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

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», 2003 г., ВладивостокInternational 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.