Plasma dynamic synthesis of disperse iron oxides in a multipulse operation mode of coaxial magnetoplasma accelerator.pdf Введение Синтез дисперсных оксидов железа представляет собой активно развивающееся направление из-за широких областей возможного применения данных материалов [1-5]. Наиболее перспективными являлись высокомагнитные фазы магнетита (Fe3O4) и маггемита (γ-Fe2O3) кубической кристаллической сингонии [6-8]. Тем не менее последние 20 лет большое внимание также уделяется редкой эпсилон-фазе оксида железа (ε-Fe2O3), которая, согласно имеющимся данным, обладает огромной коэрцитивной силой и ферромагнитным резонансом в миллиметровом диапазоне длин волн [9, 10]. Возможность существования только в наноразмерном состоянии и фазовый переход в гематит (α-Fe2O3) при температуре ~ 750 °С делают затруднительным синтез ε-Fe2O3 большинством известных методов [11], что значительно ограничивает перспективы внедрения данного материала. Ранее было показано, что в системе на основе коаксиального магнитоплазменного ускорителя (КМПУ) эрозионного типа с железными электродами возможно осуществить синтез и получение ε-Fe2O3 на уровне 65 мас. % в результате реакции между железосодержащей электроразрядной плазмой и кислородсодержащей атмосферой при нормальных условиях [12]. Установлено, что образование дисперсных частиц эпсилон-фазы происходит при «смывании» эродированного материала электродов с поверхности фронта головной ударной волны и последующей его кристаллизации. Отмечается, что наиболее благоприятными являются условия с повышенной энергетикой процесса, характеризующиеся протеканием импульсного электроразрядного тока большой амплитуды (свыше 200 кА). Такой режим работы негативно сказывается на устойчивости системы в целом и может привести к аварийным ситуациям из-за чрезмерно больших динамических усилий, возникающих во всех узлах конструкции. С целью ограничения возникающих электродинамических нагрузок и сохранения высокого выхода ε-Fe2O3 рассмотрен многоимпульсный режим работы КМПУ при пониженных энергетических параметрах системы. Экспериментальная часть Система плазмодинамического синтеза (ПДС) принципиально состоит из трех основных элементов: емкостного накопителя энергии (ЕНЭ), КМПУ с железными электродами (электрод-ствол: 1/2 труба марки Ст. 3, длина - 220 мм) [13], оснащенного регистрирующей аппаратурой (трансформатор Роговского и омический делитель напряжения) и рабочей камеры-реактора, где непосредственно протекает плазмохимическая реакция (рис. 1). Секционированное исполнение ЕНЭ позволяет реализовать многоимпульсный режим работы системы при использовании генератора задержанных импульсов (ГЗИ). Под многоимпульсным режимом работы понимается возможность осуществления процесса ПДС в серии последовательных плазменных «выстрелов» с задержкой (tзад) между окончанием протекания тока предыдущего импульса до начала последующего, необходимой для восстановления электрической прочности промежутков в игнитронных управляемых разрядниках (УР). Количество включенных в работу секций ЕНЭ (C1, C2, C3, C4) выбиралось таким образом, чтобы электрическая емкость каждой составляла 7.2 мФ (четверть от общей электроемкости ЕНЭ). Путем подачи последовательных импульсов от ГЗИ на соответствующие блоки управления (БУ) игнитронных разрядников осуществлялся последовательный их запуск и соответственно подключение секций конденсаторов, которые разряжались на КМПУ. В многоимпульсном режиме при текущем исполнении могут быть реализованы следующие варианты электропитания ускорителя: 2, 3 и 4 последовательных импульса. Рис. 1. Принципиальная схема системы ПДС для реализации многоимпульсного режима работы: 1 - центральный электрод; 2 - металлическая сборка; 3 - составной изолятор; 4 - железная вставка центрального электрода; 5 - индуктор; 6 - канал формирования плазменной структуры; 7 - железный электрод-ствол Исходные энергетические параметры одной секции ЕНЭ емкостью 7.2 мФ (зарядное напряжение Uзар = 3.0 кВ) выбирались из соображений более чем 2-кратного снижения накопленной Wc и подведенной W энергии, максимальной Рm и средней Pср мощности разряда относительно наилучших параметров режима однократного импульса с позиции выхода эпсилон-фазы оксида железа [12, табл. 1, п/п 6]. Энергетические параметры серии экспериментов регистрировались цифровыми осциллографами Tektronix TDS 2012. Синтезированные порошкообразные продукты анализировались методом рентгеновской дифрактометрии (Shimadzu XRD 7000 CuKα), анализ данных которой осуществлялся при помощи баз данных «PDF4+» и программного обеспечения «PowderCell 2.4». Результаты и их обсуждение Основные данные серии экспериментов и данные об энергетических характеристиках каждого из импульсов электропитания представлены в табл. 1. Перед реализацией многоимпульсного режима работы проведен эксперимент с одним импульсом электропитания с пониженной энергетикой (Uзар = 3.0 кВ, С = 7.2 мФ) для оценки эффективности работы системы при таких параметрах. Из табл. 1 (п/п № 1) и рис. 2 видно значительное уменьшение амплитуды тока Im до 147 кА, напряжения в дуговой стадии Uд максимальной Pm и средней Pср мощности разряда до 174.2 и 69.5 МВт соответственно, что является положительным моментом в части снижения электродинамических нагрузок. При достаточно высоком КПД преобразования накопленной энергии в подведенную W/Wc на уровне ~ 60 % итоговая величина W составила 19.7 кДж, что сопоставимо с критической, при которой очень малы (практически отсутствуют) наработка материала m и выход порошкообразного продукта mпор [12]. Полученные данные свидетельствуют о том, что одноимпульсный режим работы КМПУ при пониженных энергетических параметрах является малоэффективным и не позволяет наработать массу конечного продукта, достаточную даже для проведения рентгеновской дифрактометрии. Таблица 1 Энергетические параметры экспериментов в сопоставлении с массами электроэрозии и продуктов синтеза в зависимости от количества импульсов электропитания № п/п n Uзар, кВ С, мФ ∑Wc, кДж tзад, мкс Im, кА Uд, кВ Pm, МВт Pср, МВт W, кДж W/Wc, % m, г mпор, г [12] 1 3.5 14.4 88.2 - 233.0 1.20 287.0 150.0 66.8 75.7 9.00 5.10 1 1 3.0 7.2 32.4 - 147.2 0.91 174.2 69.5 19.7 60.8 0.08 0.06 2 2 3.0 3.0 7.2 7.2 64.8 400 144.9 97.3 0.84 0.80 198.8 104.6 64.1 43.5 39.9 61.5 0.40 0.35 3 3 3.0 3.0 3.0 7.2 7.2 7.2 97.2 400 149.0 124.2 124.2 1.21 1.20 1.20 206.9 164.4 157.4 75.1 71.6 69.4 68.6 70.5 8.20 5.03 4 4 3.0 3.0 3.0 3.0 7.2 7.2 7.2 7.2 129.6 400 143.8 120.0 99.4 99.4 1.16 1.25 0.78 1.00 161.1 150.9 96.9 105.3 60.0 65.7 46.6 45.8 73.6 56.8 12.80 6.60 Рис. 2. Осциллограммы тока дугового разряда i(t) и напряжения на электродах КМПУ u(t), кривые мощности разряда p(t) и выделенной энергии w(t) в одноимпульсном и 4-импульсном режиме работы Однако уже при реализации двух последовательных плазменных «выстрелов» (n = 2) с задержкой tзад = 400 мкс заметно возросли как электроэрозионная наработка материала m, так и масса конечного дисперсного продукта mпор. Существенное увеличение m и mпор (более чем в 10 раз в сравнении с 2 импульсами) достигается при реализации 3-импульсного режима с одинаковыми значениями времени задержки tзад = 400 мкс; 4-импульсный режим обеспечивает еще большее повышение отмеченных параметров до уровня наиболее эффективных режимов ПДС [12]. Увеличение эродированной массы m и массы синтезированного продукта mпор, по всей видимости, обусловлено изменением состояния поверхности ускорительного канала, в частности увеличением шероховатости и площади при реализации многоимпульсного режима работы. На рис. 3 приведена развернутая поверхность ускорительного канала электрода-ствола после проведения рабочего цикла с однократным импульсом электропитания (Uзар = 3.0 кВ, С = 14.4 мФ). На развернутой поверхности отчетливо наблюдаются эрозионные треки от прохождения плазменного потока и видна неравномерность выработки по длине ускорительного канала lук. Рис. 3. Развернутая поверхность ускорительного канала электрода-ствола КМПУ: 1 - область расположения изолятора центрального электрода; 2 - область формирования плазменного потока и интенсивной выработки ствола; 3 - область равномерной эрозии; 4 - область с наслоением ранее эродированного металла Для оценки причины увеличения электроэрозионной наработки в серии многократных «выстрелов» были построены эпюры удельного электроэрозионного износа ∆m на единицу площади поверхности ускорительного канала для стволов, использованных в экспериментах с разным количеством рабочих циклов на одном стволе при отличающихся значениях подведенной энергии (рис. 4). Значения ∆m получены путем препарирования стволов в соответствии с методикой, изложенной в работе [14]. Рис. 4. Эпюры удельной дифференциальной электроэрозии ∆m по длине ускорительного канала lук в сериях с различным количеством плазменных «выстрелов» Как видно, эпюры носят одинаковый характер и качественно демонстрируют увеличение износа с увеличением количества плазменных «выстрелов». Повышенный износ на начальном участке 2 (рис. 3) обусловлен низкой скоростью перемещения плазменной структуры. На расстоянии от начала ускорительного канала ~ 25-30 мм удельный износ существенно снижается вследствие увеличения скорости потока и остается практически постоянным на длине около 100 мм, после чего уменьшается до нуля (участок 3, рис. 3). На последующей длине, превышающей 150 мм, эпюры ∆m меняют знак, что физически соответствует наслоению ранее эродированного материала на ровную поверхность конечного участка 4 ускорительного канала. Это свидетельствует о том, что длина ускорительного канала не является эффективной, но в данной работе она была завышена с целью обеспечения герметичности системы в условиях её работы в окислительной среде. Таким образом, суммарный рост электроэроизии в серии последовательных рабочих циклов обусловлен, в основном, образованием естественных неровностей и увеличением площади поверхности ускорительного канала после протекания плазменного потока. Рис. 5. Рентгеновские дифрактограммы порошков оксида железа, полученных при различном количестве импульсов электропитания, в сравнении с эталонными данными и результаты полнопрофильного анализа Тенденция увеличения производительности процесса с ростом числа импульсов характерна и для фазового состава получаемых образцов. На рис. 5 приведены рентгеновские дифрактограммы продуктов, синтезированных в отмеченных условиях при различном количестве последовательных импульсов, и соответствующие данные полнопрофильного структурно-фазового анализа. На полученных дифракционных картинах отчетливо наблюдается рост относительной интенсивности максимумов, соответствующих фазе ε-Fe2O3 при заметном снижении интенсивности максимумов Fe3O4, что непосредственно влияет на результаты количественного расчета процентного содержания указанных фаз в конечных продуктах. Установлено, что с ростом числа последовательных рабочих импульсов КМПУ от двух до четырех содержание ε-Fe2O3 в основной массе продукта возрастает с 35 мас. % до ~ 70 мас. %, что является достаточно высоким результатом с учетом известных трудностей получения данной фазы [11]. Однако с увеличением n числа импульсов рассматриваемого режима наблюдается рост средних размеров областей когерентного рассеяния (ОКР) всех присутствующих фаз и, особенно, ε-Fe2O3 до величины ~ 70 нм, которая достаточно близка к критическому размеру её существования [11]. Рост величин ОКР в рассматриваемых условиях обусловлен увеличением подведенной энергии W и соответственно ростом температуры. Следует также отметить, что все присутствующие фазы характеризуются относительно низкими микроискажениями Δd/d, а их уровень закономерно снижается с увеличением ОКР. Из рис. 2 видно, что во всех случаях (n = 2; 3; 4) в многоимпульсном режиме наблюдается последовательное снижение амплитуд импульсов тока Im, максимальной мощности Pm и подведенной энергии W. При использовании рассматриваемой схемы электропитания одной нагрузки (КМПУ) это может быть связано с влиянием только одного фактора - длительности задержки подачи последующих импульсов. В данной серии экспериментов tзад = 400 мкс выбрана на основе ранее проведенных исследований. Этого времени безтоковой паузы оказывается недостаточно для полного восстановления электрической прочности промежутков в игнитронных разрядниках отработавшей секции ЕНЭ. При подаче последующего импульса на общую нагрузку происходит пробой как промежутка в ускорителе, так и промежутков в игнитронных разрядниках предыдущей секции ЕНЭ во встречном направлении (обратная полярность). Происходит частичная импульсная перезарядка конденсаторов отработавшей секции, которая оказывается включенной параллельно КМПУ и забирает на себя часть энергии работающей секции. Такой режим работы секционированного источника электропитания можно считать благоприятным, так как это, наряду с повышением результирующих характеристик процесса синтеза, дает снижение нагрузок на элементы КМПУ. Однако возникает опасность снижения ресурса конденсаторов из-за импульсной перезарядки, ресурса игнитронных разрядников из-за пробоя с обратной полярностью напряжения, а также происходит потеря энергии и снижение КПД системы. Таблица 2 Энергетические характеристики экспериментов по определению оптимальных параметров многоимпульсного режима работы КМПУ № п/п n Uзар, кВ С, мФ ∑Wc, кДж tзад, мкс Im, кА Uд, кВ Pm, МВт Pср, МВт W, кДж W/Wc, % m, г mпор, г 1 4 3.00 3.00 3.00 3.00 7.2 7.2 7.2 7.2 129.6 400 143.8 120.0 99.4 99.4 1.16 1.25 0.78 1.00 161.1 150.9 96.9 105.3 60.0 65.7 46.6 45.8 73.6 56.8 12.80 6.60 2 4 2.75 2.75 2.75 2.75 7.2 7.2 7.2 7.2 108.9 400 132.4 124.2 111.8 82.8 0.75 0.83 0.97 0.92 147.2 129.3 129.3 87.4 49.4 54.3 55.8 40.0 65.2 59.9 9.10 4.68 3 4 2.50 2.50 2.50 2.50 7.2 7.2 7.2 7.2 90.0 400 120.0 112.0 113.9 115.9 1.00 0.97 0.97 1.11 119.5 116.4 134.1 145.5 43.5 50.0 56.6 59.7 66.6 74.0 8.70 3.63 4 4 2.75 2.75 2.75 2.75 7.2 7.2 7.2 7.2 108.9 600 134.5 122.1 138.7 128.3 0.80 1.11 1.39 1.38 110.6 134.5 192.1 165.5 42.7 57.6 71.7 72.1 76.8 70.5 11.40 5.81 С целью устранения указанных недостатков частотного режима проведены оптимизационные исследования в условиях конкретной конфигурации системы, используемой в настоящей работе. Изменялись только два параметра: Uзар и tзад. Из табл. 2 и рис. 6 видно, что снижение Uзар до 2.75 кВ при том же времени задержки tзад = 400 мкс не дало положительных результатов в плане уменьшения разброса энергетических параметров. Однако уже при Uзар = 2.5 кВ и tзад = 400 мкс обеспечивается выравнивание амплитудных значений тока во всех импульсах рабочего цикла за счет снижения вероятности нежелательного пробоя промежутка в игнитронных разрядниках отработавшей секции ЕНЭ. Данную величину Uзар = 2.5 кВ следует считать оптимальной, при которой разброс Im составил 120.0-112.0 кА, несколько снизилась суммарная подведенная энергия до W = 67.0 кДж и резко увеличился КПД передачи энергии в нагрузку (W/Wc) до 74.0 % по сравнению с 57.0 % в режиме с Uзар = 3.0 кВ (табл. 2, п. 1). Это, естественно, отразилось на уменьшении массы нарабатываемого материала m и выходе синтезированных оксидов mпор. В качестве примера возможности оптимального подбора Uзар и tзад в табл. 2 и на рис. 4 приведены данные процесса ПДС при Uзар = 2.75 кВ и tзад = 600 мкс, характеризующиеся небольшим разбросом Im, достаточно высоким КПД ~ 70.5 % и относительно высоким суммарным выходом дисперсного продукта ~ 5.8 г. Стоит отметить, что во всех указанных экспериментах выход ε Fe2O3 обеспечивался на уровне 62.0-65.0 мас. %. Рис. 6. Осциллограммы тока дугового разряда i(t) и напряжения на электродах КМПУ u(t) при различном напряжении ЕНЭ и времени задержки между импульсами Заключение В работе представлена возможность реализации многоимпульсного режима работы коаксиального магнитоплазменного ускорителя для получения оксидов железа с высоким содержанием фазы ε-Fe2O3. Проведенные исследования свидетельствуют о том, что реализация такого режима работы позволяет существенно снизить амплитудные величины электроразрядного тока и максимальной мощности разряда в единичном импульсе электропитания, что положительно сказывается на уменьшении электродинамических нагрузок в системе и снижении вероятности нарушения её работы. При этом даже при пониженных параметрах за счет последовательной подачи нескольких импульсов удается добиться приемлемого выхода ε-Fe2O3 на уровне 60-70 мас. %. Проведенные оптимизационные исследования позволили установить наиболее благоприятные условия работы системы с точки зрения сохранения фазового состава продукта синтеза и увеличения эффективной работы КМПУ, в частности срока службы конденсаторов емкостного накопителя энергии.

Скачать электронную версию публикации