Получение оксида с заданными свойствами методом сжигания аэровзвеси порошка алюминия

Развитие современных технологий основывается на производстве высококачественных порошковых материалов, обладающих заданными свойствами: высокой химической чистотой продукта, требуемым фазовым и дисперсным составом, сферической формой частиц, высокой твердостью и тугоплавкостью, окислительной и коррозионной стойкостью и в некоторых случаях особыми электрическими и оптическими характеристиками. Порошки, обладающие такими свойствами, находят применение в производстве машиностроительной керамики, композиционных материалов, средств полировки, в электронике и химической промышленности [1−9].

В производстве высокопрочной керамики используют порошки тугоплавких материалов с размером частиц не более 0,5 мкм, а иногда и менее 0,1 мкм. В химической промышленности в качестве адсорбентов и катализаторов требуются порошки с ещё меньшим размером частиц («0,01 мкм), обладающие высокой степенью однородности фазового состава. В электронике требуются порошки с высокой степенью чистоты. В производстве средств полировки желательно использовать порошки со сферической формой частиц, обладающие высокой твердостью. Во многих случаях, особенно при производстве высококачественной керамики [1−3] и других современных материалов, требуются порошки с сочетанием всех выше перечисленных свойств.

Методы производства высокодисперсных порошков условно можно разделить на механические (диспергирование), химические и физико-химические [4]. Традиционно, основным методом производства порошков являлось диспергирование природных материалов (в шаровых, струйных и высокоскоростных вращающихся мельницах) и последующая очистка полученных порошков от примесей [1,4,10,11]. В настоящее время, новые технологии изготовления сверхчистых и высокодисперсных порошков, позволяющие улучшить качество порошковых материалов, повысить химическую чистоту и дисперсность, вытесняют механическую обработку сырья [1,3,4,11−16]. В соответствии с требованиями технологии производства новых материалов, ультрадисперсные порошки Zr02, А12Оз, ТЮ2 получают преимущественно химическими методами. Из химических методов наиболее распространён золь-гель метод [1,4,13], позволяющий изготовлять сложные золи и прозрачные монолитные гели с высокой химической однородностью компонентов и дисперсностью соответствующих фаз. Кроме того, успешно используются и физико-химические методы (плазменная и лазерная технологии [1,3,4,14]). В тоже время, существующими методами редко удается преодолеть все трудности и получить порошок с заданными свойствами. Если удается получить порошки необходимых размеров и формы, то не удается стабилизировать заданную фазу и получит требуемую чистоту продукта. А если удается получить продукт с требуемым химическим и фазовым составом и малым размером частиц, то не удается получить сферическую форму [3]. Кроме того, эффективность изготовления требуемых порошков во многом определяется производительностью и экономичностью существующих методов.

В последние годы наблюдается повышенный интерес к получению ультрадисперсного порошка (УДП) оксида алюминия [1−3]. УДП оксида алюминия может быть использован для создания материалов с новыми функциональными свойствами. Однако из-за высокой температуры плавления, большого количества фаз и высокой сорбционной способности оксида алюминия, получить порошок А1203, удовлетворяющий совокупности требуемых характеристик, ещё сложнее, чем другие порошки. В этом случае предпочтительнее других методов является лазерный синтез УДП, который в отличие от других технологий позволяет получить высокочистый порошок оксида алюминия с сферическими частицами размером менее 0,05 мкм и с заданным фазовым составом [3]. Тем не менее, этот метод не может быть применен в ближайшем будущем в промышленном производстве. Во-первых, производительность установки лазерного синтеза ~1 г/час [3], что явно недостаточно для промышленного производства. Во-вторых, энергетический КПД существующих сегодня мощных технологических лазеров не превышает 10% (в большинстве случаев он составляет 1−3%) [17−19], соответственно энергетические затраты на производство УДП будут чрезмерно велики. К сожалению, по производительности и экономичности лазерный синтез порошков намного уступает традиционным методам механического измельчения и многим другим. Таким образом, в настоящее время не существует метода получения дисперсного оксида алюминия с заданными свойствами, обеспечивающего его промышленное производство.

В научно — исследовательских работах [20−24] был предложен новый метод получения высокодисперсных порошков оксидов металлов. Многие металлы (алюминий, магний, цирконий, титан и др.) при горении в активных газах (кислороде, азоте, диоксиде углерода или их смесях) образуют конденсированные продукты сгорания (оксиды, нитриды, карбиды), обладающие высокой твердостью и тугоплавкостью. Если горение этих металлов происходит в виде газовзвеси металлических частиц, то продукты их сгорания получаются в газодисперсной форме. Изменяя условия горения (давление, температуру, состав газовой фазы, концентрацию дисперсной фазы) дисперсный и химический состав исходных порошков металлов можно влиять на форму и структуру частиц продуктов сгорания, их размер, химический и фазовый состав [21−30]. Обеспечив высокую химическую чистоту исходного порошкообразного металла и газообразного окислителя, можно обеспечить высокую химическую чистоту конечного продукта. Таким образом, сжигая распыленные в активном газе порошкообразные металлы, в технологической установке можно синтезировать новые порошковые материалы с заданными свойствами. Процессы горения металлов являются сильно экзотермическими, протекают при высокой температуре и с большими скоростями. При этом, для осуществления процессов не требуется дополнительная энергия. Такие технология являются перспективными, экономически выгодными и позволяют получить продукты высокого качества при большой производительности (более 100 кг/час целевого продукта). Получение высокодисперсного оксида алюминия, с заданной кристаллической модификацией, формой и размером частиц, с низким содержанием примесей, методом сжигания порошка алюминия в воздушном потоке составляет важное направление в рамках указанной проблемы.

ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ является научное обоснование возможности промышленного получения дисперсного оксида алюминия методом сжигания аэровзвесей алюминиевых порошков, обеспечивающим заданные свойства оксида при высокой производительности и экономичности его производства.

Для достижения указанной цели необходимо:

1. Создать математическую модель образования оксида при горении частиц алюминия, провести расчеты и исследовать влияние параметров частиц алюминия и окисляющей среды на характеристики образующегося оксида.

2. Разработать способ организации процесса получения оксида с заданными свойствами методом сжигания аэровзвеси порошка алюминия.

3. Разработать экспериментальную технологическую установку для исследования процесса получения дисперсного оксида при сжигании порошка алюминия в воздушном потоке и определить параметры, влияющие на свойства образующегося оксида, производительность и экономичность установки.

4. Обеспечить получение образцов дисперсного оксида алюминия с заданными свойствами.

МЕТОДЫ И ПОДХОДЫ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В ХОДЕ ВЫПОЛНЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. Использованы методы и подходы теории горения металлов и газодисперсных систем, математического моделирования процессов испарения частиц металлов и химической конденсации продуктов испарения, газовой динамики дисперсных систем, проектирования, конструирования и проведение испытаний нестандартного оборудования, физико-химические методы исследования порошковых материалов (рентгеновский, электроннооптический, оптический).

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

1. Разработана математическая модель образования оксида при горении частиц алюминия, впервые учитывающая кинетические ограничения процессов испарения и поверхностных химических реакций. Модель вносит существенный вклад в теорию горения мелкодисперсного алюминия при низких давлениях.

2. С помощью модели доказана сильная неравновесность процесса образования оксида при горении частиц алюминия. В рамках созданной модели впервые получили ясную интерпретацию некоторые известные экспериментальные факты, связанные с образованием оксида: асимметричность горения, распад частиц на отдельные капли, появление полых сфер в продуктах сгорания.

3. В отличие от существующих моделей предложенная модель правильно описывает процессы образования оксида. Расчет доли оксида, накопившегося на частице, хорошо согласуется с опытными данными.

4. Проведены теоретические исследования влияния начального размера частицы алюминия и параметров окисляющей среды на процесс образования оксида. Расчетами показано: изменяя параметры среды и размер частицы можно осуществлять переход от гетерогенного горения к парофазному, тем самым в широких пределах изменять дисперсность оксида.

5. Сформулированы новые принципы организации процесса получения оксида при сжигании порошка алюминия в воздушном потоке.

6. Экспериментально показано, что изменяя условия смешения в камере сгорания, можно влиять на механизм горения частиц алюминия и тем самым изменять дисперсность оксида в широких пределах.

7. Экспериментально подтверждена возможность промышленного получения дисперсного оксида с заданными свойствами методом сжигания аэровзвеси порошка алюминия, при большой производительности и экономичности метода.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ:

Разработан высокопроизводительный и экономичный метод получения дисперсных оксидов с заданными свойствами, который может позволить перейти к массовому производству новых промышленных материалов для современных технологий.

Обоснованный в работе способ получения оксида алюминия с заданными свойствами дает возможность в широких пределах изменять дисперсность оксидов, образующихся при сгорании не только алюминиево-воздушной смеси, но и других металлогазовых смесей. Математическое моделирование процесса образования оксида на основе разработанной модели позволяет уменьшить число необходимых испытаний при отработке спроектированных и изготовленных новых технологических установок.

Теоретические и экспериментальные результаты работы могут быть использованы при проектировании и отработке систем и элементов смесеобразования и горения новых высокоэффективных технологических и ракетных двигательных установок на порошкообразном металлическом горючем.

Полученные в диссертации результаты были использованы в проектных работах в НИМИ (г. Москва) и ГНПЦ «Звезда-Стрела» (г. Королев).

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

1. Математическая модель образования оксида при горении частиц алюминия, учитывающая кинетику испарения и поверхностных химических реакций.

2. Результаты теоретических исследований влияния параметров частиц алюминия и окисляющей среды на характеристики горения и образующегося оксида.

3. Способ организации процесса получения дисперсного оксида с заданными свойствами методом сжигания порошка алюминия в воздушном потоке.

4. Результаты экспериментальных исследований получения дисперсного оксида в технологической установке при сжигании аэровзвеси порошка алюминия.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ:

Результаты диссертационной работы докладывались на: -III, IV, V Всесоюзной школе — семинаре по горению дисперсных систем, г. Одесса, 1985, 1987, 1989 г. г.;

— IX Всесоюзном Симпозиуме по горению и взрыву, г. Суздаль, 1989 г.

— I Международной конференции по внутрикамерным процессам и горению (ICOC 93). г. Москва, 1993 г.

— совместном Семинаре Российской и Японской секций Международного института горения. Черноголовка, 1993 г.

— Международной конференции по горению (Мемориал Я.Б. Зельдовича). Москва, 1994 г.

— I Международной школе-семинаре: Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем, г. Санкт-Петербург, 1995 г.

— II Международной конференции по внутрикамерным процессам и горению (ICOC 96). г. Санкт-Петербург, 1996 г.

— Международном коллоквиуме по перспективным аналитическим и расчетным методам в теории горения г. Москва, 1997 г.

— III Международной конференции по внутрикамерным процессам и горению (ICOC 99). г. Ижевск, 1999 г.

— Всероссийской научно-технической конференции: Аэрокосмическая техника и высокие технологии — 2001. г. Пермь, 2001 г.

— Всероссийской научно-технической конференции: Аэрокосмическая техника и высокие технологии — 2002. г. Пермь, 2002 г.

— Всероссийской конференции: Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов, г. Москва, 2002 г.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературыизложена на 123 страницах, содержит 29 рисунков, 4 таблицысписок литературных источников включает 107 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1 Создана математическая модель образования оксида при горении частиц алюминия, учитывающая факторы, влияющие на процесс образования оксида.

2. Разработан алгоритм и программа численного расчета. Выполненные расчеты показали: а) расчет доли оксида, образовавшегося на частицах, в отличие от существующих моделей хорошо согласуется с опытными даннымиб) в созданной модели получают ясную интерпретацию некоторые известные экспериментальные факты горения частиц алюминия, связанные с образованием оксида (асимметричность горения, распад частицы на отдельные капли, появление полых сфер в продуктах сгорания) — в) в зависимости от параметров окисляющей среды и размера частиц горение алюминия может быть гетерогенным или парофазнымг) изменяя параметры среды и исходный размер частиц можно осуществлять переход от гетерогенного горения к парофазному, тем самым изменять характеристики образующегося оксида в широких пределах.

3. Разработан способ организации процесса получения дисперсного оксида с заданными свойствами при сжигании порошка алюминия, включающий: а) регулируемую подачу и распыление порошка алюминия в воздушном потокеб) сжигание алюминиевовоздушной смеси и образование оксидав) выделение конденсированной фазы из высокотемпературного двухфазного потока продуктов сгорания. г) выделение оксида с заданными свойствами из конденсированных продуктов сгорания методом осаждения свободных частиц из слабоконцентрированной суспензии.

4. На основе разработанного автором способа организации процесса получения оксида при сжигании аэровзвеси алюминия и результатов расчетов влияния параметров окисляющей среды на процесс образования оксида, создана экспериментальная технологическая установка, позволяющая получать дисперсный оксид алюминия с заданными свойствами.

5. В результате испытаний экспериментальной установки установлено: а) устойчивая и эффективная работа технологической установки в широком диапазоне рабочих параметровб) высокая производительность установкив) возможность в широких пределах изменять свойства образующегося оксида (в соответствии с выше указанными результатами расчетов) — г) возможность выделения широкого спектра частиц конденсированной фазы из высокотемпературного двухфазного потока продуктов сгорания.

6. Получены образцы порошка оксида алюминия с заданными свойствами: со сферической формой частиц с размером 30.300 нм, с однородным и заданным фазовым составом (аили у-модификации), с низким содержанием примесей (менее 1%).

Таким образом, в диссертационной работе, теоретическими и экспериментальными исследованиями показана возможность промышленного получения оксида алюминия с заданными свойствами методом сжигания аэровзвеси алюминиевого порошка, при высокой производительности и экономичности метода.

По теме диссертации опубликовано 23 работы [20−23,8,90−107].