Download pdf - Determinarea emisivitatii

Loredana CIOCIONOIU

Cercetri privind determinarea emisivitii aliajelor de Cu-Ti-Gr

Cuprins

1.Introducere2

2.Aliaje de Cu-Ti-Gr si metode de sinterizare a acestora

2.1Obtinerea aliajelor de Cu-

5.Bibliografie64

Introducere

n accepiunea general expresia pies sinterizat definete o component fabricat din materiale care n stare primar sunt sub form de pulbere sau de granule. n cazul cel mai general, pentru obinerea piesei sinterizate este necesar ca materialul s fie supus unei operaii de prelucrare prin formare urmat de o operaie de tratament termic numit tratament de sinterizare. Un material se consider economic dac ndeplinete urmtoarele condiii: corespunde cerinelor tehnice; prelucrarea lui se face fr dificultate; i se pot aplica prelucrri ulterioare, mecanice i/sau termice; preul lui i al piesei fabricate din el este ct mai sczut posibil.

Lucrarea de fa propune cercetarea experimental a procesului de sinterizare a aliajelor de Cu-Ti-Gr utiliznd drept surs de nclzire un generator de unde electromagnetice de nalt frecven. Dup cum se cunoate din literatura de specialitate, una din probleme care apar la sinterizarea cu microunde a materialelor este metoda de msurare a temperaturii. Conform cercetrilor efectuate este aproape imposibil utilizarea unor termocuple n cmp electromagnetic de nalt frecven avnd n vedere influena cmpului electromagnetic asupra efectului termoelectric, de aceea se recomand utilizarea pirometriei ca metod de msurare non-contact a temperaturii.Problema principal a pirometriei non-contact este dat de emisivitatea materialelor. Dac pentru materiale cunoscute n natur (aluminiu, cupru, fier, ceramic, plastic, etc.) este cunoscut emisivitatea, pentru materiale compozite aceasta trebuie determinat experimental.Lucrarea propune conceperea, proiectarea i realizarea unui dispozitiv pentru determinarea emisivitii materialelor pentru toate palierele de temperatur astfel nct s poat fi cunoscut emisivitatea materialelor compozite care ulterior vor fi supuse procesului de sinterizare cu microunde.Prezenta lucrare este structurat n 4 capitole dup cum urmeaz: Primul capitol este unul introductiv unde sunt prezentate condiiile care au condus la studiul fenomenului. Tot n acest capitol este prezentat pe scurt i sinteza studiilor efectuate n capitolele din lucrare Capitolul al doilea se refer exclusiv la prezentarea studiul documentar al materialelor compozite bazate pe aliaje de Cu-Ti-Gr pentru contacte electrice cu prezentarea diverselor tehnologii care au condus la obinerea de pastile pentru contacte electrice cu proprieti superioare din punct de vedere electric i/sau mecanic Capitolul al treilea reprezint partea de concepere, proiectare i realizare practic a dispozitivului utilizat la determinarea experimental a emisivitii materialelor compozite, pornind de la principiile de msurare i paii care trebuie urmai astfel nct s se obin rezultatul scontat. Etapele de proiectare vor fi: Cercetare documentar asupra emisivitii materialelor Stabilirea temperaturii maxime necesare radiate de ctre sursa termic Proiectarea sursei de putere pentru alimentarea elementului radiant Alegerea termocuplei i a dispozitivului pentru stabilirea temperaturii n procesul de nclzire Proiectarea sistemului de fixare a pirometrului cu radiaie infraroie Capitolul al patrulea este destinat programului de cercetare experimental utiliznd echipamentul proiectat pentru nivelul de temperatur solicitat de aplicaia de nclzire cu microunde

Lucrarea se ncheie cu referinele bibliografice consultate de autor i care reprezint att documentaia tehnic a echipamentelor utilizate n dezvoltarea aplicaiei ct i alte informaii studiate de studeni n cadrul notielor de curs de la disciplinele de specialitate.

Materiale compozite din Cu-Ti-Gr

2.1 Materiale compozite

Un material compozit reprezinta o combinaie ntre dou sau mai multe materiale diferite din punct de vedere chimic, cu o interfa ntre ele. Materialele constituente i menin identitatea separat (cel puin la nivel macroscopic) n compozit, totui combinarea lor genereaz ansamblului proprieti i caracteristici diferite de cele ale materialelor componente n parte. Unul din materiale se numete matrice i este definit ca formnd faza continu. Cellalt element principal poart numele de armatura (ranforsare) i se adaug matricei pentru a-i mbunti sau modifica proprietile. Armatura reprezint faza discontinu, distribuit uniform n ntregul volum al matricei.Fibrele sunt elementul care confer ansamblului caracteristicile de rezisten la solicitri. n comparaie cu matricea, efortul care poate fi preluat este net superior, n timp ce alungirea corespunztoare este redus. Matricea prezint o alungire i o rezilien la rupere mult mai mari, care asigur c fibrele se rup nainte ca matricea s cedeze. Trebuie insa subliniat faptul c materialul compozit este un ansamblu unitar, n care cele dou faze acioneaz mpreun, aa cum sugereaz curba efort alungire pentru compozit. Considerate global, principalele categorii de compozite armate cu fibre sunt urmtoarele : Compozite cu matrice polimeric de obicei sunt rini termorigide (epoxidice, poliimide sau poliesterice) sau termoplastice, armate cu fibre de sticl, de carbon, de bor sau aramidice (Kevlar), cu monocristale ceramice sau, mai recent, cu fibre metalice. Sunt folosite mai ales n aplicaii care implic temperaturi relativ joase de lucru (ajungnd, n mod excepional, pentru termoplastice fabricate prin injecie, la nivelul maxim de 400 C). Compozite cu matrice metalic cel mai frecvent se bazeaz pe aliaje de aluminiu, magneziu, titan sau cupru, n care se introduc fibre de bor, de carbon (grafit) sau ceramice (de obicei de alumin sau carbur de siliciu). Temperatura de lucru (uzual de cel mult 800 C) a unui astfel de compozit este limitat de nivelul punctului de nmuiere sau de topire care caracterizeaz materialul matricei. Dac aplicaia avut n vedere implic temperaturi mari, atunci se recomand folosirea ca matrice a unor aliaje pe baz de nichel sau a unor superaliaje. Dezavantajul acestora este c au greuti specifice mari, ducnd la creterea masivitii structurii finale. Compozite cu matrice ceramic au fost dezvoltate n mod special pentru aplicaiile cu temperaturi foarte ridicate de lucru (peste 1000 C); cele mai utilizate materiale de baz sunt carbura de siliciu (SiC), alumina (Al2O3) i sticla, iar fibrele de armare uzuale sunt tot de natur ceramic (de obicei sub form de fibre discontinue, foarte scurte). Compozite carbon-carbon cu matrice de carbon sau de grafit i armare cu fibre sau esturi de fibre de grafit; sunt foarte scumpe, dar i incomparabile cu alte materiale prin rezistena la temperaturi nalte (de pn la 3000 C), cuplat cu densitatea mic i coeficient mic de dilatere termica. Cele mai rspndite sunt compozitele armate cu fibre sunt fibra de carbon, fibra de sticla si Kevlar-ul.

esatura este una din cele mai rspndite forme in care se pot gsi materialele compozite textile. Principalele tipuri de esturi de carbon sunt: Plane: Acest mod de estur aterizeaz o alternant simpla. Fiecare fir de urzeala trece alternativ peste i pe sub fiecare fir de bttur. Orice tip de fir realizat din orice tip de fibr poate fi utilizat pentru o astfel de estur. Avantajele acestei esturi sunt stabilitatea i porozitatea rezonabil. Ca i dezavantaje se numra draping-ul slab, nivelul nalt de ncreire al fibrelor care provoac valori relativ joase ale proprietilor mecanice comparativ cu alte esturi. Prin draping se nelege proprietatea unui material textil de a se mula pe o suprafaa complex. Twill: Unul sau mai multe fire de urzeala se es alternativ peste i pe dedesubtul a doua sau mai multe fibre de bttur, ntr-o secven regulat i repetat, astfel ncat sa se obin efectul vizual al unei linii diagonale drepte sau ntrerupt, pe fata sau chiar pe dosul pnzei. Avantaje: datorit increirii reduse, pnza are o suprafa plan i proprieti mecanice mai bune. Satin: estura satin este n principiu o estur diagonal modificat pentru a produce cteva intersectri ntre urzeala i bttur, pentru a obine un aspect neted, deoarece punctele de legatur nu sunt aranjate continuu. Ca rezultat al asimetriei, o fata a pnzei are mai multe fire de urzeal, in timp ce cealalt are mai multe fibre de bttur. estura crowfoot este o forma de estur satin cu diferite zig-zaguri ntr-o figura repetat. Avantaje: estura satin conduce la producerea de pnze cu greutate mare pe unitatea de suprafa, foarte netede, cu un bun draping. Dezavantaje: trebuie avut grij al asamblarea mai multor straturi ale acestei pnze pentru a evita acumularea de tensiuni n produs datorit asimetriei.

Materialele compozite sunt materiale cu proprieti anizotrope, formate din mai multe componente, a cror organizare i elaborare permit folosirea caracteristicilor celor mai bune ale componentelor, astfel nct materialul rezultat s posede proprieti finale generale, superioare componentelor din care este alctuit. Principalele proprieti ale materialelor compozite sunt: densitate mic n raport cu metalele (compozitele din rini epoxidice armate cu fibre de Si, B i C au densitate sub 2 g/cm3); rezisten sporit la traciune, la oc i abraziune (de exemplu, n tabelul 1 se prezint comparativ cinci materiale i lungimea la care se rupe o bar cu seciunea de 1 cm2 sub greutatea proprie);

Tabel 2.1 Compararea rezistenei la rupere pentru unele materialeMaterialOelTitanAluminiuSticlFibre de carbon

Lungine [km]5,4415,619,9524,678,8

coeficient de dilatare foarte mic n comparaie cu metalele; durabilitate mare n funcionare (n aceleai condiii de funcionare, 1 kg de kevlar nlocuiete 5 kg de oel la o durat de funcionare echivalent); capacitate mare de amortizare a vibraiilor (de circa 3 ori mai mare dect Al); siguran mare n funcionare (ruperea unei fibre dintr-o pies fabricat din materiale compozite nu constituie amors de rupere imediat a piesei); rezisten ndelungat la ageni atmosferici (oxidare, coroziune etc.); stabilitate chimic i termic la temperaturi nalte (fibrele de kevlar, teflon, hyfil pn la 500 0C iar fibrele ceramice de tip SiC, S3N4 i Al203 pn la 1400 0C); n procesul de elaborare nu solicit instalaii complexe i consumuri energetice mari n comparaie cu materialele metalice.

Avnd n vedere proprietile deosebite ale materialelor compozite, acestea se utilizeaz n numeroase domenii: domeniul construciei de maini (lagre figura 1, rotoare de compresoare centrifugale, palete de ventilatoare, biele, scule achietoare, scule pentru deformri la rece sau la cald etc.); domeniul aerospaial (structuri de aeronave figura 2, componente ale motoarelor funcionnd n regim termic ridicat, sisteme de frnare etc.); domeniul transportului naval (structuri pentru ambarcaiuni sportive i nave uoare, elemente puternic solicitate ale motoarelor etc.); domeniul transportului rutier (caroserii pentru autovehicule, sistemul de alimentare cu combustibil, panoul de comand figura 3, sistemul de frnare etc.); domeniul electronicii i electrotehnicii (componente pasive piese diverse pentru imprimante, conductoare, conectoare, componente active capsule pentru circuite integrate etc.); domeniul medical (proteze), casnic etc.

2.2 Elaborarea materialelor compozite pe baz de Cu-Ti-Gr

Probele supuse procesului de sinterizare au fost mcinate i presate n prealabil pentru a putea fi utilizate ca pastile. Pulberea compozit a fost elaborat prin procedee mecanice prin mcinarea acestora n moar planetar. Pentru experimentrile de sinterizare au fost utilizate mai multe soluii de aliere i mcinare mecanic pentru care au fost utilizai timpi diferii de procesare, dup cum urmeaz: Raport pulbere/bile: 1:1, aliere mecanic timp de 1 or Raport pulbere/bile: 1:1, aliere mecanic timp de 2 ore Raport pulbere/bile: 2:1, aliere mecanic timp de 1 or Raport pulbere/bile: 1:1, aliere mecanic timp de 2 ore

Pentru soluiile tehnologice propuse mai sus au fost nregistrai parametrii de sistem termodinamic: temperatura procesului i presiunea acestuia. Fiele procesului de aliere mecanic i graficele obinute n urma nregistrrii valorilor sunt prezentate n cele ce urmeaz.

FIA 1

Tabel 2.2 Parametrii de procesare pentru RPB 1:1, taliere = 1 hPulbere supus mcinriiCu-TiC(5%)-Gr(5%)

Viteza de rotaie a morii planetare600 rpm

Mediul de mcinareAer

Fig. 2.1 Temperatura i Presiunea cu RPB 1:1 i timp de aliere 1 h

FIA 2





FIA 3





FIA 4




Fig. 2.4 Temperatura i Presiunea cu RPB 2:1 i timp de aliere 2 hDup alierea mecanic a urmat comprimarea pulberilor n matrie. Au fost realizate dou tipuri de comprimate crude n matri cilindric unele cu diametrul de 8 mm, iar altele cu diametrul de 15 mm. Pentru o organizare mai bun, au fost codificat probele i anume: litera A reprezint amestecul utilizat (Cu-TiC(5%)-Gr(5%)): I reprezint valoarea RPB 1:1 II reprezint valoarea RPB 2:1 literele m/M reprezint bilele utilizate in proces (m-bile mici; M-bile mari), cifra urmtoare reprezint tipul de aliere mecanic (1 o or AM; 2 dou ore AM), iar ultima cifr reprezint presiunea de compactare (5 - 500MPa; 7,5 750MPa). Rezultatele experimentale sunt prezentate n tabelul 2.6.

Tabel 2.6 Parametrii probelor obinute prin presare dupa 1h/2h de aliere mecanicCod probhmmmmmgVccm3g/cm3

A.I.m.1.51,980,550,954560,57

A.I.m.1.7,51,680,550,803840,68

A.I.M.1.51,880,540,904320,59

A.I.M.1.7,51,780,560,854080,65

A.I.m.2.52,180,551,055040,52

A.I.m.2.7,51,880,560,904320,62

A.I.M.2.51,880,560,904320,62

A.I.M.2.7,51,680,570,803840,70

A.II.m.1.52,180,561,055040,53

A.II.m.1.7,51,880,570,904320,63

A.II.M.1.52,180,571,055040,54

A.II.M.1.7,52,080,581,00480,57

A.II.m.2.52,080,571,00480,56

A.II.m.2.7,51,980,570,954560,59

A.II.M.2.52,080,561,00480,55

A.II.M.2.7,51,980,560,954560,58

Conceperea, proiectarea i realizarea practic a dispozitivului pentru determinarea experimental a emisivitii materialelor

3.1 Emisivitatea materialelor

Emisivitatea (puterea de emisie) a unui material este cantitatea de energie electromagnetic radiat cu lungimi de und cuprinse ntr-un interval emis pe unitatea de timp de un element de suprafa al materialului cu normala ntr-un unghi solid din jurul unei direcii dat de unghiurile (, produsul scalar dintre normala i direcia considerat) i raportat la ( este proiecia elementului pe planul perpendicular pe direcia de emisie):

(3.1)

Ea depinde de temperatura absolut a materialului i poate depinde nc de punctul ales pe suprafaa acestuia. Emisivitatea este legat de absorptivitatea (puterea de absorbie) i reflectivitatea materialului prin legile lui Kirchhoff:

(3.2)

unde AM este absorptivitatea, iar este o funcie independent de material, numit "radiaia corpului negru". Uneori, se nelege prin emisivitate raportul:

(3.3)

Acesta este un numr cuprins ntre 0 i 1, egal cu 1 numai atunci cnd ("corpul negru"). n domeniul vizibil, emisivitatea mai este numit i strlucirea materialului. Integrnd dup lungimile de und obinem emisivitatea direcionat integral iar integrnd i dup unghiuri obinem puterea de emisie total, care depinde numai de material i de temperatur. Pentru un corp total absorbant (Corp absolut negru) este adevrat legea lui Stefan:

(3.4)

unde = 5,65 10-12 W/(cm2K4)

Se spune c un material emite "dup legea lui Lambert ", dac nu depinde de unghiurile i . Fluxul luminos emis sub unghiul este atunci:

(3.5)

Deoarece ochiul omenesc apreciaz strlucirea unui obiect raportnd energia luminoas primit la suprafaa aparent ( ) a emitorului, un obiect care emite "dup legea lui Lambert" pare la fel de luminos independent de unghiul sub care e privit. n particular, un obiect sferic "lambertian" care emite izotrop apare de la distan ca un disc uniform luminat. Soarele este uor "nelambertian" deoarece este mai luminos n centru dect pe margine.

Fig. 3.1 O sfer "lambertian" arat ca un disc uniform luminat

Informaiile din literatura de specialitate referitoare la emisivitatea diverselor materiale sunt prezentate n tabelul urmtor.

Tabel 3.2 Emisivitate unor materiale cunoscuteMATERIALDOMENIU EMISIVITATESELECTARE IRtec

Aluminiu pur, plac polizat lustruit oxidat la 600 C plac de uz curent 0,04 0,06 0,11 0,19 0,09LoE LoE LoE

Alam pur, plac polizat lustruit oxidat la 600 C 0,1 0,61 0,59LoE LoE

Crom, polizat lustruit0,08 0,36LoE

Cupru polizat nclzit la 600C 0,05 0,57LoE LoE

Aur pur, polizat lustruit0,02 0,03LoE

Fier si otel (exclus inox) fier, polizat font, polizat font, oxidat la 600C fier forjat, polizat fier forjat, oxidat mtuit fier, plac ruginit otel, polizat otel, oxidat la 600C otel, plac laminat otel, plac brut 0,14 0,38 0,21 0,64 0,78 0,28 0,94 0,69 0,07 0,79 0,66 0,94 0,97LoE LoE LoE LoE HiE LoE LoE LoE LoE HiE

Plumb, gri oxidat0,28LoE

Mercur0,09 0,12LoE

Molibden, filament0,10 0,20LoE

Nichel polizat plac, oxidat la 600C 0,07 0,37 0,48LoE LoE

Platin pur, plac polizat srm 0,05 0,10 0,07 0,18LoE LoE

Argint pur, polizat0,02 0,03LoE

Otel inox polizat tip 310, oxidat n cuptor 0,07 0,90 0,97LoE HiE

Staniu, strlucitor0,06LoE

Tungsten, filament mbtrnit0,03 0,35LoE

Zinc pur, comercial, polizat plac galvanizat 0,05 0,21LoE LoE

Azbest0,93 0,94HiE

Crmid rosie, brut argil refractar 0,93 0,75HiE HiE

Carbon filament negru de fum, depozit brut 0,53 0,78 0,84HiE HiE

Sticl (Pyrex, cu plumb, carbonat)0,85 0,95HiE

Marmur, gri luminos, polizat0,93HiE

Vopsele, lacuri email alb lac negru de aluminiu de ulei, 16 culori 0,91 0,96 0,98 0,27 0,67 0,92 0,96HiE HiE LoE HiE

Portelan, glazurat0,92HiE

Cuart, opac0,68 0,92HiE

Ap0,95 0,96HiE

Lemn de stejar, neted0,90HiE

3.2 Elemente de pirometrie IR

Pirometru cu infrarou (cu radiaie spectral) este un echipament care sesizeaz radiaiile infraroii emise de corpurile nclzite, n funcie de emisivitatea materialului.

Fig. 3.2 Msurarea temperaturii cu pirometru cu infrarouAcurateea msurtorilor este dependent de respectarea unor legi caracteristice radiaiilor care indic gradul de absorie i reflexie al acestora. La msurarea temperaturii cu pirometru cu infrarou caracteristicile radiante ale corpului negru i sursele de cldur pentru proba supus nclzirii determin relaia:

(3.6)

a.

b.Fig. 3.3 Principiul de msurare al pirometrului cu infraroua. echilibrul undelor la interaciunea cu un corp, b. caracteristicile radiante ale corpului negruSenzorii de radiaie infrarou au la baz dou fenomene de conversie a radiaiei infrarou n semnal electric. Acetia pot fi senzori cuantici care poart numele de fotodiode al cror principiu de funcionare const n apariia de perechi de sarcini electrice atunci cnd sunt lovite de un fascicul de fotoni existent n unda emis n spectrul infrarou, respectiv senzori termici al cror principiu de detecie a temperaturii const n nclzirea proprie sub impactul undei emise n infrarou. Senzorii termici funcioneaz ca un termocuplu ceea ce conduce la apariia unei ntrzieri n afiarea temperaturii msurate, ntrzierea fiind de ordinul mili- sau nanosecundelor.Constructiv pirometrele cu infrarou sunt concepute n funcie de aplicaia solicitat. n cazul unei msurri a temperaturii ntr-un mediu cu puternice interferene electrice i magnetice (cum ar fi cmpul de microunde) se utilizeaz pirometru cu infrarou cu fibr optic unde datorit lipsei componentelor electronice nu exist pericolul unei msurri eronate prezentat n figura. Un alt tip de pirometru cu infrarou cu dou culori, denumirea provine datorit utilizrii a dou lungimi de und diferite care conduc la modificarea culorii vizibile, care sunt constituite din dou canale optice i electrice n acelai dispozitiv, msurarea realizndu-se prin determinarea energiei radiante ntre dou benzi nguste ale lungimilor de und care sunt foarte apropiate. a.

b.Fig. 3.4 Pirometru infrarou cu fibr optica. pirometru CT Laser, b. dependena suprafa vizat funcie de distana de msurare

3.2 Etapele determinrii emisivitilor materialelor

n cazul prezentei lucrri au fost supuse sinterizrii cu microunde compozite formate din cupru-carbur de titan-grafit cu un procent foarte mare de curpu ceea ce a indicat caracterul metalic al compozitului. Este evident c fiind vorba de un material compozit nu se poate alege una din emisivitile prezentate n tabelul anterior. n aceast situaie singura soluie este aceea de a determina emisivitatea materialului prin metode experimentale. Sunt cinci modalitti de a determina emisivitatea materialului, asigurnd precizia msurtorilor de temperatur: 1. Se nclzete o prob dintr-un material la o temperatur cunoscut folosind un senzor precis i se msoar temperatura folosind aparatul IR. Se regleaz valoarea emisivitii pn cnd indicatorul va arta temperatura corect. 2. Pentru temperaturi relativ sczute (pn la 200 C), poate fi msurat o bucat de band cu emisivitatea de 0,95. Apoi se regleaz valoarea emisivitii pn cnd indicatorul va arta temperatura corect a materialului. 3. Pentru temperaturi ridicate, poate fi spat n obiect o gaur (a crei adncime este de cel putin 6 ori diametrul). Aceasta se comport ca un corp negru cu emisivitatea de 1. Se msoar temperatura n gaur, apoi se regleaz valoarea emisivitii pn cnd indicatorul va arta temperatura corect a materialului. 4. Dac materialul, sau o poriune din el, poate fi izolat, un strat de vopsea neagr nelucios va avea o emisivitate de aproximativ 1,0. Se msoar temperatura stratului de vopsea, apoi se regleaz valoarea emisivitii pn cnd indicatorul va arta temperatura corect. 5. Exist valori standard ale emisivitii pentru majoritatea materialelor. Acestea pot fi introduse n aparat pentru a estima valoarea emisivitii materialului.

3.3 Proiectarea dispozitivului experimental

Proiectarea dispozitivului experimental de determinare a emisivitii materialului const n efectuare urmtoarelor etape: Alegerea elementului nclzitor Proiectarea sursei de alimentare Alegerea sistemului de monitorizare a temperaturii prin efect termoelectric Asamblarea sistemului de nclzire Alegerea sistemului de monitorizare a temperaturii prin pirometrie IR Proiectarea sistemului de poziionare i fixare a pirometrului IR

3.3.1 Alegerea elementului nclzitor

Pentru aplicaia propus de sinterizare a materialelor compozite pe baz de Cu-Ti-Gr se apreciaz o temperatur de sinterizare de maxim 8500 C. Totui, prin proiectare, se dorete ca dispozitivul s poat fi utilizat la determinarea emisivitilor unor materiale cu temperaturi de sinterizare mai mari. Avnd n vedere c emisivitatea materialelor variaz pe dou paliere de temperatur (2000 C, respectiv peste 6000 C), dispozitivul proiectat va atinge o temperatur de maxim 10000 C. La acest nivel al temperaturii toate materiale au emisiviti stabile i deci nu este necesar obinerea unei temperaturi apropiate de temperatura de sinterizare.Se alege pentru aplicaia propus o bar din silit, material utilizat cu preponderen la construcia cuptoarelor de tratament termic i care este prezentat n figura urmtoare:

Fig. 3.5 Element nclzitor

3.3.2 Proiectarea sursei de alimentare

Proiectarea sursei de alimentare impune calcul electromagnetic al sursei de alimentare pentru asigurarea unei tensiuni necesare optime astfel nct elementul nclzitor s poat atinge prin efect Joule temperatura prescris de 10000 C. Conform literaturii de specialitate, pentru silit se poate utiliza o tensiune alternativ ca surs de alimentare. Calculul de proiectare impune determinarea curentului maxim absorbit pentru dimensionarea corect att a sursei ct i a cordoanelor de legtur. Determinarea rezistenei electrice a barei de silitSe realizeaz prin msurare direct n dou puncte conform figurii urmtoare. n urma procesului de msurare se obine o valoare a rezistenei Rsilit = 8,34 .

Fig. 3.6 Msurarea direct a barei de silit Calculul curentului maxim absorbit al surseiSe propune o surs de alimentare avnd Umax = 230 V curent alternativ care poate varia n intervalul 0 230 V c.a. Determinarea curentului maxim se realizeaz la o valoare intermediar pentru a proteja rezistena de silit la distrugere termic. Se aleg pentru proiectare dou tensiuni de alimentare pentru care se vor calcula curenii absorbii. U1 = 75 VSe aplic legea lui Ohm:

Se stabilete un curent maxim: I1 = 9 A.

U2 = 100 VSe aplic legea lui Ohm:

Se stabilete un curent maxim: I1 = 12 A.

Determinarea seciunii conductoarelor circuitului exterior pentru curentul maximAvnd n vedere c n calculul de dimensionare al conductorului de alimentare se utilizeaz cel mai mare curent, se alege soluia tehnic cea mai defavorabil pentru un curent maximal de 12 A. Se alege pentru calcul de dimensionare un conductor multifilar din cupru cu utilizare n regim permanent cu izolaie de cauciuc sau PVC i care funcioneaz la temperatura mediului ambiant, conform tabelului urmtor:

Tabel 3.3 Intensitile maxime admisibile ale curenilor i seciunile acestoraSeciunea conductorului[mm]Intensitatea maxim admisibil a curentului[A]

Conductoare de cupruConductoare de aluminiu

Libern aern tubLibern aern tub

234234

117161514----

1,523191716----

2,53027252524201919

44138353032282823

65046424039363230

108070605060504739

1610085807575606055

2514011510090105858070

351701351251151301009585

50215185170150165140130120

70270225210185210175165140

95330275255225255215200175

120385315290260295245225200

150440360330-340275265-

185510---390---

240605---465---

300695---535---

400830---645---

Se alege din tabel un conductor cu seciunea de 1 mmp pozat n aer liber, fiecare din cele dou conductoare de alimentare putnd suporta un curent maxim de 17 A. Alegerea sursei de alimentareAlegerea sursei de alimentare presupune ndeplinirea urmtoarelor condiii minime de funcionare: S poat susine curentul maxim absorbit de 12 A la nivelul de tensiune solicitat de 100 V S poat asigura o variaie a tensiunii de alimentare n intervalul 0 100 V astfel nct s se poat crete sau descrete temperatura n funcie de aplicaie. Avnd n vedere c determinarea emisivitii se va realiza pentru o temperatur sau un set de valori ale temperaturii este necesar asigurarea unei tensiuni electrice de alimentare care s limiteze n unele cazuri curentul maxim absorbit pentru a menine o temperatur mai sczut celei de 10000 C.Se alege prin proiectare un autotransformator monofazat cu puterea maxim de 15 kW cu protecie la mpmntare, prezentat n figura urmtoare:

Fig. 3.7 Surs de alimentare a barei de silit3.3.3 Alegerea sistemului de monitorizare prin efect termoelectric

Efectul termoelectric care mai poart numele i de efect Seebeck poate fi enunat n felul urmtor: dac temperatura contactului dintre dou metale difer de cea circuitului, apare o tensiune electromotoare termoelectric.3.3 Experimentri de sinterizare a compozitelor n cmp de microunde

n cadrul programului experimental au fost utilizate materiale compozite pe baz de cupru-carbur de titan-grafit. Procedura de operare urmeaz paii: Se pornete calculatorul de proces Se alimenteaz sistemul de nclzire cu microunde de la contactorul general. Se ateapt pn cnd acordorul automat al impedanei sarcinii la generator s-a iniializat prin emiterea unui sunet muzical specific Se lanseaz n execuie aplicaia Homer Software i se stabilete legtura cu acordorul de impedan Se lanseaz n execuie aplicaia Sensor Win i se ateapt stabilirea conexiunii cu pirometrul Sirius SensorTherm. Se pornete camera de nregistrare a procesului Se deschide robinetul circuitului de rcire i se ateapt ca instalaia de rcire s fie plin i circuitul de evacuare s funcioneze normal Se deschide robinetul buteliei de argon i se stabilete un regim iniial cu un debit de 5 l/min pentru 2 minute dup care se reduce debitul de argon la 2,5 l/min. Debitul iniial este necesar pentru ventilarea camerei de nclzire i eliminarea aerului. Se comut butonul NCLZIRE MAGNETRON de pe panoul instalaiei de comand manual a sursei de alimentare a acestuia, i se ateapt 5 secunde. Se comut butonul START NCLZIRE i se regleaz puterea pn la o valoare maxim de 20 % din puterea magnetronului. n condiiile n care sistemul funcioneaz normal, sarcina este acordat i nu se genereaz plasm n camera de nclzire se poate rdica puterea generat de magnetron la 35 %. Se pornete nregistrarea datelor din aplicaia SensorWin Se monitorizeaz evoluia temperaturii, iar la atingerea pragului impus se reduce sau se crete puterea gradual astfel nct temperatura s fie constant pe perioada de meninere La finalizarea procesului se oprete instalaia i se continu nregistrarea datelor pn la rcirea complet a probei Se salveaz datele n calculatorul de proces pentru prelucrarea ulterioar

Rezultatele obinute n experimentrile de efectuate pot fi concluzionat astfel: n cazul utilizrii unui debit de gaz prea mic (2,5 l/min) exist pericolul ca probele s oxideze datorit neetaneitii perfecte a tubului din plastic transparent n cazul utilizrii unui debit de gaz prea mare (6 10 l/min) exist pericolul apariiei descrcrilor plasmagene care pot conduce la avarierea magnetronului i la distrugerea probelor supuse sinterizrii. O imagine relevant capturat cu un webcam se prezint n figura urmtoare

Fig. 3.6 Plasma de microunde creat datorit lipsei de etanare

Descrcrile n mediu de gaz inert pot apare i dac puterea injectat de magnetron este prea mare. Se recomand pentru acest tip de compozite o putere de aproximativ 450 W pentru a asigura un proces de nclzire stabil fr iniierea plasmei de microunde Monitorizarea temperaturii la nclzirea n cmp de microunde este extrem de important pentru veridicitatea i reproductibilitatea procesului. O emisivitate eronat introdus n pirometrul cu radiaie infraroie sau nerespectarea distanei focale va conduce cu siguran la erori de msurare i la eecul ireversibil al procesului de sinterizare. Valorile temperaturii nregistrate de pirometru n cazul unui experiment de nclzire a compozitelor mai sus menionate se prezint n figura urmtoare:

Fig. 3.7 Ciclograma de nclzire a compozitelor utilizate n experimentri

Un element foarte important n stabilitatea procesului este dat de asemenea i de acordarea impedanei sarcinii la circuitul generatorului de microunde. n cazul n care nu se poate realiza un acord manual sau automat exist pericolul ca undele electromagnetice s fie reflectate i implict s nu existe conversie a energiei electromagnetice n energie termic. Un al doilea aspect nefavorabil este dat o nclzire excesiv de rapid a probelor. Fenomenul poart numele de ambalare termic i apare n momentul n care datorit creterii temperaturii proprietile electrice ale materialului compozit s se modifice. O modificare a permitivitii electrice conduce de cele mai multe ori la creterea capacitii de absorbie a micorundelor i la conversia acestora n cldur. Fenomenul se exprim printr-o cretere brusc a temperaturii cu peste 2000 C/min i poate conduce la distrugerea ireversibil a probei.

Procedur operaional de monitorizare a temperaturii cu pirometrul OPTRIS CT GLASS CF4

n cadrul lucrrii de cercetare se propune realizarea unei proceduri operaionale de lucru pentru operarea pirometrului cu radiaie infrarou OPTRIS CT Glass CF4 utilizabil la sinterizarea compozitelor pe baz de Cupru-Carbur de Titan-Grafit n cmp unidirecional de microunde. Procedura operaional se adreseaz operatorilor din cadrul laboratorului de metalurgia pulberilor i este compatibil cu standardul SR EN 17025 utilizat la acreditarea laboratoarelor de ncercri.Procedura operaional poate fi utilizat att pentru sinterizarea materialelor ceramice ct i a materialelor metalice cu ajustrile de rigoare privind expunerea acestora din urm la fasciculul de microunde i la atmosfera de gaz inert.

Bibliografie

1. Magnetron Muegge Electronic GmbH, Users manual2. Sirius IR pyrometer, Users manual3. Tristan Matching Load Autotuner, Users manual4. Homer Software Operation, Users manual5. SensorWin software, Users manual6. Savu S. Sisteme computerizate de msurare note de curs7. Savu S. Procesarea materialelor n cmp de microunde, Editura Universitaria, 201332