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

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

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

Яценко Владимир Владимирович

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 T_ad, 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.



Рис. 1. Зависимость температуры термитной реакции (слева) и объема газообразного железа (справа) от состава железной окалины

На основании результатов расчетов делается вывод, что для снижения выбросов при горении термитной смеси необходимо использовать менее калорийный термит, что достигается за счет соответствующего соотношения оксидов в окалине, либо за счет использования добавок.

По аналогичной методике проведены термодинамические расчеты параметров горения смесей для получения композита по уравнениям реакций:

2Al + Fe₂O₃ +xTi + xC = Al₂O₃ + 2Fe + xTiC,

2Al + 3FeO +xTi + xC = Al₂O₃ + 3Fe + xTiC.

В результате расчетов определена адиабатическая температура горения смесей при любом соотношении смесей термита и Ti+C, а также объем газообразного железа, образующегося при горении.

Объем газообразного железа при температуре реакции в зависимости от состава смесей

2Al + Fe₂O₃ +xTi + xC и 2Al + 3FeO +xTi + xC

представлен на рисунке 2.

Рис. 2. Зависимость объема газообразного железа, образующегося в результате реакции 2Al+Fe₂O₃+xTi+xC (слева) и 2Al+3FeO+xTi+xC (справа), от содержания компонентов

Все проведенные расчеты в целях проверки и подтверждения достоверности были повторно выполнены при помощи программы Thermo. Результаты расчетов, проведенных по описанной методике и проведенных при помощи программы Thremo, практически совпадают, что позволяют говорить о достоверности результатов расчетов и правильности сделанных выводов.

На основании эксперимента выявлено, что при протекании термитной реакций совместно с реакцией Ti+C имеет место образование композита Fe₃Al-xTiC. Предложена гипотеза, объясняющая образование интерметаллида Fe₃Al, а не чистого железа.

В рамках этой главы также проведены расчеты по влиянию флюса Nocolok на процесс горения термитной смеси, подробно описано поведение флюса при горении термита. На основании поведения флюса выдвинута гипотеза об образовании субфторида алюминия из продуктов разложения флюса по реакции:

.

Поскольку оценить количество алюминия, вступившего в такую реакцию, не представляется возможным, выполнены расчеты для двух крайних случаев: при протекании такой реакции и при ее отсутствии. На основании того, что в состав продуктов разложения флюса входят K₂O и KF, которые могут снижать вязкость и температуру кристаллизации шлака, сделано предположение о положительном влиянии флюса на фазоразделение металла и шлака.

При помощи программы Thermo выполнены расчеты по оценке влияния пироксилина, который используется для гранулирования, на температуру горения железоалюминиевых термитных смесей (рисунок 3).

Рис. 3. Зависимость температуры горения термитных смесей с оксидом трехвалентного (справа) и двухвалентного (слева) железа от содержания пироксилина

Также определено количество образующихся газов в зависимости от содержания пироксилина (рисунок 4).

Рис. 4. Зависимость объема газа при горении термитных смесей с оксидом трехвалентного (справа) и двухвалентного (слева) железа от содержания пироксилина

Таким образом, несмотря на то, что пироксилин снижает температуру горения термитной смеси, он увеличивает количество образующихся во время горения газов. На основании этого выдвинуто предположение, что поджигание гранулированной термитной смеси сверху будет приводить к значительным выбросам, но поджигание ее снизу должно снизить количество выбросов или исключить их, поскольку образующиеся газы должны беспрепятственно выходить через находящиеся над областью горения гранулы, что позднее было подтверждено в результате эксперимента.

В четвертой главе разработан способ сжигания гранулированной термитной смеси с поджиганием снизу.

Проведено сравнение горения порошковых смесей железоалюминиевого термита с оксидами двух- и трехвалентного железа. Выявлено, что горение смеси Fe₂O₃+2Al проходит более активно, чем горение смеси 3FeO+2Al, с большими выбросами продуктов. При сжигании смеси в кварцевой трубке диаметром 18 мм, средняя скорость горения смеси 3FeO+2Al равна 10 г/с, среднее значение выхода металла от теоретически возможного равно 79 %, средняя скорость горения смеси Fe₂O₃+2Al равна 15 г/с, а среднее значение выхода металла от теоретически возможного равно 50 %.

Проведены попытки прямого измерения температуры горения термитной смеси при помощи термопары типа А-1 (вольфрам - рений / вольфрам - рений), которая может использоваться для измерения температуры до 2500 ^oC. При горении термита вольтметр, подключенный к термопаре, показал напряжение, равное 40 мВ, что позволяет говорить о том, что температура горения термитной смеси определенно больше 2500 ^oC. Экстраполяция фукции ЭДС термопары от температуры до 40 мВ дает значение температуры 2800 ^oC.

Результаты опытов по сжиганию порошковых термитных смесей, хорошо согласуются с результатами термодинамических расчетов, выполненных в главе 3 диссертационной работы.

Далее проведено исследование гранулирования исходной смеси и места поджигания на процесс горения. Гранулирование проводилось на основе пироксилина с его содержанием 6 %, размер гранул составлял 5 мм. Наблюдения за ходом горения гранулированной смеси позволили установить важную особенность протекания реакции, которая заключается в том, что фронт горения не перемещается вверх по засыпке. Горение с начала реакции и до конца происходит снизу, а расположенные выше гранулы перемещаются вниз к фронту горения, где достигают температуры, инициирующей реакцию горения. В результате исследования выявлено, что использование гранулированной смеси с поджиганием снизу успешно решает две основные проблемы, имеющие место при горении порошкового термита - плохое фазоразделение и выбросы в ходе реакции. Среднее значение выхода металла составляет 0,91 или 91 % от теоретически возможного.

Таким образом, предложенный способ сжигания термитной смеси увеличивает среднее значение выхода металла от теоретически возможного на 12 % в сравнении со сжиганием негранулированной смеси 3FeO+2Al с поджиганием сверху и на величину около 50 % сравнении со сжиганием негранулированной смеси Fe₂O₃+2Al с поджиганием сверху, при этом существенно сокращается разброс значений, что делает более предсказуемым исход реакции, и достигается экономия исходных компонентов.

Разработана модель установки для сжигания гранулированной термитной смеси с поджиганием снизу. На основании разработанной модели были изготовлены опытные установки для сжигания малых (до 50 г) и больших (до 1,5 кг) масс смесей. Успешно проведены опыты по сжиганию больших масс термитной смеси (до 700 г). Эскиз установки, а также фотография установки в работе при горении 700 г смеси, представлены на рисунке 5.

Рис. 5. Установка для сжигания гранулированной термитной смеси с поджиганием снизу засыпки - эскиз (слева), в работе (справа): 1 - форма из огнеупорного материала (глина, шамот и др.); 2 - реактор из термостойкого материала (графит, кварцевое стекло и др.) с отверстием в нижней части; 3 - подающая емкость из нетермостойкого материала; 4 - гранулированная шихта; 6 - инициирующая смесь для поджигания шихты; 7 - спираль для запала; 8 - шибер; 9 - направление движения шибера во время слива металла; 10 - направление движения металла после сдвигания шибера; 11 - сливная трубка

Разработанный в рамках диссертационной работы способ сжигания гранулированных термитных смесей имеет ряд преимуществ в сравнении с традиционным способом сжигания порошковых термитных смесей и при надлежащим образом подобранной рецептуре смеси, разработанный способ может быть использован в качестве основы при организации алюминотермических процессов взамен применяющегося традиционного способа сжигания порошковых смесей без гранулирования и с поджиганием сверху.

В пятой главе приводятся результаты разработки рецептур гранулированной термитной смеси для получения железа.

Проведено исследование пироксилина на скорость горения и качество получаемых слитков металла. Показано, что концентрация пироксилина не оказывает существенного влияния на скорость горения. Слитки металла при сжигании малой массы смесей на основе нитрата целлюлозы часто получаются пористыми.

Проведено исследование фторкаучука СКФ-32 на скорость горения и качество получаемых слитков металла. Показано, что сжигание гранул на основе фторкаучука имеет ряд существенных недостатков его использования по сравнению с пироксилином: очень интенсивное горение, сильный разброс исходной смеси, сильное газовыделение с резким запахом и наличием форса пламени. Перечисленные факторы позволяют говорить о неприемлемости использования фторкаучука для получения гранул термитной смеси, однако добавление его в количестве до 2 % в гранулы на основе нитроцеллюлозы улучшает фазоразделение.

Проведено исследование влияния флюса Nocolok на протекание реакции и качество получаемого металла. В результате исследований по сжиганию порошковой смеси Fe₂O₃+2Al c добавлением флюса Nocolok показано, что флюс оказывает существенное влияние на скорость горения и калорийность смеси. Горение термитной смеси с увеличением содержания флюса Nocolok становится менее активным, однако выбросы продуктов реакции все равно присутствуют. Снижение калорийности подтверждает факт застывания продуктов реакции непосредственно на стенках трубки, в которой проводилось сжигание, - при содержании флюса Nocolok более 10 % в смеси большая часть продуктов остается на стенках трубки. Это хорошо согласуется с результатами термодинамических расчетов.

Целесообразность применения флюса обусловлена его положительным влиянием на фазоразделение. Слитки металла, полученного при сжигании гранулированной на основе пироксилина термитной смеси без флюса и с добавлением флюса показаны на рисунке 6.

Рис. 6. Слитки, получаемые при сжигании гранулированной на основе пироксилина термитной смеси с поджиганием снизу без добавления флюса Nocolok (слева) и с добавлением флюса Nocolok (справа)

Показано, что флюс может быть добавлен в гранулированную термитную смесь Fe₂O₃+2Al в количестве до 1,5 %, а в смесь 3FeO+2Al в количестве до 0,5 %.

Разработаны оптимальные составы гранулированных термитных смесей. Составы гранулированных термитных смесей Fe₂O₃+2Al и 3FeO+2Al приведены в таблице 1.

Таблица 1. Оптимальный состав гранулированной термитной смеси Fe₂O₃+2Al

Компонент	Содержание (для смеси Fe2O3+2Al)	Содержание (для смеси 3FeO+2Al)
Термит, % от массы термита
Оксид железа	75 (Fe2O3)	80 (FeO)
Al	25	20
Связующее, % от массы термита
Пироксилин	4-8	4-8
Флюс, % от массы термита
Nocolok	0-1,5	0-0,5

Составы гранулированных смесей могут варьироваться в зависимости от условий сжигания, массы смеси, размеров реактора и конкретной прикладной задачи.

В шестой главе приводятся результаты разработки рецептур гранулированной смеси для получения композита железа с карбидом титана.

Ряд опытов по получению композита был проведен с использованием в качестве исходных материалов порошков термитной смеси и смеси Ti+C с поджиганием сверху. Исследования показали, что при малых концентрациях Ti+C (до 10 %) горение практически не отличается от горения термита, увеличение концентрации порошка Ti+C снижает количество выбросов и скорость горения, что хорошо согласуется с результатами термодинамических расчетов.

Гранулированные смеси для получения композита были приготовлены по двум рецептурам:

1. Гранулы, содержащие смесь четырех порошков Fe₂O₃+Al+Ti+C в нужных пропорциях.

2. Приготовленные отдельно из смесей двух порошков гранулы Fe₂O₃+Al и гранулы Ti+C, затем смешанные в нужных пропорциях.

Гранулы приготавливались на основе пироксилина с его содержанием в смеси 6 %. железоалюминиевая термитная сжигание титан

Горение смесей, приготовленных по рецептуре 1, происходит равномерно, с отсутствием выбросов. Увеличение содержания в гранулах смеси Ti+C делает горение более медленным, а при содержании Ti+C в количестве 15 % и более от массы смеси гранулы невозможно поджечь. В результате фазоразделения в качестве продуктов получаются металл и шлак.

Горение смесей, приготовленных по рецептуре 2, происходит равномерно, с отсутствием выбросов. Выявлено, что тип получаемого продукта зависит от содержания гранул Ti+C в общей смеси. При содержании гранул Ti+C в количестве 10 % от общей массы гранул после фазоразделения получаются металл и шлак, которые сравнительно легко отделяются друг от друга. При концентрации гранул Ti+C, равном 20 % и более от массы смеси продукт представляет собой смесь металла и шлака (Al₂O₃), содержащий крупные включения TiC. Фазоразделения в этом случае не происходит. При содержании гранул Ti+C, равном 50 % и более от массы смеси, в качестве продукта получаются гранулы, по размерам схожие с исходными гранулами Ti+C, сравнительно легко отделяющиеся друг от друга. Полученные гранулы обнаруживают ферромагнитные свойства. Это позволяет говорить о том, что гранулы представляют собой карбид титана, пропитанный продуктами термитной реакции, то есть железом и оксидом алюминия. На основании выполненных исследований можно рекомендовать к применению составы смесей для получения композита железа с карбидом титана. Состав смеси, приготовленной в соответствии с рецептурой 1, приведен в таблице 2.

Таблица 2. Оптимальный состав гранулированной смеси для получения композита, приготовленной по рецептуре 1

Компонент	Содержание (для смеси Fe2O3+2Al)	Содержание (для смеси 3FeO+2Al)
Термит	85-100 %	85-100 %
Оксид железа	75 % Fe2O3 от массы термита	80 % FeO от массы термита
Al	25 % от массы термита	25 % от массы термита
Смесь Ti+C	0-15 %	0-15 %
Ti	80 % от массы Ti+C	80 % от массы Ti+C
C	20 % от массы Ti+C	20 % от массы Ti+C
Пироксилин	4-8 % от массы смеси	4-8 % от массы смеси

Состав смеси, приготовленной в соответствии с рецептурой 2, приведен в таблице 3.

Таблица 3. Оптимальный состав гранулированной смеси для получения композита, приготовленной по рецептуре 2

Компонент	Содержание (для смеси Fe2O3+2Al)	Содержание (для смеси 3FeO+2Al)
Гранулы термита
Оксид железа	75 % Fe2O3 от массы термита	80 % FeO от массы термита
Al	25 % от массы термита	20 % от массы термита
Пироксилин	4-8 % от массы смеси	4-8 % от массы смеси
Гранулы Ti+C
Ti	80 %	80 %
C	20 %	20 %
Пироксилин	4-8 % от массы смеси	4-8 % от массы смеси
Гранулы термита и карбида титана смешиваются в нужных пропорциях.

Составы смесей могут варьироваться в зависимости от требованию к составу конечного продукта, условий сжигания, массы смеси, размеров реактора и постановки конкретной прикладной задачи.

В седьмой главе приведено исследование структуры и химического состава полученных образцов железа и композитов.

Показано, что добавление пироксилина и флюса Nocolok не оказывает влияния на состав и структуру получаемого металла.

Состав получаемого металла приведен в таблице 4.

Анализ микроструктуры позволяет заключить, что получаемая термитная сталь относится к ферритным.

Таблица 4. Состав термитной стали, получаемой при сжигании негранулированных и гранулированных термитных смесей, в том числе с добавлением флюса Nocolok

Элемент	Содержание в металле, %
Fe	96-98
C	0,2-0,25
Al	0,2-1,0
Si	0,05-0,2
Cr	0-0,42
F	0-1,0

Анализ микроструктур композита, получаемого при сжигании гранулированных смесей, приготовленных по рецептуре 1, и негранулированных смесей показал идентичность структуры, а рентгенофазовый анализ показал, что композит представляет собой карбид титана (TiC), распределенный в матрице Fe₃Al. Фотографии шлифов композита приведены на рисунке 7.

Рис. 7. Микроструктура композита. Исследования на оптическом (слева) и электронном (справа) микроскопе

Включения в виде дендритов представляют собой карбид титана.

Зависимость плотности и твердости композитов от содержания титана и углерода в исходной смеси приведена на рисунке 9.

Исследования композитов, полученных при сжигании смесей гранул составов Fe₂O₃+2Al и Ti+C (рецептура 2), позволяют сделать вывод, что состав и структура композитов сильно зависят от соотношения гранул Fe₂O₃+2Al и Ti+C. Образовавшийся карбид титана локализован в местах расположения гранул Ti+C во время их горения, и не распределяется равномерно по всему слитку металла. Микроструктура композита при различном содержании гранул Ti+C в исходной смеси показана на рисунке 8.

Рис. 9. Зависимость плотности (справа) и твердости (слева) поучаемых композитов от содержания Ti+C в исходной смеси

Реакция Ti+C протекает в области, ограниченной гранулой, после чего полученный пористый карбид титана Ti+C пропитывается продуктами реакции Fe₂O₃+2Al, то есть железом и оксидом алюминия. Содержание в продукте оксида алюминия увеличивается с увеличением количества гранул Ti+C в смеси. Так, при содержании гранул Ti+C в общем количестве до 10 % его наличие в композите незначительно, в то время как при содержании гранул Ti+C в общем количестве 50 % и более весь оксид алюминия переходит в композит.

Рис. 8. Микроструктура композита при содержании гранул Ti+C 10 % (слева) и 50 % (справа)

Идентичность продуктов, полученных при сжигании порошковых и гранулированных смесей состава Fe₂O₃+2Al+xTi+xC, позволяет говорить о том, что прием гранулирования может быть применен для улучшения процесса горения, то есть снижения количества выбросов продуктов и улучшения фазоразделения.

Неидентичность продуктов, полученных при сжигании смесей гранул составов Fe₂O₃+2Al и Ti+C, позволяют сделать вывод, что состав и структура композитов сильно зависят от соотношения гранул Fe₂O₃+2Al и Ti+C. Такие составы могут быть применены для получения широкого спектра продуктов: от сплава Fe₃Al с локализациями в нем TiC до гранул состава Fe-Fe₃Al-TiC-Al₂O₃. Наиболее перспективным продуктом выглядят гранулы состава Fe-Fe₃Al-TiC-Al₂O₃, которые могут быть использованы для магнитно-абразивной обработки. Неоспоримым преимуществом является получение продукта сразу в виде гранул, размеры которых соответствуют размерам гранул Ti+C, таким образом, изменением размера исходных гранул можно получать гранулы композиционного материала нужного размера.

ВЫВОДЫ

1. На основании термодинамических расчетов показано и подтверждено экспериментально, что 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. Разработан новый способ сжигания гранулированных термитных смесей с поджиганием снизу, который позволяет существенно снизить выбросы во время горения и увеличить выход конечного продукта.

3. Разработана установка для сжигания гранулированных термитных смесей с поджиганием снизу.

4. Разработаны рецептуры гранулированных на основе пироксилина термитных смесей с добавлением флюса Nocolok, которые позволяют достичь наилучшего фазоразделения при одновременном снижении выбросов во время горения. Показано, что добавление пироксилина и флюса Nocolok не влияет на состав и структуру продуктов.

5. Разработанные способы гранулирования и рецептуры позволяют получать композиционные материалы общего состава Fe-Al-TiC-Al₂O₃ с различной структурой и содержанием компонентов, которые зависят от организации процесса сжигания термитных смесей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ПРЕДСТАВЛЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Амосов, А.П. Влияние условий сжигания на процесс горения термитной шихты [Текст]/ А.П. Амосов, А.Р. Самборук, В.В. Яценко // Высокие технологии в машиностроении. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической интернет-конференции с международным участием. Самара: Самарский государственный технический университет, 2008. 208 с.

2. Амосов, А.П. Гранулирование в порошковой технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза [Текст]/ А.П. Амосов, А.Г. Макаренко, А.Р. Самборук, Б.С. Сеплярский, А.А. Самборук, И.О. Герасимов, А.В. Орлов, В.В. Яценко // Известия ВУЗов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия, №2, 2011. С. 30-37.

3. Amosov, A.P. Effect of batch pelletizing on a course of SHS reactions: an overwiew [Text]/ A.P. Amosov, A.G. Makarenko, A.R. Samboruk, B.S. Seplyarskii, A.A. Samboruk, I.O. Gerasimov, A.V. Orlov, V.V. Yatsenko // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis, 2010, Vol. 19, No. 1, 2010. P. 70-77.

4. Amosov, A.P. Effect of batch pelletizing on realization of SHS processes [Text]/ A.P. Amosov, A.G. Makarenko, A.R. Samboruk, B.S. Seplyarskii, A.A. Samboruk, I.O. Gerasimov, A.V. Orlov, V.V. Yatsenko // X International Symposium on Self-propagating High-Temperature Synthesis. Book of Abstracts. Tsakhkadzor, 2009. P.127-128.

5. Яценко, В.В. Получение металла при сжигании гранулированной термитной смеси [Текст]/ В.В. Яценко, А.Р. Самобрук, А.П. Амосов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 12, №4. - Самара, 2010. - С. 298-305.

6. Яценко, В.В. Принципиально новый способ получения металла на основе алюминотермической реакции. Основные параметры процесса [Текст]/ В.В. Яценко, А.Р. Самборук, А.П. Амосов, Н.М. Кожухов // Высокие технологии в машиностроении. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической интернет-конференции с международным участием. Самара: Самарский государственный технический университет, 2009. 208 с.

7. Яценко, В.В. Разработка способа получения композита Fe-TiC на основе алюминотермической реакции [Текст]/ В.В. Яценко, А.А. Самобрук, А.П. Амосов, Е.И. Латухин, С.А. Рязанов // Высокие технологии в машиностроении. Тезисы докладов Всероссийской Научно-технической интернет-конференции с международным участием. Самара: Самарский государственный технический университет, 2010.

8. Яценко, В.В. Способ получения композита Fe-TiC на основе алюминотермической реакции с предварительной грануляцией исходной шихты [Текст]/ В.В. Яценко, А.А. Самобрук, А.П. Амосов, Е.И. Латухин, С.А. Рязанов // "Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент": материалы II Всероссийской научно-инновационной молодежной конференции (с международным участием): 27-29 октября 2010. Под общей ред. Завражина Д.О. - Тамбов: Изд-во ИП Чеснокова А.В., 2010 - С. 154-156.

9. Яценко, В.В. Установка для сжигания гранулированной термитной шихты [Текст]/ В.В. Яценко, Н.М. Кожухов // Наука. Технологии. Инновации. Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-ми частях. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. Часть 2. С. 262-264.

10. Яценко, В.В. Термодинамические исследования горения железоалюминиевого термита [Текст]/ В.В. Яценко, А.П. Амосов, А.Р. Самборук // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. физ. -мат. науки, №2, 2011. С. 121-126.

По результатам диссертационной работы получен патент РФ:

1. Пат. РФ. МПК B23K 23/00 (2006.01). Установка для сжигания газопроницаемых гранулированных термитных шихт / Амосов А.П., Кузнец Е. А, Самборук А.Р., Яценко В.В. (РФ). - №108730; Заявлено 02.02.2011; Опубл. 27.09.2011, Бюл. №27. - 2 с.

Личный вклад автора. В опубликованных работах [5-10] автору принадлежат постановка задачи, реализация подходов к решению задачи, разработка методик, выводы. В работах [2-4] автору принадлежат описание результатов исследований, касающихся горения гранулированных термитных смесей. В работах [1, 5-10] автором выполнено редактирование работ при представлении их в печать и их корректировка по замечаниям рецензентов.

Размещено на Allbest.ru

...