Повышение управляемости обеднениепроцесса

Предложена новая система управления «обеднение процессом»

Известная технология «обеднение процесс» включает несколько базовых этапов, где особую роль отводят подготовке однофазового расплава, в котором имеются подвижные катионы из стеклообразной питающей смеси. Подготовка расплава это составление смеси очищенных от примесей SiО2 + Na2CО3, взятых в весовом соотношении, обеспечивающем получение требуемого неорганического полимера типа Sin02n+3.

В процессе этого этапа после удаления из расплава углерода и связанного с ним кислорода, которые при выделении в виде пузырьков перемешивают расплав, создается стекло основа. Высокому качеству способствуют следующие факторы: - тщательное перемешивание приготовленного состава; - тонкая плавка смеси SiО2 + Na2CО3 в печи до получения однофазового расплава SiO2+Na2O3; - размещение расплава в особой колонке.

Совершенствование систем управления на каждом этапе необходимо для стабильности процессов, происходящих в электрохимической колонке при наложении стационарного электрического поля на находящийся в сопряжении с проводником первого рода расплав стеклообразующего вещества, которые называют «обеднение процесс».

Энергетическая исследовательская колонка имеет базовую схему, которая обеспечивает наложение на двуполостную колонку внешнего электрического высоковольтного потенциала. Наложение поля, осуществляется в среде инертного газ, обычно используют аргон. Нагретый однофазный раствор подвергается воздействию электрическим полем. Объем расплава выбран расчетным путем.

Пространство колонки ограничено твердыми стенками из кварцевого стекла, проницаемого для электронов. Расплав подвергается воздействию электрическим полем анода 1, помещенного в расплав 2, составляющего с анодом 1 систему с регулируемым напряжением. Электрическая цепь анода соединена с источником напряжения, катод которого заземлен. Кварцевое стекло не препятствует прохождению электрического поля.

Представленная на рис. 1 схема колонки содержит помимо вышеуказанных элементов предложенные автором работы системы управления разнородными полями, обеспечивающие целенаправленное протекание процесса, а также повышение эффективности съема получаемой энергии.

Рис. 1. Схема электрохимической колонки

Воздействие внешнего электрического поля на систему с расплавом стеклообразующей многокомпонентной смеси приводит к «вырыву» электронов из этого расплава. В итоге поток электронов приводит к образованию в расплаве подобие постоянного тока, а приобретенный расплавом 4 положительный объемный заряд индуцирует в проводнике первого рода отрицательный заряд, в результате создается разность электрических потенциалов. Под его действием подвижные катионы удаляются из расплава в проводник 5 первого рода.

В расплаве накапливаются распределённые по объёму положительные заряды, поля которых, вместе с полем заряда анода 1 поляризуют и смещают структурные частицы расплава. Накопленный объёмный заряд расплава 2, дополненный электрическим полем анода 1 и распределенным электрическим полем, образовавшимся относительно стенок 3, накладывается на другой части расплава 4. В процессе концентрации ионов в расплаве нижнего участка колонки в итоге их обедняют до заданной величины, с выделением на проводнике первого рода металлов. В зависимости от вида подвижных катионов в среде инертных газов при заданной температуре, отвечающей состоянию твердо-, жидко-, паро- или газоподобного агрегатного состояния вещества выделившейся массы, образуется материал (металл) высокой чистоты.

Расплав нижней части колонки при этом приобретает определенное сочетание химических элементов, вида полистекол, характеризуемых нестехиометрией химического состава (Sin02n+3) с выделением. Получение однофазовых стеклообразных материалов вещества нестехиометрического состава с необходимыми свойствами, происходит в результате взаимодействия химических элементов расплава в состоянии подвижных катионов расплава и структурных элементов матрицы расплава, посредством прямого цикла, обеднение процесса и обратного, химических превращений, происходящих в замкнутом пространстве расплава.

На определенном этапе процесса после получения требуемого химического состава в расплаве его охлаждают по определенным законам и получают однофазовый стеклообразный полиматериал. Это вещество нестехиометрического состава, свойства которого во многом зависят от скорости охлаждения, геометрических параметров охлаждаемой системы, формы расплава и иных факторов.

Для реализации условий гарантированного самостоятельного протекания «обеднение процесса» необходимы сильные электрические поля в обеих частях расплава, особая инертная среда, электроно – проницаемые защитные оболочки горячего расплава, системы управления накачкой первородной энергии, поддержанием управляющих полей, съемом энергии и многие другие факторы, стабилизирующие направленное протекание процесса.

При работе колонки электрические заряды «обеднение процесса» приводят к возникновению в расплаве нестационарного магнитного поля, характеризуемого электро-движущей силой. Возникновение магнитного поля имеет место в двух или трех зонах колонки, поэтому в колонке имеются контуры извлечения электрического тока. Управление ими осуществляют за счет новой системы управления СУ полями 1П, 2М, 3К.

При этом одна зона формируется распределёнными по объемам расплава электрическими зарядами в стеклообразующей многокомпонентной смеси 2, поляризованной собственными, накапливаемыми в анодном процессе положительными зарядами, создающими нестационарное магнитное поле верхнего расплава.

Вторая зона формируется в это расплаве нижней части 4, находящейся в сопряжении с проводником первого рода.

Ряд исследователей утверждают, что в подобных процессах при использовании в верхнем объеме электролизной ванны с расплавом, например, окиси алюминия, можно получать в промышленных масштабах особо чистый алюминий. При других питающих смесях можно получить особо чистый натрий (калий, кальций, магний и другие металлы), а также достаточное количество тепловой и электрической энергии.

Применение на практике колонок, реализующих "обеднение процесс", обеспечивает не только, получение высокочистых металлов, достаточное количество дешевой энергии, но и возможность получения сверх прочных композиционных полистекол, материалов с наперед заданными свойствами. Однако, к сожалению, в настоящее время получить указанные полистекла в отечественной промышленности в достаточном масштабе пока не удается и работы находятся на стадии экспериментов. Требуются глубокие исследования сущности процессов, проходящих в колонке и создание новых систем.

Считается, что процессы распада исходного вещества в подобных колонках длятся до нескольких десятков суток, что зависит от принятого режима протекания «обеднение процесса». После выработки в колонке исходного вещества она выводится из работы, очищается и снова загружается расплавом.

Анализируя различные схемы, в том числе, описанные в зарубежной литературе способы получения специальных конструкционных материалов, авторы считают их в одних случаях удачными, как это присуще патентам получение стекла Титова, но большинство работ это начальные стадии исследований. Наши исследования показали, что особое внимание следует уделять развитию автоматизированных систем управления, как этапами процесса, так и направленному получению полистекол нестехиометрического состава с необходимыми свойствами.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.879.31

Ю.М. Бузин, Д.Г. Козловцев