Горіння алюмінію

Горіння алюмінію в повітрі

На відміну від магнію, одиночні частинки алюмінію при нагріванні в повітрі або водяній парі до 2100 К не запалюються. Для підпалювання алюмінію використовували палаючі частки магнію. Останні поміщали на поверхні нагрівального елемента, а частки алюмінію - на вістрі голки на відстані 10-4 м над першими.

Займання частинок алюмінію при його підпалюванні відбувається в паровій фазі, причому інтенсивність зони світіння, що з'являється навколо частинки, збільшується повільно. Стаціонарне горіння характеризується існуванням зони світіння, яка не змінює своїх розмірів майже до повного вигоряння металу. Відношення розмірів зони світіння і частинки становить 1,6-1,9. У зоні світіння утворюються дрібні крапельки оксиду, які при зіткненні зливаються.

Залишок після згоряння частинки являє собою порожню оболонку, що не містить усередині металу. Залежність часу горіння частинки від її розміру виражається формулою (горіння симетричне).

Горіння алюмінію у водяній парі

Займання алюмінію у водяній парі відбувається гетерогенно. Виділяється при реакції водень сприяє руйнуванню оксидної плівки; при цьому рідкий оксид (або гідроксид) алюмінію розбризкується у вигляді крапель діаметром до 10-15 мкм. Такі руйнування оксидної оболонки періодично повторюються. Це говорить про те, що значна частка металу згорає па поверхні частинки.

На початку горіння ставлення Rсв / r 0 одно 1,6-1,7. У процесі горіння розмір частинки зменшується, а ставлення ГСВ /? Про зростає до 2,0-3,0. Швидкість горіння алюмінієвої частинки у водяній парі майже в 5 разів більше, ніж у повітрі.

Горіння алюмінієво-магнієвих сплавів

Горіння алюмінієво-магнієвих сплавів в повітрі

Займання частинок алюмінієво-магнієвих сплавів змінного складу в повітрі, кисень-аргонних сумішах, водяній парі і діоксид вуглецю протікає, як правило, аналогічно займання частинок магнію. Початку займання передують окислювальні реакції, що протікають на поверхні.

Горіння алюмінієво-магнієвих сплавів істотно відрізняється від горіння як алюмінію, так і магнію і сильно залежить від співвідношення компонентів у сплаві і від параметрів окисної середовища. Найважливішою особливістю горіння частинок сплавів є двустадійность процесу (рис. 2.6). На першій стадії частка оточена сукупністю факелів, що утворюють неоднорідну зону світіння продуктів реакції. Порівнюючи характер і розміри зони світіння, навколишнього частинку сплаву під час першої стадії горіння, з характером і розміром світиться зони навколо палаючої частинки магнію (див. Рис. 2.4), можна зробити висновок, що на цій стадії з частинки вигорає в основному магній.

Горіння частинки сплаву 30% А1 + 70% Mg при нормальному атмосферному тиску в суміші, яка містить за обсягом 15% O2 і 85% Аr

Рис. 2.6. Горіння частинки сплаву 30% А1 + 70% Mg при нормальному атмосферному тиску в суміші, яка містить за обсягом 15% O 2 і 85% Аr:

1, 2 - вигоряння магнію; 3-6 - вигоряння алюмінію

Особливістю першій стадії горіння сплаву є сталість розмірів частинки і зони полум'я. Це означає, що рідка крапля сплаву міститься всередині твердої оксидної оболонки. У оксидної плівці переважає оксид магнію. Через дефекти плівки відбувається витікання магнію, згорає в Парофазная дифузійному полум'ї.

Наприкінці першої стадії збільшується протікання гетерогенних реакцій, про що свідчить поява вогнищ яскравого світіння па поверхні частинки. Тепло, що виділяється при гетерогенних реакціях, сприяє нагріванню частинки до температури плавлення оксиду і початку другої стадії горіння.

На другій стадії горіння частинку оточує однорідна, більш яскрава зона світіння, яка зменшується в міру вигоряння металу. Однорідність і сферичність зони полум'я показують, що оксидна плівка на поверхні частинки розплавлена. Дифузія металу через плівку забезпечується низьким дифузійним опором рідкого оксиду. Розмір зони полум'я значно перевищує розмір частки, що говорить про горіння металу в паровій фазі. Порівняння характеру другій стадії горіння з відомою картиною горіння алюмінію вказує на велику схожість, ймовірно, на цій стадії процесу горить алюміній. У міру його вигоряння відбувається зменшення розмірів полум'я, а отже, і палаючої краплі. Згоріла частинка тривалий час світиться.

Зміна розмірів зони світіння частинки, палаючої відповідно до описаного механізмом, є складним (рис. 2.7). Після запалення величина r св / r 0 швидко (за -0,1 мс) досягає максимального значення (ділянка аб). Далі в основний час першій стадії горіння ставлення r св / r 0 залишається постійним (ділянка бв). Коли вигоряння магнію закінчується, r cв / r 0 зменшується до мінімуму (точка г), а потім, з початком горіння алюмінію, зростає (ділянка гд). Нарешті, але міру вигоряння алюмінію r св / r 0 монотонно зменшується (ділянка де) до кінцевого значення, що відповідає розміру утворився оксиду.

Залежність відносини радіуса зони світіння до початкового радіусу частинки алюмінієво-магнієвого сплаву від відносного часу її горіння q

Рис. 2.7. Залежність відносини радіуса зони світіння до початкового радіусу частинки алюмінієво-магнієвого сплаву від відносного часу її горіння q:

1 - сплав 30% Al + 70% Mg, повітря; 2 - сплав 30% А1 + 70% Mg, суміш 15% O2 + 85% Аr; 3 - сплав 50% А1 + 50% Mg, повітря

Механізм і параметри процесу горіння алюмініевомагніевих сплавів суттєво залежать від складу сплаву. Зі зниженням вмісту магнію в сплаві зменшується розмір зони світіння під час першої стадії горіння і тривалість цієї стадії. При вмісті магнію в сплаві менше 30% процес залишається двохстадійною, але стає переривчастим. Наприкінці першої стадії зона світіння зменшується до розміру самої частинки, процес горіння припиняється, і вигорання алюмінію відбувається тільки після повторного займання частинки. Частинки, які повторно не запалюються, являють собою порожнисті пористі оксидні оболонки, що містять всередині краплі незгорілого алюмінію.

Залежність часу горіння частинок від їх початкового діаметра виражається наступними емпіричними формулами:

Горіння алюмінієво-магнієвих сплавів в сумішах кисню з аргоном, у водяній парі і в діоксиді вуглецю.

Характер горіння частинок алюмінієво-магнієвих сплавів в кисень-аргонних сумішах такий же, як і в повітрі. Зі зменшенням вмісту кисню розмір зони світіння під час вигорання магнію помітно зменшується. Залежність часу горіння частинок сплаву 50% А1 + 50% Mg від розмірів частинок і вмісту кисню в суміші в об'ємних відсотках виражається формулою

(2.2)

Горіння сплавів у водяній парі істотно відрізняється (рис. 2.8). Утворюється під час першої стадії оксидна плівка руйнується воднем, і частка набуває вигляду корала. Що залишився в коралі алюміній запалюється тільки через 1-10 мс після закінчення першої стадії. Така уривчастість процесу характерна для сплавів будь-якого складу.

Горіння частинок алюмінієво-магнієвого сплаву (50: 50) сферичної (а) і неправильної (б) форм в середовищі водяної пари при нормальному атмосферному тиску

Рис. 2.8. Горіння частинок алюмінієво-магнієвого сплаву (50: 50) сферичної (а) і неправильної (б) форм в середовищі водяної пари при нормальному атмосферному тиску:

1 - вихідна частка; 2 - частка перед займанням; 3 - вигоряння магнію; 4 - вигоряння алюмінію; 5 - корал, що утворюється після частинки

При горінні алюмінієво-магнієвих сплавів в діоксиді вуглецю з частинки вигорає тільки магній, після чого процес горіння припиняється.

Горіння алюмінієво-магнієвих сплавів у високотемпературному полум'я

Для дослідження процесу горіння металевих частинок при високих температурах під частинкою, насадженої на вістрі голки, спалювалася пресована таблетка із сумішей перхлората амонію і уротропіну, що мають розрахункові температури горіння 2500, 2700 і 3100 К.

Горіння частинок алюмінієво-магнієвих сплавів в цих умовах відбувається, як правило, з вибухом. Наявність вибуху характерно для частинок всіх складів. В результаті вибуху утворюється значна за розмірами зона світіння, що є ознакою переважання парофазного горіння. Фотографії палаючої частинки на початку горіння (рис. 2.9, а) показують, що на всій поверхні оксидної оболонки протікають гетерогенні реакції. За рахунок тепла гетерогенних реакцій відбувається бурхливий випаровування металу (рис. 2.9, б), що сприяє розриву оксидної оболонки і розбризкуванню невипарувалися краплі (рис. 2.9, в).

Горіння частинки сплаву 95% Al з 5% Mg в окислювальному полум'я (температура 2700 К)

Рис. 2.9. Горіння частинки сплаву 95% Al з 5% Mg в окислювальному полум'я (температура 2700 К):

а - початкова стадія горіння; б - стаціонарне горіння; в - дроблення

На думку Б. Г. Лрабея, С. Є. Салібекова і Ю. В. Ленінського [1], дроблення частинок алюмінієво-магнієвих сплавів викликається дуже великою різницею температур кипіння магнію і алюмінію, внаслідок чого кипіння магнію при знаходженні частки в зоні високих температур носить вибуховий характер і призводить до дроблення залишився алюмінію. Температура 2500 До вже достатня для виникнення вибухового горіння, що цілком природно, оскільки ця температура перевищує температуру кипіння обох компонентів.

  • [1] Арабей Б. Г., Салібеков С. Є., Левинський Ю. В. Деякі характеристики займання і горіння металевого пилу // Порошкова металургія. 1964. № 3. С. 109-118.
 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >