Расчетно-теоретическая модель горения при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГОРЕНИЯ ПРИ САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕМСЯ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ СИНТЕЗЕ 1 2

Демянюк Д.Г. , Исаченко Д.С. Email: [email protected]

1Демянюк Дмитрий Георгиевич - кандидат технических наук, доцент; 2Исаченко Дмитрий Сергеевич - кандидат физико-математических наук,

кафедра радиоэкологии и экологической безопасности, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Севастопольский государственный университет, г. Севастополь

Аннотация: основным вопросом расчетно-теоретического анализа

самораспространяющегося высокотемпературного синтеза является определение температурных полей, возникающих в процессе СВС, и определение конечного фазового состава продукта реакции. Поскольку режим СВС является многостадийным режимом, каждая стадия процесса соответствует определенному температурному режиму, зная распределение температуры по объему синтезируемого вещества, можно прогнозировать фазовый состав и свойства получаемого материала.

Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез, борсодержащие материалы, температурные поля.

THEORETICAL COMPUTATION MODEL OF COMBUSTION

IN SELF-PROPAGATING HIGH-TEMPERATURE SYNTHESIS MODE

12 Demyanuk D.G.1, Isachenko D.S.2

1Demyanuk Dmitry Georgievich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor;

2Isachenko Dmitry Sergeevich - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, DEPARTMENT OF RADIOECOLOGY AND ECOLOGICAL SAFETY, FEDERAL STATE AUTONOMOUS EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER PROFESSIONAL EDUCATION SEVASTOPOL STATE UNIVERSITY, SEVASTOPOL

Abstract: the main question of the theoretical computational analysis of self-propagating high-temperature synthesis is determination of the temperature fields produced in the SHS process and finding the final phase composition of the reaction product. Since the SHS regime is a multistage regime, each stage of the process corresponds to a certain temperature regime, knowing the temperature distribution over the volume of the synthesized substance, it is possible to predict the phase composition and properties of the resulting material.

Keywords: self-propagating high-temperature synthesis, boron-containing systems, temperature fields.

УДК 536.42:621.762

Основной задачей проведения расчетно-теоретического анализа распространения волны горения является определение температурных полей, реализующихся при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе (СВС) и связанного с ним фазового состава конечного продукта. Это обусловлено тем, что протекание СВС-реакций характеризуется многостадийностью, когда каждой стадии процесса фазообразования соответствует определенный температурный режим. Таким образом, зная распределение температуры по объему образца можно предсказывать возможный фазовый состав конечного продукта, а значит и свойства получаемого материала.

Согласно теории твердофазного горения процесс горения, может быть представлен следующим соотношением:

52Т Л Чу (г, г, г)_дТ

гд2 Т

а ■

дг2

1 дТ г дг

дг2

С (Т )р

дг

(1)

где а - коэффициент температуропроводности; С(Т) - теплоемкость; р - плотность

образца; Чу (г, г, г)

- объемный ]

1 г, г I _ път-рмтплч источник тепловыделения.

Уравнение (1) представляет собой краевую задачу и для ее решения необходимо задать граничные условия.

1.

, дТ

А-

дг

. дТ

2 А-

2 дг

= ±а(Т=« - Т )±ест(Тг4=й - Т4) = ±а(Т=н -Т )±ест(г4= н -Т4)

А—

дг

=н

А—

дг

= 0

= Т

(2)

(3)

где а - коэффициент теплоотдачи, е - коэффициент "черноты" поверхности тела, ст -постоянная Стефана-Больцмана, Т8 - температура среды, А - коэффициент теплопроводности, ТГ - температура предварительного подогрева образца.

Также известно, что при движении волны горения возникает область с большим энерговыделением, которое расходуется на поддержание реакции синтеза и нагрев следующего слоя. Исходя из этого следует задавать объемный источник тепловыделения как

функцию нескольких параметров: радиуса, высоты и времени Чу (г, г,г).

Для моделирования волны горения используется методика, в основе которой лежит перемещение слоя с некоторой скоростью и во времени, в котором происходит тепловыделение Q. Величина тепловыделения определяется следующим соотношением:

^ Ж-р-и

в= —А-, (4)

Лг ■ п

где Ж - энергетический выход химической реакции; р - реальная плотность образца; и -скорость распространения волны; п - ширина зоны горения; Лг - толщина волны горения. Расчет распределения температур по объему образца проводился для борида вольфрама

[1].

На рис. 1 представлена пространственная динамика распределения температуры по высоте образца для борида вольфрама при начальной температуре предварительного подогрева 1000 К.

г=0

г=0

Рис. 1. Распределение температуры по высоте образца в различные моменты времени при плотности исходной шихты 5000 кг/м3: X = 0 - нижний торец образца, X = 60 мм - верхний торец, с

которого инициируется горение

Известно, что процесс образования борида вольфрама в волне горения проходит через ряд стадий: образование а-ЖВ (диапазон температур лежит в пределах 2000-2600 К), W2B5 (1000-1200 К), ЖВ2 (600-900 К) [2]. Таким образом, сравнивая температуры, полученные в результате численного расчета с практическими значениями [2], можно предположить, что синтезированный образец должен состоять из представленных выше фаз.

Проведенные исследования фазового состава выявили тот факт, что в структуру полученных материалов, помимо требуемых, входит также большое число других фазовых составляющих. Это объясняется стадийностью протекания процесса горения в рассматриваемых СВС-системах, когда каждой стадии соответствует свой определенный температурный режим. Вследствие быстроты протекания процесса СВС и реализующейся при горении неоднородности поля температур по объему синтезируемого образца в структуре последнего образовывались локальные области, где образование конечного продукта останавливалось на той или иной стадии. На рис. 2 представлен рентгенофазовый анализ, проведенный для полученных образцов.

J_I_I_1_I_I_I_I_fjj_I_a_I_I_

20 24 28 32 36 40 44 48 56 60 68 72 20, град

Рис. 2. Рентгенофазовый анализ для борида вольфрама, характеризующий многофазность материалов, получаемых в режиме СВС

Удовлетворительное совпадение численных результатов и результатов приборного эксперимента позволяет говорить о корректности разработанной численной модели и возможности использования модели для корректного расчетно-теоретического анализа других СВС-систем.

Представленная численная модель позволяет определить принципиальную возможность осуществления процесса горения в той или иной системе и заранее определять предварительные параметры подготовки исходной шихты реагентов и режимов проведения СВ-синтеза. К таковым, прежде всего, относятся: количественное соотношение входящих в систему исходных реагентов; величина давления предварительного прессования реакционноспособной системы, которая определяет плотность подготовленных к проведению синтеза образцов; температура предварительного подогрева исходной шихты, изменение которой является одним из путей управления процессом СВС. Наряду с этим, получаемые распределения температур по объему образца позволяют говорить о возможном фазовом составе синтезируемого образца и тем самым, выбирать оптимальные режимы проведения реакции синтеза для получения продуктов высокой чистоты.

Список литературы /References

1. Новиков Н.П., Боровинская Н.П., Мержанов А.Г. Термодинамический анализ реакций самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Процессы горения в химической технологии и металлургии. Черноголовка, 1975. С.174-188.

2. Долматов О.Ю., Демянюк Д.Г., Изотьев С.В. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез материалов на основе боридов вольфрама, предназначенных для защиты от ионизирующих излучений ядерных установок // Известия ТПУ. Т. 305. Вып. 3, 2002. С. 24-29.