Моделирование процесса взаимодействия газов при просачивании через высокотемпературные титановые фильтры

• Автор: Корчагин, Илья Борисович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 145 с. : ил

Содержание
Введение

1. Состояние вопроса. Выводы и задачи исследования

1.1. Применение металлических фильтров

1.2. Процессы протекающие в системах твердое тело - газ, твердое тело - жидкость

1.3. Кинетика и механизм взаимодействия титана с кислородом

1.4. Выводы и задачи исследования

2. Теоретическое исследование изменения плотности (концентрации) активной составляющей газовой фазы в поровом канале фильтра при высокотемпературном нагреве
2.1. Механизм изменения плотности (концентрации) активной составляющей газовой фазы в поровом канале фильтра
2.2. Вывод уравнения физико-математической модели процесса очистки аргона от примеси кислорода в поровом канале фильтра, выполненного из титанового порошка
2.2.1. Постановка задачи
2.2.2. Определение коэффициентов, входящих в уравнение
2.2.3. Учет эффекта насыщения активной составляющей (примесью) материала стенки порового канала фильтра
2.2.4. Замкнутая система уравнений физико-математической модели процесса очистки инертного газа от кислорода с учетом эффекта насыщения примесью материала стенки порового канала
2.3. Решение стационарной задачи очистки газовой фазы от активной составляющей в поровом канале фильтра без учета эффекта насыщения примесью материала стенки порового канала
2.3.1. Система уравнений стационарного процесса очистки газовой фазы

2.3.2. Приближенная оценка времени предельного насыщения материала стенки порового канала фильтра активной примесью
2.3.3. Интегрирование системы уравнений стационарного процесса
очистки газовой фазы
2.3.4. Вариант приближенного решения стационарной задачи
2.3.5. Оценка влияния эффекта насыщения материала стенки порового
канала фильтра на процесс очистки газовой фазы
2.4. Анализ полученных результатов
2.5. Выводы
3. Теоретическое исследование изменения давления (концентрации) азота в поровом канале фильтра при газовом азотировании
3.1. Физико-математическое описание процессов массопсрсноса в
поровом канале фильтра
3.2. Исследование математической модели
3.3. Анализ полученных результатов
3.4. Выводы
4. Анализ состава и давления газовой фазы в поровых каналах
фильтра на основе экспериментальной оценки физикохимического состояния контактных поверхностей
4.1. Методика проведения исследований
4.2. Обработка экспериментальных данных
4.3. Анализ полученных результатов
4.4. Практическая реализация разработанных в диссертации методов
получения филыров тонкой очистки
4.5. Выводы
Основные выводы
Литература
Приложение

Введение
Актуальность темы. В ряде прецизионных технологических процессов с использованием высоких температур широко применяют защитные инертные газы (аргон, гелий) и рабочие активные среды, например, азот.
Инертные защитные среды при обработке таких химически активных материалов как титан, молибден, цирконий, магний, алюминий должны содержать минимальное количество примесей, исключающее возможность окисления металлов.
Применяемый в производственных условиях вакуум, 10'2 - 10'3 Па, содержит достаточно большое количество активных примесей (кислорода до 0,0003%; азота до 0,001% и др.). Аргон высшего сорта, поставляемый по ГОСТ 10157-79, содержит кислорода 0,0007%; азота 0,006%; влаги до 0,007 г/м3, что больше, чем в атмосфере, разреженной до 10"3 Па.
При высокотемпературной обработке в этих средах химически активных металлов происходит их взаимодействие с остаточными газами, что приводит к образованию соединений типа оксидов, нитридов, наводораживанию и в конечном итоге, к нарушению технологии изготовления и свойств конструкций.
Поэтому в настоящее время одной из актуальных задач является получение сред с высокими защитными свойствами, т. е. с низким содержанием активных газовых примесей.
Эта задача может быть решена созданием и использованием фильтров тонкой очистки, принцип действия которых основан на адсорбции и последующей абсорбции активных газовых примесей, содержащихся в защитной среде при ее прохождении через нагретый до высоких температур пористый материал.
Создание и применение таких фильтров, в первую очередь, связано с установлением законохмерностей качественного и количественного изменения состава защитной среды при прохождении ее через поровое пространство

таких металлов, как титан, цирконий, способных растворять в себе большое количество газа.
Количество газа Щ поглощаемое двумя контактными поверхностями площадью К за время г , составляет [54]:
где о, и с2 - концентрация газа над поверхностью металла и в металле до контакта; Вг - коэффициент диффузии газа в металле.
Аналогичную зависимость для определения количества растворенного газа в металле используют в работе [55].
Однако расчет по этим зависимостям может дать обратный эффект: не растворение, а дегазацию металла. Так, для титана допустимое содержание кислорода составляет 0,1 - 0,2 % [56]; при разрежении воздуха 1,3 Па и температуре 1000° С с0 = 2• 1013 см'3, а с2 = б• 101у см'3, т. е. с2>с0> хотя из практики известно, что в этих условиях титан будет интенсивно поглощать газ из окружающей среды.
Поглощение газа металлом может происходить в процессе абсорбции, сопровождающейся образованием твердого раствора газа в металле. Для систем твердое тело - газ зависимость растворимости от температуры и давления газа описывается выражением [57]:
где $ - растворимость газа; 50 - константа растворимости; Р - давление газа; <2 - энергия активации процесса растворения.
Данное выражение - это по существу закон Сивертса, который наиболее точно отражает случай взаимодействия газа с металлом, поверхность которого свободна от оксидных пленок.
Согласно вышеприведенным данным, кинетика и механизм окисления титана рассматривались в условиях разреженного воздуха (вакуума), но нет
(1.30)
(1.31)