Валковый реактор для синтеза тугоплавких соединений в режиме непрерывного горения

Полезная модель относятся к области порошковой металлургии, а именно, к производству порошковых тугоплавких соединений методом СВС.
Наиболее эффективно она может быть использована для уменьшения времени технологического процесса за счет повышения цикличности работы реактора.
Известен традиционный способ изготовления порошковых тугоплавких продуктов, включающий следующие операции: смешение шихты; компактирование (таблетирование) заготовок, загрузка заготовок в реактор, инициирование процесса СВС электроспиралью; охлаждение ПС; измельчение ПС до рабочего (порошкового) состояния в шаровой мельнице [1, 2].
-4
-3
Недостаток способа заключается в том, что, несмотря на кратковременность процесса синтеза, который продолжается всего несколько секунд, общее время производства тугоплавких продуктов может составить десятки часов. Это связано с длительностью подготовительных, промежуточных и концевых операций. В частности, скорость остывания ПС в реакторе может составить 10-10 град/сек) [3], в результате чего время охлаждения даже небольшого реактора для синтеза 2,5 кг продукта составляет 1,5-2 часа и он может быть запущен всего два раза в смену (при времени синтеза в несколько секунд) [1].
Известен также проект валкового СВС-реактора для изготовления порошковых продуктов синтеза в режиме непрерывного горения [4]. Работа реактора заключается в самоподаче (самотеком) струи СВС-шихты из бункера к валкам реактора, воспламенение шихты между бункером и валками и измельчение образующихся продуктов синтеза в валках, вращающихся с рассогласованием окружных скоростей. Недостатком реактора является ненадежность работы вследствие возможности перехода горения по струе СВС-шихты внутрь бункера. Кроме того, длительное контактирование высокотемпературных ПС с валками приводит к их разогреванию, что также снижает надежность работы установки.
Изучив существующий на сегодняшний день уровень производства тугоплавких соединений методом СВС, было выявлено, что проблемой синтеза тугоплавких продуктов является длительность времени технологического процесса.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении цикличности работы реактора.
Это достигается тем, что валковый реактор для синтеза тугоплавких соединений в режиме непрерывного горения, включает бункер для засыпки СВС-шихты, валковый прокатный стан для уплотнения полосы из СВС-реагентов, воспламенитель и снабжен дополнительно на выходе из валков прямоугольным двустенным, открытым с двух сторон, реакционным стаканом, наружные стенки которого образуют корпус и содержат штуцер для подачи в реакционный стакан проточной газообразной рабочей среды, внутренние стенки реакционного стакана выполнены перфорированными и содержат на нижней стенке местные выступы, отделяющие от нее уплотненную полосу реагентов СВС, при этом, воспламенитель размещен на переднем торце реакционного стакана.
В значительном количестве случаев валки реактора выполнены с возможностью регулирования скорости их вращения с учетом показаний датчика пламени, размещенного на переднем торце реакционного стакана.
При необходимости использования продуктов синтеза в виде тугоплавких порошков валковый реактор снабжен дополнительно транспортировочным контейнером для подачи продуктов синтеза в измельчающее устройство.
Существенность признаков, обеспечивающих решение поставленной проблемы, обусловлена следующими причинами:
- снабжение валкового устройства на выходе из валков прямоугольным двустенным, открытым с двух сторон, реакционным стаканом и размещение воспламенителя и датчика пламени на переднем торце реакционного стакана обеспечивают возможность синтеза тугоплавких продуктов в процессе передвижения уплотненной полосы из СВС-шихты внутри этого стакана;
- выполнение внутренних стенок реакционного стакана перфорированными, и местных выступов на нижней стенке, отделяющих от нее уплотненную полосу из реагентов СВС и подача в реакционный стакан проточной газообразной рабочей среды обеспечивают осуществление синтеза тугоплавких продуктов в нейтральной среде, а при прокатке тонких полос обеспечивают охлаждение продукта синтеза внутри реактора;
- выполнение валков с возможностью регулирования скорости их вращения с учетом показаний датчика пламени обеспечивает возможность синхронизации окружной скорости валков со скоростью горения уплотненной полосы из СВС-шихты;
- дополнительное снабжение валкового реактора транспортировочным контейнером обеспечивает возможность накопления партии продуктов синтеза, необходимой для загрузки в измельчающее устройство (шаровую мельницу).
Сущность научно-технического решения иллюстрируется детальным описанием условий его осуществления, где на чертеже представлена конструктивная схема валкового реактора в сочетании с технологической схемой изготовления порошковых продуктов СВС и приняты следующие обозначения:
1-бункер для загрузки шихты СВС; 2 - шихта СВС; 3-валки прокатного стана; 4-прокатанная полоса из шиты СВС; 5-воспламенитель (показан условно); 6-датчик пламени (показан условно стрелкой); 7-наружные стенки реакционного стакана; 8-корпу с реактора; 9-местный выступ; 10-прокатанная полоса шихты СВС в процессе горения и обдува газообразной рабочей средой (азотом); 11-транспортировочный контейнер;12 - шаровая мельница; 13-шары; 14-конечный порошковый продукт.
Работа по технологическому процессу с непрерывным горением осуществляется следующим образом:
Смешанная шихта 1, размещенная в бункере 2, подается самотеком в валки 3 прокатного стана, уплотняется в полосу 4, которая инициируется воспламенителем 6 (показан условно) перед входом в реактор. При подходе профилированной полосы 4 к реактору включается датчик пламени 5 (показан условно) и воспламененная полоса шихты подается в сквозную полость, образованную внутренними стенками 7 реакционного стакана, где осуществляется синтез компонентов шихты. Одновременно осуществляется подача хладагента (азота) через штуцер находящийся сверху корпуса 8, в полость между стенками корпуса и реакционного стакана 7. Через перфорированные стенки реакционного стакана 7 азот подается на прокатанную воспламененную полосу продуктов синтеза 10, двигающуюся внутри реактора, в результате чего в реакторе создается нейтральная среда, предотвращающая воздействие воздуха. В случае прокатки тонкой полосы осуществляется охлаждение ее внутри реактора. Затем куски продуктов синтеза (ПС) загружаются в транспортировочный контейнер 11 и после накопления необходимой массы подается в измельчающее устройства (шаровую мельницу). В случае прокатки толстой полосы может осуществляться охлаждение кусков ПС в контейнере 11 путем подачи азота со стороны донной части контейнера. После накопления необходимой массы ПС транспортировочный контейнер 11 подается к шаровой мельнице, где происходит измельчение ПС.
Результаты испытаний
Пример 1.
2
Осуществили синтез тонкой (1,2 мм) полосы из смеси титана и бора в модельном реакторе с воспламенением ее со стороны одного конца с подачей охлаждающего азота навстречу фронту горения. При проведении испытаний изменяли расход азота, начиная от минимального (для создания рабочей среды в реакторе) до расхода обеспечившего загасания процесса горения. Результаты химического анализа показали, что во всех случаях конечным продуктом был, в основном, диборид титана (TiB), что подтвердило возможность регулирования расхода охлаждающего азота в широких пределах [5]. Пример 2.
Осуществили моделирование процесса охлаждения ПС прокатанной толстой (5-6 мм) полосы из смеси титана и бора. При проведении испытаний прокатанную полосу разломили на куски протяженностью 10-15 мм и разместили их в камере модельного реактора диаметром 60 мм. Общая масса заряда (кусков прокатанной полосы) составила 0,1 кг. После размещения заряда в модельной камере осуществили подачу азота с расходом 0,1 кг/сек со стороны нижнего торца и воспламенение заряда со стороны верхнего его торца. Подачу азота осуществляли в течение 10 сек. После этого охлажденные, частично спекшиеся между собой, куски продуктов синтеза разрушили на прессе, измельчили в шаровой мельнице и передали для рассеивания по фракциям.
Таким образом, предложенное научно-техническое решение в условиях описываемых примеров обеспечивает решение поставленной проблемы по длительности времени синтеза тугоплавких СВС-соединений и других преимуществ, подтверждающих возможность их изготовления в режиме непрерывного горения.
Литература
1. В.К. Прокудина, В.И. Ратников, В.М. Маслов, И.П. Боровинская, А.Г. Мержанов, Ф.И. Дубовицкий. Технология карбида титана. В кн.: Процессы горения в химической технологии и металлургии. Под ред. A. Г.Мержанова, Черноголовка, 1975, с. 136-141.
2. Измельчение карбида титана в шаровых мельницах / В.М. Бунин, B. И. Торбов, В.М. Маслов, Л.Ф. Микулинская // Исследование твердых сплавов: Тематический сборник научных трудов. - М., Металлургия, 1991, - с. 92-97.
3. А.Г. Мержанов. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез и порошковая металлургия: единство целей и конкуренция принципов. В кн. Процессы горения и синтез материалов. Под ред. В.Т. Телепы, А.В. Хачояна. Черноголовка, издательство ИСМАН, 1998, с. 70-121.
4. В.И. Ратников и др. Вальцовый реактор. Отчет ИСМАН, Черноголовка, 1995. В кн. А.Г. Мержанова Процессы горения и синтез материалов, издательство Черноголовка, 1998. С. 362.
5. В.Д. Жигарев. Экспериментальные исследования внутрикамерных характеристик высокотемпературного СВС-теплогенератора. Журн. Конверсия в машиностроении №5, 2001, с. 88-92.