CC BY
23
УДК 544.427
ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ НА ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГОРЕНИЯ ПОРОШКОВЫХ И ГРАНУЛИРОВАННЫХ СМЕСЕЙ Т1+0,5С В ПОТОКЕ ИНЕРТНОГО ГАЗА
СЕПЛЯРСКИЙ Б.С., ТАРАСОВ А.Г., КОЧЕТКОВ Р.А.
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, 142432, Московская область, г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, д.8
АННОТАЦИЯ. Установлены закономерности горения как порошковых, так и гранулированных смесей Т1+0,5С при различном содержании влаги в исходной смеси как при продуве образца аргоном (спутная фильтрация), так и без продува. Установлено, что скорость горения «влажной» порошковой смеси Т1+0,5С при продуве аргоном с перепадом давлений 1 атм уменьшилась в ~ 2 раза (с 10 до 4,5 мм/с) по сравнению с «сухой» смесью, в то время как для гранулированных смесей влияние влаги на скорость горения и фазовый состав конечных продуктов незначительно.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: горение, СВС, гранулы, влажность. ВВЕДЕНИЕ
Ранее нами для ряда быстрогорящих порошковых СВС-систем (Т1+С, Т1+0,5С, №+А1 и др.) был установлен конвективно-кондуктивный механизм горения [1 - 3], согласно которому скорость проникновения расплава в исходную шихту и есть скорость распространения волны горения. При этом конвективный перенос тепла вызван течением слоя расплава легкоплавкого реагента под действием капиллярных сил и перепада давлений примесных газов перед и за слоем расплава [4]. Обычно исходные порошковые смеси содержат некоторое количество влаги. В рамках конвективно-кондуктивного механизма наличие влаги в составе исходной смеси можно рассматривать как источник примесных газов, влияющих на скорость горения [4, 5], так как температура кипения воды намного ниже температуры горения. С позиции конвективно-кондуктивной модели горения [4], такое воздействие должно приводить к уменьшению скорости горения, т.к. вода испаряется в зоне прогрева.
Чтобы исключить образование плохо проницаемого слоя расплава в процессе горения шихты, обеспечивающего конвективный перенос тепла и сильное влияние примесного газовыделения на скорость горения, применяли грануляцию исходной смеси порошкообразных реагентов [6 - 9]. В этом случае процесс растекания расплава под действием капиллярных сил ограничен размерами одной гранулы, т.к. была искусственно нарушена сплошность порошковой среды. Поэтому, высокая проницаемость исходной шихты сохранялась как в процессе горения, так и после его завершения, что должно было уменьшить влияние выделяющихся примесных газов, в т.ч. паров воды, на скорость горения. В то же время, если рассматривать процесс фильтрации газа в масштабе всего образца (макро масштаб), то образец можно рассматривать как сплошную среду, состоящую из гранул и порового пространства между ними, занятого газом и, следовательно, для фильтрации газа через образец применять закон фильтрации Дарси. Следует отметить, что, если различия скорости горения при использовании различных марок сажи связаны с различным содержанием примесных газов, адсорбированных в саже, тогда грануляция также должна нивелировать влияние марки сажи на скорость горения. Поэтому исследования, проведенные в данной работе, посвящены изучению влияния примесного газовыделения на примере влаги на закономерности горения порошковых и гранулированных систем Т1+0,5С как в условиях продува инертным газом, так и без потока газа. Сравнение закономерностей горения порошковых и гранулированных смесей Т1+0,5С позволит сделать обоснованные выводы о влиянии грануляции на процесс горения (рис. 1).
V "еК Исходная TfzYa* шихта
Продукты синтеза
Расплав
Фронт горения
Исходная шихта
'родукгы
Рис. 1. Схематическое изображение горения порошковой (слева) и гранулированной (справа) шихт
Влияние влажности может проявиться не только в изменении скорости горения, но и в изменении фазового состава продуктов синтеза. Поэтому в данной работе также исследовали влияние влаги и продува образца инертным газом на фазовый состав конденсированных продуктов реакции.
В части опытов для доказательства того, что влага оказывает влияние именно как источник примесного газовыделения, а не только выступает как разбавитель (считается, что в химическую реакцию вода не вступает), вместо нее в исходную шихту добавлялась негазифицирующая инертная добавка - карбид титана НС (температура плавления НС равна 3200 °С). Количество ПС было выбрано таким образом, чтобы количество теплоты, необходимое на его нагрев до температуры горения было не меньше, чем количество теплоты, необходимое на нагрев и испарение воды:
где Mw - содержание воды в исходной шихте; Cw - теплоемкость воды (4,2 кДж/(кг-К)); Ть - температура кипения воды (принималась равной 373 К); Tin- начальная температура шихты (принималась равной 300 К); кь- теплота фазового перехода (кипения воды) (2260 кДж/кг); MTiC - содержание карбида титана в исходной шихте; С-пс - теплоемкость карбида титана (0,6 кДж/(кг- К); Tc - адиабатическая температура горения смеси без добавки (Tc = 2200 К). Значение Tc рассчитывалось с помощью программы Termo. В этой программе для определения равновесного состава и температуры используется принцип минимума термодинамического потенциала (энергия Гиббса). Расчеты проводились исходя из предположения, что исходные компоненты не имеют примесей, а сам процесс превращения является адиабатическим.
Из (1) можно рассчитать эквивалентное количество TiC в смеси:
Расчеты показали, что по затратам тепла на нагрев и испарение 1 % влаги примерно соответствует 2 % карбида титана, 2 % влаги - 4 % карбида титана и т.д.
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Для приготовления шихты использовался порошок титана, марки ПТС, сажа марки П803-Т, карбид титана производства Баку. Использовавшиеся в работе реагенты и их характеристики приведены в табл. 1. Фракционный состав и распределение частиц по размеру в порошке определяли по стандартной методике на лазерном анализаторе размеров частиц М1его812ег 201.
Mw Cw(Tb - Tin) + Mw кь = M-iC C-ic(Tc - T„),
(1)
M-iC = (Mw Cw(Tb - Tin) + Mw кь)/ C-ic(Tc - Tm)
(2)
Таблица 1
Исходные реагенты
Название Марка Размер частиц, мкм
Титан ПТС 40 - 60
Сажа П-803 1 - 2
П-804Т 1 - 2
Карбид титана Пр-ва Баку 20
Аргон чистый
Вода дистиллированная
4% спиртовой раствор поливинилбутираля
Сажа П-804-Т использовалась лишь в отдельных экспериментах без дополнительного введения влаги в состав шихты.
Количество введенной влаги в шихте определялось по показаниям электронных весов и дополнительно контролировалось с помощью анализатора влажности Элвиз 2С. Введение влаги в шихту осуществлялось следующим образом. Порошковая смесь Т1+0,5С сначала высушивалась на анализаторе влажности Элвиз-2С, а затем, с помощью парогенератора фирмы КЯОМАХ Q-403 в нее вводилось различное количество влаги (до 2 %), которое контролировалось весовым методом. Взвешивание порошков осуществлялось на электронных весах Асот ^-1 с точностью измерений до 0,01 г. Для приготовления влажной гранулированной шихты бралась исходная порошковая смесь с необходимым содержанием влаги, а сам процесс гранулирования проводился по методике, описанной ниже.
Предварительно порошковая смесь перемешивалась в течение 30 минут в смесителе типа «пьяная бочка». Затем к полученной смеси добавляли 4% масс. раствор поливинилбутираля в этиловом спирте. Полученная после смешения жидкой и твердой фазы пастообразная масса перемешивалась до однородного состояния и затем протиралась через сито с необходимым размером ячеек. В данной работе использовалось сито с размером ячеек 1,25 мм. При грануляции получались гранулы с размером как больше, так и меньше размера ячейки сита. Для исключения возможности слипания гранул в большие агломераты и придания частицам сферической формы полученная после протирания смесь окатывалась путем ее перемещения по вращающейся горизонтальной поверхности. Затем полученные гранулы высушивалась на воздухе, и рассеивались на вибросите. Для экспериментальных исследований использовалась фракция с размером гранул от 0,63 до 2 мм. В экспериментах использовался газообразный аргон, марки чистый. Для сжигания, использовались засыпки высотой (40±4) мм. При такой высоте засыпки, в зависимости от используемой шихты (порошок или гранулы), масса навески составляла 7 - 9 г для гранулированных смесей и 12 г - для порошковых. Насыпная плотность для «сухих» порошковых составов равнялась 1,2 г/см3, а для гранулированных - 0,8 г/см3.
Горение образцов происходило в экспериментальной установке, принципиальная схема которой представлена на рис. 2.
Данная установка позволяла сжигать смесь, как без продува, так и при продуве газовым потоком, измерять расход и давление газа в процессе горения, а также получать видеозаписи процесса горения. На основании покадровой обработки видеозаписей процесса горения рассчитывалась скорость горения.
Для создания разности давлений на торцах образца, подача газа осуществлялась с верхнего торца через трехпозиционный переключатель, а на нижнем торце давление было равным 1 атм. Инициирование процесса горения осуществлялось с верхнего торца засыпки с помощью электрического импульса, подаваемого на спираль.
Эксперименты проводились по следующей схеме: исследуемая смесь (9) засыпалась в вертикально установленную прозрачную кварцевую трубку, внешний 0 19 мм, Н = 90 мм; толщина стенок - 1 мм, на подложку из минеральной (основа А12О3) ваты и кварцевого песка (10), высотой 15 мм и цилиндр из стальной сетки (11), высотой 10 мм (рис. 2). Сигналы от датчиков (5), термопары (7) и светодиодов, информирующих о положении переключателя
подачи газа (12), через АЦП фирмы L-card L-154, в режиме реального времени поступали в компьютер (4). Инициирование процесса горения осуществлялось с верхнего торца засыпки с помощью электрического импульса, подаваемого на спираль (8). Процесс горения с помощью цифровой видеокамеры Sony DCR-HC96E (6) записывался непосредственно в память компьютера (3). Для определения химического состава примесных газов разработано специальное приспособление, которое представляет собой вакуумируемый стеклянный сосуд с краном. Перед каждым забором газовой пробы сосуд вакуумируется и, затем, с помощью переходника с электромагнитным клапаном, подключается к выходной газовой магистрали. В нужный момент горения смеси клапан открывается и сосуд заполняется газом, после чего клапан закрывается, и сосуд герметизируется с помощью крана. Затем проба газовой фазы анализируется на различных установках: масс-, ИК-спектрометрах и хроматографе, что позволяет получить не только состав, но и массовую долю различных составляющих в газовой смеси.
1 - баллон с азотом; 2 - баллон с аргоном; 3 - компьютер для записи видеосигнала; 4 - компьютер для записи показаний датчиков через АЦП; 5 - датчики расхода и давления; 6 - цифровая видеокамера; 7 - термопара из вольфрам-рения 5/20; 8 - эл. спираль; 9 - шихта; 10 - слой минеральной ваты; 11 - металлическая сетка; 12 - трехпозиционный позиционный переключатель, позволяющий менять как баллон, из которого осуществляется продувка газом (положение I - азот; II - аргон), так и отключать подачу газа (положение III) в реакционную камеру
Рис. 2. Схема экспериментальной установки
Для исключения усадки исходной смеси в процессе горения и получения стабильных результатов перед каждым опытом проводилась продувка засыпки потоком аргона при давлении с верхнего торца равном 2 атм, а на нижнем торце давление было равно 1 атм. Также, продув исходной смеси аргоном позволял определить коэффициент газопроницаемости исходной засыпки.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Расчет газопроницаемости засыпки осуществлялся по формуле из [10] на основании данных, полученных в экспериментальной установке, используемой для сжигания (см. рис. 2):
k = 2P1MQL S (р - P22),
где k - газопроницаемость, дарси; Q - объемный расход газа (см /с) при атмосферном давлении; L - высота засыпки, см; S - площадь поперечного сечения кварцевой пробирки, см2; P1 - давление газа у верхнего торца образца, атм; P2 - давление газа у нижнего торца образца (показания вакуумметра 4), атм; m- вязкость газа, спз.
Коэффициенты газопроницаемости порошковых и гранулированных смесей в зависимости от количества влаги или инертной добавки в исходной смеси приведены в табл. 2. Как видно из данных табл. 2 с увеличением содержания влаги в исходной смеси проницаемость порошковой шихты увеличивалась. Это вызвано тем, что добавка влаги приводила к частичному комкованию порошковой смеси.
Таблица 2
Коэффициенты газопроницаемости исходных порошковых и гранулированных смесей в зависимости от количества влаги и инертной добавки, Дарси
0% 0,5% Н О 2 1% Н О 2 2% Н О 2 2% инерт 4% инерт
Порошковая 1 2 3 3,5 1,5 1,5
Гранулированная 11 - 13
Горение порошковых и гранулированных составов осуществлялось в установке, изображенной на рис. 2, как при продуве засыпки аргоном, так и без продува. Как показали результаты видеосъемки, когда проводилось сжигание «сухого» порошкового состава (влага в шихту не вводилась) без продува инертным газом, то наблюдался фронт горения с четко выраженной границей. В результате покадровой обработки видеозаписей экспериментов были определены значения скорости горения, которая оказалась равной 4,4 мм/с для «сухого» состава. Когда в экспериментах использовался порошковый состав с 2 % влаги в исходной смеси, горение носило нестационарный характер, отчетливой границы фронта не наблюдалось, что, согласно ККМГ, можно связывать с изменением условий растекания расплава во фронте горения. Поэтому скорость горения таких образцов высчитывалась как длина образца, поделенная на время сгорания всего образца. При горении аналогичных по содержанию влаги смесей в условиях продува инертным газом всегда наблюдалась четкая граница фронта горения (рис. 3). При этом впереди фронта горения порошковой смеси с содержанием 2 % влаги наблюдалась «муаровая» поверхность (рис. 3, б). Этот эффект вызван тем, что пары воды, которые испаряются перед фронтом горения в зоне прогрева, сносятся вдоль образца потоком инертного газа и конденсируются на холодных участках поверхности кварцевой трубки.
Из этого можно сделать вывод о том, что вода и ее пары при наличии продува инертным газом практически не попадают во фронт горения. Этот факт позволяет предположить независимость фазового состава продуктов синтеза порошковой смеси Т1+0,5С от содержания влаги в исходной шихте в условиях продува образца потоком инертного газа.
Рис. 3. Фотографии процессов горения порошковой смеси в потоке газа с различным содержанием влаги в исходной смеси: а) — «сухая» смесь; б) — смесь с 2 % влаги
На рис. 4 представлены значения скоростей горения порошковых смесей Т1+0,5С при различных условиях синтеза и количестве влаги в исходной смеси. Из рисунка видно, что при горении порошковых смесей без продува инертным газом скорость горения или средняя скорость сгорания всего образца (для образцов, содержащих влагу) практически не меняется при изменении содержания влаги в исходной смеси или же наличия инертного неплавящегося разбавителя - карбида титана и равна (4,1±0,4) мм/с. Этот результат оказался довольно неожиданным, т.к. согласно ККМГ увеличение содержания влаги должно было приводить к уменьшению скорости горения. При этом согласно показаниям датчиков расхода и давления Метран, расположенных на выходе из реактора горение составов Т1+0,5С сопровождается заметным выделением примесного газа. Количество примесного газа растет с увеличением содержания влаги в исходной смеси, что является подтверждением предположения о том, что вода выступает в качестве источника примесного газовыделения.
12
порошок(без продува)
1порошок(с продувом)
В
0% 0,5% влаги 1% влаги 2% влаги 2%инерт 4%инерт
Рис. 4. Скорости горения (сгорания) порошковых смесей Т1+0,5С в зависимости от условий синтеза и количества влаги в исходной смеси
Отличие полученных результатов от выводов теории можно объяснить следующим образом. При теоретическом анализе процесса горения рассматривался стационарный фронт, также предполагалось наличие слоя расплава, перекрывающее поперечное сечение образца. Именно этой слой и обеспечивал конвективный перенос тепла и сильное влияние примесного газовыделения на процесс горения (см. рис. 1). Однако горение смесей, содержащих влагу, происходило в нестационарном режиме, когда горячий очаг двигался по образцу. Можно предположить, что при таком режиме горения отсутствовал слой расплава, перекрывающий поперечное сечение образца. Следовательно, не было разницы давлений примесных газов, перед и за фронтом горения, которая существует благодаря этому слою. Поэтому увеличение содержания влаги в образце и не сказалось на уменьшении скорости горения, т. к. отсутствовал механизм, обеспечивающий это влияние.
Уменьшение скоростей горения порошковых смесей в потоке инертного газа с увеличением содержания влаги в исходной смеси с позиции этой модели объясняется увеличением давления испаряющейся жидкости перед фронтом горения. Скорости горения порошковой смеси Т1+0,5С с добавкой карбида титана 2 и 4 % оказались выше, чем скорости горения соответствующих смесей с добавкой воды (1 и 2 %). Этот результат показывает, что вода играет роль не только инертного разбавителя, но и газифицирующейся добавки, дополнительно замедляющей скорость горения.
При горении состава Т1+0,5С (как сухого, так и влажного), как и в [1], в потоке аргона происходила усадка смеси. По результатам обработки видеозаписей процесса горения, было установлено, что изменение продольного размера образца (усадка) происходит за фронтом
горения. Анализ проб газа, взятых из газовой магистрали после датчиков расхода и давления, показал, что на этапе горения в газовой фазе присутствует аргон, что свидетельствует о проницаемости фронта горения для потока инертного газа. Детальный анализ состава газовой фазы на масс-спектрометре показал, что она состоит из: Лг, Н2, СО, С02, С2Н2, С2Н4, а их массовое содержание в % равно: Лг - 69,8; Н2 - 29,1; СО - 0,01; С02 - 0,15; С2Н2+С2Н4 -0,15; остальное - органические примеси. Следует отметить, что наличие водорода в составе газовой смеси обусловлено его наличием в применяемом нами порошке титана. Так, химический анализ порошка титана показал содержание в нем водорода равное 0,08 % по массе [9]. Добавка в исходную смесь Т1+0,5С (сажа) влаги до 2 % масс. приводит к уменьшению скорости горения (рис. 4), и незначительному изменению состава газовой фазы в массовых процентах: Лг - 67,3; Н2 - 32,0; С02 - 0,4; С2Н2+С2Н4 - 0,18; остальное -органические примеси. Сопоставление указанных результатов с данными химического анализа газовой фазы, полученными при горении «сухой» смеси в потоке аргона, указывают на снижение массовой доли аргона и увеличение содержания водород и кислород содержащих соединений.
Для исследования влияния влаги в исходной смеси и условий синтеза (наличие или отсутствия продува инертным газом) на фазовый состав продуктов синтеза был проведен рентгенофазовый анализ продуктов горения порошковой смеси Т1+0,5С. Рентгенограммы конденсированных продуктов реакции приведены на рис. 5. Съемка производилась на медном аноде, шаг = 0,02. Из рентгенограмм на рис. 5 видно, что продукт реакции состоит из смеси 2-х фаз: карбида титана Т1Сх и титана Ть Если синтез проводился без потока газа, то наличие влаги в исходной смеси приводит к тому, что относительная интенсивность пиков титана в продукте реакции увеличивается примерно в 2 раза.
Этот факт свидетельствует о возросшей доле непрореагировавшего титана в продуктах горения. Следовательно, наличие влаги в исходной смеси приводит к изменению условий растекания титана и, соответственно, худшему взаимному растворению титана и карбида титана.
Рентгенофазовый анализ конденсированных продуктов горения смеси Т1+0,5С (сажа) в условиях продува инертным газом показал, что, как и в предыдущем случае, конденсированный продукт состоит из смеси двух фаз нестехиометрического карбида титана Т1С и титана. Однако, в отличие от образцов, сгоревших без продува, анализ рентгенограмм показал, что независимо от наличия или отсутствия влаги в составе исходной смеси при продуве засыпки аргоном фазовый состав конечного продукта не изменяется. Этот результат подтверждает сделанный на основании анализа видеосъемки вывод о том, что вода и ее пары при наличии продува инертным газом практически не попадают во фронт горения и не оказывают влияние на формирование фазового состава конечного продукта.
Рис. 5. Рентгенограммы продуктов синтеза порошковой смеси Т1+0,5С
Экспериментальные исследования по горению составов Т1+0,5С содержащих 4 % масс. карбида титана в потоке аргона показали, что скорость горения составляет 8 мм/с. На видеосъемке отсутствует фронт конденсации, опережающий фронт горения, характерный для влажных смесей. Однако, такая скорость горения, близкая к скорости горения неразбавленного состава равной 10,0 мм/с, по нашему мнению, является еще одним свидетельством в пользу того, что из-за введения разбавителя уменьшение теплового эффекта реакции незначительно.
Влияние влажности на закономерности горения и фазовый состав продуктов синтеза для гранулированной смеси Т1+0,5С.
В дальнейших исследованиях закономерностей горения смеси Т1+0,5С использовались гранулированные составы, что позволило исключить образование плохо проницаемого слоя расплава в процессе горения шихты, обеспечивающего конвективный перенос тепла и сильное влияние примесного газовыделения на скорость горения. В этом случае, растекание расплава под действием капиллярных сил ограничено размерами гранулы, т.к. нарушена сплошность пористой среды, что обеспечивает высокую проницаемость исходной шихты для фильтрующихся газов, как в процессе горения, так и после ее остывания. Следовательно, грануляция исходной шихты должна уменьшить влияние выделяющихся примесных газов, в т.ч. паров воды, на скорость горения. При горении гранулированных смесей наблюдается фронт горения с отчетливой границей, что позволяет по данным видеозаписей экспериментов получать значения скорости горения с высокой точностью. Необходимо отметить, что при таких условиях синтеза (наличие перепада давлений инертного газа вдоль образца) при горении наблюдается заметная усадка образца (относительно исходной длины образца - на 15 - 25 %). При горении «влажного» гранулированного состава в потоке газа, в отличие от порошковой смеси того же состава, при тех же условиях синтеза уже не наблюдается впереди фронта горения «муаровой» поверхности, вызванной конденсацией паров влаги, снесенных потоком газа из зоны прогрева, на поверхности кварцевой трубки. Это можно объяснить тем, что в порошковой смеси у поверхности кварцевой трубки лучше фильтрационные характеристики, нежели в центре, а гранулированные смеси имеют высокую проницаемость по всему поперечному сечению шихты.
Измеренные скорости горения гранулированных смесей в зависимости от условий синтеза (наличие или отсутствие продува инертным газом) и количества влаги в исходной смеси приведены на рис. 6. Из приведенных данных видно, что скорости горения при
изменении условий синтеза метаются крайне незначительно и лежат в интервале 7-9 мм/с.
0% 0,5% влаги 1% влаги 2% влаги Рис. 6. Скорости горения гранулированных смесей Т1+0,5С в зависимости от условий синтеза и количества влаги в исходной смеси
При этом, стоит отметить, что наиболее заметные изменения скорости горения связаны, в первую очередь, с влиянием продува инертным газом, а не увеличением количества влаги в исходной смеси, т.е. непосредственно сама добавка влаги в исходную
смесь не оказывает, практически, никакого влияния на скорость горения (при аналогичных условиях в случае порошковых смесей скорости упали более чем в 1,5 раза - с 10 до 6 мм/с). Это может являться следствием того, что характерная длина фильтрации по пористому телу, имеющему большое фильтрационное сопротивление (внутри гранулы) для примесных газов (в т.ч. паров воды) не превышает 1 мм, а не равна длине всей засыпки, как в порошковых смесях (при наших условиях - это порядка нескольких сантиметров). Этот факт способствует быстрому отводу примесных газов для гранулированных смесей. Незначительное влияние перепада давлений на скорость горения гранулированных смесей (изменения скорости составляют порядка 15 - 20 %) по сравнению с порошковыми (изменения скорости более чем в 2 раза), как отмечалось выше, связано с тем, что отсутствует слой расплава с большим гидравлическим сопротивлением.
Из сравнения рис. 4 и рис. 6 можно сделать следующие выводы: 1) в опытах без продува газом грануляция приводит к увеличению скорости горения почти в 2 раза; 2) продув инертным газом для порошковых систем приводит к значительному увеличению скорости горения (в 1,5 - 2 раза) в отличие от гранулированных смесей, где влияние продува менее существенно и приводит к увеличению скорости горения не более чем на 20 %.
Полученные результаты позволяют также сделать вывод о сильном снижении влияния примесного газовыделения (в т.ч. паров воды) и перепада давлений на скорость горения гранулированных смесей Т1+0,5С.
Аналогичная тенденция наблюдается и при анализе продуктов синтеза при помощи рентгенофазового анализа (рис. 7).
По данным рентгенофазового анализа, конденсированный продукт состоит из смеси двух фаз: нестехиометрического карбида титана и титана. Причем относительная интенсивность пика титана крайне мала (рис. 7), что говорит о его незначительном содержании в продуктах синтеза. Анализ рентгенограмм показал, что независимо от наличия или отсутствия влаги в составе исходной смеси при продуве засыпки аргоном продукты реакции являются практически идентичными. На основании полученных посредством рентгенофазового анализа данных можно сделать вывод о том, что гранулирование нивелирует влияние содержащейся в исходной смеси влаги на фазовый состав продуктов реакции. Этот результат имеет большое значение для практического использования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), т.к. позволяет получать стабильный состав конечных продуктов даже при различном содержании примесных газов (в том числе влаги) в исходной шихте.
СЗ
I §
&
со си
Сухие
Влажные(2%)
1Г
1Д1
'1_¡1
20 25 30 35
|
55 60 65 70 75 ?П 75 30 35
лх*
60 Й5 70 75
?0 30 35
55 ЙО Л5 70 75 Я?П ЧП ЧЧ
** ЙП 7П
- 77
• - НС
Рис. 7. Рентгенограммы продуктов синтеза гранулированной смеси Т1+0.5С
Влияние гранулирования смеси Т1+0,5С на скорость горения при использовании различных марок сажи.
Если предположить, что разные марки сажи отличаются друг от друга количеством адсорбированных газов, то из полученных результатов, следует, что грануляция должна уменьшать влияние марки сажи на скорость горения смеси. Для проверки этого предположения были проведена серия специальных экспериментов, в которых применялась сажа марки П-804Т вместо П-803. Отметим, что в этих экспериментах не было дополнительного введения влаги в состав исходной шихты.
Скорости горения, полученные в результате экспериментов, представлены на рис. 8. Как видно из рисунка, скорости горения порошковых смесей из разных марок сажи отличаются между собой в несколько раз как в условиях продува образца инертным газом (3,5 и 10 мм/с), так и в случае без продува (1 и 4 мм/с). В то же время скорости горения гранулированных смесей практически не отличаются как при продуве образца аргоном (оба 9 мм/с), так и при его отсутствии (8,5 и 8 мм/с), что подтверждает сделанное ранее предположение о снижении влияния различных марок сажи на скорости горения гранулированных составов.
12
и
порошок(без гранулы(без порошок(с гранулы (с продува) продува) продувом) продувом)
Рис. 8. Скорости горения «сухих» порошковых и гранулированных смесей Т+0,5С в зависимости от условий синтеза и применяемой марки сажи
ВЫВОДЫ
На примере системы П+0,5С установлено, что для систем, горящих по конвективно-кондуктивному механизму, гранулирование приводит к нивелированию влияния влажности исходной смеси на скорость горения и фазовый состав продуктов синтеза. Этот результат имеет большое значение для практического использования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, т.к. позволяет получать стабильный состав конечных продуктов даже при различном содержании примесных газов (в том числе влаги) в исходной шихте.
Выяснено, что, продув спутным потоком аргона порошковой смеси П+0,5С, содержащей различное количество влаги, приводит к уменьшению влияния влажности на фазовый состав продуктов горения и увеличению скорости горения.
Показано, что совокупность полученных экспериментальных данных можно объяснить в рамках конвективно-кондуктивной модели горения, указывающую на существенную роль расплава и примесного газовыделения в механизме распространения волны горения порошковых смесей.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 12-03-00376-а).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сеплярский Б.С., Вадченко С.Г., Костин С.В., Брауэр Г.Б. Закономерности горения смесей Ti+0.5C и Ti+C насыпной плотности в спутном потоке инертного газа // Физика горения и взрыва. 2009. Т. 45, № 1. С. 25-31.
2. Сеплярский Б.С., Вадченко С.Г., Роль конвективного теплопереноса в процессах "безгазового" горения (на примере горения системы Ti+C) // Доклады Академии наук. 2004. Т. 398, № 1. С. 72-76.
3. 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. 2008. Т. 10, № 2. С. 135-145.
4. Сеплярский Б.С. Природа аномальной зависимости скорости горения безгазовых систем от диаметра // Доклады Академии наук. 2004. Т. 396, № 5. С. 640-643.
5. Сеплярский Б.С., Брауэр Г.Б., Тарасов А.Г. Механизм распространения фронта реакции в смеси Fe2O3+2Al + 30%Al203 // Химическая физика. 2010. T. 29, № 7. С. 79-85.
6. Amosov A.P., Makarenko A.G., Samboruk A.R., Seplyarskii B.S., Samboruk A.A., Gerasimov I.O., Orlov A.V. and Yatsenko V.V. Effect of batch pelletizing on a course of SHS reactions: An overview // Inter. Journal of SHS. 2010. V. 19, № 1. P. 70-77.
7. Амосов А.П., Макаренко А.Г., Самборук А.Р., Сеплярский Б.С., Самборук А.А., Герасимов И.О., Орлов А.В., Яценко В.В. Гранулирование в порошковой технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Известия ВУЗов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2011. № 2. С. 30-37.
8. Seplyarskii B.S., Tarasov A.G. and Kochetkov R.A. Influence of Granulation on Combustion of 2Ti + C Mixtures // International Journal of Self-Propagating High Temperature Synthesis. 2013. V. 22, № 1. Р. 65-67.
9. Сеплярский Б.С., Тарасов А.Г., Кочетков Р.А. Экспериментальное исследование горения "безгазового" гранулированного состава Ti + 0.5C в спутном потоке аргона и азота // Физика горения и взрыва. 2013. № 5. С. 55-63.
10. Беляев А.Ф., Боболев В.К., Коротков А.И., Сулимов А.А., Чуйко С.В. Переход горения конденсированных веществ во взрыв. М. : Наука, 1973. 291 с. (стр. 32).
INFLUENCE OF HUMIDITY ON THE FEATURES OF COMBUSTION OF POWDER AND GRANULATED Ti+0.5C MIXES IN A COFLOW OF INERT GAS
Seplyarskii B.S., Tarasov A.G., Kochetkov R.A.
Institute of Structural Macrokinetics and Problems of Materials Science of the Russian Academy of Sciences, Moscow Region, Chernogolovka, Russia
SUMMARY. Features of combustion of both powder and granulated Ti+0,5C mixes at various moisture content in an initial mix as in argon flow (coflow filtration), and without gas flow have been established. It is shown that combustion velocity of "wet" Ti+0.5C powder in argon flow under 1 atm pressure difference decreases almost by one half (from 10 mm/s to 4.5 mm/s) in comparison to "dry" mix, while for granulated mixes the moisture influence on combustion velocity and phase structure of the final products is insignificant.
KEYWORDS: combustion, SHS, granules, humidity.
Сеплярский Борис Семёнович, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией ИСМАН, тел. (49652) 4-62-49, e-mail: sepl@ism. ac. ru
Тарасов Алексей Геннадьевич, старший научный сотрудник ИСМАН, тел. (49652) 4-64-92, е-mail: Aleksei_tarasov@mail ru
Кочетков Роман Александрович, младший научный сотрудник ИСМАН, е-mail: numenor@list ru
