Способ получения тугоплавких неорганических соединений в режиме горения

 

Изобретение относится к способу получения неорганических соединений и может быть использовано в химической и машиностроительной отраслях промышленности. Новым в способе получения тугоплавких неорганических соединений в режиме горения является то, что готовят по крайней мере две исходные смеси, загрузку их в реактор ведут одновременно и раздельно, причем в процессе загрузки указанные смеси подают на боковые поверхности валков реактора, затем нагревают их до температуры, обеспечивающей расположение фронтов горения на постоянном расстоянии от точек подачи смесей, после чего последние подают в зоны горения, расположенные также на боковых поверхностях валков, при этом линейные скорости подачи смесей в зоны горения определяют из условия, формула которого приведена в описании. На продукты горения воздействуют одним из валков с усилием 10 - 1000 кг/см². Готовый продукт - cложный титановольфрамовый карбид, порошок состоит из однородных частиц, выход 99%. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к способу получения неорганических соединений и может быть использовано в химической и машиностроительной промышленности.

Известен способ получения тугоплавких неорганических соединений локальным воспламенением реакционной смеси, содержащей металлы III-IV и неметаллы III-IV групп, в замкнутом объеме с последующим высокотемпературным реагированием в режиме горения [1] Недостатками данного способа являются его цикличность и неоднородность по дисперсному составу получаемого соединения.

Наиболее близким к изобретению является способ получения тугоплавких неорганических соединений в режиме горения путем непрерывной подачи исходной экзотермической смеси в зону горения реактора и ее термообработки в указанном режиме с последующим непрерывным отводом полученного соединения [2] Недостатком известного способа является невысокий выход целевого продукта и его неоднородность по фазовому составу из-за нестабильности условий горения, что затрудняет его применение для получения твердых сплавов. Измельчение этих порошков практически трудноосуществимо из-за высокой абразивной способности их.

Целью изобретения является повышение выхода целевого продукта и улучшение его фракционного состава за счет повышения стабильности условий горения.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения тугоплавких неорганических соединений в режиме горения, включающем приготовление исходных смесей компонентов, составляющих соединение, непрерывную загрузку указанной смеси в реактор, подачу ее в зону горения и термообработку в названном режиме с последующей непрерывной выгрузкой полученного соединения, согласно изобретению готовят по крайней мере две исходные смеси, загрузку их в реактор ведут одновременно и раздельно, причем в процессе загрузки указанные смеси подают на боковые поверхности валков реактора, затем нагревают их до температуры, обеспечивающей расположение фронтов горения на постоянном расстоянии от точек подачи смесей, после чего последние подают в зоны горения, расположенные также на боковых поверхностях валков, при этом линейные скорости подачи смесей в зоны горения определяют из условия V^°_1,2...n< V_1.2...n<V_1,2...n (I) где V^°_1.2...n линейные скорости адиабатического горения исходных смесей при нормальных условиях, см/с, V_1.2...n линейные скорости подачи исходных смесей в зоны горения, см/с, V^m_1.2...n максимально допустимые линейные скорости подачи исходных смесей в зоны горения, определяемые как ближайший к V^°_1,2..n корень уравнения где ,
,
,
F функция переменных ,
β функция переменных ,
T^г_1,2...n температуры горения исходных смесей, K,
V безразмерная скорость,
Т_о температура окружающей среды, K,
R универсальная газовая постоянная, кал/мол·K,
Q_1,2...n теплотворные способности исходных смесей, кал/г,
C_1,2...n теплоемкости исходных смесей, кал/г K,
ρ_1,2...n плотности исходных смесей, г/см₃,
Е_1,2...n энергии активации экзотермического химического превращения исходных смесей, кал/моль,
коэффициенты теплопотерь боковых поверхностей валков реактора, кал/см·c·K,
α_1,2...n коэффициенты теплообмена между исходными смесями и боковыми поверхностями валков реактора, кал/см₂·c·K,
κ_1,2...n расстояние между точками подачи исходных смесей на боковые поверхности валков и выгрузки соединения, см.

Адиабатические линейные скорости горения исходных смесей при нормальных условиях вычисляют по скорости Зельдовича для начальной температуры То

где K_о предэкспонент, 1/с,
λ_1,2..n коэффициенты теплопроводности смесей, кал/см·c·К.

На продукты горения перед выгрузкой воздействуют одним из валков с усилием 10 1000 кг/см₂.

На чертеже представлено схематическое изображение реактора, в котором реализуют способ по изобретению.

Исходные смеси при помощи загрузочных устройств 1 подают на валки 2, которые предварительно нагревают элементами 3. На валках 2 за счет их движения загруженные смеси располагаются в виде слоев 4. Устройства 5 в зонах А-Б cлоев смесей инициируют процесс горения. На прореагировавшие смеси воздействуют этими же валками 2 с усилием от 10 до 1000 кг/см₂, регулируемым пружиненным механизмом 6. Готовый продукт 7 поступает в приемное устройство 8, налипший на валки продукт отделяют скребками 9. Валки заключены в кожух 10, в который через патрубок 11 вводят нейтральный газ для изоляции готового продукта от атмосферного воздуха.

Зоны А-Б представляют собой зоны автостабилизации фронтов горения относительно точек В загрузочных устройств.

Если тепло, выделяемое при синтезе тугоплавкого неорганического соединения, достаточно для поддержания режима автостабилизации горения, то нагревательные элементы 3 отключают, если нет, что снижают их нагрев до величины, необходимой для создания условий режима автостабилизации горения.

Сущность автостабилизации заключается в следующем.

Если фронты горения при увеличении по каким-либо причинам скоростей горения приблизятся к загрузочным устройствам, то уменьшится расстояние между фронтами горения и загрузочными устройствами. Это в свою очередь уменьшит время контакта слоев смесей с поверхностями валков, максимальные температуры их подогрева и, следовательно, скорости горения исходных смесей. Уменьшение скоростей горения переместит фронты горения в противоположные от загрузочных устройств стороны. В том случае, когда фронты горения удалятся от мест загрузки, то время контакта с поверхностями валков, температуры и скорости горения смесей увеличатся, и фронты горения вернутся в первоначальные положения. Таким образом, на поверхностях валков фронты горения колеблются относительно некоторых равновесных положений.

Пример 1.

Для подготовки одной исходной смеси берут 1 кг титана марки ПТХ-5-1 Опытного металлургического завода дисперсностью 0,08 0,45 мм и 0,25 кг углерода марки ПМ 15 ТС и перемешивают их в смесителе в течение 8 часов. Это исходная смесь N 1.

Исходную смесь N 2 готовят следующим образом. Берут 1,4 кг вольфрама марки ПВН завода "Победит" дисперсностью 0,35 0,6 мм и 0,092 кг углерода марки ПМ 15 ТС и перемешивают их в смесителе в течение 8 часов. Подготовленные таким образом исходные смеси, валковый реактор и окружающая среда имеют следующие характеристики:
плотности исходных смесей ρ₁ 5 г/см₃, ρ₂ 10 г/см₃,
температуры горения исходных смесей T^г₁= 3500 K, T^г₂ = 1066 K,
теплоемкости исходных смесей C₁ 0,2 кал/г·K, C₂ 0,06 кал/г·K,
теплотворные способности исходных смесей Q₁ 640 кал/г, Q₂ 43 кал/г,
энергии активации экзотермического химического превращения исходных смесей Е₁ Е₂ 45000 кал/моль,
коэффициенты теплопотерь боковых поверхностей валков реактора кал/см·c·K,
коэффициенты теплообмена между исходной смесью и боковой поверхностью валков реактора α₁=α₂= 0,45 кал/см₂·c·K,
температура окружающей среды Т_о 300 K,
расстояния между точками подачи каждой из исходной смесей на валки реактора выгрузки продукта x₁ x₂ 10 cм,
линейные скорости адиабатического горения исходных смесей, при нормальных условиях рассчитанные по (3) V^o₁ = 3 см/с, V^o₂= 1,2 см/с,
предэкспонент K_o 3100 1/с,
коэффициенты теплопроводности смесей
λ₁ 0,0162 кал/см·c·K, λ₂ 0,05 кал/см·c·K.

Подставляя в формулу (2) числовые значения параметров для каждой из смесей в отдельности, определяют с помощью ЭВМ V^m₁ и V^m₂, которые равны соответственно 5,1 и 2,4 см/с. Подставляя численнные значения V^o₁, V^o₂, V^m₁, V^m₂ в (1), выбирают V₁ и V₂ в интервалах
3 < V₁ < 5,1 и 1,2 < V₂ < 2,4 (см/с).

Исходные смеси помещают в загрузочные устройства 1 валкового реактора и приводят в движение валка 2 с линейными скоростями V₁ 3,5 см/с и V₂ 2 см/с, предварительно нагрев их с помощью нагревательных элементов 3 до температур Т₁ 1200 K и Т₂ 839 K.

Из загрузочных устройств 1 смеси поступают на валки 2 в виде лент 4, в которых при достижении ими зон реакции инициируют процесс горения устройствами 5. После синтеза на продукты горения 7 воздействуют одним из валков 2 с усилием 300 кг/см₂, регулируемым пружиной 6. Затем готовый продукт 7 собирают в приемное устройство 8. Полученный продукт измельчают в течение 1 часа с загрузкой шаров в весовом соотношении к порошку 5:1.

Готовый продукт представляет собой сложный титановольфрамовый карбид. Порошок состоит из однородных частиц, интервал зернистости 0,5 5 мкм, выход 99%
В таблице представлены данные по выходу и фракционному составу получаемых по изобретению тугоплавких соединений.

Из представленных в таблице данных следует, что изобретение позволяет получить различные тугоплавкие неорганические соединения, в частности карбиды, бориды, силициды, сложные карбиды и т.д. с выходом целевого продукта не менее 96% Порошки однородны по фракционному составу. Способ легко автоматизируется.

Формула изобретения

Способ получения тугоплавких неорганических соединений в режиме горения, включающий приготовление исходной смеси компонентов, составляющих соединение, непрерывную загрузку указанной смеси в реактор, подачу ее в зону горения и термообработку в названном режиме с последующей непрерывной выгрузкой полученного соединения, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности условий горения, готовят по крайней мере две исходные смеси, загрузку их в реактор ведут одновременно и раздельно, причем в процессе загрузки указанные смеси подают на боковые поверхности валков реактора, затем нагревают их до температуры, обеспечивающей расположение фронтов горения на постоянном расстоянии от точек подачи смесей, после чего последние подают в зоны горения, расположенные также на боковых поверхностях валков, при этом линейные скорости подачи смесей в зоны горения определяют из условия
v^o_1,2...n< v_1,2...n < v^m_1,2...n,
где v^o_1,2...n линейные скорости адиабатического горения исходных смесей при нормальных условиях, см/с;
v_1,2...n линейные скорости подачи исходных смесей в зоны горения, см/с;
v^m_1,2...n максимально допускаемые линейные скорости подачи исходных смесей в зоны горения, определяемые, как ближайший к v^o_1,2...n корень уравнения;

где




F функция переменных
β функция переменных a_1,2...n,X_1,2...n,C_1,2...n,ρ_1,2...n,v_1,2...n;
T^г_1,2...n температуры горения исходных смесей, K;
T_о температура окружающей среды, K;
безразмерная скорость;
R универсальная газовая постоянная, кал./моль. K;
Q_1,2...n теплотворные способности исходных смесей, кал./г;
C_1,2...n теплоемкости исходных смесей, кал./г. K;
ρ_1,2...n плотности исходных смесей, г/см³;
E_1,2...n энергии активации экзотермического химического превращения исходных смесей, кал./моль;
коэффициенты теплопотерь боковых поверхностей валков реактора, кал./см².с.K;
α_1,2...n коэффициенты теплообмена между исходными смесями и боковыми поверхностями валков реактора, кал./см².с.K;
X_1,2...n расстояние между точками подачи исходных смесей на боковые поверхности валков и выгрузки соединения, см;
а на продукты горения перед выгрузкой из реактора воздействуют одним из валков с усилием 10 1000 кг/см².

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2