Моделирование процесса взаимодействия газов при просачивании через высокотемпературные титановые фильтры

Актуальность темы

В ряде прецизионных технологических процессов с использованием высоких температур широко применяют защитные инертные газы (аргон, гелий) и рабочие активные среды, например, азот.

Инертные защитные среды при обработке таких химически активных материалов как титан, молибден, цирконий, магний, алюминий должны содержать минимальное количество примесей, исключающее возможность окисления металлов.

2 3.

Применяемый в производственных условиях вакуум, 1(П — 10″ Па, содержит достаточно большое количество активных примесей (кислорода до 0,0003%- азота до 0,001% и др.). Аргон высшего сорта, поставляемый по ГОСТ 10 157–79, содержит кислорода 0,0007%- азота 0,006%- влаги до 0,007 о о г/м~, что больше, чем в атмосфере, разреженной до 10° Па.

При высокотемпературной обработке в этих средах химически активных металлов происходит их взаимодействие с остаточными газами, что приводит к образованию соединений типа оксидов, нитридов, наводораживанию и в конечном итоге, к нарушению технологии изготовления и свойств конструкций.

Поэтому в настоящее время одной из актуальных задач является получение сред с высокими защитными свойствами, т. е. с низким содержанием активных газовых примесей.

Эта задача может быть решена созданием и использованием фильтров тонкой очистки, принцип действия которых основан на адсорбции и последующей абсорбции активных газовых примесей, содержащихся в защитной среде при ее прохождении через нагретый до высоких температур пористый материал.

Создание и применение таких фильтров, в первую очередь, связано с установлением закономерностей качественного и количественного изменения состава защитной среды при прохождении ее через поровое пространство 5 фильтрующего элемента. Определение этих закономерностей должно основываться на механизме массопереноса газов в пористых телах и учете скорости взаимодействии остаточных газовых примесей защитной среды с материалом фильтра.

В контексте данного исследования следует рассматривать процессы не только фильтрации, но и химико-термической обработки, основанные на пропускании через фильтрующий титановый материал активных газов, например азота, при высоких температурах.

Такая обработка повышает коррозионную стойкость фильтра, выполненного из титанового порошкового материала, при его использовании в агрессивных средах (кислотах) в условиях высоких температур.

Природа процессов, протекающих в поровом пространстве фильтра при газовом азотировании, та же, что и при фильтрации защитных сред и основана на адсорбционно-абсорбционной способности к газообразному азоту материала фильтра, но кинетика развития этого процесса может быть иной.

Оба вышеуказанных процесса (фильтрации и газового азотирования) -есть частный случай процессов массопереноса газа в поровых каналах фильтрующего элемента, которые трудно поддаются экспериментальному исследованию.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ ВГТУ (№ ГР 01.200.112 417), № ГБ 01.28 «Разработка и исследование прогрессивных технологических процессов в сварочном производстве» и программой «Наукоемкие технологии», выполненной на основании приказа ГК НТ РФ № 28 от 07.03.93 г.

Целью данной работы является моделирование процессов взаимодействия газов с фильтрами на основе титана при высоких температурах.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи: 1. Разработка физико-математической модели, описывающей массопе-ренос газов в поровом пространстве в зависимости от температуры фильтрующего элемента, выполненного из титанового порошка. 6.

2. Установление закономерностей изменения состава инертного газа при его пропускании через пористое тело (фильтрующий элемент) на основе физико-математического моделирования процессов фильтрации.

3. Установление закономерностей изменения давления (концентрации) активного газа — азота в поровом канале фильтрующего элемента при химико-термической обработке на основе физико-математического моделирования процессов, протекающих при газовом азотировании.

4. Экспериментальная оценка процессов, протекающих в поровых каналах фильтра косвенным методом — по физико-химическому состоянию поверхности, провзаимодействовавшей с активной газовой средой при различных условиях.

Положения выносимые на защиту.

1. Описание разработанной физической модели процесса очистки инертной газовой среды от активной составляющей высокотемпературным фильтром, изготовленным из титанового порошка и математический метод расчета степени чистоты инертного газа.

2. Описание разработанной физико-математической модели процесса газового азотирования фильтрующего элемента, выполненного из титанового порошка.

3. Закономерности влияния технологических параметров процесса фильтрации и геометрических характеристик пористого тела на степень чистоты инертного газа.

4. Закономерности влияния технологических параметров процесса газового азотирования и геометрических характеристик пористого тела на качество химико-термической обработки фильтра, выполненного из титанового порошка.

Научная новизна:

1. На основе физико-математического моделирования предложена методика расчета процесса очистки инертной защитной среды (аргона) от активной примеси (кислорода) фильтром, изготовленным из титанового порошка. 7.

2. Получены количественные характеристики плотности кислорода в поровом канале фильтра и закономерности ее изменения в зависимости от таких параметров как: температура газовой среды, скорость течения газа, размеры порового канала фильтра.

3. На базе физико-математического аппарата осуществлено моделирование процесса газового азотирования фильтрующего элемента, выполненного из титанового порошка.

4. Получены качественные и количественные закономерности изменения давления (концентрации) азота в поровом канале фильтра в зависимости от основных технологических параметров химико-термической обработки (давления в газовой камере, геометрических характеристик порового канала, температуры и времени проведения газового азотирования).

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты физического и математического моделирования процессов массопереноса газа в пористых телах, выполненных из титанового порошка при высоких температурах, подтвержденные косвенными экспериментальными исследованиями дают возможность: проводить количественную оценку степени очистки инертной защитной среды (аргона) от активной примеси (кислорода) в зависимости от основных технологических параметров процесса фильтрации, а также оптимизировать данный процесспрогнозировать качество коррозионностойкого покрытия образующегося в поровом пространстве фильтрующего элемента в результате химико-термической обработки и управлять параметрами процесса газового азотирования для достижения оптимальных результатов по нанесению защитного слояпрогнозировать допустимые минимальные размеры поровых каналов при изготовлении фильтров тонкой очистки методом горячего прессования с низкоинтенсивным силовым воздействием- 8 результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе на кафедре «ОТСП» ВГТУ при чтении лекций по дисциплине «Специальные методы сварки и пайка», а также приняты к внедрению на ОАО ВАСО для получения фильтров тонкой очистки по регенерации аргона.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Российской научно-технической конференции «Современные проблемы сварочной науки и техники Сварка — 97» (Воронеж, 1997), на Региональном межвузовском семинаре «Моделирование процессов теплои массообмена» (Воронеж, 1997), на Региональной конференции посвященной 25-летию кафедры сварки ВГТУ (Воронеж, 1999).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата лично соискателю принадлежит: в [1] - обсуждение физической постановки задачив [2, 3] - осуществлена постановка экспериментов, обсуждались результаты анализа контактных поверхностей, провзаимодействовавших с газовой средой при различных условияхв [4, 9] - подготовка материала для проведения эксперимента, участие в обсуждении полученных результатовв [5] -постановка, описание и расчет температурных полей тел цилиндрической формы при радиационном нагревев [6, 7, 8] - осуществлено физическое описание процессов очистки, протекающих в поровом пространстве фильтра при высоких температурах, обсуждалось математическое описание процессов, проведен анализ результатов степени чистоты инертного газа после прохождения через поровое пространство фильтра.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 143 страницах, содержит 37 рисунков, 2 таблицы, приложение и библиографию из 107 наименований.

Основные выводы.

1. Разработана физико-математическая модель процесса фильтрации, основанная на механизме изменения состава газовой фазы в поровом канале фильтра, выполненного из титанового порошка, в основу которого положены одновременно протекающие процессы: диффузии активной составляющейкислорода в газовой фазе (аргоне) и стока активной составляющей газовой фазы в металл фильтра. В полученной модели учтены основные технологические параметры, влияющие на степень очистки, такие как длина и диаметр порового канала фильтра, скорость течения газа, температура.

2. Проведен теоретический анализ результатов, из которых видно, что оптимальный способ повысить степень чистоты аргона связан с увеличением температуры, уменьшением скорости течения, увеличением длины порового канала или уменьшением его диаметра.

3. Разработана физико-математическая модель процесса массопереноса газа в поровом канале фильтрующего элемента, выполненного из титанового порошка, при газовом азотировании в условиях высоких температур, в основу которой положены два одновременно протекающих процесса: понижение давления азота в поровом канале за счет взаимодействия газа с материалом поры и образование потока азота из газовой камеры в поровый канал под действием возникающего градиента давлений.

4. На основании теоретического анализа установлено, что при газовом насыщении материала фильтра, при определенных условиях (сочетании температуры и размеров порового канала) в порах формируется вакуумирован-ная зона, характеризуемая полным отсутствием абсорбционного потока газа в материал, что связано с резким перепадом давления азота на фронте ва-куумированной зоны, а вне фронта давление плавно изменяется. Размеры ва-куумированной зоны довольно слабо зависят от времени газового азотирования и существенно — от температуры данной обработки и геометрических характеристик пористого тела. В невакуумированной зоне порового канала.

125 процесс абсорбции протекает, как и для свободной поверхности, при условии насыщения адсорбционного слоя. На основании разработанной физико-математической модели были получены номограммы, позволяющие определить оптимальные режимы газового азотирования при условии насыщения пористого тела по всему объему.

5. Качественный и количественный анализ продуктов взаимодействия остаточной газовой фазы вакуумированного пространства с контактными поверхностями, проведенный на основе экспериментальных данных, позволил установить: на поверхности титана образуется оксидная пленка, что связано с большим сродством титана к кислороду — одному из компонентов газовой фазыпри повышении температуры и увеличении времени выдержки на поверхности титана появляется сложное соединение системы титан — кислород — азот с дальнейшим переходом в нитрид. Данное явление можно связать с образованием на поверхности металла свободной от оксида области (вследствие абсорбции кислорода в металл) и возможностью реагирования с азотом, что осуществимо лишь в случае значительного понижения парциального давления кислорода газовой фазы в контактном зазоре.

6. Анализ исследований контактного взаимодействия твердофазных реагентов позволил определить процесс восстановления титаном оксидных слоев на армко-железе и стали Х18Н10Т, содержащей хром и никель. Данный процесс делится на стадию восстановления собственной оксидной пленки за определенный период времени (инкубационный) и на стадию восстановления оксидной пленки непосредственно на железе и стали. Обе стадии контролируются диффузией кислорода в титане. Вторая стадия осуществима только при снижении парциального давления кислорода в контактном зазоре, до значений, когда будет происходить диссоциация активной фазы на поверхности железа, стали. Анализ кинетики и механизма восстановления оксидов на железе и стали, дает основание утверждать, что диссоциация оксида присутствующего на поверхности образца (характерно для исследований на армко-железе) и возгонка титана (характерно для исследований со сталью.

Х18Н10Т), возможна лишь в случае процесса автовакуумирования в замкнутом объеме, который связан со снижением парциального давления кислорода.

20 газовой фазы до 10″ Па.