Реактор для получения самораспространяющимся высокотемпературным синтезом тугоплавких неорганических соединений
REACTOR FOR OBTAINING FUEL INORGANIC COMPOUNDS BY SELF-SPREADING HIGH-TEMPERATURE SYNTHESIS

Изобретение относится к области металлургии, в частности к установкам (устройствам) реакторам для проведения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, далее реактор СВС.
Известно устройство (реактор СВС) для синтеза халькогенидов, содержащее корпус с водяной рубашкой, в котором выполнена цилиндрическая камера, торцевые крышки, закрывающие камеру, инициирующее приспособление, закрепленное в одной из крышек по оси корпуса, при этом устройство снабжено коаксиально размещенным в камере цилиндром - выполняющим роль реакционной камеры, установленными в цилиндре с возможностью перемещения вдоль его оси вкладышами с выполненными в них кольцевыми проточками и экранами, закрепленными на внутренних поверхностях вкладышей, а во вкладыше, расположенном напротив инициирующего приспособления, выполнена коническая полость (SU 874165, B01J 19/08, 26.10.1981). Дополнительно устройство снабжено центрирующими кольцами, помещенными между цилиндром и внутренней поверхностью корпуса. Цилиндр и экраны выполнены из фольги молибдена или вольфрама, а вкладыши выполнены из керамики или графита.
Известное устройство позволяет повысить однородность конечного продукта за счет уплотнения исходной смеси вкладышами. Основным недостатком устройства является малый ресурс реактора, из-за частого выхода из строя резиновых кольцевых прокладок, особенно при использовании высокоэнергетических смесей.
Известны устройства (реактора СВС) для синтеза карбида титана SU 1834845 A3, С01В 31/30, 15.08.1993 и RU 2038296, С01В 31/30, 27.06.1995, общими признаками которых является наличие корпуса реактора, системы водоохлаждения, крышки реактора с патрубками, вакуумными прокладками, системой инициирования, сброса газов, оболочки из графитовой ткани для размещения в ней экзотермической смеси титана и графита. Устройства не безопасны в работе, требуют частой замены вакуумных прокладок и имеют недостаточно высокий ресурс работы.
В статье «СВС-абразивы: производство, свойства, применение», авторов А.Г. Мержанова, И.П. Боровинской, В.К. Прокудиной и др., опубликованной в журнале «Наука – производству», 1998, №8(10), с. 4-5, представлена схема реактора для получения самораспространяющимся высокотемпературным синтезом тугоплавких неорганических соединений, содержащего корпус в виде трубы с водяной рубашкой охлаждения и грибковыми затворами, закрывающими трубу с образованием камеры для размещения порошковой экзотермической реакционной смеси, и инициирующее устройство, размещенное в одной из частей реакционной смеси. В качестве исходных компонентов могут быть использованы любые экзотермические смеси порошков, например металла и неметалла, металлов, оксидов и металлов и пр.
Недостатком устройства являются большие осевые нагрузки на корпус реактора, что приводит к выходу его из строя, а также не достаточно высокие производительность и ресурс работы. Такие же недостатки характерны и для других указанных аналогов.
Наиболее близким аналогом выбран реактор СВС из указанной статьи.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение ресурса и эффективности работы реактора за счет снятия осевых нагрузок на корпус реактора, а также повышение производительности реактора и безопасности его эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что реактор для получения самораспространяющимся высокотемпературным синтезом тугоплавких неорганических соединений содержит корпус в виде трубы с водяной рубашкой охлаждения и грибковыми затворами, закрывающими трубу с образованием камеры для размещения порошковой экзотермической реакционной смеси, и инициирующее устройство, размещенное в упомянутой камере, согласно изобретению он содержит станину, выполненную в виде двух квадратных опорных плит, связанных между собой четырьмя колоннами, при этом корпус закреплен двумя кронштейнами на станине с возможностью поворота относительно вертикальной оси в его рабочее положение вдоль оси станины посредством привода для обеспечения загрузки порошковой экзотермической реакционной смеси в камеру, причем грибковые затворы выполнены прижатыми к опорным плитам станины и оснащены запирающими устройствами с приводами.
На чертеже представлена схема заявляемого реактора в продольном разрезе (общий вид), где 1 корпус реактора из толстостенной трубы; 2 рубашка охлаждения; 3 внутренний объем камеры для размещения реакционной смеси; 4 грибковые затворы с приводами 10; 5 инициирующее устройство, установленное в реакционной смеси; 6 запирающие устройства с приводами 9; 7 квадратные опорные плиты, связанные между собой четырьмя колоннами 8; 11 кронштейны для крепления корпуса реактора к станине; 12 привод поворота корпуса реактора.
Стрелками показано направление газа.
Работа реактора СВС.
В исходном положении корпус реактора повернут относительно вертикальной оси на угол до 90 градусов к оси станины, грибковые затворы прижаты к опорным плитам станины, запирающие устройства подняты вверх.
Для проведения синтеза СВС во внутренний объем камеры корпуса реактора загружают реакционную экзотермическую смесь исходных реагентов в контейнере, размещают в смеси инициирующее устройство в виде спирали. В зависимости от температуры, развиваемой при синтезе, контейнер может быть выполнен из графита, огнеупорного материала, тугоплавкого металла или стали. При температурах (не выше 1400°С) наиболее экономичными являются стальные лодочки.
Инициирующая спираль может быть изготовлена из вольфрамовой, молибденовой или нихромовой проволоки диаметром до 1,0 мм. Локально инициирование процесса СВС осуществляют с пульта управления подачей кратковременного (до 5 с) электрического тока при напряжении до 80 В и тока до 100 ампер на инициирующую спираль, касающуюся исходной смеси.
После этого корпус реактора поворачивают при помощи привода поворота в рабочее положение - вдоль оси станины. Во внутрь корпуса реактора вводят грибковые затворы при помощи приводов и герметично закрывают камеру посредством колец уплотнения, при этом получается герметичная камера с исходной смесью.
Запирающие устройства, имеющие круглое сечение с "U"-образным вырезом, при помощи приводов опускают вниз и запирают грибковые затворы внутри корпуса реактора.
После этого реактор готов к работе.
Во внутрь корпуса реактора, через каналы в грибковых затворах при необходимости создают вакуум, проток газа или избыточное давление газа (инертного или реагирующего - азота) и производят инициирование процесса СВС при охлаждении корпуса.
После завершения процесса, который длится несколько секунд, проводят выравнивание давления в корпусе реактора с атмосферным, запирающие устройства поднимают вверх, грибковые затворы выходят из корпуса реактора с помощью соответствующих приводов, затем корпус поворачивают в исходное положение для выгрузки контейнера с полученным продуктом.
Реактор СВС используется для получения тугоплавких неорганических соединений путем инициирования смеси порошков металлов и/или неметаллов в инертной или реагирующей атмосфере с давлением до 250 атм.
Более подробно о возможностях СВС представлено в монографии «Химия синтеза сжиганием» под редакцией профессора М. Коидзуми, Москва, «Мир», 1998; в учебном пособии «Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза», авторов Е.А. Левашова, А.С. Рогачева и др., Москва, ЗАО «Издательство БИНОМ», 1999 и др.
Заявляемый реактор представляет собой единую конструкцию, все составляющие части которого взаимно связаны между собой, обладает повышенной прочностью и эффективностью за счет снятия осевых нагрузок на корпус реактора. Срок работы реактора повышается на порядок относительно известных аналогов, снижается металлоемкость за счет уменьшения толщины стенок реактора не менее чем на 30%.
Кроме того, корпус реактора после износа легко заменяется на новый.
Процесс проведения СВС может быть легко автоматизирован.