Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Нанодисперсные и гранулированные материалы, полученные в импульсной плазме

..pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
19.11.2023
Размер:
29.29 Mб
Скачать

w,%

Рис. 3.11. Зависимость выхода вольфрама от условий эксперимента: навеска 5 г —1; 10 г —2, 4, 7; 15 г - 3, 3, 6, 8, 9\ расход водорода 5 л/мин - 1,2,3, 6, 7, 9\ 10 л/мин —4, 8; 15 л/мнн - 5; энергия импульсного разряда 2,5 кВ —1, 6-9,4 кВ —2,3—5

Увеличение количества разрядов приводило к росту степени восстановле­ ния. Кроме того, уменьшение массы навески и увеличение расхода газа сопровождалось увеличением содержания вольфрама. Наблюдаемое увеличе­ ние выхода металла при уменьшении массы навески связано с увеличением удельного расхода выделяющейся энергии на единицу навески. Повышение ра­ бочего напряжения способствовало сдвигу процесса в сторону образования ме­ талла, особенно с увеличением количества разрядов.

У «. г/см 3

2,5

5,0

7,5

10,0

Рис. 3.12. Изменение насыпной массы продуктов восстановления WO3 в зависимости от условий эксперимента: навеска 5 г — 1; 1 0 г — 2; расход водорода 5 л/мин — /, 2 ,5 ; 10 л/мин — 4; 15 л/мин — 3; энергия импульсного разряда 2,5 кВ — 2 - 5 ,4 кВ — 2

При изучении восстановления W03 в импульсной плазме установили, что ха­ рактер изменения насыпных масс порошковых материалов такой же, как и степе­ ни выхода металла (рис. 3.12). Насыпная масса порошковых материалов зависит от гранулометрического состава. В условиях работы плазмохимического реактора с кипящим слоем знание гранулометрического состава было важно. Для изучаемого процесса характерный диаметр частиц в псевдоожиженном слое — около 80 мкм.

В опытах по восстановлению W0 3установлено, что образующийся вольфрам распределялся по фракциям неравномерно. На рис. 3.13 представлена зависи­ мость распределения вольфрама по фракциям.

При рассмотрении конечных стадий восстановления.(до 100% металла) уста­ новили зависимость процесса от величины энергии в одном импульсе. Так, при энергии разряда 13 Дж (1,5 кВ) в отходящих газах концентрация воды состави­ ла 1 г/см3. При увеличении энергии разряда до 37 Дж (2,5 кВ) значительно по­ вышалась скорость процесса.

ботке происходящий процесс агломерации снижал количество уносимого по­ рошка. Фазовый анализ продуктов уноса после 2500 импульсов свидетельствует о росте содержания вольфрама в них и значительном превышении содержания по сравнению с продуктами обработки в реакторе. Кроме того, часть порошка оксида налипала на стенки реактора.

W, %

М,т

50

40

30

20

1 0

N-103

2,5

5,0

7,5

10,0

Рис. 3.14. Изменение массы оксида (AQ на начальных стадиях восстановления WO3 (1—6) и содержание вольфрама в продуктах уноса (7): навеска 5 г - 1-3; 10 г - 4, 5; 3 г — 6; расход водорода 5 л/мин — 1,4, 6; 10 л/мин - 2,5 ; 15 л/мин - 3

Для исследования процесса восстановления применяли хроматографический анализ газообразных продуктов, позволяющий измерять количество выделяе­ мых в процессе восстановления паров воды. На рис. 3.15 представлены экспери­ ментальные данные хроматографического анализа начального этапа процесса восстановления. Представленные зависимости — огибающие пиков сигналов. Как видно из рис. 3.15, все эти зависимости имели общую закономерность: сна­ чала концентрация паров воды в процессе восстановления триоксида вольфра­ ма возрастала, проходила некоторый максимум, затем снижалась и стабилизи­ ровалась. Такой ход кривых связан прежде всего с тем, что на этой стадии про­ цесса порошок триоксида вольфрама, достаточно дисперсный, обладал большой величиной реакционной поверхности (4 м2/г), что способствовало сравнительно интенсивному протеканию процесса. Кроме того, на таком дисперсном порош­ ке находились адсорбированные газы и влага, которые при обработке оксида пе-

m

реходили в газовую среду. Хроматографическим способом определяли содержа­ ние влаги в триоксиде вольфрама, которая составила около 0,2% масс. Как по­ казали эксперименты, пропорциональное уменьшение концентрации воды в от­ ходящих продуктах при увеличении расхода газа связано с тем, что в течение од­ ного импульса «обрабатывалось» одно и то же количество оксида.

р, г Н20/м3

Рис. 3.15. Изменепие плотности паров воды в газообразных продуктах реакции для начальных стадий восстановления WO3 : навеска 5 г —5; 10 г —2, 4; 15 г —1, 3, 6; расход водорода 5 л/мин —/, 2 ,5; 10 л/мин —3, 4; 15 л/мин —6; энергия импульсного разряда 1,5 кВ —3—6,2,5 кВ —1—3

С увеличением массы обрабатываемого триоксида вольфрама с 5 до 15 г и при постоянном расходе водорода 5 л/мин концентрация воды в отходящих га­ зах практически не менялась. Это указывало на то, что изменение загружаемой навески и расхода водорода не изменяло количества оксида, обрабатываемого в одном импульсе.

Конечные стадии восстановления триоксида вольфрама изучали на полу­ продукте, полученном за первые 2500 импульсов и представляющем собой аг­ ломерированные частицы W0 2>9с содержанием вольфрама около 4% масс. Пос­ ледующая обработка этого полупродукта не приводила к заметному налипанию частиц на электроды и стенки реактора, что создавало возможность поддержи­ вать постоянными технологические параметры. Полупродукт для исследования получали при Up = 2,5 кВ, расходе газа 10 л/мин и при 2500 импульсах для на­ вески 15 г W03; из него делали навески для дальнейшего восстановления.

Результаты экспериментов по выходу металла в зависимости от напряжения, расхода водорода, периодического измельчения обрабатываемого продукта предс­ тавлены на рис. 3.16. При напряжении в 1,5 кВ, даже с измельчением продукта че­ рез каждые 5000 импульсов, выход металла в зависимости от числа импульсов рас­ тет очень медленно. Заметный рост выхода металла наступал при увеличении нап-

1SS

ряжения до 2,5 кВ. Необходимо обратить внимание на тот факт, что заметный рост выхода вольфрама наступает после содержания в полупродукте около 15 % масс,

металла.

w,%

Рис. 3.16. Содержание вольфрама в продукте восстановления в зависимости от условий эксперимента (навеска полупродукта 15 г): расход водорода 5 л/мип - 5 , 4; 10 л/мин — /, 2 ,5 ; энергия импульсного разряда 1,5 кВ — 5; 2,5 кВ — 2—4; 4 кВ —7 ; с измельчением 1—3,5 ; без измельчения — 4

По-видимому, количество металла в обрабатываемом полупродукте оказы­ вало определенное влияние на механизм передачи энергии разряда. Как пока­ зал металлографический анализ, на этой стадии обработки в полупродукте по­ являлись блестящие сферические частицы вольфрама размером 50... 150 мкм и микротвердостью 4,1...5,4 ГПа.

В работе Ю.В. Цветкова [3.57] установлено, что для расплавления частиц триоксида вольфрама диаметром 10 мкм при температуре 6000 К необходимо 100 мкс. Продукт, полученный в импульсной плазме конденсаторного разряда, имел размер от 20 до 400 мкм. Даже при условии, что процессы в плазме конденсаторного раз­ ряда могут протекать при более высоких температурах, нельзя объяснить получе­ ние частиц вольфрама размером 100 мкм за 100 мкс только простым термическим

1ВВ

воздействием газового потока на частицу. Необходимо отметить, что достаточно заметный рост выхода вольфрама и образование весьма крупных частиц металла на основе модели погружения частицы в низкотемпературную плазму не поддаются объяснению. Следует искать другую модель подвода энергии к частицам.

На рис. 3.17 представлены огибающие хроматограмм выделения воды конечных стадий восстановления полупродукта в плазме высоковольтного разряда, начиная от 2500 импульсов и выше. Представленные на рис. 3.17 зависимости показывают, что предварительное измельчение повышало концентрацию выхода воды с 5,6 до 6 г/см3, т.е. мало увеличивалась степень выхода металла. Наблюдаемое на кривых скачкообразное увеличение концентрации паров воды связано с методикой экспе­ риментов, в которых через каждые 5000 импульсов отбирались пробы для рентге­ ноструктурного анализа. Уменьшение навески полупродукта с имевшим место уносом порошка газовым потоком компенсировали подшихтовкой загрузки до ис­ ходной величины (15 г). При рассмотрении кривых (огибающих хроматограмм) наблюдали зависимость процесса восстановления от количества энергии или рабо­ чего напряжения, выделяемых за один импульс. Заметное повышение скорости процесса получалось при увеличении энергии разряда от 13 до 37 Дж, что соответ­ ствовало изменению напряжения от 1,5до 2,5 кВ. Наблюдавшееся повышение ско­ рости с ростом количества импульсов оставалось постоянным. При энергии одно­ го импульса ~ 37 Дж концентрация воды в газовых продуктах после 17 500 импуль­ сов падала, что указывало на окончание процесса восстановления. Полученный продукт состоял из частиц вольфрама. Увеличение энергии импульсадо 96 Дж зна­ чительно ускоряло процесс, и навеска в 15 г восстанавливалась за 12 500 импульсов. Следует отметить, что увеличение энергии импульса оказывалось наиболее эффек­ тивным для ускорения процесса восстановления 1риоксцца вольфрама.

Рис. 3.17. Изменение плотности4паров воды в отходящих газообразных продуктах на конечной стадии восстановления (навеска полупродукта 15 г): расход водорода 5 л/мнн —/, 2; 10 л/мин —5 - 5 ; энергия импульсного разряда 1,5 кВ —4; 2,5 кВ —1—3; 4 кВ —5; с измельчением —1,3—5; без измельчения —2

Исследование технологических свойств порошкообразных продуктов показа­ ло, что насыпные массы продуктов процесса от начальных стадий восстановления триоксида вольфрама до получения чистого вольфрама изменялись линейно в за­ висимости от содержания металлической составляющей. На рис. 3.18 представле­ на эта зависимость, которая удовлетворительно описывается уравнением: унас = 2,6 + 0,07% W. Так, увеличение содержания вольфрама от 4,0 до 100 % изменяло насыпную массу продукта с 2,9 до 9,8 г/см3. При получении вольфрама промыш­ ленным водородным восстановлением насыпная масса составляет 3,6...5,5 г/см3. Высокое значение насыпных масс получаемых порошков по сравнению с про­ мышленными обусловлено особенностью гранулометрического состава частиц. У промышленных порошков вольфрама частицы имеют размер 1 ...1 0 мкм, авнаш их экспериментах частицы вольфрама имели размер 20...40 мкм.

Гн~ г/см3

Рис. 3.18. Зависимость насыпной массы продукта от содержания вольфрама (унас = 2,6 + 0,07W)

Кинетику восстановления оксидов металлов водородом в импульсном конден­ саторном разряде исследовали с целью отработки основ лабораторной технологии получения вольфрама, молибдена и железа. Процесс восстановления осуществля-

Зависимость от времени степени восстановления (a ) WO3 водородом в импульсной плазме

вергались воздействию импульсов плазмы. При дополнительном подогреве ре­ акционного объема сокращалось время до получения металла при сохранении остальных параметров процесса. Так, при подогреве на 95... 100 °С процесс вос­ становления W 03 протекал с более высоким давлением паров воды (кривая 2, рис. 3.19), но в этом случае имелся длительный стационарный участок процесса.

Процесс восстановления при температурах 400, 600, 700, 800, 950 и 1100 °С осуществляли как в кипящем слое (кривые 8—12, рис. 3.20), так и обработкой термостатированного кипящего слоя импульсами плазмы (кривые 3-7). На рис. 3.20 показаны зависимости степени восстановления (а, %) триоксида вольфра­ ма водородом от времени (количества импульсов) при различных температурах на газораспределительном конусе и одинаковых энергетических параметрах импульса плазмы (частота 10...12 Гц, Up= 2...3 кВ). Данные получали путем хро­ матографического анализа, а также методом доокисления до высшего оксида и рентгеноструктурным количественным анализом.

Рис. 3.20.

(кривые 1—7) и в кипящем слое (кривые 8—13) при различных температурах, °С : 1 - 25; 2 100; 3 - 400; 4 - 1100; 5 - 800; 6 - 950 (унас = 2,6 + 0,07% W)

Анализ экспериментальных данных показал, что восстановление импульса­ ми плазмы дополнительно подогретого реакционного объема до температуры 600... 1100 °С протекало более интенсивно, чем сумма процессов в просто кипя­ щем слое при 600... 1100 °С и в охлаждаемом до 20...25 °С импульсном плазмо­ химическом реакторе.