Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Товароведение arrow Теория горения и взрыва

Горение алюминия

Горение алюминия в воздухе

В отличие от магния, одиночные частицы алюминия при нагревании в воздухе или водяном паре до 2100 К не воспламеняются. Для поджигания алюминия использовали горящие частицы магния. Последние помещали на поверхности нагревательного элемента, а частицы алюминия – на острие иглы на расстоянии 10-4 м над первыми.

Воспламенение частиц алюминия при его поджигании происходит в паровой фазе, причем интенсивность зоны свечения, появляющейся вокруг частицы, увеличивается медленно. Стационарное горение характеризуется существованием зоны свечения, которая не изменяет своих размеров почти до полного выгорания металла. Отношение размеров зоны свечения и частицы составляет 1,6-1,9. В зоне свечения образуются мелкие капельки оксида, которые при столкновении сливаются.

Остаток после сгорания частицы представляет собой полую оболочку, не содержащую внутри металла. Зависимость времени горения частицы от ее размера выражается формулой (горение симметричное).

Горение алюминия в водяном паре

Воспламенение алюминия в водяном паре происходит гетерогенно. Выделяющийся при реакции водород способствует разрушению оксидной пленки; при этом жидкий оксид (или гидроксид) алюминия разбрызгивается в виде капель диаметром до 10-15 мкм. Такие разрушения оксидной оболочки периодически повторяются. Это говорит о том, что значительная доля металла сгорает па поверхности частицы.

В начале горения отношение rсв/r0 равно 1,6-1,7. В процессе горения размер частицы уменьшается, а отношение гсв/?о растет до 2,0-3,0. Скорость горения алюминиевой частицы в водяном паре почти в 5 раз больше, чем в воздухе.

Горение алюминиево-магниевых сплавов

Горение алюминиево-магниевых сплавов в воздухе

Воспламенение частиц алюминиево-магниевых сплавов переменного состава в воздухе, кислород-аргонных смесях, водяном паре и диоксиде углерода протекает, как правило, аналогично воспламенению частиц магния. Началу воспламенения предшествуют окислительные реакции, протекающие на поверхности.

Горение алюминиево-магниевых сплавов существенно отличается от горения как алюминия, так и магния и сильно зависит от соотношения компонентов в сплаве и от параметров окислительной среды. Важнейшей особенностью горения частиц сплавов является двустадийность процесса (рис. 2.6). На первой стадии частица окружена совокупностью факелов, образующих неоднородную зону свечения продуктов реакции. Сравнивая характер и размеры зоны свечения, окружающей частицу сплава во время первой стадии горения, с характером и размером светящейся зоны вокруг горящей частицы магния (см. рис. 2.4), можно заключить, что на этой стадии из частицы выгорает в основном магний.

Горение частицы сплава 30% А1 + 70% Mg при нормальном атмосферном давлении в смеси, содержащей по объему 15% O2 и 85% Аr

Рис. 2.6. Горение частицы сплава 30% А1 + 70% Mg при нормальном атмосферном давлении в смеси, содержащей по объему 15% O2 и 85% Аr:

1, 2 – выгорание магния; 3-6 – выгорание алюминия

Особенностью первой стадии горения сплава является постоянство размеров частицы и зоны пламени. Это означает, что жидкая капля сплава заключена внутри твердой оксидной оболочки. В оксидной пленке преобладает оксид магния. Через дефекты пленки происходит истечение магния, сгорающего в парофазном диффузионном пламени.

В конце первой стадии увеличивается протекание гетерогенных реакций, о чем свидетельствует появление очагов яркого свечения па поверхности частицы. Тепло, выделяющееся при гетерогенных реакциях, способствует нагреванию частицы до температуры плавления оксида и началу второй стадии горения.

На второй стадии горения частицу окружает однородная, более яркая зона свечения, которая уменьшается по мере выгорания металла. Однородность и сферичность зоны пламени показывают, что оксидная пленка на поверхности частицы расплавлена. Диффузия металла через пленку обеспечивается низким диффузионным сопротивлением жидкого оксида. Размер зоны пламени значительно превышает размер частицы, что говорит о горении металла в паровой фазе. Сравнение характера второй стадии горения с известной картиной горения алюминия указывает на большое сходство, вероятно, на этой стадии процесса горит алюминий. По мере его выгорания происходит уменьшение размеров пламени, а следовательно, и горящей капли. Сгоревшая частица длительное время светится.

Изменение размеров зоны свечения частицы, горящей в соответствии с описанным механизмом, является сложным (рис. 2.7). После воспламенения величина rсв/r0 быстро (за -0,1 мс) достигает максимального значения (участок аб). Далее в основное время первой стадии горения отношение rсв/r0 остается постоянным (участок бв). Когда выгорание магния заканчивается, rcв/r0 уменьшается до минимума (точка г), а затем, с началом горения алюминия, возрастает (участок гд). Наконец, но мере выгорания алюминия rсв/r0 монотонно уменьшается (участок де) до конечного значения, соответствующего размеру образовавшегося оксида.

Зависимость отношения радиуса зоны свечения к начальному радиусу частицы алюминиево-магниевого сплава от относительного времени ее горения q

Рис. 2.7. Зависимость отношения радиуса зоны свечения к начальному радиусу частицы алюминиево-магниевого сплава от относительного времени ее горения q:

1 – сплав 30% Al + 70% Mg, воздух; 2 – сплав 30% А1 + 70% Mg, смесь 15% O2 + 85% Аr; 3 – сплав 50% А1 + 50% Mg, воздух

Механизм и параметры процесса горения алюминиевомагниевых сплавов существенно зависят от состава сплава. Со снижением содержания магния в сплаве уменьшается размер зоны свечения во время первой стадии горения и продолжительность этой стадии. При содержании магния в сплаве менее 30% процесс остается двухстадийным, но становится прерывистым. В конце первой стадии зона свечения уменьшается до размера самой частицы, процесс горения прекращается, и выгорание алюминия происходит только после повторного воспламенения частицы. Частицы, которые повторно не воспламеняются, представляют собой полые пористые оксидные оболочки, содержащие внутри капли несгоревшего алюминия.

Зависимость времени горения частиц от их начального диаметра выражается следующими эмпирическими формулами:

Горение алюминиево-магниевых сплавов в смесях кислорода с аргоном, в водяном паре и в диоксиде углерода.

Характер горения частиц алюминиево-магниевых сплавов в кислород-аргонных смесях таков же, как и в воздухе. С уменьшением содержания кислорода размер зоны свечения во время выгорания магния заметно уменьшается. Зависимость времени горения частиц сплава 50% А1 + 50% Mg от размеров частиц и содержания кислорода в смеси в объемных процентах выражается формулой

(2.2)

Горение сплавов в водяном паре существенно отличается (рис. 2.8). Образующаяся во время первой стадии оксидная пленка разрушается водородом, и частица приобретает вид коралла. Оставшийся в коралле алюминий воспламеняется только спустя 1-10 мс после окончания первой стадии. Такая прерывистость процесса характерна для сплавов любого состава.

Горение частиц алюминиево-магниевого сплава (50 : 50) сферической (а) и неправильной (б) форм в среде водяного пара при нормальном атмосферном давлении

Рис. 2.8. Горение частиц алюминиево-магниевого сплава (50 : 50) сферической (а) и неправильной (б) форм в среде водяного пара при нормальном атмосферном давлении:

1 – исходная частица; 2 – частица перед воспламенением; 3 – выгорание магния; 4 – выгорание алюминия; 5 – коралл, образующийся после частицы

При горении алюминиево-магниевых сплавов в диоксиде углерода из частицы выгорает только магний, после чего процесс горения прекращается.

Горение алюминиево-магниевых сплавов в высокотемпературном пламени

Для исследования процесса горения металлических частиц при высоких температурах под частицей, насаженной на острие иглы, сжигалась прессованная таблетка из смесей перхлората аммония и уротропина, имеющих расчетные температуры горения 2500, 2700 и 3100 К.

Горение частиц алюминиево-магниевых сплавов в этих условиях происходит, как правило, со взрывом. Наличие взрыва характерно для частиц всех составов. В результате взрыва образуется значительная по размерам зона свечения, что является признаком преобладания парофазного горения. Фотографии горящей частицы в начале горения (рис. 2.9, а) показывают, что на всей поверхности оксидной оболочки протекают гетерогенные реакции. За счет тепла гетерогенных реакций происходит бурное испарение металла (рис. 2.9, б), способствующее разрыву оксидной оболочки и разбрызгиванию неиспарившейся капли (рис. 2.9, в).

Горение частицы сплава 95% Al с 5% Mg в окислительном пламени (температура 2700 К)

Рис. 2.9. Горение частицы сплава 95% Al с 5% Mg в окислительном пламени (температура 2700 К):

а – начальная стадия горения; б – стационарное горение; в – дробление

По мнению Б. Г. Лрабея, С. Е. Салибекова и Ю. В. Ленинского[1], дробление частиц алюминиево-магниевых сплавов вызывается очень большой разностью температур кипения магния и алюминия, вследствие чего кипение магния при нахождении частицы в зоне высоких температур носит взрывной характер и приводит к дроблению оставшегося алюминия. Температура 2500 К уже достаточна для возникновения взрывного горения, что вполне естественно, поскольку эта температура превышает температуру кипения обоих компонентов.

  • [1] Арабей Б. Г., Салибеков С. Е., Левинский Ю . В. Некоторые характеристики воспламенения и горения металлической пыли // Порошковая металлургия. 1964. № 3. С. 109-118.
 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы