Особенности горения металлов в активных средах

Благодаря большой теплоте сгорания металлическое горючее является важной составляющей конденсированных смесей. Это вызывает повышенный интерес к изучению поведения металла в пламени горящих конденсированных систем. Изучение окисления и горения металлических частиц позволяет установить кинетику окисления металла, температуру воспламенения, время задержки воспламенения, время горения, особенности процесса горения металла, параметры конденсации металлического оксида. Знание характеристик горения металла дает возможность оценить их влияние на параметры горения металлизированных систем, т.е. на эффективность использования металлического горючего. Кроме того, рассмотрение детального механизма горения металла позволяет наметить пути улучшения свойств металлического горючего.

Горение ряда металлов в пламени конденсированных смесей изучено довольно широко. Гораздо меньше изучено горение сплавов. Между тем сплавы как металлическое горючее имеют существенные достоинства и применяются все шире. Наиболее интересными сплавами являются двойные сплавы алюминия с магнием. Алюминий является высокотеплотворным металлом, магний при достаточно большой теплоте сгорания обладает проницаемой оксидной пленкой и высокой летучестью, что должно интенсифицировать горение недостаточно активно горящего алюминия.

Исследование горения частиц алюминиево-магниевых сплавов в пламени конденсированной смеси проводилось на образцах смеси перхлората аммония и уротропина. На рис. 2.10 приведены фотографии, показывающие типичные треки горящих частиц. Фотографии а и б получены киносъемкой со скоростью 40 кадров в секунду и показывают воспламенение отдельной металлической частицы вдали от поверхности (я) и па поверхности горящего образца (б). Фотографии в и г получены на фоторегистре и показывают последовательное воспламенение нескольких частиц, помещенных в образец через определенные интервалы (менее яркие треки принадлежат частичкам солей натрия, вводимым в модельную смесь для спектрального определения температуры). На этих фотографиях также можно видеть воспламенение металлических частиц при удалении от поверхности (в) и на самой поверхности (г). Снимки а и в относятся к горению сплава 65% Al + 35% Mg, а снимки б и г – к горению сплава 40% Al + 60% Mg.

Фотографии горящих частиц (Р= 2 МПа, dм = 125 мкм)

Рис. 2.10. Фотографии горящих частиц (Р= 2 МПа, dм = 125 мкм):

а, б киносъемка, время экспозиции 20 мс; в, г – фоторегистрация

На рис. 2.11 приведена зависимость времени задержки воспламенения от химического состава частиц (каждая точка получена как среднее обмеров треков 10-12 частиц, помещаемых в образец). Воспламенение частиц с относительно малым содержанием магния происходит на значительном расстоянии от поверхности горения. С увеличением содержания магния время задержки воспламенения частиц быстро уменьшается, и частицы, содержащие 60-70% магния, воспламеняются непосредственно на поверхности. Воспламеняемость частиц с большим содержанием магния несколько ухудшается. Сравнение результатов, полученных при помощи фоторегистра и киносъемкой, показывает хорошее совпадение. Средние значения периода индукции, определенные киносъемкой, выше, что объясняется наличием межкадровых промежутков.

Зависимость времени задержки воспламенения τ„ от состава частиц (Р = 2 МПа, dM =125 мкм

Рис. 2.11. Зависимость времени задержки воспламенения τ„ от состава частиц = 2 МПа, dM =125 мкм):

1 – киносъемка; 2 – фоторегистрация

Ширина треков горящих частиц в 3-5 раз превышает размер частиц. Границы треков несколько размыты. Характер треков говорит о том, что для большинства сплавов преобладает горение в паровой фазе. С ростом содержания магния в частице ширина треков увеличивается, т.е. увеличивается доля парофазных реакций или скорость их протекания и, следовательно, уменьшается время сгорания частиц. Время сгорания частиц может быть уменьшено и за счет взрывного горения, т.е. дробления частиц во время горения.

Доля частиц, подверженных "взрывному" горению, растет с увеличением содержания магния в сплаве (рис. 2.12), приближаясь к единице, когда в сплаве содержится 55-65% магния, и снова уменьшаясь в области сплавов, очень богатых магнием. Кривая на рис. 2.12, отражающая характер горения, хорошо согласуется с кривой на рис. 2.11, отражающей характер воспламенения металлической частицы.

Похожая зависимость температуры воспламенения от химического состава для алюминиево-магниевых сплавов получена и другими исследователями[1]. Они отмечают, что скорость окисления некоторых алюминиево-магниевых сплавов и их воспламеняемость выше, чем у магния.

Полученные зависимости хорошо объясняются некоторыми физико-химическими свойствами алюминия и магния. Как известно, алюминий имеет плотную, непроницаемую оксидную пленку, затрудняющую окисление металлической частицы даже при весьма малых толщинах пленки. Влияние магния на оксидную пленку усиливается тем, что содержание магния в ней превышает среднее содержание магния в частице.

Зависимость доли η частиц, подверженных

Рис. 2.12. Зависимость доли η частиц, подверженных "взрывному" горению, от состава частиц (Р = 2 МПа)

Летучесть магния значительно превосходит летучесть алюминия; так, при 1300 К упругость паров магния почти на 6 порядков выше, чем упругость паров алюминия: 4,00 • 104 и 6,27 • 10-2 Па соответственно[2]. Поэтому с увеличением содержания магния в частице происходит быстрое увеличение суммарной летучести и соответствующее ускорение течения химических реакций. Ослабление оксидной пленки и увеличение летучести сплава вместе с повышенной реакционной способностью магния приводят к тому, что с ростом содержания магния увеличивается скорость горения частиц.

С увеличением содержания магния свыше 70% горение частиц несколько замедляется. По-видимому, это обусловлено повышением температуры плавления сплава. Как следует из диаграммы состояния, составленной Т. И. Алексеевой и др.[3], при увеличении содержания Mg сверх 70% начинается значительное повышение температуры (температурного интервала) плавления сплава. Это должно задерживать воспламенение и горение частицы, так как при плавлении металла внутри оксидной оболочки происходит заметное увеличение объема металла: для алюминия на 6,4%, а для магния на 4,2%, и возникают усилия, способные вызвать разрушения оксидной оболочки, т.е. облегчающие протекание химических реакций. В результате более позднего плавления частицы, а также продолжающегося снижения теплоты сгорания воспламенение и горение частиц с очень высоким содержанием магния несколько замедляются.

Таким образом, можно сделать следующие выводы о горении алюминиево-магниевых сплавов:

  • 1. Горение частиц алюминиево-магниевых сплавов протекает в две стадии, на первой из которых выгорает в основном магний, а на второй – алюминий. При содержании в сплаве не менее 30% магния процесс горения не прерывается, а при меньшем – возникает разрыв между стадиями.
  • 2. Горение магния и алюминия происходит в основном в паровой фазе. При горении магния твердая оксидная оболочка на частице является неплотной, и магний диффундирует через нее, что приводит к образованию неоднородного пламени, состоящего из отдельных факелов; размер светящейся зоны в течение этой стадии не изменяется. При горении алюминия пленка оксида находится в жидком состоянии и пламя является сферическим и однородным; размер зоны горения уменьшается по мере выгорания частицы.
  • 3. При повышении содержания магния в сплаве увеличивается размер зоны горения и продолжительность первой стадии процесса горения.
  • 4. При повышении температуры окружающей среды горение частиц всех алюминиево-магниевых сплавов при нормальном атмосферном давлении сопровождается дроблением частиц.
  • 5. При повышенных давлениях наиболее интенсивно горят сплавы, содержащие 30-45% алюминия и 55-70% магния.

  • [1] Гуревич XI. А. и др. Статистический метод получения характеристик горения частиц металлов // Физика горения и взрыва. 1969. Т. 5. №3. С. 441-467.
  • [2] Хайкин Б. И., Блошенко В. Н., Мержанов А. Г. О воспламенении частиц металлов // Физика горения и взрыва. 1970. Т. 6. № 4. С. 474-488.
  • [3] Алексеева Т. И., Гуревич М.А., Озеров E. С. Воспламенение частицы алюминия // Труды Ленинград, политехн. инст. 1967. Т. 280. С. 98 112.
 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >