автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.01, диссертация на тему:Свойства расплавов многокомпонентных систем на основе метафосфата натрия и их применение в функциональных материалах

На правах рукописи

ГУСЬКОВА НАТАЛЬЯ ВЛАДИМИРОВНА

СВОЙСТВА РАСПЛАВОВ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ МЕТАФОСФАТА НАТРИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ

05.17.01 - Технология неорганических веществ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

5 ДПР 2012

005020358

На правах рукописи

ГУСЬКОВА НАТАЛЬЯ ВЛАДИМИРОВНА

СВОЙСТВА РАСПЛАВОВ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ МЕТАФОСФАТА НАТРИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ

05.17.01 - Технология неорганических веществ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Удапов Юрий Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, заведующий

кафедрой технологии неорганических веществ и минеральных удобрений ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический институт(технический университет)» Дмитревский Борис Андреевич

доктор химических наук, профессор ГОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» Карапетян Гарегин Оганесович

Ведущая организация: ОАО «НИТИОМ ВНЦ «ГОИ им. Вавилова» (Санкт-

Петербург)

Защита диссертации состоится «25» апреля 2012 г. в «15м» часов, ауд.61, на заседании диссертационного совета Д 212.230.08 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), Московский пр., 26.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Ученый совет; тел.: (812) 494-93-75; факс: (812) 712-77-91, e-mail: dissovet@technolog.edu.ru.

Автореферат разослан «21» марта 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.230.08

к.т.н. С. А. Лаврищева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Фосфор занимает особое место среди элементов, на основе которых возможно образование связующих огнеупорных материалов. Только фосфатные соединения обладают способностью при высокотемпературной дегидратации образовывать огнеупорные соединения со многими классами наполнителей: оксидами, силикатами, алюмосиликатами и даже с растительными полимерами. К настоящему времени накоплен огромный объём сведений по физическим, химическим, физико-химическим, теплофизическим и другим свойствам соединений фосфора, созданы многочисленные материалы на базе фосфатных связующих (фосфорной кислоты, алюмофосфатного связующего (АФС), алюмохромфосфатного связующего (АХФС) и другими веществами). Многочисленные примеры успешного применения фосфатных материалов показывают, что не все возможности этих функциональных материалов используются в полной мере.

Актуальность работы. Аварии на дуговых печах вакуумного переплава титана, авария на Чернобыльской АЭС и «Фукусиме-1» в Японии показали, что для обеспечения безопасности эксплуатации высокотемпературных теплонапряженных реакторов требуются теплоносители, которые при любых режимах эксплуатации не допускали бы кризиса теплообмена, были бы способны работать при температуре до 1000 °С в условиях тепловых нагрузок более 0.7 МВт/м2. В настоящее время только металлические высокотемпературные теплоносители отвечают данным требованиям. Однако металлические теплоносители являются химически агрессивными и требуют особых материалов для конструкции теплообменников.

Вышесказанное показывает актуальность проблемы создания новых типов высокотемпературных теплоносителей для теплонапряжённых устройств новой техники. Кроме того существует проблема защиты конструктивных элементов высокотемпературных реакторов от аварийных ситуаций, связанных с выходом химически агрессивных металлических и оксидных расплавов на конструктивные элементы.

Таким образом, конструкционные стальные элементы теплонапряжённых термических установок (дуговых печей, ядерных реакторов и т.п.) должны выдерживать заданное время тепловое и химическое воздействие металлических и оксидных расплавов в течение заданного срока службы. Наиболее эффективным способом защиты таких элементов является гарнисаж. В действующих установках гарнисаж создаётся за счёт интенсивного охлаждения наружной стенки металлической кон-

струкции, что вызывает намораживание на внутренней стенке материала самого расплава. Такой способ защиты требует непрерывного интенсивного охлаждения и эффективен при отсутствии химического взаимодействия на поверхности металлической конструкции термической установки. Эти условия на практике могут нарушаться и потому для защиты конструкционных элементов применяют специальные искусственные покрытия, которые обеспечивают защиту от высокотемпературного химического взаимодействия. Существующие покрытия обладают относительно малой стойкостью к термическим ударам и высокой теплопроводностью, что снижает их эффективность при длительной службе. Оптимальным решением проблемы могло бы стать сочетание положительных свойств способа защиты от термических воздействий как с помощью высокотемпературного теплоносителя (что обеспечивает создание «естественного» гарнисажа), так и специального высокотемпературного покрытия.

Поэтому исследования, направленные на разработку и совершенствование гетеродесмических материалов в качестве теплоносителей и функциональных покрытий и их технологий актуальны.

Цель исследования - разработка составов и совершенствование технологии материалов на основе фосфатов элементов I, II, III, IV и VIII групп (№, Ие, А1, Хх, Са), которые в расплавленном состоянии соответствуют требованиям, предъявляемым к высокотемпературным теплоносителям, и могут быть использованы в составе функциональных покрытий.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

> провести аналитический обзор источников научно-технической информации с целью определения существующих способов обеспечения целостности конструкций теплонапряженных агрегатов;

> исследовать двойные и тройные системы на основе метафосфата натрия и оксидов двух-, трех- и четырехвалентных металлов с целью определения температуры ликвидуса и составов эвтектик;

> изучить физико-химические и теплофизические свойства эвтектических композиций в температурном диапазоне 20-900 "С;

> исследовать физико-химические условия, обеспечивающие необходимые реологические, термические и антикоррозионные свойства гетеродесмического высокотемпературного теплоносителя для двухконтурных систем охлаждения теплона-

пряженных установок при контакте с конструкционной сталью в температурном диапазоне 20-900 "С;

> испытать теплоноситель на макете тигельного устройства с двойными стенками;

> разработать состав и технологию функционального покрытия для предотвращения разрушения стальных стенок теплонапряженных реакторов и установок, работающих в условиях высоких термических нагрузок, при контакте с перегретыми ферросплавными и многокомпонентными оксидными расплавами с температурами 1600 °С и 2000 °С соответственно, путем создания искусственного гарнисажа;

> исследовать физико-химические и теплофизические свойства искусственного гарнисажа, образующегося в результате окислительно-восстановительных реакций прекурсора из смеси оксидов железа, алюминия, циркония, фосфатной связки с металлическим и оксидным расплавами;

> изучить физико-химические условия, обеспечивающих стойкость искусственного гарнисажа к расплавам ферросплавов и оксидов.

Научная новизна

1. Получены температурные зависимости физико-химических (вязкость, плотность, коэффициент термического расширения) и теплофизических (теплоемкость, теплопроводность) свойств образцов систем №РОз-Ре2Оз, ЫаРОз-АЬОз, ШРОз-гЮг, №Р0з-Ре20з-А120¡, ЫаР<Э3-Са0-Ак03, ЫаР0з-Ыа4В207-1лР, ЫаР03-Ре2Оз-А12Оз- гЮ2.

2. Расчетным путем с последующей экспериментальной проверкой построены диаграммы плавкости систем №20-Р205-Ре20з, №20-Р205-А120з, Ка20-Р205-гЮ2, №20-Р205-Са0, ЫаГ0}-Ре203-А]20}, ЫаР03~Са0-А1203 и ЫаРОз-Ыа^От-ЬТ, а также их сечений ШРОз-Ре2Оз, ЫаР03-А120з, ЫаР03-гЮ2, ЫаР03-Са0, КаРОз-ЗРе2Оз-2А12Оз,КаРОз-7СаО-9А12Оз.

3. Разработаны технологии приготовления высокотемпературных теплоносителей и заполнения ими объема в двухконтурных системах охлаждения термических установок.

4. Разработан состав реакционносвязанного функционального покрытия для защиты металлических поверхностей из углеродистых сталей, эксплуатируемых в условиях агрессивной среды и температур 200-2000 °С от контакта с химически активными металлическими и оксидными расплавами.

Научная, научно-техническая и прак-гпческая ценность

• Полученные результаты будут иметь фундаментальное значение в области физико-химии солевых безводных систем.

• Разработанные составы высокотемпературных гетеродесмических теплоносителей и технологии заполнения ими рабочих объёмов предложены к применению в проектах систем охлаждения вакуумных дуговых печей и устройства локализации расплава новых блоков ядерных реакторов типа ВВЭР-1200 при строительстве атомных станций серии АЭС-2006 и ВВЭР-ТОИ.

• Создание нового состава композиции искусственного гарнисажа и совершенствование технологии позволит повысить надёжность и безопасность работы устройства локализации расплава (УЛР) в случае тяжёлой аварии реактора типа ВВЭР.

Защищаемые положения

• Легкоплавкие расплавы с низкой вязкостью на основе метафосфата натрия могут быть получены во всем поле первичной кристаллизации метафосфата натрия систем №20-Р205-Ре20з, ^О-РоО^АЬОз, Ка20-Р205-гЮ2, Ка20-Р205-СаО, КаРОз-Ре2Оз-А12Оз( ЫаР03-€а0-А120з и №РОз-№2В4Ог-1лР.

• Область первичной кристаллизации метафосфата натрия в тройных диаграммах плавкости Ма20-Р205-Ре20з, Ка20-Р205-А120з, Ка20-Р205-гЮ2, Ка20-Р205-Са0, ЫаРОз-Ре2Оз-А12Оз ограничивается содержанием до 90 масс.% метафосфата натрия и соседствует с областями первичной кристаллизации двойных орто-фосфатов натрия и металла (М = Ре, Ъс, Са).

• Вязкость расплавов в указанных системах, составы которых принадлежат области первичной кристаллизации метафосфата натрия, не превышает 5 Па-с.

• Процесс образования «естественного» и искусственного гарнисажа на стальной стенке в контакте с металлическими и оксидными расплавами носит различный характер. «Естественный» гарнисаж образуется из материала расплава только при условии интенсивного охлаждения внешних стенок, в противном случае существование «естественного» гарнисажа будет носить кратковременный характер. Искусственный гарнисаж образуется при протекании окислительно-восстановительных реакций между компонентами гарнисажа и металлического расплава, в результате которых образуются более тугоплавкие соединения.

Достоверность практических результатов. Достоверность результатов и выводов диссертации обусловлена корректным использованием методик физико-химического анализа; применением современных компьютерных средств и программных комплексов; использованием прецизионной измерительной аппаратуры; экспериментальной проверкой.

Апробация работы. Основные положения и результаты данной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-практических конференциях: «XXI Всероссийское совещание по температуроустойчивым функциональным покрытиям: ИХС им. Гребенщикова РАН», Санкт-Петербург, 2010 г. и «Проблемы рудной и химической электротермии: труды Всероссийской научно-технической конференции «Электротермия - 2010» (1-3 июня 2010 г.)», Санкт-Петербург, 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 в журналах из перечня, рекомендованного ВАК, тезисы 2 докладов на научных форумах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 71 наименований, и приложений. Основная часть работы изложена на 176 страницах машинописного текста. Рукопись содержит 63 рисунка и 52 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении дано обоснование актуальности темы, сформулирована цель и значимость практических результатов исследований.

В аналитическом обзоре описаны литературные сведения о строении фосфатных стекол (п.1.1), представлены диаграммы плавкости некоторых сечений тройных систем №20-Р205-М0 (М=Са2+), Ка20-Р205-М203 (М=Ре3+,А13+), 1Ма20-Р205-М02 (М=гг4+) (п.1.2), проанализированы существующие способы обеспечения целостности конструкций теплонапряженных агрегатов, в частности, применяющиеся в промышленности высокотемпературные теплоносители для двухконтурных систем охлаждения и композиционные материалы, использующиеся в качестве защитных покрытий (п.1.3).

В качестве высокотемпературных теплоносителей широко используются легкоплавкие металлы и соединения с ионным типом химических связей. Промыш-

лепные ионные теплоносители представлены изодесмическими (галогенные соли), анизодесмическими (нитраты щелочных элементов), мезодесмическими (кремний-органические жидкости) соединениями. Каждый вид теплоносителей обладает своими преимуществами и недостатками, которые ограничивают области их применения. Все используемые до сих пор ионные теплоносители могут использоваться на воздухе до 550 °С. С целью расширения температурной области использования теплоносителей мы рассмотрели потенциально возможные легкоплавкие составы (исключая соли галогеноводородных, азотистой и азотной кислот). Среди таких соединений наиболее подходящими являются фосфаты щелочных элементов.

В качестве перспективных составов для приготовления высокотемпературного теплоносителя была выбрана система фосфат-борат щелочного элемента. Из литературных источников известно, что фосфаты склонны к стеклообразованию и, следовательно, к образованию вязких расплавов, и поэтому в качестве третьего компонента мы решили использовать фторид лития. Расплавы фторидов щелочных элементов обладают небольшой вязкостью. В результате при взаимодействии фторида лития со стеклообразующими оксидами изменяется характер химических связей основного компонента, что приводит к разрыву полимерных цепочек, характерных для стеклообразного состояния, и понижению вязкости.

Температурный интервал жидкого состояния может быть расширен за счет образования эвтектических смесей из веществ, отобранных как потенциально пригодных для использования. Для нахождения таких составов следует рассмотреть диаграммы плавкости систем, составленных из этих веществ. На основании вышеизложенного мы полагаем, что наиболее вероятно существование таких составов в области эвтектики системы NaP03-Na2B407-LiF.

Проведенный обзор источников позволил сформулировать требования, предъявляемые к материалам для защиты стальной стенки от термического и химического воздействия металлических и оксидных расплавов, на основании которых в составе защитного материала могут быть использованы оксиды железа, циркония и алюминия как стандартные огнеупорные компоненты заполнителя и фосфат натрия как высокотемпературная связка.

В главе 2 кратко описаны методы синтеза образцов (п.2.2), методы изучения свойств (п.2.3), расчётные методы обработки экспериментальных данных (п.2.4), которые были использованы в работе.

В главе 3 изложены результаты исследований физико-химических (плотность, вязкость, коэффициент термического расширения) и теплофизических (теплоемкость, теплопроводность) свойств псевдобинарных систем NaP03-Fe203, NaP03-АЬОз, NaP0j-Zr02, NaP03-Ca0, NaP03-3Fc203-2AI203, NaP03-7Ca0-9Al203, тройной системы NaP03-Na2B407-LiF, сложной системы NaP03-Na2B.i07-LiF-Fe20j-Al203-ZrC>2, а также фазовый состав образцов после охлаждения расплавов. С помощью программы Diatris 1.2 построены расчетные тройные диаграммы плавкости указанных систем, а также их сечений NaPOj-оксид металла (М2+, М3+, М4+) (рис. 1-4).

Исследованием фазового состава композиций после охлаждения расплавов установлено, что во всех композициях систем метафосфат натрия - оксид металла (М2+, М3+, М4+) при нагревании протекают реакции с образованием двойных пиро- и ортофосфатов натрия и металла (железа (III), алюминия, цинка, кальция). В системах метафосфат натрия-оксид образование двойных пиро- и ортофосфатов происходит при температурах 540-613 °С и 612-806 °С соответственно. В четырехкомпонентных системах (Na20-P205-Fe203-Al203 и ЫагО-РгОз-СаО-АЬОз) помимо образования ортофосфата Na3Fe2(P04)3 при температуре 612-628 °С зафиксировано образование сложных ортофосфатов Na2Fe2AI(PC>4)3 и Na27Ca3Al5(P207)i2 при температурах 526535 °С и 461-529°С соответственно.

Данные рентгенофазового анализа показали, что исследуемые системы ок-сид-NaPOj не являются бинарными, а являются сечениями тройных систем Na^O -оксид металла (М2+, М3+, М41 ) - Р2О5. При сопоставлении данных рентгенофазового анализа с фазовым составом, установленным в работах других исследователей этих систем, установлено, что в наших экспериментах наблюдается неравновесная кристаллизация (часть известных металл-фосфатных соединений натрия наблюдается при охлаждении расплавов, а часть не наблюдается).

Измерение вязкости расплавов исследуемых систем показало, что в температурном интервале 700-900 "С численное значение вязкости не превышает 5 Пах при содержании до 30 масс.% оксидов. Образование двойных и тройных фосфатов нарушает монотонный характер изменения вязкости. Резкая смена механизма вязкого течения в зависимости от содержания оксида в расплаве объясняется переходом из поля первичной кристаллизации метафосфата натрия в поле первичной кристал-ли-зации образующихся двойных или тройных фосфатов. При больших концентрациях оксидов во всем диапазоне температур выше температуры плавления метафосфата натрия наблюдается только пластическая деформация образцов при механичес-

г»,о,

Мольное содержание, % Шаг по вэотершм 100 *С

Рисунок 1 - Расчётная диаграмма плавкости системы ЫагО-РгОб-РегОз

Аф3

Мольк, содержанке.9//* Шаг по изотермам 100 *С

Рисунок 2 - Расчётная диаграмма плавкости системы КагО-РгСЬ-АЬОз

20 О' О" б"40 О

я х £ *

Мольн. содержание. Шаг по юотгрыаы 100°С

Рисунок 3 - Расчётная диаграмма плавкости системы ЫагО-РгОб-^Юг

СаО

Са^оОи

Р^Рм

СаГ.О,,

¡г 2

Мольн. содержание. V» Шаг по изотермам 100 *С

Рисунок 4 - Расчётная диаграмма плавкости системы ИагО-РгОз-СаО

ком нагружении.

Анализ полученных экспериментальных данных и построенных расчетных диаграмм плавкости позволил установить состав композиций, которые можно рекомендовать в качестве высокотемпературных теплоносителей в двухконтурных системах охлаждения теплонапряжённых реакторов и агрегатов (МФН-Б - техническое название композиции 84% ЫаРОз - 8% Ма2В407 - 8% Ш (масс.д); ВИД-10 - техническое название композиции 90% КаР03-Ю% высокоглинозёмистого цемента) и в качестве функционального покрытия для защиты конструктивных элементов высокотемпературных агрегатов от воздействия оксидных и металлических расплавов (ККМ - техническое название композиции 10% МФН-Б - 40% Ре203 - 40% А1203- 10% гю2 (масс.д.)). Исследование физико-химических и теплофизических свойств составов тройных систем КаР03-Ыа2В40г-1лР (рис.5) и №Р03-Са0-А1203 (рис.6) показало, что композиции МФН-Б и ВГЦ-10 приобретают пластичные свойства при увеличении температуры до 220 °С и 540 °С соответственно и сохраняют высокую подвижность расплава в интервале температур 400-900 °С и 570-1000 °С соответственно.

В отличие от композиций МФН-Б и ВГЦ-10, содержащих 88-90 масс.% мета-фосфата натрия, порошок системы КаР03-Ка2В407-1лР-Ре203-А1203-2Ю2, содержащий не более 34 масс.% метафосфата натрия, остается в твердом состоянии во всем исследованном температурном диапазоне 20-1000 °С. Повышение температуры приводит лишь к незначительному уменьшению линейных размеров образцов, прессованных из порошка ККМ, которое не превышает 2 % от исходных размеров образцов (рис.7).

В главе 4 описаны испытания композиций высокотемпературных теплоносителей в макете двухконтурной системы охлаждения, проведено изучение механизма образования «естественного» и искусственного гарнисажа на стальной поверхности в контакте с металлическими и оксидными расплавами.

Проведенные на макете испытания показали, что теплоноситель МФН-Б начинает работать при температуре 120 °С на промежуточной стенке теплоноситель/вода. При этом передача тепла ко второму контуру охлаждения (воде) происходит исключительно за счет теплопроводности. Начало перехода к конвективному типу передачи тепла в МФН-Б происходит при его средней температуре 326 °С и градиенте температуры 194 °С между жаровым пространством и промежуточной стенкой теплоноситель/вода. При данных параметрах испытательного стенда удалось нагреть МФН-Б в условиях двухконтурного охлаждения только до 373 "С. Причиной является то, что была достигнута предельная мощность,

а §

щ %

>ч>

Температура, "С а

2300

£

"ё 2450 м *юо

И 2350

3 23®

2250 2200

Е

2 2150

н|М 0.б( Я Я

0.55

300 400 300 600 Температура, °С

б

300 400 500

Температура, °С

800

900

- экспериментальные значения для №РОз; ■ - экспериментальные значения для МФН-Б;--аппроксимирующая кривая

Рисунок 5 - Физико-химические и теплофизические свойства МФН-Б: вязкость (а), плотность (б), коэффициент термического расширения (в) и теплопроводность (г)

500 550 MO 650 700 730 SOO 850 900

Тенпература.°С

а

Температура,вС

б

Темперятура, "С в

я - экспериментальные значения,— аппроксимирующая кривая Рисунок 6 - Физико-химические свойства ВГЦ-Ю: вязкость (а), коэффициент термического расширения (б), плотность (в)

которую может обеспечить нагревательный элемент. При перепаде температуры 194 °С и температуре 570 °С на внутренней стенке жаровой трубы плотность энергии на ней была 29,2 кВт/м2.

При испытании теплоносителя ВГЦ-10 в макете двухконтурной системы охлаждения переход к конвективному типу передачи тепла в расплавленном теплоносителе зафиксирован при температуре теплоносителя около 530 °С (в этот момент температура на стенке между жаровым пространством и теплоносителем ВГЦ-10 составляла 880 °С).

МО4

/—N 0

а 1-10 4

2>10"4

ч

200 300 400

Температура, °С

.я

¡2 4560 £

В 4840 О

/

у г

&

100 100 300 400 500 600 700 800 Температура,1^

■ - экспериментальные значения,--аппроксимирующая кривая

Рисунок 7 - Физико-химические свойства ККМ: коэффициент термического расширения (а), плотность (6)

В п.4.2 изложены результаты исследования механизма образования «естественного» и искусственного гарнисажа на углеродистой стали при контакте с перегретыми расплавами ферросплавов и оксидов, проведен анализ структуры и фаз гарнисажных слоев, вычислена эффективная теплопроводность.

Вычисление эффективной теплопроводности гарнисажного слоя на стальном калориметрическом зонде после взаимодействия защитного покрытия ККМ с расплавом сплава ХЗН5Т11С8М4 дало значение 0,038±0,003 Вт/(см К). В случае контакта такого же зонда с оксидным расплавом ¥Т5(1 при температуре 2000 °С коэффициент эффективной теплопроводности равен 0,036±0,003 Вт/(смК). В то же время измерение эффективного коэффициента теплопроводности «естественного» гарнисажа оксидного расплава Р250 на стальном водоохлаждаемом калориметрическом зонде даст значение 0.022±0.003 Вт/(см К).

В Обсуждении результатов (глава 5) производится обобщение и интерпретация результатов экспериментальной работы.

При смешении метафосфата натрия с тугоплавкими оксидами и последующем нагреве полученных смесей до температуры 900 "С происходят химические реакции, приводящие к образованию двойных и тройных фосфатов натрия-Ме (Ме = Fe3+,A13+, Zr4+, Са2+). Для составов, лежащих в поле первичной кристаллизации метафосфата натрия, характерно образование двойных пирофосфатов натрия-Ме (Ме = Fe3+,A13+, Са2+). С увеличением содержания тугоплавкого оксида происходит переход в область первичной кристаллизации ортофосфатов натрия-Ме (Ме = Fe3+,A13+, Zr4+, Са2+).

В области первичной кристаллизации метафосфата натрия в бинарных, тройных и сложных системах образуются легкоплавкие стекла. Температура стеклования Tg таких стекол лежит в интервале от 220 °С (для состава МФН-Б) до 400 °С (для систем с тугоплавкими оксидами, массовая доля которых не превышает 10%).

В области первичной кристаллизации двойных ортофосфатов натрия-Ме (Ме = Fe3+,A13+, Zr4+, Са2+) в бинарных, тройных и сложных системах образуются тугоплавкие стеклокристаллические композиции, переходящие в вязко-пластичное состояние при температурах выше 650 °С.

Из вышеизложенного следует, что стекло на основе метафосфата натрия может найти практическое применение как высокотемпературный теплоноситель и как пластификатор в стеклокристаллических материалах для снятия термических напряжений при термических ударах с целью сохранения механической целостности керамических композиций.

В результате экспериментального исследования были установлены два состава на основе метафосфата натрия, которые после плавления образуют жидкость. Эта жидкость, благодаря большому температурному интервалу существования, низкой вязкости, большому удельному изменению плотности с температурой, может служить теплоносителем, обеспечивающим интенсивный конвективный перенос тепла в двухкон-турных системах охлаждения теплонапряжйнных агрегатов.

Составам МФН-Б и ВГЦ-10 как высокотемпературным теплоносителям присущи типичные недостатки промышленных металлических и ионных теплоносителей: для начала их работы они должны быть разогреты выше температуры плавления. В отличие от металлических и ионных теплоносителей МФН-Б и ВГЦ-10 химически инертны к конструкционной стали.

Опыты показали, что стеклокристаллические материалы на основе метафосфата натрия могут повысить эффективность гарнисажа как защиты стальных стенок от

термического и химического воздействия перегретых металлических и оксидных расплавов.

В работе изучен процесс образования «естественного» и искусственного гарни-сажа на стальной стенке:

• В момент контакта расплавленного ферросплава с корпусом реактора температура солидуса этого расплава будет ниже температуры солидуса стали корпуса. Компоненты металлического расплава на границе раздела даже после замерзания первичной твёрдой корочки будут диффундировать в сталь, что будет смещать положение границы раздела жидкое-твёрдое до положения изотермы 1140 °С (эвтектики системы). Будет ли происходить абляция стали или нет, зависит от теплового потока через твёрдую сталь. При изложенной схеме процесса образования защитного гарнисажного слоя не будет.

• В случае контакта оксидного расплава со стальной стенкой, температура ликвидуса и солидуса этого расплава гораздо выше температуры ликвидуса стали корпуса. Так как этот расплав не смачивает сталь, в начальный момент будет образовываться твёрдая корочка из вещества расплава, которая будет отделена от стальной стенки газовым зазором. Благодаря теплопередаче от расплава через твёрдую корочку сталь корпуса и сама корочка быстро (опытные данные показывают, что это будет в течение 1-3 минут) прогреются до температуры выше 1570 °С. В этот момент гарнисажная корочка из вещества оксидного расплава исчезнет, и стальная стенка начнет плавиться. Таким образом, в случае контакта с оксидным расплавом гарнисаж будет существовать кратковременно. Причина - низкая теплопроводность стальной стенки (обычно ее толщина 60 мм) и плохая теплопроводность промежуточного газового слоя между гарни-сажем и стенкой.

• В случае применения функционального покрытия гарнисаж состоит из пластификатора и тугоплавких оксидов, которые образуются в результате протекания химических реакций между компонентами гарнисажа и металлического или оксидного расплавов. В результате теплопроводность защитного гарнисажного слоя, который формируется после прохождения окислительно-восстановительных реакций между компонентами расплава и покрытия, увеличивается. При наличии связанного с поверхностью стали покрытия, теплопроводность искусственного гарнисажного слоя повышается в 1,6 раза по сравнению с «естественным» гарнисажем, что делает гарнисаж (при использовании внешнего охлаждения) стабильным. При этом гарнисаж надёжно изоли-

рует стальную стенку корпуса теплонапряжённого реактора от контакта с металлическим и оксидным расплавами, что исключает химическое взаимодействие между ними.

ВЫВОДЫ

1. По результатам экспериментальных данных были построены и отредактированы диаграммы плавкости систем на основе метафосфата натрия и тугоплавких оксидов: №2СМ>205-Ре20з, Ма20-Р205-А120,, Ка20-Р205^Ю2, №20-Р205-Са0, №РОз-Рс2Оз~А12Оз, КаР03-Са0-А1203 и №Р03-Ма2В407-иР .

2. Разработан высокотемпературный теплоноситель гетеродесмического типа на основе метафосфата натрия с добавками тетрабората натрия и фторида лития, массовые доли которых соответственно равны 84%, 8% и 8% (техническое наименование МФН-Б). Теплоноситель предназначен для двухконтурных систем охлаждения теп-лонапряженных агрегатов и реакторов с пиковым или постоянным тепловым потоком выше 0,7 МВт/м2. Температурный диапазон эффективной работы теплоносителя с техническим названием МФН-Б находится в интервале 400-900 "С. В этом интервале изучались физико-химические (плотность, вязкость, к.т.р.) и теплофизические (теплоемкость, теплопроводность) свойства теплоносителя. Разработана технология изготовления высокотемпературного теплоносителя и заливки его в двойной корпус УЛР. Проведены лабораторные испытания на макете тигельного устройства с двойными стенками.

3. Разработан высокотемпературный теплоноситель гетеродесмического типа на основе метафосфата натрия с добавкой высокоглиноземистого цемента, массовые доли которых соответственно равны 90% и 10% (техническое наименование ВГЦ-10). Теплоноситель предназначен для двухконтурных систем охлаждения теплонапря-женных агрегатов и реакторов с пиковым или постоянным тепловым потоком выше 0,7 МВт/м2. Температурный диапазон эффективной работы теплоносителя с техническим названием ВГЦ-10 находится в интервале 600-900 °С. В этом интервале изучались физико-химические (плотность, вязкость, к.т.р.) и теплофизические (теплопроводность) свойства теплоносителя. Разработана технология изготовления высокотемпературного теплоносителя и заливки его в двойной корпус УЛР. Проведены лабораторные испытания на макете тигельного устройства с двойными стенками.

4. В работе изучен процесс образования «естественного» и искусственного гарнисажа на чистой поверхности стали в условиях отсутствия охлаждения стенки и при наличии охлаждения водой.

5. Предложен способ защиты стали от химически активных расплавов (металлических и оксидных) за счет окислительно-восстановительных реакций, протекающих между компонентами функционального покрытия и расплавом, в результате которых образуются вещества, имеющие более высокие температуры плавления по сравнению с компонентами прекурсора. Разработан состав такого материала.

Композиции, состоящей из тугоплавких оксидов, оксида железа III и связки на основе метафосфата натрия, было присвоено техническое название ККМ. Были изучены физико-химические и теплофизические свойства покрытия и его поведение в условиях высоких термических нагрузок в контакте с расплавами оксидов и ферросплавов. Разработана технология изготовления функционального покрытия и его нанесения на сталь.

6. Определена эффективная теплопроводность гарнисажа. Искусственный гарнисаж, образованный из ККМ и продуктов окислительно-восстановительных реакций с компонентами оксидного расплава, имеет эффективную теплопроводность 3,6 Вт/(м К), в то время как «естественный» гарнисаж - 2,2 Вт/(м К).

7. Разработаны технические условия на высокотемпературный теплоноситель ВГЦ-10 и защитное покрытие ККМ.

Основное содержание диссертации опубликовано:

1. Гуськова, Н. В. Свойства расплавов системы КаРОз-Ре2Оз-А12Оз-гЮ2 / Н. В. Гуськова, Ю. П. Удалов // Сборник научных трудов «Катализ: вчера, сегодня, завтра» / СПбГТИ(ТУ). - СПб., 2009. - С. 188-197.

2. Гуськова, Н. В. Свойства расплава эвтектического состава системы ЫаР03-Ка2В407-1лР / Н. В, Гуськова, А. С. Сидоров, Ю. П. Удалов // Физика и химия стекла. - 2010. - Т. 36, № 2. - С. 271-279.

3. Удалов, Ю. П. Реакционносвязанное покрытие на конструкционную сталь для защиты от перегретых ферросплавных и оксидных расплавов / Ю. П. Удалов, Б. А. Лавров, Н. В. Гуськова, И. В. Позняк, А. Ю. Печенков, А. С. Сидоров // XXI Всероссийское совещание по температуроустойчивым функциональным покрытиям. СПб.: Издательство ИХС им. И. В. Гребенщикова РАН. Санкт-Петербург, 26-28 апреля 2010. - С. 69-70.

4. Удалов, Ю. П. Физико-химические и теплофизические процессы в гарнисаже и защитных покрытиях на конструкционной стали при контакте с перегретыми расплавами ферросплавов и оксидов / Ю. П. Удалов, Б. А. Лавров, Н. В. Гуськова, М. Н. Михайлов, И. В. Позняк, А. Ю. Печенков, А. С. Сидоров // Физика и химия стекла. -2010.-Т. 37, № 1.-С. 85-97.

5. Удалов, Ю. П. Защита конструкционной стали от перегретых ферросплавов с помощью гарнисажа и специального покрытия / Ю. П. Удалов, Б. А. Лавров, Н. В. Гуськова, И. В. Позняк, А. Ю. Печенков И Проблемы рудной и химической электротермии: труды Всероссийской научно-технической конференции «Электротермия - 2010» (1-3 июня 2010 г., Санкт-Петербург). - СПб.: ООО «Проспект Науки», 2010.-С. 35-37.

6. Удалов, Ю. П. Новый вид высокотемпературного теплоносителя для теплонапря-женных установок / Ю. П. Удалов, Н. В. Гуськова, А. С. Сидоров // Вестник СПб ОАИН. - СПб.: Изд-во Политехнич. ун-та. - Вып. № 7. - 2010. - С. 200-217.

Отпечатано с оригинал-макета. Формат 60x90'/16 Печ.л. 1,25 .Тираж экз. 90. Зак. № 46

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26 Типография издательства СПбГТИ(ТУ), тел. 49^9-365, e-mail: publ@technolog.edu.ru

61 12-5/2322

МИНОБРНАУКИ РОССИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСТИТЕТ)»

СВОЙСТВА РАСПЛАВОВ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ МЕТАФОСФАТА НАТРИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ

На правах рукописи

ГУСЬКОВА НАТАЛЬЯ ВЛАДИМИРОВНА

05.17.01 - Технология неорганических веществ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор химических наук, профессор Удалов Ю.П.

Санкт-Петербург 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................................................8

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР............................................................................................................15

1.1 Свойства метафосфата натрия........................................................................................15

1.2 Диаграммы состояния систем Ма20-Р205-М0, Ыа20-Р205-М20з, Ма20-Р205-М02............................................................................................................................17

1.3 Возможные технические применения оксидных композиций..........18

1.3.1 Высокотемпературные теплоносители................................................18

1.3.2 Функциональное покрытие на сталь......................................................23

1.3.3 Основные требования к материалу для защиты

стальной стенки и способы их обеспечения....................................27

1.3.4 Выбор компонентного состава защитного материала............28

1.4 Выводы по главе........................................................................................................................29

2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ................................................................31

2.1 Исходные вещества и материалы................................................................................31

2.2 Методы синтеза образцов (твердых смесей и расплавов)....................32

2.2.1 Синтез порошков......................................................................................................32

2.2.2 Методы синтеза расплавов..............................................................................32

2.3 Методы изучения свойств..................................................................................................35

2.3.1 Методика анализа закристаллизованных образцов..................35

2.3.2 Термогравиметрический анализ..................................................................36

2.3.3 Измерение плотности..........................................................................................36

2.3.4 Измерение вязкости расплава........................................................................40

2.3.5 Измерение теплопроводности......................................................................41

2.3.6 Электрофизический метод определения температуры фазового перехода..................................................................................................42

2.4 Расчётные методы обработки экспериментальных данных................43

2.4.1 Построение тройных диаграмм плавкости......................................43

2.4.2 Получение зависимости свойство-температура..........................43

2.4.3 Методики расчета теплофизических свойств................................44

3 СВОЙСТВА РАСПЛАВОВ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ

МЕТАФОСФАТА НАТРИЯ.................................................... 53

3.1 Система №20 - Р205 - Ре203............................................. 53

3.1.1 Расчетная диаграмма плавкости и фазовый состав псевдобинарных разрезов системы №20 - Р205 - Ре203... 53

3.1.2 Рентгенофазовое исследование образцов системы МаРОз-ЕезОз......................................................... 57

3.1.3 Исследование термического поведения системы КаРОз-Ре2Оз........................................................ 57

3.1.4 Вязкость расплавов системы МаР03-Ре203................... 63

3.1.5 Анализ экспериментальных результатов по системе КаРОз-Ре2Оз......................................................... 64

3.2 Система Ш20 - Р205 - А1203............................................. 68

3.2.1 Расчетная диаграмма плавкости и фазовый состав псевдобинарных разрезов системы Ыа20 - Р205 - А1203... 68

3.2.2 Рентгенофазовое исследование образцов системы ЫаРОз-АЬОз......................................................... 69

3.2.3 Исследование термического поведения системы ИаРОз-АЬОз......................................................... 69

3.2.4 Вязкость расплавов системы ЫаРОз-А12Оз................... 75

3.2.5 Высокотемпературный электрофизический анализ фазовых переходов в системе ШРОз-А12Оз.................. 76

3.2.6 Анализ экспериментальных результатов по системе МаРОз-А12Оз......................................................... 78

3.3 Система Ка20 - Р205 - Ъх02.............................................. 82

3.3.1 Расчетная диаграмма плавкости и фазовый состав псевдобинарных разрезов системы Ыа20 - Р205 - Ъх02... 82

3.3.2 Рентгенофазовое исследование образцов системы ЫаРОз-ггОг......................................................... 86

3.3.3 Исследование термического поведения составов

системы КаР03-гг02.............................................. 86

3.3.4 Вязкость расплавов системы КаР0з-2г02.................... 89

3.3.5 Высокотемпературный электрофизический анализ фазовых переходов в системе МаР03-7г02................... 90

3.3.6 Анализ экспериментальных результатов по системе

КаРОз -Ът02......................................................... 91

3.4 Система Ка20 - Р205 - СаО................................................ 93

3.4.1 Расчетная диаграмма плавкости и фазовый состав псевдобинарных разрезов системы Ма20 - Р205 - СаО.... 93

3.4.2 Рентгенофазовое исследование образцов системы ИаРОз-СаО......................................................... 93

3.4.3 Исследование термического поведения составов

системы КаРОз-СаО............................................... 93

3.4.4 Высокотемпературный электрофизический анализ фазовых переходов в системе ИаРОз-СаО.................... 99

3.4.5 Анализ экспериментальных данных по системе ИаРОз-СаО........................................................... 99

3.5 СистемаМа20 -Р205 -Ре203 -А12Оэ................................... 102

3.5.1 Расчетная диаграмма плавкости и фазовый состав псевдобинарных разрезов системы

ЫаРОз - Ре203 - А1203 ............................................ 102

3.5.2 Рентгенофазовое исследование образцов системы

ЫаРОз - Ре203 - А1203 ............................................ 102

3.5.3 Исследование термического поведения составов

системы ЫаРОз-РегОз-АЬОз................. .................... 106

3.5.4 Вязкость расплавов системы МаР03-Ре203-А120з......... 106

3.5.5 Анализ экспериментальных данных по системе

МаРОз-РезОз-АЬОз................................................ 109

3.6 Система Ыа20 -Р2О5 - СаО - А1203..................................... 110

3.6.1 Расчетная диаграмма плавкости и фазовый состав псевдобинарных разрезов системы

Ыа20 - Р205 - СаО - А1203 ....................................... 110

3.6.2 Рентгенофазовое исследование образцов системы ИаРОз-ВЩ......................................................... 110

3.6.3 Исследование термического поведения составов

системы ЫаРОз-ВГЦ.............................................. 116

3.6.4 Вязкость расплава системы ИаРОз-ВЩ..................... 118

3.6.5 Высокотемпературный электрофизический анализ фазовых переходов в системе МаР03-ВГЦ................... 119

3.6.6 Коэффициент термического расширения

образцов системы МаР03-ВГЦ................................. 120

3.6.7 Плотность образца ВГЦ-10 системы МаРОз-ВГЦ.......... 121

3.6.8 Обсуждение результатов экспериментов

с образцами системы МаР03-ВГЦ.............................. 122

3.7 Система Ма20 - Р205 - В203 - ЬШ....................................... 124

3.7.1 Расчетная диаграмма плавкости и фазовый состав псевдобинарных разрезов системы КаРОз-Ш^Оу-ЦР.. 124

3.7.2 Исследование термического поведения

образца МФН-Б системы ИаРОз - №2В407 - 1лБ........... 125

3.7.3 Вязкость расплава образца МФН-Б системы

МаРОз - Ка2В407 - ЬШ............................................ 127

3.7.4 Коэффициент термического расширения образца

МФН-Б системы ИаР03 - Ма2В407 - Ш...................... 128

3.7.5 Плотность материала МФН-Б................................... 129

3.7.6 Теплофизические свойства метафосфата натрия

и композиции МФН-Б............................................. 130

3.7.7 Обсуждение результатов экспериментов с композицией МФН-Б............................................................... 132

3.8 Система Иа20 - В203 - ПБ-Р205 - Бе203 - А1203 - гЮ2........... 134

3.8.1 Исследование термического поведения образца ККМ семикомпонентной системы.................................... 134

3.8.2 Коэффициент термического расширения композиции

ККМ семикомпонентной системы............................. 135

3.8.3 Плотность образца ККМ семикомпонентной системы .... 136

3.8.4 Обсуждение экспериментальных данных для образца

ККМ.................................................................. 137

3.9 Выводы по главе............................................................ 137

4 ОБЛАСТИ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА

ОСНОВЕ МЕТАФОСФАТА НАТРИЯ....................................... 140

4.1 Высокотемпературный теплоноситель................................. 140

4.1.1 Испытания метафосфата натрия в макете двухконтурной системы охлаждения......................... 142

4.1.2 Испытания композиции КаР03-ВГЦ в макете двухконтурной системы охлаждения.......................... 143

4.2 Высокотемпературные защитные покрытия.......................... 146

4.2.1 Естественный гарнисаж.......................................... 146

4.2.2 Искусственный гарнисаж (испытание функционального покрытия ККМ)........................... 157

4.2.3 Исследование эффективной теплопроводности гарнисажных слоев на стали и расчётная одномерная

модель образования гарнисажного слоя............................................167

4.3 Выводы по главе........................................................................................................................170

5 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ............................................................................................172

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................................................175

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................................................177

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Диаграммы плавкости..............................................................................185

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Дериватограммы............................................................................................188

ПРИЛОЖЕНИЕ В . Технологические схемы........................................................................198

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Технические условия..................................................................................202

ВВЕДЕНИЕ

Фосфор занимает особое место среди элементов, на основе которых возможно образование связующих огнеупорных материалов. Только фосфатные соединения обладают способностью при высокотемпературной дегидратации образовывать огнеупорные соединения со многими классами наполнителей: оксидами, силикатами, алюмосиликатами и даже с растительными полимерами. К настоящему времени накоплен огромный объём сведений по физическим, химическим, физико-химическим, теплофизическим и другим свойствам соединений фосфора, созданы многочисленные материалы на базе фосфатных связующих (фосфорной кислоты, алюмофосфатного связующего (АФС), алю-мохромфосфатного связующего (АХФС) и другими веществами). Многочисленные примеры успешного применения фосфатных материалов показывают, что не все возможности этих функциональных материалов используются в полной мере.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Создание огнеупорных покрытий, отличающихся высокими физико-механическими и прочностными характеристиками, устойчивых против высоких тепловых нагрузок и агрессивных сред, является одной из важнейших проблем современности. Особенно актуально эта проблема стоит в области металлургической и химической промышленности, энергетического машиностроения, строительной индустрии, нефтеперерабатывающей промышленности и др., где существуют серьезные проблемы с обеспечением необходимого ресурса работы футеровок высокотемпературных тепловых агрегатов (печей, ванн, котлов, реакторов, ковшей, тиглей и т.д.).

Известные огнеупорные материалы и изделия на их основе в большинстве своем не обладают требуемыми в настоящее время эксплуатационными показателями, так как либо вообще не имеют защитных поверхностных покрытий, либо применяющиеся покрытия адгезивно связываются только с высокопористыми основами подложки и в результате пропитки расплавом приповерх-

ностных слоев не обеспечивают ее химическую инертность, что является причиной разрушения огнеупора и малого срока его службы.

Аварии на дуговых печах вакуумного переплава титана, авария на Чернобыльской АЭС и «Фукусиме-1» в Японии показали, что для обеспечения безопасности эксплуатации высокотемпературных теплонапряженных реакторов требуются теплоносители, которые при любых режимах эксплуатации не допускали бы кризиса теплообмена, были бы способны работать при температуре до 1000 °С в условиях тепловых нагрузок более 1МВт/м . В настоящее время только металлические высокотемпературные теплоносители отвечают данным требованиям. Однако металлические теплоносители являются химически агрессивными и требуют особых материалов для конструкции теплообменников.

Таким образом, конструкционные стальные элементы теплонапряженных термических установок (дуговых печей, ядерных реакторов и т.п.) должны выдерживать заданное время тепловое и химическое воздействие металлических и оксидных расплавов в течение заданного срока службы. Наиболее эффективным способом защиты таких элементов является гарнисаж. В действующих установках гарнисаж создаётся за счёт интенсивного охлаждения наружной стенки металлической конструкции, что вызывает намораживание на внутренней стенке материала самого расплава. Такой способ защиты требует непрерывного интенсивного охлаждения и эффективен при отсутствии химического взаимодействия на поверхности металлической конструкции термической установки. Эти условия на практике могут нарушаться и потому для защиты конструкционных элементов применяют специальные искусственные покрытия, которые обеспечивают защиту от высокотемпературного химического взаимодействия. Существующие покрытия обладают относительно малой стойкостью к термическим ударам и высокой теплопроводностью, что снижает их эффективность при длительной службе. Оптимальным решением проблемы могло бы стать сочетание положительных свойств способа защиты от термиче-

ских воздействий как с помощью высокотемпературного теплоносителя (что обеспечивает создание «естественного» гарнисажа), так и специального высокотемпературного покрытия.

Поэтому исследования, направленные на разработку и совершенствование гетеродесмических материалов в качестве теплоносителей и функциональных покрытий и их технологий актуальны, что подтверждается использованием полученных результатов данной работы при выполнении следующих программ:

1. Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы научно-исследовательские работы по лоту «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области радиохимии, химии высоких энергий» шифр «2010-1.1-136-136» по теме «Радиохимические основы инновационных технологий безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом». Государственный контракт № 14.740.11.0386.

2. Федеральная программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы» шифр «2007-6-1.6-00-01» по теме «Физико-химические основы инновационных технологий обращения с облученным ядерным топливом, радиоактивными и токсичными отходами».

Научная проблема, решаемая в данной работе, входит в список «Приоритеты развития науки и техники. Критические технологии Российской Федерации, утверждённые 21.05.2006 г., № Пр-842: Раздел 8, Технологии атомной энергетики, ядерного топливного цикла, безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом».

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ - разработка составов и совершенствование технологии материалов на основе фосфатов элементов I, II, III, IV и VIII групп (Ыа, Бе, А1, Ъх, Са), которые в расплавленном состоянии соот-

ветствуют требованиям, предъявляемым к высокотемпературным теплоносителям, и могут быть использованы в составе функциональных покрытий.

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ЗАДАЧИ, решаемые в работе:

> проведение аналитический обзор источников научно-технической информации с целью определения существующих способов обеспечения целостности конструкций теплонапряженных агрегатов;

> исследование двойных и тройных систем на основе метафосфата натрия и оксидов двух-, трех- и четырехвалентных металлов с целью определения температуры ликвидуса и составов эвтектик;

> изучение физико-химических и теплофизических свойств эвтектических композиций в температурном диапазоне 20-900 °С;

> исследование физико-химических условиий, обеспечивающих необходимые реологические, термические и антикоррозионные свойства гетеродесмиче-ского высокотемпературного теплоносителя для двухконтурных систем охлаждения теплонапряженных установок при контакте с конструкционной сталью в температурном диапазоне 20-900 °С;

> испытание теплоносителя на макете тигельного устройства с двойными стенками;

> разработка состава и технологии защитного покрытия для предотвращения разрушения стальных стенок теплонапряженных реакторов и установок, работающих в условиях высоких термических нагрузок, при контакте с перегретыми ферросплавными и многокомпонентными оксидными расплавами с температурами 1600 °С и 2000 °С соответственно путем создания искусственного гарнисажа;

> исследование физико-химических и теплофизических свойств искусственного гарнисажа, образующегося в результате окислительно-восстановительных реакций прекурсора из смеси оксидов железа, алюминия, циркония, фосфатной связки с металлическим и оксидным расплавами;

> изучение физико-химических условий, обеспечивающих стойкость искусственного гарнисажа к расплавам ферросплавов и оксидов.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ И ПРАКТИЧЕСКИХ РЕЗУЛЬТАТОВ. Достоверность научных положений, результатов и выводов диссертации обусловлена корректным использованием методик физико-химического анализа; применением совр