CC BY
16
УДК 536.461-4
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГОРЕНИЯ СМЕСЕЙ Zr+Al НАСЫПНОЙ ПЛОТНОСТИ В СПУТНОМ ПОТОКЕ ИНЕРТНОГО ГАЗА
СЕПЛЯРСКИЙ Б.С., БРАУЭР Г.Б., КОСТИН С.В.
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, 142432, г.Черноголовка, Московская обл., ул.Институтская, д. 8
АННОТАЦИЯ. Приведены результаты экспериментов по изучению горения смесей порошков Zr и А1 насыпной плотности. На процесс горения воздействовали, специально созданным перепадом давления вдоль засыпки путем вакуумирования одного из торцов реакционной ячейки. В связи с отсутствием значительного примесного газовыделения, влияния вакуумирования на скорость распространения фронта горения удалось добиться только введением небольшого количества (~1% от массы состава) «газифицирующей» добавки буры - декагидрата тетрабората натрия. Наблюдаемые результаты объяснены с позиций конвективно-кондуктивной теории горения гетерогенных конденсированных систем.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: гетерогенное горение, расплав, конвективный тепло массоперенос, перепад давления, скорость горения, расход газа, вакуумирование.
ВВЕДЕНИЕ
Интенсивные исследования процессов горения металлов переходной группы (титан, цирконий, гафний, молибден) с неметаллами (углерод, бор, кремний), а также смесей металлических порошков начались после того, как А.Г. Мержанов, И.П. Боровинская и В.М. Шкиро открыли новый способ получения боридов, силицидов и карбидов переходных металлов в режиме горения, так называемый СВС (самораспространяющийся высокотемпературный синтез) [1]. Формула открытия описывает этот процесс как разновидность «химического взаимодействия между твердыми компонентами, происходящего без плавления и газификации реагентов и продуктов...» [2]. Такое горение получило называние "безгазового", "твердого пламени" и т.п. [3]. Для описания "безгазового" горения была создана соответствующая теория, назовем ее кондуктивной, считающая основными физико-химическими процессами, определяющими скорость распространения фронта горения теплопроводность и диффузию реагентов через слой продукта [4]. Следствием такого описания взаимодействия исходных реагентов является большая ширина, как зоны прогрева, так и зоны реакции по сравнению с размерами отдельных частиц, из которых состоит исходная смесь. Эта оценка позволила использовать для математического описания процесса горения уравнения механики сплошных сред. Эксперименты с использованием скоростной видеокамеры [5] показали, что размеры зоны реакции и зоны прогрева примерно равны диаметру одной частицы крупнодисперсного компонента. Поэтому предположение о тепловой квазигомогенности исходной среды некорректно для большинства СВС-систем. Попыткой обойти эту проблему была микрогетерогенная теория [6]. Порошковую смесь представляют в виде совокупности одинаковых реакционных ячеек, каждая из которых содержит горючее и окислитель в тех же пропорциях, что и исходная смесь, температура и другие параметры внутри ячейки одинаковы, а процесс распространяется за счет теплообмена между ячейками. Также при помощи этой модели объяснялась наблюдаемая «шероховатость» («мерцание») фронта горения как результат передачи горения от ячейки к ячейке.
Однако как в квазигомогенной, так и в микрогетерогенной теории не учитывался конвективный перенос тепла и реагентов, связанный с движением расплава в направлении распространения фронта горения, без чего нельзя объяснить высокие скорости горения у многих СВС составов, а также сильное влияние примесного газовыделения на скорость распространения зоны реакции.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГОРЕНИЯ СМЕСЕЙ Zr+Al НАСЫПНОЙ ПЛОТНОСТИ В СПУТНОМ ПОТОКЕ _ИНЕРТНОГО ГАЗА_
С первых шагов изучения СВС стали появляться экспериментальные результаты, не находящие объяснений в рамках «кондуктивных» теорий, связанные с тем, что выделяющиеся газы влияют на движение расплава и, следовательно, на скорость процесса [7,8]. Например, наблюдается уменьшение скорости или даже прекращение горения при увеличении плотности состава выше некоторой критической величины [7], в то время как эти изменения с точки зрения классической теории должны были бы приводить к обратному результату из-за улучшения контактов между реагентами и увеличению теплопроводности исходной смеси. Другое несоответствие - аномальное увеличение скорости горения в образцах при уменьшении их диаметра [9, 10]. Кондуктивный подход в этом случае предсказывает уменьшение скорости распространения горения за счет увеличения теплоотдачи через боковую поверхность и уменьшение температуры горения. Примеры этих и других фактов подобных несоответствий приведены в работах [11-14]. Основная идея работ [11-14] состоит в том, что скорость распространения фронта горения определяется, прежде всего, переносом тепла движущимся расплавом. В отличие от кондуктивных представлений [3,4] данный механизм распространения волны СВС назван конвективно-кондуктивной теорией горения (ККТГ). В соответствии с ККТГ на движение расплава влияют силы поверхностного натяжения, как термокапиллярные, так и связанные с химическим потенциалом (за счет химического реагирования на периметре смачивания), из-за чего расплав сильнее втягивается в еще не горящий слой, чем в сторону конденсированных продуктов, а также перепад давлений примесных газов, выделяющихся за и перед фронтом горения. В соответствии с [14] скорость проникновения расплава в исходную шихту У/т подчиняется закону фильтрации Дарси, т.е.
АР
У/т - к/т"А (1)
где к/т коэффициент фильтрации расплава, А - толщина слоя расплава, а АР = (Р/ - Рь) разность давлений перед - Р/ и за - Рь слоем расплава.
Перепад давления АР = (Р/ - р,) в области проникновения расплава в исходную шихту состоит из двух составляющих: капиллярного давления АР$, вызванного силами поверхностного натяжения, и разности давления примесных газов спереди - Ри сзади - Р^ слоя расплава, Следовательно,
АР = (Р/ - Р ) = -(/ - % ) (2)
Как видно из (1) и (2), на скорость проникновения расплава в исходную шихту можно влиять как изменением давления газа перед, Р^ , так и за слоем расплава, Р^ . В соответствии
с ККТГ уменьшение скорости горения при повышении плотности вещества связано с увеличением давления газов /, выделяющихся перед фронтом горения. Увеличение
скорости горения с уменьшением диаметра образца связано с уменьшением давления /,
перед фронтом горения из-за улучшения условий фильтрации примесных газов через боковую поверхность образца (см. формулы (1), (2)). На начальном этапе, ККТГ развивалась за счет анализа накопленных в процессе изучения СВС данных [13-14]. Недавно авторами статьи были разработаны специальные методики, где на процесс горения влияли существенными для ККТГ способами. Так, с помощью присоединения кварцевой трубки с исходной смесью к вакуумному насосу достигалось уменьшение Р^, что для смесей порошков № + А1 и Т + С
привело к значительному увеличению скорости горения [15-17]. В этих же работах приведены расчеты показывающие, что такое воздействие на процесс горения с позиций кондуктивной теории не должно приводить к заметному изменению скорости процесса.
Цель данной работы состояла в экспериментальном выяснении механизма распространения (кондуктивный или конвективно-кондуктивный) волны горения для смесей
порошков Zr и А1 насыпной плотности. Эти результаты особенно важны для оптимизации процессов получения алюминидов никеля в опытно промышленных реакторах с помощью метода СВС).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Экспериментальная установка, используемая для проведения исследований (см. рис.1), представляла собой модификацию ранее использованной установки [15-17] с той разницей, что в выходные газовые магистрали были установлены датчики расхода и давления фирмы «Метран» (13), (14). Эти датчики позволили в режиме реального времени с помощью АЦП вести непрерывную запись расхода и давления, а также контролировать расход газа через установку. Некоторые каналы АЦП использовались для записи показаний термопар (9). Исследуемые смеси (8) засыпались в вертикально установленный прозрачный кварцевый стаканчик с трубкой в донышке (7), на подложку из минеральной ваты и стальной сетки (10). Внутренний диаметр стаканчика обычно равнялся 13,5мм, а высота - 60мм. К трубке через систему кранов и клапанов (16) подсоединялся вакуумный насос, обеспечивающий поток газа через образец. Стаканчик с исследуемой смесью помещался в реакционную камеру (2) с прозрачными окнами (3), которая перед осуществлением сжигания продувался аргоном из баллона. Газ, непрерывно подаваемый в реакционную камеру во время опыта, удалялся в окружающую атмосферу через одну из трубок (15), что позволяло поддерживать внутри реакционной камеры давление близкое к атмосферному. Инициирование процесса горения осуществлялось с верхнего торца засыпки с помощью электрического импульса, подаваемого на спираль (6). Через смотровые окна процесс распространения волны горения и показания вакуумметра записывались с помощью цифровой видеокамеры Sony DCR-HC94E (1) непосредственно в память компьютера (11). В соответствии с представлениями ККТГ создаваемое форвакуумным насосом разрежение должно уменьшать давление примесных газов (в случае их наличия) перед слоем расплава f и тем самым увеличивать скорость
движения расплава и, соответственно, скорость горения.
Рис.1. Схема экспериментальной установки: 1 - цифровая видеокамера; 2 - реакционная камера; 3 - окна в реакционной камере; 4 - вакуумметр; 5 - расходомер; 6 - воспламенитель; 7 - кварцевая пробирка; 8 - исследуемый состав; 9 - фильтр; 10 - термопара; 11 - компьютер; 12 - эл. питание воспламенителя; 13,14 - датчики давления и расхода газа; 15 - соединительные трубки; 16 - регулировочные краны
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГОРЕНИЯ СМЕСЕЙ Zr+A1 НАСЫПНОЙ ПЛОТНОСТИ В СПУТНОМ ПОТОКЕ
ИНЕРТНОГО ГАЗА
ИССЛЕДУЕМЫЕ СОСТАВЫ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗМЕРЕНИЮ ИХ ПРОНИЦАЕМОСТИ
Исследовались горение смесей на основе порошков 2г (Пцрк-1, чистота 99%, размер частиц <50 мкм), 2г (В-54, чистота 99%, размер частиц <20 мкм) и А1 (АСД-1, чистота 98%, размер частиц <15 мкм). Порошки взвешивались на электронных весах Асот Jw-1 и тщательно перемешивались в фарфоровой ступке методом сухого смешения. Использовались несколько вариантов молярных отношений реагентов: [А1]/[2г] = 1; 1,5; 2; 3. Для некоторых составом применялась термовакуумная обработка (ТВО). Для ТВО исходная смесь помещается в кварцевую трубку, закрытую с двух сторон газопроницаемыми фильтрами, к одному из концов которой присоединяется форвакуумный насос. Трубка с составом помещается в термостат, нагретый до определенной температуры. Выдержка при заданной температуре происходила при непрерывной откачке выделяющегося газа форвакуумным насосом. В нашем случае смесь нагревалась до 300оС в течение 3 часов. С целью получения составов с повышенной газопроницаемостью применялась грануляция. Прежде чем исследовать закономерности процесса горения, определялась пористость, плотность и проницаемости исследуемых смесей. Установка, для сжигания была также использована для определения газопроницаемости исходной смеси. Зная объемный расход газа 2 при атмосферном давлении, высоту засыпки - Ь, площадь поперечного сечения кварцевого стаканчика - £, давление газа у верхнего торца образца Р1 (1 атм.), давление газа у нижнего торца образца - Р2 (по показаниям вакуумметра (5)), вязкость фильтрующегося газа - л, можно с помощью формулы, приведенной в [18], рассчитать газопроницаемость исходной смеси к :
к =2«Ц. (3)
« (Р12 - Р2)
Результаты измерений газопроницаемости систем на основе 2г и А1, а также для систем на основе № и А1 [15] приведены в таблице 1. Газопроницаемость порошковых систем с 2г не зависела от состава и оказалась значительно ниже, чем у систем с №. Как видно из таблицы 1 грануляция исходных составов может на порядки увеличивать значение к . Другая серия
экспериментов без сжигания составов заключалась в изучении динамики пропитки порошков жидкостями под действием перепада давлений, созданного форвакуумным насосом. Жидкость наливается в верхнюю часть пробирки и под действием силы тяжести и капиллярных сил проникает вглубь засыпки; состав намокает и меняет свой цвет на более темный, что позволяет следить за динамикой пропитки с помощью видеосъемки. Через какое-то время после начала пропитки включается насос, что увеличивает скорость движения жидкости. Для всех составов насыпной плотности установившаяся скорость пропитки изопропиловым спиртом (л [Па хс] = 2,58х
103) составляла 0,5 мм/сек. (скорость пропитки для смесей на основе порошков № и А1 - 2,2 мм/сек.). Предварительные эксперименты показали, что составы из порошков 2г и А1 являются слабопроницаемыми для газов и жидкостей.
Таблица 1
Результаты измерений пористости и газопроницаемости смесей исходных порошков
Состав Пористость Газопроницаемость к, (дарси)
А1 (АСД-4)+2г (В-54, Пцрк-1) 0,4 0,3
А1 (АСД-4)+№ (ПНЭ-1) 0,5 0,6
А1+№, 2г, грануляция 0,8-0,9 50-100
ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ГОРЕНИЮ СМЕСЕЙ ПОРОШКОВ ZR И AL
Для облегчения воспламенения исходной шихты на ее поверхность насыпался слой порошка массой 0,2 г. Воспламенение этого слоя осуществлялось тепловым
импульсом от вольфрамовой спирали. Для того, чтобы избежать усадки шихты в процессе горения за счет потока газа и получения стабильных результатов перед каждым опытом проводилась продувка засыпки потоком газа при максимально возможном перепаде давлений (полностью открыт кран (16) на рис.1. Все исследованные смеси горят ровно, ярко, каждая своим оттенком оранжевого цвета. Пример получаемого из видео графика положения фронта горения и записи датчиков расхода 0{(), давления Р(^) и
температуры Т/) (рис.2). Зависимости X/) во всех опытах представляли собой практически прямые линии с небольшими
50
м 45-
м,
,я
40-
Я
е
р
О и 35-
Е
о р 30-
©
257
0,25-,
н
-а 0,20 Н ч п
о я
а
я
о ■2
к 0,104 &
в й
® 0,05-
0,00
6 мм/сек
—I—
10
-г-
11
Время, сек
0,2 §
0,1
н ев
и
Ч а я
9 10
Время, сек
о
Т= 1450 С
Т= 660о С
4
9 10 Время, сек
11
12
Рис.2. Зависимости координаты фронта горения Х^) (кривая 1), расхода G(t) (кривая 2), давления газа перед форвакуумным насосом Рф (кривая 3) и температуры Т(1) (кривая 4) от времени при горении смеси Zr(В-54)+3Al
«концевыми» отклонениями у воспламенителя и перед фильтром или ломаные, если образец состоял из слоев разных составов, что свидетельствует о стационарности процесса горения. Об этом же свидетельствуют участки равного наклона на кривых G(í) и Р(^) соответствующие горению (по мере сгорания проницаемость образца обычно практически линейно увеличивается). Особенностью горения смесей порошков Zr и А1 насыпной плотности было то, что скорость горения в рассматриваемых условиях (рис.1) практически не зависела от того, был ли включен или выключен форвакуумный насос и соответственно от положения крана 16. Этот результат был подтвержден специальными опыта-ми, когда вакуум включался в середине горения образца и в опытах с небольшими навесками (чтобы максимально увеличить поток аргона через образец). Следовательно, горение системы Zr и А1 отличается от горения смесей № и А1 [15, 16], в которых скорость горения увеличивается при продуве аргоном в 1,5-2 раза. Графики зависимости скорости горения ис от
отношения мольных долей исходных реагентов [А1]/^г] показаны на рис.3. Смеси с отношением концентраций [А1]/^г] = 0,75 и 4,0 не горели, поэтому пределы горения для [А1]/^г] были приняты равными 0,875 и 3,5. Эта величина представляла собой среднее арифметическое между последними концентрациями [А1]/^г] при которых смесь Zr+A1 горела и [А1]/^г] = 0,75 и 4,0.
0
6
7
8
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГОРЕНИЯ СМЕСЕЙ Zr+Al НАСЫПНОЙ ПЛОТНОСТИ В СПУТНОМ ПОТОКЕ
ИНЕРТНОГО ГАЗА
14-
2 12-
№
X <и а о
1«
н X о а
■а н и о а
о «
и
10-
8-
6-
4-
2-
0,5 1,0 1,5 2,0
2,5 3,0 3,5
[А1]/[гт]
4,0 4,5 5,0 5,5
Рис.3. Зависимости скорости фронта горения смесей порошков Zr и А1 от отношения концентраций[А1]/[ Zr]. Кривая 1 - смеси с Zr(Пцрк-1), кривая 2 - смеси с Zr(В-54), кривая 3 - литературные данные о горении прессованных образцов из порошков Zr и А1 [19]
1650-1
1600-
Как видно из рисунка, смеси на основе мелкодисперсного 2г (В-54), имели более высокую скорость горения. Качественный характер зависимости скорости горения от состава смеси соответствует данным для
прессованных образцов [19]. Анализ фазового и химического состава продуктов горения выполнялся на дифрактометре ДРОН-3М с использованием СиКа - излучения. Пробы для
анализа брались как в середине, так и в нижней части образца. Оказалось, что для смеси с весовым
соотношением 2г (53%) + А1 (47%), что соответствует смеси 2г +3А1, состав продуктов однофазный -соединение 2гА13. Для смесей с другим соотношением компонентов, наряду с фазой 2гА13 присутствуют и другие фазы (2гА12 и 2г2А13). Максимальная температура (рис.4) не соответствовала составу с максимальной скоростью горения, но согласовалась с термодинамическими расчетами [20]. В пределах точности измерений не возможно выявить разницу в температурах горения для смесей с 2г (Пцрк-1) и 2г (В-54) несмотря на то, что составы горят с разными скоростями. Часть экспериментов проводились со слоевыми засыпками, когда в пробирку последовательно помещались составы с различным соотношением исходных компонентов. Оказалось, что скорость горения смесей при одинаковом соотношении компонентов практически не зависит от организации экспериментов, если высота слоя каждого состава будет не меньше 8 мм. Этот результат позволяет использовать слоевые образцы в качестве экспресс метода определения скорости горения. Предварительная термовакуумная обработка (ТВО) исходных порошков в отличие от результатов [8, 15, 16] уменьшала скорость горения на 0,5-1 мм/сек. Для смесей 2г+А1, прошедших ТВО, наличие перепада давлений вдоль засыпки, также как и для исходных образцов не приводило к увеличению скорости горения (см. табл. 2). В таблице 3 подытожено, как отличаются влияние ТВО и созданного перепада давлений на процесс горения для системы А1 + 2г от системы А1 + № по данным [15, 16]. Скорость горения смесей №+А1 увеличивается как при вакуумировании нижнего торца засыпки, так и при ТВО исходной смеси, а замена № на 2г приводит к тому, что скорость горения становится индифферентной к вакуумированию, а ТВО даже замедляет горение. Эти результаты позволяют сделать вывод об отсутствии заметного газовыделения перед слоем расплава при горении системы 2г+А1 в отличие от смеси №+А1, в которой при горении выделяется достаточно газа.
«
а
^
н «
а
ш
с
г «
н
1550-
1500-
1450-
1400-
1350-
—I— 1,0
1,5
2,0 [А1]№]
2,5
3,0
Рис.4. Зависимости максимальной температуры во фронте горения смесей порошков Zr и А1 от отношения концентраций[А1]/[ Zr]. Кривая 1 - смеси с Zr(Пцрк-1) и Zr(В-54), кривая 2 - результаты термодинамических расчетов [20]
Таблица 2
Влияние на скорость горения искусственно созданного перепада давления вдоль засыпки и ТВО на
скорость горения в системах Zr+Al
Скорость, мм/сек
без искусственно при наличии ТВО без ТВО при наличии
Состав созданного искусственно искусственно искусственно
перепада созданного перепада созданного перепада созданного перепада
давлении вдоль давлений вдоль давлений вдоль давлений вдоль
засыпки засыпки засыпки засыпки
Zr(Пцрк-1) и А1 (1:3) 4 4 3,5 3,5
Zr(В54) и А1 (1:1) 9 9 8 8
Таблица 3
Сравнение влияния на скорость распространения фронта горения искусственно созданного перепада давления вдоль засыпки и ТВО в системах Zr+Al и №+А!
Состав Влияние воздействия на скорость распространения фронта горения
искусственно созданный перепад давлений термовакуумная обработка
А1 (АСД-4)+№ (ПНЭ-1) [15] увеличивает увеличивает
А1 (АСД-4^г (В-54, Пцрк-1) не изменяет уменьшает
Проведенные эксперименты не позволили сделать однозначный вывод о механизме распространения волны горения в системе А1 + Zr. Поэтому для подтверждения гипотезы о том, что смеси порошков Zr и А1 горят в соответствии с ККТГ (конвективный перенос тепла слоем расплава играет существенную роль в распространении горения), были осуществлены специальные эксперименты с введением газифицирующейся добавки. В качестве газифицирующейся добавки использовался порошок буры (декагидрата тетрабората натрия). Химическая формула вещества №а2В407х10Н20. По справочным данным температура выделения кристаллизационной воды (в виде пара) из буры гораздо ниже температуры горения смеси Zr+A1 и равна 590-650 К. Результаты измерения скоростей горения составов с добавкой буры приведены в таблице 4. Как следует из данных, приведенных в таблице, добавка буры приводит к появлению зависимости скорости горения от вакуумирования нижнего торца засыпки. Оказалось также, что добавка буры по-разному влияет на «быстрогорящие» и «медленногорящие» смеси.
Таблица 4
Влияние на скорость распространения фронта горения в системах Zr+Al введения 1% добавки буры и
искусственно созданного перепада давления.
Скорость, мм/сек
Состав без искусственно созданного при наличии искусственно созданного перепада давлений вдоль засыпки
перепада давлений вдоль засыпки
Zr (В-54)+ А1 (1:3) с добавкой 1% буры 4 6
Zr (В-54)+ А1 (1:3) без добавки буры 6 6
Zr (В-54)+ А1 (2:3) с добавкой 1% буры 13 15
Zr (В-54)+ А1 (2:3) без добавки буры 11 11
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГОРЕНИЯ СМЕСЕЙ Zr+A1 НАСЫПНОЙ ПЛОТНОСТИ В СПУТНОМ ПОТОКЕ _ИНЕРТНОГО ГАЗА_
Для медленногорящего состава 2г(В-54)+3А1, скорость горения которого равна 6 мм/сек, добавка 1% буры приводила к уменьшению скорости горения до 4 мм/сек. Для быстрогорящего состава 22г(В-54)+3А1, скорость горения которого равнялась 11 мм/сек, добавка 1% буры привела к увеличению скорости горения до 13мм/сек. Эти факты находят следующее объяснение в рамках ККТГ. В результате разложения буры изменяется давление газа как перед, Р^, так и за слоем расплава, РЬё . В соответствии с формулой (2), это должно
влиять на величину скорости горения. Количество газа, выделившегося перед и за фронтом горения, зависит от времени нахождения буры в зоне прогрева, которое согласно [3,4] обратно пропорционально квадрату скорости горения. Поэтому для быстрогорящих составов, где степень газификации буры перед слоем расплава меньше, основное газовыделение происходит за слоем расплава, что увеличивает разность Рь,? - Р^ и приводит
к увеличению скорости горения. В медленногорящих составах газификация буры происходит в основном перед слоем расплава, в результате этого увеличивается давление Р^ и уменьшается скорость распространения фронта горения. Следовательно, уменьшение
значения Р^ путем вакуумирования нижнего торца образца, для составов с добавкой буры,
должно приводить к увеличению скорости горения, что и подтвердили проведенные эксперименты. Отметим, что в рамках кондуктивных моделей объяснить такое влияние газифицирующейся добавки на процесс горения невозможно. Следовательно, проведенные эксперименты позволяют сделать вывод о конвективно-кондуктивном механизме распространения волны горения в системе А1 + 2г.
ВЫВОДЫ
Определены значения коэффициентов газопроницаемости смесей 2г и А1 для различных отношений исходных реагентов.
Показано, что грануляция исходных составов позволяет увеличивать коэффициент газопроницаемости в 50-100 раз.
Изучена динамика процесса пропитки исходных смесей изопропиловым спиртом. Установлено, что при горении смесей насыпной плотности на основе порошков 2г и А1 в различных пропорциях вакуумирование нижнего торца засыпки и термовакуумная обработка (ТВО) не приводят к увеличению скорости горения.
Показано, что газифицирующая добавка натрия тетраборнокислого вызывает уменьшение скорости горения для «медленногорящих» составов и увеличивает скорость горения «быстрогорящих».
Для составов с газифицирующей добавкой продольный перепад давления вдоль засыпки увеличивает скорость горения смесей.
Полученные экспериментальные результаты находят свое объяснение в рамках конвективно-кондуктивной теорией горения.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ проект № 05-08-65461.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мержанов А.Г., Боровинская И.П. Самораспространяющийся синтез тугоплавких неорганических соединений // Докл. АН СССР. 1972. Т. 204, №2. С. 366-369.
2. Мержанов А.Г., Боровинская И.П., Шкиро В.М. Явление волновой локализации автотормозящихся твердофазных реакций. Диплом на открытие № 287, Гос. реестр открытий СССР, 07.03.1984 г. с приоритетом 05.05.1967 г.
3. Мержанов А.Г. Теория «безгазового» горения // «Archiwum Procesow Spa1ania». 1974. Т.5, №1. С. 17-39.
4. Хайкин Б.И. К теории процессов горения в гетерогенных конденсированных средах // В сб. «Процессы горения в химической технологии и металлургии». Черноголовка, 1975. С. 227-244.
5. Мукасьян А.Г., Рогачев А.С. и др. Микроструктура фронта горения гетерогенных безгазовых средах (на примере горения системы 5Ti+3Si) // Физика горения и взрыва. 1996. Т. 32, № 6. С. 68-81.
6. Рогачев А.С. О микрогетерогенном характере безгазового горения // Физика горения и взрыва. 2003. Т.39, № 2. С. 38-47.
7. Вершинников В.И., Филоненко А.К. О зависимости скорости «безгазового» горения от давления // Физика горения и взрыва. 1978. Т.14, № 5. С. 42-47.
8. Найбороденко Ю.С., Касацкий Н.Г., Лавренчук Г.В. и др. Влияние термической обработки в вакууме на горение безгазовых систем // В кн.: «Горение конденсированных и гетерогенных систем». Матер. VI Всес. Симп. по горению и взрыву. Черноголовка, 1980. С.74-77.
9. Касацкий Н.Г., Филатов В.М., Найбороденко Ю.С. СВС в слабоэкзотермичных и высокоплотных системах с алюминием // В сб. статей «Самораспространяющийся высокотемпературный синтез». Томск: Изд. ТГУ, 1991. С. 63-69.
10. Филоненко А.К., Бунин В.А., Вершинников В.И. Особенность зависимости скорости горения от диаметра для некоторых безгазовых составов // Химическая физика. 1992. Т. 11, №2. С.260-264.
11. Сеплярский Б.С., Вадченко С.Г. Роль конвективного теплопереноса в процессах "безгазового" горения (на примере горения системы Ti+C) // Докл. РАН. 2004. Т.399, №1. С.72-76.
12. Сеплярский Б.С., Ваганова Н.И. Конвективный режим распространения зоны реакции - новый механизм горения "безгазовых" систем // Докл. РАН. 2000. Т.375, №4. С.496 - 499.
13. Сеплярский Б.С., Ваганова Н.И. Конвективное горение "безгазовых" систем // Физика горения и взрыва. 2001. Т.37, №4. С.73 - 81.
14. Сеплярский Б.С. Природа аномальной зависимости скорости горения безгазовых систем от диаметра // Докл. РАН. 2004. Т.396, №5. С.640-643.
15. Seplyarskii B.S., Vadchenko S.G., Brauer G.B., Kostin S.V. Synthesis of nikel aluminides in combustion regime under the flow of inert gas. Abstracts book of IX International Symposium on Self-propagating High-temperature Synthesis. Faculte des Sciences; Universite de Bourgogne. France, Dijon. 1-5 July, 2007. T.3.
16. Сеплярский Б.С., Вадченко С.Г., Брауэр Г.Б., Костин С.В. Закономерности горения смесей Ni+Al насыпной плотности в потоке инертного газа // Химическая физика и мезоскопия. Ижевск: ИПМ УрО РАН, 2008. Т.10, №2. С. 135-145.
17. Seplyarskii B.S., Vadchenko S.G., Kostin S.V., Brauer G.B. Synthesis of titanium carbides in combustion regime under the flow of inert gas. Abstracts book of IX International Symposium on Self-propagating High-temperature Synthesis. Faculte des Sciences; Universite de Bourgogne. Dijon, France. 1-5 July, 2007. T3.
18. Беляев А.Ф., Боболев В.К., Коротков А.И., Сулимов А.А., Чуйко С.В. Переход горения конденсированных веществ во взрыв. М.: Наука, 1973.
19. Найбороденко Ю.С., Лавренчук Г.В., В Филатов В.М и др. Механизм образования алюминидов циркония при безгазовом горении // В кн: «Горение конденсированных и гетерогенных систем». Матер. VI Всес. Симп. по горению и взрыву. Черноголовка, 1980. С.67-71.
20. Massalsky T.B., Subramanian P.R., Okamoto H. & Kasprazak L. Binary Alloys Phase Diagram // 2nd Ed., ASM Int., Metals Park, ON, USA. 1990.
FEATURES OF COMBUSTION OF Zr-Al MIXTURES OF BULK DENSITY IN COFLOW OF INERT GAS
Seplyarskii B.S., Brauer G.B., Kostin S.V.
Institute for Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chernogolovka, Russia
SUMMARY. Features of combustion of mixtures of Zr and Al powders of bulk density at different ratios of the components as well as granulated samples have been investigated in conditions of inert gas flow through the sample. It has been shown that the pressure difference along the Zr-Al sample (<105 Pa) had no influence on the combustion velocity. The addition of 1 percent of a gasifiable substance (sodium tetraboride) allowed observing the change in combustion velocity due to gas flow. The result obtained points out the governing role of convective heat transfer with moving melt in the mechanism of the propagation of a combustion wave.
KEYWORDS: heterogeneous combustion, melt, convective heat-mass transfer, combustion velocity, gas flow rate, pumping.
Сеплярский Борис Семенович, кандидат физико-математических наук, зав. лабораторией ИСМПМРАН, тел. (09652) 4-62-45, е-mail: [email protected]
Брауэр Григорий Борисович, научный сотрудник ИСМПМ, е-mail: [email protected]
Костин Сергей Викторович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИСМПМ, е-mail: [email protected]
