ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОФИЛИРОВАННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ ИЗДЕЛИЙ МЕТОДОМ
НЕПРЕРЫВНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ИЗ РАСПЛАВА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Основой данных технологий является способ Степанова, основанный на использовании капиллярных эффектов в расплаве с вытягиванием вертикально вверх кристаллов или изделий заданной геометрической формы поперечного сечения.

Направленный характер теплоотвода и четкий фронт кристаллизации облегчают удаление растворенных газов, что обеспечивает изделиям высокую плотность и герметичность; ликвации, поры и усадочные раковины отсутствуют; химический состав (в макрообъеме) постоянен. В связи с тем, что на воздухе алюминий покрывается прочной и плотной окисной пленкой, процесс выращивания изделий осуществляется без применения защитной атмосферы.

В Физико-техническом институте (ФТИ) им. А.Ф. Иоффе созданы физические основы способа Степанова, разработаны опытные и опытно-промышленные установки и технологии для получения профилированных кристаллов и изделий различных материалов, в том числе алюминиевых сплавов. В зависимости от типа установки предельные размеры получаемых изделий и допуски составляют:

1. Максимальные размеры поперечных сечений:

- для плоских профилей - от 240 до 650 мм.

- для объемных профилей - определяются диаметром описанной окружности, составляя соответственно от 160 до 500 мм.

2. Максимальная длина до 4,5 м.

3. Толщина стенок профилей - от десятых долей до нескольких миллиметров.

4. Допуски на получаемые профили:

- по размеру поперечного сечения - до +/- 1%;

- по толщине стенки - не более +/- 10%.

Предлагаемый способ имеет ряд положительных особенностей и преимуществ (в сравнении с альтернативными методами, в первую очередь деформационными - экструзией):

  • непрерывность и однооперационность процесса;
  • возможность работы как на деформируемых, так и на литейных сплавах,
  • достаточно высокая экологичность;
  • высокий коэффициент использования исходного сплава;
  • малогабаритность оборудования;
  • меньшие сложность и длительность перехода с одного изделия на другое;
  • существенно меньшая cтоимость оснастки и др.
  • используя различные сплавы и режимы процесса, можно управлять не только геометрией профилей, но и их структурой и свойствами.

Способ Степанова позволяет получать широкий ассортимент профилей из самых различных деформируемых и литейных алюминиевых сплавов. Имеется возможность получения тонкостенных профилей, изделий больших габаритов поперечного сечения, одежных и уникальных геометрических форм, часть из которых не может быть изготовлена альтернативными методами.

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КЛАССЫ ПРОФИЛЕЙ

К наиболее перспективным классам профилей, получаемых способом Степанова, следует прежде всего отнести те, которые либо не могут изготавливаться альтернативными методами, либо они получаются этими методами труднее, с худшими показателями. Особенно перспективны изделия с различными сочетаниями важных характеристик, в отдельных случаях привязанные к конкретным группам алюминиевых сплавов. Ниже перечислен ряд таких перспективных классов.

1. Тонкостенные профили (толщина стенки 1,0 -1,2 мм).

Экструзией профили с толщинами стенок порядка 1мм могут изготавливаться лишь для деформируемых сплавов с относительно невысокими значениями прочности (твердости), температурного интервала кристаллизации (например, систем Аl-Мn, А1-Мg-Si). Для сплавов с более высокой твердостью (например, магналиев, дюралей, систем Аl - Zn - Мg - Сu и др.) минимальные толщины профилей, получаемых экструзией, составляют 2-3 мм и более.

2. Многоканальные полые профили

Получение таких изделий экструзионными методами, особенно для малых толщин стенок при малых размерах ячеек, часто представляет большие сложности или вообще невозможно. В ряде случаев их получают составными, не обеспечивая хорошего физического контакта, что приводит, например, к снижению тепловой эффективности. К таким изделиям, реализуемым с помощью способа Степанова, следует, в частности, отнести круглые цилиндрические профили с перегородками между трубами.

3. Крупногабаритные профилированные изделия.

В будущем этот класс профилей может стать самым перспективным для способа Степанова Наибольший интерес представляют те профилированные изделия отдельных типов, которые по размерам поперечных сечений находятся за пределами максимальных нынешних возможностей экструзионных методов. Так, для круглых труб максимальный диаметр (Dmax) при получении их экструзией не превышает 400 - 500 мм при толщине стенки (S) ~ 5 мм. Способом Степанова принципиально можно получать трубы с более высокими значениями диаметров при более низких толщинах стенки, в том числе и из сплавов с достаточно высокой твердостью.

Круглые двустенные трубы с перегородками между трубами экструзией могут изготавливаться с Dmax - 100 - 150 мм при S min ~ 3,0 мм, а способом Степанова нами были получены трубы такого типа с D- 370 мм с 36 перегородками, и нет принципиальных ограничений для дальнейшего повышения диаметра.

Важной областью для способа Степанова являются различные панели повышенной ширины сплошного сечения с ребрами, с трубами на сплошном основании, полые. При экструзии с учетом использования трубного метода изготовления панели сплошного сечения с ребрами из сплавов с относительно небольшой твердостью могут получаться с приблизительно следующими максимальными параметрами: B = 1700 - 1800 мм. при толщине панели h ~ 40 мм., шагом между ребрами t ~ 50 - 150 мм, S—4 мм. Так как способом Степанова могут быть получены круглые трубы с более высокими D, чем при экструзии, то соответственно и панели могут иметь более высокие значения В. Максимальная ширина панелей с трубами на сплошном основании (рис1к), получаемых экструзией, находится в пределах 600 - 800 мм (при t ~ 100 - 170 мм, S-2,5 - 3,0 мм). Способом Степанова нам уже удалось реализовать получение панелей В - 1000 мм. с 19 трубами. Максимальная ширина полых панелей, получаемых экструзией, находится в диапазоне 600 - 800 мм (при h max - 60 -80 мм). Для способа Степанова нет принципиальных ограничений в получении более широких полых панелей, при этом одновременно можно обеспечить повышение h, снижение t, S.

Следует также отметить, что для крупногабаритных алюминиевых профилей экономика их получения способом Степанова отличается более высокими показателями, чем для деформационных (экструзия и др.) методов.

4. Профилированные изделия с криволинейным продольным профилем.

Возможности способа Степанова по получению изделий таких типов значительно выше, чем для экструзионных методов, и это открывает широкое поле деятельности и самые различные сферы использования. Такие изделия могут изготавливаться как без замкнутых полостей, так и с замкнутыми полостями Получены, в частности трубы с ребрами, закрученными вокруг центральной оси, несимметричные лопасти, закрученные вокруг определенной оси, панели с зигзагообразными ребрами и прямолинейным каналом.

5. Дополнительные типы профилированных алюминиевых изделий, имеющих важное значение, в частности:

5.1. Профили из литейных алюминиевых сплавов с высокими качественными характеристиками.

Деформационными методами не могут изготавливаться профили из литейных сплавов. Получение же из таких сплавов профилей традиционными литейными методами или невозможно или крайне сложно и дорого. В связи с этим, весьма актуальна задача получения способом Степанова ряда профилированных изделий средней или высокой геометрической сложности, особенно из сплавов с высокими характеристиками. К ним можно, например, отнести сплавы системы А1- Si с высокой износостойкостью при достаточно высоких температурах (получение таких профилей реализовано), системы А1 -Сu, некоторые из которых имеют высокую жаропрочность (до 450 С) и могут использоваться для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания, цилиндров авиационных двигателей.

По аналогии с профилированными изделиями из отдельных магниевых сплавов должно быть реализовано получение способом Степанова профилей из алюминиевых сплавов со специфической структурой с высокими демпфирующими и электрохимическими свойствами.

5.2. Армированные профилированные изделия.

Наши работы показали перспективность армирования в процессе кристаллизации профилей из различных алюминиевых сплавов. Использование в качестве арматуры проволок, волокон, нагревательных и конструкционных заготовок обеспечивает получение изделий с высокими прочностными, электрическими или другими физическими характеристиками при требуемой геометрии поперечного сечения.

ПРИМЕНЕНИЕ

На базе получаемых алюминиевых профилей могут изготавливаться самые различные целевые изделия разного назначения. Ввиду большого ассортимента таких профилей они могут находить применение практически во всех областях техники. Однако следует отметить ряд приоритетных областей использования.

Наибольшее значение в применении отводится изделиям теплообменного и энергетического назначения. Способ Степанова, позволяющий получать тонкостенные длинномерные профили из алюминиевых сплавов с высокой теплопроводностью, достаточно большой ширины, с развитой поверхностью на единицу объема, способствующей повышению тепломассообменных процессов при использовании за счет турбулизирующих элементов, следует считать весьма перспективным для изготовления изделий такого рода. Кроме того, заслуживает внимания также использование указанных профилей для изготовления ряда изделий конструкционного назначения, декоративного и других назначений. Ниже приводится ряд перспективных направлений использования профилей, которые могут изготавливаться способом Степанова:

1. Нетрадиционные возобновляемые, экологически чистые источники энергии.

1.1. Солнечная теплоэнергетика.

Использование установок и аппаратов солнечного теплоснабжения позволяет сэкономить значительные количества традиционного топлива, снизить тепловыделения, уменьшить отрицательное воздействие на окружающую среду.

1.2. Установки для южных районов.

Широкое использование могут иметь: водонагреватели, воздухонагреватели, комбинированные водовоздухонагреватели, адсорберы, конденсаторы и испарители солнечных холодильных установок; сушилки сельскохозяйственной продукции, сена; концентраторы солнечной энергии параболоидного типа; элементы "солнечных" домов для их обогрева, коммунальных нужд и защиты от избыточной солнечной радиации, панельные трубчатые комбинированные воздухонагреватели с продольно-изогнутыми (зигзагообразными) ребрами - турбулизаторами. Многие из перечисленных профилей не могут быть получены другими технологическими методами и обеспечивают высокую тепловую эффективность при эксплуатации. Большинство профилированных изделий для перечисленных аппаратов разработано, получено и испытано.

1.3. Системы для северных районов.

Широкие возможности, предоставляемые способом Степанова, позволяют создать для работы в северных районах теплонасосные системы утилизации низкоинтенсивной и рассеянной солнечной радиации и тепла окружающей среды для централизованного теплоснабжения жилищно-коммунальных объектов, обеспечения технологических процессов в сельском хозяйстве и др. целей.

2. Ветроэнергетика.

Имеется возможность с помощью способа Степанова создавать высокоэффективные ветродвигатели различной мощности и их опорные конструкции. В основе таких двигателей могли бы быть алюминиевые лопасти с оптимальной аэродинамикой как прямолинейные в продольном направлении, так и закрученные по определенному закону. Перспективны также ветродвигатели, совмещающие в себе алюминиевые и стеклопластиковые детали.

3. Вентиляторы аппаратов воздушного охлаждения и градирен. Жалюзийные заслонки, направляющие.

В последнее время все большее распространение получают высокоэффективные аппараты воздушного охлаждения (АВО) различных газовых и жидких сред с целью замены ими водяного охлаждения и устранения сброса загрязненных сточных вод в водоемы. Охлаждение газовых и жидких сред в теплообменниках АВО осуществляется за счет принудительного обдува, создаваемого вентиляторами. Тепловая эффективность АВО в значительной степени зависит от аэродинамического совершенства лопастей рабочих колес вентиляторов. Способ Степанова позволяет изготавливать полые тонкостенные крыловидные лопасти с внутренними перегородками с заранее запрограммированным переменным углом закрутки вокруг продольной оси по оптимальному аэродинамическому закону.

4. Плоскотрубчатые теплообменные профили и пластинчато-ребристые теплообменники (ПРТ).

Основу конструкций ПРТ составляют тонкостенные плоскотрубчатые профили (панели) с внутренними продольными перегородками (ребрами), успешно получаемые способом Степанова. Для дополнительного повышения эффективности теплообменных аппаратов с целью повышения теплопередачи, турбулизации на наружной поверхности изделий наносится поперечное оребрение с развитой поверхностью одним из следующих способов:

а) строжкой тонкого слоя наружной поверхности;

б) напайкой поперечного наружного оребрения из гофрированной алюминиевой фольги.

Отметим ряд важных применений ПРТ:

-теплообменная аппаратура термосифонного охлаждения полупроводниковых приборов (испарители, конденсаторы), в частности тиристоров, на всех видах транспорта;

-охладители двигателей и масла, отопители салонов, кондиционеры на всех видах автомобильного и автобусного транспорта;

-охладители газа и масла компрессоров общего назначения и газоперекачивающих станций;

-охладители и подогреватели технологических сред на металлургических, химических, пищевых и др. производствах;

-водоохладители и пароконденсаторы энергетических объектов и др.

Качественные и эксплуатационные характеристики описанных ПРТ существенно выше, чем для других видов теплообменников, в частности широко используемых трубчато-ребристых теплообменников (ТРТ).

5. Круглотрубчатые теплообменники.

Способ Степанова позволяет изготавливать Круглотрубчатые теплообменники с трубами, имеющими наружное, внутреннее или двухстороннее продольное оребрение (в отдельных случаях наружное оребрение может быть поперечным). Можно изготавливать такие теплообменники биметаллическими, например, с внутренней частью из нержавеющей стали. Могут быть также получены турбулизирующие элементы на продольных ребрах, что позволит интенсифицировать тепломассообменные процессы, повысить степень улавливания полезных продуктов и снизить их выброс в окружающую среду.

Большинство применений круглотрубчатых теплообменников аналогично вышеописанным применениям ПРТ на основе плоскотрубчатых профилей.

6. Холодильная и морозильная техника.

Профилированные алюминиевые изделия, которые можно получать способом Степанова, могут дать большие возможности для холодильной и морозильной техники. Для холодильных установок на основе всех типов холодильных машин требуются испарители, конденсаторы и др. аппараты, которые с успехом могут изготавливаться из профилей с высокой эффективностью теплообмена. Это относится к установкам с холодильными машинами компрессионными (газовыми, паровыми), теплоиспользующими (в частности, абсорбционными, например, солнечными) и термоэлектрическими. Следует отметить такое прогрессивное направление выработки холода как редуцирование природного газа с давления 8-9 атм. до давления у потребителей (0,2-0,3 атм). При этом наряду с выработкой холода одновременно может получаться и тепло. Реализуемое искусственное охлаждение может применяться при заготовке, производстве, транспортировании и хранении скоропортящихся пищевых продуктов, охлаждении прилавков, производстве замороженных продуктов, в химической промышленности, в системах отопления и вентиляции жилищ (кондиционеры), в строительстве (например, для замораживания водоносных грунтов), в медицине, спорте. Для поддержания необходимой низкой температуры в холодильных камерах устанавливаются настенные и потолочные теплообменные камеры в виде полых панелей с внутренними перегородками. Такие панельные профили с достаточно большой шириной (до 600—800 мм) могут изготавливаться способом Степанова.

Отдельно следует остановиться на высокоэффективных льдогенераторах. Способом Степанова могут изготавливаться круглые цилиндрические двустенные профили льдогенераторов с диапазоном диаметров 100-500 мм с большим количеством внутренних перегородок. Между перемычками находится аммиак, фреон или другой хладагент. На внутренней или на внешней поверхности льдогенератора нарастает лед, срезаемый движущимся ножом.

7. Гибкие нагревательные элементы.

Реальные и серьезные перспективы открывает использование гибких электронагревательных элементов (ГНЭ), которые могут изготавливаться способом Степанова. ГНЭ представляют из себя электропроводящие (например, нихромовые) проволоки в высокотемпературной электроизоляции в алюминиевой оболочке. Такие нагреватели компактны, могут изготавливаться в широком диапазоне размеров и формы поперечного сечения, с различным количеством электропроводящих нитей, любой длины. Наружная поверхность ГНЭ может иметь продольное или поперечное оребрение. Такие ГНЭ имеют высокую теплоэффективность, могут использоваться для нагрева нефте – и химаппаратуры, трубопроводов, для кипятильников воды. Они могут также успешно использоваться как воздухонагреватели (тепловентиляторы), газонагреватели, удобны в монтаже и надежны в эксплуатации.

8. Автономные источники электро-, тепло- и хладоснабжения.

В ряде случаев, особенно для энергоснабжения удаленных от энергетических систем районов, потенциальных энергопотребителей, важное значение могут иметь автономные мобильные энергоисточники. Наиболее заманчиво использование газо-поршневых двигателей внутреннего сгорания и двигателей Стирлинга. Они малошумны, а сгорание топлива организовано таким образом, что образование вредных компонентов в выхлопных газах сводится к минимуму; по своей экологичности они не имеют мировых аналогов. Вместе с тем КПД этих двигателей не превосходит 50% . Следовательно, остальную часть энергии сжигания топлива необходимо отводить в атмосферу и утилизировать. Для этого необходимы высокоэффективные, компактные теплообменники, вписывающиеся в транспортные контейнеры. Способом Степанова можно изготовить профили для различных конструкций таких теплообменников в зависимости от конкретных условий (например, в виде плоскотрубчатых панелей с внутренними перегородками).

9. Системы отопления и вентиляции производственных и жилищных объектов, утилизации тепла, рекуперации.

Наиболее рациональны такие системы вентиляции и отопления, в которых удаляемый из помещения воздух отдает свое тепло ("холод") воздуху, подаваемому в помещение. За счет этого удается экономить до 50% энергии, расходуемой на отопление (охлаждение). Вся теплообменная аппаратура для высокоэффективного охлаждения и нагрева может изготавливаться методом Степанова.

10. Изделия конструкционного, декоративного, смешанного и других назначений.

Значительный ассортимент профильной продукции, получаемой способом Степанова, может использоваться для изготовления изделий конструкционного, декоративного, смешанного и др. назначений. Следует отметить ряд из них:

-полые панели с перегородками (для утеплителя) для строительства; строительные элементы и конструкции,

-полые панели, фермы и др. конструкции для рекламных щитов и др. сооружений;

-различные корпуса, кожухи, направляющие;

-мачты судов,

-теплицы;

-спортивный инвентарь, изделия ширпотреба, тара,

-несущие конструкции, в том числе на основе различных композиций (авиация, судостроение, космос и др.);

-совмещенные отопительные батареи и светильники;

-для железнодорожных вагонов - облицовочные панели стен, имеющие с внутренней стороны воздухораздаточные каналы и тоннели для прокладки и крепления электропроводки.

Перспективными можно считать изделия и конструкции, сочетающие алюминиевые профили с отдельными деталями, частями из др. материалов. Примером могут служить лопасти осевых вентиляторов большого диаметра, в которых силовая балка (ось) выполнена из сложного алюминиевого профиля, а аэродинамическая оболочка из стеклопластика. Такая конструкция отличается от известных своей легкостью, прочностью и дешевизной.

Мы готовы рассмотреть конкретные предложения различных организаций и фирм по совместной деятельности в следующих направлениях:

- разработка технологий изготовления целевых профилей, изделий и конструкций;

- разработка оптимальных конструкций цельнометаллических профилей, изделий и устройств различного назначения на их основе;

- изготовление и поставка опытных образцов изделий и их партий, мелкосерийное и серийное производство профилированной продукции;

- создание совместных предприятий по изготовлению профилей, целевых изделий устройств, а также технологического оборудования для их производства.

Другие технологии:

Top