CC BY
39
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2006 р. Вип. №16
УДК 621.791.042.2
Чигарев В.В.1, Зареченский Д.А.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГОРЕНИЯ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИХ СМЕСЕЙ
Представлены результаты исследования влияния уплотнения компонентов экзотермических смесей, а также влияние катализирующих, флегматизирующих и связующих добавок на показатели горения.
Разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий в настоящее время являются актуальными для создания конкурентоспособной техники в условиях рыночной экономики.
Одно из перспективных направлений при разработке сварочных и наплавочных материалов - использование дополнительной тепловой энергии для плавления электродов, выделяющейся при экзотермических реакциях. Известен ряд работ, изыскивающих оптимальные составы экзотермических смесей и влияние теплового эффекта экзореакций на сварочно-технологические свойства электродов [1,2,3,4]. В опубликованных данных отсутствует информация о влиянии уплотнения компонентов термитных смесей на показатели протекания экзотермических реакций: температуру и скорость горения.
Цель работы: изучение влияния уплотнения экзотермических смесей при их составлении, а также влияние катализирующих, флегматизирующих и связующих добавок на показатели горения. Для исследований изготавливались образцы в виде таблеток диаметром 16 мм и толщиной от 1,5 до 5,5 мм. В качестве окислителя использовали кузнечную окалину, а в качестве восстановителей - порошок алюминиево-магниевый (ПАМ) и алюминиевый порошок А-3. К составу экзосмеси добавляли катализирующий медный порошок М1, флегматизирующий компонент - плавиковый шпат (СаР2) [5] и связующие добавки: натриевое жидкое стекло плотностью 1,45-1,5 г/см3, канцелярский клей ПВА (ТУ-У 6-05761672.120-97). Составы экзотермических смесей приведены в таблице 1.
К компонентам, перемешанным между собой, добавляли связующее жидкое стекло либо клей ПВА, после чего смесям придавали форму таблеток различной толщины. После формовки экзосмеси прокаливались в муфельной печи при Т=150°С в течение 12 ч. с целью удаления влаги.
Для определения и сопоставления показателей протекания экзореакций составов №1-4, образцы изготавливались без уплотнения и с уплотнением на винтовом прессе.
Таблица 1 - Составы экзотермических образцов
Компоненты Составы экзоте эмических смесей, %
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Окалина 64 57 63 57 49 59 40 51 44 56 38 49 47 73 66
ПАМ 20,7 - 21 - 16 19 - - 15 19 - - 16 24 -
АЗ - 28,5 - 28,7 - - 19 25 - - 19 25 - - 33
М1 0,3 0,3 - - 3 4 3 4 - - - - - 0,5 -
СаР2 - - - - 7 8 8 10 11 15 13 16 12 - -
Жидкое стекло 15 14,2 16 14,3 25 - 30 - 30 - 30 - 25 - -
ПВА - - - - - 10 - 10 - 10 - 10 - 2,5 1
1 ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
2 ПГТУ, аспирант
После взвешивания, с точностью до 0,01 г, определялись показатели горения экзо-таблеток на установке, представленной на рис. 1.Установка представляет собой стол 3 с
пластиной 4, на которой размещается исследуемая таблетка 5 и пирометр 1. Учитывая, что для начала термитной реакции необходимо создать температурный толчок не ниже 1350 °С [6], зажигание смеси осуществлялось с помощью сварочной дуги, горящей между угольным электродом 6 и пластиной 4. После зажигания таблетки дугу гасили и фиксировали время горения смеси и максимальную температуру, зарегистрированную прибором 2.
Для замера температур использовался радиационный пирометр ТЕРА-50 РС-20 (диапазон измерения Т=900-2000 °С) с пишущим прибором ДИСК-250. Однако, газообразные продукты реакции, выделяющиеся при горении смеси приводят к искажению показателей величины радиационной температуры, не позволяют определить точную температуру излучающего тепловую энергию тела [7]. Ввиду вышеизложенного, в задачу входило не определение реальной температуры горения термитной смеси, а характер изменения радиационной температуры. Что дает основание полагать на идентичный характер изменения реальной температуры горения смесей различного состава. Результаты исследований представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты исследований
Параметры я я Я Составы экзотермических смесей
а. ю о 1 10 13 14 с уплотнением
£ 3 5 6 9 1 3
1 2 1,5 2,5 2 2 1,5 2 1,5 2 2
2 2,5 2 3,5 2,5 3 2 2,5 2 3 2,5
Толщина 3 3 2,5 4 3 3,5 2,5 3 3 3,5 3
таблетки, мм 4 3,5 3 5 3,5 4 3 3,5 3,5 4 3,5
5 4 4 - 4 6 4 4 4 4,5 4
6 5 4,5 - 5,5 - 5 4,5 4,5 5 4,5
1 0,3 0,45 0,38 0,5 0,19 о,з 0,11 0,32 0,91 0,84
Скорость горения, г/сек. 2 0,38 0,62 0,44 0,65 0,45 0,45 0,15 0,47 1,22 1,25
3 0,33 1,01 0,37 0,68 0,26 0,36 0,22 0,67 1,09 1,16
4 0,5 1,24 0,43 0,76 0,25 0,37 0,22 0,76 0,78 1,17
5 0,73 1,19 - 0,78 0,38 0,31 0,23 0,91 0,93 1,08
6 0,96 1,77 - 0,94 - 0,42 0,29 1,02 1,43 1Д1
1 1200 1200 1100 1200 820 910 810 900 950 1030
2 1000 1150 1090 1050 800 900 900 1280 1190 1120
Температура 3 1030 1230 1190 1150 970 1040 900 1320 1240 1100
горения, °С. 4 1230 1350 1100 1190 1000 1100 910 1350 1280 980
5 1200 1340 - 1100 1050 1010 1000 1420 1150 1200
6 1210 1350 - 1100 - 1120 1000 1430 1300 1210
3- стол; 4- пластина; 5- образец; 6-электрод
Рис. 1 - Схема установки для замера температуры горения смесей
Построенные по результатам исследований гистограммы (с помощью программы MS EXCEL) представлены на Рис. 2 и Рис. 3, позволяют оценить влияние уплотнения компонентов на уровень максимальных температур горения экзосмесей и скорость протекания реакций.
Установлено, что при уплотнении происходит снижение температуры горения экзотермических смесей ввиду снижения количества полезного кислорода воздуха в микрообъемах между компонентами, участвующего в экзотермической реакции и приводящего выделению большего количества тепла.
Влияние уплотнения на рост скорости горения экзо-таблеток можно объяснить увеличением компактности расположения реагентов, которая приводит к более быстрому протеканию химической реакции.
Медный порошок проявляет свои катализирующие свойства на ход экзотермической реакции наиболее полно при уплотнении, повышая уровень максимальных температур и увеличивая скорость горения экзосмеси. Это обусловлено увеличением активной поверхности между компонентами и катализатором, уменьшающим уровень энергии активации реагирующих веществ и приводящей к более полному и быстрому протеканию экзореакции.
Составы экзосмесей
Рис. 2 - Показатели максимальных температур горения различных составов экзосмесей
1,2
0,6
0,4
и
0,2
с
с >
С
с >
Составы экзосмесей
Рис. 3 - Показатели средней скорости горения при различных составах экзосмесей
Необходимо отметить, что горение уплотненных экзотермических таблеток носит более стабильный характер, отображенный на сравнительно плавном изменении параметров горения экзосмесей, а без уплотнения наблюдается большой разброс данных, что свидетельствует о нестабильности протекания экзотермических реакций.
Использование аллюминотермитной смеси со связующими добавками не обеспечило протекания экзотермических реакций по цепному характеру - в большинстве случаев экзореакции затухали, наблюдалось неполное сгорание исследуемых образцов, что не позволило сопоставить результаты ислледований с термитной смесью на основе ПАМа.
Оценивая влияние флегматизатора экзотермических реакций - плавикового шпата, установлено, что с увеличением его концентрации в смеси снижается скорость протекания реакции и величина выделившегося тепла.
Связующие добавки жидкого стекла и клея ПВА по-разному влияют на показатели горения экзотермических реакций. Экзотермические таблетки со связующим жидким стеклом отличаются высокой плотностью и практически отсутствием пористости, что приводит к дефициту кислорода воздуха необходимого для полного протекания реакции и большего теплового эффекта. Клей ПВА после просушки образует пористую массу с отвердевшими остатками, связывающими частицы, что позволяет экзотермическому процессу протекать со сравнительно высоким тепловым эффектом и большей скоростью. Однако прочность сцепления частиц с клеем ПВА ниже, чем с жидким стеклом.
Полученные результаты исследований могут быть использованы при проектировании и производстве электродных материалов для сварки и наплавки. Более конкретные результаты исследований влияния степени уплотнения компонентов на показатели горения смесей позволят регулировать скорость протекания и эффективную температуру экзотермических реакций в составе электродного материала, и обеспечат равномерное его плавление.
Выводы
1 .При уплотнении экзотермических смесей в электродном материале происходит стабилизация и интенсификация окислительно-востановительных реакций.
2.Применение медного порошка в количестве до 0,5% по массе, позволяет повысить скорость горения экзотермических смесей «окалина+ПАМ» в 2 раза при уплотнении компонентов.
3.В качестве связующего компонента экзосмесей целесообразно применять клей ПВА вместо жидкого стекла.
Перечень ссылок
1. Карпенко В.М. Показатели плавления сварочных электродов с экзотермической смесью в покрытии / В.М. Карпенко, А.Ф. Власов, Г.Б. Билык. II Сварочное производство.-1980.-№9,-С.23-25.
2. Власов А.Ф. Применение окалины в электродном производстве /А.Ф. Власов, В.М. Карпенко II Сварочное производство.-1982.-№2.-С.6-8.
3. Зареченский A.B. Особенности плавления порошковых лент с термитными смесями /
A.В.Зареченский, Л.К Лещинский, В.В. Чигарев //Сварочное производство.-1985.-№8.-С.39-41.
4. Иоффе И.С. Влияние титанотермитной смеси, входящей в электродное покрытие на повышение производительности сварки / И.С.Иоффе, О.М.Кузнецов, В.М.Питерский II Сварочное производство.-1980. -№3. -С.26-28;
5. Баптизманский В.И. Раскисление и легирование стали экзотермическими ферросплавами /
B.И. Баптизманский и др. .- Киев.: Техника, 1970.-178с.
6. Шидковский A.A. Основы пиротехники / A.A. Шидковский- М.: Госиздат оборон, пром., 1973.-284с.
7. Филиппов С. П. Физико-химические методы исследования металлургических процессов /
C.П.Филиппов ,-М.: Металлургия, 1968.-486с.
Статья поступила 14.02.2006 г.
