Повна версія

Головна arrow Товарознавство arrow Теорія горіння та вибуху

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

Основні закономірності окислення, займання і горіння металів

Низькотемпературне окислення металів

Освіта конденсованих продуктів при окисленні металу призводить до того, що процес взаємодії металу з окислювачем виводиться з кінетичної області та перебіг процесу починає визначатися дифузійним опором утворився оксиду.

Опір окисної плівки різних металів найбільш чітко виражається об'ємним відношенням, що показує, як зміниться обсяг металу при окисленні, і являє собою відношення обсягу оксиду до обсягу металу, з якого цей оксид утворився.

При φ <1 оксид не може покрити метал суцільною плівкою. Плівка має пористу, комірчасту структуру і не робить істотного опору подальшому окисленню металу. До металам, що мають таку плівку, відносяться Mg (φ = 0,81), Ва (φ = 0,78), Са (φ = 0,64), Li (φ = 0,58).

При φ> 1 плівка покриває метал суцільним шаром. Поверхня вільно ростуть із зовнішнього боку. Компактна плівка служить ефективною перешкодою окисленню. Такими оксидними плівками володіють А1 (при окисленні до А12O3, φ = 1,28), Be (ВеО, φ = 1,68), Сі (СІО, φ = 1,72), Ni (Ni2O3, φ = 1,65) , Ζn (ΖnΟ, φ = 1,55).

При φ 1 захисні властивості оксиду знову втрачаються. Це пов'язано з великим збільшенням об'єму при окисленні, що викликає руйнують деформації в плівці. Так поводяться Сr (при окисленні до Сr2О3, φ = 3,92), W (WO3, φ = 3,30), V (V2O5, φ = 3,19).

Іншими властивостями, що впливають на захисні характеристики оксидної плівки, є міцність, пластичність оксиду, його адгезія до металу, здатність до відшаровування, розчинність в металі. Зокрема, Ti і Zr, незважаючи на те що їх оксидні плівки повинні мати захисний характер (φ одно 1,72 і 1,45 відповідно), продовжують інтенсивно окислюватися, тому що утворюються оксиди розчиняються у металевій фазі.

У залежності від властивостей оксидної плівки змінюється кінетичний закон, що характеризує окислення металу в часі. Пухка (φ <1 або φ >> 1) або розчинна у металі плівка не чинить опору просуванню окислювача, швидкість окислення не залежить від товщини плівки і контролюється швидкістю дифузії в тонкому шарі повітря біля поверхні металу. Зростання товщини плівки описується лінійною залежністю. При захисній плівці (φ> 1) швидкість окислення зменшується з потовщенням оксидної плівки і описується істотно нелінійним (параболічних, кубічним, логарифмічним) законом.

Займання металів

Повний час горіння металу складається з часу власне тертя і часу затримки запалення. Час затримки запалення в ряді випадків може перевищувати час горіння [9, с. 35] [1]. Від того, як скоро настане займання, залежить, скільки часу залишиться безпосередньо для горіння.[1]

Крім того, час затримки запалення визначає місце горіння металу в полум'ї, тобто температурні умови горіння, а отже, впливає на механізм горіння металу.

Як вказувалося, сильно ускладнює процес займання металу існування на поверхні металевої частинки дифузійного бар'єру у вигляді оксидної плівки, що утворюється при предпламенной окисленні. У багатьох випадках для займання потрібно попереднє руйнування оксидної плівки. Тому займання металів може відбуватися не тільки через зрив теплового рівноваги, але і внаслідок руйнування дифузійного бар'єру. Температура, коли губляться захисні властивості оксидної плівки, названа А. М. Меллорі і І. Глассменом "перехідною" температурою. Руйнування оксидної плівки є обов'язковою умовою займання для металів з φ> 1. Для металів з φ <1 достатньою умовою займання є зрив теплового рівноваги.

Серед факторів, що впливають на значення температури займання, важливим є розмір металевих частинок. Для металів з незащитную оксидною плівкою, що характеризуються лінійним законом окислення, діє звичайна умова гетерогенного займання: більші частки в силу меншої швидкості тепловідводу спалахують при більш низькій температурі. При захисній плівці починає діяти й інший фактор [2]: зростання оксидної плівки знижує швидкість окислення, велика частка виявляється в менш сприятливих умовах і запалюється при більш високій температурі.

При параболическом законі окислення обидва чинники можуть прийти в рівновагу, і в певному інтервалі розмірів температура займання виявиться незалежної від розміру частки. При сільнозащітних властивостях оксидної плівки (кубічний, логарифмічний закони окислення) в області достатньо великих часток температура займання починає рости з укрупненням частинок. Вся залежність температури займання від діаметра металевої частинки виражається в цьому випадку кривої з мінімумом [30].

З ростом концентрації металевих частинок температурі займання завдяки "колективному" ефекту знижується. Це зниження більше для малих часток, оскільки при високих концентраціях речовини відвід тепла, інтенсифікується в міру зменшення розміру часток, викликає підвищення температури середовища, і кожна частка виявляється як би укладеної в адіабатичну оболонку. Тому при досить великих концентраціях частинок температура займання дрібних частинок виявляється нижче, ніж температура займання великих часток, навіть для металів з незащитную оксидною плівкою.

Істотний вплив на температуру займання надає швидкість нагріву частинки. Від швидкості нагріву залежить характер оксидної плівки: її товщина і щільність. При повільному нагріванні утворюється щільна захисна плівка; виникають у плівці тріщини заростають знову утворюється оксидом, відбувається "заліковування" дефектів. Температура займання частинки досягає максимальних значень. При великій швидкості нагріву в плівці виникають деформації, викликані різницею в тепловому розширенні металу і оксиду або зміною обсягу металу і оксиду при агрегатних перетвореннях і фазових переходах. Ці деформації не встигають "заліковувати". Тому при великій швидкості нагріву займання полегшується і вдається досягти займання металів, що не запалали при повільному нагріванні. 1

Температура займання може бути знижена також нагріванням металу в інертній атмосфері з наступним контактом з окислювальним середовищем, наприклад нагріванням металевого порошку в аргоні, розривом нагрітих металевих стрижнів в окислювальному атмосфері або подачею гарячих металевих парів в окислювальний газ.

Температура займання металу робить вирішальний вплив на час затримки запалення металевої частинки. При горінні в полум'ї конденсованої системи час затримки запалення визначається в основному різницею між температурою середовища і температурою займання часток, а також розміром частинок. Час затримки запалення знижується зі зменшенням температури займання або, відповідно, із зростанням температури середовища [9, с. 35]. З ростом діаметра частинки час затримки запалення зростає пропорційно квадрату діаметра частинки. Ця залежність відповідає впливу розміру часток на час їх прогрівання. Далі розглянемо характеристики займання деяких металів.

  • [1] Див. також: Badger G. М. et. al. Formation of aromatic hydrocarbons at high temperatures // J. Chcm. Soc. 1958. P. 2449-2464; Похил П. Ф., Логачов В. С., Мальцев В. М. Вплив активності порошків алюмінію і магнію на горіння складів // Фізика горіння і вибуху. 1970. Т. 6. № 3. С. 407-424.
  • [2] Похил Π. Ф. та ін. Низькочастотні автоколивальні процеси при горінні пороху // Фізика горіння і вибуху. 1971. Т. 7. № 1. С. 51-65.
 
<<   ЗМІСТ   >>