Устройство для охлаждения газового потока и способ получения теплопоглощающего материала
Владельцы патента RU 2464498:
Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт материалов" (ОАО "ЦНИИМ") (RU)
Устройство охлаждения газового потока, например азота, вырабатываемого твердотопливным генератором, включает корпус с входным и выходным по направлению движения газового потока перфорированными днищами, полость между которыми заполнена охладителем. Полость разделена на три секции, а охладитель включает теплопоглощающий материал из боридов кобальта, хрома, молибдена, железа, никеля или алюминия в виде засыпки из сферических гранул и материал с более высокой, чем у борида кобальта, теплопроводностью, например чугунную дробь или стальные шарики, размещенный в объеме последней по направлению движения секции. При получении теплопоглощающего материала готовят шихту из порошков бора аморфного и кобальта и осуществляют ее высокотемпературный синтез в вакууме при давлении не более 6,5 Па. Измельчают синтезированный продукт и получают из него сферические гранулы. Высокотемпературный синтез осуществляют в два этапа: на первом этапе при температуре 850-900°C и на втором этапе при 1450-1470°C с выдержкой на каждом этапе при указанных температурах в течение не менее 1,5 часов. Нагрев на каждом этапе производят со скоростью 5-8°C/мин. После второго этапа охлаждают синтезированный продукт до 1000°C со скоростью не более 5°C/мин и далее до комнатной температуры - с печью. Изобретения позволяют снизить в устройстве охлаждения газового потока объем, занимаемый охладителем, а также избежать при синтезе борида кобальта самоинициирования реакции взаимодействия между компонентами. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.
Группа изобретений относится к блокам охлаждения газового потока генераторов на твердом химическом топливе, предназначенных для получения охлажденного азота, используемого для наддува полостей и агрегатов летательных аппаратов, пожаротушения, а также к технологии получения теплопоглощающего материала, применяемого в качестве охладителя газового потока и фильтра продуктов горения твердотопливных элементов.
Известны конструкции двигателей специального назначения, например двигателя закрутки и газогенератора органов управления, в которых используются фильтры очистки горячего газа [И.Н.Гладков, B.C.Мухамедов, Е.Л.Валуев, В.И.Черепов. Экспериментальные методы определения параметров двигателей специального назначения. Труды «МИТ», том, часть. - М.: Издательство НТЦ Информтехника, 1993 г., с.9, 11 и В.И.Гребенкин, И.И.Лалабеков, B.C.Мухамедов, Е.А.Шмачков. Создание приводов органов управления с источниками питания на твердом топливе для твердотопливных баллистических ракет. Труды «МИТ», том 8, часть 1. - М.: Издательство НТЦ Информтехника, 2006 г., с.48-59]. Известно устройство фильтра-охладителя горячего газа по патенту РФ №2154769 (опубл. 20.08.2000), который предлагается заполнять мелкодисперсной двуокисью кремния, что менее эффективно, чем при использовании металлов и их соединений с бором, имеющих большие значения удельной объемной теплоемкости (Cv) и теплопроводности. Согласно другим патентам в качестве охладителя газа, получаемого от пиропатронов автомобильных подушек безопасности, используются металлические элементы устройств:
- перфорированные металлические кольца по европейскому патенту ЕР 0613806;
- перфорированные металлические диски из алюминия (Cv=2,435 Дж/см3·К) по патенту США US 5397544;
- фильтры из сплетенных металлических сеток по патенту США US 3397254;
- фильтры из металла по патенту США US 6983956.
Наиболее близким к заявляемому устройству, принятому в качестве прототипа, является пиротехническое азотгенерирующее устройство по патенту РФ №2347979 (опубл. 27.02.2009 г.), в состав которого входит блок охлаждения, состоящий из перфорированных днищ, образующих полость, заполненную охладителем, который представляет собой пакет жаропрочных частиц из чугуна или корунда, расположенных слоями, при этом более крупные фракции расположены ближе к камере сгорания, и слои различных фракций отделены между собой перфорированными плоскими жаростойкими металлическими сетками.
Недостаток прототипа состоит в том, что в нем используется малоэффективный теплопоглотитель, т.к. и чугун, и тем более электрокорунд имеют более низкие значения Cv, чем борид кобальта. Поэтому для охлаждения горячего газа до заданной температуры требуется большой объем теплопоглотителя, что противоречит требованию минимизации объема азотгенерирующих устройств, применяемых в летательных аппаратах. Кроме того, из-за очень низкой теплопроводности электрокорунд, являющийся фактически теплоизолятором, применять в качестве теплопоглотителя не имеет смысла, т.к. за малое время действия азотгенерирующих устройств, исчисляемое от долей секунды до нескольких секунд, частицы не успевают полностью прогреться, т.е. занимаемый ими объем используется по назначению не полностью.
Задачей изобретения является упрощение конструкции охлаждающего блока и повышение его функциональных возможностей за счет уменьшения объема, заполненного охладителем, и применения материала с повышенными теплопоглощающими свойствами на основе боридов металлов, преимущественно из борида кобальта в виде засыпки сферических гранул, получаемых по предлагаемому способу.
Поставленная задача решается за счет того, что устройство для охлаждения газового потока, например азота, вырабатываемого твердотопливным генератором, включает корпус с входным и выходным по направлению движения газового потока перфорированными днищами, полость между которыми заполнена охладителем, причем полость разделена, по меньшей мере, на три секции, а охладитель включает теплопоглощающий материал из боридов кобальта, хрома, молибдена, железа, никеля или алюминия в виде засыпки из сферических гранул и материал с более высокой, чем у борида кобальта, теплопроводностью, например чугунную дробь или стальные шарики, размещенные в объеме последней по направлению движения секции.
В частных случаях реализации устройства отличие заключается в том, что:
- объем первой по направлению движения газового потока секции заполнен гранулами диаметром 4,0-4,5 мм, а объемы остальных секций заполнены более мелкими гранулами, например, диаметром 1,0-3,0 мм;
- объем последней секции заполнен гранулами из материала с более высокой, чем у борида кобальта, теплопроводностью, например чугунной дробью или стальными шариками;
- соотношение между объемами каждой секции, заполненной гранулами из борида кобальта, и объемом секции, заполненной чугунной дробью или стальными шариками, должно быть не менее чем 2:1.
Признаками заявляемого устройства, совпадающими с наиболее близким аналогом изобретения по патенту РФ №2347979 (опубл. 27.02.2009 г.), являются перфорированные днища, образующие полость, заполненную охладителем, который представляет собой пакет жаропрочных частиц, расположенных слоями, при этом более крупные фракции расположены ближе к камере сгорания, и слои различных фракций отделены между собой перфорированными плоскими жаростойкими металлическими сетками.
Заявляемое устройство поясняется чертежом, на котором показан общий вид газогенератора с продольным разрезом блока охлаждения. Устройство включает корпус 1, верхнее и нижнее перфорированные днища 2, 3, металлические сетки 4, разделяющие охлаждающую полость на секции 5, 6 и 7, заполненные гранулами теплопоглощающего материала. Первая секция 5 со стороны входного днища 2 заполнена сферическими (диаметром 4,0-4,5 мм) гранулами борида кобальта, которые не только поглощают тепло, но и задерживают капли конденсированной фазы отработавшего топлива, захватываемого потоком горячего газа, выходящего из газогенератора 8. Крупные поры между гранулами в секции 5 не успевают зарасти конденсатом, и частично охлажденный горячий газ попадает в следующую секцию 6, заполненную средними (диаметром 2,2-3,0 мм) гранулами борида кобальта. После секции 6 горячий газ со значительно сниженной температурой проходит через секцию 7, заполненную мелкими гранулами (диаметром 0,8-1,5 мм). Размеры гранул в каждой секции оптимизированы так, чтобы они успевали полностью прогреться за время работы газогенератора до температуры газового потока, т.е чем ниже его температура, тем меньше размер гранул данной секции. При этом наиболее рационально используется объем, занимаемый фильтром-охладителем. Объемы секций определяются условиями работы блока охлаждения (температурой и давлением горячего газа на входе и на выходе, его расходом и временем работы газогенератора).
Одним из требований, предъявляемых к блоку охлаждения, является обеспечение минимальной величины перепада давления газа между входным и выходным днищами, что может быть обеспечено только при минимальном сопротивлении гранул прохождению газа через фильтр-охладитель. Поэтому принята сферическая форма гранул, а их диаметры оптимизированы с учетом противоположно направленного действия двух факторов:
- сопротивление газовому потоку уменьшается с уменьшением площади поверхности гранул, т.е с увеличением их диаметра;
- эффективность охлаждения ухудшается с уменьшением площади охлаждающей поверхности, т.е с увеличением диаметра гранул.
В некоторых случаях, например при низкой температуре (менее 100°С) охлажденного газа, выходную секцию целесообразно заполнить шариками из стали, имеющими несколько меньшую Cv, но большую теплопроводность, чем у борида кобальта. С этой же целью, а также для экономии борида кобальта могут быть применены двухслойные гранулы с оболочкой из борида кобальта и сердечником в виде стального шарика или чугунной дроби.
Примеры конкретного осуществления устройства (Табл.1)
Параметры охлаждаемого газа и блока охлаждения:
- температура горячего газа (азота) на входе в блок охлаждения -1100°С;
- максимальное давление горячего газа на входе в блок охлаждения (Рвх.) - не более 25 МПа;
- допустимая температура на выходе из блока охлаждения (Твых.) - не более 250°С;
- время работы газогенератора - 0,7 с;
- общий объем блока охлаждения - 600 мл разделен на три секции объемом по 200 мл каждая.
Важнейшим физическим параметром, определяющим теплопоглощающие свойства материала, является максимально высокая удельная объемная теплоемкость борида кобальта (Cv, см. таблицу 2). Материал также обладает достаточной теплопроводностью в диапазоне рабочих температур (1500…550 К) и низким сопротивлением газовому потоку, которое обеспечивается за счет сферической формы гранул.
Анализ теплофизических свойств металлов показывает, что максимальными значениями Cv обладают металлы VI6, VII6 и VIII6 подгрупп 4 периода периодической системы элементов Д.И.Менделеева: Cr, Mn, Fe, Co и Ni (порядковые номера 24…28). Максимальным значением Cv обладает кобальт (Cv=3,92 Дж/см3·К), у железа, являющегося основой чугунной дроби, Cv=3,52 Дж/см3·К.
| Таблица 1 | |||||
| Пример | Гранулы во входной секции | Гранулы в средней секции | Гранулы в выходной секции | Фактические параметры газа на выходе из блока охлаждения | |
| давление Рвх. макс., МПа | температура Твых., °С | ||||
| №3 | Чугунная дробь | Чугунная дробь | Чугунная дробь | 280 | 450 |
| №4 | ⌀2,0-3,0 мм | ⌀2,0-3,0 мм | ⌀2-3,0 мм | 285 | 410 |
| №5 | СоВ молотый с размером частиц 2,2-3,0 мм | СоВ молотый с размером частиц 1,5-2,0 мм | СоВ молотый с размером частиц 0,8-1,0 мм | 400 | 170 |
| №6 | СоВ круглые гранулы ⌀0,8-1,5 мм | СоВ круглые гранулы ⌀2,2-3,0 мм | СоВ круглые гранулы ⌀4,0-4,5 мм | 400 | 100 |
| №7 | СоВ круглые гранулы ⌀4,0-4,5 мм | СоВ круглые гранулы ⌀2,2-3,0 мм | СоВ круглые гранулы ⌀2,2-3,0 мм | 150 | 280 |
| №8 | СоВ круглые гранулы ⌀4,0-4,5 мм | СоВ круглые гранулы ⌀ 2,2-3,0 мм | СоВ круглые гранулы ⌀0,8-1,5 мм | 150 | 260 |
| №9 | СоВ круглые гранулы ⌀4,0-4,5 мм | СоВ круглые гранулы ⌀2,2-3,0 мм | Стальные шарики ⌀1,5 мм | 160 | 235 |
Более высокими показателями объемной удельной теплоемкости, чем у металлов, обладают некоторые их химические соединения. Соединения металлов с углеродом, бором и кремнием обладают также удовлетворительной теплопроводностью.
Из данных таблицы 2 следует, что соединение СоВ начиная с температуры 500 К превосходит по объемной удельной теплоемкости другие бориды, а с 600 К - также и карбид железа (Fe2C). При этом преимущество СоВ непрерывно увеличивается, и при 1500 К его объемная удельная теплоемкость составляет 7,54 Дж/см·К. Теплопроводность этого соединения при 300 К имеет приемлемое значение 17 Вт/м·К.
Таким образом, на основании анализа теплофизических свойств известных твердых веществ установлено, что в качестве теплопоглощающего материала для фильтрации и охлаждения высокотемпературного газового потока наиболее эффективным является борид кобальта.
| Таблица 2 | ||||||||||
| Объемная удельная теплоемкость некоторых бескислородных соединений при различных температурах, Дж/см3·К [Т.Я.Косолапова, Т.В.Андреева, Т.Б.Бартницкая и др. Неметаллические тугоплавкие соединения. - М.: Металлургия, 1985. - 924 с.) с пересчетом удельной теплоемкости на Cv] | ||||||||||
| Температура, К | TiB2 | CrB2 | Mo2В5 | FeB | СоВ | NiB | AlB12 | Mn3C | Fe3C | Cr3C2 |
| 298 | 2,64 | 2,22 | 4.30 | 3.91 | 3,85 | 3,55 | 2,45 | 3,98 | 4,58 | 3,65 |
| 400 | 3,24 | 2.45 | 4,42 | 4,50 | 4,54 | 4,28 | 3,34 | 4,43 | 4,95 | |
| 500 | 3,66 | 2,59 | 4.54 | 4,79 | 4,98 | 4,69 | 3,85 | 4,71 | 4,85 | |
| 600 | 3,91 | 2,71 | 4,67 | 4.97 | 5,38 | 4.98 | 4,21 | 4,90 | 4,91 | |
| 700 | 4,08 | 2,81 | 4,80 | 5.10 | 5,61 | 5,22 | 4,50 | 5,05 | 4.96 | |
| 800 | 4,22 | 2,91 | 4,93 | 5,21 | 5.88 | 5,42 | 4,76 | 5,19 | 5.01 | |
| 900 | 4,33 | 3,00 | 5.06 | 5.29 | 6,13 | 5,61 | 4,99 | 5,31 | 5,07 | |
| 1000 | 4,42 | 3,09 | 5.19 | 5.37 | 6,38 | 5,79 | 5,21 | 5,43 | 5,12 | |
| 1100 | 4,50 | 3.18 | 5.32 | 5.44 | 6,62 | 5,96 | 5,42 | 5,54 | 5,18 | |
| 1200 | 4,58 | 3,27 | 5,46 | 5.50 | 6,86 | 6,12 | 5,63 | 5,65 | 5,23 | |
| 1300 | 4,64 | 3,36 | 5.59 | 5.57 | 7,10 | 6,29 | 5,83 | 5,76 | 5,28 | 5,82 |
| 1400 | 4,71 | 3,44 | 5,72 | 5,63 | 7,33 | 6,45 | 6,04 | - | 5,34 | |
| 1500 | 4,77 | 3.53 | 5.85 | 5.68 | 7,54 | 6,60 | 6,23 | - | 5,39 |
1. Основными методами получения боридов являются [Г.В.Самсонов, Т.И.Серебрякова, В.А.Неронов. Бориды. - М.: Атомиздат. - 1975. - 376 с.]:
- синтез из элементов;
- взаимодействие металлосодержащих и борсодержащих соединений;
- взаимодействие летучих соединений металла и бора в присутствии водорода;
- электролиз расплавленных сред.
Синтез боридов непосредственно из элементов - метод, обеспечивающий наиболее точный состав и максимальную степень чистоты боридов.
Основными способами метода прямого синтеза являются спекание, сплавление, горячее прессование, взаимодействие в расплаве металлов и самораспространяющийся высокотемпературный синтез.
Известен способ получения тонкодисперсного монокристаллического порошка диборида металла по патенту РФ №2087262 (опубл. 20.08.1997). Сущность изобретения заключается в том, что порошок металла IV группы смешивают с бором, смесь брикетируют, воспламеняют и осуществляют синтез в режиме горения. При этом дополнительно используют соединение, регулирующее дисперсность, в качестве которого берут фторид лития, калия, натрия или их смесь в количестве 0,81-1,96 молей на моль целевого продукта. Недостатком указанного способа является применение вспомогательных веществ и необходимость очистки продукта синтеза от примесей.
В основе синтеза боридов из простых веществ по способу спекания, осуществляемого при температурах ниже температур плавления исходных веществ, лежит твердофазное взаимодействие. При этом стадией, определяющей параметры процесса, является диффузия бора в металл через слой образующегося продукта. Реальные скорости протекающих диффузионных процессов при образовании боридов определяются кинетическими факторами: крупностью частиц исходных порошков металла и бора, степенью однородности смеси, плотностью прессовок, наличием и толщиной оксидных пленок, присутствием адсорбированных газов, средой, в которой осуществляется синтез, и многими другими параметрами [Г.В.Самсонов, Т.И.Серебрякова, В.А.Неронов. Бориды. - М.: Атомиздат. - 1975. - 376 с.].
Известен способ получения боридов и других соединений, а также композиционных керамических материалов из них по заявке РФ №95105967 (опубл. 20.03.1996). Процесс протекает в три стадии: растворение металла и неметалла в растворителе с образованием химических соединений либо без образования таковых; нестационарная диффузия атомов металла и неметалла либо их соединений с растворителем; непосредственное взаимодействие этих атомов или молекул (ионов) между собой с образованием молекулы борида. После охлаждения слитка борид выделяют из матрицы растворением ее в кислотах, смесях кислот, щелочах, анодным растворением или отгонкой в вакууме. В качестве растворителей могут быть использованы различные металлы, их сплавы, соли и их смеси, растворяющие хотя бы одно из исходных веществ. Достигаемый технический результат обеспечивают с помощью предложенного способа, включающего термическое разложение, восстановление в газовой фазе химических соединений или непосредственное взаимодействие веществ при плазмохимическом синтезе, отличающегося тем, что из высокочистых (больше или равно 99,98%) щелочных кремнефтористых солей или оксидов бора синтезируют их фториды и ими обрабатывают порошок магния высокой чистоты при температуре, в 1,5-2 раза превышающей Тпл магния. Образовавшиеся порошки обрабатывают фтористым водородом при повышенной температуре. Выделившиеся силаны, бораны, гидриды подвергают низкотемпературной ректификационной или сорбционной очистке от примесей при температуре 280-500°С. Очищенные вещества подвергают последующему взаимодействию в условиях низкотемпературной индукционной плазмы с использованием в качестве плазмообразующего инертный газ высокой чистоты (больше или равно 99,990). При этом выделяют из газового потока ультрадисперсные с размерами 10-80 нм частицы боридов. Предложенный способ требует наличия специальных реакторов сложной конструкции и дополнительной аппаратуры для проведения финальных стадий процесса синтеза.
Наиболее близким к патентуемому способу, принятым за прототип является способ получения борида хрома по патенту РФ №2237617 (опубл. 10.10.2004). По данному способу бор аморфный, полученный магнийтермическим способом, с содержанием бора не менее 93,0 мас.% и магния не менее 1,4 мас.% смешивают с порошком хрома, размер частиц которого не превышает 250 мкм. Соотношение бора и хрома близко к стехиометрическому. Полученную шихту брикетируют при увлажнении до влажности 16-22 мас.% и давлении прессования 30-40 МПа. Синтез борида хрома проводят в вакууме при остаточном давлении не более 6,5 Па при повышении температуры до 1600-1700°С в течение не менее 2,5 часов. При этом стадией, определяющей параметры процесса, является диффузия бора в металл через слой образующегося продукта.
Недостатком указанного способа является невозможность его применения для синтеза борида кобальта из-за выделения большого количества тепла в результате прохождения ступенчатой химической реакции по схеме: Со+В→Со3В+В→Со2В+В→СоВ. Быстровыделяющееся тепло приводит к самоинициированию (саморазгону) химической реакции между компонентами и промежуточными продуктами с одновременным их расплавлением, далее процесс сопровождается вскипанием расплава и разрушением тиглей, в которых он проводится.
Задача заявляемого способа состоит в том, чтобы избежать в процессе синтеза борида кобальта саморазгона реакции взаимодействия между компонентами.
Для решения поставленной задачи предложен способ получения теплопоглощающего материала, который так же, как и наиболее близкий аналог, включает приготовление шихты из порошков бора аморфного и кобальта, брикетирование, высокотемпературный синтез в вакууме при давлении не более 6,5 Па, измельчение синтезированного продукта и получение из него сферических гранул. При этом в отличие от прототипа высокотемпературный синтез осуществляют в два этапа: на первом этапе при температуре 850-900°С и на втором этапе при 1450-1470°C с выдержкой на каждом этапе при указанных температурах в течение не менее 1,5 часов, при этом нагрев на каждом этапе производят со скоростью 5-8°С/мин с последующим после второго этапа охлаждением синтезированного продукта до 1000°С со скоростью не более 5°С/мин и далее до комнатной температуры - с печью.
В частных случаях реализации заявленного способа отличие заключается в том, что:
- для приготовления шихты используют порошки бора аморфного с чистотой не хуже 94% в количестве 15-17% и кобальта с чистотой не менее 99,3% - остальное;
- полученный после второго этапа высокотемпературного синтеза продукт охлаждают до 1000°С со скоростью не более 5°С/мин и далее до комнатной температуры - с печью, измельчают в порошок с частицами менее 63 мкм, затем порошок подвергают дополнительно второму этапу высокотемпературного синтеза;
- сферические гранулы получают путем засыпки порошка синтезированного продукта в ячейки графитовой подложки, имеющие объем Vяч.=π×Д3/3, где Д - диаметр гранул, с последующим расплавлением синтезированного продукта либо в вакуумной печи при температуре на 50-100°С выше температуры ликвидуса синтезированного продукта, либо концентрированным источником тепловой энергии, например электрической дугой постоянного тока или лазером в среде инертного газа, например аргона, в течение 1-5 с;
- сферические гранулы выполняют двухслойными с оболочкой из борида кобальта и внутренним металлическим ядром, например, из чугунной дроби или стального шарика.
Поставленная задача решается путем синтеза борида кобальта в режиме двухступенчатого изменения температур. Для предотвращения саморазогрева предлагается медленный нагрев смеси аморфного бора (с чистотой не хуже 94,0%) и кобальта (с чистотой не менее 99,3%, размером частиц 1-10 мкм) до 850-900°C с выдержкой при данной температуре не менее 1,5 часов. Данная температура на 200°С ниже температуры плавления эвтектик между промежуточными соединениями Со3В и Со2В, через которые образуется СоВ, что позволяет обеспечить твердофазное взаимодействие компонентов. Синтез осуществляют в условиях вакуума, что позволяет провести дополнительную очистку материала от кислородсодержащих примесей (оксидов бора и кобальта). Ниже температуры 850°С процесс твердофазного взаимодействия между компонентами не эффективен, т.к. не удается добиться необходимой полноты взаимодействия компонентов. Для гомогенизации химического состава и достижения окончательного перехода боридов Со3В и Со2В в СоВ, и получения крупнокристаллического борида кобальта после стадии первичного синтеза предлагается проводить второй этап нагрева до Т=1450-1470°С (данная температура соответствует температуре плавления борида кобальта) в вакууме с выдержкой не менее 1,5 ч, после чего синтезированный продукт охлаждают до 1000°С со скоростью не более 5°С/мин и далее до комнатной температуры - с печью. Для обеспечения твердофазного взаимодействия компонентов предлагается проводить процесс нагрева на обоих этапах со скоростью 5-8°С/мин, позволяющей избегать резкого выделения тепла, меньшая скорость приводит к удлинению процесса и его удорожанию, при скорости нагрева >8°С/мин происходит локальный перегрев и саморазгон химической реакции.
С целью получения более чистого и гомогенизированного СоВ предлагается после второго этапа нагрева продукт охлаждать до 1000°С со скоростью не более 5°С и далее до комнатной температуры - с печью, измельчать полученные спеки в порошок с размерами частиц менее 63 мкм, затем порошок подвергать дополнительно второму этапу высокотемпературного синтеза.
Полученные слитки измельчают ударным способом (в стальной ступке или щековой дробилке), а при необходимости дополнительно помолом с помощью конусной инерционной дробилки до размера частиц менее 3 мм, рассеивают на фракции и производят их сфероидизацию для получения гранул нужного диаметра 0,8-1,0; 1,5-2,0; 2,2-3,0; 4,0-4,5 мм. Полученный продукт засыпают в ячейки подложки из графита для последующего расплавления. При расплавлении материал дополнительно гомогенизируется и под действием сил поверхностного натяжения приобретает сферическую (округлую) форму, которая сохраняется при кристаллизации. Для получения гранул сферической формы заданного диаметра (Д) объем каждой ячейки (Vяч.) подложки определяется из соотношения:
Vяч.=π×Д3/3.
Расплавление продукта, размещенного в ячейках подложки, производят путем кратковременного нагрева в вакуумной печи при температуре на 50-100°С выше температуры ликвидуса материала. Возможно также производить расплавление порошка в каждой ячейке с помощью концентрированного источника тепловой энергии, например электрической дугой постоянного тока с помощью сварочной горелки с неплавящимся электродом на основе вольфрама и с защитой аргоном либо лазером, в течение 1-5 с.
Пример №1. Порошок бора аморфного по ТУ113-12-132 в количестве 15% мас. или 150 г (определяется чистотой продукта - для бора с максимальным содержанием основного вещества 99,3% мас.) и кобальта по ГОСТ 9721 с размером частиц 1-10 мкм в количестве 850 г смешивали в бензине в количестве 0,6 кг на 1 кг во вращающемся с частотой 20 об/мин барабане в течение 6 часов, сушили и брикетировали смесь в стальной пресс-форме в виде цилиндров ⌀80 мм, высотой 60 мм при давлении 60 МПа с помощью гидравлического пресса. Брикеты помещали в корундовый тигель и производили синтез СоВ в вакууме при остаточном давлении не более 6,5 Па по двухступенчатой схеме: нагрев со скоростью 5°С/мин до 900°С, выдержка 1,5 часа, далее подъем температуры до 1470°С со скоростью 5°С/мин, выдержка 1,5 часа, после чего синтезированный продукт охлаждали до 1000°C с медленной скоростью (не более 5°С/мин), а далее до комнатной температуры - с печью.
Полученные слитки продукта вынимали из тиглей, очищали их верхнюю поверхность от тонкого слоя шлака и дробили в стальной ступке стальным пестом до размеров частиц 0,02-3,0 мм. Молотый продукт рассеивали по фракциям: менее 63 мкм, 63-200 мкм, более 200-500 мкм, более 0,5-0,8 мм, более 0,8-1,5 мм, более 1,5-2,2 мм, более 2,2-3,0 мм. Далее порошки и гранулы засыпали в ячейки графитовой подложки, имевшие различный объем (таблица 3), и производили их оплавление в течение 1-5 с с помощью аргонодуговой сварочной горелки с вольфрамовым электродом на токах 90-140 А в зависимости от размеров частиц. Питание горелки осуществляли от источника постоянного тока типа ТИР 300-ДМ.
На каждой подложке имелось по 50-60 ячеек, заполненных круглыми гранулами заданных размеров. Гранулы легко отделяются от подложки. Диаметры гранул измеряли микрометром. Результаты измерений приведены в таблице 3.
Фазовый состав порошков и сферических гранул определяли методом рентгенофазового анализа с использованием Сиа-излучения на рентгеновском дифрактометре «Дрон-ЗМ». Рентгенограммы идентифицировали, сравнивая с эталонными спектрами библиотеки (JCPDF2), с помощью пакета программ компьютерного анализа PD-WIN. Установлено, что в порошках и готовом продукте содержится не менее 95% СоВ и незначительное количество Со2В.
Пример №2. Аналогичен примеру №1, кроме того, что содержание бора аморфного по ТУ113-12-132 составляло 17% мас. или 170 г (определяется содержанием бора аморфного 94% в исходном материале, близким к минимальному по ТУ), а полученный после второго этапа нагрева продукт охлаждали до 1000°С со скоростью 5°С/мин, затем спеки измельчали в порошок с частицами менее 63 мкм, порошок засыпали в тигель и подвергали дополнительно второму этапу нагрева. После исследования порошок содержал не менее 98% СоВ и следы Со2В.
Пример №3. Аналогичен примеру №1, кроме того, что нагрев на первом и втором этапах осуществляли со скоростью 9°С и 10°С соответственно. Синтез при такой скорости нагрева привел к разрушению тиглей и потере целевого продукта в количестве 30%.
| Таблица 3 | ||||||
| Размеры сферических гранул после оплавления | ||||||
| Размер частиц продукта после дробления (помола) слитков, мм | Менее 0,5 мм | 0,5-3,0 мм | ||||
| Объем ячейки, мм3 | Расчетный | 8,37 | 28,26 | 95,37 | 28,26 | 95,37 |
| Фактический | 8,50 | 28,40 | 95,80 | 28,40 | 95,80 | |
| Диаметр гранул после оплавле- ния дугой, мм |
Расчетный | 2,0 | 3,0 | 4,5 | 3,0 | 4,5 |
| Фактический |
|
|
|
|
|
|
| Диаметр гранул после оплавле- ния в печи, мм |
Расчетный | 2,0 | 3,0 | 4,5 | 3,0 | 4,5 |
| Фактический | - |
|
|
- | - |
1. Устройство для охлаждения газового потока, например азота, вырабатываемого твердотопливным генератором, включающее корпус с входным и выходным по направлению движения газового потока перфорированными днищами, полость между которыми заполнена охладителем, причем полость разделена, по меньшей мере, на три секции, а охладитель включает теплопоглощающий материал из боридов кобальта, хрома, молибдена, железа, никеля или алюминия в виде засыпки из сферических гранул и материал с более высокой, чем у борида кобальта теплопроводностью, например чугунную дробь или стальные шарики, размещенные в объеме последней по направлению движения секции.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что объем первой по направлению движения газового потока секции заполнен гранулами диаметром 4,0-4,5 мм, а объемы остальных секций заполнены более мелкими гранулами, например, диаметром 1,0-3,0 мм.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соотношение между объемами секций, заполненных гранулами из борида кобальта, и объемом секции, заполненной чугунной дробью или стальными шариками, должно быть не менее чем 2:1.
4. Способ получения теплопоглощающего материала, включающий приготовление шихты из порошков бора аморфного и кобальта, брикетирование, высокотемпературный синтез в вакууме при давлении не более 6,5 Па, измельчение синтезированного продукта и получение из него сферических гранул, отличающийся тем, что высокотемпературный синтез осуществляют в два этапа: на первом этапе при температуре 850-900°C и на втором этапе при 1450-1470°C с выдержкой на каждом этапе при указанных температурах в течение не менее 1,5 ч, при этом нагрев на каждом этапе производят со скоростью 5-8°C/мин, с последующим после второго этапа охлаждением синтезированного продукта до 1000°C со скоростью не более 5°C/мин и далее до комнатной температуры - с печью.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что для приготовления шихты используют порошки бора аморфного с чистотой не хуже 94% в количестве 15-17% и кобальта с чистотой не менее 99,3% - остальное.
6. Способ по п.4, отличающийся тем, что полученный после второго этапа высокотемпературного синтеза продукт охлаждают до 1000°C со скоростью не более 5°C/мин и далее до комнатной температуры - с печью, измельчают в порошок с частицами менее 63 мкм, затем порошок подвергают дополнительно второму этапу высокотемпературного синтеза.
7. Способ по п.4, отличающийся тем, что сферические гранулы получают путем засыпки порошка синтезированного продукта в ячейки графитовой подложки, имеющие объем Vяч=π·Д3/3, где Д - диаметр гранул, с последующим расплавлением синтезированного продукта либо в вакуумной печи при температуре на 50-100°C выше температуры ликвидуса синтезированного продукта, либо концентрированным источником тепловой энергии, например электрической дугой постоянного тока или лазером в среде инертного газа, например аргона, в течение 1-5 с.
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что сферические гранулы выполняют двухслойными с оболочкой из борида кобальта и внутренним металлическим ядром, например, из чугунной дроби или стального шарика.
