CC BY
13
Б01 10.47581/2022/8МТТ-6/КагаЫеЬ.01 СОСТАВЛЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЗАВИСИМОСТИ ГОРЕНИЯ МЕДНОЙ ТЕРМИТНОЙ СМЕСИ ОТ МАРКИ АЛЮМИНИЕВОГО ПОРОШКА Каракич Егор Андреевич, аспирант Самборук Анатолий Романович, д.т.н., профессор Самарский государственный технический университет, Россия
В данной работе рассмотрены зависимости процесса горения медной термитной смеси от дисперсности алюминиевого порошка. Представлен набор факторов, влияющих на процесс горения термитной смеси и была составлена математическая модель зависимости скорости и качества горения от размера алюминиевой части смеси.
Ключевые слова: Термитная медная сварка, СВС-сварка, порошковая металлургия, алюминий.
Под металлотермическими процессами понимаются процессы получения металлов восстановлением их соединений более активными металлами, сопровождаемые выделением большого количества тепла, в связи с чем часто металлотермические процессы протекают в режиме горения.
Металлотермия стала одним из основных методов современной металлургии.
В алюминотермическом процессе выделяется большое количество теплоты. Термит (смесь порошка алюминия с железной окалиной) используют при сварке рельсов, стальных труб, металлических конструкций, для получения литого металла, исправления дефектов литья, получения износостойких защитных покрытий, огнеупоров и для иных целей.
В этом случае восстанавливаемым металлом является железо, а реакция носит название «термитной»:
2А1 + Бе2О3 = 2Бе + А12О3 или 2А1 + ЭБеО = 3Бе + А12О3
Известно, что в результате термитной реакции продукты получаются жидкими [1-3], однако, если учесть, что расплавление продуктов происходит за счет высокой температуры реакции, а при остывании продукты затвердевают, термитные реакции могут быть отнесены к СВС. В этом случае речь идет о жидкофазном СВС - подклассу процессов безгазового СВС, в которых реагенты плавятся и образуют жидкие при температуре горения продукты. Но образовавшиеся жидкие продукты СВС при остывании кристаллизуются, и конечные продукты СВС при комнатной температуре являются твердыми. Иногда такие процессы называют процессами типа «жидкое пламя - твердый конечный продукт».
Металлотермию и алюминотермию в частности можно рассматривать как частный случай СВС. В современной науке термитную реакцию относят к СВС-металлургии. СВС-металлургия основана на реализации жидко-
фазного СВС, при котором образуются жидкие при температуре горения продукты (высокотемпературные расплавы), позволяющие получать при охлаждении литые тугоплавкие соединения, твердые сплавы, оксидные и композиционные материалы, а также наплавки из них [7, 8].
1. Факторы, влияющие на скорость горения пиротехнических составов
Для различных составов линейная скорость горения колеблется весьма значительно: от десятых долей мм/с (для дымовых составов) до 20—30 мм/с (для быстрогорящих осветительных составов).
Скорость сложнейшего физико-химического процесса — горения — определяется скоростью отдельных (элементарных) химических реакций и процессами диффузии и теплопередачи из одной зоны реакции в другую.
Интенсивность теплопередачи в значительной мере определяется разностью температур в различных зонах реакции. Составы, имеющие наиболее высокую температуру пламени, являются, как правило, и наиболее быстро горящими.
Однако существующие исключения из этого правила показывают, что высокая температура в пламени является только одним из факторов, определяющих скорость горения составов.
Скорость горения в большой степени зависит от наличия в составе низ-коплавящихся или легколетучих компонентов. При наличии их то тепло, которое при других условиях вызвало бы резкое повышение температуры в зоне реакции, расходуется на плавление или испарение этих веществ.
Именно этим в значительной мере объясняется тот факт, что низкопла-вящиеся органические вещества (смолы, парафин, стеарин и др.) при введении их в двойные смеси (окислитель — мегалл) резко уменьшают скорость горения.
Ведущими в процессе горения являются высокоэкзотермические (пламенные) реакции.
Однако скорость многостадийного процесса горения в целом определяется прежде всего тем, с какой скоростью протекает наиболее трудно и медленно идущая стадия процесса; такими являются эндотермические химические процессы.
Во многих случаях скорость горения составов определяется скоростью процесса разложения окислителя.
Объективным показателем, характеризующим легкость разложения окислителя, может служить парциальное давление над ним кислорода при различных температурах.
Переходя к рассмотрению фактического материала, следует указать, что скорость горения составов определяется как их рецептом (химические факторы), так и условиями горения (физические факторы).
Под химическими факторами понимается влияние:
1) индивидуальных свойств компонентов состава;
2) количественного соотношения между ними;
3) ускоряющего действия каталитических добавок. Из рассмотрения данных о скорости горения сильно уплотненных составов при атмосферном давлении и 20° С следует, что наиболее быстрогорящими являются двойные смеси нитратов щелочных (или щелочноземельных) металлов с магнием, содержащие в себе 40—65% магния. Еще быстрее горят составы с цирконием [4].
Составы с алюминием при условии одинакового измельчения металла горят значительно медленнее, чем составы с магнием. Одна из причин — большая разница в температуре кипения магния и алюминия: 1100 и ~2300° соответственно. Медленно горят составы, содержащие в качестве основного горючего бериллий, бор или кремний. Чем выше температура воспламенения горючего, тем меньше при прочих равных условиях скорость горения состава. Возможно, имеется также взаимосвязь между скоростью горения состава и числом Пиллинга и Бэдворса для содержащегося в составах металла (а также В и Б1). Для быстрогорящих металлов, М^ ,и эти числа соответственно равны 0,81 и 1,45; для Ве, и В эти числа больше и равны, соответственно, 1,75; 2,04 и 4,08.
Один из возможных способов активизации горения частиц алюминия — покрытие их магниевой пленкой.
Находящиеся в газовом потоке (в дымогазовой зоне пламени) капли алюминия покрыты слоем оксидной пленки и доступ газа-окислителя к еще не окисленному металлу затруднен.
Нарушение оксидной пленки на капле металла может быть вызвано:
1) плавлением А12О3 (при 2030° С);
2) пробиванием ее изнутри парями металла при температуре, близкой к температуре его кипения (~2300°С). Следовательно, горение капель алюминия протекает весьма интенсивно в том случае, когда температура пламени превышает 2200—2300° С.
По вопросу о зависимости максимальной скорости горения от соотношения компонентов в смеси высказываются следующие соображения. Составы делятся на две группы, в первой из которых максимум скорости горения лежит вблизи стехиометрического соотношения между компонентами (К='0,7/0,9), а для второй группы резко сдвинут в сторону избытка горючего (вплоть до К1 < 0,1).
*К —обеспеченность состава окислителем.
К первой группе относятся составы, в которых основным горючим является органическое связующее, а порошок металла играет лишь роль добавки.
Ко второй группе относятся составы, где основным горючим является порошок металла, а органическое связующее используется лишь как добавка, улучшающая механические свойства заряда.
В соответствии с этим скорость горения двойных смесей окислитель — металл быстро возрастает с увеличением содержания в составе металлического горючего (конечно, до известного предела; для магния этот предел
равен 60—70%). Это в известной мере связано с повышением теплопроводности состава при увеличении в нем содержания металла[5].
1.1.Физические факторы
1. Плотность.
Влияние плотности на скорость горения состава определяется тем, что с увеличением ее уменьшается возможность проникания горячих газов внутрь состава и тем самым замедляется процесс прогрева и воспламенения глубинных слоев. Особенно сильно сказывается влияние плотности на характере горения фотосмесей: 1 кг фотосмеси в порошкообразном состоянии сгорает в течение десятых долей секунды, а время сгорания такого же количества спрессованной фотосмеси выражается уже десятками секунд.
Большую роль в процессе горения играет газопроницаемость составов; определение газопроницаемости надлежало бы проводить и в условиях повышенной температуры, стремясь по возможности воссоздать реальные условия горения.
2. Измельчение компонентов также в значительной мере влияет на скорость горения. Чем меньше размер частиц горючего, тем больше скорость горения .состава. Плоские частицы порошков металлов, имеющие при равном измельчении большую суммарную поверхность, чем каплеобразные, горят быстрее. Наиболее сильно влияет на скорость горения степень измельчения и форма частиц алюминия. Составы, изготовленные на А1-порошке, горят в несколько раз медленнее, чем составы, изготовленные на А1-пудре [6]. Однако, в литературе не существует математического описания зависимости процесса приварки от дисперсности алюминиевого порошка.
2. Составление математической модели
В качестве исходных компонентов для проведения исследований в данной работе были использованы различные марки алюминиевого порошка.
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 - -
ПА-2 6,0 - -
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.
Для большей наглядности можно составить таблицу скорости и характера горения от размера алюминиевого порошка. Характер горения оптимально выразить от 0 до 1, где 0 - горение быстрое, с большим количеством выбросов, 1- горение спокойное, без выбросов.
Таблица 2 - Влияние размера алюминиевого порошка _на процесс горения согласно эксперимента_
Размер гранул алюминия, мкм (Я) Скорость горения ,мм/с (и)
2000-5000 4,5
2500 5,5
450 6,0
100 11,0
Зависимость скорости горения от размера чистого
алюминия
Рисунок 1 - График зависимости скорости горения термитной смеси от размера чистого алюминия по экспериментальным данным
Составление математической модели целесообразно начать с нахождения аппроксимирующей формулы для зависимости и(Я).
Для этого, как для нелинейной зависимости, хорошим вариантом будет найти значения в логарифмических координатах (таблица 3).
Таблица 3 - Экспериментальные значения представленные в логарифмическом виде
Скорость горения, мм/с (и) Скорость горения, мм/с (Ьии) Размер гранул алюминия, мкм (Я) Размер гранул алюминия, мкм (ЬпЯ)
4,5 1,5 3000 8
5,5 1,7 2500 7,8
6,0 1,8 450 6,1
11,0 2,4 100 4,6
В графическом выражении данная зависимость будет иметь вид:
2,5
с 2
1.5
0,5
0123456789
Размер гранул алюминия, мкм(ЦШ)
Рисунок 2 - График зависимости скорости горения термитной смеси от размера чистого алюминия по экспериментальным данным
в логарифмическом виде
Видно, что приближенно эту зависимость можно принять за линейную в координатах Ьии - ЬиЯ
Для прямой линии уравнение функции будет иметь вид:
Ьпи = АЬ«Д НЬ В
Для двух точек:
Отсюда находим константы А и В
А = -0,255 = 3,5 Если подставить найденные значения в исходное уравнение прямой, то получим:
1лм =3,5-0,25ЕЖЬгш+ 0,2 5ЕмЯ = 3,5;
Отсюда:
кнгД0Л5=ЗЭд
Если принять чистый алюминий в качестве топлива алюминотермиче-ской смеси, то математически данную зависимость можно описать как одну из методик термодинамического анализа горения СВС-систем:
R = const = 1200361 за 1200000
Следовательно, расчётная зависимость скорости горения от размера частиц, в простых числах, будет иметь следующий вид:
Таблица 4 - Расчетные значения зависимости скорости горения _от размера частиц алюминия в линейном виде_
Размер гранул алюминия, мкм (ЬпЯ) 100 450 2500 3000
Скорость горения, мм/с (и) 10,47 7,9 4,68 4,47
Как видно, данные расчетные значения сопоставимы со значениями, полученными экспериментально.
Таким образом, в данной работе обсуждены факторы, влияющие на скорость горения термитных смесей. Получена математическая зависимость скорости горения от размера частиц алюминия. В результате можно выработать рекомендации по подбору исходных компонентов и соотношения между ними, обеспечивающих необходимую скорость горения и более качественную термитную сварку.
Список литературы
1. Малкин Б.В., Воробьев А.А.: Термитная сварка. М.: Издательство коммунального хозяйства РСФСР, 1963. - 105 с.
2. Viall E.: Gas torch and thermit welding. McGraw-Hill book company, Inc. NewYork, 1921. - 442p.
3. Андрусев М.М., Андрусева Е.М.: Выдающиеся русские физикохимики XIX в. Бекетов Н.Н. и Меншуткин Н.А. М.: Просвещение, 1977. - 123 с.
4. Каракич Е.А. Самборук А.Р. Майдан Д.А. Термитная сварка // Современные материалы, техника и технологии. 2021. № 1 (34). С. 63-67.
5. Плинер Ю.Л., Игнатенко Г.Ф.: Восстановление окислов металлов алюминием. М.: Металлургия, 1967. - 248 с.
6. Шилдовский А. А.: Основы пиротехники. Издание четвертое, переработанное // Книга по требованию. Москва. 2021 г. С. 321.
7. Мержанов А.Г., Боровинская И.П., Шкиро В.М.: Явление волновой локализации автотормозящихся твердофазных реакций: Открытия СССР. Бюл. Изобр. - 1984. - №32. - С. 3.
8. Мержанов А.Г., Боровинская И.П.: Самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких неорганических соединений. Доклады АН СССР 1972. Том 204, № 2. - С.366-369.
Karakich Egor Andreevich, Post-Graduate
Samboruk Anatoly Romanovich, Professor, Doctor of Technical Sciences Samara State Technical University, Samara, Russia
DEVELOPMENT OF A MATHEMATICAL MODEL OF THE DEPENDENCE OF COMBUSTION OF THE COPPER THERMITE MIXTURE ON THE BRAND OF ALUMINUM POWDER
Abstract: In this paper, the dependences of the combustion process of a copper thermite mixture on the dispersion of aluminum powder are considered. A set offactors influencing the combustion process of the thermite mixture is presented and a mathematical model of the dependence of the rate and quality of combustion on the size of the aluminum part of the mixture was compiled.
Keywords: Thermite copper welding, SHS welding, powder metallurgy, aluminium powder.
УДК 669-1
DOI 10.47581/2022/SMTT-6/KOLOTILIN.01 АНАЛИЗ ПРИЧИН РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛА УГОЛЬНИКА ПИРОКЛАПАНА В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ Колотилин Виктор Валерьевич, магистрант (e-mail: vitya.kolotilin@mail.ru) Якубович Ефим Абрамович, к.т.н, доцент (e-mail: eyakubovich@mail.ru) Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия
В данной статье рассмотрено устройство и функции пироклапана двигателя самолета. Приведен анализ основных причин разрушения металла угольника - соединительной детали пироклапана.
Ключевые слова: двигатель самолета, пироклапан, соединительная деталь, химический состав, микроструктура, разрушение, трещина, поверхность излома
Основное назначение двигателей летательных аппаратов - создание тяги, обеспечивающей требуемый режим полета. Двигатели могут быть использованы на летательных аппаратах и для управления полетом по заданной программе, стабилизации на расчетной траектории [1].
В конструкциях самолетов в настоящее время широкое применение нашли жидкостные ракетные двигатели (ЖРД). Среди прикладных проблем конструирования и проектирования основных узлов и систем ЖРД важное место занимают задачи установления связи показателей надежности и безаварийной работы с условиями эксплуатации, обоснованностью выбора материала деталей, к кругу которых относятся вопросы, подробно рассмотренные в [2-5]. Спектр применимости полученных научных результа-
