Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Электротехнология

Диссертационная работа:

Шкульков Анатолий Васильевич. Теория и практика применения индукционной гарнисажной плавки неорганических диэлектрических материалов : диссертация ... доктора технических наук : 05.09.10 / Шкульков Анатолий Васильевич; [Место защиты: С.-Петерб. гос. электротехн. ун-т (ЛЭТИ)].- Санкт-Петербург, 2006.- 342 с.: ил. РГБ ОД, 71 08-5/56

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 7

ГЛАВА 1 РАЗВИТИЕ ИНДУКЦИОННОЙ ГАРНИСАЖНОИ ПЛАВКИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 12

1.1 .Развитие технических решений по индукционной плавке неорганических диэлектриков 12

1.1.1. Франция 12

1.1.2. Россия 19

1.1.3. США 23

1.1.4. ФРГ 27

1.2. Методы расчета и моделирования индукционной плавки неорганических диэлектрических материалов, явления неустойчивости ванны расплава 28

1.3. Выводы, постановка задачи 36

ГЛАВА 2 ТЕОРИЯ ИНДУКЦИОННОЙ ГАРНИСАЖНОИ ПЛАВКИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 40

2.1. Индукционная гарнисажная плавка как термодинамическая система 40

2.2. Модель системы ИГП и ее характеристики состояния 47

2.2.1. Электрические характеристики состояния ИГП 47

2.2.2. Тепловая модель системы ИГП и ее характеристики состояния

2.3. Теоретические исследования установившегося состояния индукционной гарнисажной плавки 69

2.3.1. Установившееся состояние ИГП при выдержке ванны расплава кристаллического материала 74

2.3.2. Установившееся состояние ИГП при непрерывной плавке кристаллического материала «на блок» 86

2.3.2.1. Установившееся состояние плавки при экстремальной зависимости Рг(Т) 86

2.3.2.2. Установившееся состояние плавки при монотонно возрастающей Р2ІТ2) 95

2.3.3. Индукционная гарнисажная плавка некристаллических неорганических материалов

(варка стекол) 100

2.3.4. Влияние режима управления процессом ИГП на параметры установившегося состояния 102

2.4. Экспериментальные исследования устойчивости ИГП.. 106

2.4.1. Флуктуации и изменение температуры расплава при ИГП 106

2.4.2. Флуктуации объема ванны расплава 1

2.4.2.1. Полосы роста в кристаллах фианитах 120

2.4.2.2. Периодические колебания объема ванны расплава при непрерывной ИГП 131

2.5. Теплопередача от ванны расплава 139

2.5.1. Теплопередача от зеркала расплава к шихте 140

2.5.2. Формирование гарнисажа 149

2.5.3. Формирование гарнисажа при ИГП материалов с высоким давлением паров при температуре плавки... 161

2.5.4. Аппроксимация формы ванны расплава 165

2.6. Обобщение результатов исследования 171

2.7. Выводы 173

ГЛАВА 3 СТАРТОВЫЙ НАГРЕВ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИГП 176

3.1. Физико-химические явления в процессе стартового нагрева при ИГП неорганических диэлектриков 177

3.1.1. Чистые методы старта 178

3.1.2. Методы стартового нагрева с образованием промежуточных разлагающихся химических соединений 1

3.1.2.1. Стартовый нагрев оксидов экзотермической реакцией окисления металла на воздухе 181

3.1.2.2. Старт ИГП оксидов высокой чистоты путем нагрева гранул графита 188

3.1.2.3. Старт ИГП с применением электрической дуги 201

3.1.3. Загрязняющие методы старта 204

3.2. Параметры стартовой зоны для успешной ИГП неорганических диэлектрических материалов 209

3.2.1. Критические параметры стартового нагрева 209

3.2.2. Определение критического объема ванны расплава при старте экзотермической реакцией окисления металла 214

3.2.3. Критические параметры стартовой ванны расплава при индукционном нагреве изолированных проводящих гранул 228

3.2.4. Критическая температура стартовой зоны при нагреве твердой стартовой загрузки 234

3.3. Выводы 237

ГЛАВА 4 ПРИМЕНЕНИЕ ИГП В ПРОМЫШЛЕННОЙ ПРАКТИКЕ И НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ 239

4.1. Исследование удельной электропроводности расплава неорганических диэлектрических материалов в процессе ИГП 239

4.1.1. Метод измерения и оборудование 240

4.1.2. Погрешность измерения электропроводности расплава 244

4.1.3. Методика измерений 250

4.1.4. Верификация разработанного метода измерения электропроводности расплава 251

4.1.5. Результаты измерения электропроводности расплава оксидных материалов и их обсуждение 252

4.1.6. Экспериментальная оценка удельной электропроводности расплава диэлектрических материалов при ИГП 255

4.2. Синтез материалов на основе неорганических диэлектриков 259

4.2.1. Непрерывный способ синтеза поликристаллических материалов 259

4.2.1.1. Удельные затраты электроэнергии и удельная производительность плавильной поверхности при ИГП 261

4.2.1.2. Получение электрокорунда непрерывной ИГП глинозема 267

4.2.1.3. Непрерывная ИГП оксида магния и получение электротехнического периклаза 270 4.2.1.4. Зависимость удельных затрат электроэнергии на плавку от диаметра холодного тигля 276

4.2.1.5. Получение технического карбида кальция методом ИГП 278

4.2.2. Загрязнение продуктов ИГП материалом тигля 281

4.2.3. Периодическая ИГП диэлектрических материалов... 288

4.2.4. Индукционная гарнисажная варки стекла 291

4.3. Выращивание кристаллов периклаза индукционной плазмой паров оксида магния 295

4.4. Получение металлов и сплавов индукционной восстановительной плавкой 298

4.4.1. Анализ передачи энергии в реакционную зону в известных способах восстановительной плавки 298

4.4.2. Индукционная печь с холодным тиглем - реактор для проведения восстановительной плавки 3 02

4.4.3. Экспериментальные исследования индукционной восстановительной плавки 303

4.4.4. Влияния токов Фуко на восстановительные процессы 307

4.4.5. Переработка радиоэлектронного лома методом индукционной восстановительной плавки 310

4.5. Выводы 317

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 319

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 3  

Введение к работе:

Актуальность темы диссертации. С момента изобретения в начале 60-х годов 20-го века индукционная гарнисажная плавка (ИГП) неорганических диэлектрических материалов послужила толчком развития высокотемпературных технологических процессов Известные преимущества ИГП, в первую очередь, возможность проводить плавку на воздухе и практически без ограничения температуры при сохранении высокой чистоты материала, позволили создать новые классы высокотемпературных материалов, керамики, стекол, расширить технологические возможности синтеза и роста кристаллов Получены не имеющие природных аналогов монокристаллы стабилизированного диоксида циркония и гафния с температурой плавления более 2900 К, синтезированы керамические материалы на основе частично стабилизированного диоксида циркония, прочностные характеристики которых превосходят металлические сплавы, что позволило использовать их в элементах двигателей внутреннего сгорания, ракетной и военной технике Высокая интенсивность ИГП является конкурентным свойством в сравнении с электродуговым способом производства плавленых огнеупорных материалов Надежность процесса, возможность его контроля и проведения в замкнутых технологических камерах открывает перспективу его применения в технологии захоронения радиоактивных отходов в матрицу стекла или керамики, над чем ведутся работы в ядерных центрах Франции, России, США

Указанной тематике посвящены работы многих отечественных и зарубежных коллективов, в их числе ИОФ РАН им Прохорова, ФИЗТех РАН, ИФТТ РАН, СПбГЭТУ, Комиссариат по ядерной энергетике Франции, Парижский университет, Институт Пьера и Марии Кюри (Франция), Университет им Карнеги-Милтона (США) и др В разработке этого направления существенный вклад внесли J Reboux, R Collogues, R A Hartzell, A M Прохоров, Ю Б Петров, В В Осико и др

Перспективы применения ИГП, необходимость разработки новых технологических процессов и создания промышленного оборудования выдвигают на повестку дня задачу обобщения накопленных данных и создания адекватной математической модели процесса, что невозможно без раскрытия физической сущности специфических явлений, характерных для ИГП неорганических диэлектриков, в первую очередь это относится к проблеме устойчивого проведения процесса плавки

Цель работы. Построение теории и разработка методов анализа и проектирования систем ИГП неорганических диэлектрических материалов на базе решения проблемы установившихся состояний плавки в указанных системах

Основные задачи:

- рассмотрение технологического процесса ИГП как общефизической системы,

- теоретический анализ установившихся состояний в системах ИГП неорга
нических диэлектриков в рамках синергетического подхода к изучаемым явлениям,

экспериментальное исследование установившихся состояний систем ИГП и сопоставление полученных результатов с теоретическими выводами,

теоретическое и экспериментальное изучение процессов формирования ванны расплава при ИГП и создание математической модели этого процесса,

внедрение результатов исследования в создание промышленного оборудования и разработку технологических процессов получения новых материалов

Методы исследования. В работе использовались методы численного моделирования, функциональный анализ синергетических систем, теория аппроксимации функций, экспериментальные методы исследования

Научные положения, выносимые на защиту:

1 Выявлены основные причины, приводящие к неустойчивости и эволюции
режима ИГП неорганических диэлектрических материалов, заключающиеся в
нелинейности системы индуктор-ванна расплава на границе раздела жидкой и твердой
фаз в виде скачкообразного изменения электропроводности и скрытой теплоты
плавления кристаллических материалов, проявляющейся как диссипация системы

  1. Установившееся состояние ИГП кристаллических неорганических диэлектрических материалов определяется самоорганизацией системы и заключается в установившемся циклическом изменении параметров процесса (температуры, объема, а также электрических параметров системы) относительно неустойчивого или устойчивого фокусов, которое принято называть аттрактором

  2. Классификация технологических процессов индукционной гарписажной плавки неорганических диэлектрических материалов, основанная на различиях условий самоорганизации плавки, на три модели процесса а) непрерывная плавка кристаллических неорганических материалов «на блок», б) выдержка ванны расплава кристаллических неорганических материалов, в) плавка некристаллических материалов (варка стекла)

4 Основные математические соотношения, определяющие области
самоорганизации процесса ИГП кристаллических неорганических диэлектрических
материалов для двух моделей процесса плавки и однозначную взаимосвязь между
установившимся состоянием технологического процесса, параметрами оборудования и
теплофизическими свойствами перерабатываемого неорганического диэлектрического
материала

  1. Принципы и основные математические соотношения для проектирования оборудования и обеспечения заданных технологических параметров процесса ИГП неорганических диэлектрических материалов

  2. Подход к систематизации результатов экспериментальных исследований по формированию гарнисажа и теплопередачи от ванны расплава в холодный тигель и к шихте, эмпирические соотношения, связывающие теплофизические свойства широкого круга перерабатываемых материалов и их шихты с параметрами технологического

режима плавки, обратно пропорциональная закономерность снижения удельных затрат электроэнергии на плавку от диаметра холодного тигля

  1. Принцип определения стартовой ванны расплава и стартовой температуры твердой загрузки, вытекающий из критического состояния ИГП, и комплекс методов расчета стартовой загрузки при ИГП неорганических диэлектрических материалов

  2. Метод измерения удельной электропроводности расплава неорганических диэлектрических материалов непосредственно в процессе плавки путем измерения коэффициента мощности индуктора и решения обратной задачи индукционного нагрева и созданное оборудование для проведения измерений

9 Явление стимулирующего воздействия токов Фуко, протекающих в реакционно-
шлаковой ванне при индукционной гарнисажнои восстановительной плавке руд и
техногенного сырья, на кинетику восстановления металлов

Научная новизна. Научной новизной являются следующие положения

1 Аналитически и экспериментально показано, что технологические процессы ИГП
описываются тремя принципиально различающимися моделями процесса

выдержка ванны расплава кристаллических неорганических диэлектриков,

непрерывная плавка «на блок» кристаллических неорганических диэлектриков,

плавка (варка) стекла

2 Системы ИГП неорганических диэлектрических материалов представлены как
открытые физические системы, обладающие внутренней положительной обратной
связью, нелинейностью и находящиеся в сильно неравновесной области состояния, чтс
позволило рассматривать указанные системы в определениях синергетики и установить
что рассматриваемые системы в зависимости от перерабатываемого материала являютс?
диссипативными и самоорганизующимися (в случае плавки кристаллически*
материалов) или консервативными (при варке стекол)

  1. Теоретически и экспериментально показано, что при ИГП кристаллически? неорганических диэлектриков в режиме выдержки ванны расплава и при плавке «не блок» происходит самоорганизация систем с формированием пространственно временной структуры в виде аттрактора При этом аттрактор в форме предельного циклг - единственное устойчивое состояние системы в режиме выдержки ванны расплава Е режиме плавки «на блок» возможна самоорганизация как в форме предельного цикла, таї и форме асимптотически устойчивого состояния, что обусловливается характеристикам!-системы

  2. Определены условия и соотнесены с конструктивными характеристикам* оборудования и технологическим режимом установившиеся состояния систем ИГГ кристаллических неорганических диэлектриков Доказано, что динамическое устойчивое состояние - аттрактор - однозначно определено конструктивными и техноло-гичесгаа» параметрами системы ИГП

  3. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что критическа?

стартовая ванна расплава и критическая стартовая температура твердой загрузки определяются предельно устойчивым (критическим) состоянием теплового баланса ИГП и однозначно соотнесены с параметрами печи, условиями формирования стартовой области и теплофизическими свойствами материалов

6 Обнаружено явление стимулирования процессов восстановления металлов токами Фуко при использовании ИГП для осуществления восстановительной плавки руд и техногенного сырья

Достоверность результатов работы подтверждается экспериментальными исследованиями, их сопоставлением с результатами численного моделирования и практическим применением ряда полученных выводов в промышленности

Практическая значимость работы определяется найденными условиями установившихся состояний технологических режимов ИГП неорганических диэлектрических материалов, вытекающими из самоорганизации анализируемых систем, однозначно связанными с конструктивными параметрами оборудования и теплофизическими свойствами перерабатываемых материалов

Разработаны

- методика решения электротепловой модели ИГП, включающая условия
самоорганизации систем в зависимости от тепловой модели процесса,

- методика построения математической модели теплопередачи от зеркала ванны
расплава к шихте и получены решения для ряда материалов,

- методика определения толщины гарнисажа и получены эмпирические
соотношения для расчета плотности теплового потока при плавке широкого круга
высокотемпературных материалов,

- метод и оборудование для измерения электропроводности расплава высокотем
пературных материалов и получены данные по электропроводности ряда материалов

Проведены расчеты технологического оборудования для получения электрокорунда, периклаза, карбида кальция и показано, что удельные затраты электроэнергии на их получение методом ИГП, сопоставимы с промышленными технологиями электродуговой плавки и могут быть ниже с увеличением единичной мощности индукционных печей выше 200 кВт

Экспериментально показана высокая эффективность реакций восстановления металлов из руд и техногенного сырья при восстановительной плавке с использованием метода ИГП

Реализация полученных результатов заключается во внедрении разработанных технических решений, использовании полученных результатов и опытных партий материалов на предприятиях России ВНИИ ТВЧ им ВПВологдина, ОАО «Завод синтетического корунда МОНОКРИСТАЛЛ» г Ставрополь, Богдановичский огнеупорный завод, г Богданович, ФГУП ВНИИНМ им А А Бочвара, НИТИОМ ВНЦ «ГОИ им С И Вавилова», ЗАО «НПК МЕХАНОХИМ» и др

Поддержка работы Научно-исследовательские работы по восстановительной плавке с применением ИГП выполнялись в рамках гранта ГБ-2ГР/ЭТПТ-11

Апробация работы. Материалы работы представлены и обсуждались на Всесоюзных и Национальных конференциях по росту кристаллов в 1988, 1992, 2000, 2002 , 2004 и 2006 гг, на Всесоюзных н-т конференциях «Применение токов высокой частоты в электротермии» в 1981, 1991, 1992 гг, «Физико-химические аспекты прочности жаростойких неорганических материалов, Запорожье 1986 г, «Методы получения и анализа высокочистых веществ», Горький, 1988, на Всесоюзных и Всероссийских н-т совещаниях «Рациональное использование огнеупоров в черной металлургии и др отраслях» Л , 1983, «Поликристаллические оптические материалы», М , 1985, «Крис-талллические оптические материалы», Л, 1989, «Высокотемпературная химия силикатов и оксидов» Л ,1982, 1988, «Выращивание кристаллических изделий способом Степанова, пластичность и прочность кристаллов», СПб, 2003 Результаты работы демонстрировались на ВДНХ СССР и награждены двумя бронзовыми медалями 1981, 1985 гг

Публикации. По теме диссертации опубликовано 55 научных работ, из них - 26 статей (9 статей - в журналах, определенных ВАК Минобрнауки РФ), 26 авторских свидетельств и 3 патента на изобретения

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы, включающего 177 наименований Основная часть работы изложена на 295 страницах машинописного текста Работа содержит 104 рисунка и 34 таблицы

Подобные работы
Савицки Антони
Теория и практика проектирования электрооборудования дугового и плазменного нагрева
Хацевский Владимир Филатович
Теория и практика использования нестационарных режимов работы сверхмощных рудовосстановительных электропечей в условиях изменения их мощностей
Родэ Сергей Витальевич
Теория и практика модификации материалов легкой промышленности в плазме тлеющего разряда
Коробов Николай Анатольевич
Развитие теории и практики построения методов измерения характеристик строения текстильных материалов с использованием современных информационных технологий
Шульгин Василий Валентинович
Теория и практика применения в автотранспортных средствах тепловых аккумуляторов фазового перехода
Родионов Юрий Владимирович
Теория и практика применения динамических режимов нагружения двигателей внутреннего сгорания при эксплуатации автомобилей
Шульгин Василий Валентинович
Теория и практика применения в автотранспортных средствах тепловых аккумуляторов фазового перехода
Павутницкий Вячеслав Васильевич
Развитие теории и практики получения и применения низкократных пен в технологических процессах текстильного производства
Шамханов Чингисхан Юсупович
Получение и применение кератиновых продуктов на основе биомодификации сырья мясной промышленности: теория и практика
Хрущев Евгений Иванович
Стабилизация теплового режима доменной плавки в условиях непостоянства свойств шихтовых материалов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net