Температура горения алюминия
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.
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.
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.
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).
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.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Горение — алюминий
Массовая скорость испарения пггф материала в режиме кипения определяется скоростью поступления тепла из зоны горения, которая пропорциональна разности температур горения Тг и кипения Тк. Поскольку Тт в рассматриваемой области давлений почти не изменяется, а Тк увеличивается с увеличением давления, то разность Тг-Тк уменьшается с ростом давления и вместе с этим уменьшается скорость газификации ( испарения) металла тгф а ( Тг-ТК) / ЬИСЯ. Таким образом, при увеличении давления происходит приближение зоны горения к поверхности металла и парофазное горение может прекратиться. Следовательно, при горении алюминия существует область давлений, в которой механизм горения алюминия контролируется скоростью его испарения, и в этой области происходит постепенный переход от парофазного горения при наличии кипения к горению в отсутствие кипения, при котором могут преобладать реакции на поверхности металла. [31]
Близкая к этому значению температура горения алюминия приводится в работах [ 11, с. Температуре 3533 К по формуле (1.15), описывающей кривую кипения, соответствует давление р 3 22 МПа. Отсюда ясно, что при давлениях, больших 3 22 МПа. [33]
Во взрывоопасных установках ( внутри помещений и наружных) основными видами электропроводок в сетях напряжением до 1000 в являются электропроводки, выполненные изолированными проводами в стальных трубах или кабелями с бумажной изоляцией. Провода и кабели с алюминиевыми жилами могут применяться во взрывоопасных установках всех классов, кроме помещений классов B-I и В-I a. В помещениях классов B-I и В-I a должны применяться провода и кабели только с медными жилами. Это требование объясняется особыми свойствами горения алюминия . При коротком замыкании между алюминиевыми жилами внутри оболочки оборудования мельчайшие частицы раскаленного алюминия получают весьма большое ускорение и, не успев окислиться ( сгореть) внутри оболочки оборудования, пролетают сквозь фланцевые зазоры наружу. Соединяясь с кислородом воздуха вне оболочки, распыленные частицы раскаленного алюминия сгорают при весьма высокой температуре ( около 2000 С) и могут вызвать воспламенение окружающей взрывоопасной среды. [34]
Температура кипения алюминия монотонно растет с увеличением давления, а температура горения с увеличением давления обычно быстро достигает своего максимального значения, определяемого тепловыми потерями и диссоциацией окислов. По данным работы [10], максимальное значение температуры горения алюминия равно 3533 К. Близкая к этой величине температура горения алюминия приводится в работах [ И, с. Отсюда ясно, что при давлениях, больших 32 2 кгс / см2, алюминий при горении не может кипеть. Связанное с этим уменьшение парциального давления паров алюминия и массовой скорости испарения может привести к преобладающей роли гетерогенных реакций на поверхности расплава и подавлению парофазного горения. [35]
Массовая скорость испарения пггф материала в режиме кипения определяется скоростью поступления тепла из зоны горения, которая пропорциональна разности температур горения Тг и кипения Тк. Поскольку Тт в рассматриваемой области давлений почти не изменяется, а Тк увеличивается с увеличением давления, то разность Тг-Тк уменьшается с ростом давления и вместе с этим уменьшается скорость газификации ( испарения) металла тгф а ( Тг-ТК) / ЬИСЯ. Таким образом, при увеличении давления происходит приближение зоны горения к поверхности металла и парофазное горение может прекратиться. Следовательно, при горении алюминия существует область давлений, в которой механизм горения алюминия контролируется скоростью его испарения, и в этой области происходит постепенный переход от парофазного горения при наличии кипения к горению в отсутствие кипения, при котором могут преобладать реакции на поверхности металла. [36]
В годы войны Зенгер существенно улучшил свою конструкцию и построил весьма эффективный двигатель с тягой — — в-4 — Л Эймс, двигательL был испытан на новом ракетном топливе, состоявшем из порошкообразного алюминия, взвешенного в жидком топливе. Такое сочетание было впервые предложено В. Циммерманом в 1937 г. ( Американское Ракетное общество), причем идея этой топливной смеси сводится к увеличению скорости реактивной струи путем использования интенсивного тепловыделения при горении алюминия . [38]
Температура кипения алюминия монотонно растет с увеличением давления, а температура горения с увеличением давления обычно быстро достигает своего максимального значения, определяемого тепловыми потерями и диссоциацией окислов. По данным работы [10], максимальное значение температуры горения алюминия равно 3533 К. Близкая к этой величине температура горения алюминия приводится в работах [ И, с. Отсюда ясно, что при давлениях, больших 32 2 кгс / см2, алюминий при горении не может кипеть. Связанное с этим уменьшение парциального давления паров алюминия и массовой скорости испарения может привести к преобладающей роли гетерогенных реакций на поверхности расплава и подавлению парофазного горения. [39]
На второй стадии горения частицу окружает однородная, более яркая зона свечения, которая уменьшается по мере выгорания металла. Однородность и сферичность зоны пламени показывают, что окисная пленка на поверхности частицы расплавлена. Диффузия металла через пленку обеспечивается низким диффузионным сопротивлением жидкого окисла. 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 [6, 14, 36] 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. [41]
В раобте и ], при увеличении содержания ing; сверх 70 % начинается значительное повышение температуры ( температурного интервала) плавления сплава. В результате более позднего плавления частицы, а также продолжающегося снижения теплоты сгорания, воспламенение и горение частиц с очень высоким содержанием магния несколько замедляются. 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 магния не менее 30 % процесс горений не прерывается, а при меньшем — возн-икает разрыв между стадиями. Горение магния и алюминия происходит в основном в паровой фазе. При горении магния твердая окисная оболочка на частице является неплотной, и магний диффундирует через нее, что приводит к об разованию неоднородного пламени, состоящего из отдельных факелов; размер светящейся зоны в течение этой стадии не изменяется. При горении алюминия пленка окисла находится в жидком состоянии и пламя является сферическим и однородным; размер зоны горения уменьшается по мере выгорания частицы. При повышении содержания магния в сплаве увеличивается размер зоны горения и продолжительность первой стадии процесса горения. При повышении-температуры окружающей среды горение частиц всех алюминиево-магниевых сплавов при атмосферном давлении сопровождается дроблением частиц. При повышенных давлениях наиболее интенсивно горят сплавы, содержащие 30 — 45 % алюминия и 55 — 70 % магния. [42]
научная статья по теме ГОРЕНИE ЧАСТИЦ АЛЮМИНИЯ В ВОДЕ Химия
Цена:
Авторы работы:
Научный журнал:
Год выхода:
Текст научной статьи на тему «ГОРЕНИE ЧАСТИЦ АЛЮМИНИЯ В ВОДЕ»
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2012, том 31, № 3, с. 26-31
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ ^^^^^^^^^^^^ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
ГОРЕН^ ЧАСТИЦ АЛЮМИНИЯ В ВОДЕ © 2012 г. А. А. Борисов*, П. В. Комиссаров, Г. Н. Соколов
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва
*Е-таП: borisov@center.chph.ras.ru Поступила в редакцию 15.06.2011
Опыты в реакторе постоянного объема и в модельной ракетной камере сгорания продемонстрировали возможность конвективного горения смесей вода + частицы чешуйчатого алюминия марки ПАП-2 с образованием оксида алюминия и водорода. Показано, что пористость смеси — важный фактор, определяющий характер горения. Горение происходит при давлении в несколько сот атмосфер в конвективном режиме.
Ключевые слова: алюминий, частицы, вода, горение конвективное.
Водород — идеальное горючее практически для всех энергетических установок. Продукты его горения экологически чистые, теплотворная способность у него высокая, сам он экологически безвреден. К сожалению, ряд существенных обстоятельств сдерживают развитие водородной энергетики. В отличие от большинства углеводородных горючих он газообразен в очень широком диапазоне условий, в результате чего возникает острая проблема его хранения и транспортировки, а синтез водорода энергозатратен, тогда как углеводороды в большинстве своем — либо природные ископаемые, либо могут быть синтезированы из природного сырья без значительных затрат энергии. Электролиз воды, который можно считать наиболее прямым методом получения водорода, нельзя рассматривать в качестве перспективного метода для производства топлива, особенно для мобильных энергетических установок, поскольку достаточно экономичные и безопасные способы транспортировки водорода еще находятся в стадии разработки. Следовательно, желательно синтезировать водород непосредственно на месте его применения, используя для реакции синтеза компоненты с высокой экономичностью, доступностью и безопасностью их транспортировки и обращения с ними. Подходящим способом получения водорода, удовлетворяющим поставленным условиям, может быть реакция алюминия с водой. Известно, что эта реакция, хотя и идет с выделением большого количества тепла, требует высокой температуры для ее инициирования, поэтому нет сомнения, что потребуются очень специфические условия, чтобы организовать самоподдерживающийся режим горения в системе алюминий + вода. Если же удастся организовать такой режим, то можно бы-
ло бы синтезировать водород непосредственно рядом с любой энергетической установкой, используя алюминиевый порошок и воду. При этом большое количество тепла, выделяющееся в реакции, можно использовать и для генерации пара, направляемого, например, в турбину, и для облегчения инициирования проведения реакции синтеза водорода. Конденсированный продукт реакции — окись алюминия может быть возвращен на восстановление до алюминия. Снимается необходимость перевозки, хранения, а также компри-мирования водорода, поскольку он может вырабатываться в сменных кассетах, в которых при условии зажигания давление будет поддерживаться за счет реакции.
Возможность горения алюминия в воде была продемонстрирована в ряде работ [1—6], однако в большинстве из них (за исключением [5, 6]) исследовались горение и воспламенение порошков с субмикронным размером частиц и высокой активностью. В настоящей работе предпринята попытка организовать горение в системе вода + порошок алюминия марки ПАП-2, который дешев и производится в большщом количестве.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Опыты проводили в реакторе постоянного объема и в модельной ракетной камере сгорания. Схема манометрической бомбы номинальным объемом 57.4 см3 представлена на рис. 1. Исследуемую смесь помещали в зарядную капсулу 2 внутренним диаметром 12 мм, которая помещалась в оболочку манометрической бомбы 1. Сверху на нее помещали бустер 7 (стехиометрическая смесь алюминия и перхлората аммония) массой 1.5 г и воспламенитель, состоящий из 1.2 г дымного ру-
Рис. 1. Реактор постоянного объема: 1 — корпус, 2 — зарядная капсула, 3 — датчик давления, 4 — заглушка с электровводами, 5 — крышка, 6 — электроввод, 7 — бустер и инициатор заряда, 8 — исследуемая смесь.
жейного пороха (ДРП). Воспламенитель зажигали путем подачи электрического импульса на ни-хромовую проволочку. Давление в ходе эксперимента регистрировалось датчиком Т-6000 с усилителем заряда.
Для обеспечения полного сгорания алюминия использовали слегка бедную смесь горючего и окислителя (Н2О). Смесь приготавливали следующим образом:
• в смесительный стаканчик наливали 8 мл воды при температуре 20°С;
• добавляли 6.7 г алюминия марки ПАП-2;
• вводили ПАВ (Fairy) в количестве менее 1 мл;
• смесь тщательно перемешивали до образования однородной массы.
Принятая процедура приготовления смеси позволила решить важную задачу формирования водно-алюминиевых гранул размером 300—800 мкм без гелеобразующих добавок. Это позволило приготовить заряды смеси с пористостью, регулируемой в широких пределах простым компактирова-нием и достаточной для создания условий, необходимых для организации в них режима конвективного горения, распространяющегося с высокими скоростями.
90 80 70 60 50 40 30 20 10
Рис. 2. Давление в бомбе постоянного объема: 1 — бустер: стехиометрическая смесь А1 + ПА, масса — 1.5 г, плотность — 1.6 г/см3, воспламенитель: 1 г ДРП + 0.2 г. молотого ДРП, песок с водой объемом 1.6 см3; 2 — воспламенитель, бустер и 2 г смеси вода + алюминий плотностью 0.8 г/см3; 3 — воспламенитель, бустер и 6.7 г смеси А1 + ЩО плотностью 0.8 г/см3.
Повышение начального давления в реакторе и зажигание смеси производились с помощью навесок дымного пороха и стехиометрической смеси А1 + перхлорат аммония, помещаемой на смесь алюминия с водой. Рисунок 2, на котором представлены зависимости давления от времени в опытах только с воспламеняющим составом и с различными количествами исследуемой смеси алюминий + вода, демонстрирует быстрый рост давления за счет сгорания инициирующей навески и затем медленный его рост, вызванный горением водно-алюминиевых гранул. В опыте, в котором сжигали только ДРП и бустер вместо исследуемой водно-алюминиевой смеси в реактор помещали смесь песок + вода в объеме, приблизительно равном объему, занимаемому двумя граммами исследуемой смеси при ее плотности, равной 0.8 г/см3. Как видно, несмотря на то, что навески ДРП и смеси алюминий + перхлорат аммония были по возможности одинаковыми во всех опытах, время сгорания воспламеняющих составов разное. Несколько, по-видимому, различаются также и максимальные давления, достигаемые при полном сгорании бустера. Различная форма записей давления на начальной стадии в холостом опыте и в опытах с водно-алюминиевой смесью объясняется тем, что смесь песок + вода практически не пористая, в то время как пористость исследуемых смесей несколько превышала 40%. Продукты горения воспламенителя проникали в исследуемую смесь и охлаждались, уменьшая скорость нарастания давления в конце стадии воспламенения. Быстрый спад давления на
начальном участке сигнала, полученного в опыте без смеси алюминий + вода, можно также объяснить проникновением продуктов горения воспламеняющего состава в узкие зазоры между капсулой и стенками бомбы и конденсацией воды.
Хотя повышение давления за счет сгорания частиц алюминия в воде очевидно, его максимальная величина только качественно соответствует количеству смеси, т.е. чем больше смеси, тем больше рост давления. Однако абсолютные значения максимального давления оказались существенно ниже, чем можно было бы ожидать при полном превращении алюминия в окись алюминия. При этом следует отметить, что несгоревший алюминий в конденсированных продуктах реакции не был обнаружен. По-видимому, искать объяснение такого противоречия следует в механизме реагирования смеси. Как видно из рис. 2, скорость нарастания давления за счет сгорания смеси алюминия с водой быстро уменьшается со временем. Для того чтобы выяснить природу процесса горения смеси, оценим приближенно скорость ее горения по регистрациям давления. По стехиометрическому соотношению при сгорании 1 г смеси должно выделяться 0.029 моля водорода (или 0.015 моля Н2 на 1 г сгоревшего алюминия). Горение смеси начинается, когда инициатор полностью сгорает, так что в дальнейшем давление возрастает за счет поступления водорода при сгорании исследуемой смеси. Для простоты анализа будем считать, что температуры продуктов горения инициатора и смеси близки (во всяком случае, для последующих оценок). Действительно, температура смеси продуктов горения инициатора не превышает 3500 К. Учитывая то, что теплоемкость этой смеси значительно выше, чем теплоемкость водорода, выделяющегося при горении смеси алюминий + вода, температура газа в реакторе в процессе горения не будет сильно отличаться от начального ее значения. В соответствии со стехиометрическим уравнением окисления алюминия водой 2/3 моля прореагировавшего алюминия приводит к образованию 1 моля водорода. В предположении, что давление в реакторе после срабатывания инициатора возрастает только за счет поступления в газовую фазу водорода, имеем
где V — объем реактора; Т — температура газовой фазы, которую для оценки можно принять постоянной и равной температуре продуктов горения инициатора; шм — масса сгоревшего алюминия; цА1 — атомный вес алюминия. Для нахождения Т
используем уравнение состояния идеального газа для продуктов горения инициатора:
Здесь minit — масса инициатора, Pmax — максимальное давление после сгорания инициатора, ц,prod — молекулярный вес продуктов горения инициатора. Окончательно получаем
dP = р 2 d(m^ ц Ai) n
Величина Ртах находится из рис. 2 (кривая 1), пш оценивается на основании уравнения состояния идеального газа по известным значениям Ртах и объема реактора, а также предполагаемой температуры продуктов — 3500 К (хотя температура газа не определена строго, ее изменение в пределах 300
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.
Пoхожие научные работы по теме «Химия»
ЕРМОЛАЕВ Б.С., ХРАПОВСКИЙ В.Е., ШМЕЛЕВ В.М. — 2014 г.
ФИНЯКОВ С.В., ШМЕЛЕВ В.М. — 2013 г.
ФИНЯКОВ С.В., ШМЕЛЕВ В.М. — 2013 г.
БЕЛЯЕВ А.А., ЕРМОЛАЕВ Б.С., СУЛИМОВ А.А., ФОТЕЕНКОВ В.А., ХРАПОВСКИЙ В.Е. — 2007 г.
Температура горения алюминия
Компактный алюминий может на воздухе выдержать нагревание значительно выше температуры его плавления (660°C). Это объясняется тем, что алюминий обычно покрыт слоем оксида. Оксид алюминия не только защищает металл от дальнейшего окисления, но и обладает хорошей термостойкостью (температура плавления около 2050°C).
Однако мелкодисперсный алюминий — алюминиевая пудра («серебрянка») обладает гораздо более высокой химической активностью. Кучка алюминиевой пудры при поджигании раскаляется до желтого цвета и сгорает с образованием белого оксида алюминия. Мелкодисперсный алюминий вполне может загореться и самостоятельно — при хранении его на воздухе. Именно поэтому алюминиевая пудра, предназначенная для использования в качестве краски («серебрянка»), содержит оксид алюминия (а кроме того, добавки, которые препятствуют слипанию) [k1].
Взвесь алюминиевой пудры при поджигании вспыхивает и даже взрывается. Подобным образом ведет себя и много других горючих материалов: при действии пламени их аэрозоли способны вспыхивать или взрываться.
Эксперимент по горению смеси воздуха и алюминиевой пудры уже был описан в журнале [1], приведенный ниже опыт проведен аналогично, с той разницей, что съемка производилась несколько лучшим фотоаппаратом.
В колбу на 300 мл поместил примерно 50 см 3 алюминиевой пудры. На колбу надел аллонж, через боковой отвод которого вдувал внутрь воздух (обычно к этому отводу присоединяют хлоркальциевую трубку). Из противоположного конца аллонжа (обычно его надевают на холодильник) выходил поток воздуха с алюминиевой пудрой, который я направлял на пламя горелки. Если концентрация алюминиевой пудры в воздухе была достаточна, происходила вспышка. Для этого иногда приходилось встряхивать колбу.
Вспышки снимал в частично затемненной комнате. Яркость была такой, что ослепляла камеру с расстояния более двух метров.
______________________________________
1 См. статью Вспышка смеси алюминиевый порошок — воздух [ссылка]
Вспышка смеси алюминиевой пудры и воздуха |
К1 Обычно алюминиевая пудра содержит несколько процентов оксида алюминия в виде защитной пленки на поверхности частиц. Пленку получают непосредственно в процессе измельчения металла в атмосфере аргона при температуре 400-440°С — при такой температуре алюминий становится хрупким и легко истирается в порошок. Для этого в аргон вводят контролируемое количество кислорода. Алюминиевая пудра, полученная в полностью бескислородной атмосфере, самовоспламеняется на воздухе. Горение металлов и сплавовОбщеизвестна способность к горению щелочных и щелочноземельных металлов (калия, натрия, лития, магния и др.). Однако менее известно, что в отдельных ситуациях, в т.ч. в определенных условиях пожара, способны гореть металлы и сплавы, обычно не считающиеся горючими. Из наиболее распространенных к таковым относятся различные сплавы на основе алюминия, широко применяемые в строительстве, машиностроении и других областях. Как известно, устойчивость алюминия к окислению обусловлена наличием на его поверхности тонкой (около 0,0002 мм), очень плотной и беспористой пленки окисла. Однако алюминий, нагретый на воздухе до температуры, близкой к точке плавления (660 0 С), все же начинает окисляться далее, при этом скорость окисления существенно увеличивается по мере повышения температуры выше температуры плавления. Необходимо отметить, что реакция алюминия с кислородом экзотермична и сопровождается значительно большим выделением тепла, нежели реакция окисления других металлов (1675 кДж/моль) [93]. Усиливает окисление алюминия присутствие в нем примесей магния, кальция, натрия, кремния, меди. Особенно же легко окисляются при нагревании алюмомагниевые сплавы, на поверхности которых образуются рыхлые окисные пленки [94]. В таблице 1.19 приведены температуры самовоспламенения на воздухе алюмомагниевых сплавов с различным содержанием в сплаве магния. Температуры самовоспламенения алюмомагниевых сплавов на воздухе (порошки 0-50 мкм, ДТА)[94]
Интересно отметить, что температура самовоспламенения отнюдь не снижается монотонно при увеличении содержания Мg от 0 до 100 %; экстремально низкую температуру самовоспламенения имеют сплавы, содержащие примерно равные части Mg и Al. Конечно, приведенные данные характеризуют свойства сплавов в мелкодисперсном виде. Как известно, склонность металла (сплава) к воспламенению и температура воспламенения сильно зависят от его агрегатного состояния — чем металл более дисперсен, чем больше поверхность его соприкосновения с воздухом, тем легче прогреть до критической температуры каждую частичку и тем легче идет процесс окисления, вплоть до самовоспламенения. И все же, на крупных пожарах, при больших тепловых потоках отмечались случаи, когда горели не только металлы и сплавы в измельченном состоянии, но и в буквальном смысле металлоконструкции. Такие вещи пожарные наблюдали, например, при горении складов из легких металлических конструкций (алюминиевых сплавов) со сгораемым (пенополиуретановым) утеплителем. Особую роль здесь может играть среда. Повышенное содержание кислорода резко увеличивает возможность загорания и интенсивность горения любого материала, в том числе металла (сплава). Специалистам это хорошо известно по описаниям пожаров на подводных лодках, в медицинских камерах оксигенальной терапии, на производствах, связанных с потреблением газообразного и (что особенно опасно) жидкого кислорода. Широко известно, что горение может возникнуть при попадании в кислородный баллон, шланг, трубопровод минерального масла вследствие самовозгорания последнего. Гораздо менее известно, что возникновение горения возможно в результате трения деталей в атмосфере кислорода: при открывании и закрывании вентилей и задвижек, срабатывании клапанов и переключающих устройств, регулировании редукторов, в момент пуска и остановки машин [95-98]. Опасно здесь не только трение металла о металл; при срабатывании отсечных клапанов или резком открытии вентилей возникает высокоскоростной поток кислорода, сопровождающийся формированием волн сжатия, ударных волн и резким возрастанием давления и температуры кислорода [99]. Конечно, указанные процессы, как правило, не обеспечивают выделения тепловой энергии, достаточной для воспламенения непосредственно металла и сплава. На практике загорание последних происходит через цепочку: “тепловыделение — загорание неметаллических материалов, жировых веществ или отложений — загорание металла”. К неметаллическим материалам и изделиям такого рода относятся прокладки из паронита, фибры, резины, фторопласта. Загорание может возникнуть при попадании в ток кислорода сварочного грата, прокатной окалины [95, 100]. О склонности различных металлов и сплавов к горению в токе кислорода можно судить по данным табл. 1.20. Предельные давления кислорода, при которых возможно горение различных металлов [95] (толщина образца — 3 мм, температура — 20 0 С, образец расположен горизонтально)
Из приведенных данных следует, что наиболее склонны к горению в кислороде самые распространенные марки конструкционных сталей (низкоуглеродистые, нелегированные), а также алюминий и сплавы на его основе. Скорость горения металлов в кислороде зависит от геометрических размеров изделия и давления кислорода. С увеличением размеров и толщины изделия скорость, естественно, падает; с увеличением давления — возрастает. Представление об абсолютных величинах скоростей горения дают сведения, приведенные в таблице 1.21. Скорости горения металлов и сплавов в кислороде При давлении газа 1-10 МПа (образцы толщиной 3 мм, горизонтально расположенные) [95]
Визуальными признаками горения металла (сплава) является разрушение конструкции (предмета) в зоне горения. От выгоревшей детали часто остается ажурный “скелет”. Горение сопровождается разбрызгиванием металла, особенно интенсивным, если оно происходит в токе газа. В этом случае на месте пожара обнаруживаются множественные мелкие частички застывшего металла и окислов металла. Аналогичный разброс частиц происходит при горении электрической дуги, в которой процессы горения металла имеют место наряду с плавлением. Горение металлов и сплавов на пожаре может вносить существенные коррективы в картину термических поражений, в формирование очаговых и “псевдоочаговых” признаков. По мере возможности это необходимо учитывать. Склонность того или иного металла (сплава) к экзотермическому взаимодействию с кислородом воздуха (горению) может быть установлена экспертом аналитическим путем, например, исследованием пробы металла методом ДТА. Подробнее об этом см. ч. III. Инструментальные методы исследования  (пока оценок нет) Загрузка... Сохранить себе в: detector |
