Физико-химические основы создания алюмотермитных композиционных материалов с использованием хромитового минерального сырья (стр. 6 )

6 , , Исследование горения смеси алюминия с хромитовым концентратом Кемпирсайского месторождения // Материалы Межд. научно-практ. конф. «Современное состояние и перспективы развития науки, образования в Центральном Казахстане». – Караганда, 2008. – С. 318-321.

7 , Исследование фазового равновесия самораспространяющегося высокотемпературного синтеза алюминийсодержа-щих шамотных огнеупорных материалов // Вестник Инновационного Евразийского университета. – 2008. – № 2 – С.158-164.

8 , Определение термодинамических характеристик исходных и конечных продуктов методами калориметрии и термогравиметрии при различных температурах // Вестник КарГУ. Серия химия. – 2008. – №3 (51). –С.21-25.

9 , Выявление особенностей физико-химических характеристик огнеупорных материалов на основе комплекса теоретических и технологических исследований // Вестник КарГУ. Серия химия. – 2008 – №3 (51). – С.26-31.

10 , Физико-химические факторы износа кирпичной кладки конвертора // Материалы Межд. научно-практ. конф. «Комплексная переработка минерального сырья», посвященной 50-летию ХМИ им. Ж. Абишева. – Караганда, 2008. – С. 353-356.

11 , , Нуркенов СВС-материалы и их применение в металлургии. – Павлодар: ЭКО, 2008. – 275 с.

12 , Особенности СВС огнеупорных материалов // Материалы Межд. научно-практ. конф. «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации», посвященной 110-летию академика , Т.1. – Павлодар, 2009. – С. 101-104.

13 , Физико-химические исследования СВС-систем MgO-Al2O3-Cr2O3 // Материалы Межд. научно-практич. конф. «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации», посвященной 110-летию академика , Т.1. – Павлодар, 2009. – С.104-108.

14 , Отқа төзімді матариалдардың өздігінен таралатын жоғары температуралық синтезінің фазалық тепе-тендігін зерттеу үшін шихтаны дайындау // Вестник Инновационного Евразийского университета. – 2009 - № 1 – С. 184-188.

15 , Физико-химические исследования СВС систем шамот - аллюминий, муллитокорунд-аллюминий // Вестник Инновацион-ного Евразийского университета. – 2009 - № 1 – С. 188-192.

16 , Закономерности горения систем хромитовый концентрат-Al-сульфат магния // Материалы Республиканской научно-практ. конф. «Сейфулинские чтения-5». – Астана, 2009. – С. 37-41.

17 SviderskiA.K., Sadvocasova M.K. Study of peculiarities of combustion of mullitokorund-chamotte-Al-MgSO4 mixture // / Материалы Межд. научно-практ. конф. «Казахстан и мировые языки». Т.3. – Павлодар, 2009. – С. 5-8.

18 Свидерский алюмотермического восстановления оксида хрома (III) в условиях автоволнового синтеза // Известия Томского политехнического университета. – 2009. – Т. 315. – № 3. – С. 28–31

19 , Расчет адиабатической температуры горе-ния энтальпийным методом: Учеб.-метод. пособ. – Павлодар: ПГПИ, 2009. –18 с.

20 О фазовых и структурных изменениях в силикатных огнеупорах при температурах эксплуатации // Материалы межд. научно-практич. конф. «Настоящи постижения на Европейската наука-2009». – София (Болгария), 2009. –Т.11. – С.35-39.

21 , Мулдахметов химические превращения в системе алюминий-оксид хрома-оксид бора при температурах эксплуатации // Materialy V Viedzynarodowej Naukowi-konferencji “Nauka I Innowacja-2009”. – Przemysl, Praha, 2009. – Vol.14. – P.49-51.

22 Свидерский фазового состава продуктов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза системы А1-Cr2O3 // Вестник КарГУ. Серия химия. – 2009. – №3(55). – С.31-35.

23 Свидерский влияния свойств алюминиевого порошка на воспламеняемость хромитовой шихты // Вестник КарГУ. Серия химия. –2009. –№3(55). –С.35-40.

24 О закономерностях горения системы хромит-алюминий-сульфат магния в условиях автоволнового синтеза // Вестник Евраз. Универ. им. Гумилева. Серия ест.-техн. наук –2009. – №4 (71). – С. 231-235.

25 , Закономерности горения хромкорундовой системы Cr2O3-Al-Fe2O3 в условиях автоволнового синтеза // Вестник Евраз. Универ. им. Гумилева. Серия естественно-технических наук –2009. – №4 (71). – С. 226-231.

26 , , , Макаренко моделирование процессов теплообмена при CВC // Материалы Межд. научно-практ. конф. «Индустриально-инновационное развитие на современном этапе: состояние и перспективы». – Павлодар, 2009. – С.154-157.

27 Изучение фазового состава продуктов горения системы MgO-Al2O3-Cr2O3 // Новости науки Казахстана. – 2009. – №3. – С.25-29.

28 Свидерский закономерностей горения системы Al-Cr2O3 в условиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Новости науки Казахстана. – 2009. – №4. – С.28-33.

29 , , Мулдахметов продукты из шихты хромитовой руды в условиях автоволнового синтеза // Материалы VIII Межд. научно-практ. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». 27-28 октября 2009г. – Санкт-Петербург, 2009. – С. 151-152.

30 Структура и свойства продуктов системы Al-Cr2O3, полученной методом самораспространяющегося высокотемпера-турного синтеза // Химический журнал Казахстана. –2009. –№3. –С.47-52.

31 Физико-химические свойства огнеупорных материалов, полученных на основе шихты алюмохромитовой руды методом высокотемпературного синтеза // Химический журнал Казахстана. – 2009. №3. – С.61-68.

32 , Регрессионный анализ компонентного состава шихты в автоволновом синтезе композиционных соединений // Известия НАН РК. – 2009. № 6.– С.38-42.

33 Закономерности двухстадийного синтеза литых Cr2O3хAl2О3 в условиях автоволнового синтеза // Журнал Химическая промышленность (Россия). – 2009. № 4. – С.163-167.

34 О некоторых закономерностях горения системы Al-BaSO4 в условиях автоволнового синтеза // Журнал Химическая промышленность (Россия). – 2009. № 4. – С.168-170.

35 , Мулдахметов новых огнеупорных композиций из шихты хромитового концентрата с алюминием. //Труды III Межд. научной конф. «Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане». Ч.3. –Алматы, 2009. – С.177-179.

36 Синтез и свойства огнеупорных продуктов из шихты хромитовой руды в условиях автоволнового синтеза // Актуальные проблемы современной науки (Тамбов). – 2009. –№11. – С.174-177.

37 , , Мулдахметов продукты из шихты хромитовой руды в условиях автоволнового синтеза // Сб. трудов VIII межд. научно-практич. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». – Санкт-Петербург, 2009. –С. 131-132.

38 Инновационный патент № 000 РК. Состав для изготовления огнеупорного бетона / , ; опубл.25.06.09, Бюл.№4. -3с.

39 Инновационный патент № 000 РК. Самоспекающаяся огнеупорная торкет-масса / , ; опубл.25.06.09, Бюл.№4. -3с.

40 , О влиянии термообработки на фазовые и структурные изменения огнеупоров на силикатной основе // Актуальные проблемы современной науки (Тамбов). – 2010. –№ 1(32).–С.19-20.

41 , Определение компонентного состава шихты в автоволновом синтезе композиционных соединений // Вестник Павлодарского госуниверситета. – 2009. – №3. – С.41-49.

42 О влиянии термообработки на фазовые и структурные изменения огнеупоров на силикатной основе // Вестник Семипалатинского государственного педагогического института. – 2009. –№6(16). – С.131-134.

43 Закономерности горения и химического превращения в системе MgSO4-шамот-Al // Тезисы докл. Межд. научно-практ. конф., посвященной 80-летию со дня образования химического факультета МГУ им. . 25-27 ноября 2009г. – М., 2009. – С.108.

Хромитті минералды өнімдер негізінде алюмотермиттік

композициялық заттардың физикалы-химиялық негіздерін жасау

Химия ғылымдарының докторы ғылыми дәрежесін алу үшін

02.00.04 – физикалық химия мамандығы бойынша қорғалатын дисссертацияның авторефератына

ТҮЙІНДЕМЕ

Зерттеу нысандары. Бастапқы заттардың ішкі энергиясын қолдануға негізделген автотолқынды қабатты жану мен жылулық жарылыс реттігіндегі өздігінентаралымды жоғары температуралық әдістемелер. Алюмотермиялық тотықсыздандыру арқылы жоғары дәрежелік тазалықтағы жаңа заттарды алу. Жану жағдайында кең ауқымдағы отқатөзімді хромиттерді синтездеу. Берілген қасиеттері бар заттарды алу үшін өздігінентаралымды жоғары температуралық синтездің оңтайлы көрсеткіштерін табу, сонымен бірге шихтаның құрамына енген химиялық элементтердің қасиеттерінің ерекшеліктерін ескеру арқылы (конструкциялық, компоненттердің массалық құрам бөліктері және т. б.) алғашқы жану өнімдерінің фазалық және құрылымдық өзгерістерін зерттеу. Жаңа отқатөзімді композицияларды жасау процесстерін теориялық (математикалық) үлгілеу.

Жұмыстың мақсаты құрылымы күрделі алюмосиликатты, алюмохромитті жүйелер негізінде жаңа отқатөзімді композициялық заттарды автотолқынды синтездеу әдістемелерін жасау, алюминий балқымасында жүретін өздігінентаралымды жоғары температуралық үрдістердің механизмі мен кинетикалық заңдылықтарын зерттеу, осы жүйелердегі әр түрлі жану режимдерінің фазалық және температуралық көрсеткіштерін алу, жергілікті шикізаттарды қолдану негізінде қатты ерітінділердің концентрациялық шеңберін кеңейту, өтемықты қаттыбалқитын заттармен өңделген алюмохромитті құрамдар негізінде жоғары қолданысты көрсеткіштері бар жаңа отқатөзімді композициялық заттарды жасау.

Зерттеу әдістемелері. Зерттеу жұмыстарында бастапқы заттар ретінде оксидтер ұнтақтары А12O3, Cr2O3, SiO2, MgSO4, MgO, Fe2O3, B2O3 және т. б., сонымен бірге тотықсыздандырғыш металдар А1, Сг, В қолданылды. Жану температурасы термопарлық әдіспен анықталды. Вольфрамды-рениялық термопара ВР 6/20 қолданылды. Термографиялық анализ «Дериватограф-1000» приборын қолдану арқылы жүргізілді. Заттарды петрографиялық зерттеулер 50- және 500 есе үлкейтетін МВТ-71V4.2 микроскопын қолдану арқылы іске асырылды. Рентгенографиялық талдаулар ДРОН-3М, Со-Кα-сәулеленулі дифрактометрінде жүргізілді. Заттардың қысымға беріктілігі ПСУ-10 маркалы гидравликалық прессте зерттелді. Хром мен темірді атомды-адсорбциялық әдіспен AAS-30 спектрометр қолдану арқылы анықтадық.

Зерттеу нәтижелері.

а) Кешенді түрде теоретикалық пен тәжірибелік зерттеулер жүргізіліп, химиялық пен механикалық қасиеттердің негізін қалайтын белгілі бір фазалық құрамды және құрылымдылықты отқатөзімді заттарды синтездеуге мүмкіндік беретін алюмосиликатты, алюмохромитті құрамды қоспалар мен рудалар негізінде композициялық тотықтық ерітінділердің өздігінентаралымды синтезінің негізгі заңдылықтары зерттелді.

б) Тәжірибелік және термодинамика әдістерімен кең түрдегі қоспалардың - Аl-Cr2O3, Аl-Cr2O3-Al2O3, Аl-SiO2, Al-CrO2, Fe2O3-Al-Cr2O3, хромитті концентрат-А1 және т. б. жаңа заттардың заңдылықтары зерттелді, олардың жану өнімдерінің фазалық құрамдары мен құрылымдарының қалыптасуына өздігінентаралымды синтез бен технологиялық көрсеткіштердің әсері анықталды.

в) Жасалынған композициялардың жану, балқу мен фазабөліну шеңберлерінің кең болатыны, тотықтық қатты ерітінділердің химиялық құрамын бастапқы қоспадағы құрам бөліктерінің мөлшерлік қатысын, температура мен қысымды өзгерту арқылы алмастыруға болатыны көрсетілді.

г) Алюмотермитті хромитті композициялар негізіндегі қатты ерітінділердің синтезі үш түрлі механизм бойынша іске асырылатыны ескерілді: 1) жану жағдайында тотықтық және металдық екі түзілген өнімді гравитациялық сепарациялау арқылы металдық пен оксидті фазаларға бөлу; 2) жану жағдайында хромның оксидін (VI) хромның (III) оксидіне дейін жартылай тотықсыздандыру және бір ғана тотықты өнім алу; 3) аздыэкзотермиялық композициялар үшін бастапқы қоспаларды алдын-ала қыздыру арқылы, сонымен бірге өздігінен жануға дейін қыздыру арқылы синтез жүргізу.

д) Термографикалық, ренгенофазалық, металлографиялық әдістермен өздігінентаралымды синтезді талдау арқылы зертелуші жүйелердің механизмдері мен құрамқалыптасуы және алынатын өнімнің фазалық құрамы анықталды.

е) Заттың метатұрақтылығы жағдайында фазалар шеңберін бейнелейтін термодинамикалық үлгі жасалынды. Алюмотермиттік композияциялық заттардың жоғары термомеханикалық қасиеттерін қалптастыратын шекті беттік бірлікті анықтауға мүмкіндік беретін заттың метатұрақтылық жағдайының ережелері жасалынды.

ж) Жүйені математикалық үлгілеу арқылы жану процестері кезіндегі жылуалмасу үрдістері зерттелді. Жану аймағының құрылымы талданды, көпқабатты ортада қатты отлебінің таралу динамикасы зерттелді. Үлгілеу ортасы мен гетерогенді құрамдардің жану үрдістері заңдылықтарының бір-біріне сәйкестену дәрежелері көрсетілді.

Жұмыстың тәжірибелік құндылығы. Алынған нәтижелер зерттелуші жүйелердегі өздігінентаралымды синтез үрдістері туралы физикалық түсініктерді кеңейтеді, сонымен бірге компоициялық құрамдардың физикалық-механикалық қасиеттеріне әсер ететін факторлар туралы мәліметтерді тереңдетеді. Композициялық өнімдердің синтезі жағдайы мен олардың микроқұрылымын қалыптастыратын факторларды талдау мен салыстыру алдын-ала белгілі комбинациялық қасиеттері мен қолдану көрсеткіштері бар заттарды құрастыру мүмкіншіліктерін жасайды.

Жұмыста жасалынған нәтижелер тотықтық қатты ерітінділердің - Аl-Cr2O3, Аl-Cr2O3-Al2O3, Аl-Cr2O3-SiO2, Al-CrO2, Fe2O3-Al-Cr2O3, алюмохромитті концентрат-А1 және т. б. жүйелердегі концентрациялық шеңберін кеңейтуге, заттарды ғылыми негізделген жағдайда таңдауға, арзан шикізатты қолдануға мүмкіндік береді. Жасалынған шекті метатұрақтылық жағдайының ережелері алюмотермиттік композияциялық затардың жоғары термомеханикалық қасиеттерін қалптастыратын шектік беттік бірлікті анықтауға мүмкіндік береді.

Жоғарыда келтірілген қоспалық заттар жүйесі кең түрде қолданыстағы отқатөзімді заттардың беткі қабаттарында - алюмосиликатты, глинотопырақты, периклазды, периклаздышпинельді кластардағы отқатөзімді заттарды, сонымен бірге мультикремнеземдік пен корунды талшықты заттарда берілген қолданысты қасиеттері бар қатты жабылымдарды қалыптастыруға мүмкіндік береді. Жоғары отқатөзімділігі бар (°С), агрессивті орта мен жоғарытемпературалық газдыдинамикалық әсерлі жағдайда эрозиялық тұрақты, абляциялық, механохимиялық әсерлерге берік (қысымға, майыстыруға) жағылымдар құрамдары ұсынылды.

Металлургиялық агрегаттардың жоғары агрессивті аймақтарында қорғанысты қабат ретінде қымбат термопаралар мен фурмдарға қорғаныс болатын жасалынған композияциялық материалдарды іс жүзіне ендіруге болатыны туралы шешімдер алынды.

Қолдану саласы. Жұмыста жасалынған отқатөзімді композицияларды өздігінентаралымды синтездеу арқылы алу әдістемелері лабораториялық және өндірістік тәжірибеде қолдануға болады. Өздігінентаралымды синтездеу арқылы алынған отқатөзімді композициялар Аксу ферросплав заводының АҚ ТНК «Казхром» (2008 ж.), ЖШС «ВТОРПРОМ» (Қарағанды, 2008, 2009 жж.), ЖШС «Ferrum-Ftor» (Шымкент, 2008, 2009 жж.), АҚ «Миттал Стил Темиртау, 2009 ж.», МУӨ «Таджикская алюминиевая компания» (Турсунзаде, Таджикистан, 2009ж.) өндірістерінің жоғарытемпературалық металлургиялық бөліктерінде қолданыс табуы мүмкін.

Энтальпийлік әдіс арқылы адиабатикалық температураны анықтау туралы диссертацияның зерттеулік нәтижелерін методикалық ұсылымдар түрінде жоғары оқу орындарында қолдануға болады.

Svidersky Aleksandr Konstantinovich

Physical-chemical bases of aluminothermic combustion
of composite materials on the basis of chromite minerals

The thesis on competition of scientific degree of the doctor of chemical science on specialty «02.00.04-physical chemistry»

SUMMARY

The objects of research. Methods of self-propagating high-temperature synthesis (SHS) mode autowave layered combustion and thermal explosion based on the use of internal chemical energy of the initial reagents. Production of new materials with a sufficiently high degree of purity aluminothermic reduction. Synthesis of a wide range of refractory chromite refractories in the combustion regime. Study of phase and structural transformations in the primary combustion products, to optimize the parameters of SHS (structural steel, composite components for mass composition, regime, etc.) to obtain materials with desired properties, as well as the peculiarities of the chemical elements that make up the charge. Theoretical (mathematical) modeling of specific processes to create new refractory compositions.

The purpose of this research was to develop methods of autowave synthesis of new composite refractory materials based on complex aluminosilicate, alumohromitnyh systems in the study of mechanisms and kinetic regularities of process of SHS in aluminum melt, to obtain the phase and temperature settings for various regimes of these systems, increasing the concentration limits of solid solution using available raw materials, development of new composite refractory materials with high operating characteristics based on alumochromite compositions, reinforced high-strength refractory particles.

Methods of research. In experiments the next oxide powders have been used as a source of reagents: A12O3, Cr2O3, SiO2, MgSO4, MgO, Fe2O3, B2O3 and other, as well as reductant metals: A1, Cr, B. The temperature of combustion was determined by thermocouple method. We used tungsten-rhenium thermocouples VR 6 / 20. Thermal analysis was conducted using the device "derivatograph-1000".

Petrography examination of samples was carried out using a microscope IMT-71V4.2 at 50 - and 500-fold increase. X-ray diffraction analysis was performed on a DRON-3M, Co- Кα pressive strength of samples was determined on a hydraulic press stamps POC-10. Chromium and iron was determined by atomic absorption method on the atomic absorption spectrometer AAS-30.

Results of the research.

a) Implemented a comprehensive theoretical and experimental investigation and obtained the basic laws of SHS composite oxide solutions based on silica-alumina, alyumochromite compounds and ores, allowing synthesis of refractory materials to determine the phase composition and structure that lead to chemical and mechanical properties.

b) Experimentally studied the methods of thermodynamics and the laws of burning wide range of mixtures: Al-Cr2O3, Al-Cr2O3-Al2O3, Al-SiO2, Al-CrO2, Fe2O3-Al-Cr2O3, chromite concentrate, Al and others, to determine the influence of controlled SHS and technological process parameters on the formation of phase composition and structure of products of their combustion.

c) Revealed that the compositions have a wide flammability limits, and the melting phase separation, the chemical composition of oxide solid solutions can be changed within wide limits by varying the ratio of reactants in the initial mixture, the initial mixture temperature and pressure.

d) It is shown that the synthesis of solid solutions based on aluminothermy chromite compositions can be realized by three mechanisms: 1) the mode of combustion with the formation of two products and metal oxide and the subsequent gravitational separation of metallic and oxide phases, and 2) in the combustion regime with partial recovery of chromium oxide (VI) to chromium oxide (Ш) and the formation of an oxide product, 3) synthesis with preheating of the initial mixture for low exothermic tracks, including heated to a temperature of ignition.

e) With the use of thermographic, x-ray diffraction, metallographic analysis process CVS defined the mechanisms and dynamics of structure formation in the studied systems and the phase composition of the final product.

f) Developed a thermodynamic model describing the formation of the interface as a metastable state of matter. Developed by the position of the metastable states of heterogeneous systems, allowing establishing critical specific surface area (sкр) filler, which gives maximum aluminothermy thermomechanical properties of composite materials.

g) Studied the process of heat transfer in combustion processes by mathematical simulation model system. The analysis of the structure of the combustion front studied the dynamics of solid flame propagation in a multilayer medium. Shown the correlation of combustion model of medium and real heterogeneous compositions. The novelty of the results is protected by prepatents and patents of RK.

Practical significance.

These results extend and deepen the physical understanding of the process of SHS in the studied systems, as well as the main factors affecting the physical and mechanical properties of composite alloys. Analysis and comparison of the various factors responsible for the conditions of synthesis of composite products and the formation of their microstructure indicates the possibility of materials "engineering" with a given combination of properties and operating characteristics.
The developed approaches can increase the concentration limits of oxide solid solutions in systems Al-Cr2O3, Al-Cr2O3-Al2O3, Al-Cr2O3-SiO2, Al-CrO2, Fe2O3-Al-Cr2O3, chromite concentrate, Al and others, evidence to choose materials, use available raw materials. Provisions are metastable states of heterogeneous systems make it possible to establish a critical specific surface area filler, which gives a maximum aluminothermy thermomechanical properties of composite materials.

Usage of these unshaped materials can form the working surfaces of a number of widely used fire-resistant materials: piece of aluminosilicate refractories, alumina, periclase, periklazoshpinelnogo and other classes, as well as mullitokremnezemistyh and alumina fibrous materials - protective and hardening coatings and coating with a specified performance level. Requested to formulate coatings with high fire resistance (up to °C), erosion resistance in the environment of aggressive media and high-temperature gas-dynamic flow resistance during ablation, mechanic chemical wear resistance, mechanical strength (compressive, bending, etc.). Received conclusion about the possibility of practical implementation of the developed composite materials for lining of highly in the areas of metallurgical equipment as a protective coating of expensive thermocouple and crafty lance.

Application field. Developed techniques for SHS of refractory compositions can be applied in laboratory practice and in the workplace. Designed CVC flame retardant compositions can be applied to the nodes of high metallurgical units of Mittal Steel-Temirtau, Aksui factory of ferroalloy, JC TNK «Kazchrome» LLP, BRC «VTORPRO» (Karaganda), BRC « Ferrum-Ftor »(Shymkent), GUP «Tajik aluminum company» (Tajikistan).

The results of the thesis can be used as methods of calculating the adiabatic temperature of combustion enthalpy method (guidelines) in the learning process in higher educational institutions.