СВС-измельчение тугоплавких бескислородных соединений металлов (на примере карбида титана) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

на правах рукописи

МАЙЗЕЛИЯ Аркадий Викторович

СВС-ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ ТУГОПЛАВКИХ БЕСКИСЛОРОДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МЕТАЛЛОВ (НА ПРИМЕРЕ КАРБИДА ТИТАНА)

Специальность 01.04.17 - химическая физика, в том числе физика горения и взрыва

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка 1996

Работа выполнена в лаборатории пластического деформирования Института структурной какрокинетмкк РАК.

"Научные руководите^и

доктор $мзико-математическпу. наук, профессор Столин

доктор физико-математических наук, профессор Барэыхин

- Официальные оппснакты: доктор технических наук, профессор Юхвид кандидат- химических наук Вабак В.Н.

Ведущая организация Московский Институт' стали и сплавов

Защита состоится " /< " >(.(->__19Э6п, в /0

на заседании диссертационнопо совета Д 002.50.01 при

Институте структурной макрокииетики РАН по адресу: 142432, П.Черноголовка, Ногинского района. Московской

области, ИСМДН,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотек' Института структурной макрокмне-тики РАН.

Г>

Автореферат разослан " ¿уо^Ус 19Э5 г.

7

Ученый секретарь к-

диссертадионного совета кандидат физико-

А,М

В. Е.

математических наук

Общая характеристика работы. Актуальность проблемы.Современная техника применяет все более высокие требования к эксплуатационным свойствам применяемых материалов и изделий из них. При решении этой проблемы особое место занимают порошки тугоплавких бескислородных соединений, обладающие набором уникальных свойств: высокой твердостью, износостойкостью, жаропрочностью, стойкостью к коррозии.

Однако получение порошков тугоплавких бескислородных соединений сопряжено с преодолением определенных трудностей. Синтез подобных соединений проходит при высокой температуре, что обуславливает необходимость высоких энергозатрат, кроме того, получение порошков включает в себя такую трудоемкую операцию, как измельчение.

Открытие процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза позволяет принципиально по-новому подойти к проблемам получения тугоплавких бескислородных соединений и изделий из них, поскольку открывается возможность разработки методов, сочетающих процессы горения в экзотермической смеси исходных компонентов и пластического деформирования продуктов реакции с использованием выделившегося в ходе реакции тепла. Эти методы (СВС-прессование, СВС-прокатка, СВС-экструзия) обеспечивают синтез материала и получение из него изделия в одну технологическую стадию и в одной установке. Особенность таких процессов состоит в том, что проблемы получения материала и изделия из него становятся взаимосвязанными.

Процесс сдвигового деформирования полезным образом используется и в новом методе получения порошков тугоплавких бескислородных материалов, названном СВС-измельчением. Этот способ включает в себя синтез мат-риала в волне горения и измельчение его путем сдвигового деформирования. Как и другие СВС-технологии, он не требует больших энергозатрат, сложного технологического оборудования, большого промежутка времени от начала процесса до получения готового порошка.

Необходимо отметить, что практическая реализация СВС-измельчения требует изучения влияния на процесс всех технологических параметров, исследования их вза-

имосвязи с качеством получаемого порошка, а также разработки теоретических моделей процесса.

В связи с этим экспериментальное и теоретическое исследование СВС-измельчения, проведенное в настоящей работе является актуальным.-

Целью настоящей диссертационной работы является: -разработка процесса СВС-измельчения и его теоретическое и экспериментальное изучение;

-создание экспериментальной установки для реализации нового технологического метода - СВС-измельчения; -исследование технологических режимов СВС-измельчения для системы Т1-С;

-выявление характера влияния на процесс основных технологических параметров и нахождение области их оптимальных значений;

-проведение анализа качества получаемого порошка и его взаимосвязи с параметрами процесса;

-теоретическое описание процесса СВС-измельчения, исследование влияния технологических параметров на протекание процесса, выявление условий реализации различных технологических режимов.

Научная новизна результатов, изложенных в данной работе состоит в том, что в ней впервые: -предложен новый способ получения порошков бескислородных тугоплавких соединений, включающий синтез материала в волне горения и измельчение его с помощью сдвигового деформирования.

-обнаружены различные режимы измельчения, выявлена природа их возникновения и условия реализации того или иного режима. Исследовано влияние на процесс основных технологических параметров и область их оптимальных значений;

-разработаны математические модели СВС-измельчения, на основе которых дано теоретическое описание экспериментально обнаруженных эффектов.

Практическая ценность полученных результатов состоит в том, что разработан и описан процесс СВС-измельчения для системы Тп.С, позволяющий получать порошки тугоплавких бескислородных соединений в одну технологическую стадию (без измельчения холодного продукта синтеза. Найденные закономерности позволяют выбирать оптимальные режимы получения порошков СВС-материалов.

Отдельные части работы докладывались на:

- 3-ем международном симпозиуме по СВС, Вухан, Китай, 1995;

- 18-ом международном симпозиуме по реологии, Карачарово, 1996.

По материлам работы имеются 5 публикаций, две работы в печати. Диссертация содержит стр. машинописного текста, рисунка и список литературы, включающий 97 наименований. Работа состоит из введения, шести глав и выводов.

Основное содержание работы.

Во введении отражена актуальность работы, отмечена прикладная и теоретическая ценность изложенных результатов .

Первая глава диссертации посвящена анализу существующих методов получения порошков тугоплавких бескислородных соединений, отмечены их достоинства и недостатки. Указано на существование СВС-технологий, обладающих рядом преимуществ по сравнению с другими способами обработки и получения изделий из тугоплавких соединений металлов. Отмечена проблема теоретического описания процессов горячего уплотнения. Приведен обзор способов теоретического моделирования поведения горячих порошковых материалов в условиях сдвигового деформирования как в изотермическом, так и в неизотермическом случаях.

Во второй главе описано оборудование для нового технологического процесса СВС-измельчения, приведена схема экспериментов. Отражены методы приготовления шихты и исходных образцов. Указаны методики химического и физического исследования продуктов СВС-измельчения.

Экспериментальная установка (рис.1) состоит из открытого с двух концов цилиндрического реактора, снабженного графитовой футеровкой (1), заключенной в стальной стакан (2) . Реактор заключен в рубашку охлаждения (3) . Для помещения шихты внутрь реактора предусмотрено загрузочное окно (4) . Один конец реактора при экспериментах закрывается ротором (5), посредством вращения которого измельчается продукт горения. Инициирование реакции производится вольфрамовой спиралью (6), которая вводится внутрь реактора через предусмотренное для нее отверстие. Прореагировавшая смесь приводится в контакт с ротором поршнем на пневмо-гидравлической подаче (7) .

Между ротором и стенкой реактора существует зазор, через который порошок высыпается наружу.

СВС-измельчение проводилось при фиксированных в течение эксперимента значениях параметров (давление подачи, частота оборотов ротора, время задержки). Диапазон изменения параметров: число оборотов ротора, определяющее скорость его вращения 225-г1550 об/мин; давление подачи (давление на поршне) кг/см2; время

задержки измельчения, отсчитываемое от момента инициирования реакции до подачи давления на поршень О-т-бОсек.

Спрессованная шихта через загрузочное окно помещалась внутрь реактора и приводилась в соприкосновение со спиралью инициирующего устройства. Диаметр заготовок мог совпадать с внутренним диаметром реактора (25 мм), а мог быть и несколько меньше (20 мм). С одной стороны в реактор вводился уже вращакйщийся ротор, а с другой стороны реактор закрывался поршнем. При пропускании по вольфрамовой спирали электрического тока, в образце возбуждалась волна синтеза, распространяющаяся от дальнего от поршня торца образца к ближнему. Через некоторое время после прохождения волны, называемое временем задержки, на поршень подавалось давление, и он приводил прореагировавший материал в контакт с ротором. В результате интенсивного сдвигового деформирования продукт синтеза измельчался и высыпался наружу. Эксперимент считался завершенным тогда, когда порошок переставал высыпаться, т.е. когда измельчение прекращалось.

В ходе эксперимента регистрировалось количество измельченного продукта синтеза. Фиксировались параметры процесса: давление подачи, частота оборотов ротора, время задержки измельчения. Для определения кинетики измельчения определялся выход продукта в каждый момент времени в ходе эксперимента. Исследовались зависимости количества измельченного продукта синтеза от давления подачи, частоты оборотов .ротора, времени задержки.

После окончания эксперимента продукт СВС-измельчения взвешивался и подвергался химическому, рентгенофазному и гранулометрическому анализу.

В качестве исследуемого материала использовалась смесь титана и сажи, из которой вследствие автоволнового процесса синтезируется карбид титана Тд.С. Выбор со-

става исходной шихты обусловлен простотой организации условий проведения синтеза, и большим количеством информации о химических и технологических характеристиках порошков Tic, полученных другими способами.

Исходная шихта получалась путем смешения порошков титана (Ti- ПТС, полидисперсный) и сажи в пропорции, соответствующей составу стихеометрической смеси реакции Ti+C=TiC. В ряде экспериментов к смеси порошков титана и сажи добавлялось небольшое количество порошков полиэтилена (3-10%), или аммиачной селитры (до 5%)для увеличения пористости материала после синтеза.

Исходная шихта спрессовывалась в цилиндрические образцы в прессформах предварительного прессования диаметром 20 и 25 мм. Вес каждого исходного образца 25 г. Давление предварительного прессования 20 кг/см2.

По окончании экспериментов полученный порошок подвергался исследованию на химический и фазовый состав, проводился гранулометрический анализ.

В третьей главе представлены результаты исследования технологических режимов СВС-измельчения, раскрыты основные стадии и процессы происходящие на каждой стадии. Указаны главные технологические параметры, определяющие ход процесса СВС-измельчения и на его итоговые результаты. Описан характер влияния главных технологических параметров на количество и качество получающегося порошка. Приведены результаты химического исследования порошка и его гранулометрического анализа.

В технологическом процессе СВС-измельчении можно выделить следующие основные стадии:

1. Загрузка. Шихта помещается внутрь реактора и приводится в соприкосновение со спиралью инициирющего устройства .

2. Инициирование и синтез. При пропускании по спирали электрического тока возбуждается реакция, по образцу проходит волна синтеза. Волна распространяется в направлении, противоположном направлению последующего приложения давления.

3. Выдержка. После прохождения синтеза требуется некоторое время перед началом измельчения (время задержки) для окончания пост-процессов (структуро- и фазообразо-вание и т.д.).

4. Измельчение. На поршень подается давление, он приводит продукт реакции в контакт с вращающимся ротором. Под действием сдвиговых нагрузок материал измельчался и высыпался наружу.

Для изучения скорости измельчения материала и ее зависимости от технологических параметров была проделана серия эксприментов, где изучался массовый выход порошка во времени. На рис.2 представлены кривые зависимости изменения массы измельченного порошка' Дт от времени t, полученные при различных временах задержки. Общая масса измельченного порошка с течением времени увеличивается. Однако имеет место тенденция к насыщению, и можно указать предельный выход Дт».

На рис.3 представлена зависимость предельного выхода продукта от давления подачи. Зависимость имеет экстремальный характер. При низких давлениях подачи выход продукта мал. С увеличением давления выход растет, однако по достижении некоторой величины с дальнейшим ростом давления подачи происходит резкое уменьшение выхода продукта.

Зависимость предельного выхода продукта от частоты вращения ротора представлена на рис.4. Рост выхода продукта соответствует увеличению скорости вращения ротора.

Интересные результаты получены при исследовании зависимости выхода продукта от времени задержки для смесей, содержащих небольшой процент газифицирующих добавок (3%—8% порошка полиэтилена). На рис.5 представлена зависимость выхода предельного продукта от давления подачи для смеси, содержащей 3% полиэтилена при трех различных временах задержки. Зависимость предельного выхода продукта от времени задержки (рис.6) имеет максимум.

Анализ качества получающегося порошка проводился путем сравнения химического состава продукта, его дисперсности й микроструктуры с дисперсностью, составом и микроструктурой, принятыми для стандартного порошка карбида титана.

Результаты гранулометрического анализа продукта представлены в таб.1. Порошок, полученный в результате горячего измельчения продуктов горения содержит в себе

больше мелкой фракции, доля крупных частиц меньше, чем в стандартном распределении, кроме того отсутствует бимодальность, характерная для порошка, получаемого традиционными методами. Примечательно, что распределение частиц по размерам зависит от набора технологических параметров.

Результаты химического анализа представлены в таб.2. Максимум содержания свободного углерода совпадает с максимумом выхода порошка по давлению, т.е. с наиболее эффективными сдвиговыми нагрузками. Однако небольшое отклонение от этого давления .подачи приводит к,резкому уменьшению содержания свободного углерода. В силу того, что максимум выхода продукта в зависимости от давления подачи не столь резок, то легко указать режимы, при которых выход продукта почти максимален,а содержание свободного углерода не превышает допустимых норм.

При проведении экспериментов по СВС-измельчению был обнаружен ряд интересных эффектов. Как правило, через некоторое время после начала измельчения СВС-продукт начинал оказывать сопротивление сдвиговым нагрузкам, скорость измельчения падала, в результате чего измельчить остаток в пределах возможностей установки не представлялось возможным. Однако, подбирая специальным образом технологические параметры, удавалось измельчить продукт полностью до обретения им чрезмерной прочности. Соответствующие режимы были названы режимами полного и неполного измельчения. Реализация того или иного режима определяется исходым составом шихты и набором технологических параметров.

Обсуждение полученных результатов проведем на основе общих представлений о механизме процесса. Продукт горения (сразу же после завершения автоволнового процесса}* не является, строго говоря, конечным продуктом. Химические процессы в нем могут быть завершены, но некоторые физико-химические поцессы (кристаллизация и рекристаллизация, снекание и др.) продолжают протекать еще в течение некоторого времени. Приложение давления до завершения этих процессов приводит к появлению в массе измельченного продукта фрагментов несформирован-ного материала. При увеличении времени завершается формирование метериала во всем объеме, однако спекание и

остывание уменьшает способность материала к пластическому деформированию. Таким образом существуют, оптимальные температурно-временные интервалы, в которых механические воздействия на СЗС-продукты наиболее эффективны. Вне этих интервалов механическая обработка продуктов горения не дает желаемых результатов.

Границы оптимального временного интервала зависят не только от температуры и глубины завершения брутто пост-процессов, но и от технологических параметров: числа оборотов измельчительного устройства и давления подачи. Увеличение числа оборотов ротора ускоряет процесс измельчения и позволяет переработать больше продукта. Более сложная зависимость имеет место при увеличении давления подачи Р (рис.3). Влияние Р носит двоякий характер. С одной стороны он опредяет производительность при транспорте измельченного материала, и с этой точки зрения выгодно большее Р. С другой стороны давление подачи влияет на уплотнение материала, при этом интенсифицируется процесс спекания, что приводит к увеличению прочности структурного каркаса и уменьшению выхода продукта. Поэтому по величине Р имеет место оптимум.

В четвертой главе приведены теоретические модели процесса СВС-измельчения. Показана возможность описывать процесс СВС-измельчения как из общих соображений теории спекания и теплоотвода, так и путем построения гидродинамической модели течения вязко-сжимаемой среды. Приведены основные допущения и исходные данные, произведен анализ полученных теоретическим образом разульта-тов.

Гидродинамическая модель СВС-измельчения.

При разработке модели мы не будем рассматривать протекание химической реакции, структуро- и фазообразо-вание, кристаллизацию и рекристаллизацию, связанные с синтезом материала. Рассмотрение будет включать в себя только реодинамические и тепловые процессы, свзанные с операциями уплотнения и измельчения. При этом примем следующую схему построения модели:

1) измененение реомеханических характеристик и повышение сопротивления деформации (прочности) материала учи-

тыкается через нарастание объемной и сдвиговой вяз-костей (в зависимости от плотности и температуры);

2) учитывается ограниченность температурного интервала переработки, связанного с хрупко-вязким переходом, причем в качестве характеристики этого перехода выбирается температура живучести (аналог температуры хрупко-вязкого перехода) ТЖ=ТХПВ. Температурный интервал переработки определяется: ДТ=ТГ-ТЖ

3) peoдинамический аспект процесса измельчения рассматривается как транспорт массы через выходное сечение, при этом сопротивление головки принимается "степенным" соотношением.

Система уравнений реодинамики, описывающих течение материала:

dp t d(pv) dt dz

dz

3 dz 3 dz

Здесь (i и ^-сдвиговая и объемная вязкость соответственно .

Граничные и начальные условия:

<5гг I z=Hft)=-Pr Plt=>0=Po(z) Масса всей заготовки М0, масса материала внутри камеры Mi, масса уже измельченного продукта синтеза М2. Исходя из постоянства общей массы Viz, можно записать уравнение баланса масс:

НО)

М0 = М, + М2 = J p{z,t)dz + М2 (1)

о

Исходя из равенства потоков вещества через сечение z=0, можно записать соотношение: S0pip(0,t)v(0+,t)= Sipip (0,t)V (0_, t) , (2)

здесь So и Si -площади камеры и кольцевого зазора, через который высыпается измельченный материал соответствен-

но; и V(0+, Ь) -скорости течения материала по обе

стороны от границы 2=0, рх - плотность несжимаемой основы, а р~ относительная плотность образца. Здесь мы принимем допущение, что плотность материала не изменяется при прохождении его через координату 0, иначе говоря, р(0.,1:)= р(0+,г)= р(О^).

Выражение в правой части соотношения (2) представляет собой количество измельченного материала в единицу времени.Закон сопротивления щели для потока С2=3]У(0.,<:) выглядит следующим образом:

д = = о)

¡и

ц-динамическая вязкость, Р-внешкее давление, к-коэффициент сопротивления щели п-некогорая константа.

Динамическая вязкость представляет собой следующую функцию плотности, температуры и скорости измельчения:

ц=ц0рШе1"1ехр (1/(1-©) } , где Цо~ вязкость твердой основы, е-скорость деформации, пропорциональная скорости вращения, ©-безразмерная температура, имеющая следующий вид: ©= (Тн-Т) / (Тн-Тж ), Тж -температура живучести материала, приблизительно равная температуре вязко-

кристаллического перехода, т.е. температура, при достижении которой становится невозможно измельчение материала.

Подставляя приведенные соотношения в (3) и интегрируя получаем выражение для массы измельченного продукта:

л_Л

Л ; />-'ехр(1/(1-©))

На рисунке 7 приведены кривые зависимости предельного выхода продукта от значения внешнего давления р. Кривые имеют максимум, т.е. существует некоторое оптимальное давление, при котором происходит наибольший выход продукта. Здесь же приведена экспериментальная

кривая. Экспериментальная и теоретическая зависимости имеют качественно одинаковый характер.

Зависимость предельной массы выхода от скорости вращения ротора, определяющей скорость измельчения продукта синтеза приведена на рисунке 8. Монотонный рост предельной массы измельченного продукта наблюдался также при эксперименте (рис.8, кривая 2).

Сопоставление полученных нами теоретическим образом результатов с экспериментальными данными позволяет судить о полезности выбранной модели. Поведение теоретических величин совпадает с экспериментальными результатами. Продемонстрированный подход к процессам реосин-теза позволяет лучше понять их природу.

В пятой главе сформулирована неизотермическая реодинамическая модель процесса СВС-измельчения, приведен метод расчета и алготитм численного решения. По результатам численного решения определен характер влияния основных технологических параметров процесса. Приведено сопоставление теоретических результатов с имеющимися экспериментальными данными. Показана схожесть характера влияния главных теоретических параметров в эксперименте и в результате теоретического моделирования .

Система уравнений, описывающих ход процесса состоит из уравнений реодинамики совместно с уравнением теплопроводности:

11 д1 дг ) дг\ дг) г} ^ О'

с граничными условиями

* = Я( 0: 1{р)~=-а,(Т-Ть) , ах

2 = 0: Л(р)~=а2{Г-Тй) дг

где с- удельная теплоемкость, "К- коэффициент. теплопроводности, зависящий от плотности Х{р)=\0р<, а112- коэффициенты теплоотдачи на границах материал-графит и мате-

риал-воздух соответственно.Начальное распределение температуры в образце: Т{г,0)=То(г)

Динамическая и кинематическая вязкости представляют собой следующие функции плотности, температуры и скорости деформации:

ц{р,Т,Б)=Ц1(Т)ц2(р)Цз(Е)=Ц1ехр(Е/КТ)рте1"1 5(р,Т,б) = (4/3)ц(р,Т,Е)р/1-р

Уравнение движения верхней границы: с1Н (Ъ)

Выражение баланса масс приведено выше. Задача решалась в лагранжевых координатах (х,д), связанных со средой, упрощающих решение и создающих преимущества при трактовке результов.

После численного решения системы уравнений реоди-намики и теплообмена были получены распределения плотности и температуры в образце, исследовано влияние основных технологических параметров на предельный выход продукта,

Развитие процесса СВС-измельчения зависит от разнообразных влияний режимных факторов: давления, скорости вращения ротора, времени задержки, определяемого как интервал между окончанием горения и началом подачи давления, собственных свойств материала (объемной и сдвиговой вязкостей и их зависимости от плотности), тепловыми и граничными условиями, теплофизическими характеристиками и их зависимостью от плотности, геометрическими факторами. Введем основные характерные времена процесса: время измельчения время уплотнения время остывания Ъг :

, Р = 1 / / =£¿£1

V Р' АДоя' < зр' т л

Заметим, что время пребывания продуктов горения в камере складывается из времени задержки и времени измельче-ниия.

Сформулируем некоторые общие соображения. В процессе измельчения материал уплотняется до определенного значения плотности (рис.9а). Для каждого выделенного микрообъема образца конечное значение плотности перед измельчением зависит от соотношения времен измельчения и уплотнения. На предельное значение плотности влияют

основные параметры процесса, так различные кривые рис.9а отвечают различным значениям давления Р.

Так как способность материала к пластическому деформированию определяет не только его плотность, но и температура, то оказывается важным обладать информацией о температуре материала в момент измельчения. Условие прекращения измельчения определялось достижением материалом критической точки - Тж. При низкой температуре (Т<Т„) материал теряет пластические свойства, прочность образца резко повышается и теряется способность к измельчению. На рис.96 показана зависимость температуры от массовой координаты q в момент достижения координатой q сечения измельчения. Приведены кривые, соответствующие режимам различной полноты измельчения. Организуя процесс так, чтобы время измельчения образца было меньше времени остывания материала до температуры Тж, можно добиться реализации режима полного измельчения.

На рис.10 приведена кривая зависимости предельного выхода продукта от внешнего давления Р. Кривая имеет максимум, т.е. существует некоторое оптимальное давление, при котором происходит наибольший выход продукта. С одной стороны рост давления увеличивает гидродинамический транспорт материала. Б то же время рост давления, приложенного извне к пористой среде приводит к сильному уплотнению, вследствие чего растет вязкость материала, и течение затрудняется. Здесь же приведена экспериментальная кривая. Сопоставление теоретических и экспериментальных зависимостей позволяет определить степенные показатели т, определяющий зависимость вязкости от плотности и п, характеризующий зависимость массового потока от давления. Определение этих параметров экспериментальным образом затруднено ввиду того, что результат зависит не только от конкретного значения каждого параметра, но и от их соотношения между собой. Заметим, что не для всех значений тип теоретическая зависимость М(Р) имеет немонотонный характер, как это наблюдалось в эксперименте. Это обстоятельство является дополнительным условием определения параметров шип. В данном случае оказалось, что согласие теоретических1 и экспериментальных результатов с точностью до 10% имеет место при m в диапазоне 2,5*3,5 и п от 0,15 до 0,25.

Т.о. экспериментальные изучения по измельчению СВС-материалов имеют методологическое значение, как способ определения реологического эмпирического параметра (т) в зависимости вязкости от плотности и эмпирического параметра (п), •определяющего сопротивление выходной щели, влияющего на производительность измельчения.

Одним из главных параметров процесса является время задержки измельчения tз. При малых горячие пористые структуры способны к сильному уплотнению, которое вызовет потерю материалом живучести. При увеличении времени задержки характерное время уплотнения растет, следовательно материал не столь быстро уплотняется. Дальнейшее увеличение времени задержки ведет к остыванию материала ниже температуры живучести. Для иллюстрации приведенных соображений на рис.11 представлены экспериментальная и теоретическая зависимости предельного выхода от

Полученные результаты демонстрируют возможность оптимизации процесса измельчения в зависимости от набора основных параметров процесса: режимных, плотностных и реодинамических свойств материала. Предложенная модель может быть использована для оценок реологических свойств материала.

В шестой главе рассмотрены возможности практического применения результатов работы. Представлены общие перспективы нового технологического метода получения порошков тугоплавких бескислородных соединений металлов. Раскрыта научная значимость процесса СВС-измельчения. Обсуждается возможность применения СВС-измельчения, как экспериментального метода, позволяющего определять реологические параметры Выводы;

1. Разработан новый технологический метод получения порошков тугоплавких бескислородных соединений металлов в одну технологическую стадию - СВС-измельчение. Предложена оригинальная установка для его реализации. Проведено исследование влияния главных технологических параметров на количество и качество получающегося порошка.

2. Впервые проведено экспериментальное исследование процесса СВС-измельчения. Обнаружены различные режимы

СВС-измельчения: полного инеполного. Выявлены условия реализации этих режимов.

3. Предлжены теоретические оценки изменения прочности кристаллического вещества при СВС-измельчении с учетом возможной смены механизма спекания. На основе численных расчетов по этим оценкам дается объяснение немонотонности зависимости выхода продукта от временби задержки.

4. Предложен ы различные по степени сложности реодинамические модели, позволяющие описать процесс СВС-измельчения с учетом высокотемпературного деформирования материала, уплотнения под действием внешнего давления и теплообмена. Теоретически обоснованы и определены условиянаблюдаемой в эксперименте немонотонности зависимости выхода продукта от давления подачи и времени задержки. Получено хорошее согласие теоретических и экспериментальных данных.

5. Проведено теоретическое описание наблюдающихся в эксперименте качественно различных режимов полного и неполного измельчения. Найдены критериальные условия реализации этих режимов. Обоснована возможность определения реологических параметров по экспериментально измеренной зависимости выхода продукта от давления подачи.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Мержанов А.Г, ' Столин A.M., Майзелия A.B. СВС-измельчение.- Докл. РАН 1995, т.342, № 2, стр.201-204

2. Stolin A.M., Maizelia A.V. Tecnological Peculiarityes of SHS-Desintegration.- Int.J of SHS, 1996 Vol.5, № 1, p.57-67.

3. A.V. Malzelia, A.M. Stolin, L.S. Stelmakh. Rheodynamical model of SHS-dispergation. Int. J. of SHS. 1996. Vol.5. N2.

4. A.G. Merzhanov, A.M. Stolin, A.V. Maizelia. SHS-Dispergation. In materials of 3-d International Simposium on SHS. 1995, Wuhan, China.

5. Майзелия A.B., Столин A.M., Стельмах JI.С. Реодинамическая модель СВС-измельчения. В сб. материалов 18-го международного симпозиума п.о реологии. 1996 г., Карачарово.

6. Стельмах JI.C., Майзелия A.B., Столин A.M. Реодинамик и теплообмен при СВС-измельчении. В печати (Докл. РАН)

7. A.M. Stolin, A.V. Maizelia, L.S. Stelmakh. Nonisothermal Rheodynamical model of SHS-dispergation. In press (Int. J. of SHS).

Таблица 1. РЕЗУЛЬТАТЫ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Размер, мкм Распределение, %

Р=5 атм Р=5 атм, +3% полиэтилена Р=2 атм порошок, полученный печным способом

1 40, 9

2 44, 8 50, 3 52,1

3 11,1 20, 0 30,8

4 20,9

5 12,1

6 3,7 10,4

7 12,3

8 7,8

11 12, 5

12 8,2

13

14 16, 3

16 1,5

17 и более 10,1

Таблица 2.РЕЗУЛЬТАТЫ ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

свободный углерод, о, 'о 0.3 0.7 1.2 1.6 3.2 2.4

Давление атм 2 3 4 5 6 7

Рисунок 1. Схема реактора.1-графитовая футеровка, 2-стальной стакан, З-рубашка охлажения, 4-загрузочное окно, 5-ротор, 6-спираль инициирующего устройства, 7-поршень.

10 20 30 40 50

Рисунок 2 Выход продукта во времени. Кривые 1,2,3,4 соответствуют временам задержки О, Юс, 20с, 30с.

1,0 >

М,% А 100

75

50

25

1 2 3 4 5 6 7

Рисунок 3. Зависимость выхода продукта от давления подачи. Кривая 1-диаметр образцов 2 5 мм, кривая 2-диаметр образцов 20мм.

- >

Р, атм

м,% Л 100

75 50

25

250 500 750 1000 1250

Рисунок 4. Зависимость предельного выхода от скорости вращения ротора. Кривая 1-диаметр образцов 20 мм, кривая 2-диаметр образцов 25

п, об/мин >

1,% 100 80 60 40 20

Л

2 4 6 8

Рисунок 4. Зависимость предельного выхода от давления подачи для смесей с газифицирующими добавками Кривая 1 -время задержки 2 с, кривая 2-время задержки-20 с, кривая 3-время задержки 40 с.

М, %

Р, атм >

10 20 30

Рисунок 6.Зависимость предельного выхода от времени задержки. Кривая 1-смесь "П+С+3% полиэтилена, кривая 2-Т|+С.

м/4,%

98

94

90

86

82

М, % 100

75

50

25

1 2 3 4 5 е

Рисунок 7. ЗАВИСИМОСТЬ ПРЕДЕЛЬНОГО ВЫХОДА ОТ ДАВЛЕНИЯ ПОДАЧИ. Кривые 1-теория, 2-эксперимент.

Р, атм

250 500 750 1000 1250 П, об/МИН

Рисунок ЗАВИСИМОСТЬ ПРЕДЕЛЬНОГО ВЫХОДА ОТ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА. Кривая 1-теория, 2-эксперимент.

Рисунок 9а ГРаспредеЬение плотности измельченного материала по массовой координате Ч.Кривая 1-Р=8 атм, Кривая 2-Р=5 атм

т,кА

3000

2000

1000

Ф

42;

Яз

0.2

0.4

0.6

0.8

-> Я

Рисунок 96.Распределение температуры по массовой координате q

М,% 100

80

60

2 4 6 8 Р, а™

Рисунок 10 Зависимость предельного выхода от давления подачи. Кривая 1- теория, кривая 2-эксперимент.

м, %

100

80

60

40

20

10 20 30 40

Рисунок 11. Зависимость предельного выхода от времени задержки. Кривая 1- теоретическая, кривая 2-экспериментальная.

1, С