Суть и особенности горения металлических горючих систем

В главе рассматривается вопросы, связанные с механизмами и закономерностями воспламенения и горения металлических горючих систем. Эти механизмы отличаются от механизмов горения твердых материалов. Вследствие этого является целесообразным ознакомиться с этими отличиями, для более полного представления о механизмах горения паров, горючих жидкостей, твердых горючих систем и металлов.

В результате изучения главы 2 обучаемые должны знать:

• а) отличительные особенности воспламенения и горения металлов от горения других веществ;
• б) методы и приборы, применяемые в исследовании процесса воспламенения и горения металлов;
• в) отличительные особенности горения одиночных частиц металлов в различных средах и горения совокупности частиц (аэровзвесей);
• г) основные закономерности окисления, воспламенения и горения металлов;
• д) особенности в механизмах влияния оксидной пленки на процесс воспламенения и горения металлов в кинетической и диффузионной областях;
• е) отличительные особенности воспламенения и горения металлов в зависимости от дисперсности частиц и совокупности с другими металлами;
• ж) отличительные особенности горения в зависимости от типа металла и его агрегатного состояния;
• з) особенности, характеризующие окисление металлов в динамическом режиме;
• и) процесс воспламенения и горения магния, алюминия и их сплавов в окислительных средах;
• к) особенности горения металлов в активных средах;

уметь:

а) применять полученные знания в области воспламенения и горения металлических горючих систем при выполнении практических задач и лабораторных работ;

владеть:

а) методами расчета времени горения металлических горючих систем в зависимости от размера частиц и содержания окислителя.

Низкотемпературное окисление и воспламенение металлов

Существенное влияние на процессы воспламенения и горения металлов оказывает пленка металлического оксида, образующаяся при предпламенном окислении и в процессе горения, которая является диффузионным барьером для взаимодействия металла с окислителем. В связи с этим горение металлов существенно отличается от горения других веществ; оно контролируется не только кинетическими факторами или условиями диффузии окислителя, но и условиями диффузии через оксидную пленку. Эти обстоятельства вынуждают рассматривать металлы как особый класс горючих веществ.

Число методов исследования процесса горения металлов, применяемых в настоящее время, весьма велико. Различные методы позволяют детально рассмотреть те или иные явления, сопровождающие разные стадии процесса горения: низкотемпературное окисление, воспламенение, установившееся горение.

Важность исследования стадии низкотемпературного окисления при горении металлов объясняется тем, что от условий предпламенного окисления зависит состояние оксидной пленки на частицах металла, которая во многом определяет момент начала воспламенения металлической частицы и характер последующего ее горения. Распространенными методами исследования низкотемпературного окисления металлов являются термогравиметрические, волюмометрические, манометрические, оптические, химические, электрометрические, рентгеноструктурные и радиоактивные методы. При исследовании этими методами изучаются кинетические законы окисления, строение оксидных пленок, влияние различных факторов на кинетику окисления.

Термогравиметрический метод является наиболее распространенным благодаря его простоте и универсальности. Он заключается в периодическом или непрерывном взвешивании образца, находящегося в окислительной среде и помещенного в нагревательную печь с заданным температурным режимом [23]. Этот метод целесообразно применять при изучении скорости окисления.

Манометрический и волюмометрический методы тоже удобны для исследования кинетики окисления. В них измеряется количество (по давлению или по объему) поглощенного металлом газа. Методы весьма просты, однако могут возникнуть затруднения при избирательном поглощении какого-либо компонента газовой смеси.

Электрометрический метод состоит в определении количества электричества, необходимого для восстановления образовавшегося оксида до металла. Для этого образец погружают в электролит и делают катодом. Окончание восстановления оксида определяют по точке перегиба на кривой «потенциал — время». Метод пригоден для определения скорости окисления, особенно при образовании сравнительно топких оксидных пленок.

Для определения толщины образующихся пленок, т. е. конечного результата окисления металла, применяют оптические способы исследования — интерференционный метод, поляризационный метод, метод измерения прозрачности окисленного образца, метод радиоактивных изотопов, метод измерения электросопротивления. Определить количество образовавшегося оксида можно также, отделив и исследовав образовавшуюся оксидную пленку. Кроме толщины и химического состава пленки может быть изучена ее структура, что позволяет установить механизм роста оксида. Для изучения структуры пленки применяют металлографические, электронографические и рентгеноструктурные методы.

Воспламенение и собственно горение металлов, как правило, исследуются при помощи одних и тех же методов. Эти методы можно разделить на три основные группы в зависимости от вида изучаемых металлов.

К первой группе следует отнести методы, с помощью которых изучают воспламенение и горение одиночных металлических частиц. Количество частиц выбирают таким, чтобы тепловыделение каждой частицы и агрегация частиц не могли влиять на параметры системы в целом. Воспламенение и горение частиц происходят в движущемся потоке окислителя, который образуется при горении газообразного (газовые горелки) либо твердого (бомбы постоянного давления) топлива или в результате нагрева газа (электронагреватели и плазменные горелки). Процесс изучается фотографически, кроме того, исследуются продукты сгорания металла. Методы этой группы позволяют рассмотреть различные стадии процесса, оценить время задержки воспламенения и время горения, установить температурный режим процесса и вынести суждение о механизме горения металла.

Ко второй группе относят методы, с помощью которых изучаются воспламенение и горение объемных металлических предметов — проволок, стержней, кусков, лент, фольги. Масса такого предмета значительна, и выделяющееся при горении тепло способно влиять на условия протекания процесса. Горение объемных предметов исследуется в камерах с неподвижным или движущимся холодным окислителем. Процесс изучается визуально или фотографически и при этом исследуется состав продуктов сгорания металла. Такие методы дают сведения о механизме воспламенения и горения металла и о температурах, характерных для различных стадий процесса.

К третьей группе относят методы, с помощью которых изучают горение совокупности металлических частиц. Концентрация частиц здесь такова, что горящая частица влияет на горение других частиц и на состояние системы в целом. Это влияние проявляется в изменении тепловых параметров системы и в возможности соединения частиц между собой с образованием частиц иного размера.

Горение совокупности частиц изучается либо в предварительно нагретом окислительном газе, при этом металл находится в виде слоя или взвеси частиц (реакционные камеры), либо в продуктах сгорания твердого топлива (бомбы постоянного давления). Поведение отдельных частиц рассмотреть не удается; исследуют взаимодействие между частицами и характеристики горения системы в целом. Процесс изучается термографически или фотографически и позволяет получить представление о температуре воспламенения, температуре горения и об агломерации частиц.

Промежуточное положение между первой и второй группами занимают методы, изучающие воспламенение и горение неподвижных частиц или капель металла. Процесс осуществляется в холодном газе, объект нагревается джоулевым теплом или световым импульсом. Экспериментальное оформление метода близко к оформлению методов, изучающих горение объемных элементов. Тепловые условия ближе к тепловым условиям при горении одиночных частиц.

Несколько особняком стоят методы, в которых исследуемый металл находится в парообразном состоянии. Здесь удается в значительной степени сократить протекание предпламенных процессов и получить картину горения в своеобразных условиях.