667

Исследование составов металлогазовых смесей для получения оксида алюминия

–высокая температура продуктов первичного горения (> 2500 К);

–образование большой доли конденсированной фазы (> 15 %);

–недостаточное количество газообразной фазы алюминия попа-

дает в камеру сгорания (qvap < 80 %).

Следствием перечисленных недостатков является то, что большой тепловой поток попадает на стенки и возникают трудности с их охлаждением. Также происходит налипание на стенки большого количества конденсированной фазы, из-за этого усложняется процесс охлаждения и уменьшается проходное сечение ФК. Увеличивается количество алюминия, не преобразованного в газообразную фазу, т.е. доля

алюминия, находящегося в K-фазе в форкамере Kair.f (Kair.f = 1 – qvap). Она включает в себя долю алюминия, преобразованного в конечный продукт,

идолюалюминия, не вступившегов реакциюокисления.

Вэкспериментальной установке проблема охлаждения стенок форкамеры решалась с помощью использования абляционных теплозащитных материалов (полиметилметакрилат). Основной недостаток данного способа заключается в том, что при длительном высокотемпературном тепловом воздействии происходит полное разрушение полиметилметакрилата. Из-за этого установку необходимо останавливать для размещения нового слоя вышеуказанного материала.

Вработах [2–5] предлагалось обеспечивать непрерывное функционирование ФК опытно-промышленной установки за счет процесса транспирационного охлаждения пористой оболочки камеры такими охладителями, как вода, воздух и керосин. Вода и воздух для алюминия являются окислителями. В литературе [10] для охлаждения стенок камеры сгорания рекомендовано применять окислитель, если коэффициент избытка окислителя α > 1, и горючее, если α < 1. В форкамере установки синтеза дисперсных оксидов α всегда меньше и даже много меньше единицы [2], поэтому для охлаждения необходимо использовать горючие или химически нейтральные по отношению к алюминию компоненты. Стоит отметить, что H2O и воздух, вместо того чтобы охлаждать стенки форкамеры, будут их нагревать, так как эти компоненты вступят в экзотермическую реакцию с алюминием и продуктами его первичного горения (газообразный алюминий и субоксиды алюминия

AlO, Al2O). Керосин не является окислителем и его можно использовать, но продукты разложения керосина загрязнят конечный продукт (нанооксид алюминия). В работе [11] в качестве охладителя при транс-

111

Исследование составов металлогазовых смесей для получения оксида алюминия

α = Goк ,

GAl L0

где Goк – расход окислителя; GAl – расход алюминия; L0 – стехиомет-

рический коэффициент окислителя;

– доля алюминия в K-фазе в форкамере

При расчете Kair.f воздуха учитывается нитрид алюминия:

денсированной фазы Al2O3; ZAl – массовая доля конденсированной фазы алюминия; ZAlN – массовая доля конденсированной фазы AlN; G∑ – суммарный расход компонентов; GAl – расход алюминия.

В расчетах изменяется отношение расхода окислителя и охлаж-

дающих компонентов к алюминию (Gок/GAl, Gкомп/GAl). На основе термодинамических и математических расчетов построены графики зави-

симостей суммарной массовой доли конденсированной фазы (ZΣ), температуры (Т) и доли алюминия в K-фазе в ФК (Kair.f) от коэффициента избытка окислителя (α), представленные на рис. 1–4. Зависимости на рис. 1

представлены для случая, когда охладитель – H2, окислитель – O2, соответственнонарис. 2 – Не – O2, рис. 3 – Ar – O2, рис. 4 – воздух– воздух.

Проанализировав кривые зависимости ZΣ, Т и Kair.f от α (рис. 1–4), стоит отметить, что у каждой из кривых существует минимум. Точки, в которых ZΣ минимальное, имеют соотношение расхода компонентов смеси, при котором меньше веществ налипает на стенки ФК и она лучше охлаждается. Те точки, в которых значение Kair.f минимальное, имеют соотношение расхода компонентов смеси, при котором максимальное количество газообразного алюминия поступит в камеру сгорания для дальнейшего синтеза.

113

Исследование составов металлогазовых смесей для получения оксида алюминия

а

б

в

Рис. 2. Зависимости: а – суммарной доли конденсированной фазы; б – температуры; в – доли алюминия в K-фазе от коэффициента избытка окислителя при разном отношении расходов гелия и алюминия

115

Исследование составов металлогазовых смесей для получения оксида алюминия

а

б

в

Рис. 4. Зависимости: а – суммарной доли конденсированной фазы; б – температуры; в– долиалюминиявK-фазеоткоэффициентаизбыткаокислителя(смесьAl + воздух, для сравнения смесь Al + O2)

Результаты исследования металлогазовых смесей приведены в табл. 1, которая отображает основные характеристики металлогазовых смесей, наиболее подходящих для получения нанодисперсного оксида алюминия в опытно-промышленной установке. Расходы охлаждающих

117

Исследование составов металлогазовых смесей для получения оксида алюминия

отработанный гелий и аргон можно улавливать из продуктов сгорания и вторично направлять в ФК. Поскольку аргон тяжелый газ, то его уловить легче, чем гелий, и КПД его улавливания может быть значительно выше. Если КПД его улавливания 90 %, то лишь 10 % аргона потребуется добавить к уловленному и направить в форкамеру. В этом случае цена расхода аргона в ФК будет составлять 17,5–35 коп/с.

Учитывая вышеизложенное, рекомендуем для получения нанооксида алюминия в форкамере опытно-промышленной установки применять металлогазовую смесь Al + O2 + Ar. Использование данной смеси позволяет решить поставленные в работе задачи:

–снижения температуры продуктов сгорания;

–уменьшения суммарной доли конденсированной фазы;

–увеличения количества газообразного алюминия, поступающего в камеру сгорания для дальнейшего синтеза;

–решения проблемы охлаждения стенок ФК.

Дополнительно подчеркнем экономическую эффективность применения данной смеси, экологическую и взрывопожарную безопасность. Также выделим то, что использование смеси Al + O2 + Ar способствует повышению чистоты конечного продукта.

Библиографический список

1.Термодинамический анализ возможности получения ультрадисперсных оксидов Y, Ce и Sr методом сжигания аэровзвесей порошков металлов / В.Н. Анциферов, В.И. Малинин, С.Е. Порозова, А.Ю. Крюков // Аэрокосмическая техника и высокие технологии: тез. докл. VII Всерос. науч.-техн. конф. – 2004 (12–14 апреля 2004 г.) / под ред. Р.В. Бульбовича и А.Н. Аношкина; Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2004. – С. 22.

2.Малинин В.И. Внутрикамерные процессы в установках на порошкообразных металлических горючих. – Екатеринбург; Пермь: Издво УрО РАН, 2006.

3.Крюков А.Ю. Адаптация внутрикамерных процессов и элементов конструкции прямоточных воздушно-реактивных двигателей на порошковом горючем для конверсионного использования: автореф. дис. ... канд. техн. наук. – Пермь, 2004. – 18 с.

4.Крюков А.Ю., Малинин В.И., Ярушин С.Г. Оценка возможности промышленного производства высокодисперсных порошков мето-

119