Горение металлов

Основные характеристики горения металла зависят от того, в каком агрегатном состоянии находится металл: в твердом состоянии или в паровой фазе.

Горение в паровой фазе тем более вероятно, чем более летуч металл, чем мельче частица и чем меньше теплопотери в окружающую среду. В литературе для описания процесса парофазного горения широко используют квазистационарную модель [9]. Для парофазного горения характерны большая скорость реакции, наличие обособленной светящейся зоны реакции и образование продуктов сгорания в виде субмикронного дыма. В зону реакции диффундируют окислитель из окружающей среды и пары металла от поверхности капли. Скорость процесса контролируется диффузией окислителя в реакционную зону, и процесс часто называется парофазным диффузионным горением.

При поверхностном горении расплавленная сферическая капля металла заключена в оболочку жидкого оксида. Реакция окисления протекает на границах "оксид – газ" и "металл – оксид" и контролируется диффузией металла и кислорода через оксид. Процессу свойственны невысокая скорость, ограниченность светящейся зоны пределами горящей частицы и образование продуктов сгорания в виде частиц примерно того же размера, что и исходный металл [9, с. 126-134].

Каждому механизму горения соответствует определенный закон изменения времени горения τгор в зависимости от диаметра частицы dM. Для парофазной реакции для поверхностной τгор ~ dM.

Экспериментальное изучение горения металлов указывает на существенные отклонения от предположений о симметричном горении: выбросы горящих паров, вращение частиц, внезапные изменения направления движения, вспышки, фрагментация частиц, образование полых оксидных сфер. Наиболее важным явлением является фрагментация, которая уменьшает размер горящих частиц и сокращает время их горения. Причиной дробления частиц является воздействие металлических паров, а также растворенных в металле газов.

При горении металла в конденсированных системах наряду с процессами, приводящими к уменьшению размера горящих частиц, протекают и обратные процессы, вызывающие увеличение размера горящих частиц. Таким процессом является агломерация металлических частиц на поверхности горения конденсированной системы, обнаруженная в 1962 г. в Институте химической физики (ИХФ) АН СССР Π. Ф. Похилом, В. М. Мальцевым и др.

Металлические частицы, входящие в состав металлизированной конденсированной системы, при горении слипаются и образуют агломераты с промежуточными продуктами разложения компонентов конденсированной системы. При попадании в зону высоких температур металл, диспергированный в агломерате, расплавляется и сливается в одну каплю. Если температура поверхности горения выше, чем температура плавления металла, слияние металлических частиц происходит уже на поверхности. Слияние металлических частиц на поверхности происходит в основном накоплением металла па поверхности [24]; некоторую роль играет также движение по поверхности.

Горение частиц алюминия сопровождается выбросами паров, вспышками, некоторым дроблением частиц. Ширина следа горящей частицы достигает трех ее диаметров. Значение показателя степени п в зависимости колеблется от 2 до 1,5. В продуктах горения присутствуют сферы, сплошные или полые, по размеру близкие к исходным частицам, и мелкий дым, размер частиц которого меньше 1 мкм. Перечисленные особенности (характер треков, вид продуктов сгорания, характер зависимости τгор=f(dM)) показывают, что алюминий может гореть как с поверхности, так и в паровой фазе.

В конденсированных смесях мелкие частицы алюминия воспламеняются вблизи поверхности горения смеси при температуре около 1300 К, крупные – на значительном удалении от поверхности при температурах вплоть до температуры плавления А12O3.

Достаточно интенсивное поверхностное окисление алюминия в конденсированных смесях (металлизированные твердые топлива) начинается уже в реакционном слое конденсированной фазы, где окисляется 4-6% всего металла, что дает около 25% тепла, выделяемого этой фазой. При горении баллиститных порохов алюминий в конденсированной фазе не реагирует.

Бериллий горит как на поверхности частицы, так и в паровой фазе, в целом подобно алюминию [9, с. 35], но доля парофазных реакций у него меньше, поскольку бериллий кипит при большей температуре. Это подтверждается меньшей шириной трека, равной 1,2 × 2,0 dM, отсутствием поворотов частиц и их дробления, характером продуктов сгорания. В конденсированных смесях бериллий воспламеняется на значительном удалении от поверхности горения смеси при температуре, близкой к температуре кипения бериллия.

Магний горит практически всегда в паровой фазе, что связано с низкой температурой его кипения, которая достигается уже на ранних стадиях горения, сразу же после воспламенения. В пользу парофазного горения магния свидетельствуют значение п в зависимости , равное или даже превышающее 2; большая ширина треков, достигающая 10-15 диаметров горящих частиц; вид треков (большая яркость зоны реакции, несимметричность, вымпелы, вращение частиц, внезапные повороты, вспышки, взрывы); характер продуктов горения, представляющих собой дым с частицами мельче 1 мкм.

Очень высокая температура кипения циркония (3850 К) приводит к тому, что он практически всегда горит на поверхности металла, хотя при высоких концентрациях кислорода и малых размерах частиц возможно горение циркония и в паровой фазе. Доказательством горения циркония на поверхности металла являются отсутствие оксидного дыма и образование всей массы продуктов сгорания в виде плотных сфер, примерно такого же размера, как и начальные металлические частицы; отсутствие вспышек; узкий густой ровный трек. Аналогично горению циркония протекает горение титана.

Для бора характерна смена механизмов горения в зависимости от агрегатного состояния оксидной пленки. При температурах ниже температуры кипения оксида наблюдается медленное горение; более интенсивное горение протекает при испаряющемся оксиде. И в том, и в другом случае горение идет на поверхности частиц, так как температура кипения металла выше температуры кипения оксида, но возможен и частичный переход горения бора в паровую фазу. Зависимость τгор = f (dM) меньше квадратичной; ширина трека равна диаметру горящей частицы.

Среди металлических сплавов наиболее широко изучено горение сплавов алюминия с магнием. К. II. Хоманн и 11. Вагнер показали, что сплав А1 + Mg (50 :50) горит в две стадии: вначале быстро горит магний, образуя диффузионное пламя и разрушая частицу, а алюминий рассеивается в виде мелких частиц, которые продолжают гореть более медленно. Спектроскопические исследования подтверждают, что в начале процесса преобладает горение магния, а но мере его выгорания все более увеличивается доля горящего алюминия. Присутствие в продуктах сгорания двойных оксидов MgAl2O4, обнаруженное рентгеноструктурным анализом, служит доказательством невозможности постадийного парофазного горения алюминия и магния, поскольку рекомбинация простых оксидов алюминия и магния маловероятна. Однако этот аргумент недостаточно убедителен, так как пары обоих оксидов в отдельности могут быть ненасыщенными по отношению к их чистым веществам, а при смешении паров может начаться конденсация жидкой фазы промежуточного состава, для которой пересыщение больше единицы. Кроме того, двойной оксид может образоваться при предпламенном поверхностном окислении, предшествующем парофазному горению.