Развитие теории фильтрационного горения СВС-систем

1.

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Самарский государственный технический университет»
КУРСОВАЯ РАБОТА
НА ТЕМУ
Развитие теории фильтрационного горения СВС-систем
Выполнил: студент 4-ФММТ-6
Егорикова В.В.
Проверил: Доцент Титова Ю.В.

2.

1
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) - это химический процесс который
проходит с выделение тепла в автоволновом режиме горения, и приводит к образованию твердых
продуктов.
СВС
процесс
является
сильной
экзотермичекой
реакцией
с
тепловыделением
локализированным слое и передающимя от слоя к слою за счет теплопередачи.
Основными реагентами СВС являются порошки металлов и неметаллов, а продуктом синтеза в
основном получается — порошковый материал.

3.

2
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)
Технология СВС характеризуются:
низкими затратами электроэнергии;
простотой технологического оборудования;
высокой производительностью;
способностью сохранять экологическую чистоту;
снижением числа технологических стадий по сравнению с традиционными технологиями;
возможностью создания гибких производств, легко переходящих от получения одних материалов к
получению других на одном и том же оборудовании и поддающихся механизации и автоматизации;
возможностью замены дорогих сырьевых материалов при производстве одних и тех же продуктов
более дешевыми;
высокими техническими и экономическими показателями по целому ряду ценных материалов и
изделий для современной техники.

4.

3
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)
В настоящее время самораспространяющийся высокотемпературный синтез в той или иной степени
применяется для получения следующих материалов:
Дисперсные материалы на основе тугоплавких соединений: "металл-неметалл" – карбидов,
боридов, силицидов и других соединений; "металл-металл" – интерметаллидов.
Материалы на основе интерметаллических соединений, в том числе пористые проницаемые, а
также обладающие свойством обратимого мартенситного превращения – "эффектом памяти формы".
Композиционные материалы типа "твердое тугоплавкое соединение-металлическая матрица" как в
дисперсном виде, так и в форме изделий заданной геометрической формы и изделий.
Материалы со специальными свойствами – геттеры (газопоглотители), высокотемпературные
сверхпроводники, магнитные материалы и др.

5.

4
Универсальный СВС-реактор
Рис. 1. Схема универсального СВС – реактора
для синтеза карбидов:
1 – рубашка охлаждения;
2 – корпус;
3 – графитовая футеровка;
4 – реакционная шихта;
5 – грибковый затвор;
6 – манометр;
7 – газораспределительный узел;
8 – инициирующая спираль

6.

5
СВС-ФГ
В общем случае под фильтрационным горением понимают различные по своей природе процессы
горения, в механизме которых важную роль играет фильтрация в пористой среде одного или нескольких
компонентов системы, способной к экзотермическому химическому превращению.
Когда газ является одним из реагентов гибридной системы, СВС проходит в виде чисто
фильтрационного горения.
Когда же газ является примесным и выделяется из порошков при горении перемешанных "безгазовых"
систем, то такое горение можно лишь условно назвать фильтрационным.

7.

6
СВС-ФГ
Преимущества технологии СВС-ФГ:
Открытый реактор позволяет облегчить удаление из продуктов синтеза растворенных и адсорбированных газов, что повышает
чистоту продуктов;
Возможность использования отходов металлообработки (стружки, опилок и т.д.) без дополнительной очистки;
Низкое давление газов в реакторе; простота его конструкции; повышенная безопасность процесса;
Отсутствие сильного спекания продуктов синтеза, которые не требуют длительного измельчения для получения порошков;
Высокая степень превращения исходной смеси в конечные продукты;
Возможность использования для синтеза низкоэкзотермичных систем;
Получение пористых материалов, например, фильтров;
Получение керамических и композиционных материалов;
Простота и дешевизна технического исполнения;
Время цикла одного синтеза без учета параллельных операций составляет не более 2 часов для любого порошка;
Технология фильтрационного горения экологически безопасна, синтез тугоплавких соединений при фильтрации газов происходит
без образования вредных для окружающей среды веществ и примесей.

8.

7
СВС-ФГ
Закрытые системы
Если все поверхности (и торцевые, и боковая) газонепроницаемы, горение возможно только при
высоких давлениях газа (сотни, тысячи атмосфер), когда в порах образца содержится достаточное
количество окислителя для поддержания распространения волны горения.
Стационарные режимы горения реализуются, когда характерные масштабы зоны прогрева и зоны
фильтрации намного меньше длины образца.
Квазистационарные режимы реализуются, если масштаб зоны фильтрации сравним или превышает
длину образца, которая в свою очередь много больше зоны прогрева. Оценки показывают, что этот случай
наиболее часто реализуется на практике.

9.

8
Стационарные режимы
В этом режиме глубина превращения твердого реагента в продукт за фронтом горения постоянна и
является полной или неполной в зависимости от величины начального давления, которое, соответственно,
больше или меньше стехиометрического. В зависимости от соотношения зон фильтрации и прогрева
профиль давления газа в волне горения может быть монотонным или иметь максимум.

10.

9
Квазистационарные режимы
Если начальное давление меньше стехиометрического, то, в отличие от стационарного режима, по
мере сгорания вещества конечная глубина превращения за фронтом меняется по величине. При этом в
части образца возможно достижение полного превращения.
Квазистационарные режимы горения в закрытой системе при высоких давлениях окислителя могут
быть использованы для получения градиентных материалов из однородно перемешанной перед синтезом
шихты.

11.

10
СВС-ФГ
Открытые системы
В открытых системах хотя бы одна из поверхностей образца является газопроницаемой. В зависимости
от способа подвода газа к фронту горения различают режимы естественной фильтрации окислителя, когда
управляющий фильтрацией перепад давления возникает самопроизвольно за счет потребления окислителя
во фронте горения, и режимы вынужденной фильтрации, когда окислитель подается к зоне реакции под
искусственно создаваемым давлением.
Если направление подвода окислителя к фронту горения совпадает с направлением распространения
волны горения, то режим фильтрации называют спутным. Если направление потока газа противоположно
направлению распространения фронта горения, то говорят о встречной фильтрации.
Встречный режим фильтрационного горения существует только при низком значении скорости течения
газа, а спутный режим горения существует в широком диапазоне скоростей течения.

12.

11
СВС-ФГ
Открытые системы
При встречном режиме могут наблюдаться прямая и обратная волны фильтрационного горения
(последнюю называют также волной догорания).
Сжигание в режиме спутной фильтрации газа дает по сравнению со сжиганием в режиме встречной
фильтрации газа более полное протекание реакции и большую чистоту продукта за счет того, что
примесные газы и летучие примеси фильтруются не через продукт реакции, а через исходную порошковую
засыпку.

13.

12
Направления дальнейшего развития
Создание новых моделей и дальнейший анализ существующей модели фильтрационного горения в
СВС-реакторе поможет определить благоприятные условия для синтеза однородных по составу порошков.
Решение же полной сопряженной задачи, учитывающей распределение температуры и течение газа в
объеме реактора, представляет как самостоятельный научный, так и значительный практический интерес
для оптимизации режимов синтеза порошков и изделий. Трудности, возникающие при построении моделей
горения с учетом структурных изменений, связаны со сложностью адекватного описания состояния
реальной системы в процессе синтеза.

14.

Спасибо за внимание!