Получение ферровольфрама из вольфрамитового концентрата алюминотермическим способом

1.5 Самораспространяющийся высокотемпературный синтез как способ получения чистых металлов
В основе СВС лежит использование химической энергии (режим горения), высвобождаемой в процессе экзотермических реакций между исходными порошковыми компонентами [38].
Возможность получения большого количества тугоплавких неорганических соединений в режиме горения была показана авторами [40,41] при исследовании процессов в безгазовых системах. Такой режим синтез стал называться «самораспространяющегося высокотемпературного синтеза» (СВС).
Простая химическая схема СВС-процесса [42] представляет собой:


aX + bY = cZ (25)

где a,b,c- стехиометрические коэффициенты;

X – Hf, Mo, Nb, Ta, Ti, V, Zr и другие металлы;
Y – H₂, B, C, N, Se, Si и др.;
Z – карбиды, бориды, силициды и др.
Волна горения - это распространение зоны данных химических реакций СВС процесса.
Основные характеристики распространения волны:

• 
  предел погасания;
  
• 
  предел потери устойчивости;
  
• 
  скорость распространения фронта;
  
• 
  максимальная температура;
  
• 
  темп нагрева вещества в волне стационарного горения;
  
• 
  в неустойчивых процессах - частота пульсаций, скорость движения очага по винтовой траектории, величина сверхадиабатического эффекта и др.;
  
• 
  полнота горения;
  
• 
  неравновесность продукта горения, которая характеризует незавершенность структурных и фазовых превращений в процессе;
  
• 
  темп остывания продуктов горения.
  

Таблица 2 - Основные характеристики СВС-процесса [70]:

Скорость горения	0.1-20 см/с
Температура горения	2300-3800 К
Скорость нагрева вещества в волне	10^3 -10^6 град/с
Мощность зажигания	10-200 кал/(см^2 с)
Задержка зажигания	0.2-1.2 с
Температура зажигания	800-1200 К

В режиме СВС может протекать несколько сот реакций. Синтез осуществляется как из элементов, так и из многокомпонентных систем (оксиды металлов, металлы-восстановители, химические элементы). В последние годы СВС-процесс реализуется в системах, состоящих из отходов промышленного производства [43-48].

В этих системах процесс горения состоит из двух основных химических стадий. Первая стадия - восстановление металла из оксида; вторая стадия - за счет выделившегося на первой стадии тепла, идут взаимодействие восстановленного металла с другим элементом, а также образование тугоплавкого соединения.
Наибольшее распространение получили два способа проведения СВС. Процесс первого способа ведут в вакууме, образец представляет собой спрессованную (или насыпную) смесь порошков (размеры частиц в пределах от 0,1 мкм до 500 мкм). Тепловой импульс является источником возбуждения горения в системе. При нагреве поверхностного слоя начинает протекать химическая реакция, и формируется волна синтеза. Эта волна синтеза имеет определенную скорость распространения по образцу, сопровождающееся ярким свечением. В итоге за малый промежуток времени (секунды), из исходной смеси порошков образуются новые соединения [50].
Осуществление процесса второго способа - химическое взаимодействие образца с газообразным реагентом, которое можно облегчить благодаря фильтрации газа по порам образца. Образец состоит из частиц только одного реагента, а другой имеет газообразное состояние.
Химические системы первого способа - перемешанные, второго - гибридные. Также для горения могут быть использованы комбинированные варианты [50].
СВС-метод перспективный и имеет широкие возможности в получении новых материалов как в лабораторных объемах, так и в промышленности. Этот метод новое направление в науке и технологической практике, получившее распространение в различных отраслях производства [49].
СВС-технологии применяются в самых передовых отраслях научно-технического прогресса - электротехника и машиностроение, радиотехника и электроника. В этом случае используют следующие преимущества метода: чистота продуктов, совершенство их структуры [49-52].
В сфере технологий процессов СВС, в последние годы, появились новые направления, связанные с получением наноразмерных порошков (с использованием их в процессах СВС) и механоактивационным синтезом интреметаллидов и других соединений (получение низкопористых и химически чистых продуктов реакции). В первом направлении технологии СВС позволяют получать композиционные нанопорошки с особыми свойствами, которые широко используются в различных отраслях промышленности. Во втором направлении при низкой температуре процессы структурообразования легко управляются изменением времени механоактивации. Таким образом, в промышленности получают композиционные материалы методами механохимии [71].
К СВС можно относить любые процессы горения, исходя из общности механизма и закономерностей синтеза в волне горения, которые протекают с образованием веществ и материалов. Например, процессы СВС с восстановительной стадией, которые получили название СВС-металлургии и позволили решить сложную задачу получения тугоплавких соединений в виде слитков [53].