9.4. Экспериментальные методы исследования процессов окисления, воспламенения и горения металлов

При изучении кинетических закономерностей образования тонкой оксидной пленки широко применяют термогравиметрические, волюмометрические, манометрические, оптические и другие методы [88, 98, 99]. Для определения изменения массы исследуемого образца обычно используют кварцевые микровесы. Часто применяют манометрический метод, позволяющий регистрировать изменение давления окислительного агента по мере его расходования на окисление горючего (рис. 2.26).

Рис. 2.26. Схема установки для измерения окисления

металлов манометрическим методом:

1 – печь; 2 – компенсационная пробирка; 3 – реакционная пробирка;

4, 5, 6, 7, 10 – Краны; 8 – манометр; 9 – эталонные объемы;

Т₁-Т₆ – термопары

При исследовании низкотемпературного окисления металлов путем регистрации изменения содержания кислорода в замкнутом объеме реакционную пробирку соединяют с резервуаром большого объема, а изменение давления в установке регистрируют с помощью капиллярной трубки, в которую введена капля ртути или диэтилфталата. Все оборудование должно быть термостатировано. Метод предпочтителен при изучении окисления металлов чистыми газами.

О реакционной способности образцов можно также судить по определяемому с помощью газового хроматографа содержанию кислорода до и после опыта. Если продукты реакции образуются в газообразном состоянии, то кинетика скорости окисления определяется изменением диаметра образца металла с помощью катетометра.

Основные методы изучения высокотемпературного окисления металлов основаны на изменении электропроводности и электрического потенциала оксидной пленки, химическом анализе образца после опыта. Описание особенностей установок, замера тех или иных параметров, а также обработки результатов эксперимента приведено в работах [100, 101].

Разработано большое количество экспериментальных методов и установок для изучения процесса воспламенения и горения металлов. В общем случае они основаны на применении фоторегистрации и скоростной микрокиносъемки горящих частиц.

Экспериментальные установки для исследования процессов воспламенения и горения можно разделить на две группы: для исследования одиночных частиц и их совокупности. Установки первой группы подразделяют на предназначенные для исследования неподвижных и движущихся частиц, второй – для изучения воспламенения и горения газовзвесей (аэрозолей) и порошков в слое (аэрогелей).

При изучении процессов воспламенения и горения движущихся одиночных частиц в окислительной среде их вводят в предварительно нагретый газовый поток заданного химического состава [99, 102, 103] (рис. 2.27).

Рис. 2.27. Схема установки для исследования частиц в потоке газа:

1 – печь; 2 – термопара; 3 – шамотный кожух с электронагревателем;

4 – кварцевая трубка; 5 – вибратор; 6 – питатель;

7 – трубка для ввода частиц

При определении температуры воспламенения постепенно изменяют температуру потока; предельной считается та, при которой впервые появляется или исчезает видимое горение. Время задержки воспламенения трактуется как время от ввода частиц в поток до их видимого воспламенения. За время горения принимают время свечения летящих частиц.

Представления о механизме горения формируются на основании анализа опытных зависимостей характеристик горения от размера частиц и параметров газовой среды, а также анализа фотографий и кинофильмов. В частности, считается, если размер изображения горящей частицы (ширина трека) приблизительно равен размеру исходной и изображение имеет четкие границы, такая частица горит гетерогенно; если же размер изображения значительно больше размера частицы и границы его размыты, частица горит гомогенно. Расщепление трека свидетельствует о дроблении горящей частицы.

Используют также установки типа реактора или бомбы высокого давления с прозрачной стенкой, в которых частицу подвешивают на алюминиевой или стеклянной нити и воспламеняют с помощью импульсного лазера. После воспламенения и перегорания нити частица падает. Регистрацию процесса горения ведут с помощью киносъемки, фотометрирования и т.д.

Для изучения процессов воспламенения и горения частиц металла в окислительных средах с высокой температурой широко применяют горелки различного типа [102] (рис. 2.28-2.31).

Для сжигания металлических горючих в средах с более высокими температурами, чем пламена газовых горелок, используют дуговые горелки (плазмотроны), представленные на рис. 2.32. В них инертный газ (чаще всего аргон) пропускается через дуговой разряд между неплавящимся вольфрамовым катодом и соплом (обычно охлажденным). Температура плазменной струи в аргоно-дуговой горелке достигает 10000-15000К и выше. Такая температура обусловлена в основном большой плотностью энергии в столбе разряда в результате его обжатия газовым потоком в узком канале плазменной головки.

Рис. 2.28. Схема установки для исследования процессов воспламенения

и горения высокодисперсных частиц в окислительных средах:

1 – соленоид; 2 – исследуемая частица; 3 – площадка держателя частицы;

4 – отражатель; 5 – разрядная лампа; 6 – стеклянная трубка;

7 – смотровое стекло или чаша для сбора продуктов горения;

8 – штуцер для вывода газа; 9 – штуцер для ввода газа

Рис. 2.29. Схема газовой горелки с введением частиц

в магистраль кислорода:

1 – трубка из нержавеющей стали; 2 – отражательный экран;

3 – ввод газа; 4 – ввод воздуха; 5 – резиновое соединение; 6 – поршень;

7 – исследуемый порошок; 8 – ввод кислорода

Рис. 2.30. Схема газовой горелки с введением частиц

в магистраль природного газа:

1 – цирконовая трубка; 2 – ввод кислорода; 3 – соединение цирконовой трубки со стеклом; 4 – подача порошка металла; 5 – капилляр;

6 – подача природного газа

Рис. 2.31. Схема плоскопламенной горелки:

1 – пылевая камера; 2 – ввод несущего газа; 3 – ввод горючей смеси;

4 – приспособление для предотвращения проскока пламени;

5 – ввод воды для охлаждения; 6 – плоское пламя; 7 – вывод несущего газа

Особый интерес представляют экспериментальные данные о горении металлических частиц в продуктах сгорания твердых смесевых топлив, полученные при их сжигании в бомбах постоянного или полузамкнутого объема [102, 104, 105].

Рис. 2.32. Схема установки с аргоно-дуговой горелкой:

1 – корпус горелки; 2 – канал шамотной насадки;

3 – прозрачная кварцевая трубка; 4 – питатель

Схема экспериментальной установки, предназначенной для изучения процессов горения высокодисперсных частиц металла в потоке продуктов горения смесевых твердых топлив, представлена в работе [102] (рис. 2.33).

Рис. 2.33. Схема установки для изучения горения

частиц металла в составе твердого топлива:

1 – датчик тяги; 2 – твердое топливо; 3 – корпус камеры;

4 – поток газа с частицами металла; 5 – датчик давления;

6 – сопло; 7 – кинокамера; 8 – оргстекло

В работе [105] приведена установка (рис. 2.34) для исследования процесса воспламенения частиц металлического горючего в продуктах горения модельного топлива (смеси перхлората аммония и полиизобутилена). Изменение соотношения между компонентами позволяет в широких пределах регулировать температуру и состав продуктов сгорания.

Рис. 2.34. Схема установки для определения времени

задержки воспламенения частиц металла

в продуктах горения модельного топлива:

1 – шток соленоида; 2 – соленоид; 3 – поршень; 4 – цилиндр;

5 – крышка цилиндра; 6 – образец топлива; 7 – фотоэлемент;

8 – испытуемый порошок; 9 – усилитель малых токов;

10 – программное реле времени; 11 – осциллограф;

12 – источник постоянного тока; 13 – контакты

Исследование процессов воспламенения и горения частиц в движущемся потоке дает возможность оценить влияние некоторых факторов (давления, температуры, состава среды) на время задержки воспламенения и горения, выявить особенности процесса (например, наличие расщепления и характер траектории частиц). Однако более детальное изучение характеристик воспламенения и горения отдельных частиц (процессов, протекающих на поверхности частицы и в прилегающей зоне, структуры пламени, температурного поля вокруг частицы) данными методами сопряжено с большими трудностями. Это, в первую очередь, относится к исследованиям в горелках, которые обладают значительной долей неопределенности условий.

Установки для исследования процессов воспламенения и горения неподвижных частиц (рис. 2.35, 2.36) позволяют изучить их более подробно, но в меньшей степени приближаются к реальным условиям.

Рис. 2.35. Схема установки для исследования процессов горения

неподвижных частиц металлических горючих в газообразной

окислительной среде при атмосферном давлении:

1 – кинокамера; 2 – микроскоп; 3 – камера с окислительной средой;

4 – игла; 5 – регулировочный винт; 6 – частица металла; 7 – окно;

8 – осветительная лампа; 9 – штуцер для выхода газа из камеры;

10 – крепежные винты; 11 – клеммы; 12 – нагревательный элемент;

13 – штуцер для подвода газа

Подробный обзор установок для исследования воспламенения и горения газовзвесей металлических частиц приведен в работах [97, 106]. На установках подобного типа изучают нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения газовзвеси; предельное содержание кислорода в среде, необходимое для ее воспламенения; температуру и энергию воспламенения и т.д. При проведении эксперимента наибольшие трудности представляет создание однородной по концентрации газовзвеси, заполняющей весь объем реакционного сосуда, так как тяжелые металлические частицы быстро оседают.

Рис. 2.36. Бомба для сжигания частиц:

1 – ниппельное соединение; 2 – корпус; 3 – силовой кабель; 4 – панель;

5 – фиксатор панели; 6 – электрод общий; 7 – фланец;

8 – нагревательный элемент; 9 – электрод индивидуальный;

10 – поджимное кольцо; 11 – кварцевое стекло

Ряд экспериментальных установок построен на принципе создания стабильной газовзвеси в непрерывном восходящем потоке, скорость которого больше скорости витания частиц. Применяют также механическое перемешивание газовзвеси. Однако, как отмечается в работе [97], инерционные силы вызывают ее расслоение и экспериментальные данные оказываются противоречивыми. Более воспроизводимые результаты получают на установках с так называемыми «короткоживущими» газовзвесями, которые создают в сосуде путем распыления порошка газовой струей и воспламеняют с помощью электрической искры. Для достижения равномерности распределения концентрации газовзвеси по объему изменяют форму сосуда, конструкцию и форму распылительного устройства. Одна из установок подобного типа показана на рис. 2.37.

Рис. 2.37. Схема установки для исследования

воспламенения газовзвеси:

1 – камера; 2 – резиновая пробка; 3 – датчик давления;

4 – чашечка; 5 – электроды; 6 – распыляющая трубка;

7 – электромагнитный клапан; 8 – пробка

Установка для исследования процессов воспламенения и горения порошков в слое представлена на рис. 2.38.

Рис. 2.38. Схема установки для исследования процессов

воспламенения порошка в слое:

1, 2 – кварцевые трубки; 3 – печь; 4 – эталон; 5 – нагревательный блок;

6 – автотрансформатор; 7 – прокаленный листовой асбест;

8 – навеска порошка; 9 – реометр; 10 – электронный потенциометр

Данная установка предназначена для получения характеристик, описывающих, главным образом, критические условия: температуру самовоспламенения в среде заданного состава, минимальную мощность источника воспламенения (при принудительном воспламенении), предельное содержание кислорода в атмосфере и т.д.

Для исследования процесса горения конгломератов (прессованных из порошка) магния в работе [107] используют нагревательную печь, через внутреннюю полость которой пропускают газ заданного состава (смесь кислорода с азотом или аргоном). Образец сбрасывают в печь сверху. Процесс горения регистрируют специальным фотоэлектрическим секундомером. Эта установка по существу представляет собой одну из разновидностей трековых установок, используемых для исследования процессов горения и воспламенения одиночных частиц.

Значительный интерес представляют метод и установки для исследования процессов окисления и воспламенения металлических проволочек.

Эффективным методом при исследовании процессов горения частиц металлов является отбор проб и анализ продуктов их сгорания. При отборе проб на различных стадиях воспламенения и горения частиц применяют их гашение, осуществляемое различными способами: осаждением на холодную пластину, которую в некоторых случаях покрывают вязкой смазкой; впуском частиц в трубку с холодным инертным газом или охлаждающую жидкость.

К числу перспективных методов изучения горения неподвижных частиц следует отнести такие, в которых контакт их с деталями установки полностью исключен, а время регистрации процесса по возможности максимально растянуто. К ним относится метод бесконтактного вывешивания (левитации) капель металла в высокочастотном электромагнитном поле, основным достоинством которого является отсутствие каких-либо механических контактов капли с деталями установки и постоянство ее положения в пространстве. В качестве недостатков метода следует отметить сложность конструктивного аппаратурного оформления и то, что частица не может быть меньше размера, определяемого мощностью высокочастотного генератора. Однако стационарное положение объекта во время эксперимента и получаемые преимущества (повышение точности измерений основных параметров воспламенения и горения, расширение круга регистрируемых характеристик) их компенсируют.