MODELING THE PROCESS OF SPHEROIDIZATION POWDER PARTICLES BY THE PLASMA-ARC METHOD
DOI:
https://doi.org/10.32782/KNTU2618-0340/2021.4.2.2.2Abstract
Many modern technological processes require the use of metallic, ceramic and metal-ceramic powders, the particles of which have an ideal spherical shape. Consequently, the task arises of effective spheroidization of the powders used. The most effective way of spheroidization is powder treatment in a low-temperature plasma flow.
In order to obtain perfect spherical particles, it is necessary that by the end of the distance the particle has minimal velocity and temperature in order to avoid deformation upon impact with the surface to collect the powder. In addition, during the flight, the particle must completely melt, but not reach the evaporation temperature, and then solidify.
The problem of modeling the process of spheroidization of powder particles using the plasma-arc method is reduced to determination of the particle velocity and temperature in the low-temperature plasma flow considering changes in its aggregate state.
Determination of the particle velocity is carried out considering the fact that the only force acting on it is the force of aerodynamic resistance. The plasma flow velocity is approximated by an exponential function. As a result, we obtain an implicit solution of the differential equation for determining the velocity of the particle along the distance.
To investigate the temperature mode, we consider five sections of the distance.
On the first of them (heating the particle to the melting temperature), we use the heat balance equation to determine the temperature.
The second section is the process of particle melting. Here we determine the melting time of the particle, based on the heat balance equation, provided there is no heat flow at the phase transition boundary.
The third section is the flight of the particle in the molten state. To model the process, we solve the boundary problem for the one-dimensional heat equation for spherical solid by approximating the plasma temperature with cubic splines.
For the fourth section (solidification of the particle) the same model as for the second one is used. And for the fifth (cooling of the particle), the same approach as for the third.
Finally, the results for titanium particles with a diameter of 10 μm are presented.
Багато сучасних технологічних процесів вимагають використання металевих, керамічних та метало-керамічних порошків, частинки яких мають ідеальну сферичну форму. Отже, виникає задача ефективної сфероїдизації порошків, що використовуються. Найбільш ефективним способом сфероїдизації є обробка порошку в потоці низькотемпературної плазми.
Для отримання частинок ідеальної сферичної форми необхідно, щоб до кінця дистанції частинка мала мінімальну швидкість і температуру, щоб уникнути деформації під час удару об поверхню для збору порошку. Крім того, в процесі польоту частинка повинна повністю розплавитись, але не досягати температури випаровування, а потім затвердіти.
Задача моделювання процесу сфероїдизації частинок порошку плазмово-дуговим методом зводиться до визначення швидкості і температури частинки в потоці низькотемпературної плазми з урахуванням зміни її агрегатного стану.
Визначення швидкості частинки проведено з урахуванням того, що єдиною силою, що діє на неї, є сила аеродинамічного опору. Швидкість плазмового потоку апроксимуємо експоненціальною функцією. В результаті, отримуємо неявний розв’язок диференціального рівняння для визначення швидкості частинки вздовж дистанції.
Для дослідження температурного режиму розглядаємо п'ять ділянок дистанції.
На першій з них (розігрів частинки до температури плавлення) використовуємо для визначення температури рівняння теплового балансу.
Друга ділянка – процес плавлення частинки. Тут ми визначаємо час плавлення частинки, виходячи з рівняння теплового балансу, за умови відсутності теплового потоку на межі фазового переходу.
Третя ділянка – політ частинки в розплавленому стані. Для моделювання процесу розв’язуємо крайову задачу для одновимірного рівняння теплопровідності для сферичного тіла, апроксимуючи температуру плазми кубічними сплайнами.
Для четвертої ділянки (затвердіння частки) використана та ж модель, що і для другого. А на п'ятому (охолодження частки) - такий самий підхід, що й на третьому.
На завершення наведені результати для частинок титану діаметром 10 мкм.
References
Vert, R., Pontone, R., Dolbec, R., Dionne, L., & Boulos, M.I. (2016). Induction plasma technology applied to powder manufacturing: Example of titanium-based materials. Key Engineering Materials. 704, 282–286.
Pfender, E. (1997). Advances in Modeling of the Thermal Spray Process. Journal of Thermal Spray Technology. 6(2), 126–128.
Remesh, K., Yu, S.C.M., Ng, H.W. & Berndt, C.C. (2003). Computational Study and Experimental Comparison of the In-Flight Particle Behavior for an External Injection Plasma Spray Process. Journal of Thermal Spray Technology. 12(4), 508–522.
Boulos, M. (2004). Plasma power can make better powders. Metal Powder Report. 59, 5, 16–21.
Andreytsev, A.Yu., Smyrnov, I.V., & Chornyi, A.V. (2009). Analiz dynamiky rukhu dribnodyspersnykh chastynok pry plazmovomu napyliuvanni. Zbirnyk naukovykh prats DETUT. 11, 100–103.
Smirnov, I.V., Andreytsev, A.Yu., & Chornyj, A.V. (2009). Analiticheskoe opredelenie skorosti i temperatury chastic oksidnoj keramiki v processe plazmennogo napyleniya. Vestnik HNTU. 2(35), 403–410.
Andreytsev, A.Yu., Smyrnov, I.V., & Chornyi, A.V. (2011). Nahriv ta plavlennia chastynok poroshku v plazmovomu strumeni. Matematychne ta kompiuterne modeliuvannia Seriia: Tekhnichni nauky/ zb. nauk. prats Kamianets-Podilskyi natsionalnyi universytet, Instytut kibernetyky im. V.M.Hlushkova. 5, 3–10.
Andreytsev, A.Yu., Kryukov, N.N., Smirnov, I.V., & Zashchepkina, N.N. (2015). Chislenno-analiticheskoe opredelenie temperatury chasticy pri plazmennom napylenii (utochnennya model'). Vestnik HNTU. 3(54), 326–331.
