Brief information on the development and scope of its application

Carbon nanomaterials obtained from gaseous hydrocarbons have in their composition both an onion structure nanocarbon and graphene structures.   

Possible applications – additives to fuel, to lubricants, coatings to absorb electromagnetic radiation. 

Innovative component of the sample –the ability to regulate the phase composition of the product under conditions of high productivity and low specific energy inputs.

1 - power converter;  2 - high-voltage transformer;  3 - reactor;  4 - dust filter; 
5 - recycling device;  6 - tank with raw material

Progressive development in the world

The results of experimental gas mixture treatment with the use of electric discharge effect have shown the possibility to provide production of 1 kg of carbon nanopowder with energy consumption up to 85 kWh with the consumption of raw materials no more than 500 dm3.

Expected characteristics of the pilot sample:

Basic information about the application

 Pilot sample of equipment for the production of blanks with a prepared non-dendritic structure of A356,357 alloys for thixocasting technologies.

Brief information about the application and the scope of its application

The pilot sample of the equipment will be adapted for industrial use in the foundry industry.  In the manufacture of thixolymer components with non-dendritic structure, two steps are used.  At the first stage, blanks are obtained with an already prepared nondendritic structure.  The traditional methods used for this in the World practice include melting the alloy, active long electromagnetic stirring and rapid quenching.

In the pilot sample of the equipment, the impact on cylindrical billets with an unprepared structure by superposition of a constant and pulsed current with given parameters will be realized, which will allow heating the billet to the melting temperature of the eutectic and carry out isothermal soaking followed by quenching in water. 

Innovative component is based on the sample - reduction of specific energy consumption and processing time at the stage of obtaining a billet with a prepared non-dendritic structure in the casting industry.

Brief information on the development and scope of its application.

Electric discharge technologies that form an intensive short-term (impulse) impact on the processing facility are widely used in modern industry.  Among them, magnetic-pulse welding, pulsed metal working with pressure, electric pulse technology in precise casting, sintering technology of abrasive metal-containing powders, electric pulse technology for disinfection of natural and waste water, and many others. 

 A special place among them is occupied by technologies based on the use of electrical discharges in liquids and gases.  The main unit of installations that form the reproduction of electrical discharges are pulse current generators (GIT) providing the necessary energy and operational parameters of electric discharge technologies.

High-frequency converters of various power (up to 20 kW)

High-frequency converters of various power (up to 20 kW)
high-frequency                        compact                       rectifier-transformer

Brief information on the development and scope of its application

Spark-plasma sintering (IPS) is a promising method of consolidating powder materials that ensures the preservation of the ultra-dispersed grain structure and allows achieving high quality grain bonding along the boundaries leading to the possibility of obtaining high-density powder compositions with increased physical-mechanical properties.  IPA makes it possible to purposefully control the growth rate of grains and thus - forms nanostructured, microheterogeneous, multifunctional compositions of materials with high physico-mechanical and operational properties.

IPS «Hephaestus» complex
Microstructure of sintered samples (initial components of Fe-Ti-C- (B))

Progressive development in the world

Using the consolidation method of the IPS provides a heating rate in the range from 10 ºС / c to 30 ºС / c and allows to obtain high-density composite materials (almost up to 100%) with high uniformity with strong bonds between the particles. 

Consolidation of powders by passing a superposition of DC and AC has the following advantages:

Electrohydraulic press T1226A - 40 kJ / pulse, weight 9000 kg.
Participation in exhibitions:

1988-1989. VDNKh, "Low-temperature plasma is the basis of new technologies";
1989-1990 Berlin, Exhibition stand of the Chamber of Commerce and Industry of the USSR; 
1989 Exhibition for the 200th anniversary of the city of NikolaevРетроспектива, серийные разработки...

Brief information on the development and scope of its use

VIC are designed to work as an electrical energy storage in pulse voltage generators (GIN) and pulse current generators (GIT) electrophysical installations of various technological purposes.

       IKE-100-0.17                                    IKE-100-0.17                           IKP-30-3,3 / 1,2                        IMP-50-1

The progressiveness of the development in the World

VIC’s production of the Institute for Nuclear Research of the National Academy of Sciences of Ukraine is used as part of the GIT and GIN installations manufactured both in the Institute and in other organizations and countries.  For example, VIC for submersible installations for the intensification of oil production are used in the oil fields of Ukraine, Russia, China, Canada and other countries, IKP-50-0.5 capacitors are used in the processing of metals and alloys at enterprises in Ukraine, Mongolia and South Korea.  In general, the list of consumers includes many enterprises from such countries as Belarus, Germany, France, Israel, etc. The capacitors of the Institute production are characterized by high reliability, versatility and manufacturability

Brief information on the Technological Roadmap (for development under the Order)

Brief information on the development and scope of its application

The electric discharge effect on the bottomhole well zone is intended to intensify the extraction of hydrocarbon minerals by increasing the system of cracks or canals, cleaning perforations and filters from sedimentation sediments.

Elements of the Skif-100M device and work with the device on the well

The electric discharge method is realized in a well filled with liquid by an intensive impulse action on the opening zone of a productive formation of cyclic compression waves generated by a high-voltage electric discharge.

 The method is implemented by the discharge electric submersible device «Skif-100 M» in wells, stopped for underground or major repairs in any type of rock with an initial permeability of more than 0.1 × 10-15 m2. 

The hydrostatic pressure in the well is not more than 45 MPa, the temperature is not more than 100 ° C.

Brief information on the development and scope of its application

The significant reserves of various deposits of hard and brown coal justify the possibility of efficient replacement by water-coal fuel of expensive or inaccessible traditional energy sources (natural gas and fuel oil). 

A water-coal suspension with the necessary rheological characteristics, sufficient for its combustion in liquid-fuel and gas water-heating boilers of combined heat and power plants or district power stations can be prepared on the basis of finely divided hard and brown coal. 

According to technical and economic indicators, the electric-discharge method for production of water-coal fuel has advantages over traditional energy-intensive methods and can be included in major scientific and technical innovation projects for the re-equipment of energy-generating enterprises and enterprises of the housing and communal complex with the purpose of transferring them to local energy sources instead of imported fuel oil and gas. 

Brief information about the development and scope of its application.

The transition to effective levels of production development entails an increase in energy consumption, and hence the depletion of its traditional sources (coal, oil, gas).  As their alternative, a significant place is given to solar energy. 

To effectively use it, special transducers are required – solar batteries, the main element of which is pure silicon.  Its production is associated with high demands on the purity of production. 

There are three main stages in the production of pure silicon:

• the production of metallurgical silicon by re-melting quartzite or sand, coke and charcoal, and then converting it as a raw material into polycrystalline silicon;
• growing of polycrystalline silicon single-crystal ingots by the Czochralski method or zone melting;
• production of silicon wafers from ingots.

All three stages are associated with operations of grinding or crushing, while:

• minimization of re-grinding is required;
• requires minimization of silicon contamination.

Within the framework of the innovative project information on the project on the site of the National Academy of Sciences of Ukraine

The Institute developed an electric discharge method for the disintegration of metallurgical silicon, the pilot equipment was manufactured and delivered to the partner.

Brief information on the development and scope of its application

The development is based on the development of scientific ideas about the mechanisms of conduction electrocurrent processing of silumin melts in casting technologies.

As numerous experimental studies have shown, conduction electrocution (KETO) of molten metal in the liquid state and during crystallization in foundry production can be used as an effective tool for improving the operational properties of cast metal. 

The KETO method under certain conditions can successfully compete with ultrasonic treatment, heat treatment, magnetodynamic processing, etc., at the optimal "price-quality" ratio.  Although, as you know, there are no universal methods for treating molten metal.

 When electric current passes through the melt, complex processes arise (electrodynamic, thermal, acoustic, hydrodynamic and electric), which actively affect directly the atomic and electronic structure of the melt.  This can, first of all, ensure a positive change in the crystal structure of the metal.  As a result, the number of nucleation centers increases, the phase morphology improves, homogenization of the melt, degassing, etc.

Краткая информация о разработке и сфере ее применения

Значительные запасы различных месторождений каменного и бурого угля обосновывают возможность эффективной замены водно-угольным топливом местами дорогостоящих либо недоступных традиционных энергоносителей (природный газ и мазут).

Водно-угольная суспензия с необходимыми реологическими характеристиками, достаточными для ее сжигания в жидкотопливных и газовых водонагревательных котлах теплоэлектроцентралей или районных электростанций может быть приготовлена на основе тонко измельченного каменного и бурого угля.

По технико-экономическим показателям электроразрядный способ производства водно-угольного топлива имеет преимущества перед традиционными энергоемкими способами и может быть включен в состав крупных научно-технических инновационных проектов по переоснащению энергогенерирующих предприятий и предприятий жилищно-коммунального комплекса с целью перевода их на местные энергоносители вместо импортируемых мазута и газа.

Традиционно применяют следующую технологическую последовательностьх измельчения:

Краткая информация о разработке и сфере ее применения

Переход на эффективные уровни развития производств влечет за собой увеличение потребления энергии, а значит и истощение ее традиционных источников (угля, нефти, газа). В качестве их альтернативы значительное место отводится солнечной энергии.

Для эффективного ее использования требуются специальные преобразователи – солнечные батареи, основным элементом которых является чистый кремний. Его получение сопряжено с высокими требованиями по чистоте производства.

Выделяют три основных этапа производства чистого кремния:

• получение металлургического кремния путем переплава кварцита или песка, кокса и древесного угля с последующим преобразованием его как исходного материала в поликристаллический кремний;
• выращивание из поликристаллического кремния монокристаллических слитков методом Чохральского или зонной плавки;
• изготовление кремниевых пластин из слитков.

Все три этапа сопряжены с операциями измельчения или дробления, при этом:

• требуется минимизация переизмельчения;
• требуется минимизация загрязнения кремния.

В рамках инновационного проекта информация о проекте на сайте НАН Украины

в Институте был разработан электроразрядный способ дезинтеграции металлургического кремния, изготовлено и поставлено партнеру пилотное оборудование

Электрогидравлический пресс Т1226А – 40 кДж/импульс, вес 9000 кг.
Участие в выставках:

1988-1989 гг. ВДНХ, "Низкотемпературная плазма – основа новых технологий";
1989-1990 гг. Берлин, Выставочный стенд Торгово-промышленной палаты СССР;
1989 г. Выставка к 200-летию г. Николаева...

Краткая информация о разработке и сфере ее применения

Электроразрядное воздействие на призабойную зону скважин предназначено для интенсификации добычи углеводородных полезных ископаемых за счет увеличения системы трещин или каналов, очистки перфорационных отверстий и фильтров от кольматирующих осадков.

Элементы устройства "Скиф-100М" и работа с устройством на скважине

Электроразрядный способ реализуется в скважине, заполненной жидкостью, путем интенсивного импульсного воздействия на зону раскрытия продуктивного пласта циклических волн сжатия, генерируемых высоковольтным электрическим разрядом.

Способ реализуется электроразрядным погружным устройством  "Скиф-100 М" в скважинах, остановленных для подземного или капитального ремонта в породах любого типа с начальной проницаемостью более 0,1·10^-15 м².

Краткая информация о разработке и сфере ее применения

Углеродные наноматериалы полученные из газообразных углеводородов имеют в своём составе как наноуглерод луковичной структуры, так и графеновые структуры. 

Возможное применение – присадки к топливу, к смазочным материалам, покрытия для поглощения электромагнитного излучения.
Инновационной составляющая образца – возможность регулировать фазовый состав продукта в условиях высокой производительности и низких удельных энергозатрат

1 - силовой преобразователь; 2 - высоковольтный трансформатор; 3 - реактор; 4 - пылевой фильтр;
5 - устройство утилизации; 6 - баллон с исходным сырьём

Прогрессивность разработки в Мире

Результаты опытных обработок газовой смеси с применением электроразрядного воздействия показали возможность обеспечить производство 1 кг углеродного нанопорошка с энергозатратами до 85 кВт·ч с расходом сырья не более 500 дм3.

Ожидаемые характеристики пилотного образца:

• производительность синтеза углеродного порошка – 100 г/час;
• установленная мощность – 5 кВт;
• содержание Onion-Like в продукте – не менее 10 %.

По доступным литературным источникам аналоги с указанными характеристиками не обнаружены.