CC BY
28
УДК 662.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЦЕПТУРНЫХ ФАКТОРОВ МЕДНОЙ ТЕРМИТНОЙ СМЕСИ НА ПРОЦЕСС ПРИВАРКИ ВЫВОДОВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ
Самборук Анатолий Романович, д.т.н., профессор (e-mail: samboruk55@mail.ru) Кузнец Елена Анатольевна, к.т.н. Гурский Илья Олегович, студент Самарский государственный технический университет, Самара, Россия
Приведены результаты влияния различных факторов на процесс горения медной термитной смеси и приварку выводов электрохимической защиты: марки алюминия и его дисперсности, соотношения между оксидом меди и алюминием, повышения энергетики исходной смеси и др.
Ключевые слова: горение, термитная смесь, фазоразделение, приварка, дисперсность, оксид меди, алюминий
Исследование влияния различных факторов на процесс горения медной термитной смеси и приварку выводов электрохимической защиты (ЭХЗ) в лабораторных условиях проводилось в соответствии с инструкцией по термитной сварке выводов ЭХЗ с применением термоматериалов для использования на уникальных объектах [1].
Для проведения испытания готовилась металлическая пластина толщиной 5 мм. Она зачищалась до блеска напильником и располагалась на поддоне с кварцевым песком. На пластину устанавливалась многоразовая графитовая тигель-форма (рисунок 1).
Рисунок 1 - Тигель-форма для приварки вывода ЭХЗ
Время горения фиксировалось секундомером, а затем рассчитывалась скорость горения смеси.
Исследование влияния марки алюминия и его дисперсности на процесс приварки электрохимической защиты (ЭХЗ)
Как известно из теории горения пиротехнических составов, скорость горения гетерогенных конденсированных систем зависит от дисперсности исходных компонентов. Для термитных систем наибольшее влияние на скорость горения оказывает размер частиц горючего - алюминия и окислителя - оксида меди [2].
Для проведения сжигания была приготовлена медная термитная смесь (МТС) с различными марками порошка алюминия разной дисперсности.
Рецептура МТС: СиО - 64 %; А1 - 9,2 %; Си - 10,8 %; БеМд - 16 %.
В таблице 1 приведены характеристики приготовленных смесей и результаты их сжигания.
Таблица 1 - Влияние марки алюминия на горение МТС
Марка алюминия Скорость горения, мм/с Визуальные наблюдения Внешний вид слитка
АКП 4,5 Горение спокойное, выбросов мало Слиток ровный с грибком
ПА-0 5,5 Горение спокойное, выбросов мало Слиток ровный с грибком
ПА-2 6,0 Горение спокойное, выбросов мало Слиток ровный с грибком
ПА-4 11,0 Горение быстрое, много выбросов Слиток неполный, с раковинами
Из таблицы видно, что с уменьшением дисперсности алюминия (марка ПА-4) скорость горения МТС увеличивается.
Внешний вид получавшихся слитков представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 - Внешний вид слитка приварки выводов ЭХЗ при алюминии
марки:
а) АКП и ПА-0; б) ПА-4
Исследование влияния соотношения между оксидом меди и алюминием
на процесс приварки ЭХЗ Скорость горения существенно зависит от соотношения между окислителем и горючим. Соотношение, при котором наблюдается максимальная скорость и, как правило, температура горения называется стехиометриче-
ским. Для системы алюминий - оксид меди уравнение реакции горения имеет вид:
ЗСиО + 2А1 = 3Си + АЬОз Стехиометрическое соотношение составляет: СиО - 82 %, А1 - 18 %.
В штатной медной термитной смеси соотношение следующее: СиО - 87 %, А1 - 13 %.
Наблюдается недостаток горючего, что может быть причиной снижения температуры горения смеси, а также неполным реагированием оксида меди.
Для исследования влияния соотношения между оксидом меди и алюминием на процесс горения были приготовлены и испытаны составы, представленные в таблице 2.
Использовался алюминий марки АКП, содержание меди - 10,8 %, ферромарганца - 16 %.
Таблица 2 - Влияние соотношения между окислителем и горючим
Соотношение между СиО/А1 Скорость горения, мм/с Визуальные наблюдения Внешний вид слитка
90/10 4,0 Горение спокойное, выбросов мало Слиток ровный с грибком
87/13 4,5 Горение спокойное, выбросов мало Слиток ровный с грибком
85/15 5.0 Горение спокойное, выбросов мало Слиток ровный с грибком
82/18 5,0 Горение спокойное, выбросов мало Слиток ровный с грибком
Изменение соотношения между оксидом меди и алюминием на процесс горения практически не влияет, скорость горения находится в интервале 4,0-5,0 мм/с.
Исследование влияния соотношения между активной и пассивной частями термитной смеси на процесс приварки ЭХЗ Рецептура штатной медной термитной смеси: СиО - 64 %; А1 - 9,2 %; Си - 10,8 %; БеМд - 16 %.
В реакции горения участвуют оксид меди и алюминий, которые и составляют активную часть смеси. Порошки меди и ферромарганца в реакции горения не участвуют и являются пассивной частью. Можно предположить, что при увеличении содержания активной части следует ожидать увеличение скорости и температуры горения.
В таблице 3 приведены характеристики приготовленных смесей и результаты их сжигания при различном соотношении между активной и пассивной частями термитной смеси.
Таблица 3 - Влияние соотношения между активной и пассивной частями _термитной смеси_
Содержание активной части (Си0+А1),% Скорость горения, мм/с Визуальные наблюдения Внешний вид слитка
85 7,5 Горение прерывистое с выбросами Слиток грязный с большими раковинами
80 7,0 Горение неспокойное Слиток ровный с грибком
75 5,0 Горение спокойное, выбросов мало Слиток ровный с грибком
70 4,5 Горение спокойное, выбросов мало Слиток ровный с грибком
Увеличение содержания активной части термитной смеси приводит к росту скорости горения, при этом горение становится неустойчивым и прерывистым.
По результатам эксперимента построен график зависимости скорости горения от содержания активной части термитной смеси (рисунок 3).
Рисунок 3 - График зависимости скорости горения от содержания
активной части
Исследование влияния повышения энергетики исходной МТС за счет модификации пассивной части
С целью повышения энергетики исходной МТС было принято решение часть пассивной части заменить компонентами, которые экзотермически реагируя друг с другом, будут образовывать необходимые железо и марганец. При этом энергетика смеси возрастет, что обеспечит рост температуры горения и, следовательно, лучшее фазоразделение продуктов реакции.
Были реализованы две реакции:
1) для образования железа: Бе203 + 2А1 = 2Бе + А1203;
2) для образования марганца: 3Мп02 + 4А1 = 3Мп + 2А1203.
Результаты введения в исходную термитную смесь экзотермических добавок приведены в таблице 4.
СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ, №6 (14), 2017 127 _Таблица 4 - Влияния повышения энергетики исходной МТС_
Вид и содержание экзотермической добавки, % Скорость горения, мм/с Визуальные наблюдения Внешний вид слитка
Оксид железа + алюминий, 10 % 5,5 Горение спокойное, выбросов мало Слиток ровный с грибком
Оксид марганца + алюминий, 10 % 6,0 Горение спокойное, выбросов мало Слиток ровный без грибка
Введение в исходную термитную смесь экзотермических добавок незначительно повышает скорость горения МТС, при этом заметно изменяется внешний вид получающегося слитка: уменьшается или исчезает грибок (рисунок 4).
Рисунок 4 - Внешний вид слитка приварки выводов ЭХЗ
Это направление по замене части ферромарганца на экзотермические добавки представляется перспективным для проведения дальнейших исследований.
На рисунке 5 приведена фотография поверхности излома медного слитка, полученного при сгорании модифицированной термитной смеси.
чв1ггг- а шт. ■ л лп ' ■ яз а» виниалпн;
Рисунок 5 - Микроструктура поверхности излома слитка приварки
выводов ЭХЗ
Поверхность излома достаточно однородна, пористость и примеси практически отсутствуют и можно ожидать хороших механических свойств.
Исследование влияния добавок катализаторов на горение МТС
Исследовано влияние добавок порошка кобальта и фторида алюминия на скорость горения термитной смеси. Предполагалось, что они увеличат скорость горения: кобальт может оказать каталитическое воздействие на процесс горения алюминия, а фторид алюминия обеспечит разрушение оксидной пленки на поверхности алюминия.
Добавки вводились в штатную термитную смесь в количестве 1 % сверх 100. При горении МТС никаких заметных изменений параметров горения не наблюдалось.
Список литературы
1. Инструкция по термитной сварке выводов ЭХЗ с применением термоматериалов для использования на уникальных объектах [Текст] / ООО НПО «Нефтегазкомплекс-ЭКЗ», Саратов.- 2009.
2. Шидловский, А. А. Основы пиротехники [Текст] / А. А. Шидловский // М.: Машиностроение, 1973. - 290 с.
Samboruk Anatoliy Romanovich, Ph.D., professor
(e-mail: samboruk55@mail.ru)
Kuznets Elena AnatoVevna, Ph.D.
Gurskii Iliya Olegovich, undergraduate
THE EFFECT OF COMPOSITION FACTORS OF COOPER THERMITE MIXTURE TO WELDING PROCESS OF ELECTROCHEMICAL PROTECTION ENDS
Samara State Technical University, Samara, Russia
Abstract: the results of different effects to cooper themite mixture combustion and welding process of electrochemical protection ends are noted: model and dispersion of aluminum, copper oxide and aluminum ratio, initial mixture energy increasing, etc.
Key words: combustion, thermite mixture, phase separation, welding, dispersion, copper oxide, aluminum.
