Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. - Основные характеристики горения (1043377), страница 46

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

Текст из файла (страница 46)

3. Горение металлов

Основные характеристики горения металла зависят от того, в каком агрегатном состоянии находится металл: в твердом состоянии или в паровой фазе.

Горение в паровой фазе тем более вероятно, чем более летуч металл, чем мельче частица и чем меньше теплопотери в окружаю­щую среду. В литературе для описания процесса парофазного го­рения широко используют квазистационарную модель [38, 61]. Для парофазного горения характерны большая скорость реакции, на­личие обособленной светящейся зоны реакции и образование про­дуктов сгорания в виде субмикронного дыма. В зону реакции диф­фундирует окислитель из окружающей среды и пары металла от поверхности капли [15, 61, 62]. Скорость процесса контролируется диффузией окислителя в реакционную зону, и процесс часто называется парофазным диффузионным горением.

При поверхностном горении расплавленная сферическая капля металла заключена в оболочку жидкого окисла. Реакция окисле­ния протекает на границах окисел — газ и металл — окисел и кон­тролируется диффузией металла и кислорода через окисел. Про­цессу свойственны невысокая скорость, ограниченность светящейся зоны пределами горящей частицы и образование продуктов сгора­ния в виде частиц примерно того же размера, что и исходный ме­талл [63].

Каждому механизму горения соответствует определенный за­кон изменения времени горения _г в зависимости .от диаметра ча­стицы dм. Для парофазной реакции _г ~d²_м, для поверхностной_г ~d²_м.

Экспериментальное изучение горения металлов указывает на су­щественные отклонения от предположении о симметричном горе­нии: выбросы горящих паров, вращение частиц, внезапные измене­ния направления движения, вспышки, фрагментация частиц, обра­зование полых окисных сфер. Наиболее важным явлением являет­ся фрагментация, которая уменьшает размер горящих частиц и со­кращает время их горения. Причиной дробления частиц является воздействие металлических паров, а также растворенных в металле газов [63—65].

При горении металла в конденсированных системах наряду с процессами, приводящими к уменьшению размера горящих частиц, протекают и обратные процессы, вызывающие увеличение размера горящих частиц. Таким процессом является агломерация металли­ческих частиц на поверхности горения конденсированной системы, обнаруженная в 1962 г. в ИХФ АН СССР П. Ф. Похилом, В. М. Мальцевым и др. [66].

Металлические частицы, входящие в состав металлизированной конденсированной системы, при горении слипаются и образуют агломераты с промежуточными продуктами разложения компонен­тов конденсированной системы. При попадании в зону высоких температур металл, диспергированный в агломерате, расплавляет­ся и сливается в одну каплю. Если температура поверхности горе­ния выше, чем температура плавления металла, слияние металли­ческих частиц происходит уже на поверхности. Слияние металли­ческих частиц на поверхности происходит в основном накоплением металла на поверхности [22, 66, 67]; некоторую роль играет также движение по поверхности [26, 27].

Горение частиц алюминия сопровождается выбросами паров, вспышками, некоторым дроблением частиц. Ширина следа горящей частицы достигает трех диаметров частицы [7]. Значение показате­ля степени п в зависимости _г ~dⁿ_м колеблется от 2 до 1,5 [5,62]. В продуктах горения присутствуют сферы, сплошные или полые, по размеру близкие к исходным частицам, и мелкий дым, размер частиц которого меньше 1 мкм [5,36]. Перечисленные особенности [характер треков, вид продуктов сгорания, характер зависимости _г =f(d_м) показывают, что алюминий может гореть как с поверх­ности, так и в паровой фазе.

В конденсированных смесях мелкие частицы алюминия воспла­меняются вблизи поверхности горения смеси при температуре около 1300 К. крупные — на значительном удалении от поверхности [18, 22] при температурах вплоть до температуры плавления Аl2Оз.

Достаточно интенсивное поверхностное окисление алюминия в кон­денсированных смесях (металлизированные твердые топлива) на­чинается уже в реакционном слое конденсированной фазы, где окисляется 4— 6% всего металла, что дает около 25% тепла, выде­ляемого этой фазой [20, 68]. При горении баллиститных порохов алюминий в конденсированной фазе не реагирует [22].

Бериллий горит как на поверхности частицы, так и в паровой фазе, в целом подобно алюминию [5, 38, 69], но доля парофазных реакций у него меньше, поскольку бериллий кипит при большей температуре. Это подтверждается меньшей шириной трека, равной l,2÷2,0 d_м. [5, 69], отсутствием поворотов частиц и их дробления [5, 35], характером продуктов сгорания. В конденсированных смесях бериллий воспламеняется на значительном удалении от поверх­ности горения смеси при температуре, близкой к температуре кипе­ния бериллия [48].

Магний горит практически всегда в паровой фазе [9, 14, 36], что связано с низкой температурой кипения магния, которая достигает­ся уже на ранних стадиях горения, сразу же после воспламенения. В пользу парофазного горения магния свидетельствуют значение п в зависимости _г ~dⁿ_м, равное или даже превышающее 2; большая ширина треков, достигающая 10—15 диаметров горящих частиц; вид треков (большая яркость зоны реакции, несимметричность, вымпелы, вращение частиц, внезапные повороты, вспышки, взры­вы) ; характер продуктов горения, представляющих собой дым с ча­стицами мельче 1 мкм [9, 36, 48].

Очень высокая температура кипения циркония (3850 К) приво­дит к тому, что он практически всегда горит на поверхности метал­ла, хотя при высоких концентрациях кислорода и малых размерах частиц возможно горение циркония и в паровой фазе [14, 18, 70]. Доказательством горения циркония на поверхности частиц являют­ся отсутствие окисного дыма и образование всей массы продуктов сгорания в виде плотных сфер, примерно такого же размера, как и начальные металлические частицы; отсутствие вспышек; узкий гу­стой ровный трек [70]. Аналогично горению циркония протекает горение титана.

Для бора характерна смена механизмов горения в зависимости от агрегатного состояния окисной пленки. При температурах ниже температуры кипения окисла наблюдается медленное горение; бо­лее интенсивное горение протекает при испаряющемся окисле. И в том, и в другом случае горение идет на поверхности частиц [7, 71], так как температура кипения металла выше температуры кипения окисла, но возможен и частичный переход горения бора в паровую фазу [55, .60]. Зависимость _г =f(d_м) меньше квадратичной; ширина трека равна диаметру горящей частицы [7, 69].

Среди металлических сплавов наиболее широко изучено горе­ние сплавов алюминия с магнием. В работе [9] показано, что сплав Al+Mg (50:50) горит в две стадии: вначале быстро горит магний, образуя диффузионное пламя и разрушая частицу, а алюминий

рассеивается в виде мелких частиц, которые продолжают гореть бо­лее медленно. Спектроскопические исследования [72] подтвержда­ют, что в начале процесса преобладает горение магния, а по мере его выгорания все более увеличивается доля горящего алюминия. По мнению авторов работы [11], присутствие в продуктах сгорания двойных окислов MgAl₂O₄, обнаруженное рентгеноструктурньм анализом, служит доказательством невозможности постадийного парофазного горения алюминия и магния, поскольку рекомбинация простых окислов алюминия и магния маловероятна. Однако этот аргумент недостаточно убедителен, так как пары обоих окислов в отдельности могут быть ненасыщенными по отношению к их чистым веществам, а при смешении паров может начаться конденсация жидкой фазы промежуточного состава, для которой пересыщение больше единицы [73]. Кроме того, двойной окисел может образо­ваться при предпламенном поверхностном окислении, предшеству­ющем парофазному горению.

§ 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕКОТОРЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ГОРЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

1. Окисление металлов в динамическом режиме

Существенным недостатком большинства методов, применяемых для исследования предпламенного окисления металлов, и данных, полученных этими методами, является то, что окисление металлов изучается в изотермических условиях, в то время как в реальных ус­ловиях предпламенное окисление, воспламенение и горение метал­лов протекают сугубо неизотермически. Надо учитывать, что с из­менением температуры существенно изменяется и течение процесса окисления. Если при комнатной температуре большинство металлов окисляется по логарифмической зависимости, то с ростом темпера­туры меняются защитные свойства окисной пленки и соответствен­но меняется и закон окисления: от логарифмического к кубическо­му и параболическому и далее — к линейному. Поэтому большой интерес представляют данные по окислению металлов, полученные в неизотермических условиях.

Для исследования окисления металлов в неизотермических ус­ловиях разработан метод, описанный в работе [74]. Для оценки скорости роста окисной пленки на металлических частицах в усло­виях динамического нагрева применено микрофотографирование частиц. Установка показана на рис. IV.1. Металлические частицы размером 0,1—0,5 мм помещают на графитовую пластинку, нагре­ваемую со скоростью от, 20 до 90° С/с. Температура пластинки-на­гревателя фиксируется термопарой, а перепад температур между пластинкой и частицей определяется заранее при наблюдении за плавлением частиц с известными температурами плавления.

Поведение частиц исследуемых металлов в процессе нагрева изучается при помощи их фотографирования камерой РФК-5 под оптическим микроскопом МБС-2. Наблюдается и регистрируется изменение размера и формы частиц, структуры их поверхности. После опыта частицы измеряют и взвешивают.

Описанным методом авторы исследовали процесс окисления алюминия, магния, циркония, титана. Оценивались скорость роста окисной пленки (по изменению размера частицы) (рис. IV.2) и по­ведение частиц.

Частица алюминия при нагреве до 500 К существенно не изме­няется, затем в интервале 500—800 К идет заметный рост окисной

Рис. IV.I. Схема установки для исследования роста окисных пленок на частицах

металлов:

1 — кинокамера РФК-5; 2 — микроскоп МБС-2; 3 — нагревательная ячейка (а — пружина; б — держатель; в — асбестовая втулка; г — медный токопровод; д — медный держатель; в — графитовая пластинка); 4 — термопары; 5 — потенциометр; 6 — быстродействующий само­писец Н373-1; 7 — универсальный блок питания.

пленки. При температуре 900—1000 К происходит растрескивание пленки и вздутие частиц, связанное с разницей в степени теплового расширения металла и окисла и с увеличением объема металличе­ской фазы при плавлении. Вследствие возникновения внутренних напряжений частицы двигаются по поверхности нагревателя. В интервале 1000—1200 К продолжается растрескивание частиц, ко­торое сопровождается вытеканием металла через трещины в окисной пленке.

Частица магния при нагревании значительно увеличивает раз­мер. Окисление протекает по линейному закону (<1). При темпе­ратуре 640—660 К начинается пульсирующее изменение размера частиц, когда наряду с продолжающимся увеличением частицы мо­жет происходить и ее уменьшение. Такая пульсация, по-видимому, вызвана испарением металла. С ростом температуры амплитуда пульсации увеличивается.

Частицы циркония и титана при нагревании ведут себя весьма похоже. Вследствие растворимости окислов в металле, окисление не тормозится с ростом количества образовавшегося окисла (кро­ме низких температур — до 500 К, когда растворимость окисла в металле весьма мала). Реакция окисления протекает весьма интен­сивно, о чем свидетельствует свечение частиц, начинающееся с 570 К для циркония и с 650 К для титана. При дальнейшем нагре­вании происходит значительный рост окисной пленки, однако большая теплоотдача в окружающую среду препятствует переходу

Характеристики

Список файлов книги