Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

Моделирование процессов рафинировочной плавки металлов с учетом испарения примесей с химическим взаимодействием

ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Создана интерактивная компьютерная программа численного моделирования динамической вакуумной плавки с учетом взаимодействия компонентов систем между собой в жидкой и парогазовой фазах, а также частичной обратимости процесса испарения. Программа предназначена для определения технологических условий получения чистых металлов заданной степени чистоты путем теоретического исследования поведения… Читать ещё >

Содержание

  • СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
  • 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
    • 1. 1. Свойства и методы получения металлов высокой чистоты
      • 1. 1. 1. Ниобий и тантал
      • 1. 1. 2. Ванадий
      • 1. 1. 3. Вольфрам и молибден
      • 1. 1. 4. Цирконий
    • 1. 2. Основы теории зонного рафинирования веществ
      • 1. 2. 1. Распределение после одного прохода
      • 1. 2. 2. Учет испарения примеси при зонной плавке
        • 1. 2. 2. 1. Уравнения, описывающие испарение примесей
        • 1. 2. 2. 2. Расчет коэффициента разделения
        • 1. 2. 2. 3. Коэффициент разделения для газовых примесей
    • 1. 3. Межфазные коэффициенты распределения кристалл-жидкость и жидкость-пар
      • 1. 3. 1. Методы определения коэффициента распределения
      • 1. 3. 2. Методы определения коэффициента разделения
      • 1. 3. 3. Концентрационная зависимость коэффициента разделения в области малых концентраций
  • Выводы по разделу
  • 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВАКУУМНОГО РАФИНИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ
    • 2. 1. Постановка задачи
    • 2. 2. Неидеальные регулярные растворы
    • 2. 3. Системы с положительным отклонением от закона Рауля
    • 2. 4. Системы с отрицательным отклонением от закона Рауля
    • 2. 5. Моделирование рафинирования в системах с химическими соединениями
  • Выводы по разделу
  • 3. МЕТОДИКА ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАФИНИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ В ПРОЦЕССЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ ВАКУУМНОЙ ПЛАВКИ
    • 3. 1. Ограничения аналитических методик моделирования динамической вакуумной плавки
    • 3. 2. Уравнения материального баланса примеси при динамической вакуумной плавке
      • 3. 2. 1. Уравнение материального баланса примеси для среднего участка слитка
      • 3. 2. 2. Расчет относительной потери массы
      • 3. 2. 3. Уравнения материального баланса примеси для начального и конечного участков слитка
    • 3. 3. Алгоритм расчета распределения примесей по длине слитка в многокомпонентных системах
    • 3. 4. Скорость испарения вещества при плавке в разреженной атмосфере
  • Выводы по разделу
  • 4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И БАЗЫ ДАННЫХ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ ВАКУУМНОЙ ПЛАВКИ
    • 4. 1. Требования к программному обеспечению
    • 4. 2. Программа моделирования рафинировочной вакуумной плавки
      • 4. 2. 1. Параметры математической модели
      • 4. 2. 2. Интерфейс программы
    • 4. 3. База данных для программы моделирования плавки
      • 4. 3. 1. Структура базы данных
      • 4. 3. 2. Отбор данных для базы
  • Выводы по разделу
  • 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАФИНИРОВАНИЯ ТУГОВЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ ОТ
  • МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И ГАЗОВЫХ ПРИМЕСЕЙ В ПРОЦЕССЕ ЗОННОЙ ПЛАВКИ
    • 5. 1. Рафинирование ванадия и тантала от металлических примесей
    • 5. 2. Рафинирование ниобия от азота
    • 5. 3. Рафинирование ниобия и ванадия от кислорода и углерода
    • 5. 4. Рафинирование циркония металлом-раскислителем
    • 5. 5. Сравнение расчетных данных по рафинированию ниобия с экспериментальными
  • Выводы по разделу

Моделирование процессов рафинировочной плавки металлов с учетом испарения примесей с химическим взаимодействием (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Развитие технологии производства высокочистых тугоплавких редких металлов в виде индивидуальных металллов, сплавов и легирующих материалов в значительной степени определяет прогресс в таких областях техники, как атомная и авиакосмическая техника, электроника и электротехника, энергетика и др. Известно, что задача получения тугоплавких редких металлов высокой чистоты, таких как ванадий, цирконий, ниобий, тантал и др. не может быть решена применением одного какого-либо способа очистки или восстановления из исходных соединений. Для этого, как правило, применяется комплекс методов, позволяющих проводить последовательную очистку от групп примесей.

В число этих методов входит динамическая вакуумная плавка материалов, которая характеризуется тем, что материал непрерывно или дискретно вводится в расплав, масса которого существенно меньше общей массы проплавляемого материала, и из которого в непрерывном режиме выводится закристаллизовавшаяся часть расплава. К этому виду плавки относятся электронно-лучевая, плазменная или электродуговая плавка с расходуемым электродом с непрерывной наплавкой слитка, а также зонная плавка в различных вариантах. В отличие от других методов рафинирования динамическая вакуумная плавка позволяет сочетать процессы глубокой очистки от примесей за счет перекристаллизации и испарения с возможностью получения рафинируемого металла в компактном состоянии, в том числе и монокристаллическом.

Теория рафинирования металлов при динамической вакуумной плавке разрабатывалась в основном применительно к зонной плавке. Однако, поскольку различные виды динамической вакуумной плавки имеют общие признаки, определяющие процесс массопереноса при плавлении и рафинировании металла, то поведение компонентов в различных видах динамической вакуумной плавки описывается общими физико-химическими закономерностями.

Поэтому настоящая работа была посвящена решению комплексной проблемысозданию методики численного моделирования процессов рафинирования металлов всеми видами динамической вакуумной плавки, и практической ее реализации в виде программного кода. В качестве примеров рассмотрены различные варианты глубокой очистки тугоплавких редких металлов от металлических и газообразующих примесейпроцессов, имеющих важное практическое значение.

Актуальность проблемы.

Различные варианты вакуумной плавки редких тугоплавких металлов для их глубокой очистки являются сегодня наиболее распространенными промышленными схемами. Постоянный рост цен на исходные материалы резко увеличивает затраты на проведение натурных экспериментов для оптимизации технологии с целью удовлетворения непрерывно повышающихся требований к чистоте редкометаллической продукции. Такое положение вызывает потребность в первоочередном использовании методов математического моделирования, в замене реальных экспериментов на вычислительные.

Известны аналитические методики, позволяющие моделировать процесс рафинирования металла от примесей при динамической вакуумной плавке, но только в бинарных системах или в тех многокомпонентных системах, когда коэффициент разделения зависит от концентрации одной примеси. Методики моделирования процесса плавки в сложных системах, когда необходим учет взаимодействия всех компонентов между собой, причем как в жидкой, так и парогазовой фазах, в литературе не описаны. Однако понятно, что проведение таких расчетов будет возможно только численными методами.

В этой связи разработка методики компьютерного моделирования вакуумной рафинировки металлов с учетом различных механизмов испарения и взаимодействия компонентов в жидкой фазе является актуальным направлением исследований.

Целью работы являлась разработка методического, математического и программного обеспечения для определения оптимальных технологических условий получения чистых тугоплавких металлов при динамической вакуумной плавке путем теоретического исследования поведения примесей в системах с химическим взаимодействием компонентов в жидкой и парогазовой фазах и частичной обратимостью процесса.

Для достижения цели были решены следующие задачи.

1. Разработан физико-химический подход, обеспечивший создание адекватной математической модели рафинирования металлов методами вакуумной плавки с учетом химического взаимодействия многих компонентов системы между собой.

2. Проведена адаптация известных физических моделей процесса рафинирования металлов при динамической вакуумной плавке для учета частичного обращения испарения взаимодействующих примесей.

3. Разработана методика расчета скорости испарения основного металла и примесей при плавке в разреженной инертной атмосфере.

4. Разработан алгоритм численного моделирования распределения по длине слитка одновременно нескольких примесей при динамической вакуумной плавке и осуществлена его программная реализация.

5. Изучено влияние исходного состава и технологических параметров плавки на степень очистки и распределение примесей по длине слитка для редких тугоплавких металлов. Сравнением теоретических и экспериментальных данных доказана адекватность предлагаемой математической и физико-химической моделей.

Научная новизна работы.

1. Разработаны физико-химические основы и методика численного моделирования динамической вакуумной плавки металлов с учетом взаимодействия всех составляющих многокомпонентных систем между собой как в жидкой, так и парогазовой фазах, а также частичной обратимости процесса испарения.

2. На основании экстремальных точек на диаграммах состояния, расчетов состава жидкой и парогазовой фаз дана теоретическая оценка термодинамической активности, коэффициентов распределения на границе жидкость-кристалл, коэффициентов разделения примесей на границе жидкость-пар для систем, не описанных в литературе.

3. Разработана методика численного расчета скорости испарения вещества в разреженной атмосфере с учетом стефановского конвективного потока, пересыщения газовой фазы и неравномерного распределения температуры газа в камере.

4. Разработан алгоритм численного расчета распределения по длине слитка во время динамической вакуумной плавки с учетом испарения основного металла и изменения поверхности испарения на всех этапах динамической вакуумной плавки.

5. Проведен систематический теоретический анализ влияния исходного состава и технологических параметров вакуумной плавки на степень очистки и распределение примесей по длине слитка для редких тугоплавких металлов.

Практическая значимость работы.

1. Создана интерактивная компьютерная программа численного моделирования динамической вакуумной плавки с учетом взаимодействия компонентов систем между собой в жидкой и парогазовой фазах, а также частичной обратимости процесса испарения. Программа предназначена для определения технологических условий получения чистых металлов заданной степени чистоты путем теоретического исследования поведения одновременно нескольких примесей в данном процессе. Она также может быть использована для определения неизвестных значений коэффициентов распределения и разделения, исходя из экспериментальных данных по рафинированию.

2. Выполнено исследование влияния исходного состава и технологических параметров вакуумной плавки на степень очистки и распределение примесей по длине слитка для практически важных систем на основе ниобия и ванадия.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика численного моделирования динамической вакуумной плавки, позволяющая проводить расчеты в многокомпонентных системах с учетом:

• взаимодействия компонентов систем между собой в жидкой и парогазовой фазах;

• частичной обратимости процесса испарения;

• изменения объема расплава и поверхности испарения во время плавки.

2. Интерактивная компьютерная программа численного моделирования динамической вакуумной плавкибаза данных, необходимых для проведения расчетов распределения примесей по длине слитка.

3. Методика численного расчета скорости испарения вещества в разреженной атмосфере применительно к условиям динамической вакуумной плавки с учетом стефановского конвективного потока, пересыщения газовой фазы и неравномерного распределения температуры в камере.

4. Результаты численного моделирования поведения металлических и газовых примесей в ниобии, тантале, ванадии и цирконии.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и библиографии. Работа изложена на 134 страницах, содержит 51 рисунок, 18 таблиц, 3 приложения и список цитируемой литературы из 70 наименований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Основным результатом настоящей работы является разработка методического, математического и программного обеспечения для определения оптимальных технологических условий получения чистых тугоплавких металлов при динамической вакуумной плавке путем теоретического исследования поведения примесей в системах с химическим взаимодействием компонентов в жидкой и парогазовой фазах и частичной обратимостью процесса.

2. Создана и практически обоснована физико-химическая модель процессов вакуумной плавки, которая сводится к следующим положениям: а) для систем с небольшими положительным или отрицательным отклонениям от закона Рауля необходимо учитывать неидеальность жидкого растворадостаточным приближением является модель регулярных растворовб) для систем с большими отрицательными отклонениями от закона Рауля, характеризующихся образованием химических соединений, необходим расчет состава жидкости с учетом всех известных соединенийдостаточной является модель идеальных ассоциированных растворов.

Получены расчетные значения равновесных коэффициентов распределения и разделения для ряда практически важных систем, экспериментальные данные по которым отсутствуют в литературе.

3. Разработана методика численного расчета распределения примесей по длине слитка для основных видов динамической вакуумной плавки, позволяющая проводить расчеты в многокомпонентных системах при различных функциональных зависимостях коэффициента разделения от концентраций примесей с учетом изменения объема и поверхности испарения во время процесса. Для реализации методики составлена интерактивная компьютерная программа «ЗОНИС», использующая собственную встроенную базу данных, необходимых для проведения расчетов.

4. Проведены вычислительные эксперименты по изучению влияния технологических режимов плавки и исходного содержания примесей на эффективность рафинирования ниобия, тантала, ванадия и циркония от металлических и газообразующих примесей. Наиболее важными результатами этого исследования являются: а) Показано, что эффективность очистки ниобия от углерода при исходной концентрации кислорода менее ПО*2 ат.% становится незначительной. При пятикратном превышении концентрации кислорода над углеродом степень очистки ниобия от кислорода практически перестает зависеть от его концентрации в исходном металле. Эффективность очистки ниобия от углерода слабо зависит от температуры в отличие от кислорода. б). Изучено влияние остаточного давления в камере на степень очистки ниобия от примесей азота, кислорода и углерода и определены предельные концентрации примесей азота и кислорода в ниобии при различных остаточных давлениях.

5. Разработана методика численного расчета скорости испарения вещества в разреженной атмосфере применительно к условиям динамической вакуумной плавки с учетом стефановского конвективного потока, пересыщения газовой фазы и неравномерного распределения температуры в камере.

Показать весь текст

Список литературы

  1. А.В. Механические и технологические свойства металлов. Справочник. М.: Металлургия, 1987. — 208 с.
  2. Г. П., Ажажа В. М. Металлы особой чистоты, т.1. Физические методы рафинирования тугоплавких металлов (W, Mo, Re, Ru, Os, Nb, V). Харьков.: Издательство ХФТИ АН УССР, 1978. — 62 с.
  3. И., Бертель К. Г., Фишер К. и др. ФММ, 1973, т.35, вып. 5, с. 921−931.
  4. К., Рази Р. В кн.: Электронно- и ионнолучевая технология / Под. ред. Ольшанского Н. А. — М.: Металлургия, 1968, с. 265−276.
  5. Reed R.E. J. Vac. Sci. and Technol., 1972, v.9, № 6, p. 1413−1418.
  6. Hay D.R., Scala E. Trans. AIME, 1965, v.233, № 6, p. 1153−1155.
  7. Reed R.E. J. Gryst. Growth, 1973, v. l9, № 1, p. 61−64.
  8. ФроммЕ.- ГебхардтЕ. Газы и углерод в металлах /Под. ред. Б. В. Линчевского.-М.: Металлургия, 1980. 711 с.
  9. Smialek R.L., Mitchell Т.Е. Phil. Mag., 1970, v.22, № 180, p. 1105−1127.
  10. Takeuchi S" Maeda K. Acta Metal., 1977, v.25, № 12, p. 1485−1490.
  11. П.Ортенберг E.B., Миронычева A.H., Максудов П. С., Утюж В. В., Чернышов А. И. Высокочистые и монокристаллические материалы: науч. тр. / ИМЕТ АН СССР. М.: Наука, 1987, с. 57−61.
  12. А.И., Лютцау И. В., Сиделева О. П. Высокочистые и монокристаллические материаллы: науч. Тр./ИМЕТ АН СССР. М.: Наука, 1987, — с. 101−103
  13. Г. П., Круглых А. А., Финкель В. А. Укр. физ. журнал, 1967, т.12, № 6, с. 10 051 009.
  14. Bresser J., Heerchap М., Meester P. J. Less-Common Metals, 1970, v.22, № 3, p. 321−326.
  15. Beal H.A., Arsenault R. J. Met. Trans., 1970, v. l, p. 3355−3360.
  16. Reed R.E. J. Vac. Sci. and Technol., 1970, v. 7, № 6, p. 105−112.
  17. A.B., Вороненка П. И., Коган Г. И., Липатова Г. М. Науч. тр. / Гиредмет. — М.: Металлургия, 1975, т. 68, с. 128−135.
  18. Bresser J., Creten Я., Van Holsbeke G. J. Less-Common Metals, 1975, v.39, № 1, p. 7−16.
  19. M.B., Шишков B.B., Костюхин Ю. А. и др. / В кн.: Монокристаллы тугоплавких и редких металлов. М.: Наука, 1969, с. 7−11.
  20. Schnidt F.A., Warner J.C. J. Less-Common Metals, 1967, v. 13, № 3, p. 493−500.
  21. B.M., Ажажа B.M., Черный Б. П. и др. / В кн.: Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика и техника высокого вакуума. Харьков.: Издательство ХФТИ АН УССР, 1973, вып. 1, с. 77−81.
  22. Ш. И., Быков В. Н., Будаговский С С и др. / В кн.: Физико-химические основы кристаллизационных процессов глубокой очистки металлов. М.: Наука, 1970, с. 62−68.
  23. Березникова Н. В, Резниченко В. А. / В кн.: Процессы получения и рафинирования тугоплавких металлов. -М.: Наука, 1975, с. 200−210.
  24. Г. Ф., Ковтун Г. П., Ажажа В. М. Получение сверхчистых редких металлов. М.: Металлургия, 1986. — 153 с.
  25. В.В., Александров Г. И., Пикунов М. В., Стригина Н. И. Физика и химия обработки материалов, 1975, № 4, с. 43−45.
  26. Т.Н., Ивановский Г. Ф., Ляхович Т. К. Изв. АН СССР. Металлы, 1968, № 2, с. 132.
  27. А.В., Кузнецов Л. Б. / В кн.: Кинетика и термодинамика взаимодействия газов с жидкими металлами. М.: Наука, 1974, с. 75−80.
  28. Н.П., Пугач Г. М., Резенберг Т. Б. / В кн.: Материалы совещания по вопросам получения и исследования свойств чистых металлов. Харьков.: Издательство ХФТИ АН УССР, 1977, с. 30−32.
  29. Ч.В., Плющева СВ., Сатункина Л. Р. и др. Изв. АН СССР. Металлы, 1981, № 2, с. 59−61.
  30. Hay D.R., Skogerbac R.K., Scala Е. J. Less-Common Metals, 1968, v. 15, № 2, p. 121 127.
  31. Capp O.J., Evans H.W., Eyre B.L. J. Less-Common Metals, 1975, v.40, № 1, p. 9−20.
  32. Koo R.C. Acta Metal., 1963. v. l 1, № 9, p. 1083−1093.
  33. Touboui J.-P., Minel L., Langeron J.-P. Compt. Rend. Acad. Sci., 1971, v.272, № 12, p. 1109−1111.
  34. Г. Л., Макаров В. И. / В кн.: Выращивание монокристаллов тугоплавких и редких металлов. М.: Наука, 1973, с. 85−86.
  35. Амоненко В. М, Ажажа В. М., Вьюгов П. И., Воронина Л. Н. / В кн.: Металлургия и металловедение чистых металлов. М.: Атомиздат, 1971, с. 20−23.
  36. В.М., Вьюгов П. Н., Решетова Л. Н. и др. Изв. АН СССР. Металлы, 1971, № 1, с. 41
  37. Easton D.S., Betterton J.O. Ultrahigh -vacuum zone purification of zirconium with analysis of partial pressures. US AEC. Rept. ORNL-4309, December, 1968.-48 p.
  38. B.C., Евстюхин А. И., Шулов B.A. Теория процессов получения чистых металлов, сплавов и интерметаллидов. М.: Энергоатомиздат, 1984. — 439 с.
  39. У.Г. Зонная плавка. Пер. с англ. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Мир, 1970. -336 с.
  40. А. Н. Металлургия тугоплавких и редких металлов. М.: Металлургия, 1986. -439 с.
  41. Г. / В кн.: Зонная плавка. М.: Металлургия, 1966, с. 64−70.
  42. Ш. И. Изв. АН СССР. Неорганические материалы, 1967, т. З, № 9, с. 15 231 532.
  43. В.В. Изв. АН СССР. Неорганические материалы, 1979, т.15, № 1, с. 19 411 945.
  44. А.Я., Гнилов С. В. Расчет распределения примеси и условий выращивания однородно легированных по длине кристаллов / Теорет. основы хим. технологии. 1982, т.16,№ 3, с. 325−330.
  45. А.В., Вороненко Л. И., Иванова М. И., Позднякова Г. И. Цветные металлы. 1972, № 6, с. 63−65.
  46. Л. А., Ярошевский А. Г. Межфазовые коэффициенты распределения. Равновесия кристалл-жидкость и кристалл-пар. М.: Наука, 1992. — 390 с.
  47. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: 1- 4 т. / Под общ. ред. Н.ПЛякишева. М.:Машиностроение, 1996−2000.
  48. Facility for the Analysis of Chemical Thermodynamics (F*A*C*T) Электронный ресурс. / Center for Research in Computational Thermochemistry. Режим доступа: http://www.crct.polymtl.ca/FACT, свободный. Загл. с экрана. — Яз. англ.
  49. Л.А., Ярошевский А. Г. Коэффициенты разделения (распределения) кристаллизационных методов очистки. Препринт. Академия наук СССР: Черноголовка.: 1985, с. 10−28.
  50. Prigogine I. The Molecular theory of solution. Amsterdam, 1957. 448p.
  51. В.А., Агеев Е. П. Термодинамическая теория растворов. М.: Едиториал УРРС, 2003.-248 с.
  52. JI., Бернстейн X. Расчет диаграмм состояния с помощью ЭВМ.. М.: Мир, 1972.-326 с.
  53. В.М., Павлова JI.M. Химическая термодинамика и фазовые равновесия. М.: Металлургия, 1988. — 560 с.
  54. Дж., Кертис Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. Пер. с англ. М.: Наука, 1961
  55. К. Термодинамика сплавов. М.: ГНТИ, 1957. — 179 с.
  56. Г. В. Термодинамическое моделирование. Методы, алгоритмы, программы. М.: Научный мир, 2002. — 184 с.
  57. Г. К., Вяткин Г. П. Термодинамическое моделирование в неорганических системах. Челябинск.: ЮУрГУ, 1999. — 256 с.
  58. В.А. К термодинамической теории идеальных ассоциированных растворов. //ЖФХ, 1980, т.54, № 8, с. 2116−2129.
  59. В.А. К термодинамическим исследованиям ассоциативных равновесий в жидких растворах. //Ж.общ.хим., 1983, т.53, № 5, с. 936−996.
  60. NIST Chemistry WebBook Электронный ресурс. / Thermodynamic Research Center NIST. Режим доступа: http://webbook.nist.gov/chemistry, свободный. Загл. с экрана. -Яз. англ.
  61. HSC Thermochemical Database, version 3.0 Электронный ресурс. /Outokumpu Technology / Режим доступа: http://www.outokumpu.fi/hsc, свободный, Загл. с экрана. -Яз. англ.
  62. В.В. Методика численного моделирования процессов осаждения из газовой фазы / В сб. трудов III научно-практической конференции материаловедческих обществ России: Создание материалов с заданными свойствами. М.: МИФИ, 2004, с. 88−89.
  63. K.V. Grigorovitch, A.S. Krylov. Thermodynamics of liquid Al-Ni alloys. Thermochemica Acta, 1998,314, p. 255−263.
  64. Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. Изд. 3. М.: Наука, 1987.
  65. Розанов JLH. Вакумная техника: Учеб. для вузов 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк. 1990.-320 с.
  66. Дж. Металлы: Справ / Под редакцией проф. Глазунова С. Г., изд. пер. с анг., -М: Металлургия, 1980.477 с
Заполнить форму текущей работой