Цветков Ю.В., Николаев А.В., Самохин А.В.

Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, г. Москва, Россия

According to forecast, an integrated solving of energetic, technical and ecological problems on the basis of new plasma technologies is required in order to provide sustainable development of industry and society in XXI century.

Проведенные многолетние исследования физикохимии и технологии воздействия термической плазмы на вещество в различных агрегатных состояниях, направленные на разработку экологически чистых энерго- и ресурсосберегающих процессов производства материалов с особыми свойствами, в том числе наноматериалов, имеют в основе научную идеологию о воздействии высококонцентрированных источников энергии на вещество, сформулированную выдающимся отечественным ученым академиком Рыкалиным Николаем Николаевичем.

В развитие этой научной идеологии нами осуществлено:

· На основе систематических исследований термодинамики, кинетики и механизма восстановления оксидных систем создана с использованием современных методов исследования топохимических реакций, положений гетерогенного катализа, теории абсолютных скоростей реакций, получившая общее признание теория процессов восстановления металлов в различных агрегатных состояниях, в том числе при воздействии потоков термической плазмы.

· Разработана методология исследования плазменных процессов, основанная на высокотемпературном термодинамическом анализе, математическом моделировании и экспериментальных кинетических исследованиях на специально разработанной аппаратуре.

· Для струйно-плазменных процессов выявлена определяющая роль процессов тепломассообмена для распределенного в плазменном потоке диспергированного обрабатываемого вещества и его перехода в газовую фазу, т.е. степени гомогенизации процесса.

· Сформулирована аппаратурно-технологическая классификация плазменных процессов в металлургии и обработке материалов, позволившая оценить перспективы их практического применения и пути оптимизации конструктивно-технологического оформления.

Рис. 1. Промышленная плазменная установка получения ультрадисперсных порошков вольфрама

· Впервые в мировой практике реализованы промышленные процессы плазменно-водородного восстановления оксидов тугоплавких металлов (рис. 1) и плазменной восстановительной плавки оксидов группы железа. Процессы отличаются энерго- и ресурсосбережением, получением продуктов с особыми эксплуатационными свойствами и совместимостью с окружающей средой. Для ультрадисперсных продуктов плазменного восстановления оксидов вольфрама продемонстрирован ряд практических применений, основанных на особенностях ультрадисперсного состояния - снижение температуры и энергоемкости компактирования, интенсификацию процессов спекания и сварки, получения на их основе твердых сплавов повышенной твердости и износостойкости.

· Исследован по струйно-плазменной принципиальной схеме (рис. 2) ряд плазмохимических процессов получения нанодисперсных порошков металлов и соединений (оксидов, нитридов, карбидов, карбонитридов). Установлены термодинамические и кинетические закономерности и управляющие параметры, обеспечивающие получение порошков заданного химсостава и форморазмеров.

Рис.2. Схема струйно-плазменной технологии получения нанопорошков элементов и соединений

· Среди последних результатов в этом направлении следует отметить варьирование составом плазмообразующего газа как среды для осуществления плазмохимического синтеза нанопорошков. При этом разработаны физикохимические основы и принципы конструктивно-технологического оформления процесса получения синтезом в углеводородной плазме нанопорошков системы вольфрам-углерод, используемых для получения нанопорошков монокарбида вольфрама и системы вольфрам-кобальт в качестве основы для производства наноструктурных твердых сплавов с существенно повышенными эксплуатационными свойствами.

· Рассмотрен и частично опробован ряд перспективных методов практического использования нанопорошков для создания материалов с особыми свойствами, например, для модифицирования литейных сплавов, создания эффективных катализаторов, композитов и покрытий.

· Изучены некоторые процессы при воздействии термической плазмы на газовые среды, расплавы и растворы, в том числе применительно к процессам переработки техногенного сырья, среди них плазменно-каталитический риформинг углеводородного сырья для получения водорода и плазменная деструкция примесей в сточных водах.

· Применительно к процессам плазменной обработки следует отметить создание сотрудниками ИМЕТ РАН на базе фундаментальных исследований взаимодействия плазмы с веществом новых эффективных плазменных технологий обеспечивающих получение композиционных покрытий и материалов, с уникальными физико-химическими и эксплуатационными свойствами и разработку с помощью плазменного напыления эффективных титановых имплантатов, успешно прошедших клинические испытания.

· Развитие концепции энерготехнологии будущего (рис.3), основанной на создании по модульному принципу экологически чистого энерготехнологического комплекса, объединяющего на базе плазменной техники производство энергии и химико-металлургическое производство металлов, сплавов и соединений из природного и техногенного сырья. При этом прогнозируется значительное снижение энергозатрат по сравнению с традиционными и альтернативными способами.

Рис. 3. Принципиальная схема энергометаллургического комплекса

· Применительно к целевой задаче оптимизации конструктивно-технологического оформления восстановительного модуля комплекса разработаны физикохимические и энергофизические основы построения процессов бескоксового плазменно-дугового получения металлов группы железа из дисперсного оксидного сырья.

Работы проводились при поддержке РФФИ - гранты №№ 07-08-00239-а, 07-08-00452-а, 07-08-12098-офи.

Литература

1. Ю.В.Цветков, С.А.Панфилов. Низкотемпературная плазма в процессах восстановления. М.: Наука, 1980. 360 с.
2. Р.У. Каламазов, Ю.В.Цветков. Высокодисперсные порошки вольфрама и молибдена. М.: Металлургия, 1988. 193 с.
3. Ю.В.Цветков, А.В.Николаев, С.А.Панфилов. Плазменная металлургия. Новосибирск, Наука, 1992.
265 с.
4. Yu.V.Tsvetkov. Plasma processes in metallurgy. Thermal plasma and new materials technology. Cambridge. Interscience Publishing. Vol. 2, 1995. Cambridge, England, pp.291-322.
5. Yu.V.Tsvetkov. Plasma metallurgy. Current state, problems and prospects. Pure and Applied Chemistry. Vol.71, No.10. 1999. pp.1853-1862.
6. Ю.В.Цветков. Плазменная металлургия - перспективная технология XXI века. Металлы, 2001, № 5. С.24-31.
7. Цветков Ю.В. Плазма в металлургии. Энциклопедия низкотемпературной плазмы (под редакцией академика Фортова В.Е.). Т. X1-5. Прикладная химия плазмы. Раздел 4 глава 1. С. 199-222. М.Янус-К. 2006
8. Цветков Ю.В. Термическая плазма в нанотехнологиях. Наука в России, 2006, № 2. С.4-9.
9. Самохин А.В., Алексеев Н.В., Цветков Ю.В. Плазмохимические процессы создания нанодисперсных порошковых материалов Химия высоких энергий, 2006, т.40, № 2. С.120-126.
10. Цветков Ю.В., Николаев А.В. Плазменные процессы в составе энергометаллургического комплекса (некоторые проблемы металлургии будущего). Ресурсы. Технология. Экономика.2006, № 2. С.20-26; №3. С.38-42.
11. Мечев В.В., Цветков Ю.В., Власов О.А. О создании экологически чистой тепловой станции на базе металлургических технологий. Цветные металлы, 2005, №4. С. 46-50.
12. Цветков Ю.В. Энергометаллургический комплекс на базе плазменной техники. Энергетика России : проблемы и перспективы М-Наука, 2006. С.154-162.
13. Цветков Ю.В., Самохин А.В. Термическая плазма в нанотехнологиях и наноиндустрии Вакуумная наука и техника М.-МИЭМ, 2007. С.168-171
14. Казенас Е.К, Цветков Ю.В. Термодинамика испарения оксидов. М.: Из-во ЛКИ , 2008. - 480 с.

Научные основы химии и технологии переработки комплексного сырья