Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений - Горшков В.С.
ISBN 5-06-001389-8
Скачать (прямая ссылка):
11—191
321
Интересные результаты получены и при воздействии на скорость твердофазовых процессов режима термообработки. Выявлена возможность существенного увеличения скорости этих процессов путем использования термоциклической обработки, особенно тогда, когда термоцикл включает температуру фазовых или полиморфных превращений, и реагенты непрерывно активируются благодаря перестройке кристаллической структуры.
По мнению Ю. Д. Третьякова, определенного положительного эффекта следует ожидать и для материалов, не имеющих фазовых превращений, если охлаждение в процессе термоциклирования производится с достаточно высокой скоростью (>50°С/мин). При этом в решетке создаются напряжения, снятие которых при вторичном нагревании должно интенсифицировать твердофазовый процесс. Следует помнить, однако, что для силикатных и оксидных материалов, характеризующихся низкой термодиффузией, возможности использования термоциклической обработки ограничены. В металловедении подобный вид термообработки используется с большим успехом.
Давление. Реакции в твердых телах могут осуществляться: а) в предварительно сжатой (спрессованной) порошкообразной смеси перед осуществлением в ней реакции; б) в смеси, к которой прикладывается давление в процессе самой реакции (горячее прессование).
Основные изменения порошкообразной массы, возникающие при ее сжатии, сводятся к изменению среднего расстояния между соседними зернами, их формы и площади полной и контактной поверхности. Характер этих изменений может быть различным в зависимости от состава смеси, первоначального взаимного пространственного расположения зерен, соотношения между их прочностью и др.
Изменение кинетики процесса в порошкообразной смеси может происходить в результате влияния давления на различные элементарные стадии твердофазового взаимодействия. Наибольшее влияние отмечено для процесса спекания, вместе с тем имеется много работ, в которых отмечено влияние предварительного брикетирования и на сам процесс химического превращения.
Например, Я. В. Ключаров с сотр., изучив влияние давления сжатия смеси на процесс синтеза магнезиально-глиноземистой шпинели MgAb04, показал, что повышение давления сжатия смеси в 10 раз (от 6-107 до 6-108 Па) увеличивало выход продукта реакции на 22% и на 82% увеличивало плотность образцов. За счет прессования порошков под давлением можно снизить температуру реакции на 150.. .200°С.
Если реакции в твердой смеси осуществляются при участии газовой или жидкой фазы, повышение давления сжатия исходной смеси может вообще не дать положительного эффекта и скорость реакции с повышением давления предварительного сжатия реакционной смеси может даже уменьшаться.
322
Таким образом, в физико-химическом аспекте роль давления брикетирования может быть достаточно противоречивой. В зависимости от состава реакционной смеси, физических свойств ее компонентов, формы и размеров их зерен давление может влиять на реакцию в разных направлениях и в различной степени. С технологической же точки зрения необходимость максимального использования полезного объема обжиговых агрегатов делает брикетирование обязательным элементом в большинстве реальных твердо-фазовых процессов.
Роль газовой среды. Изменение состава газовой среды — еще одна возможность активирования реакционных смесей в процессе твердофазового взаимодействия. Если реакционные смеси содержат элементы с переменной валентностью, то при изменении окислительного потенциала газовой среды изменяется и состав твердо-фазовых реагентов. Большой эффект достигается за счет чередующейся окислительной и восстановительной обработки реагентов. Эффект обработки тем значительней, чем ниже температура нагревания и выше склонность к образованию активных фаз.
Рассмотренные основные внешние параметры позволяют управлять процессами твердофазового синтеза в самых различных областях материаловедения непосредственно в заводской практике.
1.8. НОВЫЕ МЕТОДЫ РЕАЛИЗАЦИИ ТВЕРДОФАЗОВЫХ ПРОЦЕССОВ
Расплавотермический синтез. Одной из проблем сравнительно недалекой перспективы является разработка новых путей высокотемпературного синтеза твердых веществ в таких условиях, в которых традиционный газообразный теплоноситель будет заменен иным или устранен вообще. Такой ход развития промышленности силикатных и тугоплавких материалов предопределен, во-первых, нарастающим дефицитом различных видов органического топлива (газа, нефти), во-вторых, несомненными успехами в развитии атомной энергетики и реальными перспективами создания уже в начале XXI в. термоядерных установок для выработки электроэнергии.
Хорошие результаты можно получить при использовании обжиговых агрегатов с жидким (металлическим) теплоносителем, разогреваемым индукционным путем.
Термообработка в жидкой среде по сравнению с обработкой в печах с газовым теплоносителем отличается рядом преимуществ, важнейшие из которых таковы:
1) высокая интенсивность процессов теплоотдачи. Как показано работами в области ядерной энергетики, интенсивность теп-лопереноса в жидкой среде и особенно в среде металлических расплавов очень высока, поскольку коэффициент теплоотдачи а может достигать 11 630 кДж/(м2-К-с), в то время как, например, во вращающихся печах а составляет 348 кДж/(м2-К-с) в зоне
