Анотація до роботи:

Семенов К.І. Тепло-електрофізичні фактори еволюцїї високотемпературних частинок в газі. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01.04.14 – теплофізика і молекулярна фізика. – Одеський національний університет ім. І.І.Мечникова, Одеса, 2005р.

Запропоновані методи дослідження и встановлені закономірності формування і еволюції в повітрі і азоті високотемпературних сферичних металевих частинок W, Mo, Ta і Cu діаметром 200 – 300 мкм. Показано, що визначальним чинником при формуванні високотемпературної частки в імпульсному дуговому генераторі є сумісна дія пінч – і скін – ефектів. Встановлено параметри конденсованої дисперсної фази, від залежності температури і заряду частинок від часу, причини спалахів частинок при їх русі у повітрі. Експериментальні значення заряду частинок лежалі в межах від негативного, з абсолютною величиною до 10^–13 Кл, до позитивного, величиною 10^–13 Кл, при цьому температура частинок лежала в межах 1000 К – 4000 К. Запропонована модель електропереносу, яка дозволила обчислити заряд частинок.

Одержані результати можуть бути використані при наукових дослідженнях високотемпературних процесів, у виробництві кульок, зварювальній технології, порошковій металургії і технологіях спалювання металевих палив.

1. Виявлено механізм формування високотемпературної металевої частинки в імпульсній електричній дузі з оплавленої частини циліндричного електроду. Вперше показано, що визначальним чинником при формуванні частинки є спільна дія пінч- і скін- ефектів, ступінь прояву яких визначається параметрами імпульсу струму. Встановлені фізичні критерії формування частинки, що визначаються як відношення глибини скін-шару до діаметру частинки, яке відбиває зовнішню, силову складову формування, і відношення часу необхідного для відділення оплавленої частини до часу спаду імпульсу струму, яке враховує властивості речовини частинки. Експериментально показано, що величина першого відношення повинна бути не більше 0,4, другого – 0,85. Результати не відрізнялись при зміні газового середовища, що пояснюється малим часом процесу формування частинки.

2. Розроблено методи контрольованого нагрівання частинок в середовищі інертного газу і їх швидкого охолодження у рідині після певного часу руху в газі, котрі дали змогу достовірно встановлювати які спалахи обумовлені екзотермічними реакціями, що проходять в об’ємі частинок, а які зміною коефіцієнта випромінювальної здатності їх поверхні. Так, для мідних частинок встановлено, що різка зміна світимості при температурі 1515 К пов’язана з появою на поверхні частинки оксиду Cu₂O з більшим ніж у міді коефіцієнтом випромінювальної здатності, а при температурі 1370 К – з проходженням хімічної реакції доокислення Cu₂O > CuO.

3. З’ясовано, що в досліджуваних інтервалах температур частинки металів, що мають велику розчинність (~4% ат.) кисню, спалахували двічі (Сu і Та), а частинки з металів з малою розчинністю (~0,1% ат.) кисню (W і Мо) – один раз. Тобто для частинок з великою розчинністю кисню відбувається внутрішнє реагування з розчиненим газом при досягненні відповідної температури. Показано, що швидке насичення частинки с киснем відбувається за рахунок дисоціації молекулярного кисню до атомарного, що має більший коефіцієнт дифузії.

4. Вивчено особливості утворення КДФ біля рухомих частинок. Встановлено, що КДФ має конічну форму осьового перетину з розширенням при віддаленні від частинки. На підставі цих даних було вперше проведено розрахунок концентрації КДФ, яка біля мідної частинки при падінні температури від 2800 К до 1300 К змінювалась з 10²⁰ м^–3 до 210⁷ м^–3 .

5. Здійснено вимірювання заряду частинок з Cu, Mo, W, Ta з початковою температурою 2500 К – 4000 К в повітрі та азоті при температурі 290 К – 300 К і атмосферному тиску. Встановлено, що в повітрі знак заряду мідних частинок, діаметром 200 – 360 мкм, що мають температуру більше 2000 К, негативний, при менших температурах – позитивний. В повітрі знак заряду частинок з танталу позитивний, з молібдену і вольфраму – негативний, в азоті знак заряду частинок Cu, Mo, W позитивний. Частинки з Та з температурою вище 3000 К мають негативний заряд, при менший температурі – позитивний. Представлено модель еволюції рухомої в газовому середовищі високотемпературної частинки, на основі якої встановлено, що знак і величина заряду обумовлюються обміном заряду між поверхнею частинки і КДФ, потоки заряду з яких залежать від співвідношень робіт виходу електрона з поверхні частинки і КДФ, а також від її концентрації.

6. Виявлені закономірності утворення і руху частинок в газі, розроблені методи і результати досліджень можуть бути використані при вивченні хімічного реагування металів при високих температурах, коли дослідження існуючими методами надзвичайно важке. Метод отримання частинок також можна рекомендувати для розвитку технологій точного зварювання (керування рухом крапель металу електростатичним полем) і виробництва кульок (з монодисперсністю до 0,03 і несферичністю до 0,01) розміром 50 мкм – 500 мкм, яке менш енерго- і матеріаломістке, екологічно більш чисте, ніж існуючі. При формуванні кульок можливе отримання на їх поверхні певних сполук, наприклад, антикорозійних.

Публікації автора:

1. Lyalin L.A., Semenov K.I., Kalinchak V.V. аnd Kopit N.Kh. Termoemission charging of metal particles surrounded with condensed disperse phase// Ukrainian journal of physics. 2005. V. 50. P.157-161.

2. Лялин Л.А., Семенов К.И. Фотоэмиссионная зарядка коллектива аэрозольных частиц// Инженерно – физический журнал. 2002. Т.75. С. 196-200.

3. Корнилов В.Н., Шошин Ю.Л., Альтман И.С., Семенов К.И. Экспериментальное исследование структуры зоны горения и радиационных теплопотерь одиночных частиц магния реагирующих при естественной и вынужденной конвекции// Физика аэродисперсных систем. 2002. №39. С. 109-121.

4. Семенов К.И. Особенности остывания седиментирующих в воздухе высокотемпературных металлических микрочастиц// Физика аэродисперсных систем. 2001. № 38. С. 151-158.

5. Суслов А.В., Лялин Л.А., Семенов К.И. Газоплазменное монодиспергирование металлов умеренной и повышенной тугоплавкости// Инженерно – физический журнал. 1991. Т. 60. С.571-576.

6. Suslov A.V., Trunov M.A., Semеnov K.I. Receiving Micro-Nano Particles in the air// J. of Aerosol Sci. 1993. V 24. P. 479-480.

7. Семенов К.И. Влияние скин- и пинч- эффектов на формирование микрокапель металлов в импульсном разряде// Тезисы докладов Х1Х конференции стран СНГ “Дисперсные системы”. Одесса, 2000. С. 170-171.

8. Semenov K.I., Kalinchak V.V. Features of the condensed disperse phase formed around of a high-temperature metal particle moving in gas// 2^nd International conference physics of liquid matter: modern problems. September 12-15, 2003. Kiev, Ukraine. Abstracts. P. 2-11.

9. Семенов К.И., Лялин Л.А., Копыт Н.Х., Калинчак В.В. Образование нитрида на поверхности движущейся в газообразном азоте высокотемпературной частицы титана// Тезисы докладов ХХI конференции стран СНГ „Дисперсные системы”.- Одесса, 2004.- С.254-255.

10. Семенов К.И., Кебап Е.В. Измерения электрического заряда движущихся в азоте высокотемпературных сферических частиц металлов// Тезисы докладов ХХI конференции стран СНГ „Дисперсные системы”. – Одесса, 2004.- С.250-251.