалей на стальных подложках толщиной до миллиметра, что делает возможным создание установок для реализации технологических процессов нанесения и обработки эмалевых покрытий.
2. Разработанная установка обеспечивает возможность воздействия на обрабатываемый объект с плотностью мощности некогерентного широкодиапазонного излучения до 12 КВт/см2 в режиме ступенчато регулируемого постоянного воздействия и до 36 КВт/см2 в импульсном и импульсно-периодическом режиме.
3. Установлено, что светолучевое воздействие сфокусированным излучением дугового источника с плотностью мощности порядка 200 Вт/см2 позволяет наносить стеклоэмалевое покрытие на стальные изделия с толщиной металла до миллиметра с характеристиками покрытия, удовлетворяющими требованиям для их практического использования. Поверхность этих покрытий отличается отсутствием пор и приповерхностных пузырей.
4. Импульсно-периодическое воздействие сфокусированным излучением дугового источника с плотностью мощности 450-550 Вт/см2, длительностью импульса 0,1-0.5 секунды и периодом следования 0,5-1 секунда позволяет осуществлять локальный ремонт дефектов стеклоэмалевого покрытия стальных изделий с толщиной металла до 4 мм на холодном изделии без послеоперационного отжига всего изделия. Площадь дефекта до 2,5 см2.
5. Импульсно-периодическое воздействие сфокусированного излучения ксеноновой дуговой лампы при плотности мощности воздействия 150-200 Вт/см2, длительностью 0,5-1 с и с периодом следования 2-3 секунды на эмалевое покрытие чугунных изделий при площади воздействия 6-8 см2 вызывает напряжения на границе эмаль-чугун, превышающие прочность сцепления покрытия. Эмалевое покрытие чугунных изделий удаляется по границе раздела чугун-эмаль.
6. Светолучевое воздействие позволяет, как нагревать небольшие объёмы титансодержащих эмалей до температур порядка 1100 градусов (то есть до состояния полной прозрачности), так и воздействовать на быстро охлаждённый расплав, вызывая тем самым как возникновение центров окраски, так и их визуализацию с помощью процессов ситаллизации, что даёт возможность изготовления изделий в технике витражной эмали методом вытягивания из расплава.
7. Светолучевое воздействие в режиме плавной регулировки мощности даёт широкий спектр возможностей по экспресс-эмалированию как плоских, так и объёмных небольших образцов.
Особенности высокоэнергетического воздействия сфокусированным излучением дугового источника, которые позволяют реализовать приведённые в работе технологии, определяются, прежде всего, существенной долей ультрафиолетового излучения в полихроматическом световом потоке, генерируемом ксеноновой короткодуговой лампой. Расплавление эмали светолучевым воздействием сопровождается сильной ионизацией как воздуха над расплавом, так и, видимо, самого расплава эмали. По мере увеличения плотности мощности воздействия возрастает степень возбуждения расплава и воздуха над ним. Это объясняет аномальное уменьшение поверхностного натяжения и скорость формирования эмалевого покрытия при светолучевом воздействии.
Эффективность разработанной установки может быть повышена заменой ксеноновой короткодуговой лампы на дуговой источник SWAR [122], который разрабатывался с учётом импульсного режима работы.
Для усовершенствования технологии ремонта дефектов эмалевого покрытия необходима разработка специализированной установки с возможностью комбинированного и попеременного плазменно-светового воздействия. Это позволит применить воздушное охлаждение дугового источника (что в разы снизит габариты и повысит удобство и надёжность) а также существенно упростит технологический процесс и повысит качество нанесение эмали на обработанное место дефекта.
Технология восстановлении стеклоэмалевого покрытия на месте дефекта локальным воздействием высокоэнергетического источника, не требующая обжига всего изделия, позволит повысить эффективность технологического процесса эмалирования и рациональной эксплуатации эмалированного оборудования. Это будет достигнуто за счёт уменьшения расхода энергии и трудозатрат при приведении в работоспособное состояние дефектного эмалированного химического, нефтедобывающего оборудования, эмалированных труб большого диаметра. Развитие таких технологий соответствует направлениям энергоэффективности и энергосбережения государственной программы Российской Федерации по приоритетным направлениям модернизации российской экономики
Разработанная установка и технологические методики перспективны в плане практического использования и дальнейшей модернизации с использованием новых дуговых источников излучения [122, 130] и комбинированного плазменносветового воздействия.
Выводы по работе
1. Использование эллиптического отражателя для фокусировки излучения ксеноновой короткодуговой лампы позволяет осуществить энергетическое воздействие с плотностью мощности порядка 200 Вт/см2 на площади до 3 см2, достаточное для расплавления кислотощелочестойких эмалей на стальных подложках толщиной до миллиметра, что делает возможным создание установок для реализации технологических процессов нанесения и обработки эмалевых покрытий.
2. Разработанная установка обеспечивает возможность воздействия на обрабатываемый объект с плотностью мощности некогерентного широкодиапазонного излучения до 12 КВт/см2 в режиме ступенчато регулируемого постоянного воздействия и до 36 КВт/см2 в импульсном и импульсно-периодическом режиме.
3. Установлено, что светолучевое воздействие сфокусированным излучением дугового источника с плотностью мощности порядка 200 Вт/см2 позволяет наносить стеклоэмалевое покрытие на стальные изделия с толщиной металла до миллиметра с характеристиками покрытия, удовлетворяющими требованиям для их практического использования. Поверхность этих покрытий отличается отсутствием пор и приповерхностных пузырей.
4. Импульсно-периодическое воздействие сфокусированным излучением дугового источника с плотностью мощности 450-550 Вт/см2, длительностью импульса 0,1-0.5 секунды и периодом следования 0,5-1 секунда позволяет осуществлять локальный ремонт дефектов стеклоэмалевого покрытия стальных изделий с толщиной металла до 4 мм на холодном изделии без послеоперационного отжига всего изделия. Площадь дефекта до 2,5 см2.
5. Импульсно-периодическое воздействие сфокусированного излучения ксеноновой дуговой лампы при плотности мощности воздействия 150-200 Вт/см2, длительностью 0,5-1 с и с периодом следования 2-3 секунды на эмалевое покрытие чугунных изделий при площади воздействия 6-8 см2 вызывает напряжения на границе эмаль-чугун, превышающие прочность сцепления покрытия. Эмалевое покрытие чугунных изделий удаляется по границе раздела чугун-эмаль.
6. Светолучевое воздействие позволяет, как нагревать небольшие объёмы титансодержащих эмалей до температур порядка 1100 градусов (то есть до состояния полной прозрачности), так и воздействовать на быстро охлаждённый расплав, вызывая тем самым как возникновение центров окраски, так и их визуализацию с помощью процессов ситаллизации, что даёт возможность изготовления изделий в технике витражной эмали методом вытягивания из расплава.
7. Светолучевое воздействие в режиме плавной регулировки мощности даёт широкий спектр возможностей по экспресс-эмалированию как плоских, так и объёмных небольших образцов.