Введение к работе
Актуальность проблемы. Ускоренное развитие ведущих отраслей промышленности требует разработки и внедрения новых материалов, обладающих заранее заданным набором свойств. Одно из перспективных направлений, позволяющих качественно изменять свойства материалов, заключается в их переводе в ультрадисперсное (УД) состояние.
Возможные области применения УД материалов, в значительной степени определяются размерами, и формой УД частиц, химическим составом, степенью чистоты и т.д. А эти показатели, в свою очередь, определяются условиями получения УД частиц. Получение УД частиц с заданными характеристиками непосредственно связано с возможностью контролировать ход процесса их производства. В особенности это относится к таким наиболее перспективным методам получения ультрадисперсных порошков (УДП) металлов, как газовое восстановление из соответствующих УД оксидов.
Контроль производства УДП металлов методами.неизотермического газового восстановления возможен лишь при наличии информации о протекании процесса; возможности рассчитывать значения его основных параметров: температуры, химического состава восстановительной атмосферы, степени металлизации УДП, величины удельной поверхности и т.п. Вышеназванные параметры можно определять либо при помощи непосредственных измерений, что в условиях высокотемпературного восстановительного эксперимента крайне трудно реализуемо, либо на основе количественного описания физико-химического механизма процесса.
Вместе с тем, в настоящее время не исследован целый ряд аспектов неизотермического газового восстановления УДП оксидов и гидроксидов металлов:
мало изучен физико-химический механизм вышеупомянутых процессов; отсутствуют его подробные количественные описания, учитывающие взаимовлияние стадий тепло- массопереноса и химического превращения;
нет количественного описания динамики образования и роста зародышей металлической фазы на начальном этапе металлизации, учитывающего, что процесс может протекать в неизотермических условиях;
не учитывается процесс спекания УД порошков;
отсутствуют математические модели процессов восстановления УД оксидных материалов, как критерий количественной верификации созданных описаний физико-химического механизма процесса;
наиболее разработанные описания хода процесса, ориентированные на неизотермический режим металлизации, учитывают лишь режим нагрева с постоянной скоростью,т,о,непредусмотрен произвольный режим изменения температуры;
- существующие модели, в силу большого числа упрощений, не позволяют оптимизировать конструкцию восстановительных агрегатов, обеспечивать эффективное управление параметрами процесса металлизации УД оксидов и получать таким образом УД порошки металлов с заданными свойствами;
С учетом вышесказанного весьма актуальной представляется задача экспериментального исследования процессов неизотермнческого газового восстановления УДП оксидов и гидроксйдов металлов, разработка подробного описания физико-химического механизма процесса металлизации УД оксидов металлов, позволяющего преодолеть описанные недостатки существующих подходов, с достаточной точностью прогнозировать ход процесса получения УДП и находить оптимальные условия для проведения последнего. Для количественной верификации созданного описания должна быть разработана соответствующая математическая модель, формализованная в виде системы уравнений и, в случае невозможности аналитического решения последней, реализованная в виде программы для ЭВМ. Необходима верификация модели и разработка на ее основе методик оптимизации процесса получения УД порошков металлов, а также, — параметров восстановительной установки.для получения УДП металлов газовым слоевым зосстановленнем УД оксидов.
Цель работы. Изучение процесса газового слоевого восстановления УДП оксидов и гидроксйдов металлов в условиях произвольного режима нагрева при помощи экспериментальных исследований и компьютерного моделирования.
Научная новизна. Разработано количественное описание физико-химического механизма процесса, в которое включено подробное рассмотрение механизма образования и роста зародышей металлической фазы. Разработана методика определения кинетических параметров (кажущаяся энергия активации, частотный фактор Аррениуса,- количество зародышей металлической фазы на частицу УДП, параметр, характеризующий геометрию зародыша), процесса неизотермического восстановления УД оксидов железа и никеля водородом на основе компьютерной обработки результатов неизотермического восстановительного эксперимента. При помощи компьютерного моделирования исследовал процесс эволюции реакционной поверхности раздела фаз оксид/металл в восстанавливаемой УД частице. Получены данные, позволяющие описать зависимость реакционной поверхности от степени металлизации УДП оксида и числа зародышей металлической фазы. В целях верификации созданного описания физико-химического механизма процесса металлизации УД оксидов металлов, разработана соответствующая математическая модель, учитывающая диффузию газообразных реагентов в распределенной реакционной системе, процессы спекания УДП и химического пре-
вращения на реакционной поверхности раздела фаз, процессы образования и роста зародышей металла, влияние на ход металлизации слабых энергетических воздействий. По результатам проведенных экспериментов по неизотермическому восстановлению УД оксидов никеля и железа определены значения основных кинетических параметров неизотермического восстановления УД железа и никеля водородом. Разработанная математическая модель по данным верификации была признана адекватно описывающей исследуемый процесс. Установлена возможность количественного описания влияния бесконтактного электростатического поля на ход процесса неизотермического восстановления УДП оксида железа водородом. Сформулированы условия применимости разработанного описания физико-химического механизма получения УДП металлов для процессов газового, восстановления соответствующих гидроксидов в условиях произвольного режима нагрева.
Практическая значимость. Разработана методика, позволяющая проводить оптимизацию процессов неизотермического газового. восстановления УДП оксидов металлов и проектировать восстановительные реакторы. На основе разработанной математической модели газового восстановления УДП оксидов металлов в условиях произвольного режима нагрева создана часть компьютеризованного лабораторного практикума, позволяющего прозодить имитационный восстановительный эксперимент в реальном масштабе времени.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка использованных источников, включающего 101 наименований. Работа изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц и 47 рисунков.