Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. - Основные характеристики горения (1043377), страница 44

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 44)

Горение совокупности частиц изучается либо в предварительно нагретом окислительном газе, при этом металл находится в виде слоя или взвеси частиц (реакционные камеры), либо в продуктах сгорания твердого топлива (бомбы постоянного давления). Пове­дение отдельных частиц рассмотреть не удается; исследуют вза­имодействие между частицами и характеристики горения систе­мы в целом. Процесс изучается термографически или фотографи­чески и позволяет получить представление о температуре воспла­менения, температуре горения и об агломерации частиц.

Промежуточное положение между первой и второй группами занимают методы, изучающие воспламенение и горение неподвиж­ных частиц или капель металла. Процесс осуществляется в хо­лодном газе, объект нагревается джоулевым теплом или световым импульсом. Экспериментальное оформление метода близко к оформлению методов, изучающих горение объемных, элементов. Тепловые условия ближе к тепловым условиям при горении оди­ночных частиц.

Несколько особняком стоят методы, в которых исследуемый металл находится в парообразном состоянии. Здесь удается в значительной степени сократить протекание предпламенных процессов и получить картину горения в своеобразных условиях.

2. Горение металлов

Горение одиночных частиц металла в горелках

Воспламенение и горение металлических частиц в газовых го­релках изучено Мачеком с сотр. [5—8]. Им применена плоскопла­менная газовая горелка, в которой сжигается смесь пропана или окиси углерода с кислородом. В качестве разбавителя использо­вался азот. Продукты сгорания представляли собой: при сжига­нии пропана — 7—37% кислорода, 12—26% водяных паров, ос­тальное-— смесь СО2, СО и азота; при сжигании окиси углерода—16 — 43% кислорода, 42—46% CO2, остальное СО. Температура газа измерялась методом обращения спектральных линий и до­стигала обычно 2,300 К. Скорость окислителя ~10^-2 м/с, давление атмосферное. Нужное число металлических частиц размером в де­сятки мкм отбиралось дозирующим устройством и транспортиру­ющим газом вводилось в ламинарный газовый поток. Процесс фо­тографировался на неподвижную пленку. Продукты сгорания и частицы, погашенные на различных стадиях горения, изучали пу­тем микроскопического и рентгеноструктурного анализа.

Покадровое фотографирование позволило зафиксировать факт воспламенения и тем самым определить температуру воспламене­ния. По месту возникновения следов горящих частиц на фотогра­фиях определяли момент воспламенения и вычисляли время за­держки воспламенения; по длине треков определяли время горе­ния частиц. Вид треков (ширина, яркость, однородность, нали­чие вращения, поворотов, дробление) и вид продуктов неполного и полного сгорания (размер, форма, прозрачность) позволяют соз­дать представление о характере и последовательности процессов, протекающих при горении.

В работе Гордона [9] применена цилиндрическая горелка с кольцеобразным (так называемый «открытый центр») или сплош­ным («закрытый центр») несущим пламенем. В работе [10]) автор заменил сплошное кольцевое пространство, через которое подает­ся окислительный газ, на систему трубок, между ними поступает горючий газ. Газовые горелки различных конструкций были ис­пользованы для изучения горения одиночных металлических ча­стиц и в ряде других работ [11 — 15]. Фотографирование велось на неподвижную или движущуюся пленку, окислительной средой служили смеси, содержащие кислород, углекислый газ, окись уг­лерода, водяной пар, азот, аргон, гелий. Гуревич с сотр. применил для изучения горения металлических частиц аргоно-дуговую плаз­менную горелку, способную развивать температуру до 3000 К

Горение одиночных частиц металла в электронагревателях

В работе [16] для изучения горения металлических частиц, применена трековая установка, предложенная Федосеевым [17]i. В специальных смесителях приготавливается газ заданного соста­ва, который затем поступает в электрические печи и нагревается до заданной температуры (до 1400 К). Нагретый газ вводится в реак­ционную трековую трубу. На начальном участке трубы устанав­ливается дозирующее устройство, подающее металлические части­цы в поток горячего окислительного газа. Воспламенение и горение частиц регистрируется фотокамерой или фотоэлектрическим прибо­ром. Температура воспламенения металлических частиц определя­ется постепенным повышением температуры окислительного газа.

По фотографиям треков частиц или по осциллограмме, показываю­щей яркость свечения частиц, устанавливаются время задержки воспламенения, время горения и характер горения частиц. Преиму­ществом трековых труб является возможность независимого регу­лирования состава окислительного газа и его температуры, что за­труднено в горелках. Однако электронагреватели способны разви­вать значительно меньшую, чем горелки, температуру.

Горение металлических частиц в пламени

Для исследования горения металла в пламени металлические частицы вводятся в топливо при его приготовлении. Чтобы рассмот­реть детали процесса горения каждой отдельной, частицы, металл вводится в виде одиночных частиц [5, 18, 19] (концентрация метал­ла не более 0,01%). Для проведения исследований в реальных ус­ловиях горения конденсированных систем вводится до 20% металла [20—28]. Образцы сжигаются в инертной среде в бомбах постоян­ного давления при умеренно высоких давлениях (до 10 МПа) или в вакууме. Бомбы имеют окна, через которые частицы фотографи­руются на неподвижную или на движущуюся пленку. Температур­ный профиль пламени измеряется спектральными методами. Регу­лирование температуры пламени, а также состава окислительных газов производится изменением состава смеси. Фотографии горящих металлических частиц позволяют определить время задержки вос­пламенения и время горения частиц и установить зависимость па­раметров горения металла от различных факторов — состава газо­образных продуктов сгорания, температуры горения, давления, дис­персности и концентрации металлических частиц.

Металлические частицы могут не только смешиваться с другими компонентами конденсированных систем, но и вводиться непосред­ственно в пламя неметаллизированной смеси [29]. Этот метод не­сколько проще, но требует проверки, не искажает ли характеристик пламени холодный воздух, транспортирующий частицы в пламя.

Горение одиночных неподвижных частиц металла

Нами в работе [30] изучалось горение сферических частиц металла. Частицы помещались на графитовый стержень, который находился в камере с заданной окислительной средой и нагревался джоулевым теплом. Температура стержня измерялась фотоэлектри­ческим пирометром. Частица фотографировалась на движущуюся пленку. Метод позволяет определить температуру воспламенения частицы и видеть детали процесса горения. В работе [31] частицы металла помещались на конце иглы; а в работе [32] подвешивались на проволоке и вводились в горячий окислительный поток. В рабо­те [33] металлические частицы помещались на стеклянной нити и воспламенялись лучом лазера.

Горение капель металла

В работах Нельсона и Прентиса [34, 35] изучено горение метал­лов, находящихся в виде капель. Металлическая фольга плавилась под действием луча лазера или ксеноновой разрядной лампы; кап­ли размером в сотни микрон падали через реакционную камеру, со­держащую окислительный газ. Воспламенение капли достигалось тем же световым потоком. Горение фотографировалось на непо­движную пленку. Капли, сгоревшие до конца или погашенные на различных стадиях горения, подвергались химическому и микроско­пическому анализу. Особенностью метода, использующего для вос­пламенения световой поток, является практически полное отсутст­вие предпламенных процессов, что вызвано большой интенсивно­стью воспламеняющего импульса.

Горение объемных металлических предметов

Горение объемных элементов (проволоки, ленты, стержни) изу­чалось Глассменом с сотр. [36, 37]. В этих работах металлические проволоки и ленты помещались в реакционную камеру с окисли­тельным газом и нагревались джоулевым теплом. За процессом горения проволок или лент наблюдали визуально или фотографи­ровали; продукты сгорания изучали под микроскопом. Полученные данные позволяют создать картину горения металлов в окислитель­ной среде различного состава и при различном давлении. Подоб­ный метод применен в работах [37—40].

Достоинством этого метода является получение наглядных каче­ственных представлений о механизме горения и сравнительная простота эксперимента. Недостатки метода заключаются в отсутст­вии количественных данных .и в том, что холодный газ реакционной камеры вносит искажение в характер предпламенных процессов. Поскольку нагрев металла ведется в окислительной атмосфере, к моменту воспламенения поверхность металла оказывается покры­той окисной пленкой, которая в значительной мере определяет ме­ханизм воспламенения.

В работе [40] изучено воспламенение металлических стержней в момент их разрыва, т. е. воспламенение неокисленной металличе­ской поверхности. Сравнение результатов, полученных для окислен­ной и неокисленной поверхностей, позволяет выявить очень важную роль окисной пленки в воспламенении металлов.

Горение слоя металлических частиц

Для исследования горения слоя металлических частиц широко применяется методика МИСиС [41—46]. Порошок помещался в ре­акционную трубку, на асбестовое дно; трубку вводили в температур­ное поле электропечи. Через слой порошка пропускали окислитель­ный газ заданного состава; предварительно газ прогревался до той же температуры, которую имеет порошок. Порошок подвергался динамическому нагреву, в процессе которого дифференциально-термическим методом определялась температура воспламенения слоя порошка.

При исследовании воспламенения слоя металлического порошка хорошо проявляется «коллективный эффект», т. е. взаимное влия­ние частиц. В результате этого температура воспламенения сово­купности частиц существенно отличается от температуры воспламе­нения одиночных частиц.

При некотором видоизменении метод позволяет изучать влияние пленки окисла металла на воспламенение [47]. Это видоизменение заключается в том, что слой металлического порошка нагревается без доступа окислительного газа, т. е. в инертной атмосфере, а за­тем металл приводится в контакт с окислительным газом, нагретым до той же температуры. Температура порошка и газа — окислителя повышается от опыта к опыту до возникновения воспламенения.

Горение взвеси металлических частиц

В работах [44—46] определена температура воспламенения аэровзвеси металлических частиц. Для этого на металлический по­рошок направлялась струя сжатого газа, которая распыляла поро­шок и подавала аэровзвесь в реакционную камеру с окислительным газом, нагретым до заданной температуры. Температура газа в ка­мере повышалась до тех пор, пока взвесь порошка не воспламеня­лась. Воспламенение фиксировалось визуально.

Горение паров металла

В работе [48] использован метод так называемого диффузион­ного разбавленного пламени. Металл нагревался в инертной атмос­фере при пониженном давлении. Давление выбиралось с таким рас­четом, чтобы температура кипения металла в этих условиях была ниже температуры опыта. Образующиеся пары металла разбавля­лись инертным газом-носителем и вводились в реакционную ка­меру с окислительным газом, нагретым до той же температуры. Горение изучалось визуально но излучению пламени и по виду про­дуктов сгорания. При горении металла в парах удается наблюдать реакцию взаимодействия с окислителем без искажений, вызывае­мых диффузионным барьером в виде окисной пленки.

§ 2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОКИСЛЕНИЯ, ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ГОРЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

1. Низкотемпературное окисление металлов

Образование конденсированных продуктов при окислении ме­талла приводит к тому, что процесс взаимодействия металла с окислителем выводится из кинетической области и течение процесса начинает определяться диффузионным сопротивлением образо­вавшегося окисла.

Сопротивление окисной пленки различных металлов наиболее отчетливо выражается объемным отношением φ, показывающим, как изменится объем металла при окислении и представляющим собой отношение объема окисла к объему металла, из которого этот окисел образовался. При φ <1 окисел не может покрыть металл сплошной пленкой. Пленка имеет пористую, ячеистую структуру и не оказывает суще­ственного сопротивления дальнейшему окислению металла. К ме­таллам, имеющим такую пленку, относятся Mg(φ= 0,81), Ва(φ == 0,78), Са(φ=0,64), Li(φ=0,58) [1, с. 288; 2].При φ>1 пленка покрывает металл сплошным слоем. Поверх­ность свободно растет с внешней стороны. Компактная пленка слу­жит эффективной преградой окислению. Такими окисными плен­ками обладают А1 (при окислении до А1₂О₃, φ = 1,28), Ве(ВеО, φ=l,68),Cu(CuO, φ=1,72), Ni(Ni₂О₃, φ=1,65), Zn(ZnO, φ=1,55) [1, с. 355; 2].При ф>>1 защитные свойства окисла вновь утрачиваются. Это связано с большим увеличением объема при окислении, вызываю­щим разрушающие деформации в пленке. Так ведут себя Cr (при окислении до Cr₂O_3, φ = 3,92), W(WO_3, φ=3,30), V(V₂O₅, φ = 3,19) [1, с. 303; 2].

Другими свойствами, влияющими на защитные характеристики окисной пленки, являются прочность, пластичность окисла, его ад­гезия к металлу, способность окисла к отслаиванию, растворимость окисла в металле. В частности, Ti и Zr, несмотря на то что их окисные пленки должны иметь защитный характер (φ равно 1,72 и 1,45 соответственно), продолжают интенсивно окисляться, так как образующиеся окислы растворимы в металлической фазе.

В зависимости от свойств окисной пленки изменяется кинетиче­ский закон, характеризующий окисление металла во времени. Рых­лая (φ<1 или φ>>1) либо растворимая в металле пленка не оказы­вает сопротивления продвижению окислителя, скорость окисления не зависит от толщины пленки и контролируется скоростью диффу­зии в тонком слое воздуха у поверхности металла. Рост толщины пленки описывается линейной зависимостью. При защитной пленке (φ>1) скорость окисления уменьшается с утолщением окисной пленки и описывается существенно нелинейным (параболическим, кубическим, логарифмическим) законом [1, с. 61].

Характеристики

Список файлов книги