Горение магния, алюминия и их сплавов в окислительных средах

Для детального изучения процесса воспламенения и горения металлов весьма плодотворным является применение скоростной микрофотосъемки. Данный метод позволил изучить характерные особенности процесса: последовательность стадий, структуру зоны горения и т. д.

Для исследования процесса горения одиночных металлических частиц используется метод скоростной микрофотосъемки горящих частиц (рис. 2.3). Заданная окислительная среда создается продувкой камеры приготовленной газовой смесью. Воспламенение частицы достигается при помощи нагреваемого силитового стержня. Частица размещается непосредственно на поверхности стержня или на острие вольфрамовой иглы; в первом случае имеет место несимметричный процесс, аналогичный горению частицы на поверхности конденсированной системы, во втором случае достигается симметричность процесса, аналогично нахождению частицы в потоке газообразных продуктов разложения конденсированной системы. Температура измеряется малоинерционными термопарами, расположенными на поверхности частицы и на определенном удалении от нее.

Рис. 2.3. Схема установки для исследования процесса горения неподвижных частиц металлического горючего в газообразных окислительных средах при нормальном атмосферном давлении:

1 — кинокамера СКС-1М; 2 — микроскоп МБС-2; 3 — камера с окислительной средой; 4 — осветительные лампы; 5 — исследуемая частица на подвеске; 6 — элементы токоподвода; 7 — нагревательный элемент.

Горение магния

Горение магния в воздухе

Воспламенение частиц магния диаметром 100−1000 мкм происходит при температуре 920−970 К и носит гетерогенный характер, т. е. появлению пламени предшествуют окислительные реакции на поверхности частицы (рис. 2.4, а).

В дальнейшем реакции переходят в газовую фазу. Продолжительность формирования зоны свечения вокруг частицы составляет 0,1- 1 мс.

В процессе горения частицу окружает сферическая зона свечения, неоднородная и имеющая факельную структуру (рис. 2.4, б).

С внешней стороны контуры зоны свечения размыты, это затрудняет определение ее размеров. Частицы оксида магния, уносимые из зоны свечения, не превосходят 1 мкм. Свечение самой частицы менее интенсивно, чем свечение зоны реакции.

Длительное время размеры и структура зоны горения не меняются. Это свидетельствует о стационарности процесса выгорания магния из частицы. Отношение радиуса зоны свечения rсв к начальному радиусу частицы r0 при нормальном атмосферном давлении составляет 4,15.

На заключительной стадии горения процесс становится нестационарным (рис. 2.4, в). Эта стадия характеризуется постепенным уменьшением зоны свечения до размеров частицы (ее оксидной оболочки) и усилением неоднородности свечения за счет появления факелов на поверхности частицы. В конце горения размер частицы уменьшается, что обусловлено плавлением оксидной оболочки. Погасшая частица оксида некоторое время продолжает светиться (рис. 2.4, г).

Рис. 2.4. Горение частицы магния в воздухе при нормальном атмосферном давлении:

а — частица до момента ее воспламенения; б — стационарное выгорание магния из частицы; в — нестационарное выгорание магния: г — частица оксида, образовавшаяся после сгорания магния Время стационарного горения частицы магния в воздухе составляет 0,85−0,9 от общего времени горения? гор. Время нестационарного горения равно (0,10?0.15)?гор, а время свечения оксидной частицы — (0,15?0,2)?гор. Среднее отношение диаметра оксидной частицы к начальному диаметру частицы равно 0,75 в случае симметричного горения и 1,25, когда частица горит на поверхности нагревательного элемента. Зависимость времени горения от размера частиц выражается эмпирическими формулами: для симметричного горения и для несимметричного горения (?гор — в с, d0 — в мм).

Повышение давления приводит к появлению пульсации светового излучения. Время горения частиц, а также величины К и п в зависимости уменьшаются (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Зависимость времени горения ? (а), константы К (б) и показателя степени и (в) от давления при горении частиц магния в воздухе (а и 1) и диоксида углерода (2).

Горение магния в смесях кислорода с аргоном

Основные особенности процесса горения магниевой частицы в кислород-аргонной смеси те же, что и в воздухе. Размеры зоны свечения зависят от состава смеси: с обогащением смеси кислородом отношение rсв/r0 растет. При этом также растет и интенсивность свечения частицы.

При высоких содержаниях кислорода становится возможным дробление частиц.

Зависимость времени горения от размера частиц, содержания кислорода в смеси в случае несимметричного горения выражается эмпирической формулой.

(2.1).

где Р — общее давление; - парциальное давление кислорода в МПа.

Для симметричного горения формула имеет подобный вид, но числовой коэффициент уменьшается с ростом содержания кислорода.

Горение магния в диоксиде углерода и водяном паре

Тепловой эффект реакции взаимодействия магния с диоксидом углерода меньше, чем с кислородом. Из-за этого к моменту воспламенения магния в диоксиде углерода на поверхности частицы образуется толстая оксидная пленка. Кроме того, образующиеся при взаимодействии магния и диоксида углерода частицы элементарного углерода закупоривают отверстия в пленке. Поэтому горение магния в диоксиде углерода носит пульсирующий характер. Пары магния периодически прорывают оболочку, истекают из частицы и сгорают с образованием отдельных факелов. Образующаяся после сгорания рыхлая темно-серая оболочка состоит из смеси окмида магния и углерода со следами карбида магния Mg2C3, обнаруживаемого рентгеноструктурным анализом.

Эмпирические зависимости времени горения магния от размера его частиц при горении в СO2 и смесях СO2 с аргоном имеют следующий вид:

При взаимодействии магния с водой наряду с конденсированным оксидом или гидроксидом магния образуется газообразный продукт реакции — водород, который может существенно влиять на характер воспламенения и горения.

Переход реакции с поверхности в объем после гетерогенного воспламенения сопровождается разрушением окисной пленки; от поверхности частицы поднимается облако хлопьев, которое быстро увеличивается до определенного размера. Отношение диаметра облака к начальному диаметру частицы составляет 2,0−2,2. После выгорания магния из хлопьев образуется твердый скелет ветвистого строения — «коралл» .

Температура воспламенения магния в водяном парс на 100 градусов ниже, чем в воздухе. Зависимость выражается формулами при несимметричном горении и при симметричном горении. Скорость горения магния в водяном паре больше, чем в воздухе, но меньше, чем в чистом кислороде.