авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Горение гранулированной железоалюминиевой термитной смеси при получении железа и его композита с карбидом титана

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Яценко Владимир Владимирович

Горение гранулированной железоалюминиевой термитной смеси при получении железа и его композита с карбидом титана

Специальность 01.04.17 – химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара – 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук

Самборук Анатолий Романович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор Юхвид Владимир Исаакович

кандидат технических наук

доцент Луц Альфия Расимовна

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Защита состоится « 02 » декабря 2011 г. в 14.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.217.01 при Самарском государственном техническом университете по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус, аудитория 500.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета.

Автореферат разослан «____» октября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Доктор технических наук А. Р. Самборук

Общая характеристика работы

В диссертационной работе приведены результаты экспериментально-теоретических исследований процесса горения железоалюминиевых термитных смесей для получения железа и композитов на основе железа, оценено влияние гранулирования и флюса на процесс горения, состав и структуру конечных продуктов. Разработан новый способ сжигания термитной смеси с поджиганием снизу и модель установки для сжигания. Разработаны рекомендуемые рецептуры смесей для получения железа и композитов на основе железа, применимые для сжигания предложенным способом.

Актуальность работы. Алюминотермический процесс, реализуемый при горении термитной смеси порошков алюминия и оксида железа и приводящий к получению так называемого термитного железа, широко используется при сварке рельсов, стальных труб, металлических конструкций, для получения литого металла, лигатур, ферросплавов, огнеупоров, исправлении дефектов литья, нанесения износостойких покрытий и для иных целей.

С момента открытия металлотермии и до настоящего времени учеными и инженерами проведена большая работа по изучению и управлению процессом горения железоалюминиевых термитов, развитию новых технологий на основе термитных реакций и внедрению их в промышленное производство. Однако технологические процессы, в основе которых лежит алюминотермия, имеют определенные недостатки.

К основным недостаткам можно отнести существенные выбросы исходной шихты и продуктов реакции во время горения. При этом существуют разногласия в термодинамических расчетах, проведенными разными авторами с момента открытия металлотермии до настоящего времени. В разных изданиях приводятся различные значения температуры реакции и выдвигаются различные гипотезы причины выбросов во время горения.



Другим недостатком такого процесса является сложность получения сплошного однородного слитка металла малой массы (несколько десятков граммов) для разных целей, в том числе для проведения исследований.

Неудобства также связаны с необходимостью применения в процессах металлотермии исходных веществ в виде порошков. В связи с этим представляется весьма перспективным использование гранулирования железоалюминиевых термитных смесей для улучшения технологии применения алюминотермического процесса и характеристик получаемого материала.

Горение железоалюминиевой термитной смеси может использоваться не только для получения железа, но и композиционных материалов на его основе, например его композита с карбидом титана, который обладает высокой износостойкостью. Однако в известных способах получения композитов железа с карбидом титана не применяется гранулирование исходной смеси и проведение металлотермического процесса при одновременном протекании реакций между алюминием и оксидом железа и между титаном и углеродом, что может существенно повлиять как на характер протекания металлотермического процесса, так и на свойства получаемого композиционного материала.

Наконец, представляет несомненный интерес использования современных методов анализа материалов (РЭМ, ЛРСА, РФА) для исследования продуктов горения как традиционных, так и новых железоалюминиевых термитных смесей.

Диссертационная работа посвящена улучшению процессов алюминотермии в результате применения разработанной технологии сжигания термитной смеси, а также расширения области алюминотермии и применения ее для получения композитов.

Работа выполнена на кафедре «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы» Самарского государственного технического университета.

Цель работы: экспериментально-теоретическое установление закономерностей горения железоалюминиевой термитной смеси и влияния гранулирования смеси на эти закономерности, разработка нового способа сжигания термитной смеси для получения железа и его композита с карбидом титана.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

  1. Выполнение термодинамических расчетов горения железоалюминиевых термитных смесей Fe2O3+2Al и 3FeO+2Al, а также смесей Fe2O3+2Al+xTi+xC и 3FeO+2Al+xTi+xC для получения композита с целью определения температуры горения и объяснения природы возникновения газовой фазы.
  2. Выполнение термодинамических расчетов по оценке влияния флюса Nocolok и нитрата целлюлозы на процесс горения железоалюминиевых термитных смесей Fe2O3+2Al и 3FeO+2Al.
  3. Разработка способа сжигания гранулированных термитных смесей для получения железа и его композита с карбидом титана и установки для реализации этого способа.
  4. Разработка рецептур гранулированных смесей для получения железа и его композита с карбидом титана.
  5. Исследование состава, структуры и свойств получаемых материалов.

Научная новизна. На основании термодинамических расчетов и эксперимента показано, что к причинам газификации и выбросов при горении железоалюминиевого термита следует относить испарение железа при температуре горения. Разработан новый способ сжигания смеси, основанный на ее гранулировании и зажигании снизу, а также установка для реализации этого способа.

Показано, что применение гранулирования для одних и тех же исходных веществ (Fe2O3 или FeO, Al, Ti, C) позволяет получать широкий спектр композиционных материалов общего состава Fe-Al-TiC-Al2O3 с различной структурой и содержанием компонентов.

Достоверность научных результатов работы обусловлена следующим: термодинамические расчеты выполнены на основании двух различных методик, результаты расчетов по которым идентичны; использовано современное программное обеспечение для выполнения расчетов; использованы современные методы рентгенофазового и электронно-микроскопического анализов полученных образцов; показано соответствие результатов термодинамических расчетов экспериментальным исследованиям.

Научная ценность работы заключается в том, что полученные результаты углубляют и расширяют представления о протекании алюминотермической реакции в режиме горения, дают новое объяснение причины возникновения газовой фазы, что позволяет разработать меры по ее уменьшению. Впервые применено гранулирование термитной смеси и ее поджигание снизу, обоснованы преимущества такого метода. Исследование влияние условий сжигания на состав и структуру продуктов горения термитных смесей.

Практическая реализация работы.

Основные результаты работы – опытная установка и рецептуры гранул - внедрены в инженерном центре СВС Самарского государственного технического университета и используются в учебном процессе.

Практическая значимость работы.

  1. Результаты проведенных термодинамических расчетов и экспериментальных исследований позволяют разработать рецептуры применяемого в промышленности порошкового железоалюминиевого термита, обеспечивающее наименьшее количество выбросов и лучшее фазоразделение.
  2. Разработанный новый способ и установка для сжигания гранулированной газопроницаемой термитной смеси с поджиганием снизу могут быть применены во многих отраслях (источник тепла, резка материалов, сварка, экзотермическая наплавка, получение литого металла и др.) взамен традиционного способа сжигания порошкового термита.
  3. Разработанные рецептуры гранулированного термита могут быть применены для получения железа и различных композиционных материалов общего состава Fe-Al-TiC-Al2O3.
  4. Полученные композиционные материалы состава Fe3Al-TiC (карбидосталь) могут применяться для изготовления деталей, работающих в тяжелых условиях износа при повышенных температурах и в агрессивной среде. Сжигание соответствующей гранулированной шихты может стать основой нового простого, энергосберегающего способа получения карбидосталей и деталей из них.
  5. Полученные гранулы композиционного материала состава Fe3Al-TiC-Al2O3 могут применяться в качестве ферроабразива при магнитной абразивной обработке.
  6. Разработанные рецептуры и способ получения гранул могут быть основой для создания промышленного производства гранул железоалюминиевого термита и широкого их внедрения.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. К основным причинам выбросов исходных веществ и продуктов термитной реакции можно отнести испарение железа при температуре горения. Снижению количества выбросов вплоть до их полного устранения способствует разбавление исходной смеси добавками, снижающими калорийность смеси, в том числе продуктом реакции, а также увеличение газопроницаемости смеси путем ее гранулирования.
  2. Разработанный способ сжигания гранулированных термитных смесей с поджиганием снизу позволяет существенно снизить выбросы во время горения и увеличить выход конечного продукта.
  3. Разработанная установка для сжигания гранулированных термитных смесей с поджиганием снизу и рецептуры гранулированных на основе пироксилина термитных смесей с добавлением флюса Nocolok могут применяться для получения железа и композиционных материалов на его основе с достижением наилучшего фазоразделения при одновременном снижении выбросов во время горения.
  4. Предложенные способы гранулирования и рецептуры позволяют получать композиционные материалы общего состава Fe-Al-TiC-Al2O3 с различной структурой и содержанием компонентов в режиме СВС.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на конференциях: Всероссийская научно-техническая интернет-конференция с международным участием (Самара, 2008 г.); Международный симпозиум по СВС (Ереван, 2009 г.), Всероссийская научно-техническая интернет-конференция с международным участием (Самара, 2009 г.); Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2009 г.); Всероссийская научно-техническая интернет-конференция с международным участием (Самара, 2010 г.); II Всероссийская научно-инновационная молодежная конференция с международным участием (Тамбов, 2010 г.),

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 работ, в том числе 4 в изданиях, входящих в перечень рецензируемых журналов ВАК РФ, получен 1 патент РФ.

Личный вклад автора. В рамках диссертационного исследования автором лично выполнены следующие работы:

  1. Термодинамические расчеты с формулировкой основных закономерностей.
  2. Разработка рецептур термитных смесей для получения железа и его композита с карбидом титана.
  3. Разработка модели установки для сжигания гранулированной термитной смеси с поджиганием снизу.
  4. Непосредственное участие в проведении экспериментов.
  5. Исследование структур и составов полученных материалов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников из 164 наименований. Диссертация изложена на 186 страницах машинописного текста и содержит 84 рисунка, 23 таблицы и 1 приложение на 1 листе.





Содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор литературы по теме диссертационной работы. Рассмотрена история открытия и развития алюминотермии, обозначено место алюминотермии в классификации процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Описаны основные теоретические аспекты алюминотермического процесса – теоретические основы методики определения адиабатической температуры реакции, макрокинетическое описание процессов зажигания и горения. Представлены результаты расчетов адиабатической температуры горения и гипотезы причины выбросов во время горения, предложенные другими авторами, показано, что результаты расчета температуры горения имеют широкий диапазон, что не позволяет сделать однозначного заключения о причине наличия газовой фазы. Описаны основные направления использования термита в современной промышленности, рассмотрены основы технологии термитной сварки рельсов, применение алюминотермии в металлургии, пиротехнике, в качестве нетрадиционного источника энергии. Рассмотрены вопросы применения флюсов и добавок в металлотермических процессах. Рассмотрены вопросы применения гранулирования в процессах СВС. Представлены основные методики получения композиционных материалов на основе железа.

В заключение первой главы на основании обзора литературы приводятся основные недостатки применяющихся в настоящее время алюминотермических процессов и формулируются основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе проводится выбор материалов, приборов и оборудования для получения и исследования слитков металла и композита. Проведена отработка методики получения слитков металла малой массы (до 30 г) для дальнейшего исследования, для чего проведено сравнение процессов горения в разных формах и получаемых при этом слитков металла. Выбрана наиболее подходящая форма для сжигания, в которой проводились дальнейшие исследования, – кварцевая трубка, установленная в огнеупорном кирпиче, с графитовой прокладкой в нижней части трубки. Приведены исследования по подбору связующего: пироксилина (C24H29O42N11) и фторкаучука СКФ-32, обозначены потенциальные опасности применения связующих. Описаны методики подготовки и исследования полученных образцов металла.

В третьей главе приводятся термодинамические расчеты горения термитной смеси и смеси для получения композита железа с карбидом титана.

Была использована следующая методика расчета.

Железная окалина, используемая для приготовления термитной смеси, представляет собой продукт окисления железа, то есть его соединения с кислородом. В соответствии с диаграммой состояния железо-кислород возможно существование трех соединений: вюстита (близко к FeO), магнетита (Fe3O4) и гематита (Fe2O3).

С другой стороны, оксид железа (II, III) Fe3O4 является двойным соединением FeO и Fe2O3, в связи с чем в расчетах упрощенно можно считать, что окалина состоит из двух оксидов (FeO и Fe2O3), тем более, что энтальпия образования Fe3O4 (-1122 кДж/моль) практически является суммой энтальпий образования FeO (-266,7 кДж/моль) и Fe2O3 (-822,7 кДж/моль). В связи с изложенным, в работе принято условное допущение, что окалина состоит из двух оксидов железа (FeO и Fe2O3) и реакция 3Fe3O4+ 8Al = 9Fe + 4Al2O3 + 3334 кДж идентична реакции 3FeO+3Fe2O3+ 8Al = 9Fe + 4Al2O3 + 3422,8 кДж.

Такой подход имеет определенные преимущества. Во-первых, упрощается термодинамический расчет, в результате которого будет определена зависимость температуры реакции и других параметров горения от соотношения двух, а не трех оксидов в окалине. Во-вторых, на основании проведенного таким образом термодинамического расчета могут быть построены зависимости параметров горения от содержания кислорода в окалине, которое имеет непосредственную связь с соотношением оксидов FeO и Fe2O3. Таким образом, имея реальную окалину, для определения параметров горения термита на ее основе будет необходимо только определить содержание в ней кислорода. При этом не требуется знать соотношение трех оксидов, вычисление которого представляется существенно более сложной задачей, чем определение содержания кислорода.

Из известных энтальпий образования оксидов железа и алюминия найдены тепловые эффекты реакций горения железоалюминиевого термита при использовании оксидов двух- и трехвалентного железа:

2Al + Fe2O3 = Al2O3 + 2Fe+ 853,7 кДж,

2Al + 3FeO = Al2O3 + 3Fe+ 859 кДж.

В соответствии с этими уравнениями реакций рассчитана адиабатическая температура горения термитных смесей при любом соотношении оксидов двух и трехвалентного железа, исходя из условия, что теплота, выделившаяся в результате реакции, расходуется на:

  1. Нагревание железа до температуры плавления.
  2. Нагревание оксида алюминия до температуры плавления.
  3. Расплавление железа.
  4. Расплавление оксида алюминия.
  5. Нагревание жидкого железа и жидкого оксида алюминия до температуры Tad, которая представляет собой адиабатическую температуру горения.

В процессе проведения расчетов было обнаружено, что при использовании оксида трехвалентного железа выделившейся в результате реакции теплоты достаточно, чтобы расплав продуктов достиг температуры кипения железа (3134 К). Это означает, что в случае использования оксида трехвалентного железа температура горения железоалюминиевого термита будет равна температуре кипения железа (3134 К), а избыток теплоты будет расходоваться на испарение железа. Тем самым объясняется наличие газовой фазы при горении железоалюминиевого термита с трехвалентным оксидом железа, что может приводить к значительным выбросам во время горения. При использовании оксида двухвалентного железа температура горения ниже температуры кипения железа и равна 3038 К, то есть газообразное железо здесь не образуется. Зависимость температуры реакции и объема образующегося газообразного железа от состава железной окалины, представляющей собой смесь оксидов двух- и трехвалентного железа, приведена на рисунке 1.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.