Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ возможности применения внутрикамерных процессов энергетических установок для получения ультрадисперсного оксида алюминия в промышленных масштабах 19
1.1. Классификация и анализ известных методов получения ультрадисперсных порошков 19
1.1.1. Механические методы 20
1.1.2. Физико-химические методы 22
1.1.3; Химические методы 28
1.1.4. Сравнительная оценка, существующих методов получения ультрадисперсньтх материалов 29
1.2. Преимущества и теоретические основы использования внутрикамерных процессов ЭУ на порошковом металлическом горючем для получения: ультрадисперсного оксида алюминия. 33
1.3. Анализ недостатков схемы экспериментальной установки синтеза ультрадисперсного оксида с точки зрения:организации непрерывных рабочих процессов. 38
1.4. Выводы по главе. Постановка задач диссертационной работы. 41
ГЛАВА 2. Теоретические исследования рабочих процессов в- системе подачи и камере воспламенения 43
2.1. Исследование процесса подачи порошкообразного материала в зону реакции 43
2.2... Определение геометрической и регулировочной характеристики клапана системы подачи порошка. 52
2.3. Расчёт процесса абразивного износа направляющих пазов запорно- регулирующего клапана 57
2.4. Исследование рабочего процесса воспламенения смеси порошкообразного алюминия и воздуха методами математического моделирования . 60
2.5. Расчёт процессов теплообмена и фильтрации при транспирационном охлаждении камеры воспламенения 68
2.6. Выводы по главе. Оценка результатов анализа параметров рабочих процессов 81
ГЛАВА 3. Разработка технических решений по- обеспечению адаптации внутри камерных рабочих процессов) сжигания порошкообразного алюминия для получения ультрадисперсного оксида в промышленных масштабах . 83
3.1. Выработка рекомендаций по устранению недостатков экспериментальной установки. Разработка принципиальных схем установки;, обеспечивающей, непрерывные рабочие процессы сжигания исходных порошковых материалов.. 83
3.2. Выбор основных параметров рабочих процессов: сжигания порошка алюминия; Обоснование технических, решений по схеме промышленной установки и схемам отдельных узлов . 93
3.3. Интерпретация и использование результатов выполненных теоретических исследований; рабочих процессов.при проектировании: системы подачи: и камеры воспламенения. 99
3.4. Выводы по главе. 101
ГЛАВА 4. Изучение перспектив диверсификации рабочих процессов получения ультрадисперсного оксида алюминия. Оценка: экологической безопасности сжигания алюминиевого горючего в промышленных установках . 103
4.1. Анализ возможности расширения области использования; процессов горения аэровзвесей простых веществ для получения смесей; порошковых материалов: 103
4.2. Термодинамический анализ возможности получения методом сжигания аэровзвесей порошков металлов оксидов Y, Се и Sr в ультрадисперсном г состоянии 110
4.3.. Экологические и технические1 аспекты- внедрения исследуемой технологии получения УДПА в промышленности 117
4.4. Выводы по главе 119
Общие выводы 120
Библиографический список 122
Приложение.
- Сравнительная оценка, существующих методов получения ультрадисперсньтх материалов
- Исследование рабочего процесса воспламенения смеси порошкообразного алюминия и воздуха методами математического моделирования
- Выбор основных параметров рабочих процессов: сжигания порошка алюминия; Обоснование технических, решений по схеме промышленной установки и схемам отдельных узлов
- Термодинамический анализ возможности получения методом сжигания аэровзвесей порошков металлов оксидов Y, Се и Sr в ультрадисперсном г состоянии
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РЕШАЕМОЙ ЗАДАЧИ
В начале:90-х годов:XX века изменение: геополитической ситуации в мире и связанное с этим существенное сокращение военного производства и научных исследований" в стране: поставило перед Россией неотложную политическую и экономическую задачи использования накопленного за десятилетия уникального научно-технического и кадрового потенциала в авиа- и ракетостроении; для повышения -> технического уровня і и экономической; конкурентоспособности продукции и:технологий необходимых в "народном хозяйстве". Жизнь стала: диктовать.использование при- создании s новых образцов техники промышленного и научного назначения оборонных технологий; которые получили: название высоких технологий двойного назначения:. Подобный подход при. грамотной \ организации шожет обладать-и реверсивностью, т.е. при изменении мировых тенденции на обратные (возрастание внешних угроз России) позволит результаты, полученные уже для гражданской\ промышленности, вновь использовать для* оборонных целей и сохранить кадровый потенциал.
Из уже успешно реализованных подобных технологий * в «народном хозяйстве», заимствованных из ракетно-космической техники; можно назвать: изготовление и нанесение теплозащитных, гальванохимических и лакокрасочных покрытий;: упрочнение поверхностного слоя деталей потоками газовзвесей.твёрдых частиц:
Убедительными примерами; практической конверсии <. газогенерирующих устройств на твердом ракетном топливе стало использование их с небольшими.модификациями для нужд «народного хозяйства» в системах пожаротушения, для: приводов задвижек аварийных клапанов в магистральных нефте— и газопроводах и т.п.
Продолжаются исследования по использованию энергии; получаемой теми или иными способами в газогенераторах и энергоустановках, для МГД-генераторов, в ускорителях плазмы заряженных частиц, в энергоизлучающих установках. -
Кроме перечисленных и ставших уже известными конверсионных приложений, научно-технические результаты, получаемые в ходе отработки разных образцов энергоустановок на основе жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), ракетных двигателейна твёрдом топливе (РДТТ) и прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД), как представляется, не только могут, но и должны быть адаптированы для создания новых (не имеющих сегодня і аналогов) материалов, устройств и технологических процессов. В основе такой концепции лежат разнообразные научные данные, свидетельствующие о том; что именно в камерах сгорания (КС) ракетных двигателей и аналогичных энергоустановок реализуются наиболее интенсивные и теплонапряженные процессы преобразования материалов и энергии» которые по удельным параметрам на порядок.превосходят режимы.работы традиционных устройств. В частности, использование процессов горения и течения в камерах сгорания и соплах ракетных и особенно воздушно-реактивных двигателей может открыть широкие возможности разрешения проблемных вопросов материаловедения; касающихся- синтеза материалов; с особыми' свойствами, для многих отраслей современной техники [1, 2]. Это может позволить одновременно разрешать (разумеется, частично) две как бы самостоятельные, но на самом деле связанные между собой глобальные проблемы — проблемы разработки новых материалов и проблемы их получения. Кратко поясним эту мысль.
К началу XXI века совершенство технических объектов (особенно в ракетной: технике) при использовании*в их.конструкциях традиционных материалов практически достигло' своего предела. На;основе современной методологии проектирования сложных технических систем [3-5] принято считать, что большие потенциальные перспективы совершенствования; технических объектов, кроются в выявлении; исследовании и использовании; в деталях конструкций материалов; новых по своим характеристикам, свойствам и функциональным возможностям..
Как показывает опыт наиболее передовых в. техническом * отношении стран, при разработке новых конструкций- наблюдается тенденция к увеличению в них, числа деталей, получаемых, методами порошковой, металлургии, что позволяет обеспечить большую экономию материала и повысить, ресурс работы изделий
[10]. Благодаря использованию при изготовлении деталей (прессовании и спекании) разнообразных по химическому и физическому составу порошковых компонентов, существуют широкие возможности управления^ конечными свойствами получаемых материалов [9-11]. Развитие подобных технологий невозможно без производства высококачественных исходных порошков [10; 16, 20].
Одно из главных современных направлений исследований в области разработки новых порошковых материалов - это получение ультрадисперсных порошков (УДП) тугоплавких соединений.и керамики:со сферической формой?с.размером частиц: 100+500'Нм;[15-18]. Порошки:должны обладать заданным химическим, морфологическим и^ гранулометрическим составом, отсутствием: полиморфизма; содержанием примесей:менее-1%, узким распределением частиц по разме-рами отсутствием-склонности; к агломерации: Такие порошковые материалы могут использоваться при: изготовлении' высококачественных; керамических деталей; для машиностроения (см. таблицу Г Приложения), а также в других:областях современных технологий; где могут быть использованы эффекты изменения^ механических, физико-химических и электромагнитных свойств материала при: переводе его в ультрадисперсное состояние.
Но, к сожалению, изготовлен ие таких ультрадисперсных материалов: (УДМ): является* слабым * местом в высоких технологиях [15,20]j ввиду большой; трудоёмкости и энергоёмкости; методов * их производства: В следствие этого существенно ограничиваются^ возможности использования УДП?для широкого применения в изготовлении \керамических материалов с уникальными свойствами < для < соврем енного машиностроения и* в*других высокотехнологичных; отраслях;. Все; проблемы:получения ї ультрадисперсных5 порошков; в; тош илш иной1 степени і связаны с трудностями, которые можно отнести;к:получению указанных выше характеристик...На практике редко удается преодолеть все трудности одновременно [19^ 20; 21];
Таким образом, из вышеизложенного следует, что исследование и обоснование: новых, более производительных, экономичных, надёжных и экологически: безопасных методов получения высоко дисперсных порошков с заданными;морфологическими '. свойствами и гранулометрическим составом на основе использо-
вания элементов конструкции и внутри камерных процессов ракетных энергетических установок, - является актуальной научно-технической задачей.
Основную часть решения этой задачи составляет разработка энергетически выгодных управляемых способов: организации процессов преобразования исходных материалов в ультрадисперсное состояние.
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Несмотря на высокие технико-экономические показатели при конверсионном использовании, малоизученной остаётся область применения рабочих процессов ракетных двигателей (РД) и энергетических установок (ЭУ), сходных с РД по принципу действия, для получения новых материалов. Между тем, их использование для синтеза (получения) различных химических соединений является весьма перспективным; Отметим принципиальные потенциальные преимущества организации рабочих операций в камерах сгорания ЭУ:
большая производительность за счет высокой интенсивности процессов, включая скорости тепломассообмена, высоких температур (порядка 3000 К) и, как следствие, - высоких скоростей протекающих физико-химических процессов;
возможность управления рабочими процессами;
возможность использования экспериментального и научного опыта, накопленного отечественными и зарубежными создателями аэрокосмической техники.
Как показывает анализ различных источников, рабочие процессы камер сгорания ЭУ особенно эффективно'могут быть использованы для получения новых:порошковых материалов при реакциях дисперсной и газовой фаз в горячих потоках.,
Известно, что использование порошкообразных металлов в качестве горючего [30, 31]; открывает большие возможности развития ракетных и прямоточных воздушно-реактивных двигателей [30—35] с точки зрения принципиальных улучшений их технических характеристик, а также конверсионной реализации рабочих процессов таких ЭУ при получении новых УДП с заданными свойствами для современных порошковых технологий.
В ходе проведения научно-исследовательских работ в ОКБ> «Темп» при ПГТУ по изучению внутри камерных процессов, протекающих в энергетических установках (ПВРД) на порошкообразном металлическом горючем, был выявлен, а затем и экспериментально опробован простой и эффективный: метод получения высоко дисперсных оксидов металлов.
Исследования; горения порошков алюминия, распыленных в,воздушном потоке в КС, позволили заложить теоретические основы расчёта процессов синтеза высокодисперсных оксидов> путем сжигания^ исходных, порошкообразных материалов в потоке активных газов. В основе метода лежат физико-химические процессы; получения продуктов: сгорания в і газодисперсной' форме, протекающие при горении металлов в воздухе в виде газовзвеси частиц. .
Метод, основанныйна использовании рабочих процессов в камерах сгорания? ЭУ на порошковом металлическом горючем; (ПМТ) позволяет получать высоко-дисперсные- порошки с заданными, свойствами за счёт управления- формой и структурой частиц продуктов сгорания путём регулирования ^термодинамических параметров; газовой- фазы; и составов исходных порошков металлов. Процесс синтеза характеризуется мал ой энергоёмкостью вспомогательных операций, отсутствием необходимости подвода энергии извне непосредственно для преобразования: исходного материала (поскольку образование целевого продукта происходит в результате самоподдерживающейся экзотермической; реакции) и высокой производительностью по отношению к другим ^известным мето дам. Таким образом; физико-химические процессы сгорания порошкообразных металлов-в потоке, активных газов^ в камерах сгорания? энергетических установок на псевдожидком3 топливе, являются?весьма перспективными; при их; использовании; для* получения? высокодисперсных и ультрадисперсных порошков тугоплавких соединений и керамики;.
Основы этого метода на примере образования; УДП оксида алюминия описаны в; работах В:И; Малинина с сотрудниками; [29, 38]>. На экспериментальной стендовой установке: был осуществлён* синтез ультрадисперсного оксида алюминия с размером частиц ;30.. .300'нм. Качество ^полученного порошка свидетельствовало, что он может быть использован для:последующего изготовления керами-
ческих материалов с уникальными свойствами.
Однако, выявление метода как такового и наличие экспериментальной установки для исследования процессов, протекающих при сжигании порошкообразного алюминия-в камере сгорания, ещё не свидетельствуют о возможности его применения для получения продукции в промышленных масштабах. Основным препятствием является ограничение функциональных критериев развития экспериментальной установки: получения УДП АЬОз, преобразованной из прямоточного ВРДгряд технических решений, ограничивает длительность непрерывной работы (менее 120 секунд).
Поэтому следующим необходимым этапом развития метода, определяющим; научную новизну и практическую значимость темы диссертации; является:разработка и обоснование технических решений, позволяющих адаптировать процессы сжигания порошкообразного горючего в камере сгорания ПВРД для создания оригинальных конверсионных технологий и установок, позволяющих, получать УДП оксидов металлов с заданными свойствами в промышленных масштабах: с обеспечением устойчивых регулируемых параметров рабочих операций.
Целью диссертационной работы является:
Анализ рабочих процессов сжигания аэровзвеси алюминия в камере сгорания для обоснования целесообразности конверсионной реализации функционирования ЭУ на порошкообразном горючем при разработке методов получения в промышленных масштабах ультрадисперсных порошков; оксидов с управляемыми свойствами.
Основные задачи, которые необходимо решить для достижения целей работы:
Провести исследование основных; рабочих процессов сжигания аэровзвеси алюминия: в ПВРД, на порошковом горючем и экспериментальной установке получения ультрадисперсного оксида, и установить физические и размерные связи; между параметрами отдельных этапов синтеза щелевого продукта и конструктивными размерами соответствующих узлов установки.
Определить недостатки технических решений, использованных в существующей экспериментальной; установке синтеза ультрадисперсного оксида, приводя-
щих.к ограничению непрерывного цикла получения готового продукта. По результатам проведённого исследования выработать и обосновать новые технические решения по созданию оборудования, обеспечивающего адаптацию рабочих процессов подачи; воспламенения и сгорания алюминия, протекающих в ЭУ на псевдожидком (порошковом) горючем, - для конверсионного использования при получении новых порошковых материалов в промышленных масштабах.
Выработать рекомендации по использованию результатов, полученных при исследовании рабочих процессов;
Обосновать принципиальную возможность диверсификации метода, использующего сжигание аэровзвеси алюминия при синтезе УДПА12Оз с целью расширения! области :применения процессов;сгорания порошкового горючего для получения, помимо оксида алюминия, ультрадисперсных порошков аналогичных химических соединений (оксидов и нитридов).
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Получены результаты, доказывающие принципиальную возможность адаптации, внутрикамерных процессов в прямоточном воздушно-реактивном двигателе на? порошковом горючем для і создания: промышленных методов получения ультрадисперсных порошков..
Установлены физические и размерные связи между параметрами рабочихшро-цессов сжигания > аэровзвеси алюминия и конструктивными размерами элементов системы подачи и камеры воспламенения установки получения ультрадисперсного оксида алюминия.
В результате проведённого анализа рабочих процессов ЭУ на порошковом металлическом : горючем (ПМГ) разработаны новые технические решения по установке, позволяющей получать любые заданные объемы УДП А12Оз в непрерывном цикле производства.. Обоснована принципиальная возможность осуществления разработанных решений с точки зрения обеспечения' работоспособности используемых конструкционных материалов и приемлемых размеров элементов
системы подачи и^ камеры воспламенения. при тепловых и механических нагруз-
ках, сопровождающих процессы синтеза.
Установлено, что при получении ультрадисперсного оксида алюминия в широком диапазоне изменения основных рабочих параметров содержание вредных газообразных соединений в продуктах реакции не будет превышать.предельно допустимого уровня.
Обоснована принципиальная возможность применения метода сжигания газовзвесей порошковых материалов в камерах сгорания для; получения: порошков следующих соединений: A1N, S13N4, BN, Mg2SiC>4, MgAl204, СЄ2О3, Y2O3, SrO. Определены потенциальные: параметрырасходов сырья для регулирования состава, образующихся продуктов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ
Результаты исследований'могут быть положены в основу разработки образцов оборудования, использующих рабочие процессы; ПВРД на* порошковом горючем; адаптированные для получения; в промышленных масштабах ультрадисперсного оксида алюминия с заданными свойствами;
Материалы, представленные в диссертации, позволят определять параметры основных рабочих процессов и элементов конструкций установок, различных по производительности и требуемым свойствам получаемых УДП; что существенно сократит время их проектирования и длительность последующей отработки.
3; Представленные в работе технические решения; открывают широкие возможности конверсионной реализации: процессов преобразования- порошковых материал ов в потоках активных газов в камерах сгорания ЭУ для создания полифункциональных высокопроизводительных методов і получения ультрадисперсных порошков не только АІ2О3, но идругих оксидов и нитридов.
А. Результаты работы могут быть использованы при проектировании и отработке систем смесеобразования различных реакторов синтеза ультрадисперсных материалов, где используется сырьё; в виде порошка, а также при; создании* систем-смесеобразования и горения новых тепловых и ракетных двигательных установок
на порошкообразном металлическом горючем.
5. Полученные при выполнении диссертационной работы материалы могут быть использованы в учебном процессе технических вузов по специальностям: «Ракетные двигатели» (при изучении процессов в прямоточных РД), «Технология машиностроения» (при изучении методов получения новых материалов) и;«Композиционные порошковые материалы, покрытия» (при углублённом изучении оригинальных методов производства ультрадисперсных материалов).
МЕТОДЫ И ПОДХОДЫ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В ХОДЕ ВЫПОЛНЕНИЯ
ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ:
Использованы методы математического моделирования процессов воспламенения' и горения полифракционных металлических порошков f в воздушном потоке, методы математического моделирования процессов фильтрации и теплообмена в пористых средах, методы' термодинамических расчётов состава^продуктов^ сгорания, методы проектирования сложных технических систем, программирование на ЭВМ:
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:
1. Результаты теоретических исследований рабочих процессов транспортирования
(подачи) исходного порошкообразного материала в зону реакции и его последующе
го воспламенения: зависимости,, связывающие параметры указанных процессов и:
размеры элементов конструкции системы подачи и камеры воспламенения..
Результаты разработки и обоснования технических решений по системе подачи и камере воспламенения, обеспечивающих эффективное управляемое протекание процессов получения УДПАДОз за счёт адаптации этих узлов к реализации-непрерывных рабочих операций сжигания металлического порошка при. функционировании в составе промышленной установки.
Адаптированная схема организации рабочих процессов сжигания порошкового -
алюминиевого горючего в потоке воздуха в камере сгорания, обеспечивающая их эффективное использование при получении УДП А120з с заданными свойствами. Техническое решение по установке получения ультрадисперсных оксидов в промышленном- масштабе, основанное на конверсионном использовании ПВРД на п орошковом горючем.
4. Результаты исследований по диверсификации метода-полученияУДП Al2Oj путём сжигания аэровзвеси алюминия: изучение принципиальных возможностей использования горения простых веществ и их смесей в потоке воздуха в камерах сгорания ЭУ на порошковом горючем;для синтеза, помимо; А1203, порошков других соединений, представляющих большой интерес для современного материаловедения: Si3N4, A1N, MgAbC^, Mg2Si04, BN и их смесей, а также СегОз^УгОз и SrO.
АПРОБАЦИЯРАБОТЫ:
Основные результаты работы докладывались на:нескольких всероссийских и международных научно-технических конференциях:
V Всероссийской научно-технической конференции: Аэрокосмическая і техника и высокие технологии — 2002. г. Пермь, 2002.
III Всероссийской научно-технической конференции: Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики, г. Томск, .2002І"
Областной научной конференции=молодых учёных, студентов и аспирантов "Молодёжная наука Прикамья - 2002". г. Пермь, 2002.
VI: Всероссийской научно-технической^ конференции: Аэрокосмическая: техника и высокие технологии - 2003. г. Пермь, 2003.
Всероссийской1 научно-технической; конференции: VII Королёвские чтения, г. Самара, 2003.
6) * Международной конференции "Ракетные двигатели и; проблемы их при
менения для освоения космического пространства. К 100-летию идеи К. Э. Ци
олковского" ("SPACE-2003"). Россия; Москва-Калуга, 2003 г.
7) VII Всероссийской научно-технической конференции: Решетнёвские чте-
ния. г. Красноярск, 2003.
VII Всероссийской научно-технической конференции: Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2004; г. Пермь, 2004.
Международной научно-практической t конференции по перспективным композиционным материалам "НАНОКОМПОЗИТЫ-2004" - г. Сочи, 2004.
ОБЪЁМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ
Диссертация; состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, списка; литературы и приложения; изложена на 135 страницах, содержит 48 иллюстраций, 7 таблиц; библиографический список включает 114 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 представлен: анализ возможности применения внутрикамер-ных процессов энергетических установок для получения ультрадисперсного оксида алюминия в промышленных масштабах.
В результате качественной оценки известных технологий получения УДМ по основным: технико-экономическим показателям: обоснована необходимость создания новых методов, сочетающих высокую производительность с возможностью получения порошков с регулируемым гранулометрическим составом и размером частиц ~ 100 нм. Установлено, что наиболее перспективными являются - методы получения) УДМ, основанные на. физико-химических процессах преобразования исходных порошкообразных материалов в потоках энергонесущих сред (плазмы и; активных газов) в рабочих объёмах плазмохимических реакторов и в камерах сгорания ЭУ; В этой группе, как наиболее эффективные и производительные, выделены методы, основанные на использовании рабочих процессов ЭУ на порошковом : горючем, и, в частности, технология синтеза УДП АЬОз методом сжигания
исходного порошкообразного металла в потоке воздуха в камере сгорания, которая является самостоятельным направлением получения УДМ путём прямого синтеза.из элементов при конверсионном использовании внутрикамерных процессов ПВРД на ПМГ.
Представлены некоторые результаты, предварительного анализа отдельных рабочих процессов сжигания порошкового горючего в прямоточной камере сгорания с точки зрения их конверсионного использования при; получении'УДП: в промышленных установках непрерывного действия; Выявлены, принципиальные недостатки технических решений, применённых в экспериментальной установке получения УДП А1203, существенно ограничивающие продолжительность основных рабочих процессов (подачи металлического порошка и его воспламенения) и таким образом препятствующие обеспечению реализации непрерывного сжигания; порошкообразного сырья для синтеза целевого продукта.
В'результате аналитического обзора сформулированы основные задачи диссертационной работы.
Во второй главе содержатся исследования рабочих процессов в системе подачи исходного порошкообразного материала ив камере воспламенения с. целью установления зависимостей между их параметрами и основными размерами элементов конструкции установки получения УДП AI2O3.
Для, процесса транспортирования, металлического порошка под: действием: объёмных сил сжатого газа построена математическая модель, основанная; на эмпирических формулах и г на уравнении Дарси изотермической фильтрации: газа. в пористом; материале. Для математического моделирования і процесса воспламенения используется модель горения ї аэровзвеси алюминия; наиболее полно учитывающая основные особенности: физико-химических процессов, образования ультрадисперсного оксида при сжигании частиц алюминия в потоке воздуха: В результате получены зависимости между параметрами; физико-химических процессов^ протекающих при подаче и воспламенении исходного материала, И: основными размерами элементов: конструкции системы подачи и камеры воспламенения. Эти зависимости позволяют рационально выбирать конструктивные параметры и
обосновывать состав разрабатываемых принципиальных схем при проектировании установок получения УДМ, использующих внутрикамерные процессы РД и ЭУ на порошковом алюминиевом горючем.
В третьей главе представлены разработка и. обоснование новых технических решений, обеспечивающих адаптацию рабочих процессов сжигания порошкового алюминиевого горючего в камере сгорания для их конверсионной реализации при разработке промышленных методов управляемого синтеза ультрадисперсных порошков оксидов. В результате выполненных исследований разработаны принципиальные схемы эффективного технологического оборудования, использующего управляемые процессы сжигания газовзвесей порошкообразных металлов в камерах сгорания: ЭУ для синтеза новых УДМ. Представлены схемы, системы непрерывной подачи исходного-материала в;зону реакции, камеры воспламенения'непрерывного функционирования, а также общая принципиальная схема промышленной установки, получения УДП АДОз, использующей усовершенствованную организацию внутрикамерных процессов горения порошкообразного металла в ГТВРД. Для промышленной установки определеньь основные: параметры рабочих процессов, влияющие на производительность и качество целевого продукта.
В четвёртой главе обоснована принципиальная; возможность создания: полифункционал ьньгх промышленных технологий получения высокодисперсных оксидов и нитридов за счёт диверсификации. метода, использующего внутрикамерные процессы сжигания: аэровзвеси алюминия в ПВРД(на: порошковом горючем для синтеза УДП А12Оз.
Результаты исследований показали; что существует принципиальная; возможность использования рабочих процессов; ЭУ,. реализующих сжигание порошковых материалов в потоках активных газов, для; получения не: только оксида алюминия, но и УДП других химических соединений, представляющих большой интерес для современного материаловедения: Si3N4, A1N, MgAkO^ Mg2Si04, BN и; их смесей; а также оксидов Се203, Y203) SrO.
Таким образом; выявлены и обоснованы перспективы конверсионного использования управляемых процессов сжигания; порошкообразных материалов в камерах
сгорания ПВРД для создания полифункциональных промышленных методов получения ультрадисперсных материалов широкого класса соединений.
Общие выводы содержат формулировку основных результатов диссертационной работы.
Автор благодарит своего научного руководителя профессора Станислава Геннадьевича Ярушина за постоянное внимание к работе, а также ценные советы и рекомендации, которые касаются как содержательной части, так и методологических аспектов подготовки диссертации.
С надеждой на дальнейшее сотрудничество, автор выражает глубокую благодарность и признательность старшему научному сотруднику кафедры "Технология, конструирование и автоматизация в специальном машиностроении" ПГТУ Владимиру Игнатьевичу Малинину, одному из основоположников и исследователей метода синтеза УДП А1203 сжиганием порошкообразного алюминия в потоке воздуха, за совместно разработанные проекты и идеи, которые послужили основным материалом для написания диссертации.
Сравнительная оценка, существующих методов получения ультрадисперсньтх материалов
Исследования горения порошков алюминия,.распыленных в воздушном потоке [32, 38, 66, 67, 82], позволили заложить теоретические основы проектирования и-расчёта. процессов получения высокодисперсных оксидов путемз сжигания исходных порошкообразных продуктов в потоке активных газов. В работах [29, 36 71] на основе информации, представленной в монографии; [6 8] и работах [77, 78], проанализированы особенности образования оксида при горении частиц алюминия, которые могут влиять на характеристики конечного продукта (дисперсность, форму частиц, фазовый: состав). На рис. 1.6 приведена типичная форма кривой распределения массы конденсированных продуктов сгорания: алюминизированного состава по размерам частиц оксида для композиции, топлива, содержащего 5% алюминия; Главной особенностью полученной кривой является; двумодальность, обусловленная различием в механизме образования частиц оксида того или иного размера [67, 77] Мелкодисперсные частицы левой моды образуются в результате газофазных реакции в объеме вокруг горящих частиц алюминия; Частицы правой; моды распределения соответствуют по своим размерам исходным: частицам алюминия и представляют собой продукты процесса накопления оксида на поверхности горящей частицы: металла. Наибольшую ценность для современных технологий представляют высокодисперсные частицы левой моды [15; 21]. В І теоретических работах А.Я. Лукина, А.М.. Степанова [77] и; экспериментальных Л.Н;.Стесика с сотрудниками [78] показано, что средний.размер частиц левой моды пропорционален І давлению р и температуре газа Tg. В арьируя: давление и температуру газа в широких пределах они показали, что возможно значительно: изменять размеры частиц высокодисперсного оксида и получить УДП А120з с размером частиц менее 100 нм. С использованием указанных экспериментальных и: теоретических предпосылок: в- работе [29] была обоснована возможность применения внутрикамерных рабочих проц существенным положительным, моментом для- обоснования эффективности конверсионного использования; процессов в камере сгорания- ПВРД на порошковом; горючем стало создание: экспериментальной стендовой; установки; [32,. 38, 66] (рис. 1.8)» на которой была проверена возможность синтеза ультрадисперсного ЛІ2О3 с размером частиц 30-ьЗОО им.
Рабочие процессы переработки металлического горючего для получения УДП А120з протекают следующим образом. Под действием объёмных сил сжатого газа порошок вытесняется из контейнера и через клапан поступает в узел смешения и воспламенения 3. Непосредственно процесс синтеза УДП;A Oj осуществляют в зоне реакции, которая физически разделена на области воспламенения и сгорания (камеру воспламенения 3 и камеру сгорании 4). Рабочие процессы горения смеси алюминия и воздуха организуются подобно сжиганию жидкого ил псевдожидкого топлива в прямоточных камерах сгорания энергетических установок. Поток воздуха, подводимый в.зону реакции; делится на две неравные части:: первичный поток (первичный воздух, меньшая часть) и вторичный поток (вторичный воздух, большая часть).. В первичный; поток подаётся весь порошок металла, смешивается с ним, воспламеняется и частично сгорает, затем смешивается с вторичным, потоком в камере сгорания и догорает. Коэффициент избытка воздуха первичного потока а«1, а вторичного - а 1. При уменьшении доли первичного потока до минимально необходимой, обеспечивается низкоскоростное течение алюминиево-воздушной смеси с естественной стабилизацией пламени, без осуществления аэродинамической рециркуляции [29, 38].
В результате горения.алюминия во вторичном потоке образуется крупнодисперсный т высокодисперсный: оксид. Изменяя условия вторичного смешения и условия в потоке-(давление, температуру) можно уменьшить массовую долю крупнодисперсного оксида и увеличить долю высокодисперсного с размером частиц 100 нм [29 38]. Далее образовавшийся высокотемпературный поток продуктов сгорания через сопло истекает в устройство отбора целевого продукта 5, где образуется суспензия целевого продукта и воды.
На рис. 1.9 представлен график распределения по размерам частиц УДП А120з, полученного методом сжигания порошка алюминия в потоке воздуха [29, 83]. Как видно, хотя полученный УДП А120з имеет широкое распределение поразмерам частиц, максимум распределения приходится:на размер 100 нм, наибольший-размер частиц не превышает 300 нм. Таким образом, дисперсный состав порошка соответствует требованиям, предъявляемым к исходным; материалам для технической керамики [15, 16].
Другие характеристики порошка А120з, полученного на экспериментальной установке, а также характеристика керамического материала, изготовленного из данного порошка [39], приведены в-таблицах 2 и 3 Приложения. На рис. 1; в Приложении представлена фотография УДП АІ2О3 под электронным микроскопом. При отработке параметров процессов синтеза ультрадисперсного оксида отдельно проводились эксперименты по исследованию процессов транспортирования порошкообразного алюминия и других материалов под действием объёмных сил сжатого газа. В диссертации [29] приведена схема системы регулируемой подачи порошкообразного горючего в камеру воспламенения, а также некоторые результаты теоретического и экспериментального изучения пневмотранспорта порошков и некоторых других рабочих процессов, протекающих в установке. Таким образом, имеется база для продолжения .г иссл едований; направленных на развитие и совершенствование выявленного метода для; обеспечения высоких технико-экономических показателей процессов сжигания порошкового металлического горючего в камере сгорания с целью увеличения их конкурентоспособности при использовании в сфере современного производства УДМ:
Исследование рабочего процесса воспламенения смеси порошкообразного алюминия и воздуха методами математического моделирования
Теоретическое исследование воспламенения газовзвеси; частиц алюминия в установке синтеза ультрадисперсного оксида необходимо с точки зрения практики и теории, поскольку позволяет получить исходные данные, необходимые для разработки эскизного и технического проектов камеры воспламенения. Основной задачей исследования является.расчёт параметров физико-химических процессов, протекающих в. камере. В; результате расчёта можно получить данные, позволяющие: установить зависимости между параметрами смеси алюминия и воздуха во входном:сечении и конструктивными размерами камеры, которые будут обеспечивать воспламенение всех частиц горючего в рабочем интервале расходов воздуха и порошка.
Математическое: моделирование - совершенный современный инструмент. для исследования сложных физико-химических процессов [79, .91];. Построение математических моделей конкретных процессов, протекающих в технологических и энергетических установках, использующих горение металловоздушых смесей, позволяет наиболее полно учесть их основные: особенности и, следовательно,, правильно рассчитывать параметры и отслеживать динамику.
Кроме того, практическая ценность правильного математического моделирования рабочих процессов: состоит в том, что использование этого метода в исследовании позволяет рассчитывать параметры рабочих процессов и геометрию элементов конструкции оборудования; не прибегая к реальным исследованиям, которые приводят к большим затратам денежных средств. и времени; Предварительный расчёт, основанный на адекватных математических моделях, позволяет избежать ошибок при проектировании узлов и устройств и таким образом значительно сократить расходы ресурсов1 на создание и опытную; отработку образцов новой: техники.
Для расчётов процесса - воспламенения порошка алюминия в камере используем математическую модель, представленную в работах [36, 71, 92]. Эта модель была разработана при теоретическом исследовании сжигания алюминиевых порошков в потоке воздуха, и в ней наиболее полно учтены особенности горения газовзвесей частиц алюминия: сильная скоростная, температурная и химическая неравновесность, накопление оксида и кинетические ограничения процессов окисления (разложения) и испарения (конденсации) на поверхности частиц [93] и в объёме потока, также важным достоинством этой: модели является возможность расчёта дисперсности синтезируемого порошка. Применяется метод сложения кинетического и диффузионного сопротивлений [91] для- учёта диффузионно-кинетического характера процесса. Результаты расчётов; выполненных по этой модели, имеют совпадение с экспериментальными данными: в три раза лучшее, чем при использовании моделей горения частиц алюминия, разработанных другими авторами [74, 75].
Рассматривается одномерный поток-полифракционной аэровзвеси сферических частиц алюминия (рис. 2.12), характеризующийся переменной скоростью, температурой, плотностью частиц и газа, давлением, концентрацией кислорода и продуктов испарения частиц алюминия. В структуру математической модели входит система линейных дифференциальных уравнений баланса массы частиц, хранения энергии, уравнения движения газа и частиц металла, выражения для расчёта теплофизнческнх характеристик реагирующей смеси алюминия и воздуха, а также уравнения для определения скоростей химических реакций и фазовых переходов. Дисперсная фаза представлена совокупностью определённого числа монофракций. Процессы, происходящие на поверхности частиц и в объеме потока, а также основные допущения, при которых решается задача, описаны в [71]: приняты представления и допущения, сделанные в модели [74], кроме предположения о термодинамическом равновесии на поверхности частицы. Воздух, участвующий в процессе: воспламенения; подводится- в камеру через несколько радиальных отверстий і 4 и далее смешивается с потоком частиц металла. Образуется горизонтальный поток смеси порошкообразного алюминия и газа (начальная скорость газа равна Kog), который в начальный момент времени воспламеняется с помощью воспламенителя 5, а при установившемся режиме — за счёт тепла, выделяющегося в результате экзотермической химической реакции.
На основе законов сохранения массы, энтальпии (энергии) и импульса в соответствии; с принятыми допущениями, записана система дифференциальных уравнений первого порядка [71], описывающая горение полифракционного алюминия. Система уравнений интегрируется; по продольной координате потока ос от нулевой; - до координаты, при которой параметр частиц и = газа: отличаются; от равновесных на заданную малую величину.
В результате математического моделирования процесса воспламенения получены зависимости между основными параметрами І аэровзвеси порошка алюминия ш геометрическими І параметрами камеры воспламенения, позволяющие рационально- выбирать размеры конструкции при1 заданном: значении физических величин, определяющих состав смеси алюминия и воздуха в камере [94].
Основными результатами расчётов; являются зависимости: между начальным удельным.расходом газа (воздуха) ( и расстоянием, на котором воспламеняются частицы всех фракций алюминиевого порошка Zjg„; между равновесной температурой процесса Тс, максимальными температурами частиц отдельных фракций Tmi и газа Tmg и коэффициентом а; между L и а. Эти зависимости представлены в і виде графиков на рис. 2.13 и 2Л4. Далее для краткости и простоты изложения параметр Iign будем называть "длина воспламенения".
Выбор основных параметров рабочих процессов: сжигания порошка алюминия; Обоснование технических, решений по схеме промышленной установки и схемам отдельных узлов
Структурно сходство между ПВРД на TIMF и представленной установкой для производства УДПА120з состоит в наличии узлов подачи, смешенияи воспламенениями камеры сгорания; а также сопла на-выходе из зоны; реакции; Принципиальное же отличие функциональной структуры установки от ПВРД заключается в размещении на;. выходе сопла устройства отбора1 целевого продукта, значительно снижающего импульс продуктов сгорания за счёт уменьшения скорости потока и сброса газообразных продуктов реакции в атмосферу. Кроме устройства отбора, в схему установки должны входить, дополнительные элементы (компрессоры), обеспечивающие подачу воздуха в зону реакции и его очистку. Физическая сущность рабочих процессов.в узлах подачи, смешения и воспламенения, камере сгорания для ПВРД, и установки аналогична. Однако, принципиальное отличие функционирования установки от ПВРД заключается, во-первых, в более низких (в 5-И 0 раз) расходах воздуха и порошка. Во-вторых, в установке есть необходимость: поддержания; более узкого диапазона изменения параметров рабочих процессов. В-третьих, в процессе дожигания порошкообразного горючего в установке существует необходимость регулирования в камере сгорания давления, температуры, и изменения коэффициента избытка воздуха по её длине дляполучения оксида в виде УДШВ целом, разница:служебного назначения установки.и ПВРД обосновывает необходимость.применения в установке/Щ обеспечивающих долговременное (в течение десятков часов) непрерывное протекание процессов сжигания порошкообразного металла с возможностью контроля рабочих параметров. Это предусматривает наличие І более совершенной тепловош защиты- элементов конструкции и обеспечение приемлемого для;человека теплового режима вблизи установки:
Основным результатом теоретических исследований (глава 2) являются зави-симостшмежду параметрами рабочих процессов; и; основными геометрическими размерами элементов конструкции (исходными проектными данными). Практическая значимость результатов расчётов заключается в возможности их использования для рационального выбора соотношений между конструктивными размерами узлов и параметрами реализуемых рабочих процессов.
Полученные данные используем следующим І образом: Произвольно выбираем либо параметр процесса, либо характерный размер элемента конструкции. На основании представленных зависимостей (рис: 2.3, 2.4, 2.6, 2ЛЗ, 2.14,.2Л5, 2.16, 2.17 и 2.19) определяем вторую величину (размер,.либо параметр процесса). Для системы подачи —определяем давление на входе Р0 при выбранном диаметре трубопровода . и; относительном расходе порошка; (абсолютное значение расхода порошка СР=0Д5кг/с) (рис. 2.3 и 2.4). Для камеры воспламенения определяем "длину воспламенения" Lign (Li0) в зависимости от начального удельного расхода газа G0 (рис. 2.13), а затем длину камеры при заданном коэффициенте запаса я. Также в зависимости от начального удельного расхода газа определяем диаметр камеры dK (рис. 2.16, 2.17).
По данным рис. 2.19 рассчитываем параметры.процесса транспирационного охлаждения камеры воспламенения: Определяем необходимый удельный расход охладителя в зависимости от требуемой температуры материала пористой оболочки, затем определяем абсолютную величину расхода охладителя при заданных конструктивных размерах. По графикам на рис. 2.20 определяем необходимый коэффициент проницаемости материала и давление охладителя на входе в оболочку.
Для обоснования: представленных технических решений позволяют выполнить оценку совершенства разрабатываемых проектных решений; с точки; зрения технической возможности их реализации в заданных пределах изменения величины рабочих параметров и габаритов элементов конструкции..
Выполненные расчёты для системы подачи и камеры воспламенения позволяют сделать оценку совершенства технических решений, принятых для этих элементов.конструкции.. Главным критерием оценки является техническая; возможность, реализация предложенных решений, которая определяется; на основе полученных зависимостей между параметрами! рабочих процессовt ж основными? геометрическими размерами.
На основе расчёта значений; параметров рабочих процессов? (давления для: системы подачи и температуры — для камеры, воспламенения) были получены следующие результаты (глава 2): температура пористой оболочки не превышает 700 К, перепад давлений между наружной; и внутренней: стенками пористой оболочки KB- 0,25 МПа, давление в системе подачи при максимальном расходе порошка не: превышает 2,1 МПа. При указанных параметрах рабочих процессов? обеспечивается! работоспособность применяемых конструкционных материалов.. Соответствующие данные по обоснованию работоспособности камеры воспламенения были представлены в главе 2. Для системы подачи на основе расчёта на прочность следует определить толщину стенки трубопровода и контейнеров; Материал трубопроводов и контейнеров - высококачественная легированная сталь с. пределом текучести ат=700-г900 МПа. По безмоментной теории определяем необходимую толщину стенки: 1. В результате анализа схем организации рабочих процессов транспортирования порошкообразного металла и его. воспламенения разработаны; и обоснованы технические решения по системе непрерывной подачи исходного материала в зону реакции установки синтеза УДП А120з и по камере воспламенения непре- рывного функционирования с транспирационным охлаждением. 2. На базе усовершенствованных схем системы подачи и камеры воспламенения разработана принципиальная схема установки, обеспечивающей адаптацию рабочих процессов подачи, воспламенения и сгорания порошкообразного алюминия, протекающих в ПВРД на порошковом горючем, - для конверсионного использования при непрерывном получении ультрадисперсного оксида алюминия. 3. На основе анализа предшествующих теоретических и экспериментальных работ, а также представленных в настоящей диссертации исследований рабочих процессов обоснован выбор параметров функционирования узлов установки получения УДП А120з для промышленного производства. 4. Представленные материалы содержат обоснование возможностей существенного увеличения эффективности получения ультрадисперсного оксида алюминия за счёт применения внутрикамерных процессов сжигания порошкообразного металла в ПВРД, Использование разработанных технических решений предоставляет широкие возможности значительного повышения производительности операций синтеза УДП оксида и расширения области применения процессов горения порошков простых веществ в потоках активных газов в камерах сгорания ЭУ для получения У ДМ с заданными морфологическими свойствами и гранулометрическим составом.
Термодинамический анализ возможности получения методом сжигания аэровзвесей порошков металлов оксидов Y, Се и Sr в ультрадисперсном г состоянии
В главе 1 уже указывалось на сходство рабочих процессов, протекающих при получении УДП-АІгОз методом сжигания порошка алюминия в воздушном потоке в камере сгорания и при плазмохимическом синтезе. Физико-химические процессы в технологических установках в том и в другом случае состоят из следующих основных этапов: 1. Нагрев частиц исходного материала, их плавление и испарение. 2. Химические реакции. 3; Формирование частиц целевого продукта — УДП А120з. А. Охлаждение системы и улавливание образованного порошка. Отличие состоит лишь в источнике энергии; за счёт которой происходят этапы 1 и 2. В методах плазмохимии таким источником энергии-является: низкотемпературная азотная или кислородная:плазма [50, 51, 58], которая подаётся в реактор синтеза: УДП оксида в виде самостоятельного компонента. При; синтезе же: УДП А120з методом сжигания аэровзвеси порошка алюминия энергия, необходимая для расплавления частиц сырья; их испарения и химических реакций образуется непосредственно в камерах воспламенения и сгорания- за счёт высоких тепловых эффектов; взаимодействия металла с активными газами (кислородом и азотом). В работе [50], где описан синтез наночастиц оксида алюминия при окислении металла в потоках термической плазмы; установлено, что в области температур начала конденсационных процессов пересыщенный і пар состоит в основном из низших оксидов алюминия и,1 следовательно; механизм конденсации \ оксида алюминия имеет, с большой долей вероятности; химическую природу. Таким образом; ш в установках шіазмохимического синтеза; и в установке синтеза\ УДП АІ2О3 методом ; сжигания порошка металла создаются условия, при которых целевой продукт формируется при конденсации пересыщенных паров, образующихся в результате газофазных реакций испаренного сырья [51]; При конденсации сильно пересыщенных паров происходит совмещение во времени: процессов нуклеа-ции; конденсационного роста и коагуляции; частиц [51, 58]. Ультрадисперсный? оксид при этом может формироваться только из газообразных продуктов; состоящих из паровой фазы металла и из промежуточных продуктов реакции (продуктов первичного горения), образующихся при взаимодействии паров; металла с кислородом при высоких температурах, — газообразных субоксидов.
Таким=образом, одним из обоснований возможности получения УДГТ могут служить результаты термодинамических расчётов, показывающие, что в равно весном составе продуктов реакции горения присутствует в большом количестве исходный металл, преобразованный в паровую фазу (собственно металлические пары и газообразные субоксиды металла), т.е. промежуточные продукты горения исходного порошка. В равновесном состоянии доля ультрадисперсного оксида (отношение массы термодинамически стабильного при температуре 273 К оксида, который остаётся после охлаждения и конденсации в виде ультрадисперсного порошка, к максимально возможной массе оксида, рассчитанной из условия окисления всего количества исходного порошка) равна доле металла vap, преобразующегося газообразную фазу в процессе первичного горения.
Практический: и теоретический- интерес представляет исследование возможности применения -.. процессов горения для- получения ультрадисперсных ОКСИДОВ: тяжёлых металлов — стронция, церия и иттрия; Эти оксиды применяются в качестве катализаторов химических реакций на основе /Элементов (Ge203), модифицирующих добавок для улучшения качества спекаемых керамических изделий (Y2G3), в пиротехнике и медицине (БЮ);
Принципиальное обоснование практической возможности применения внут-рикамерных процессов сжигания порошкового металлического горючего для получения этих материалов может состоять в следующем: На основе расчёта физико-химических процессов требуется показать, что существуют такие рабочие параметры горения металлического горючего, при которых максимальная доля продуктов сгорания состоит из паров металла или его газообразных оксидов; Затем из указанных газообразных продуктов первичного горения=за счёт быстро охлаждения в окислительной среде образуются ультрадисперсные.частицы оксида. С целью увеличения доли ультрадисперсного оксида: необходимо определить - такие условия горения; чтобы. максимально увеличить; значение qv&v. В: идеальном! случае vap-1 Термодинамические расчеты: позволили определить условия первичного го рения для Се и Y (металлов; с высокой; температурой кипения, болееч 3 600 К)j, а также Sr (металла, температура кипения которого сравнительно низкая - 1650 К).„ ., Расчеты были проведены при следующих исходных данных: начальная энтальпия компонентов равна нулю, давление газообразных компонентов - 0,2 МПа; Эти данные примерно соответствуют параметрам, при которых был получен ультра дисперсный А120з в экспериментальной установке методом сжигания аэровзвеси алюминия [29; 32]. Соотношение газообразных и конденсированных компонентов варьировалось. Доля металла; grvap (в процентах), преобразующегося в газообразную фазу (равная, как определено выше, доле оксида, который возможно получить в ультрадисперсном состоянии); рассчитывалась по формуле: где зх - доля основного оксида, находящегося в конденсированном состоянии, Сме " массовая доля металла в основном оксиде (соединении, термодинамически устойчивом при температуре 273 К), СМе - массовая доля металла в исходной смеси. Значения,: х, С и СМе вычисляются в процентах. Результаты термодинамических расчётов в виде графиков представлены,на рис. 4.6-И.8; Сплошные кривые (рис. 4.6+4.8, а) описывают изменение параметров левых осей ординат графиков, штриховые - правых-Расчёты показали, что при сжигании в воздухе нельзя получить долю иттрия и церия; преобразующихся в газообразную фазу,-более; 50% (рис.4.6 и 4.7, .Однако, добавление в исходную смесь кислорода (до 5 10% по массе) позволяет увеличить #vap для Се до. 90% (рис. 4.6, д), а для иттрия - до. 100% (рис. 4.7, а). Значение vap для стронция (рис. 4:8, о) получается достаточно высоким при сжигании в воздухе (=70%). Добавление небольшого количества кислорода (менее 5% массы) позволяет увеличить и долю стронция, преобразующегося в газообразную фазу (рис. 4.8, а).
