Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. Анализ проблемы получения дисперсного оксида алюминия с
заданными свойствами 13
Способы получения высоко дисперсных порошков оксида алюминия.... 13
Особенности образования оксида при горении частиц алюминия 23
Модели образования оксида при горении частиц алюминия 26
Существующие способы сжигания алюминиево-воздушных смесей 33
Постановка задач диссертационной работы 36
ГЛАВА 2. Теоретические исследования процесса образования оксида. 38
Разработка модели 38
Апробация модели 45
Влияние основных параметров на дисперсность оксида 54
ГЛАВА 3. Организация процесса получения оксида при сжигании алюминиево-
воздушной смеси 60
Схема организации процесса получения оксида 60
Подача порошка алюминия и его распыление в воздушном потоке 63
Сжигание алюминиево-воздушной смеси и синтез оксида 69
Выделение конденсированной фазы из высокотемпературного потока продуктов сгорания 74
Выделение оксида с заданными свойствами из конденсированной
фазы 76
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования процесса получения оксида... 80
Экспериментальная технологическая установка 80
Методика проведения испытаний экспериментальной установки 84
Результаты испытаний экспериментальной установки 86
Методика исследования образующегося оксида 91
4.5 Дисперсность и свойства образующегося оксида 96
Влияние условий смесеобразования и параметров горения на дисперсный состав оксида 97
Свойства высоко дисперсного оксида алюминия - целевого продукта
метода 102
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО
ЛИТЕРАТУРА 112
Введение к работе
Развитие современных технологий основывается на производстве высококачественных порошковых материалов, обладающих заданными свойствами: высокой химической чистотой продукта, требуемым фазовым и дисперсным составом, сферической формой частиц, высокой твердостью и тугоплавкостью, окислительной и коррозионной стойкостью и в некоторых случаях особыми электрическими и оптическими характеристиками. Порошки, обладающие такими свойствами, находят применение в производстве машиностроительной керамики, композиционных материалов, средств полировки, в электронике и химической промышленности [1-9].
В производстве высокопрочной керамики используют порошки тугоплавких материалов с размером частиц не более 0,5 мкм, а иногда и менее 0,1 мкм. В химической промышленности в качестве адсорбентов и катализаторов требуются порошки с ещё меньшим размером частиц («0,01 мкм), обладающие высокой степенью однородности фазового состава. В электронике требуются порошки с высокой степенью чистоты. В производстве средств полировки желательно использовать порошки со сферической формой частиц, обладающие высокой твердостью. Во многих случаях, особенно при производстве высококачественной керамики [1-3] и других современных материалов, требуются порошки с сочетанием всех выше перечисленных свойств.
Методы производства высокодисперсных порошков условно можно разделить на механические (диспергирование), химические и физико-химические [4]. Традиционно, основным методом производства порошков являлось диспергирование природных материалов (в шаровых, струйных и высокоскоростных вращающихся мельницах) и последующая очистка полученных порошков от примесей [1,4,10,11]. В настоящее время, новые технологии изготовления сверхчистых и высокодисперсных порошков,
5 позволяющие улучшить качество порошковых материалов, повысить химическую чистоту и дисперсность, вытесняют механическую обработку сырья [1,3,4,11-16]. В соответствии с требованиями технологии производства новых материалов, ультрадисперсные порошки Zr02, А12Оз, ТЮ2 получают преимущественно химическими методами. Из химических методов наиболее распространён золь-гель метод [1,4,13], позволяющий изготовлять сложные золи и прозрачные монолитные гели с высокой химической однородностью компонентов и дисперсностью соответствующих фаз. Кроме того, успешно используются и физико-химические методы (плазменная и лазерная технологии [1,3,4,14]). В тоже время, существующими методами редко удается преодолеть все трудности и получить порошок с заданными свойствами. Если удается получить порошки необходимых размеров и формы, то не удается стабилизировать заданную фазу и получит требуемую чистоту продукта. А если удается получить продукт с требуемым химическим и фазовым составом и малым размером частиц, то не удается получить сферическую форму [3]. Кроме того, эффективность изготовления требуемых порошков во многом определяется производительностью и экономичностью существующих методов.
В последние годы наблюдается повышенный интерес к получению ультрадисперсного порошка (УДП) оксида алюминия [1-3]. УДП оксида алюминия может быть использован для создания материалов с новыми функциональными свойствами. Однако из-за высокой температуры плавления, большого количества фаз и высокой сорбционной способности оксида алюминия, получить порошок А1203, удовлетворяющий совокупности требуемых характеристик, ещё сложнее, чем другие порошки. В этом случае предпочтительнее других методов является лазерный синтез УДП, который в отличие от других технологий позволяет получить высокочистый порошок оксида алюминия с сферическими частицами размером менее 0,05 мкм и с заданным фазовым составом [3]. Тем не менее, этот метод не может быть
применен в ближайшем будущем в промышленном производстве. Во-первых, производительность установки лазерного синтеза ~1 г/час [3], что явно недостаточно для промышленного производства. Во-вторых, энергетический КПД существующих сегодня мощных технологических лазеров не превышает 10% (в большинстве случаев он составляет 1-3%) [17-19], соответственно энергетические затраты на производство УДП будут чрезмерно велики. К сожалению, по производительности и экономичности лазерный синтез порошков намного уступает традиционным методам механического измельчения и многим другим. Таким образом, в настоящее время не существует метода получения дисперсного оксида алюминия с заданными свойствами, обеспечивающего его промышленное производство.
В научно - исследовательских работах [20-24] был предложен новый метод получения высокодисперсных порошков оксидов металлов. Многие металлы (алюминий, магний, цирконий, титан и др.) при горении в активных газах (кислороде, азоте, диоксиде углерода или их смесях) образуют конденсированные продукты сгорания (оксиды, нитриды, карбиды), обладающие высокой твердостью и тугоплавкостью. Если горение этих металлов происходит в виде газовзвеси металлических частиц, то продукты их сгорания получаются в газодисперсной форме. Изменяя условия горения (давление, температуру, состав газовой фазы, концентрацию дисперсной фазы) дисперсный и химический состав исходных порошков металлов можно влиять на форму и структуру частиц продуктов сгорания, их размер, химический и фазовый состав [21-30]. Обеспечив высокую химическую чистоту исходного порошкообразного металла и газообразного окислителя, можно обеспечить высокую химическую чистоту конечного продукта. Таким образом, сжигая распыленные в активном газе порошкообразные металлы, в технологической установке можно синтезировать новые порошковые материалы с заданными свойствами. Процессы горения металлов являются сильно экзотермическими, протекают при высокой температуре и с большими скоростями. При этом, для
7 осуществления процессов не требуется дополнительная энергия. Такие технология являются перспективными, экономически выгодными и позволяют получить продукты высокого качества при большой производительности (более 100 кг/час целевого продукта). Получение высокодисперсного оксида алюминия, с заданной кристаллической модификацией, формой и размером частиц, с низким содержанием примесей, методом сжигания порошка алюминия в воздушном потоке составляет важное направление в рамках указанной проблемы.
ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ является научное обоснование возможности промышленного получения дисперсного оксида алюминия методом сжигания аэровзвесей алюминиевых порошков, обеспечивающим заданные свойства оксида при высокой производительности и экономичности его производства.
Для достижения указанной цели необходимо:
Создать математическую модель образования оксида при горении частиц алюминия, провести расчеты и исследовать влияние параметров частиц алюминия и окисляющей среды на характеристики образующегося оксида.
Разработать способ организации процесса получения оксида с заданными свойствами методом сжигания аэровзвеси порошка алюминия.
Разработать экспериментальную технологическую установку для исследования процесса получения дисперсного оксида при сжигании порошка алюминия в воздушном потоке и определить параметры, влияющие на свойства образующегося оксида, производительность и экономичность установки.
Обеспечить получение образцов дисперсного оксида алюминия с заданными свойствами.
МЕТОДЫ И ПОДХОДЫ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В ХОДЕ ВЫПОЛНЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. Использованы методы и подходы теории горения металлов и газодисперсных систем, математического моделирования процессов испарения частиц металлов и химической
8 конденсации продуктов испарения, газовой динамики дисперсных систем, проектирования, конструирования и проведение испытаний нестандартного оборудования, физико-химические методы исследования порошковых материалов (рентгеновский, электроннооптический, оптический).
НАУЧНАЯ НОВИЗНА:
Разработана математическая модель образования оксида при горении частиц алюминия, впервые учитывающая кинетические ограничения процессов испарения и поверхностных химических реакций. Модель вносит существенный вклад в теорию горения мелкодисперсного алюминия при низких давлениях.
С помощью модели доказана сильная неравновесность процесса образования оксида при горении частиц алюминия. В рамках созданной модели впервые получили ясную интерпретацию некоторые известные экспериментальные факты, связанные с образованием оксида: асимметричность горения, распад частиц на отдельные капли, появление полых сфер в продуктах сгорания.
В отличие от существующих моделей предложенная модель правильно описывает процессы образования оксида. Расчет доли оксида, накопившегося на частице, хорошо согласуется с опытными данными.
Проведены теоретические исследования влияния начального размера частицы алюминия и параметров окисляющей среды на процесс образования оксида. Расчетами показано: изменяя параметры среды и размер частицы можно осуществлять переход от гетерогенного горения к парофазному, тем самым в широких пределах изменять дисперсность оксида.
Сформулированы новые принципы организации процесса получения оксида при сжигании порошка алюминия в воздушном потоке.
Экспериментально показано, что изменяя условия смешения в камере сгорания, можно влиять на механизм горения частиц алюминия и тем самым изменять дисперсность оксида в широких пределах.
7. Экспериментально подтверждена возможность промышленного
получения дисперсного оксида с заданными свойствами методом сжигания
аэровзвеси порошка алюминия, при большой производительности и
экономичности метода.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ:
Разработан высокопроизводительный и экономичный метод получения дисперсных оксидов с заданными свойствами, который может позволить перейти к массовому производству новых промышленных материалов для современных технологий.
Обоснованный в работе способ получения оксида алюминия с заданными свойствами дает возможность в широких пределах изменять дисперсность оксидов, образующихся при сгорании не только алюминиево-воздушной смеси, но и других металлогазовых смесей. Математическое моделирование процесса образования оксида на основе разработанной модели позволяет уменьшить число необходимых испытаний при отработке спроектированных и изготовленных новых технологических установок.
Теоретические и экспериментальные результаты работы могут быть использованы при проектировании и отработке систем и элементов смесеобразования и горения новых высокоэффективных технологических и ракетных двигательных установок на порошкообразном металлическом горючем.
Полученные в диссертации результаты были использованы в проектных работах в НИМИ (г. Москва) и ГНПЦ "Звезда-Стрела" (г. Королев).
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:
1. Математическая модель образования оксида при горении частиц алюминия, учитывающая кинетику испарения и поверхностных химических реакций.
Результаты теоретических исследований влияния параметров частиц алюминия и окисляющей среды на характеристики горения и образующегося оксида.
Способ организации процесса получения дисперсного оксида с заданными свойствами методом сжигания порошка алюминия в воздушном потоке.
Результаты экспериментальных исследований получения дисперсного оксида в технологической установке при сжигании аэровзвеси порошка алюминия.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ: Результаты диссертационной работы докладывались на: -III, IV, V Всесоюзной школе - семинаре по горению дисперсных систем, г. Одесса, 1985, 1987, 1989 г.г.;
IX Всесоюзном Симпозиуме по горению и взрыву, г. Суздаль, 1989г.
I Международной конференции по внутрикамерным процессам и горению (ICOC 93). г. Москва, 1993г.
совместном Семинаре Российской и Японской секций Международного института горения. Черноголовка, 1993г.
Международной конференции по горению (Мемориал Я.Б. Зельдовича). Москва, 1994г.
I Международной школе-семинаре: Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем, г. Санкт-Петербург, 1995г.
II Международной конференции по внутрикамерным процессам и горению (ICOC 96). г. Санкт-Петербург, 1996г.
Международном коллоквиуме по перспективным аналитическим и расчетным методам в теории горения г. Москва, 1997г.
III Международной конференции по внутрикамерным процессам и горению (ICOC 99). г. Ижевск, 1999г.
Всероссийской научно-технической конференции: Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2001. г. Пермь, 2001 г.
Всероссийской научно-технической конференции: Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2002. г. Пермь, 2002 г.
Всероссийской конференции: Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов, г. Москва, 2002 г.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы; изложена на 123 страницах, содержит 29 рисунков, 4 таблицы; список литературных источников включает 107 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит обоснование актуальности работы (темы исследования) формулировку цели работы и основных задач, решаемых в диссертации, содержание работы по главам.
В первой главе рассмотрены различные способы получения высокодисперсных порошков оксида алюминия. Выделен, как наиболее экономичный и производительный, способ получения высокодисперсных порошков сжиганием аэровзвесей алюминия, обеспечивающий заданные свойства оксида. Рассмотрены особенности образования оксида при горении алюминия. Проведен анализ математических моделей образования оксида при горении частиц алюминия и способов сжигания алюминиевовоздушных смесей. Определена цель и выполнена постановка задач диссертационной работы.
Во второй главе описано математическое моделирование процесса образования оксида при горении частиц алюминия. В диссертационной работе предложена новая модель образования оксида. В отличие от прежних, предложенная модель учитывает основные факторы, влияющие на процесс образования оксида: кинетические ограничения скоростей испарения и поверхностных химических реакций. На основе модели проведены расчеты процесса образования оксида. Результаты расчетов хорошо согласуются с
12 экспериментальными данными. Математическим моделированием выявлены параметры, позволяющие изменять характеристики образующегося оксида в широких пределах.
В третьей главе описана организация процесса получения оксида алюминия с заданными свойствами, включающая: процесс регулируемой подачи порошка алюминия и его распыление; первичное смесеобразование, воспламенение и стабилизацию пламени; вторичное смесеобразование, горение и образование оксида с заданной дисперсностью; выделение конденсированной фазы из высокотемпературного и высокоскоростного двухфазного потока продуктов сгорания; выделение оксида с заданными свойствами из суспензии конденсированной фазы.
В четвертой главе описана экспериментальная технологическая установка для получения дисперсного оксида алюминия, методика проведения испытаний установки и результаты исследований влияния определяющих параметров установки на дисперсность образующегося оксида. Там же описаны методы исследования образующегося оксида, его свойства и свойства конечного продукта - оксида с заданной дисперсностью, формой частиц и кристаллической модификацией (у или а).
Общие выводы содержат формулировку основных результатов работы.
Автор благодарит своего научного руководителя Петренко В.И. за постоянное внимание к работе.
