WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Динамика процесса разделения целевого металла и оксидного шлака в продуктах горения металлотермических систем определяется скоростью поступательного движения металлических капель. Сравнение Vd и скорости гравитационного осаждения капель по формуле Стокса: Vg~gd2/181, где – разность плотностей металлического и оксидного расплавов, g – ускорение свободного падения, d- диаметр капли, показывает, что Vd>Vg при d<10-3 м. Отсюда следует вывод о том, что процесс фазоразделения на определенных стадиях контролируется механизмом капиллярного дрейфа. Указанный механизм объясняет известный эффект фазоразделения металлотермических систем в условиях невесомости. Капиллярный механизм фазоразделения также наблюдается в системах NiO–MgO–Al и др.

В третьем разделе исследованы динамические характеристики волнового горения и теплового взрыва ряда плавящихся порошковых систем (Ni–Al, Ti–Si, Ti–Ni, FeO–Al–Al2O3 и др.). Установлено, что зависимость скорости горения от размера частиц исходных компонентов может иметь немонотонный S – образный характер (рисунок 12). С ростом размера частиц до определенного критического размера скорость горения уменьшается, а в дальнейшем - снова увеличивается. Это объясняется сменой режимов массопереноса в ведущей зоне реакционной волны:

от режима молекулярной диффузии к режиму турбулентной диффузии. В этом случае критический размер частиц соответствует минимальному размеру реакционной ячейки волны, при котором возможно развитие конвекции Марангони в турбулентном режиме.

u, мм/с u, мм/с Ni+31.5%Al T0=923 K Ti+55.06%Ni T0=1173 K 40 30 d, мкм 0 400 800 d, мкм 0400 u, мм/с u, мм/с FeO+18%Al+10%Al2O3 T0=293 K Ti+26.55%Si T0=1070 K 2.1.0.5 d, мкм 0 200 400 600 800 d, мкм 0 400 Рисунок 12–Зависимость скорости горения от размера частиц исходных компонентов отн0. В системе Ni–Al процесс теплового взрыва при использовании исходных компонентов разной дисперсности также протекает в различных режимах.

Показано, что динамика процесса теплового взрыва в системе Ni–Al существенно зависит от дисперсности исходных компонентов.

Наличие различных режимов протекания гетерогенной реакции также отражается в динамических характеристиках теплового взрыва системы Ni–Al (рисунок 13). Установлено, что при использовании мелкодисперсных частиц компонентов (d(Ni,Al)=20мкм) увеличение исходной плотности порошковой смеси ведет к интенсификации процесса (увеличивается скорость и величина взрывного разогрева), что является типичным для протекания реакции в режиме молекулярной диффузии.

T, K T, K t, c t, c 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 а б Рисунок 13–Термограммы теплового взрыва состава Ni+31.5%Al;

1–отн0.4, 2–отн0.а–d(Ni, A)l <50 мкм, б–800 мкм< d(Ni, Al) <1600 мкм Качественно иные характеристики наблюдаются в смеси крупнодисперсных компонентов (d(Ni,Al)=1.2мм). Здесь уплотнение смеси пассивирует реакционный процесс (уменьшается скорость и величина взрывного разогрева).

Указанные отличия в характеристиках реакции мелкодисперсных и крупнодисперсных смесей объясняются тем, что в случае использования крупнодисперсных компонентов тепловой взрыв, так же как и при распространении волнового горения, контролируется процессом массопереноса в режиме турбулентной диффузии, когда движущая сила процесса – конвекция Марангони – определяется площадью свободной поверхности расплав – газ. В этом случае уменьшение скорости гетерогенной реакции с увеличением относительной плотности объясняется подавлением конвекции Марангони в связи с уменьшением свободной поверхности порового пространства системы.

В пятой главе представлены варианты применения высокопористых металлооксидных и интерметаллидных СВС–материалов, полученных на основе методических разработок, учитывающих капиллярные эффекты в волне горения.

На основе регулирования эффектов реакционной коалесценции и капиллярной сегрегации расплавов в волне горения разработана СВС–технология получения термостойких пористых материалов и изделий для применений в качестве излучающего элемента беспламенной газовой горелки и блочного катализатора конверсии природного газа в синтез-газ. Отличительной особенностью новых материалов является высокая газопроницаемость, которая обеспечивается за счет формирования продукта в виде пористого скелета из спаянных капель округлой формы. В металлооксидных системах капли представляют собой композит из мелких частиц каталитически активного металла (Fe, Co, Ni), распределенного в оксидной матрице. Это достигается организацией специального температурного режима СВС в результате подбора плотности и состава исходной смеси, а также введением газифицирующихся и реологически активных добавок.

Как показали испытания пилотного варианта беспламенной газовой горелки мощностью до 2 МВт, применение излучающего элемента СВС (труба диаметром 240 мм, длина 1300 мм) в котлоагрегате (КВ-Г-2.5-95) позволяет сократить расход топлива на 1015 % в сравнении с работой обычной факельной горелки аналогичной мощности. Эффект обусловлен повышенной лучистой энергоотдачей беспламенной горелки.

Новые блочные катализаторы СВС апробированы в составе лабораторного генератора синтез – газа, работающего по схеме парциального окисления природного газа. В ходе испытаний показано, что металлооксидные (система Ni– Al2O3–MgO) каталитические блоки СВС обеспечивают устойчивую генерацию синтез-газа (СО, Н2 в соотношении 1:2) без внешнего подвода энергии с производительностью до 6 Н·м3/час с полнотой конверсии природного газа более 90%. Применение каталитического блока СВС обеспечивает существенный энерго– ресурсосберегающий эффект в сравнении с традиционными каталитическими реакторами, работающими по схеме паровой углекислотной конверсии.

Основные выводы 1. Разработана новая методика высокоскоростной закалки процесса высокотемпературного взаимодействия разнородных металлов в условиях, имитирующих температурные и динамические характеристики реальной волны СВС на основе использования воздействия импульса (1 мс) лазерного излучения мощностью 400 Вт. На примере модельных биметаллических систем (Ni–Al, Fe–Ni, и др.) показано, что процесс взаимодействия сопровождается развитием конвекции Марангони в расплавах. Это подтверждается наличием турбулентных потоков со скоростью до 1 м/с в зоне контакта расплавленных компонентов.

2. Установлено, что динамика горения модельных проволочных систем (Ni– Al, Ti–Ni) контролируется процессом перемешивания разнородных расплавов за счет конвекции Марангони с реализацией эффективного коэффициента массопереноса (10-510-4 м2/с), который на 45 порядков превышает коэффициент молекулярной диффузии в расплавах. Наличие конвекции подтверждается формированием структуры закаленного продукта в виде системы упорядоченных многогранников размером 50100 мкм, отражающих структуру конвективных циркуляционных ячеек в расплавах. Высокая интенсивность наблюдаемого процесса обеспечивается турбулентным режимом конвекции Марангони, возникающим при Re>1500.

3. На примере слоевых модельных систем (Ni–Al, Ti–B) установлено, что самоподдерживающийся процесс неизотермической реакционной пропитки пористых слоев Ni, B расплавами Al, Ti характеризуется наличием фронта фильтрации в виде спинового очага. В начале происходит проникновение расплава в локальном месте, затем распространение фильтрации вдоль слоя. «Спиновый» эффект фильтрации объясняется наличием температурной активации процесса пропитки и наиболее благоприятными условиями прогрева пористой среды вдоль слоя перед очагом.

4. На примере СВС в порошковых системах Ni–Al, Ti–B–Cu установлено наличие термокапиллярного перераспределения расплавов на масштабе волны горения. Это подтверждается возникновением периодической неоднородности химического состава и пористости продукта после прохождения горения. Эффект реализуется при достаточно малой скорости горения, когда время перераспределения расплава не превышает характерное время гетерогенной реакции в волне горения.

5. Показано, что спиновый режим горения порошковых систем может быть обусловлен эффектом капиллярного перераспределения легкоплавкого компонента на масштабе волны горения, обеспечивающим дополнительный тепло– массоперенос. Здесь геометрия спиновых очагов, по сути, отражает форму фронта фильтрации расплава в неизотермических условиях. Подтверждением гидродинамической природы спинового горения является исчезновение спиновых очагов в волне горения при затруднении фильтрации за счет уплотнении исходной порошковой смеси.

6. На примере порошковой системы FeO–Al–Al2O3 показан капиллярный механизм процесса фазоразделения продуктов металлотермических реакций, вызванный эффектом капиллярного дрейфа металлических капель внутри оксидного расплава. Эффект обусловлен действием конвекции Марангони на межфазной границе «металлическая капля – оксидный расплав» и обеспечивает коалесценцию капель в результате их хаотического движения со скоростью 10-210-1 м/с.

7. Получены дополнительные сведения о механизме реакционной коалесценции частиц плавящихся компонентов в волне горения при формировании пористых продуктов СВС. Установлено, что в условиях действия газовыделений происходит увеличение полноты коалесценции за счет нарушений сплошности смеси в предпламенной зоне волны горения. Усиление коалесценции является результатом полного плавления системы в локальных участках волны из-за выделения избытка энтальпии и повышения температуры (на 200 300 К) в местах микроразрывов смеси. При специальном введении газифицирующих добавок продукты СВС (систем Ni–Al, FeO–Al–Al2O3 и др.) формируются в виде пористого скелета из спаянных капель округлой формы размером 0.33.0 мм.

8. Установлено, что немонотонный S – образный характер зависимости скорости горения от размеров частиц исходных компонентов объясняется сменой режимов массопереноса в ведущей зоне реакционной волны: от режима молекулярной диффузии к режиму турбулентной диффузии. В этом случае критический размер частиц соответствует минимальному размеру реакционной ячейки волны, при котором возможно развитие конвекции Марангони в турбулентном режиме.

Высокая скорость протекания теплового взрыва системы Ni+31.5%Al в высокопористой смеси крупнодисперсных компонентов контролируется турбулентной диффузией.

9. Применение высокопористых металлооксидных и интерметаллидных СВС-материалов, полученных на основе методических разработок, учитывающих капиллярные эффекты в волне горения, в качестве излучающего элемента (труба диаметром 240 мм, длина 1300 мм) в котлоагрегате (КВ-Г-2.5-95) позволяет сократить расход топлива на 1015 % в сравнении с работой обычной факельной горелки аналогичной мощности.

Металлооксидные (система Ni–Al2O3–MgO) каталитические блоки СВС в составе лабораторного генератора синтез–газа, работающего по схеме парциального окисления природного газа, обеспечивают существенный энерго –ресурсосберегающий эффект в сравнении с традиционными каталитическими реакторами, работающими по схеме паровой углекислотной конверсии.

Основные публикации по теме диссертации 1. Максимов Ю.М., Кирдяшкин А.И., Зиатдинов М.Х., Китлер В.Д. О межфазной конвекции при контактном взаимодействии металлов в неизотермических условиях // Физика горения и взрыва. – 2000. Т. 36, № 4. – С. 52– 59.

2. Кирдяшкин А.И., Максимов Ю.М., Китлер В.Д., Буркин В.В., Седой В.С.

Электроимпульсная активация СВС-процесса в порошковых смесях // Физика горения и взрыва. – 2000. Т. 36, № 4. – С. 133–136.

3. Кирдяшкин А.И., Максимов Ю.М., Юсупов Р.А., Китлер В.Д.

Закономерности технологического горения порошковых систем на минеральной основе при получении пористых композиционных материалов // Физика горения и взрыва. – 2002. – Т. 38, № 5. – С. 85–89.

4. Кирдяшкин А.И., Китлер В.Д., Саламатов В.Г., Юсупов Р.А., Максимов Ю.М.,. Капиллярные гидродинамические явления в процессе безгазового горения // Физика горения и взрыва. – 2007. – Т. 43. – № 6. – С. 1–7.

5. Кирдяшкин А.И., Китлер В.Д., Саламатов В.Г., Юсупов Р.А. Особенности структурной динамики высокотемпературных металлотермических процессов на примере системы FeO–Al–Al2O3 // Физика горения и взрыва. – 2008. – Т. 44. – № 1.

– С. 81–84.

6. Кирдяшкин А.И., Максимов Ю.М., Лепакова О.К., Китлер В.Д.

Исследование СВС–процессов с использованием лазерной закалки // Инженернофизический журнал. – 1993.–Т. 65, № 5. – С. 598–601.

7. Kirdyashkin A.I., Maximov Yu.M., Lepakova O.K., Kitler V.D. l. SHS processes investigations with using of laser hardening // First International Symposium on Self-Propagating High-Temperature Synthesis: – Alma-Ata.

Abstract

Book, 1991.– Р. 99.

8. Raskolenko L.G., Maksimov Yu.M., Lepakova O.K., Kitler V.D. The Role of Melts During Phase and Structure Formation in Combustion Wave // 1993 PAC RIM Meeting Program and Abstract: – Honolulu, Hawaii. The American Ceramic Society, 1993. – Р. 150.

9. Kirdyashkin A.I., Maksimov Yu.M., Kitler V.D. The investigations of contact interaction of metals under nonisothermic conditions // Book of Abstract. 4 Int.

Symposium on Self-Propagating High-Temperature Synthesis, October 6–9, 1997: – Toledo, Spain. – Р. 20.

10. Kirdyashkin A.I., Maksimov Yu.M., Burkin V.V., Sinyaev S.V., Kitler V.D.

The influence of magnetic field on the SHS product structure // Book of Abstract, 4 Int.

Symposium in Self-Propagating High-Temperature Synthesis, October 6–9, 1997: – Toledo, Spain. – Р. 148.

11. Kirdyashkin A.I., Maksimov Yu.M., Kitler V.D. Investigation of Contact Interaction of Metals under Nonisothermic Conditions // Int. J. of Self-Propagating HighTemperature Synthsis. – V. 7, № 2. – Р. 147.

12. Kirdyashkin A.I., Yusupov R.A., Maksimov Yu.M., Kitler V.D.. Structural Processes of Functional Porous Materials in Combustion of Metallothermic Systems // Book of Abstracts. VI Int. Symposium on Self-Propagating High-Temperature Synthesis:

– Haifa, Israel. – 2002. – Р. 77.

13. Китлер В.Д. Кирдяшкин А.И., Максимов Ю.М Особенности горения крупногетерогенной порошковой смеси разнородных металлов на примере системы Ni-Al// Сборник докладов пятой всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики», 3 – 5 октября 2006, Томск.

14. Юсупов Р.А., Кирдяшкин А.И., Китлер В.Д., Саламатов В.Г. Фазовые и структурные превращения металлотермических систем на примере горения порошковой смеси FeO-Al-Al2O3 // Сборник докладов пятой всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики», 3 – 5 октября 2006, Томск.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»