Читать онлайн Сборник авторских технологий СВС с фокусом на металлургию, огнеупорную защиту и смежные области

Введение

Эта книга – результат многолетних экспериментальных работ, наблюдений, инженерных поисков и технологических решений, основанных на применении метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). В ней собраны авторские материалы, идеи и решения, которые возникли на стыке металлургии, материаловедения, химии твёрдого тела, инженерной практики и рационального подхода к деструктивным явлениям.

СВС – это не просто метод. Это физико-химическое явление, способное преображать материю без высоких затрат энергии, без длительных производственных циклов, без громоздкого оборудования. Это инструмент будущего, способный показать, как управляемое «твёрдое пламя» может рождать не хаос, а форму; не разрушение – а структуру; не отходы – а ресурсы.

Представленные в сборнике технологии были рождены на стыке необходимости и изобретательности. От восстановления разрушенных футеровок печей до радикального переосмысления роли фосфогипса – каждый из описанных случаев показывает, как можно превратить проблему в решение. Использование алюмотермии и производных СВС-реакций становится способом не просто вести производство экономичнее, но и создавать материалы нового качества – компактные полупроводники, огнеупорные детали, защитные покрытия и даже автономные источники тепла и термо ЭДС.

Материалы сборника не претендуют на академическую выверенность, зато предлагают инженеру готовый инструмент. Книга написана языком практика, понятным тем, кто работает с металлом, керамикой, термитом, огнём и порошком. Здесь вы не встретите абстрактных формул в отрыве от дела – зато получите рецептуры, соотношения, схемы, советы и примеры, проверенные в полевых условиях.

1. СВС объёмного полупроводника

В работе продемонстрирована возможность получения объёмных полупроводниковых материалов с заданным типом проводимости (n- и p-типа) методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Установлено, что при соответствующей подготовке реакционной смеси и её легировании возможно формирование сплошных, компактных заготовок произвольной формы без образования дефектов, таких как пористость или разрыхление. Полученный результат открывает перспективы для применения СВС-технологии в производстве функциональных полупроводниковых заготовок различного назначения.

Предлагается простейшая технология изготовления полупроводников для термоэлектрического элемента термоэлектрического генератора с энергетическим выходом 0,2 вольт на 100 градусов.

Полупроводниковый термоэлемент состоит из двух полупроводниковых «таблеток» p-типа и n-типа, не образующих p-n–переход, которые соединены между собой.

Каждая «таблетка» синтезирована методом СВС. Одна «таблетка» – из оксида меди и алюминиевой пудры, вторая «таблетка» – из медного купороса и алюминиевой пудры.

Технология изготовления следующая:

Реактивы:

1) Медный купорос.

2) Натрий двууглекислый или обыкновенная пищевая сода

3) Алюминиевая пудра.

4) Железный купорос

СВС “таблетки” из медного купороса.

Порошок медного купороса перетирается в ступе до пылевидной структуры. Смешивается с алюминиевой пудрой.

Изготавливаем несколько смесей в следующей пропорции (оксид меди: оксид алюминия) 90:10, 87:13, 84:16, 82:18. Это необходимо для экспериментов с получением максимального термо ЭДС для определённого диапазона температур.

Смесь засыпается в стальную толстостенную трубку диаметром 8 мм и прессуется сверху ударами болта М8. Получается классическая достаточно прочная “таблетка” из спрессованной реакционной смеси для СВС. Затем сверху таблетки газовой горелкой инициируется протекание скоростного высокотемпературного синтеза. СВС в данном случае протекает послойно сверху вниз совершенно спокойно без образования пор, разрыхлений и т.п., в полной противоположности классической алюмотермии, примером которой является обыкновенный бенгальский огонь.

СВС “таблетки” из оксида меди.

Оксид меди изготавливается из медного купороса классическим способом. Берётся отдельно сода и купорос в пропорции 1:1 по весу. Далее медный купорос растворяется в воде. Затем в воду добавляется сода. Начнется бурное вспенивание раствора и выделение углекислого газа. Отделяем наш осадок от раствора путем фильтрации (отжимать марлей). Полученный густой продукт небесно-голубого цвета “размазывается” по стальному листу и прокаливается сверху газовой горелкой до образования чёрного порошка. Получается чистый оксид меди.

Полученный порошок из оксида меди перетирается в ступе до пылевидной структуры. Смешивается с алюминиевой пудрой.

Изготавливаем несколько смесей в следующей пропорции (оксид меди: оксид алюминия) 90:10, 87:13, 84:16, 82:18. Это необходимо для экспериментов с получением максимального термо ЭДС для определённого диапазона температур.

Смесь засыпается в стальную толстостенную трубку диаметром 8 мм и прессуется сверху ударами болта М8. Получается классическая достаточно прочная “таблетка” из спрессованной реакционной смеси для СВС. Затем сверху таблетки газовой горелкой инициируется протекание скоростного высокотемпературного синтеза. СВС в данном случае протекает послойно сверху вниз совершенно спокойно без образования пор, разрыхлений и т.п., в полной противоположности как при классической алюмотермии, примером которой является обыкновенный бенгальский огонь.

СВС “таблетки” из оксида железа.

Оксид железа изготавливается из железного купороса классическим способом.

Берётся отдельно сода и купорос в пропорции 1:1 по весу. Далее железный купорос растворяется в воде. Затем в воду добавляется сода. Начнется бурное вспенивание раствора и выделение углекислого газа. Отделяем осадок от раствора путем фильтрации (отжимать марлей). Полученный густой продукт зеленоватого цвета “размазывается” по стальному листу и прокаливается сверху газовой горелкой до образования чёрного порошка. Получается чистый оксид железа.

Полученный порошок из оксида железа перетирается в ступе до пылевидной структуры. Смешивается с алюминиевой пудрой.

Изготавливаем несколько смесей в следующей пропорции (оксид железа: оксид алюминия) 90:10, 87:13, 84:16, 82:18. Это необходимо для экспериментов с получением максимального термо ЭДС для определённого диапазона температур.

Смесь засыпается в стальную толстостенную трубку диаметром 8 мм и прессуется сверху ударами болта М8. Получается классическая достаточно прочная “таблетка” из спрессованной реакционной смеси для СВС. Затем сверху таблетки газовой горелкой инициируется протекание скоростного высокотемпературного синтеза. СВС в данном случае протекает послойно сверху вниз совершенно спокойно без образования пор, разрыхлений и т.п., в полной противоположности как при классической алюмотермии, примером которой является обыкновенный бенгальский огонь.

Рис. № 1. Само распространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)

Известно, что по виду проводимости полупроводники подразделяют на n-тип и р-тип. У чистых или собственных полупроводников концентрация электронов и дырок одинакова. Электропроводимость собственного (беспримесного) полупроводника очень низка.

Чтобы превратить собственный полупроводник в примесный, необходимо ввести в его кристаллическую решетку некоторое количество специально подобранной химической добавки, т.е. осуществить легирование полупроводника.

Примеси создают ряд энергетических уровней в запрещенной зоне. В результате вероятность образования электронно-дырочных пар при температуре возбуждения оказывается значительно более высокой, чем в собственном полупроводнике.

В таких полупроводниках электрическая проводимость осуществляется в основном за счет носителей зарядов одного знака – электронов или дырок. Чтобы обеспечить электронную или дырочную проводимость, достаточно, как правило, ввести один атом соответствующей примеси на атомы собственного полупроводника.

Заключение

Метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза успешно применим для получения объёмных полупроводниковых заготовок.

СВС-технология позволяет реализовать синтез полупроводников с заданным типом проводимости (n- или p-), путём легирования порошковой смеси необходимыми химическими элементами.

Реакция СВС-реакции протекает стабильно, без нежелательных побочных процессов, характерных, например, для алюмотермии (вспучивание, разрыхление, порообразование).

Метод позволяет создавать заготовки нужной формы без последующего уплотнения или переработки.

2. Защитное покрытие на графитовом электроде методом СВС

В настоящее время мероприятия по снижению расхода электродов при электродуговой плавке металлов приобретают актуальное значение.

При горении дуги, вследствие разогрева происходит интенсивное эрозионное разрушение графитового электрода с боковых поверхностей за счет окисления, сублимации зерен графита, разрушения материала связки.

Повышенная эрозия материала электрода в расплав приводит к уменьшению диаметра электрода и как следствие к блужданию дуги с возникновением по этой причине дополнительных потерь, и как следствие -к потреблению дополнительной энергии.

Предлагаемые в настоящее время варианты решения проблемы известны и широко используются в металлургии.

Один из наиболее близких к заявляемому способу это способ нанесения плазменным напылением на боковую поверхность графитового электрода эрозионностойкого электропроводящего покрытия суммарной толщиной не более 0,5 мм из алюминия, ферросилиция, силикокальция или других веществ.

Основной недостаток данного способа также всем известен. Это повышенные трудозатраты, (несколько часов на один электрод), энергозатраты, ручное нанесение, и как следствие неравномерная толщина покрытия и т.п. Прогорание такого металлического покрытия при высоких температурах происходит очагами и как правило раньше, чем полное прогорание самого электрода. Как следствие – полностью защитить поверхность электрода от окисления таким способом невозможно.

Предлагаемый способ направлен на снижение эрозионного износа боковой поверхности графитового электрода в дуговых сталеплавильных печах путём автоматического создания защитного слоя на его поверхности во время начала работы электрода. Новизна заключается в применении технологии СВС (самораспространяющийся высокотемпературный синтез) непосредственно на рабочем оборудовании – без трудоёмких операций нанесения покрытия в отдельном технологическом цикле.

Техническая сущность

Суть способа заключается в нанесении на внешнюю поверхность электрода огнестойкой обмазки на основе порошкообразного алюминия, диоксида кремния (или других оксидов) и связующего (например, жидкого стекла). После высыхания на электроде формируется твёрдый обмазочный слой с потенциальной возможностью запуска экзотермической реакции алюмотермии непосредственно при начале эксплуатации электрода, под действием температуры дуги.

Зарождается зона "твердого пламени" – специфической горящей фронтальной поверхности, распространяющейся по покрытию, в результате чего образуется керамико-металлическое защитное огнестойкое покрытие, плотно прилегающее к поверхности электрода, способное:

– Противостоять окислению графита,

– Снижать эрозионную массу потерь,

– Повышать стойкость электрода в условиях высокотемпературной дуги.

Принцип основан на научном открытии «Явление твердого пламени» (Мержанов А.Г. и др., 1967 г.).

Состав предлагаемой смеси (вариант)

Смесь для СВС высокопрочного, огнестойкого защитного покрытия графитового электрода может состоять из следующих компонентов:

– Диоксида кремния 70‒80 %,

– Порошок алюминия 20‒30 %

– Раствор жидкого стекла 35 %-ный в количестве 16‒18 % от массы.

После перемешивания смесь для само распространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) высокопрочного, огнестойкого защитного покрытия наносят на электрод слоем толщиной 1-3 мм различными способами. Например, погружением в раствор, или нанесением пульверизатором и т.п. Затем электрод сушат в течение 1 часа. Далее электрод используют по назначению.

При зажигании дуги на конце электрода от высокой температуры выше 1000 градусов происходит воспламенение смеси начинает протекать само распространяющийся высокотемпературный синтез, который идёт со скоростью 1 мм/секунда в направлении снизу – вверх электрода.

Рис. № 2. Само распространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) огнестойкого защитного покрытия на стальном прутке.

При этом температура в зоне горения достигает более 2000 градусов. Идёт экзотермическая реакция синтеза высокопрочного, огнестойкого защитного покрытия толщиной до 1 мм на поверхности электрода в режиме послойного направленного горения снизу-вверх с одновременной сверхпрочной адгезией с поверхностью электрода.