Физические процессы, протекающие при сжигании порошка титана в среде азота, и разработка на их основе технологии вакуумирования тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

ЛЫСЕНКО Андрей Леонидович

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ СЖИГАНИИ ПОРОШКА ТИТАНА В СРЕДЕ АЗОТА, И РАЗРАБОТКА НА ИХ ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ ВАКУУМИРОВАНИЯ

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2008

003457283

Работа выполнена на кафедре физики Калужского филиала ГОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Горбунов Александр Константинович

доктор технических наук, профессор Федосеев Игорь Владимирович

кандидат технических наук

Кашинский

Валерий Иванович

Ведущая организация: ФГУП «Центральный научно-исследовательский

институт конструкционных материалов «Прометей»

Защита состоится декабря 2008г. в' "часовЭх/мапут на заседании диссертационного совета Д 212.141.17 при Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана по адресу: 248600, г. Калуга, ул. Баженова, 2, КФ МГТУ имени Н.Э. Баумана

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КФ МГТУ им. Н.Э.Баумана (г. Калуга, ул. Баженова, 2)

Автореферат разослан «¿_Ъ> ноября 2008г,

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Лоскутов С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Физические процессы, протекающие при высоких температурах при взаимодействии азота с титаном, вызывают особый интерес в связи с необходимостью отработки процесса горения порошка титана, а актуальность их исследования определяется отсутствием технологий вакуумирования для компактных мобильных установок. Рассматриваемый в данной работе высокотемпературный физико-химический процесс включает инициирование и горение титана в среде азота.

Использование порошка титана для компактных систем вакуумирования обеспечивает технологическому процессу спектр служебных свойств, из которых необходимо выделить: отсутствие энергозатрат от посторонних источников, минимальные массогабаритные характеристики технологического оборудования, незначительное выделение в вакуумируемую среду посторонних примесей, надежность функционирования в течение длительного времени.

В отечественных и зарубежных научных публикациях технология горения (окисления) титана рассматривается в основном с позиции пожаробе-зопасности. Авторы известных отечественных публикаций отмечают, что постановка и решение задач по пожаробезопасности зависит в основном от изучения двух факторов: инициации (самовозгорания) и кинетики горения титана.

В настоящей диссертационной работе при исследовании физических свойств титанового порошка при высоких температурах применительно к технологии вакуумирования впервые рассматривается и обосновывается комплексный энерготехнологический процесс, который включает: предварительное прессование порошка титана в таблетки до нормируемой плотности, кинетику и транспортировку азота в зону горения, выделение адсорбированных газов, коагуляцию расплавленных частичек титана, изменение структуры прессованных таблеток, изменение прочностных свойств таблеток титана.

Постановка и рассмотрение перечисленного комплекса операций в опубликованных литературных источниках отсутствует. Это определяет актуальность и своевременность задачи, решение которой представлено в настоящей диссертационной работе.

Цель диссертации. Исследование физических процессов, происходящих при взаимодействии азота с титаном в условиях высокотемпературного

1

синтеза, разработка на этой основе технологии комплексного транспортно-кинетического процесса горения титанового порошка в азоте и создание опытного технологического оборудования для компактных мобильных систем вакуумирования.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

• разработка математической модели транспортно-кинетического процесса горения титанового порошка в азоте;

• создание экспериментальной установки для определения кинетических зависимостей горения титана;

• разработка методики и определение параметров кинетического процесса горения титана в азоте;

• разработка теоретических зависимостей макрокинетического процесса применительно к замкнутым и разомкнутым промышленным системам;

• отработка теплоизоляции модели газопоглотительного промышленного устройства.

Научная новизна:

1. Впервые на основе математической модели изучен физический процесс горения титана в азоте. Обоснован и исследован, применительно к практическому использованию, способ вакуумирования, базирующийся на высокотемпературном процессе сжигания элементов из порошка титана в азотной среде.

2. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены оптимальные параметры технологии вакуумирования замкнутых систем объемом 0,07 м3 за время менее 100 с до давления 50 кПа при горении элементов из порошка титана в азотной среде.

3. Впервые экспериментально установлены константы скорости кинетического процесса вакуумирования замкнутых систем при горении порошка титана в среде азота.

4. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены оптимальные параметры исходных прессованных элементов из титанового порошка. Показано, что плотность прессованных титановых элементов должна составлять 1500...2000 кг/м3.

5. Экспериментально определено, что при отжиге (Т=750°С, т=1ч) титановых элементов с плотностью 1650 кг/м3 прочность образцов

увеличивается в 2,5 раза, что обеспечивает в промышленном использовании длительность хранения в эксплуатационных условиях.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель комплексного физического процесса горения порошка титана з среде азота.

2. Параметры процесса откачки замкнутых герметичных систем на основе высокотемпературного взаимодействия титана с азотом, включая константу скорости процесса вакуумирования.

3. Основные технические характеристики, установленные для титанового геттера: плотность порошка в спрессованных таблетках -1500. ..2000 кг/м3; гранулометрический состав порошка - остаток на сите 0,045 примерно 85%, а проход через сито 0,28 - около 100%, насыпная плотность исходного титанового порошка - 800 кг/м3.

4. Технология термообработки титановых таблеток при температуре 750°С в течение 1 часа, обеспечивающая увеличение их прочности в 2,5 раза.

5. Новая технология откачки мобильной системы, обеспечивающая многократное разовое вакуумирование.

Достоверность научных положений н выводов диссертации основана на экспериментальных данных, полученных на модельных технологических установках, которые согласуются с теоретическими оценками. Достоверность данных обусловлена применением апробированных методик измерений, повторяемостью результатов многократных экспериментов и проверкой разработанной технологии в условиях, приближенных к промышленным.

Практическая значимость.

1. Разработана новая технология вакуумирования и предложена к внедрению в компактных мобильных системах.

2. Новая технология вакуумирования характеризуется минимальными массогабаритными характеристиками, отсутствием внешних энергоисточников и надежностью функционирования при многократном разовом использовании после длительного хранения в режиме готовности, что является определяющим для внедрения в компактных мобильных системах.

3. Разработано модельное устройство с требуемыми характеристиками, которое многократно прошло опытные испытания, максимально

приближенные к промышленным.

Личный вклад автора. Автором лично выполнены все теоретические и экспериментальные исследования, спроектированы исследовательские установки и получены образцы титановых изделий, разработаны методики экспериментальных исследований и обработки их результатов, построена математическая модель физических процессов, происходящих при высокотемпературном взаимодействии титана с азотом. Кроме того, автор лично принимал участие в изготовлении лабораторного оборудования и отработке технологий вакуумирования.

Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научных и научно-технических конференциях, в т.ч. на международной конференции «Экологические проблемы утилизации АПЛ и развитие ядерной энергетики в регионе», 2003г., г. Владивосток; International Conference on Maritime Technology ICMT, 2007, Taipei, Taiwan.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 13 работах, список которых представлен в конце автореферата.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы (64 наименования). Общий объем диссертации 109 страниц, включая 53 рисунка и 19 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цели работы, ее научная и практическая значимость, приводятся основные положения, выносимые на защиту, описана структура, объем и содержание диссертационной работы.

Первая глава диссертации «Физические процессы, происходящие при переносе вещества, энергии и импульса» посвящена анализу и обобщению теоретических зависимостей, которые в настоящее время используются для описания технологических макропроцессов. Показано, что известные физические уравнения позволяют выполнять численные оценки транспортировки вещества, энергии и импульса. Для совместных обобщений транспортных процессов и химических преобразований в известных литературных источниках применяются эмпирические зависимости, включающие уравнения массоотдачи. 4

Основной параметр химической кинетики - константа скорости химической реакции в этих теоретических и методических материалах используется крайне редко. Отсутствие математического аппарата для описания кинетики совместно с транспортными уравнениями и соответствующих моделей для оценки такого сложного физико-химического процесса, как горение титанового порошка в азоте, не позволяет обеспечить внедрение этой и аналогичных технологий в промышленные условия.

Вторая глава «Теоретические основы транспортно-кинетических процессов при горении титана в азоте и техника эксперимента» посвящена разработке и описанию модели диффузионно-кинетического процесса горения титана в азоте и технике эксперимента.

Горение титана, с целью уничтожения газообразного азота в замкнутом объеме систем оперативного вакуумирования мобильных установок, представляет собой комплексный энерготехнологический процесс, который включает:

• транспортировку азота в зону горения;

• транспортировку энергии из зоны горения в тело титановых элементов;

• преобразование химической энергии в тепловую при горении титана;

• транспортировку тепловой энергии из зоны горения титановых элементов к фундаментным конструкциям;

• преобразование паров воды в зоне горения титана;

• преобразование (плавление, разрушение) титановых элементов в результате энергетического (теплового) воздействия;

• преобразование (разрушение) титановых элементов в результате силового воздействия (импульса);

• преобразование (разрушение) титановых элементов в результате химической реакции.

Для рассмотрения этого комплексного энерготехнологического процесса разработана транспортно-кинетическая модель горения титана в азоте, которая представлена на рис. 1.

Из модели процесса горения титана в азоте следует, что многообразие режимов и эффективность горения определяется различным сочетанием транспортных (диффузионных) и кинетических процессов.

Рис. 1. Модель диффузионно-кинетического процесса горения титана в азоте

т2 - поток азота; ± - скорость потока азота; Ср — концентрация азота, соответствующая равновесной концентрации в газе в конечном продукте (» 0); Со - начальная концентрация азота в объеме камеры; т - время; К -константа скорости процесса; р - плотность конечного продукта; V - скорость фронта горения; рУ - поток конечного продукта; С - Ср - концентрационный напор в кинетическом слое; Со - С. - концентрационный напор в диффузионном слое; Со - Ср = АС - полный концентрационный напор.

Модель транспортно-кинетического процесса горения порошка титана в азоте базируется на безразмерной зависимости

ЛФ2+Т

Безразмерные комплексы А, Ф, Т образуют энерготехнологические координаты.

Ьк - безразмерный комплекс оценки эффективности горения титана в

азоте;

Т - безразмерный комплекс, определяющий соотношение транспортных потоков азота в зону горения;

Ф - безразмерный комплекс, определяющий соотношение между технологическими параметрами транспортировки азота и кинетикой горения титана;

А - безразмерная величина, определяющая соотношение между кинетической зоной горения и транспортной областью доставки азота. 6

Графическая зависимость ЬК=/(А,Ф, Т) представлена на рис. 2.

На поверхности (рис. 2) можно выделить две области протекания энерготехнологических процессов: кинетическую и диффузионную (транспортную).

Диффузионная (транспортная) область - совокупность режимов горения титана в азоте, в которых определяющими являются транспортные процессы. Математический аппарат для описания этой области базируется на уравнениях переноса импульса, вещества и энергии, которые представлены в первой главе диссертации.

Кинетическая область - совокупность режимов энерготехнологических процессов, в которых определяющими являются кинетические процессы. Кинетические процессы определяются константой скорости, которая в физико-химических явлениях связана с распределением Больцмана, ехр(-Е/кТ). Математический аппарат для описания кинетической области базируется на уравнении кинетики, определяющем скорость преобразования азота в нитрид титана.

где С - текущая концентрация азота в зоне горения, Ср- равновесная концентрация азота в зоне горения.

(2)

А=30

10-1

Ьк

Т

Рис. 2. Энерготехнологический процесс горения титана в азоте в безразмерных координатах

На границе кинетической и транспортной области расположена область оптимального режима горения титана в азоте, которая оценивается по формуле

„ (т

(3)

Анализ оптимальной области горения порошка титана в азоте показывает, что насыпная плотность титанового порошка (800 кг/м3) не соответствует оптимальному значению. Оптимальная плотность титана для технологии вакуумирования должна составлять более 1500 кг/м3. Экспериментально было подтверждено, что оптимальная плотность прессованного порошка титана составляет от 1500 кг/м3 до 2000 кг/м3.

Анализ влияния формы поверхности, на которой идет кинетическая стадия энерготехнологического процесса, показывает, что для плоской и цилиндрической модели имеем одну и ту же формулу в безмерном виде (1),

л - А/

где для прессованного порошка в виде ленты имеем А — "Т77.

/лЛ.

Для цилиндрических элементов из прессованного порошка титана имеем

А = (,- + А1)2-Г2

2{г + Ы)АХ ' (4)

где г - радиус цилиндра.

Для общего случая безразмерный параметр А определится: А = (объем кинетического слоя)/(площадь поверхности между кинетическим и диффузионными слоями) -ДХ.

Таким образом, для гипотетических сферических элементов из прессованного порошка титана имеем:

~3(Г + М)2АХ- (5)

Ограничительная плоскость определяется безразмерным параметром

Т>1.

Для анализа явлений при горении титана в азоте в работе представлена физическая интерпретация энерготехнологических координат.

Безразмерный параметр Т учитывает дополнительное влияние скорости поступления азота от перепада давления между вакуумируемой полостью и давлением азота в кинетическом слое горения.

+ \ = Яе0+\. (6)

После преобразования получаем для процесса переноса азота

Тк=-ттг-^1. (7)

О— АХ

Из

последнего соотношения следует, что безразмерный параметр Тк определяется отношением полного потока азота, включающего, кроме молекулярного (диффузионного) переноса, также составляющую от перепада давления, к потоку, формируемому только молекулярным переносом азота.

Безразмерная величина энерготехнологической эффективности Ь определяет соотношение между реальным потоком, кинетическим и диффузионным.

В соответствии с определением для транспортировки и преобразования азота имеем:

г

дЫкБ'

где / - реальный (действительный) поток азота;

АС - полный концентрационный напор азота;

К — константа скорости преобразования азота из газообразного состояния в нитрид титана;

Б - молекулярный коэффициент диффузии азота.

После преобразования:

(9)

Из этого уравнения следует, что безразмерная величина представляет собой (корень квадратный) произведение безразмерных потоков:

----(Ю)

А1-К-АС

¿а— гт^. (8)

- отношение действительного потока азота к теоретическому кинетическому потоку при условии преобразования полного концентрированного напора азота в кинетическом слое;

- отношение действительного потока к теоретическому диффузионному потоку, который сформирован под воздействием полного концентрационного

напора АС. Третий симплекс - безразмерная величина, определяющая

соотношение размеров зоны транспортировки азота и технологической зоны горения.

Безразмерный комплекс Ф определяет соотношение между технологическими параметрами транспортировки азота и кинетикой превращения азота в нитрид титана.

Для оценки энерготехнологического процесса транспортировки и кинетики вещества имеем:

Из преобразованного уравнения следует, что безразмерный комплекс Фк представляет собой соотношение теоретических потоков азота: кинетического и диффузионного при полном концентрационном напоре и соразмерных областях АХ.

Во второй главе также представлено экспериментально-теоретическое обоснование технологии связывания азота в герметичных системах с целью оперативного вакуумирования этих систем и описаны модельные эксперименты.

Показано, что при отжиге образцов происходит спекание частиц титана, в результате чего уменьшается эффективная поверхность реагирования, но увеличивается прочность образцов. Макроструктура исходных и отожженных образцов показана на рис.3.

(Н)

(12)

После преобразования:

(13)

I

Рис. 3. Макроструктура исходного (а) и отожженного (б) образца

Кинетика горения титана в азоте при вакуумировании систем исследовалась по падению давления в объеме.

Для исследования состава газов, остающихся в реакторе после срабатывания устройства, к реактору подсоединялась предварительно откачанная до давления 0,1 кПа стеклянная колба, объемом 1 дм3. После сжигания титана и уменьшения давления в реакторе до 50 кПа колба открывалась, и в нее напускался газ из реактора. Из колбы проводился отбор газа для анализа хроматографическим и масспектрометрическим методами. Хроматографиче-ский анализ показал наличие кислорода в пробах менее 0,3 %, количество водорода - менее чувствительности прибора, аргона - менее 0,14%.

Конструкция экспериментального устройства для поглощения азота определяется условиями компоновки штатной установки. В соответствии с габаритными и компоновочными чертежами штатной установки было изготовлено устройство, внутренний объем которого представлял собой кольцевой зазор, образованный стальными трубами. Помещаемая внутрь устройства кассета с газопоглотителем представляла собой цилиндрическую корзину с кольцевым сечением, изготовленную из нержавеющей стальной сетки (диаметр проволоки 0,3 мм, размер ячейки 1,25x1,25 мм), заполненную прессованными таблетками из титанового порошка.

Третья глава «Экспериментальные исследования транспортно-кинетических процессов при горении титана в азоте» посвящена исследованию процесса поглощения азота при горении титана. При исследовании изменялись форма и размеры титановых таблеток. В процессе газопоглощения участвует только часть таблеток газопоглотителя, другая часть расплавляет-

ся и тем самым значительно сокращается поверхность газопоглощения, что ведет к ухудшению кинетики газопоглощения. Уменьшить отрицательное воздействие плавления титана и увеличить поверхность взаимодействия титановых таблеток с азотом можно за счет изменения размеров, геометрической формы элементов титановых таблеток и их компоновки. При этом изменяются условия теплообмена для элементов газопоглотителя и тепловой режим взаимодействия титана с азотом. Экспериментальная отработка этих факторов была предметом исследований, где было показано, что наилучшие интегральные рабочие характеристики устройства достигаются при использовании таблеток, спрессованных в форме цилиндра.

Изменение температур в точках на внутренней стенке устройства приведено на рис. 4, а типичная кинетическая кривая изменения давления в объеме при горении титана в азоте представлена на рис. 5.

Из анализа кинетической кривой на рис. 5 следует, что энерготехнологический процесс горения титана на участках АВ происходит в диффузионной (транспортной) области.

Участок ВСЕ на рис. 5 характеризуется процессом горения титана в кинетической области.

800-,

7

700-

.3

9

600-

500-

Р

400 -

200-

100-

->-1-'-1-'-1-•--'-1-'--'-1-•--•-1-'-1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Время, с

Рис. 4. Изменение температуры на внутренней стенке устройства

Р, бар

1,0

0,8

0,4

0,2

0,0

13,5 с

А \

7,3 с ч N

< 6'2 С ч

18с С ^Е

15 20 25 30 35 40 45 50 55 с

Рис. 5. Кинетическая кривая изменения давления в объеме Применительно к кинетической кривой на рис. 5 можно записать урав-

нение

Л

= -К{Р-РР).

(14)

где Р — текущее давление азота;

Рр - гипотетическое равновесное давление азота. Уравнение (14) запишем в интегральном виде Р = {Р0-Рр)ехр(-Кх) + Рр

(15)

или с учетом латентного периода

Р = {Р0-Рр)ехр[-К(х-т0)] + Рр. (16)

На рис. 5 латентный период составляет ок. 7,3 секунды, за начало отсчета принимаем время в точке А (то = 0).

Определим константу скорости кинетического процесса по формуле

К=-

1

Т-Тп

-1п-

Рр-Рр

Р -Рп

(17)

1о ' р

Определение константы кинетического процесса для точек В (К » 0,096 с"1) и С (К « 0,097 с"1) показывает, что экспериментальная зависимость хорошо описывается уравнением (15).

Четвертая глава «Применение и исследование температурного режима газопоглотительного устройства» содержит материалы по отработке теп-

лоизоляции газопоглотительного устройства. При сжигании титана в среде азота температура в конструктивных элементах газопоглотительного устройства достигает 800°С. Фундаментные элементы мобильной установки, к которым монтируется газопоглотительное устройство, ограничивают температуру значением до 150°С. На рис. 6 и рис.7 представлены схема промышленного газопоглотительного устройства и оптимальная конструкция теплоизоляции, которые отвечают заданным требованиям.

Рис. 6. Схема устройства: 1 - фундаментная труба: 2 - внутренняя стенка устройства (труба); 3 - титановая таблетка; 4 - сетка картриджа; 5 - молибденовая фольга; б - инициатор; 7 - отверстия для подвода азота; 8 - термопары хромель-алюмелевые; 9 - термопары ВР5-ВР20; 10 - теплоизоляция

Труба

Алюминиевая фольга 20 мкм 1 слой

Вольфрамовая фольга 20 мкм 1 слой Термостойкая вата 1 мм

Молибденовая фольга 80 мкм 1 слой

Термостойкая вата 1,5 мм Молибденовая фольга 100 мкм 1 слой

Рис. 7. Схема комбинированной теплоизоляции

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В данной работе на основе теоретических и экспериментальных исследований представлена новая технология вакуумирования для компактных мобильных систем.

Получены следующие основные результаты, подтверждающие научную новизну работы и ее практическую значимость.

1. Разработана и экспериментально подтверждена математическая модель комплексного физического процесса горения порошка титана в вакуу-мируемой среде азота.

2. Константа скорости процесса вакуумирования замкнутых, герметичных систем, равная К»0,1с"1, теоретически обоснована и экспериментально определена.

3. Экспериментально определено, что при использовании созданной технологии вакуумирование замкнутых систем объемом 0.07 м3 в диапазоне давлений от 100 кПа до 50 кПа происходит за время менее 100 с.

4. Установлены параметры титанового геттера для новой технологии вакуумирования: плотность титанового порошка в прессованных таблетках должна составлять 1500...2000 кг/м3, для обеспечения параметров транспортировки (диффузии) азота через сгоревший титан необходимо иметь строго определенный гранулометрический состав титанового порошка: остаток на сите 0,045 — 85%, проход через сито 0,28 - 100%, насыпная плотность исходного порошка - 800 кг/м .

5. Показано, что для обеспечения долговременного функционирования мобильных систем необходимо обеспечить дегазацию и прочностные свойства прессованных титановых элементов, для чего экспериментально определена технология отжига, обеспечивающая увеличение прочности титановых таблеток в 2,5 раза термообработкой при Т=750°С, т» 1ч.

6. Выявлено и экспериментально подтверждено при испытании модели технологического устройства в условиях, максимально приближенных к промышленным, что новая технология обеспечивает многократное разовое вакуумирование герметичной мобильной системы.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Физико-химические процессы в технологии вакуумировнаия при сжигании порошка титана в среде азота / А.Л. Лысенко, А.К. Горбунов, В.В. Грачев, A.B. Буланов // Наукоемкие технологии. - 2008. -Т.9, №10. - С. 25-31.

2.Шаталов В.К., Буланов A.B., Лысенко А.Л. Физическая интерпретация энерготехнологических координат // Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2000. - С.18.

3.Шаталов В.К., Лысенко А.Л. Параметры и безразмерные комплексы, обоб-

щающие энерготехнологические процессы // Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2000. - С. 25.

4.Лысенко A.JI., Горбунов Е.А., Горбунов A.K. е -энтропия и скорость создания сообщений без предвосхищения и с прогнозом //Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. - С. 18.

5.Горбунов А.К., Лысенко А.Л., Горбунов Е.А. £-энтропия с задержкой при малой среднеквадратической ошибке воспроизведения // Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - С. 20.

6.Горбунов Е.А., Горбунов А.К., Лысенко А.Л. s -энтропия с прогнозом гаус-совского сообщения и гауссовского источника // Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. -С. 22.

7.Лысенко А.Л., Горбунов А.К., Горбунов Е.А. Вычисление энтропии с экстраполяцией гауссовского сообщения //Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. - С. 24.

8.Лысенко Л.В., Буланов A.B., Лысенко А.Л Оценка кинетики энерготехнологических процессов // Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. - С. 46.

9.Философия кинетики / Л.В. Лысенко, A.B. Буланов, А.Л. Лысенко,

B.А. Шишкин // Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы,- М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. - С.151.

Ю.Лысенко Л.В., Лысенко А.Л., Шишкин В.А. Оценка кинетики энерготехнологических процессов при утилизации пропульсивных комплексов // Экологические проблемы утилизации АПЛ и развитие ядерной энергетики в регионе: Сборник трудов международной конференции. - М., 2003. -

C.94-95.

11.Lisenko A., Shatalov V., Lisenko S. Energy-Technological Processes in Elements of Marine Engineering // International Conference on Maritime Technology. - Taipei, 2007. - P. 123-128.

12.Теоретические основы логистических, финансовых, транспортно-кинетических процессов / В.И. Воронов, Е.А. Горбунов, А.Л. Лысенко и др. // Вестник Государственного университета управления. - 2007. - №7. -С.139-149.

13.Кинетика роста толщины оксидных пленок на титане / В.К. Шаталов, С.Е. Степанов, А.Л. Лысенко, В.В. Травин // Коррозия: материалы, защита. -2008,- №10.-С.42-44.

Лысенко Андрей Леонидович

Физические процессы, протекающие при сжигании порошка титана в среде азота, и разработка на их основе технологии вакуумирования

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 19..11.08 Формат бумаги 60^84 1/16 Печ. л. 2 Тираж 80 экз. Заказ № 165 Калужский филиал МГТУ им. Н.Э. Баумана. 248600, Калуга, ул. Баженова, 2

Введение.

Глава 1. Физические процессы, происходящие при переносе вещества, энергии и импульса.

1.1. Диффузионная транспортировка вещества. Одномерный диффузионный перенос вещества. Первый закон Фика.

1.2. Транспортировка вещества в трехмерном пространстве. Второй закон Фика

1.3. Безразмерные диффузионные критерии.

1.4. Понятие о диффузионном пограничном слое. Тройная аналогия.

1.5. Транспортное уравнение теплопроводности Фурье.

1.6. Коэффициент теплопроводности.

1.7. Уравнение теплопроводности для трехмерного температурного поля.

1.8. Безразмерные комплексы для оценки процессов теплопроводности.

1.9. Транспортные уравнения переноса импульса.

1.10.Транспортные уравнения переноса импульса Ньютона.

1.11.Транспортировка импульса в трехмерном пространстве.".

Выводы по первой главе

Глава 2. Теоретические основы транспортно-кинетических процессов при горении титана в азоте и техника эксперимента.

2.1. Диффузионная аналогия энерготехнологических процессов.

2.2. Кинетическая аналогия энерготехнологических процессов.

2.3. Энерготехнологическая интерпретация аналогии Рейнольдса.

2.4. Энерготехнологические координаты.

2.5. Параметры и безразмерные комплексы, обобщающие энерготехнологические процессы.

2.6. Физическая интерпретация энерготехнологических координат.

2.7. Безразмерный параметр Т.

2.8. Безразмерная величина энерготехнологической эффективности.

2.9. Безразмерный комплекс Ф.

2.10. Разрушение твердых тел.

2.11. Энерготехнологическая интерпретация числа Re.

2.12. Кинетика импульса.

2.13. Экспериментально-теоретические исходные данные по горению титана в азоте для вакуумиоования систем.

J Стр.

2.15. Исходные данные по горению пластин в сухом азоте.

2.16. Постановка задач, определяющих конструкцию экспериментальной установки.

2.16.1. Конструкция экспериментальной установки.

2.16.2. Исходные данные по горению пластин во влажном азоте.

2.17. Техника эксперимента.

2.18. Работоспособность устройства после длительного хранения.

2.19. Структура и прочность образцов.

2.20. Исходные данные при максимальной загрузке газопоглотительного устройства.

2.21. Состав газа в реакторе после горения.

2.22. Оценка качества титанового порошка.

Выводы по второй главе.

Глава 3. Экспериментальные исследования транспортно-кинетических процессов при горении титана в азоте.

3.1. Исследования с целью оптимизации транспортно-кинетических процессов при изменении формы образцов титана (форма сплошных цилиндров).

3.2. Исследование с целью оптимизации транспортно-кинетических процессов при изменении формы образцов титана (формы втулок).

3.3. Сравнение результатов транспортно-кинетических процессов при изменении формы образцов титана.

3.4. Оптимизация стадии транспортно-кинетических процессов в момент инициирования процесса газопоглощения.

3.5. Влияние места инициирования на характеристики транспортно-кинетических процессов.

3.6. Влияние конфигурации расположения воспламенительных таблеток на характеристики транспортно-кинетического процесса.

3.7. Использование быстрогорящих лент на стадии процесса транспортировки (распространения) фронта горения.

3.8. Определение параметров кинетического процесса горения титана в азоте.

3.9. Анализ транспортного (диффузионного) процесса горения титана в азоте.

3.10. Анализ кинетического процесса горения.

3.11. Оценка качества макрокинетического процесса применительно к разомкнутым системам.

Выводы по третьей главе

Глава 4. Применение и исследование температурного режима газопоглотительного устройства.

4.1. Модернизация экспериментальной установки для исследования транспортировки энергии от газопоглотительного устройства.

4.2. Температурное поле и характеристики процесса транспортировки тепловой энергии.

4.3. Оптимизация теплоизоляции газопоглотительного устройства.

4.4. Отработка конструкции теплоизоляции.

4.5. Оптимальная конструкция изоляции.

Выводы по четвертой главе.

Вакуумирование - технологический процесс, который используется в различных отраслях промышленности. В качестве технологических систем вакууми-рования в зависимости от назначения используют вакуумные механические насосы, компрессоры (турбоэксгаустеры), эжекгорные системы с использованием в качестве рабочей среды воды, пара или газа.

Для транспортных лазерных установок, например, в составе систем вакуу-мирования используются компрессоры серийных авиадвигателей доработанных для решения соответствующих задач [1]. При этом служебные качества таких систем вакуумирования зависят от решения задач по минимальным массогабарит-ным размерам (с учетом потребляемых энергоресурсов) и готовности ввода в действие.

Актуальность темы. Физические процессы, протекающие при высоких температурах при взаимодействии азота с титаном, вызывают особый интерес в связи с необходимостью отработки процесса горения порошка титана для технологии вакуумирования в компактных мобильных установках. Технологический высокотемпературный физико-химический процесс включает инициирование и горение титана в среде азота.

Использование порошка титана для компактных систем вакуумирования обеспечивает технологическому процессу спектр служебных свойств, из которых необходимо выделить: отсутствие энергозатрат от посторонних источников, минимальные массогабаритные характеристики технологического оборудования, незначительное выделение в вакуумируемую среду посторонних примесей, надежность функционирования в течении длительного времени.

В отечественных и зарубежных научных публикациях технология горения (окисления) титана рассматривается в основном с позиции пожаробезопасности. Отечественные исследования достаточно подробно обобщены в научно-техническом сборнике «Авиационные материалы и технологии» [1]. Авторы публикации отмечают, что постановка и решение задач по пожаробезопасности зависит в основном от изучения двух факторов: инициации (самовозгорания)' и кинетики горения титана.

При исследовании служебных свойств титанового порошка применительно к технологии вакуумирования в настоящей диссертационной работе впервые рассматривается и обосновывается комплексный энерготехнологический процесс, который включает: предварительное прессование порошка титана до нормируемой плотности в таблетки, транспортировку азота и кинетику регулирования титана с азотом в зоне горения, газовыделение адсорбированных газов, коагуляция расплавленных частичек титана, изменение структуры прессованных таблеток, изменение прочностных свойств таблеток титана и их долговечность.

Постановка и рассмотрение перечисленных в комплексе задач в литературных источниках отсутствует. Это определяет актуальность проблемы, решение которой представлено в настоящей диссертационной работе.

Цель диссертации. Исследование физических процессов, протекающих при взаимодействии титана с азотом в условиях высокотемпературного синтеза, разработка на этой основе технологии комплексного транспортно-кинетического процесса горения титанового порошка в азоте и создание на этой основе опытного технологического оборудования для компактных мобильных систем вакуумирова-ния.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

• разработка математической модели транспортно-кинетического процесса горения титанового порошка в азоте;

• создание экспериментальной установки для определения кинетических зависимостей горения титана;

• разработка методики и определение параметров кинетического процесса горения титана в азоте;

• разработка теоретических зависимостей макрокинетического процесса применительно к замкнутым и разомкнутым промышленным системам;

• отработка теплоизоляции модели газопоглотительного промышленного устройства.

Научная новизна:

1. Впервые на основе математической модели изучен энерготехнологический процесс горения прессованного порошка титана в азоте. Научно обоснованна и исследована применительно к промышленным требованиям технология вакуумирования на базе сжигания элементов из порошка титана в азотной среде.

2. Теоретически обоснованны и экспериментально подтверждены оптимальные параметры технологии вакуумирования замкнутых систем объемом 0,07 м3 за время менее 100 с до давления 50 кПа при сжигании элементов из порошка титана в среде азота.

3. Впервые экспериментально определены константы скорости кинетического процесса вакуумирования замкнутых систем при сжигании порошка титана в среде азота.

4. Теоретически обоснованны и экспериментально достигнуты оптимальные параметры исходных прессованных элементов из титанового порошка. Показано, что плотность этих прессованных титановых элементов должна составлять 1500 - 2000 кг/м3.

5. Экспериментально определено, что при отжиге (Т=750°С,Т=1ч) титановых элементов с плотностью 1650 кг/м3 прочность образцов увеличивается в 2,5 раза, что обеспечивает при промышленном использовании длительность хранения при эксплуатационных условиях.

Научная достоверность результатов работы основана на экспериментальных данных полученных на модельных технологических установках, которые согласуются с теоретическими оценками. Достоверность данных обусловлена применением апробированных методик измерений, повторяемостью результатов многократных экспериментов и проверкой разработанной технологии в условиях приближенных к промышленным.

Практическая значимость.

1. Разработана новая технология вакуумирования и предложена к внедрению в компактных мобильных систем.

2. Новая технология вакуумирования характеризуется минимальными массо-габаритными характеристиками, отсутствием внешних энергоисточников и надежностью функционирования при многократном разовом использовании после длительного хранения в режиме готовности, что является определяющим для внедрения в компактных мобильных системах.

3. Разработано модельное устройство с требуемыми характеристиками, которое многократно прошло опытные испытания максимально приближенные к промышленным.

Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научных и научно-технических конференциях в т.ч. на международной конференции "Экологические проблемы утилизации АПЛ и развитие ядерной энергетики в регионе", 2003г., Владивосток; International Conference on Maritime Technology JCMT 2007, 2007, Taipei, Taiwan.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 13 работах, которые представлены в списке литературы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (64 наименования), приложения.

Общие выводы и заключение

В данной диссертационной работе изучены физические процессы, протекающие при горении титана в среде азота, на основе чего представлена новая технология вакуумирования для компактных мобильных систем.

Получены следующие основные результаты, подтверждающие научную новизну работы и ее практическую значимость.

1. Разработана и экспериментально подтверждена математическая модель физического процесса горения порошка титана в среде азота в вакуумируемом объеме.

2. Теоретически обоснована и экспериментально определена константа скорости процесса вакуумирования замкнутых, герметичных систем, которая составляет К«0,1с"1.

3. Экспериментально определены оптимальные параметры технологии вакуумирования замкнутых систем объемом 0.07 м3 за время менее 100 с в диапазоне давлений от 100 до 50 кПа.

4. Результаты выполненных исследований позволяют установить параметры для новой технологии вакуумирования:

- для обеспечения параметров транспортировки (диффузии) азота через сгоревший титан необходимо иметь строго определенный гранулометрический состав титанового порошка: остаток на сите 0,045 - 85%, проход через сито 0,28 - 100%, насыпная плотность исходного порошка - 800 кг/м3;

- плотность титанового порошка в прессованных таблетках должна составлять 1500-2000 кг/м3.

5. Установлено, что для обеспечения долговременного функционирования мобильных систем необходимо обеспечить дегазацию и прочностные свойства прессованных титановых элементов, для чего экспериментально определена технология отжига, обеспечивающая увеличение прочности титановых таблеток в 2,5 раза термообработкой при Т=750°С, г» 1ч.

6. Новая технология обеспечивает многократное разовое вакуумирование герметичной мобильной системы, что экспериментально подтверждено при испытании технологического устройства в условиях, моделирующих реальный процесс.

1. Абианц В.Х. Теория авиационных газовых турбин. - М: Машиностроение, 1979. -246 с.

2. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. Б.А. Введенский, Б.М. Вул. М.: Советская энциклопедия, 1966. - Т. 5. - 576 с.

3. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976. - 888 с.

4. Абрамович Г.Н. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов и поиске оптимальных решений. М.: Наука, 1971. - 283 с.

5. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен.-М.: Мир, 1990.-Т.1.-384 с; Т.2.-392 с.

6. Термогазодинамика пожаров в помещениях / В.М. Астапенко, Ю.А. Кошмаров, И.С. Молчадский, А.Н. Шевляков. М.: Стройиздат, 1986. - 370с.

7. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. -М.: Наука, 1982.-392 с.

8. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. М.: Наука, 1984.-520 с.

9. Березин В.И., Клесов А.А. Практический курс химической и ферментативной динетики. М.: Изд. МГУ, 1976. - 320 с.

10. Васенин И.М., Рынков А.Д. Численное решение задачи о смешанном осесиммет-ричном течении газа в некоторых криволинейных областях методом установления // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. -1971. № 1. - С.155-159.

11. Гухман А.А. Введение в теорию подобия. М.: Высшая школа, 1968. -254 с.

12. Давыдов Ю.М., Скотников В.П. Метод крупных частиц: вопросы аппроксимации, схемной вязкости и устойчивости. М.: ВЦ АН СССР, 1978. - 72 с.

13. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. М.: Госэнергоиздат, 1962. -671 с.

14. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. М.: Энергия, 1974. - 592 с.

15. Дельмон Б. Кинетика гетерогенных реакций. М.: Мир, 1972. - 554 с.

16. Дьячков В.И. Высокотемпературное окисление циркония в атмосфере водяного пара // Прикладная химия. 1991. - №10. - С.2029-2036.

17. Зайдель АН. Ошибки измерений физических величин. Л.: Наука, 1974. - 108 с.

18. Еремин Е.Н. Основы химической кинетики. М.: Высшая школа, 1976. - 374 с.

19. Костецкий Б.И., Носовский И.Г. Надежность и долговечность машин. Киев: Техника, 1975.-408 с.

20. Физические величины: Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мелихова.

21. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

22. Левин В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физ.-мат. литература, 1959. -699 с.

23. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. - 848 с.

24. Лошкарев В.А., Никитин А.Т. Теплозащитные покрытия в динамике сплошных сред. Ростов на Дону: Изд. Ростовского государственного университета, 1982. -256 с.

25. Лошкарев В.А. Диагностика пристенных пограничных слоев на поверхности абли-рующих материалов // ТВТ. 1985. - Т.31, №3. - С.418-425.

26. Таблицы физических величин / Под ред И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. -1005 с.

27. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1989. -608 с.

28. Налимов В.В. Теория эксперимента. -М.: Наука, 1971.-283 с.

29. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 148 с.

30. Пирумов У.Г., Росляков Г.С. Численные методы газовой динамики. М.: Высшая школа, 1987.-232 с.

31. Повх И.Л. Техническая гидромеханика. Л.: Машиностроение, 1976. - 502 с.

32. Ривкин СЛ. Термодинамические свойства газов: Справочник. М.: Энергоиздат, 1987.-288 с.

33. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие. Л.: Химия, 1982. - 592 с.

34. Рынков А. Д. Математическое моделирование газодинамических процессов в каналах и соплах. М.: Наука, 1988. - 222 с.

35. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. М.: Мир, 1991. -Т. 1 -504 е.; Т.2.-552 с.

36. Численное решение многомерных задач газовой динамики / Под ред. С.К. Годунова. М: Наука, 1976.-400 с.

37. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969. - 712 с.

38. Эммануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. М.: Высшая школа, 1974.-400 с.

39. Радиационные свойства газов при высоких температурах / В.А.Каменщиков, Ю.А. Пластинин, В.М. Николаев, Л.А. Новицкий. М.: Машиностроение, 1971. -440 с.

40. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М.:1. Атомиздат, 1962. 320 с.

41. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. -М.: Изд. иностранной литературы, 1963.-415 с.

42. Карслой Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел: Пер. с английского. М.: Мир, 1964.-545 с.

43. Термодинамические свойства неорганических веществ: Справочник / Под ред. А.П. Зефирова. М.: Атомиздат, 1965. -460 с.

44. Венер Р. Термохимические расчеты: Пер. с английского. М.: Изд-во иностранной литературы, 1950. - 217 с.

45. Гурвич A.M., Шаулов Ю.Х. Термодинамические исследования методом взрыва и расчеты процессов горения. М.: Изд-во МГУ им. М.В. Ломоносова, 1955. - 310 с.

46. Кубашевский О., Эванс Э. Термохимия и металлургия. М.: Изд-во иностранной литературы, 1954. - 360 с.

47. Кинджери В.Д. Измерение при высоких температурах. М.: Металлургиздат, 1963.-243 с.

48. Мотт Б.В. Испытание на твердость микровыдавливанием. М.: Металлургиздат, 1960.-228 с.

49. Герцрикен С.Д., Дехтяр И.Я. Диффузия в металлах в твердой фазе. М.: Физмат-издат, 1960.-410 с.

50. Еременко В.Н. Титан и его сплавы. Киев: Изд-во АН УССР, 1960. - 368 с.

51. Липсон Г., Стипл Г. Интеграция порошковых рентгенограмм / Под ред. академика Н.В. Белова. М.: Мир, 1972. - 438 с.

52. Испытание материалов: Справочник: Пер. с немецкого / Под ред. X. Блюменау-эра. М.: Металлургия, 1979. - 286 с.

53. Шаталов В.К., Буланов А.В., Лысенко А.Л. Физическая интерпретация энерготехнологических координат // Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2000 - С.18.

54. Шаталов В.К., Лысенко А.Л. Параметры и безразмерные комплексы, обобщающие энерготехнологические комплексы // Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2000. - С. 25.

55. Лысенко А.Л., Горбунов Е.А., Горбунов А.К. б -энтропия и скорость создания сообщений без предвосхищения и с прогнозом // Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. - С.18.

56. Лысенко А.Л., Горбунов А.К., Горбунов Е.А. Вычисление энтропии с экстраполяцией гауссовского сообщения // Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004, С. 24.

57. Лысенко Л.В., Буланов А.В., Лысенко А.Л Оценка кинетики энерготехнологических процессов // Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. С. 46.

58. Философия кинетики / Л.В. Лысенко, А.В. Буланов, А.Л. Лысенко, В.А. Шишкин // Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. С.151.

59. Lisenko A., Shatalov V., Lisenko S. Energy-Technological Processes in Elements of Marine Engineering // International Conference on Maritime Technology. Taipei, 2007. -P. 123-128.

60. Теоретические основы логистических, финансовых, транспортно-кинетических процессов / В.И. Воронов, Е.А. Горбунов, А.Л. Лысенко и др. // Вестник Государственного университета управления. 2007. - №7. - С.139-149.

61. Кинетика роста толщины оксидных пленок на титане / В.К. Шаталов, С.Е. Степанов, А.Л. Лысенко, В.В. Травин // Коррозия: материалы, защита. 2008. - №10.-С. 42-44.

62. Физико-химические процессы в технологии вакуумировнаия при сжигании порошка титана в среде азота / А.Л. Лысенко, А.К. Горбунов, В.В. Грачев, А.В. Буланов // Наукоемкие технологии. 2008. - Т. 9, №10. - С. 25-31.