CC BY
21
Секция
«ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ»
УДК 536.46
ИССЛЕДОВАНИЕ ГОРЕНИЯ ЧАСТИЦ ТИТАНА
Н. С. Белоусова1, О. Г. Глотов2, А. В. Гуськов1
Новосибирский государственный технический университет Российская Федерация, 630073, г. Новосибирск, просп. Карла Маркса, 20 2Институт химической кинетики и горения имени В. В. Воеводского СО РАН Российская Федерация, 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3 Е-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
Разработана методика создания крупных горящих монолитных частиц титана диаметром 250-550 мкм. Исследовано их горение в свободном падении в воздухе. Посредством видеосъёмки определены характерные времена начала фрагментации, окончания фрагментации, окончания горения, закономерности движения частиц, в частности, их скорость и координата в момент начала фрагментации. Оценен размер частиц, при котором изменяется режим фрагментации («звезда» ^ «еловая ветвь»).
Ключевые слова: частица титана; горение; время горения; фрагментация; конденсированные продукты горения; частицы оксида; размеры; сферулы.
INVESTIGATION OF TITANIUM PARTICLES COMBUSTION
N. S. Belousova1, O. G. Glotov2, A. V. Gukov1
Novosibirsk State Technical University 20, Karl Marx Av., Novosibirsk, 630073, Russian Federation 2Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 3, Institutskaya Str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation Е-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
The technique for producing the large titanium monolithic burning particles with a diameter of 300-500 microns is developed. The combustion of titanium particles in free fall in air was investigated. The characteristic times for the following events - beginning of fragmentation, end of fragmentation, end of burning, as well as the particle's motion law (including the coordinate and the velocity at the moment when the fragmentation process starts) are defined using the video recording. The size of particle at which the fragmentation picture changes from "star" to "spruce branch" is estimated.
Keywords: titanium particle; combustion in air; burning time; fragmentation; condensed combustion products; oxide particles; size distribution, spherules.
Введение.
Титан стоит на четвертом месте по распространенности в конструкционных материалах. С одной стороны, Ti - конструкционный материал, применяемый в экстремальных условиях (в изделиях ракетно-космической и авиационной техники, т. п.). С другой стороны, Ti - пирофорное металлическое горючее. В этом качестве Ti применяется в составе пиротехнических композиций и в композициях технологического горения. В 2005 г. было предложено использовать
Секция ««ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ»
горение частиц Т в воздухе для создания облака фотокаталитически-активных частиц ТЮ2 (ТЮ2 - основной продукт горения титана) с целью дезактивации вредных или опасных веществ, оказавшихся в атмосферном воздухе в результате техногенной аварии или террористического акта. Изучение механизма горения частиц Т нацелено на исследование влияния размера материнских частиц Т и условий их горения на время горения и на характеристики образующихся частиц ТЮ2.
Методика экспериментов
Используется образец, состоящий из безметального топлива-матрицы, в которую помещены металлизированные фрагменты. В волне горения матрицы каждый фрагмент превращается в горящую частицу-агломерат. Масса, состав и структура агломератов определены рецептурой и размером включений. Дальнейшее горение частиц происходит в воздухе [3; 4].
Образец представляет собой полоску безметальной матрицы с внедрёнными включениями, нанесённую на кварцевую трубку диаметром 12 мм, она играет роль держателя образца. Размеры матрицы WxLxH примерно 3^30^2 мм. В матрице сделаны глухие отверстия диаметром 1,2 мм глубиной около 1 мм, в которых фиксируются титановые фрагменты.
Фрагменты изготавливали следующим образом. От слитка металлического титана отделяли фрагмент размером 2-3 мм. Фрагмент подвергался ковке, затем прокату на стальных вальцах до толщины около 50-80 мкм. В результате получали титановый «лепесток», от которого затем отрезали требуемое количество кусочков для размещения их в образце. Размер включений около 1 мм.
Вес лепестка 0,0100-0,0400 г, вес одного включения около 0,0002 г.
Проведение эксперимента. Кварцевую трубку-держатель образца закрепляли горизонтально на высоте 2-3 так, чтобы полоска матрицы находилась на нижней стороне трубки (рис. 1). По мере прохождения волны горения по полоске матрицы, включения воспламеняются и выбрасываются из матрицы. Вылетевшие частицы превращаются в горящие сферы, свободно падающие в воздухе. В ходе эксперимента производили видеосъемку падающих горящих частиц цифровой фотокамерой со скоростью съёмки 25 кадров в секунду. Обработка видеозаписи и выборка кадров в программе УйиаЮиЬс. Совокупность фрагментов кадров с помощью программного обеспечения объединяли в единый графический файл - «видеограмму» (рис. 2). Пиксельные измерения проводили в программе 8сореРИо1:о. Закономерности движения частиц представляли в виде зависимостей координаты и скорости от времени. Скорость вычисляли как производную от координаты, все вычисления и построения графиков проводили в электронных таблицах 01^т8.
Сбор остатков горения осуществляли так, образец располагался над отрытым торцом большой кварцевой трубы, установленной вертикально на чашку Петри. Труба имела диаметр 9 см и высоту 220 см. Горение и падение частиц происходило внутри трубы. Все отобранные частицы подвергали гранулометрическому анализу с применением подходящих методов с построением изображения. Применяли макросъемку, оптическую и электронную микроскопию. Среди отобранных продуктов выделяли два морфологических типа: (1) Сферические частицы оксида с диаметрами порядка единиц-десятков микрон. Это остатки сгорания фрагментов; (2) Объекты со структурой аэрогеля с габаритным размером до тысячи микрон, состоящие из цепочек первичных оксидных наночастиц (так называемых сферул) с диаметрами в десятки нанометров.
Результаты экспериментов
В качестве примера в таблице представлены результаты траекторных измерения и параметры характерных событий для индивидуальной частицы.
1
220 си
5$
2
Рис. 1. Схема эксперимента сбор остатков горения: 1 - образец; 2 - чашка Петри; 3 - фотоаппарат; 4 - кварцевая труба
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1
Рис. 2. Видеограмма (104 - начало фрагментации - 109 - конец фрагментации)
Результаты измерений
Событие Начало фрагментации Конец фрагментации Конец горения
Время, с 0,72 0,84 0,92
Координата, см 186 211 217
Скорость, см/с 270 210 15..65
ш жш ШтшШ ■ щр
, W-S- 1&»КХ SQ4A-3C7 ОМ* Н&«№1 ДД 1 1 wn.«»rrr. FMf.ЛИН PWЧй ■ :4V. Тт. НИИ ЩЩ «у» .»<* r-r-*^! mm\ Г-1 WJ-ilrm, (Mi-IM >v tbm-H.imo Т-Ч1»}.* PHI Г 1 li™ №t*l»w rt^HJTil ЩЩ
а б в
Рис. 3. Типичные продукты горения. а - оксидные частицы с диаметрами порядка единиц - десятка микрон - остатки сгорания фрагментов; б, в - аэрогель из оксидных наночастиц при двух увеличениях
Заключение
Получена информация о характерных временах горения и характеристиках фрагментации монолитных материнских частиц титана диаметром 300-500 мкм.
Библиографические ссылки
1. WeiqiangPang, XuezhongFan, FengqiZhao, HuixiangXu, WeiZhang, HongjianYu, YonghongLi, FangliLiu, WuxiXie, NingYan. Effects of Different Metal Fuels on the Characteristics for HTPB-based Fuel Rich Solid Propellants // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2013. Vol. 38. P. 852-859.
2. Matias T., Duraes L., Andrade-Campos A., Mendes R. Prediction and experimental Al, Mg, Ti and Zr derived oxides and spinel formation by detonation // 41st Int. Annual Conference of ICT. Energetic Materials for High Performance, Insensitive Munitions and Zero Pollution. Germany, Karlsruhe, June 29 - July 2, 2010. P. 95-1-95-16.
3. EvgenyShafirovich, Soon Kay Teoh, Arvind Varma. Combustion of levitated titanium particles in air // Combustion and Flame. 2008. Vol. 152. P. 262-271.
4. Глотов О. Г., Зарко В. Е., Карасев В. В., Федотова Т. Д., Рычков А. Д. Макрокинетика горения монодисперсных агломератов в факеле модельного твердого топлива // Физика горения и взрыва. 2003. Т. 39, № 5. С. 74-85.
© Белоусова Н. С., Глотов О. Г., Гуськов А. В., 2017
