35 ЛЕТ В СВС
И 20 ЛЕТ — В АКАДЕМИИ
В 1967 году в Институте химической физики АН СССР (Черноголовка) А. Г. Мержановым с сотрудниками было открыто явление твердого пламени в реагирующих системах металл-углерод, бор и др. Примерно в это же время В. И. Итин с сотрудниками в Томском государственном университете показал возможность синтеза интерметаллидов в режиме теплового взрыва. На основе открытого явления твердого пламени возникла новая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).
Ю.М. Максимов, зав. отделом
структурной макрокинетики ТНЦ СО РАН, д.т.н., профессор
В конце сентября в томском Академгородке прошел научный семинар «Фундаментальные и прикладные проблемы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза», организованный Отделом структурной макрокинетики ТНЦ СО РАН и приуроченный к 20-летию Отдела в структуре Академии наук.
Тематика семинара охватила широкий круг проблем, связанных с исследованиями в области макрокинетики процессов гетерогенного горения и взрыва, самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, применения этих процессов для получения новых материалов.
На открытии семинара заведующего ОСМ ТНЦ СО РАН Ю. М. Максимова и сотрудников поздравили делегации Томского научного центра СО РАН во главе с председателем Президиума профессором С. Г. Псахье и Института структурной макрокинетики РАН во главе с научным руководителем института академиком А. Г. Мержановым.
Поздравления от Президиума СО РАН, Института химии твердого тела и механохимии и Института катализа передал главный ученый секретарь СО РАН чл.-корр. РАН Н. З. Ляхов. В работе семинара принял участие академик В. В. Болдырев.
НИИ ПММ
35 лет назад по инициативе А. Г. Мержанова и А. Д. Колмакова в НИИ прикладной математики и механики при Томском государственном университете была создана лаборатория СВС. Впоследствии на базе лаборатории был образован отдел технологического горения. С первых дней работы по новому направлению на практику в Черноголовку, в ФИХФ, была направлена группа студентов ФТФ ТГУ. Вернувшись, ребята активно включились в работу по новому направлению.
В отделе проводились теоретические исследования процессов воспламенения и горения безгазовых систем с использованием диаграмм состояния, изучались фазовые и структурные превращения в волнах горения. Ряд физических явлений при изучении СВС был обнаружен впервые. Например, показана роль контактных эвтектик в волне реакции, с помощью ультразвукового поля был осуществлен перевод капиллярного режима горения в диффузионный, показана возможность управления структурой конечного продукта ультразвуковым полем, впервые выявлен спиновый режим горения безгазовых систем, показана возможность управления волной горения магнитным полем. При помощи метода СВС был разработан высокопроизводительный процесс получения алюминидов переходных металлов для жаропрочных покрытий и геттеров для электровакуумных приборов. При исследовании горения сплавов в азоте было обнаружено влияние полиморфных превращений в волне горения на кинетику процесса азотирования. На базе этих исследований впоследствии была создана технология азотирования феррованадия — лигатуры для создания качественных сталей.
Филиал ИСМАН
С целью развития работ по СВС в регионах Западной Сибири и Дальнего Востока на базе отдела технологического горения в Томске в 1988 году постановлением Президиума АН СССР был организован филиал Института структурной макрокинетики АН СССР (1988-2000). К наиболее значимым результатам за этот период можно отнести:
— развитие нового направления в химии ударных волн — численное моделирование в пространственной постановке химических превращений неорганических материалов в условиях высокоскоростного нагружения. Создана численная методика для исследования процессов деформирования и разрушения элементов конструкций в том диапазоне скоростей удара, где прочностные свойства материалов играют существенную роль;
— исследование конвективного движения расплава в волне горения с помощью лазерной закалки;
— разработка методов и способов синтеза крупногабаритных пористых металлокерамических материалов для фильтрации воды, масел, пара;
— создание совместно с Сибирским химическим комбинатом технологии СВС магнитных сплавов Nd-B-Fe;
— методом СВС были получены первые композиционные нагревательные элементы;
— синтезированы висмутсодержащие сверхпроводящие материалы.
ОСМ ТНЦ СО РАН
В 2000 году Томский филиал ИСМАН был реорганизован в Отдел структурной макрокинетики ТНЦ СО РАН на правах обособленного подразделения. Научно-методическое руководство отделом осуществляется Объединенным ученым советом по химическим наукам СО РАН. В числе основных направлений научной деятельности отдела — математическое моделирование высокотемпературных быстропротекающих процессов в реагирующих гетерогенных системах; самораспространяющийся высокотемпературный синтез, структурная макрокинетика.
Отдел выполняет исследования, финансируемые РФФИ, Президиумом РАН, Отделением химии и наук о материалах РАН, Сибирским отделением РАН, хозяйственные договоры.
За время работы сформировано и развито новое направление в структурной макрокинетике — теория макроструктурных превращений при горении гетерогенных систем, образующих конденсированные продукты реакции. Создано новое направление в теории горения конденсированных систем с твердофазными продуктами реакции «Математическое моделирование формирования структуры продуктов в СВС реакциях». Результаты теоретических исследований используются для прогнозирования структуры синтезируемого продукта и для оптимизации параметров технологического горения (В. Смоляков, О. Лапшин).
В частности, методом механохимического синтеза созданы наноразмерные порошки ферритов (6-12 нанометров) с высокой сорбционной активностью в отношении нуклеиновых кислот, в частности, ДНК. Перспективой развития данных исследований может стать создание наноносителей для лечения онкологических заболеваний. В рамках данного направления совместно с СибГМУ проводятся испытания (В. Итин, О. Терехова, А. Магаева, В. Костикова).
Этим же методом получены наноразмерные порошки оксидных ферритов с W-структурой, изучены их фундаментальные магнитные свойства (В. Итин, Е. П. Найден, Р. Минин, Р. Габбасов), синтезированы «альфа»- и «бета»-нитриды кремния из промышленных ферросплавов (Л. Чухломина, О. Витушкина).
Создана теория вычисления осредненных по межфазной поверхности параметров в уравнениях механики гетерогенных сред (В. Бушланов, И. Бушланов).
Развито новое направление в химии экстремальных состояний — численное моделирование вынужденных химических превращений неорганических материалов в условиях динамического нагружения. В рамках этого направления впервые было показано, что в веществе ударная волна разгрузки может приостанавливаться на время действия реакции синтеза. Этот факт открывает новые возможности для СВС сверхтвердых материалов (С. Зелепугин, А. Зелепугин, О. Иванова).
Совместно с кафедрой технологии силикатов Томского политехнического университета разработан способ синтеза шпинельных пигментов. Этот способ позволяет, минуя трудоемкие стадии спекания и измельчения порошков, получать в режиме горения пигменты с хорошими цветовыми характеристиками. Разработанные режимы получения пигментов будут использоваться при производстве надглазурных, подглазурных красок (В. Верещагин, Ю. Найбороденко, Н. Радишевская, А. Чапская).
Совместно с ИСЭ СО РАН было установлено наличие эффектов электронно-ионной эмиссии в волнах горения и в условиях теплового взрыва, обнаружено электромагнитное излучение в радиочастотной, ультрафиолетовой и рентгеновской областях. Обнаруженные явления связаны с прямым преобразованием химической энергии в волне горения. Высокая концентрация диссипирующей энергии при горении гетерогенных систем позволяет рассматривать волну горения СВС в качестве мощного источника различных излучений (А. Кирдяшкин, В. Тарасенко, Р. Габбасов, Э. Соснин).
Проведены исследования по разработке инфракрасной горелки для газовых котельных. Разработанная пористая радиационная горелка отличается от факельной горелки тем, что горение природного топлива организуется внутри порового пространства материала (А. Гущин, В. Саламатов, Л. Баев, А. Кирдяшкин). Радиационная горелка мощностью 3 мегаватта была получена СВС-методом и испытана в котельной приборного завода в течение 2006-2007 годов. Было получено значительное снижение выбросов СО и NOx (в 5-7 раз), кратное снижение эмиссии шумов, расширение диапазона рабочего регулирования мощности, повышение устойчивости процесса горения, экономия газа (14 %). Работа выполнялась в рамках программы СО РАН «Энергосбережение».
По заданию ОАО «Томскгазпром» совместно с ТГУ созданы эффективные катализаторы на основе СВС-материалов для утилизации природных газов, разработан действующий макет автотермического реактора конверсии метана в волне фильтрационного горения производительностью до 50 кубометров в час на литр катализатора.
Проведены совместные с СХК исследования по захоронению радиоактивных отходов методом СВС, по синтезу интерметаллидов — аккумуляторов водорода (А. Аврамчик, Ю. Найбороденко).
Наука — производству
Первое внедрение разработок коллектива относится к 1978 году, когда ГИПРОНИИ города Харькова выполнил техно-рабочий проект экспериментального цеха по производству азотированных лигатур. Уже в 1979 году было осуществлено строительство цехов на Чусовском металлургическом комбинате и ПО «Ижсталь». К настоящему времени выпущено несколько тысяч тонн продукции. Сравнительно недавно (2006 г.) в Магнитогорске на ОАО «ММК» построен цех по производству азотированного ферросилиция. Азотированный по СВС технологии ферросилиций используется там при выплавке динамных сталей.
На экспериментальном участке Отдела структурной макрокинетики выпускаются крупногабаритные керамические фильтры. Фильтрующие патроны получают методом СВС из дешевого сырья. Уже 9 лет СВС фильтры используются на АО «Саянскхимпласт» для очистки пара, различных жидкостей, газа и масел, заменяя дорогие немецкие фильтры. Универсальные фильтры из керамики были удостоены дипломов и медалей на российских и международных выставках.
По заказу заводов приборных подшипников и кормозавода изготовлены пористые керамические насадки для инфракрасных горелок мощностью 2,5 мегаватт, которые устанавливаются на газовых котельных Томска. Выполнен заказ ООО «Петербургская стальная компания» и «Gework Industries Ltd.» (Финляндия) на изготовление излучающей горелки мощностью 0,8 мегаватт для печной термообработки стали. По заказу Южно-Корейской компании ведется наработка пленочных нагревательных элементов.
 |
| Монтаж плоскопламенной излучающей СВС-горелки для печной термообработки металлов (разработана совместно с ОАО «Петербургская стальная компания» по заданию Gework Industries Ltd, Финляндия).
|
Испытаны и другие разработки отдела, которые ожидают своего внедрения. Например, существует недалеко от Томска Туганское месторождение кварцевых песков, разрабатывает месторождение ООО «Ильменит», добывая рудный коллективный концентрат, из которого выделяет затем циркон, ильменит, лейкоксен.
Отдел провел исследования и предложил администрации ООО «Ильменит» освоить методом СВС производство металлокерамических фильтров из ильменита по технологии СВС. Сначала руководство ООО встретило наше предложение с энтузиазмом. Ведь в этом случае можно было поднять стоимость продукции после передела на два порядка, но, получив неодобрение от владельцев предприятия, отказались от этой затеи.
Отдел провел исследования по использованию СВС для восстановления железа из бакчарской руды. Результаты обнадежили. В режиме СВС были получены слитки с содержанием железа до 95 %.
К сожалению, были прекращены исследования по получению синтез-газа на пористых блочных катализаторах СВС. «Востокгазпром», испытывая финансовые трудности, прекратил у себя все НИР и закрыл научный отдел. Созданная совместно с ТГУ установка по синтез-газу обеспечивала конверсию по метану на 95 %. Предполагалось на базе лабораторных исследований создать промышленную установку для Казанского месторождения производительностью 1 тонна синтез-газа в час.
В Отделе структурной макрокинетики работает 50 человек, из них 7 докторов и 17 кандидатов наук. Естественно, выполнить своими силами такой большой объем он не мог, поэтому в отделе по совместительству работают ученые ТПУ, ТГУ, ТУСУР. За время работы коллектива опубликовано более 700 статей, получено более 100 авторских свидетельств и патентов. На наиболее перспективные разработки получено 13 зарубежных патентов. Неоценимую помощь в работе оказывают студенты и аспиранты. В отделе функционируют филиалы кафедр математической физики ТГУ и технологии силикатов и наноматериалов ТПУ, где ведущие специалисты читают лекции. Ежегодно более 20 студентов проходят преддипломную практику. В ОСМ нет своей аспирантуры, однако ежегодно 3-5 выпускников ТГУ, ТПУ направляются в Отдел для выполнения исследований по темам кандидатских диссертаций. Все работы выполняются в срок и успешно защищаются. Молодые кандидаты наук продолжают дальнейшее обучение в докторантуре ТГУ и ТПУ.
В Отделе есть свой Совет молодых ученых, который устраивает конкурсы на лучшие доклады студентов. Наши аспиранты и студенты постоянно участвуют в работе российских и международных конференций. За последние годы получено 12 дипломов за представленные доклады.
Широкие возможности СВС (от создания наноматериалов до крупных изделий), сильная школа в области процессов горения и взрыва позволяют надеяться на серьезные успехи в наших дальнейших исследованиях.
Фото П. Каминского
стр. 6
| 
