Для простоты в дальнейшем черту над этими величинами будем опускать. Отметим, что в данной задаче имеются две адиабатические температуры, которые могут быть выбраны в качестве характерной температуры Т*:
1 Tad(1) = T0 + Q/cR – температура адиабатического сгорания горючего (реакционно способного) слоя.
2 Tad(2) = T0 + QpRd/(cRpRd +cIpId) – средняя адиабатическая температура, которая устанавливается после выравнивания температур в системе горючего и инертного слоев.
Здесь R – универсальная постоянная, Е - энергия активации, k – предэкспонент, cR, сI, pR, pI, lR, lI – соответственно теплоемкости, плотности и коэффициенты теплопроводности реагирующего и инертного слоев; Q – тепловой эффект реакции. Безразмерные параметры: γ = RT*2сR/EQ – отношение ширины зоны реакции к ширине зоны прогрева в волне горения, β = RT*/E — температурная чувствительность скорости реакции, σср = сI pI /cRpR – отношение теплоемкостей единицы объема инертного и горючего слоев, σl = lI/lR – отношение коэффициентов теплопроводности инертного и горючего слоев.
При использовании нестационарной модели (3.4-3.8) открывается возможность исследования процесса горения и инициирования нагретой стенкой до момента установления режима распространения пламени. Интуитивно понятно, что в многослойной системе, когда масштаб гетерогенности l = d + d стремится к нулю, следует ожидать гомогенизации среды с осредненными характеристиками l* = (1 + d/d)lIlR/(lRd/d + lI), (cp)* = [(сRрR + cIpI /d]/(l + d/d), тепловым эффектом Q* = QcRpRd/(cRpRd+cIpId) и коэффициентом температуропроводности а = l*/(ср)*. Характерная ширина фронта экзотермического превращения такой среды Lf = a/V, а сама скорость горения может быть оценена согласно:
V2 = ak ехр(-Е/RТ*)RT*2/-Е(T* - Т0), T* = T(2)ad
Cледует отметить, что из-за гетерогенности состава структура фронта отличается от структуры волны в гомогенных системах. Поэтому периодичность гетерогенного состава не допускает фронтального режима в форме математически строгой бегущей волны. Тем не менее, как и в обычном горении, фронт «забывает» процесс инициирования и выходит на установившийся периодический режим. В установившемся фронтальном режиме пространственную зависимость температурного поля можно учесть с помощью сдвига по времени t1 . Из-за гетерогенности и дискретного характера скорости химического тепловыделения при решении предложенной системы целесообразно определять скорость распространения фронта по изменению температуры (например, по перемещению изотермы (Т*+Т0)/2).
Таким образом, представленная математическая модель относится к классу «жестких» систем дифференцальных уравнений. Анализ ее решений осложняется необходимостью длительно отслеживать нелинейную динамику распространения фронта вплоть до выхода на установившийся периодический режим. В зависимости от масштаба гетерогенности для одного и того же состава смеси реализуется близкий к классическому («квазистационарный») режим распространения пламени, характерный для гомогенных систем, а также эстафетный («нестационарный») режим. Динамика последнего зависит от характера гетерогенности системы.
4 Экспериментальная часть
Раздел содержит описание проведенных исследований – методики подготовки образцов, регистрации и расчета параметров синтеза и изучение свойств продуктов СВС.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведения теоретических и экспериментальных исследований изучения закономерностей горения и CВ-синтеза в системах, содержащих оксиды хрома, кремния, железа, бора, хромитовый концентрат и алюминиевый порошок разной дисперсности, получены новые композиционные СВС-материалы, имеющие важное промышленное значение. Выполненные исследования и полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
1) Проведено изучение термодинамических и кинетических закономерностей твердофазного горения систем на основе алюминия оксида кремния. Проведен расчет адиабатических температур горения и выхода продуктов реакции от мольного соотношения исходных реагентов в системе на основе алюминия и оксида кремния. Кривые зависимости скорости и температуры горения не имеют взаимнооднозначного соответствия и свидетельствуют о том, что горение системы SiO2 – nAl имеет сложную многостадийную структуру. Предложен возможный механизм протекающих реакций.
2) Методами термодинамики и экспериментально изучены закономерности горения широкого круга смесей: Аl-SiO2, Аl-Cr2O3, Аl-Cr2O3-Al2O3, Al-CrO2, Fe2O3-Al-Cr2O3-В2O3 хромитовый концентрат-Аl, определено влияние контролируемых СВС - и технологических параметров процесса на физико-химические свойства продуктов синтеза. Изучено влияние природы реагирующих компонентов, температурного режима, давления, размерности частиц композиционных систем в процессе автоволнового синтеза на характер формирования фазового состава и структурообразования продуктов их горения. Показано, что разработанные композиций имеют широкие пределы горения, плавления и фазоразделения, установлено, что химический состав оксидных твердых растворов можно изменять в широких пределах варьируя соотношение реагентов в исходной смеси, температуру исходной смеси и давления.
3) Методами химического и рентгенофазового анализов продуктов CВ-синтеза показана зависимость степени диспергирования, полноты фазоразделения и выхода оксидной фазы от состава исходной смеси. Показано, что в слабоэкзотермической двухкомпонентной системе Cr2O3-Al при увеличении начальной температуры полнота протекания химической реакции увеличивается, при этом массовое содержание хрома снижается в оксидном слое и увеличивается в металлическом; в условиях фронтального и объемного горения формируется упорядоченная микроструктура твердого раствора Cr2O3-Al2O3.
4) Проведено изучение закономерностей автоволнового синтеза в режиме горения смеси Fe2O3-Al-αCr2O3. Показано, что с ростом весовой доли αCr2O3 в исходной смеси скорость горения и полнота диспергирования уменьшаются, при этом происходит четкое разделение оксидной и металлической фаз. С ростом α масса оксидного слоя увеличивается. Данными химического и рентгенофазового анализа установлено, что оксидный слой содержит две фазы: Fe2O3-Al2O3-Cr2O3 и твердый раствор Cr2O3-Al2O3.
5) Проведено изучение закономерностей горения с неполным восстановлением исходных компонентов смеси (Al/Cr + CrO3) с добавками Al2O3 и Cr2O3 и осуществлен синтез оксидных растворов Cr2O3-Al2O3 во всем концентрационном диапазоне: от однофазного оксида алюминия, до однофазного оксида хрома. Показано, что экзотермические смеси способны гореть во всем изученном концентрационном интервале, а оксидный продукт реакции при этом имеет литой вид.
6) Разработаны составы покрытий, обладающие высокой микротвердостью и огнеупорностью (до °С) в агрессивной среде и высокотемпературных газодинамических потоков, сопротивляемостью процессам абляции, механохимической износоустойчивостью, механической прочностью (на сжатие, изгиб и т. д.), которые могут найти применение в ответственных узлах металлургических и химических агрегатов.
7) Проведено изучение процессов теплообмена при процессах горения путем математического моделирования модельной системы Cr-Al-Fe. Результаты расчетов показали, что в пределах зоны с внутренним охлаждением температурные градиенты малы, и распределение температуры в заготовке можно считать однородным, а тепловой режим – изотермическим. В оболочке, напротив, имеют место высокие температурные градиенты и локализация высокотемпературной области в пределах узкой зоны контакта оболочки с заготовкой.
8) Проведен анализ структуры фронта горения, изучена динамика распространения твердого пламени в многослойной среде. Предложена нестационарная математическая модель теплового распространения пламени в слоистой гетерогенной системе. Показана корреляция закономерностей горения модельной среды и реальных гетерогенных составов. Определены осредненные характеристики фронта и динамика превращения отдельных элементов «дискретной» волны горения.
9) Разработана термодинамическая модель, описывающая образование границы раздела фаз, как метастабильного состояния вещества. Выведена формула метастабильных равновесий гетерогенных систем, связывающая основные характеристики границы раздела фаз - межфазную энергию, удельную поверхность и степень пресыщения пара.
Оценка полноты решения поставленных задач. В диссертации ставились задачи изучения закономерностей и механизмов протекания процесса СВС в расплаве алюминия, получение фазовых и температурных параметров различных режимов горения в этих системах, разработки методов автоволнового синтеза новых композиционных огнеупорных материалов на основе сложных алюмосиликатных, алюмохромитных систем, расширения концентрационных пределов твердых растворов и использования доступной сырьевой базы.
Поставленные задачи диссертационной работы выполнены в полном объеме. Полученные результаты расширяют и углубляют физические представления о процессе СВС в изучаемых системах, а также об основных факторах, влияющих на физико-механические свойства композиционных сплавов. Анализ и сопоставление различных факторов, ответственных за условия синтеза композиционных изделий и формирование их микроструктуры, показывают возможности «конструирования» материалов с заданной комбинацией свойств и эксплуатационных характеристик.
Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области.
В данной работе на основании результатов теоретических и экспериментальных исследований определены перспективные пути повышения эффективности использования промышленно доступных сырьевых ресурсов. Разработанные подходы позволяют расширить концентрационные пределы и параметры горения металлов и оксидных твердых растворов в системах Аl-Cr2O3, Аl-Cr2O3-Al2O3, Аl-Cr2O3-SiO2, Al-MgSO4, Al-CrO2, Fe2O3-Al-Cr2O3, хромитовый концентрат-Аl, научно обоснованно выбирать материалы, использовать доступную сырьевую базу.
На основе формулы метастабильных равновесий гетерогенных систем разработана методика расчета для оксидных сплавов и проведено компьютерное моделирование зависимости от химического состава огнеупорных расплавов и температуры горения для двойных систем. Компьютерное моделирование показало, что увеличение критического размера частиц армирующей фазы возможно при легировании оксида алюминия оксидом магния и оксидом хрома Сr2О3. Легирование оксидом алюминия FeO и SiO2 приводит к снижению критического диаметра частиц до долей миллиметра. Показаны возможности управления градиентом разогрева реакционной смеси для инициализации объемного горения (теплового взрыва). Общие отличительные черты, присущие горению различных исследованных конденсированных систем, дают возможность предложить единую стратегию экспериментального исследования протекания многостадийного процесса горения и на основе полученных данных прогнозировать создание конденсированных систем с определённым энергетическими и внутрибаллистическими характеристиками.
Научные данные, полученные в настоящей работе, дополняют физику горения новыми научно-обоснованными теоретическими положениями по механизмам протекания автоволновых процессов горения и характер формирования фазового состава и структурообразования продуктов синтеза.
Разработка рекомендаций и исходных данных по использованию результатов.
Предложенные в работе неформованные материалы позволяют создать на рабочих поверхностях ряда широко используемых огнеупорных материалов: штучных огнеупоров (алюмосиликатного, глиноземистого, динасового, периклазового, периклазошпинельного и дугих классов), а также муллитокремне-земистых и корундовых волокнистых материалов - защитно-упрочняющие покрытия и обмазки с заданными эксплуатационными свойствами. Разработанное положение метастабильных состояний гетерогенных систем позволяет установить критическую удельную поверхность наполнителя, которая обеспечивает получение максимальных термомеханических свойств алюмотермитных композиционных материалов. Разработаны составы покрытий, обладающие высокой огнеупорностью (до °С), эрозионной стойкостью в среде агрессивных сред и высокотемпературных газодинамических потоков, сопротивляемостью процессам абляции, механохимической износоустойчивостью, механической прочностью (на сжатие, изгиб), которые могут найти применение в ответственных узлах металлургических и химических агрегатов. Разработанные методики проведения СВС огнеупорных композиций могут быть применены как в лабораторной практике, так и на производстве.
Разработанные огнеупорные композиции CВC прошли опытно-промышленные испытания на высокотемпературных узлах металлургических агрегатов Аксуского завода феррославов АО ТНК «Казхром» (2008г.), ТОО «ВТОРПРОМ» (Караганда, 2008, 2009гг.), ТОО «Ferrum-Ftor» (Шымкент, 2008, 2009гг.), АО «Миттал Стил Темиртау» (Темиртау, 2009г.), ГУП «Таджикская алюминиевая компания» (г. Турсунзаде, Таджикистан, 2009г.). Получено заключение о возможности практического внедрения разработанных композиционных материалов при футеровке в высокоагрессивных зонах металлургических агрегатов.
Результаты диссертации внедрены в виде методик расчета адиабатической температуры горения энтальпийным методом (методические указания) в учебный процесс в Павлодарском государственном педагогическом институте.
Список опубликованных работ по теме диссертации
1 , , , Современные подходы к синтезу огнеупорных материалов нового поколения на основе СВС — технологий: // Materialy II Miedzynarodowej naukowe – praktycznej konf. “Wyksztalcenie i nauka bez granic - 2005”. Tom 26. – Przemysl: Sp. “Nauka i studia”. – 2005. – S. 66-68.
2 , К вопросу о производстве огнеупорных материалов на основе метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Наука и образование в XXI веке: динамика развития в евразийском пространстве / Материалы Межд. научно-практ. конф. Томмая 2006г., – Павлодар, 2006. – С. 284-286.
3 , Разработка технологии получения конкурентоспособных, импортозамещающих огнеупорных материалов по методу СВС // Вестник Инновационного Евразийского университета. – 2007 - № 2. – С.158-164.
4 , Свидерский технологии получения конкурентоспособных, импортозамещающих огнеупорных материалов по методу СВС // Материалы Межд научн.-практич. конф. «Предпринимательство, конкурентоспособность и качество жизни: проблемы и перспективы их обеспечения в современных условиях». Т.1. – Павлодар, 2007. – С.87-91.
5 , , Самораспространяющийся высокотемпературный синтез новых огнеупорных материалов (монография). – Павлодар: ПГПИ, 2007. – 207с.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 |
